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高堆石坝筑坝颗粒材料宏细观力学特性及工程应用

发布时间: 2016-02-25 09:12:59     返回首页

       本成果属2015年度教育部科技进步一等奖。

       我国是当今世界高坝建设的中心,堆石坝由于取材方便、地形适应性强等优点,是三大主流坝型之一。目前在建、拟建坝高超过200m的堆石坝已达17座,超出了现行规范的适用范围。对筑坝颗粒材料力学特性认识不足已制约了高堆石坝建设。2009年美国科学院认为“颗粒力学”是未来10年力学面对的重大挑战,2014年中国科学院将它列为力学学科的6个基础与前沿领域之一。因此,开展高堆石坝筑坝颗粒材料力学特性研究具有重要理论意义和应用价值。

本项目依托国家973计划、国家自然科学基金等6项基础科研项目和水布垭、双江口、茨哈峡等15个重大水电工程,针对堆石体细观变形机理、堆石坝宏观变形预测以及变形控制等关键技术难题,开展筑坝颗粒材料宏细观力学特性、数值分析方法和全生命周期变形控制研究。主要创新性成果如下:

1)在颗粒细观力学特性层面:建立了力链结构局部非仿射变形演化过程的动理学模型(kinetic model),发展了基于细观结构精细化描述的组构张量模型,揭示了颗粒材料细观组构演化特性和宏观力学响应之间的内联机制,实现了高堆石坝筑坝颗粒材料细观组构和力链结构演化的定量描述。

2)在宏细观数值模拟方法层面:首次提出了考虑复杂颗粒形状和颗粒破碎效应的堆石体细观随机颗粒不连续变形分析方法,建立了堆石体宏细观多尺度分析的FEM/DEM耦合数值仿真平台,解决了高堆石坝变形分析的宏细观多尺度精细化模拟难题。

3)在宏细观变形测试技术层面:研发了颗粒材料高精度力链结构光弹试验测试技术,实现了颗粒内部力链网络的精确量测;提出了原型级配堆石体现场大型力学试验方法,形成了一套数值模拟、室内试验和现场试验相结合的原级配堆石体力学参数测定试验技术。

4)在高堆石坝宏观变形控制层面:建立了基于材料性能演化规律和宏细观变形机制的堆石体变形控制理论,提出了高堆石坝变形动态预测与反演分析方法,发展了集工程设计、施工、运行控制为一体的高堆石坝全过程变形控制体系,突破了长期以来高堆石坝变形控制主要依赖工程经验的局限。

项目成果被2部行业设计手册采用;获批软件著作权登记3项;授权发明专利4项,授权实用新型专利2项;出版专著7部;发表学术论文104篇,SCI检索43篇,EI检索50篇,SCI他引175次,其中一篇论文荣获第四届汪闻韶院士青年优秀论文奖、另一篇论文被选为中国精品科技期刊顶尖学术论文。发表的论文“Understanding force chains in dense granular materials”被Top期刊《J. Geophys. Research》列为3篇岩土颗粒材料领域经典论文之一。英国皇家学会和工程院两院院士、美国工程院院士、中国科学院外籍院士、英国Swansea大学Owen教授认为项目成果对颗粒材料的发展做出了显著贡献。

研究成果经教育部组织的专家鉴定,认为整体达到国际领先水平。成果已成功应用于世界最高面板堆石坝水布垭工程和最高心墙堆石坝双江口工程。项目执行期间产生的直接经济效益达4.5969亿元,显著推动了水利水电行业的科技进步。