基于相场-边界元法模型的高混凝土坝水力劈裂演化过程研究

The crack in high concrete dam is one of the main problems that affects the normal function of the dam. The crack growth and crack propagation under the water pressure will lead a huge security risks for the concrete dam. Due to the complexity of hydraulic fracturing, the particularity of materials for high concrete dam and the diversity of cracks in dam, the existed theoretical models and numerical methods have much difficulty for the analysis of hydraulic fracturing and cannot meet the requirements of engineering practice. This project will provide a new method which can consider the complex multiple three-dimension cracks based on a phase-filed boundary element method. The evolution process and mechanism of hydraulic fracturing in high concrete dam will be investigated by combination of theoretical analysis, numerical simulation and experiment. The phase-field model will be used as the physical model while the boundary element method will be used as the numerical method to establish the numerical model for hydraulic fracturing. Experiment in laboratory will be conducted to verify the validity of the numerical model and optimize the model and calculation parameters. The evolution law of the cross crack and bifurcation crack in dam will be investigated, together with the change of water pressure, and the model will be improved according to the investigation. The results of this project will help to promote the development of fracture mechanics of concrete, and provide a reference for the safety control of the high concrete dam.

高混凝土坝的裂缝是影响大坝正常运行的主要问题。在水压的作用下，裂缝会不断扩展，给大坝的正常运营带来了巨大的安全隐患。由于水力劈裂问题的复杂性、高坝混凝土材料的特殊性以及坝体裂缝性态的多样性，现有的理论模型和数值方法的研究还不能满足工程实践的需求。本项目以能考虑三维复杂多裂纹的的相场-边界元法为研究手段，通过理论分析、数值模拟和室内试验相结合对高坝混凝土裂纹水力劈裂的演化过程和机理进行研究。以相场模型为物理模型，边界元法为数值方法，建立求解水力劈裂问题的数值模型；通过室内试验来验证数值模型的有效性，并优化模型和计算参数；研究坝体中交叉裂纹和分叉裂纹等复杂裂纹的演化规律，研究不同水压对裂纹演化的影响，改进计算模型。研究成果有助于推动混凝土断裂力学的发展，可为我国大坝的安全控制提供理论依据和技术支持。

高混凝土坝的裂缝是影响大坝正常运行的主要问题。在水压的作用下，裂缝会不断扩展，给大坝的正常运营带来了巨大的安全隐患。由于水力劈裂问题的复杂性、高坝混凝土材料的特殊性以及坝体裂缝性态的多样性，现有的理论模型和数值方法的研究还不能满足工程实践的需求。本项目以相场-边界元法法为研究手段，通过理论分析、数值模拟和室内试验相结合对高坝混凝土裂纹水力劈裂的演化过程和机理进行研究。主要研究内容包括：以相场模型为物理模型，边界元法为数值方法，建立求解水力劈裂问题新的数值模型；通过室内试验来验证数值模型的有效性，并优化模型和计算参数；研究坝体中交叉裂纹和分叉裂纹等复杂裂纹的演化规律。在本项目的资助下，取得了以下研究成果，主要包括：(1)非线性边界元法理论及相应的快速算法研究：提出了计算非线性边界元法中域积分的自适应背景网格积分法和相应的快速算法，提出了计算域积分的直线积分法和相应的快速算法；(2) NURBS改进的边界类型方法研究：提出了了基于NURBS的边界元法和边界无单元法及其快速算法；(3)改进的插值型移动最小二乘法研究：提出了改进的正则化的移动最小二乘法和基于自适应正交插值移动最小二乘法的无网格法，并应用于无网格法中；(4)局部化的相场断裂算法：提出了局部化的相场断裂算法。研究成果有助于推动混凝土断裂力学的发展，可为我国大坝的安全控制提供理论依据和技术支持。