裂缝对混凝土坝的安全运行和效益发挥具有显著影响。为深入研究筑坝材料水工混凝土在拉伸作用下的断裂机理与开裂特性,构建了由骨料、砂浆、界面过渡区(ITZ)及初始缺陷组成的四相三维细观模型,并采用损伤塑性本构与线弹性本构分别模拟砂浆、ITZ与骨料。通过单轴拉伸数值模拟与试验结果对比,验证了模型的有效性。结果表明:在普通强度水工混凝土中适当考虑1%~2%的初始缺陷率能使模拟结果与实测值更为吻合;随着初始缺陷率增大,抗拉强度显著下降,裂缝更易集中于试件中部,造成明显的强度弱化与能量耗散;ITZ厚度在小范围变化时对抗拉强度影响有限,但若忽略ITZ,模型对破坏形态与力学响应的模拟偏差显著增大;骨料含量的增加会进一步削弱抗拉强度,并明显影响裂缝扩展形态。研究成果不仅系统评估了初始缺陷率、ITZ厚度和骨料含量对水工混凝土拉伸及断裂吸能的影响规律,也为更好地理解水工混凝土细观损伤演化机理、预防结构开裂及提升大坝安全性提供了参考。

为研究矿渣对再生混凝土孔结构及抗渗性能的影响,进行了不同矿渣掺量再生混凝土吸水率和渗水高度试验及低场核磁共振孔结构微观测试。基于渗水试验和微观测试结果,采用灰色关联分析法分析了再生混凝土抗渗性能与孔结构之间的关系。结果表明:随着矿渣掺量的增加,再生混凝土的渗水高度和相对渗透系数都随之降低,其抗渗性能得到增强;通过低场核磁共振测试发现再生混凝土的孔隙率也随矿渣掺量的增加而降低。灰色关联分析结果表明,矿渣减少了再生混凝土中的过渡孔和大孔,从而增强了再生混凝土的抗渗性能。适量掺入矿渣可改善再生混凝土的抗渗性能,研究成果可为再生混凝土的工程应用提供参考。

天然火山灰作为潜在的矿物掺合料,具备降低水泥用量、减少碳排放的环保优势,但因其活性较低,单掺常导致水泥基材料早期性能下降。为提升其工程适用性,以川藏地区低活性火山灰为基础,复掺少量硅灰,构建复合胶凝体系,系统研究其水化行为与微观结构演变。采用XRD、SEM、TG-DTG和压汞法等手段,结合力学性能试验,对不同龄期试件的水化产物、孔隙结构及强度发展规律进行表征与分析。结果表明:单掺火山灰体系早期水化反应迟缓,活性指数与强度较低;硅灰的引入显著促进C-S-H凝胶生成,细化孔径分布,提高结构致密性,有效提升早期和后期强度。28 d龄期下,复掺27%火山灰与3%硅灰的胶凝体系的抗压强度较单掺试件增长了64%,较纯水泥基准试件增长了15%,活性指数提升明显。

针对引调水隧洞施工与运营过程中突涌水及渗漏等灾害治理难度大的问题,以多苯基多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)、水玻璃(WG)和聚醚多元醇等为原料,通过有机/无机杂化的方式制备出水玻璃改性油溶性聚氨酯(PU/WG)发泡灌浆材料。宏观性能结果表明:水玻璃最优掺量为20%,此时改性聚氨酯密度为1.102 g/cm³,发泡率可达2 684%,7 d抗压强度可达38.9 MPa。扫描电子显微镜(SEM)测试微观分析表明:随着水玻璃掺量的增加,光滑平整的聚氨酯表面出现球形泡孔后逐渐被不定形无机相覆盖,最终呈现为疏松多孔结构。热重分析(TGA)表明:改性聚氨酯热稳定性明显优于纯聚氨酯。研究成果可为改性油溶性聚氨酯灌浆材料的性能提升和体系优化提供数据支撑。

为推进水库淤积物高值化利用,以三峡库区淤积物(SD)为核心原料,联合矿渣粉(GGBFS)与粉煤灰(FA)构建三元地质聚合物体系。通过21组配比试验,结合抗压强度测试、TCLP浸出试验、XRD、SEM-EDS、FTIR等表征方法,系统研究材料性能、固化机制、材料环境安全性。结果表明:当GGBFS掺量为20%时,淤积物占比80%的试样1 d抗压强度达70 MPa以上,XRD分析显示其绿泥石等黏土矿物大幅减少,C-A-S-H与C-S-H凝胶形成交错结构,归因于高活性的GGBFS溶出的Ca²⁺生成纤维状C-S-H凝胶与C(N)-A-S-H凝胶,消耗并降低了[SiO₄]^4-与[AlO₄]^5-浓度,促进了淤积物中硅铝质溶出;SEM证实FA的加入促进了体系生成沸石类硅铝酸盐矿物填充孔隙,提升了地聚体系28 d强度的稳定。研究表明,三元协同体系可同时实现淤积物大掺量(≥80%)资源化与材料性能优化,为疏浚固废制备高强地质聚合物提供理论和技术依据。

酸性砾石骨料水工沥青混凝土是一种新型的水工建筑材料,可用于水利工程中的沥青混凝土心墙坝、沥青混凝土面板坝和渠道防渗等。为推广酸性砾石骨料在西部严寒地区沥青混凝土心墙中的应用,通过试验研究和理论分析,探讨了酸性砾石骨料对水工沥青混凝土性能的影响。研究结果表明,酸性砾石骨料采用水泥填料或者掺非胺类抗剥落剂,能够显著提高沥青混凝土的力学性能、抗水损害和耐久性。研究成果为酸性砾石骨料水工沥青混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支持。

为明确混凝土高趾墙复式结构对特高面板坝力学性能的改善效果,依托国内在建的某250 m级特高面板坝工程,分别采用二维和三维非线性有限元方法,比较了采用混凝土高趾墙复式结构和常规结构2种设计方案时大坝应力变形的差异性。结果表明:混凝土高趾墙显著抑制了堆石体顺河向变形,堆石体上游向变形最大减幅为23%,面板挠曲变形明显降低,挠度极值降低10%;大坝施工分层填筑及多级蓄水过程堆石体内部应力分布平整,应力水平较低,无应力集中与塑性极限状态区域;面板、混凝土高趾墙所受压应力均在混凝土抗压容许值范围内,变形值在工程合理范围内。研究结果进一步论证了特高面板坝采用复式结构方案的合理性与安全性,为同类高坝工程的结构优化设计提供了理论依据与技术参考。

为研究温压同步循环加载作用下混凝土的力学性能及损伤本构关系,进行了温压同步循环加载试验、单轴压缩试验与扫描电镜(SEM)测试,分析了循环次数、循环温度与循环应力对混凝土抗压性能与微观结构的影响。结果表明:在温压同步循环加载作用下,随着循环次数、循环温度与循环应力的增加,混凝土的抗压强度逐渐下降。温压同步循环加载作用加剧了混凝土力学性能的劣化,使其抗压强度较单一荷载作用下明显降低。在温压同步循环加载作用下,混凝土骨料与水泥砂浆之间界面过渡区微裂纹的扩展连通,是力学性能下降的主要因素。基于等效应变假定,建立了温压同步循环加载作用下混凝土的损伤本构模型。损伤演化曲线表明,温压同步循环加载作用使混凝土的损伤速率加快,峰值应力处的损伤程度增加。研究成果可为压缩空气储能(CAES)地下储气硐室衬砌混凝土结构的设计提供试验与理论依据。

自生体积变形是影响大坝混凝土抗裂能力的重要因素。针对现有全级配大坝混凝土细观建模效率低、网格质量差的问题,提出随机骨料批投放建模方法建立全级配大坝混凝土二维细观分析模型,研究不同自生体积变形、约束条件下混凝土界面过渡区、砂浆基体的应力分布及其演变规律。结果表明:在收缩和膨胀变形作用下,大坝混凝土应力主要集中在砂浆与骨料尖角临近部位和界面过渡区转角区域,四边约束条件下收缩拉应力较单边约束大0.8~1.2 MPa;以最大拉应力作为开裂控制条件时,高抗裂大坝混凝土的自生体积变形应控制为低收缩或微膨胀,变形宜为(-9~11)×10^-6。

为了探究主余震序列作用下空腹重力坝的非线性地震响应过程,首先从PEER数据库选取主震和余震地震动时程构建主余震地震序列。然后依据空腹重力坝信息建立三维有限元模型,以塑性损伤模型模拟坝体材料的非线性特征,以附加质量模拟库水的动水作用,计算主余震序列作用下空腹坝的非线性地震响应过程。最后,分别从坝体损伤区、坝顶残余变形和损伤耗散能3个角度探讨主余震序列对空腹重力坝非线性地震响应的影响。结果表明:余震会对空腹重力坝造成显著的附加破坏,主要表现为主震破坏区的延伸。当余震峰值衰减系数为0.852 6时,Mammoth Lakes、Chalfant Valley、Whittier Narrows这3条余震引起的残余变形分别占总残余变形的24.2%、24.1%、26.4%;在损伤耗散能方面,3条余震引起的损伤耗散能分别占总损伤耗散能的38.8%、49.6%、47.1%。研究成果为评估空腹重力坝的抗震性能提供了依据。

为实现花岗岩骨料水工沥青混凝土配合比优化设计,采用Box-Behnken响应面法进行试验设计,构建响应面回归模型,研究砂率、填料用量和油石比对花岗岩骨料水工沥青混凝土性能(孔隙率、稳定度、流值)的影响,并确定最优配合比。结果表明:砂率、油石比、砂率和油石比的交互作用对稳定度、流值和孔隙率的影响显著,填料用量、填料与油石比的交互作用影响较小;经响应面优化,花岗岩骨料水工沥青混凝土的最优配合比为砂率33%、油石比7.1%、填料用量12.5%。该回归模型有效且可信度高,可用于试验结果分析,并可为花岗岩骨料水工沥青混凝土配合比优化设计提供参考。

利用数值流形法具有统一解决连续和非连续问题的优势,进行了非线性稳态热传导问题分析。首次构建了基于NMM的非线性稳态热传导离散格式,并采用Newton-Raphson迭代算法对非线性方程组进行求解,从而实现了问题域内温度场和热流量场的精确计算。与有限元法相比,NMM在处理复杂边界条件和材料界面问题时展现出更强的适应性,其前处理过程也更为灵活便捷。为验证NMM的有效性,针对二维复杂边界和双层材料等问题域的热传导算例进行模拟,结果表明该方法具有较高的计算精度和良好的鲁棒性。

为解决细观力学模型的响应结果的离散分布问题,将水泥基材料划分为硅酸钙凝胶、水泥净浆、水泥砂浆和混凝土4个尺度,并考虑水泥的各相矿物组成、骨料和界面过渡区(ITZ),构建了多尺度下的水泥基材料细观力学模型。同时,将概率方法应用于模型的参数分析,通过全局敏感性分析来量化输入参数的不确定性对水泥基材料弹性模量的影响。研究结果表明细观力学模型响应结果的离散性主要来源于输入参数不确定性的跨尺度传播,总阶敏感性指数排序分别为:砂和粗骨料的弹性模量、砂和粗骨料的体积分数、水化产物的弹性模量、水泥熟料的体积分数、水泥熟料弹性模量。研究结果对于确定控制模型框架中的不确定性来源,以及提高模型响应的计算效率具有较好的实践意义。

低热硅酸盐水泥(简称低热水泥)复掺粉煤灰配制的混凝土具有放热慢、放热量低、后期强度较高的特性,为揭示其放热特性与水化机制,开展了胶凝材料的长期水化放热试验,获得了水化状态,借助吉布斯自由能最小化软件(GEMS)进行热力学计算,建立了水泥水化模型。结果表明: ①粉煤灰会显著降低低热水泥的水化热,水化稳定时水泥水化程度为86.0%、粉煤灰反应程度为53.3%;②建立的水化模型可以很好表征低热水泥水化过程,水泥以硅酸二钙(C₂S)为主导矿物,相较于普硅水泥与中热水泥,可生成更多水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、更少Ca(OH)₂,这是其后期强度较高的内在原因;③不同类型C-S-H的饱和指数不同,其与Ca(OH)₂饱和指数、OH^-与Si⁴⁺浓度呈线性正相关,与Ca²⁺浓度呈负相关;④掺入粉煤灰后Ca(OH)₂被首先消耗殆尽,形成了钙硅摩尔比较高的C-S-H凝胶,钙矾石溶解形成单硫型水化硫铝酸钙,随掺量增加,C-S-H含量与钙硅摩尔比、pH值均显著降低,水化产物稳定状态在pH值上的拐点是12.86。研究成果可为研制掺粉煤灰的低热水泥混凝土提供理论依据。

为得到再生粗骨料CO₂最佳强化改性条件,利用响应面法(RSM)设计进行17组骨料碳化试验和骨料特性测试,并分别建立响应面回归模型。通过对模型进行显著性、可靠性和交互作用分析,研究CO₂浓度、碳化温度和相对湿度三因素耦合对再生粗骨料压碎值、吸水率和表观密度的影响;结合响应面模型优化改性条件,并对最佳碳化条件进行试验验证。结果表明:响应面模型可信度和精确度较高;碳化温度-相对湿度、CO₂浓度-碳化温度和CO₂浓度-相对湿度的交互作用分别对压碎值、吸水率和表观密度影响最为显著;最佳碳化条件为CO₂浓度38%,碳化温度41 ℃,相对湿度49%,且各指标实测值与预测值相对误差均<5%。提出的模型可为CO₂改性再生粗骨料提供参考。

独立覆盖流形法采取“分区级数解”的思想,将计算域划分为若干分区,在各个分区内部采用多项式级数等完备级数直接逼近真实物理场函数;各分区之间采用窄条带连接,通过单位分解函数将各分区级数连接成整体近似函数,在收敛意义上具有C₁连续性;计算网格具有任意形状、任意连接和任意加密的特性。基于计算网格的任意性,采用“一分为二”的网格分裂算法作为网格划分和细分的策略;基于收敛意义上的整体C₁连续性,采用物理场导数的连续程度作为误差控制的指标。以上组成了基于任意网格的自适应分析策略。通过数值试验验证了这一策略的可行性。在此基础上提出优化方案:采用绝对误差指标控制近似函数导数的连续性,以简化误差判断;采用网格预划分的方式优化凹角局部区域的网格分布。最后,通过方孔、重力坝等算例进行验证,表明优化方案可以大幅减少网格数量,从而节省算力。

川藏铁路隧道建设中,存在着因地质原因引起的高温地热问题,会对喷射混凝土的使用造成不利的影响。为了研究高温地热环境对喷射混凝土用水泥砂浆性能的影响,在实验室模拟了地热环境对试样水化硬化特征和力学性能的影响,并从微观机理上对其变化规律进行了阐释。结果表明:速凝剂的加入使得C₃A快速水化,形成针棒状的AFt晶体相互搭接,使水泥快速凝结;温度升高则显著提升了早期水化速率,从而提高样品的早期抗压强度, 60 ℃下1 d抗压强度达到28 d的64%;过高的温度会使水泥在短时间内产生大量水化产物,不能有序沉淀,导致孔隙结构劣化;高温导致水分快速流失,AFt向AFm转化,以及热应力导致微裂纹的形成,从而使孔结构进一步劣化并对后续强度的发展产生不利的影响。研究成果有助于理解高地温环境下喷射混凝土水化硬化过程和力学性能发展规律。

《水工混凝土结构设计规范》(NB/T 11011—2022)是水电工程钢筋混凝土结构设计的主要依据。然而该标准中有关设计基准期与分项系数等条文在应用中仍存在一些疑难点或不易明确的问题,易造成工程应用偏差。结合笔者团队多年大中型水电站水工结构设计经验,对标准中设计基准期、使用年限、目标可靠指标、可变作用取值、分项系数设置、地震组合等方面的问题进行了分析探讨,发现水电行业的结构目标可靠指标β_t相比国内其他行业处于较低水平,相关规范关于统计类可变作用设计基准期的规定缺失,目前的持久状况分项系数取值不能保证水工混凝土结构安全度总是高于房建工程;基于此,提出了提高目标可靠指标、 增加楼面及平台活荷载设计基准期 100 a规定等相应建议措施,以期为工程设计应用及标准修编提供参考。

针对深厚覆盖层心墙堆石坝坝基廊道普遍存在的开裂渗漏问题,提出了一种新型水工超高韧性水泥基复合材料HECC(Hydraulic Engineered Cementitious Composites)复合坝基廊道结构,即在廊道应力变形较大位置设置由HECC构成的塑性铰接段,适应廊道变形,从而提高坝基廊道的防裂性能。首先采用三维有限元数值模拟方法,分析坝基廊道的受力变形特性,揭示坝基廊道的开裂机制,明确易裂部位,确定HECC材料的设置位置;然后通过对比设置HECC塑性铰接段前、后廊道的应力分布,验证了HECC廊道的防裂效果。研究结果表明:水压和自重作用下,廊道受力条件复杂,呈现复杂的挠曲变形;距离端部30 m范围内是廊道应力变化剧烈区域,也是廊道的易裂部位;在两端大应力区设置HECC塑性铰接段后,HECC段承受了廊道本体的大部分变形,率先进入塑性状态,通过内部应力的调整,普通廊道段的应力会大幅下降,开裂风险会明显降低。HECC坝基复合廊道结构能有效减小或避免廊道的开裂和渗漏问题。

为推广中性骨料在西部严寒地区沥青混凝土面板中的应用,采用中性骨料辉绿岩进行室内沥青混凝土面板防渗层配合比和性能试验研究,通过13组试件对不同配合比沥青混凝土的孔隙率、48 h马歇尔斜坡流淌值、劈裂抗拉强度和劈裂破坏拉伸应变等指标进行分析,提出优选配合比,即级配指数0.4、沥青含量7%、填料掺量12%。性能试验研究验证得到:辉绿岩骨料黏结力等级为5级;优选配合比下沥青混凝土防渗层各项性能指标均能满足规范要求,具有足够的防渗性和变形能力;同时其冻断温度低于-37 ℃,能抵抗当地最低-31.9 ℃的低温环境要求。