输水工程中淡水壳菜侵蚀混凝土的机理研究

淡水壳菜附着在输水建筑物内壁会导致混凝土性能劣化,研究淡水壳菜附着规律与侵蚀混凝土的微观机理对建筑物防护对策的制定具有重要价值。本文研究了淡水壳菜在输水建筑物内部附着规律、足丝入侵机制、体长空间差异性;通过原位混凝土硬度、侵蚀深度测试,分析了淡水壳菜对混凝土物理性质的影响;基于侵蚀前后混凝土微观形貌、化学元素变化及XRD衍射图谱,解析了淡水壳菜对混凝土侵蚀的微观机理,提出了侵蚀后混凝土的物相转化机制。结果表明:淡水壳菜附着密度在渡槽内部自入口到出口呈现出衰减规律;在倒虹吸内部附着密度呈现出沿程波动特点,但总体稳定。淡水壳菜平均垂向分离力与体长呈正相关关系;淡水壳菜体长在大尺度空间上表现为“南方长,北方短”特点,相差10 mm,体长分布形式符合高斯分布。淡水壳菜长期附着下,混凝土硬度降低、侵蚀深度有所增加;微观形貌疏松多孔,Ca、Fe等元素流失;混凝土的侵蚀产物主要为二氧化硅。

数字孪生水利水电工程扩展数据结构建立方法

针对水利水电工程专业众多,建模工具的差异会导致专业协同或阶段性成果移交时出现数据移交难度大甚至数据丢失的问题,创新性地提出通过按需扩展IFC(工业基础类)原数据结构,建立数字孪生水利水电工程扩展数据结构方法,形成面向语义表达、几何表达和属性集表达的水利水电工程IFC扩展表达方式,为水利水电工程易丢失的数据提供标准化存储空间。以此为基础,基于Autodesk Revit软件并借助Revit IFC Exporter开源工具包,研发包含几何信息、属性信息等的扩展IFC导出功能,对坝体结构进行扩展和导出,验证扩展数据结构建立方法的可操作性。最终通过数据移交案例,证明了该方法能够有效保证工程信息在移交过程中不丢失。

基于BIM的数字孪生水利工程轻量化技术研究

为解决水利工程BIM模型解析交互不流畅、外形失真、信息丢失等问题,提出一种通用性的基于BIM的数字孪生水利工程轻量化技术。将水利工程轻量化分为BIM建模、数据结构标准化、模型提取与转换、模型压缩与传输、模型解析与渲染5个方面,按照水利工程数据特点和业务应用需求,针对性地提出轻量化措施,发挥BIM技术的三维可视化、数据化性能,实现业务协同应用。将上述技术应用于引汉济渭一期工程,通过规定模型几何构形表示方式、数据标准化存储空间、模型必要信息提取与转换方式、模型压缩工具和传输手段、模型解析工具和渲染方法等,实现工程地质模型的轻量化。轻量化后工程地质模型的每秒传输帧数(FPS)由10提高到55,验证了该技术的有效性。

输水建筑物表面淡水壳菜防护涂层研发及适用性分析

淡水壳菜附着在输水建筑物壁面会导致输水结构混凝土性能劣化、糙率增加等诸多严重问题,然而当前尚缺乏切实有效的防治对策。针对输水建筑物中淡水壳菜防治难题,研发了一种无毒新型淡水壳菜防护涂层,通过试验手段表征了涂层微结构、表面能、力学性能等;研究了淡水壳菜活体在涂层表面的行为特性,对比了研发涂层与6种现存涂层表面淡水壳菜的平均附着率和平均垂向分离力,深入分析了淡水壳菜在现存涂层表面的附着机理及研发涂层的防附着机理。结果表明:与6类无毒现存涂层中防附着效果较好的硅橡胶涂层相比,本文所研发涂层淡水壳菜平均附着率、平均垂向分离力分别下降58.33%,46.67%;与混凝土表面相比,涂层表面淡水壳菜平均附着率、平均垂向分离力分别下降80.26%,91.11%。研发涂层同时具备“低表面能”“微结构”“弹性”“低污损脱除参量”特点,污损脱除参数优于同类涂层。本研究可为输水建筑物中淡水壳菜防护涂层选择与性能分析提供参考,对淡水壳菜防治提供一种新路径。

生物附着现象对有压输水工程过流能力的影响

针对我国输水工程中生物污损现象造成的壁面混凝土剥落、有效过水断面缩小以及水质恶化等问题,依托南水北调中线某输水建筑物,开展了不同面积占比下的室内模型试验,并采用多孔介质域数值仿真分析了以淡水壳菜为主的生物附着下的有压管道三维流场和淡水壳菜附着对有压输水工程过流能力的影响。结果表明:受淡水壳菜附着的影响,有压管道水流呈主流偏移现象,近壁面水流质点动量交换更加剧烈;断面糙率与附着厚度及面积占比均呈正相关关系,低密度时,影响因素主要为淡水壳菜附着数目,高密度时,附着厚度为主要因素。

考虑雨强贡献的大型水电站枢纽泄洪雾化影响规律分析

泄洪雾化对两岸边坡的影响一直是水电枢纽长期运行安全关注的重大问题。针对西南水电站枢纽泄洪雾化影响问题,采用随机喷溅数学模型分析了雾化影响规律,并对该模型求解方法进行了改进,在综合考虑复杂地形、水舌风、自然风及水滴飞行过程等因素的同时,以西南地区GS水电站为依托,对不同泄洪工况下的雾化降雨进行预测。结果表明,泄洪方式、地形及自然风在大型水电站雾雨区分布形态中起主导作用。GS水电站不同工况下雾化降雨呈现沿河谷两岸边坡竖向爬升的趋势,暴雨区沿左岸最高扩散至2236 m高程,右岸扩散至2188 m高程,最大纵向长度为815 m,暴雨中心雨强达600~1000 mm/h。研究成果为未来窄河谷、大规模水电站工程泄洪出口处的雾化影响分析提供了参考依据。

水利水电工程信息模型通用几何造型系统研发及应用

水利水电工程信息模型在水工设计中面临异形构件多、机理模型嵌入难、模型跨平台、阶段应用难和程序化开发碎片化等问题。对此,提出了一种与造型软件无关的水利水电工程信息模型通用几何造型方法及系统。系统将水利水电工程设计过程解耦为造型机理表达、特征草图描述、特征变换和造型生成算法对象。针对国内水工设计常见单体异形构件和组合特征复合构件,在Autodesk Revit、Bentley Microstation、Dassault CATIA系统进行了程序化建模验证。系统成功应用于我国多个水利水电工程项目,极大地提高异形几何体的构型效率和复用率,验证了所提出系统的可靠性和可行性。研究成果为水利水电工程信息模型的设计数据跨平台交互和我国水利水电专业国产几何造型系统的研发具有借鉴价值。

水利工程施工人员不安全行为识别方法

水利工程施工过程中施工人员不安全行为是引发安全问题的关键因素,施工现场大多采用现场安全巡检、可穿戴式装备、实时监控等方法进行不安全行为识别,存在费时费力、成本高、信息化水平低等问题,不利于危险行为的及时发现、预警。针对上述问题,本文基于计算机视觉、深度学习,提出了适用于水利工程施工大场景下的不安全行为识别方法。首先,针对大场景下施工人员机械中的小目标漏检、错检问题,提出YOLOv5改进方法,并构建了施工人员机械多对象目标检测模型;其次,基于目标检测模型,分别提出了靠近静态危险区域、动态施工机械、安全帽未佩戴等常规不安全行为的识别方法;最后通过工程实例验证,本文所提出的识别方法增加了施工现场管控手段和力度,有效提升水利工程施工安全智慧化管控水平。

余震持时特性对高烈度区渡槽动力响应的影响研究

主震发生后会在短时间内引发多次余震,长持时余震是否会对主震受损后的高烈度区渡槽结构造成额外损伤仍需探讨.以滇中引水工程某典型梁式渡槽为工程实例,建立渡槽-水-支座-支撑结构全耦合有限元模型.基于能量持时的定义,以设计反应谱为基础,从PEER强震数据库中选择长持时和短持时地震动记录来构造主、余震地震序列,对渡槽结构进行非线性动力分析;充分考虑主震作用后渡槽的初始损伤状态,提出了渡槽损伤评价指标,探讨了不同持时的余震对主震受损后渡槽结构动力响应的影响.结果表明:余震持时特性对主震受损渡槽的抗震性能有显著影响,长持时余震对主震受损后渡槽结构造成更严重的累积损伤,在渡槽动力响应分析中不容忽视.因此,在渡槽地震安全评估和抗震设计时,除需考虑余震的频谱特性和幅值外,还应重点考虑持时特性.

基于统一场景的重力坝极端动力灾害链传递混合模拟方法

针对水电工程多灾害耦合效应连续模拟数据传递困难且缺乏全过程顺次模拟工具等问题,结合灾害链传递过程中的关键节点及参数,提出了多种数值模拟工具和物理引擎耦合的动力灾害链传递混合模拟方法。该方法采用数值模拟工具得到结构强度、变形等物理场及破坏模式,通过二次开发将物理场变量及结构破坏模式映射进入物理引擎,基于计算流体力学方法和物理引擎模拟方法顺次混合模拟结构损毁后的块体运动、库水下泄和洪水演进过程,从而实现极端动力灾害链传递的全过程模拟。某重力坝枢纽极端爆炸毁伤事故动力灾害链传递验证结果表明,该方法克服了单一数值模拟工具的局限性,实现了从原生灾害的结构响应到次生灾害演进全过程的集成一体化仿真预演,在计算精度和效率方面均达到工程应用尺度上较为理想的效果。

RCC坝仓面碾压质量与进度的增强现实反馈方法

碾压混凝土(RCC)坝仓面碾压质量与进度等施工信息大多以报表和图片等传统方式反馈传递,不利于施工质量缺陷的及时发现和施工进度的总体把握。针对上述问题,本文基于Tsai两步标定法,提出了一种固定相机三维注册求解方法,实现了施工质量固定型增强现实反馈;结合混合注册,提出了仓面施工进度信息的移动型增强现实反馈表达方法。同时,施工质量信息与施工进度信息基于关系型数据库和建筑信息模型(BIM)进行相互关联,实现了施工信息互补增值。通过系统研发和工程应用检验,本文提出的坐标映射方法在施工区域实际配准最大偏差不超过0.5m,同时该模块响应平均时间为5.06s,满足现场使用精度和时效要求;基于移动增强现实的施工进度反馈模块,手机使用时平均帧率达29.55,帧率大于27时间占比96.17%,满足现场使用流畅度要求。本文基于增强现实(AR)所提出的方法为现场管理人员提供了多视角施工信息表达和反馈渠道。

考虑斜入射的重力坝耐震时程法抗震性能评估

为明晰不同入射角度对基于性能的高坝抗震设计的影响,采用耐震时程分析(ETA)法同时考虑空间斜入射,分析大坝抗震性能变化情况。基于ETA法原理合成了3条耐震加速度时程曲线,建立Koyna重力坝-地基三维有限元模型,将耐震时程以不同角度输入地基进行地震动力分析。以裂缝贯穿时间、坝基损伤指标DBI、结构损伤耗能、坝顶顺河向相对位移为性能指标,进行重力坝抗震性能评估研究。结果表明:在耐震时程以不同角度入射时,大坝地震动力响应的差异显著,因此有必要在采用ETA法时考虑斜入射的影响。综合分析,60°入射下坝体损伤最剧烈、损伤耗能最高、坝顶顺河向相对位移最大。

工程场区施工人员靠近风险区实时预警方法

针对水利工程建设中施工人员靠近危险区域的风险问题,文章利用计算机视觉和深度学习,提出了靠近风险区域的危险行为预警方法。首先利用改进的YOLOv5+DeepSORT多目标追踪算法实现施工人员的追踪和轨迹收集;然后利用Social-STGCNN算法构建轨迹预测模型;最后,基于AI电子围栏,实现靠近危险区域的实时预警。工程实例表明,该方法能够预测和避免施工人员进入风险区,有助于构建早期施工安全预警机制,完善水利安全生产风险管控理论。

多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究

以大量的实际工程为基础,基于Sarma极限平衡法和有限元强度折减法探讨层状岩质边坡在不同岩层倾角θ、边坡坡角β、结构面间距h条件下的安全系数与破坏面位置的变化规律,揭示复杂多层软弱夹层边坡岩体的破坏机制及稳定性特征。结果表明:不同θ条件下边坡岩体失稳机制和破坏面位置不同,随着θ的增大,破坏机制表现为滑移破坏→滑劈破坏→崩塌破坏→倾倒破坏→滑移破坏;当β、h一定时,直立层状边坡的稳定性略大于水平层状边坡,反倾向边坡的稳定性明显大于顺层边坡;β直接影响边坡岩体破坏特征,当β由30°增大至60°时,顺层边坡的安全系数约降低53%;反倾向层状边坡的安全系数约降低40%;h对边坡岩体破坏机制的影响较小,但对稳定性的影响较大,建议工程实践中加强密集结构面岩质边坡的监测和加固工作。

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明:围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。

碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证

研究高应变率冲击爆炸荷载作用下水工碾压混凝土大坝结构的动力响应,离不开对筑坝材料动态力学特性和本构关系的深入认识。参考实际水工混凝土大坝筑坝材料的配合比和施工方式,制备碾压混凝土试样,分别开展了静态压缩试验和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,以探求碾压混凝土的动态力学特性。基于静、动态力学试验结果,对目前多用于描述混凝土类材料高应变率下力学行为的HJC模型的强度面、应变率增强效应和破坏准则进行了修正,并利用有限元计算手段,建立SHPB试验的数值模型,以验证修正HJC模型的有效性。结果表明:碾压混凝土在高应变率冲击荷载下的动态力学特性表现出明显的应变率效应,动态压缩强度随应变率增加而提高,且与试样尺寸有关。基于试验数据的改进HJC模型有效预测了碾压混凝土在高应变率冲击荷载作用下的动态力学行为,数值计算得到的重构应力--应变曲线基本与SHPB试验结果吻合,采用最大主应变失效准则模拟得到了与SHPB试验加载过程中接近的试样损伤破坏模式,研究成果可用于碾压混凝土结构的抗冲击爆炸设计中。

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DY-NA,对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量;重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。

基于SLR-ANN的地应力场三维智能反演方法研究

基于黄登引水发电系统区域地应力实测结果及建立的三维数值仿真计算模型,揭示了工程所在区域的三维地应力场分布特征,为地下工程的开挖加固设计提供更加准确的基础资料。分别采用传统多元线性回归方法、人工神经网络方法与考虑地质历史过程的基于逐步回归原理耦合人工神经网络(SLR-ANN)的非线性智能方法获得黄登水电站厂址区域的地应力场,再将地应力的实测值与反演数值解进行对比。结果表明:3种方法下反演所得引水发电系统区域内三维地应力场均与实测结果相一致,表明3种方法较为真实地模拟了整个地下洞室群区域三维地应力场的分布规律及特征。但采用SLR-ANN二次智能反演方法进行地应力反演,模拟效果更加接近监测值,且因减少了反演参数的个数而大幅度地提高了反演效率,可将反演计算结果应用于后续洞室开挖及锚固仿真分析中。

水下和空中爆炸冲击波传播特性对比分析

由于水和空气的物理属性差异以及与爆炸产物的界面作用效应不同,使得爆炸冲击波在水和空气中传播特性存在较大差异。通过构建自由场水下和空中爆炸耦合数值仿真模型,对水下和空中爆炸冲击波传播特性进行对比分析,研究了起爆介质对冲击波峰值压力、冲量、传播速度的影响;同时考虑冲击波与自由面反射的稀疏波相互作用过程,研究了近自由面对水下和空中爆炸冲击波传播特性的影响。研究表明,水下爆炸冲击波传播压强峰值及冲量均较空中爆炸大很多,对结构的潜在破坏能力较强;自由界面对冲击波传播特性存在较大的影响,在近自由面水下爆炸产生了冲击波水面切断及气穴现象,而在近自由面空中爆炸产生了冲击波增强效应。

近断层地震动方向性效应对混凝土重力坝累积损伤特性的影响

随着人们对近年来发生的强地震动研究,发现近断层地震动方向性效应所包含的长周期、短持时速度大脉冲对结构安全性具有重要影响。文中选取3次强震事件中的28条实测地震动记录,利用可以考虑混凝土软化特性并能反映实际损伤耗能的混凝土塑性损伤本构模型,对近、远断层地震作用下混凝土重力坝损伤累积破坏效应进行了非线性动力仿真分析,根据大坝损伤开裂及其发展特征,建立大坝局部与整体损伤累积破坏指标,对比分析近断层破裂向前方向性效应与远断层地震动对大坝损伤累积破坏的影响。结果表明:近断层地震动方向性效应包含的速度大脉冲对大坝损伤累积破坏具有着显著的影响,大速度脉冲作用导致较大的损伤累积破坏,在重力坝抗震设计中应予以重视。