海岸和近海工程学科中的科学技术问题

面对 2 1世纪人类对海洋开发利用的需求及其给海岸和近海工程的发展带来的前所未有的机遇和挑战 ,这里着重对下一个世纪人类在海洋能源开发、海洋空间利用、海洋环境保护以及海洋工程防灾减灾方面所依赖的海岸和近海工程学科中应重点研究的一些科学技术问题 ,结合我国的国情进行一些探讨 .诸如 :海洋动力因素及其与海岸和近海工程建筑物相互作用的研究 ,海洋土力学与海床动力学研究 ,海岸和近海工程新结构及其设计理论、可靠性和耐久性研究 ,海洋灾害的精确预报及抗灾减灾工程措施 ,海洋工程抗震防灾机理和减震技术研究 ,海洋再生能源利用 ,海洋环境与保护研究 ,冰区溢油及海冰力学研究等课题都将是 2 1世纪初我国科技工作者们研究的热点 .

核电工程异形水箱流固耦合分布式参数模型与效用研究

在流固耦合动力分析领域,传统的Housner模型在工程设计中发挥重要作用。但其理论推导仅适用于规则水箱,采用集中质量总体模型描述液体晃动的整体效应,难以有效模拟异形水箱储液结构的局部精细响应,亟须建立适用于不规则水体晃荡的分布式附加质量模型。基于势流理论推导了一种模态综合法模型,实现了分布质量与储液器壁激振加速度的解耦。该模型能够有效剥离分布式的脉冲质量与对流质量;同时,实体网格的振型分析适用于任意形状水体的动力分析。通过算例的形式将该模型与精细声学-结构耦合(Acoustic-Structural coupling,CAS)模拟法进行了比较,验证了模型的精确性与可靠性。最后,基于本文的模型研究了核电异形的安全水箱在不同水位和减晃格栅分布下的动力响应规律,并检验了其在工程中的适用性。

考虑渗透系数空间变异性的堤防工程渗流分析

水力参数的空间变异性对堤防的渗流状态有明显影响,对其进行量化分析可为堤防的安全运行提供保障。为此,基于随机场理论建立了非侵入式随机渗流分析框架,研究了复杂堤防在不同随机场参数下堤防内水力坡降、渗流量等渗流控制指标的变化规律。结果表明,变异系数每增大0.2,堤防内粘土的水力坡降最大值增加20.4%,中砂则增加60.5%,水力参数空间变异性的影响不可忽视。此外,同时考虑堤防内所有材料的随机渗流特性与仅考虑粘土随机渗流特性相比,粘土内最大水力坡降和流量存在较小波动,这意味着粘土作为主要防渗材料,其渗流安全主要受自身材料属性的影响。

可控深水破碎波的实验室生成方法研究

实验室一般采用波浪聚焦方法生成深水破碎波,通过各组分波浪的波幅叠加生成一个波高显著增大的大波,使其波陡超过极限波陡发生破碎。利用该方法生成深水破碎波浪的破碎次数通常并不唯一,导致波浪破碎后的流场特征不明显;造波参数不易于选取导致研究工况的设置难度大,直接影响深水破碎精细化实验的效果和效率。本文采用聚焦波理论计算波面,并利用上跨零点法定义的波高和波长计算理论波陡,结合物理模型实验统计波浪沿程破碎次数与剧烈程度,研究以JONSWAP谱为造波输入谱型时,聚焦波幅、谱峰频率、频宽等造波输入参数对于波浪破碎情况的影响,从而建立深水波浪破碎次数与造波输入参数之间的近似定量关系,为实验造波参数的选取提供参考,提高实验效率。

缓坡海岸平均沿岸流实验研究与数值模拟

沿岸流研究对海岸工程具有重要的应用价值。为了更深入地研究沿岸流特征,文章对1∶100和1∶40两个较缓坡条件下的沿岸流进行了实验研究,弥补了现有实验研究主要针对较陡坡情况,不具有代表性的弊端,并通过数值模拟进一步阐述了缓坡情况下的平均沿岸流不同于陡坡情况下的物理机理。主要特色与创新有:第一、通过物理模型实验研究发现了1∶100坡度地形条件下存在不同于1∶40坡度情况下的平均沿岸流速度分布特征:前者海岸一侧平均沿岸流分布呈下凹趋势,而后者呈上凸的趋势。第二、通过平均沿岸流数值模型对1∶100和1∶40缓坡沿岸流的不同特征进行数值模拟,找出了影响平均沿岸流速度剖面特征的主要因素为破波带内波高分布和水底摩擦力表达式的选取不同,且对后者更为敏感。1∶100坡度海岸沿岸流速度剖面可由水流型水底摩擦力来计算出,而1∶40坡度海岸沿岸流速度剖面可由波浪型水底摩擦力来计算出。第三、在此基础上进一步给出了缓坡情况下二次破碎波高和波浪增减水的分布特征。

海岸沿岸流垂向分布实验研究

进行海岸沿岸流模型实验,利用ADV(acoustic doppler velocimeter)测量了沿岸流流速沿垂直岸线方向多个断面的垂向分布。采用Faria等的方法对实验结果进行了分析,将沿岸流沿水深分为上层和下层两部分:下层采用对数分布来表达沿岸流的垂向分布;上层考虑了波浪引起的自由表面的波动,流速分布为修正的对数分布。最后对沿岸流垂向分布特征做了分析,并与Visser和Hamilton的实验结果做了对比。

实验室水槽内基于二阶理论的波浪模拟

实验室常用的一阶造波理论中的小振幅假设会在造波时生成附加的自由伪谐波,该波浪会影响造波的质量,而二阶造波方法可以通过附加造波板运动消除该自由伪谐波。文章基于Sch?ffer建立的二阶造波理论,建立了实验室水槽造波软件,针对规则波和不规则波,分别采用一阶和二阶理论进行推板造波实验,验证了二阶造波方法的有效性,二阶造波方法可有效抑制自由伪谐波,得到更精确的波形,并对采用二阶造波理论产生波浪时的问题进行了讨论。

考虑侧向刚柔边界约束的黄土填方路基沉降计算方法

提出一种新的考虑刚柔边界约束和侧向变形的黄土填方路基沉降计算方法。基于自主研发的三向加载设备和室内压缩试验,分析不同竖向加载方式和不同侧向约束对土体竖向及侧向变形的影响,提出考虑土体压实度和围压的边界影响系数,建立压实黄土侧向应变模型,给出考虑刚柔边界条件和侧向变形的黄土路基沉降计算方法。研究结果表明:边界影响系数与路基压实度和围压都呈正相关,且刚柔约束边界对黄土压缩性指标的影响程度最高能达到40%。提出的竖向和三向边界影响系数综合考虑了路基压实度、侧向围压以及边界条件的影响。利用工程实例验证了新模型计算方法的准确性和实用性,提高了传统分层总和法的精度。

深厚覆盖层上土石坝防渗墙损伤开裂精细化分析及防渗功能评价

混凝土防渗墙是覆盖层上土石坝坝基的关键防渗结构,由于防渗墙与覆盖层的刚度和尺度差异巨大,通常的数值分析方法难以保证精度,且现有基于强度的安全评价方法,无法适应防渗墙作为防渗结构而非承载结构的功能评价要求。本文提出了比例边界元-有限元耦合跨尺度离散、塑性损伤模型和内聚力模型分离描述压损伤和受拉开裂、破损后防渗功能目标评价的精细化分析方法,实现了深厚覆盖层上土石坝防渗墙的性态演化评价。研究结果表明:超深覆盖层上悬挂式防渗墙在两岸底部因近似垂直于岸坡的高压应力发生压损伤,类“外伸梁”的面内弯曲变形使靠近防渗墙两岸的顶部和底部区域产生坝轴向高拉应力导致槽段间出现竖向裂缝;在防渗墙两岸的上游侧局部设置辅助防渗措施,可有效降低防渗墙破损后的渗流量。本文方法揭示了混凝土防渗墙的损伤开裂模式,定位了防渗墙薄弱区域,评价了防渗墙损伤开裂对防渗功能的影响,量化防渗措施效果,实现了防渗墙从传统承载能力评价到功能性态评价的跨越,可为深厚覆盖层上土石坝防渗墙的安全评价和设计优化提供理论和技术支持。

盐浸-干湿-冻融耦合作用下混凝土坝强震开裂机理

为探究混凝土坝在盐浸侵蚀、干湿循环、冻融循环因素影响下的强震破坏规律,通过材料劣化试验和数值模拟方法开展大坝强震开裂机理研究。针对坝体不同位置开展盐溶液侵蚀、干湿循环以及冻融循环劣化试验,基于材料试验结果,构建混凝土重力坝扩展有限元模型,模拟混凝土材料劣化前及劣化后混凝土坝强震开裂破坏情况。结果表明:多因素耦合作用导致混凝土材料劣化,强震作用下会降低大坝承载能力,增加大坝倒塌破坏风险。考虑混凝土多种劣化因素影响,所得结论可用于高寒地区混凝土坝的抗震设计。

基于超大型三轴仪的堆石料动力特性缩尺效应研究

堆石料的缩尺效应是导致高土石坝变形预测不准的重要因素之一,目前针对堆石料静力缩尺效应的影响已有部分研究,但针对堆石料动力变形特性的缩尺效应研究仍十分鲜见。本文对两河口板岩及古水玄武岩开展了超大型(试样直径800 mm,最大粒径为160 mm)和常规大型三轴(试样直径300 mm,最大粒径为60 mm)动剪切模量和阻尼比试验,研究了平行相似级配条件下最大粒径对最大动剪切模量、动剪切模量比、阻尼比以及沈珠江等效线性模型参数的影响。试验结果表明:①超大型三轴试验的最大动剪切模量大于常规大型三轴试验,随着动剪应变的增大,超大型和常规大型三轴试验的最大动剪切模量差别逐渐减小;②超大型三轴试验的动剪切模量比G_(d)/G_(dmax)小于常规大型三轴试验,即超大型三轴试验的动剪模量比衰减得更快;③超大型三轴试验的阻尼比大于常规大型三轴试验,随着动剪应变的增加,二者的差距逐渐增大;④超大型三轴试验得到的沈珠江等效线性模型参数k_(2)、k_(1)以及λ_(max)分别是常规大型三轴试验的1.14~1.32倍、1.26~1.31倍以及1.31~1.44倍,超大型和常规大型三轴试验得到的模量指数n差别不大。本文研究成果可为同类工程动力响应分析提供更加合理的试验与数值计算依据。

超深覆盖层上面板坝防渗墙连接板接缝变形机制及优化分析

针对超深软弱覆盖层上的面板坝工程止水缝安全问题,从变形和应力2个方面开展优化研究,揭示了防渗墙连接板趾板面板防渗体系的变形模式,定位了薄弱位置,提出了优化方案,并量化了工程应用效果.结果表明,防渗墙与趾板间沉降差集中在防渗墙与连接板之间的止水缝处,设置多块连接板无法起到逐步过渡沉降差的作用.防渗墙下游侧设置侧向支撑、制作倾斜形止水缝、趾板下设支撑墙均可减小防渗墙连接板间止水缝沉陷变形.相比垂直止水缝和多块连接板的传统方案,所提的防渗墙顶部拓宽连接板倾斜形止水缝以及防渗墙顶部拓宽倾斜形止水缝趾板下设支撑墙的深厚覆盖层上面板坝防渗体系综合优化方案可使防渗墙与连接板之间止水缝沉陷变形分别减小41.5%和53.8%.

考虑组构演化的砂砾土弹塑性本构模型

考虑组构演化效应对于真实、准确地描述无黏性土在循环加载过程中的宏观力学行为具有重要意义。在砂砾土单调加载条件下构建的非线性剪胀方程的基础上,引入反映其循环荷载条件下剪胀阶段组构演化的剪胀内变量,基于广义塑性理论框架建立了反映砂砾土静力及液化全过程力学特性的弹塑性本构模型。对比考虑组构演化效应前后砂砾土液化变形、应力路径和超孔隙水压力发展规律,说明了组构演化效应对于模拟砂砾土液化响应的重要影响。通过开展一系列砂砾土静、动力大型三轴试验并结合相关文献试验结果对模型性能进行了验证。结果表明该模型总体上能够合理反映砂砾土在静力排水条件下应力-应变-体变特性以及在液化过程中超孔隙水压力的累积与消散、应力路径演化和液化变形发展情况,可为砂砾土工程数值模拟提供有力的本构工具。

近断层地震动作用下土石坝加速度分布研究

近断层地震动较远场地震动具有频率高、速度快、能量更加集中的特点,在短时间内会释放大量能量,对工程结构具有严重危害。规范提供的加速度分布系数不适用于高度超过150 m的大坝,随着技术不断进步,我国超过150 m的土石坝越来越多,规范已不能满足现有需求。基于中国台湾集集近断层地震动记录,建立随机脉冲型地震动模型,分别对高度为40 m、70 m、150 m和200 m的土石坝进行随机动力分析,研究坝体的动态分布系数。结果表明,近断层地震动的低频速度脉冲使坝体的加速度反应谱有较宽的敏感段,易覆盖坝体自振周期,显著增加坝体的加速度。该研究通过总结近断层区域土石坝的加速度分布规律,建议了近断层脉冲型地震动区域的土石坝坝体动态分布系数,为近断层高地震风险情况下土石坝的抗震理论和方法提供参考。

结构型钢纤维对盐-冻融耦合作用下混凝土损伤的影响

为探究钢纤维在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下对混凝土损伤的影响,对多组不同钢纤维掺量的混凝土试件进行快速盐-冻融循环试验。利用超声波法和激光扫描法分析不同掺量盐-冻融后混凝土损伤的效应,通过分析超声波速变化得到混凝土的盐-冻融损伤度D,并建立D与盐-冻融循环次数n之间的韦布尔分布;利用混凝土表面的粗糙度表征混凝土表面损伤,并研究了不同掺量钢纤维混凝土试件表面在盐-冻融循环作用后粗糙度变化率ΔR的作用,以及ΔR与D的函数关系。结果表明:混凝土盐-冻融损伤随着钢纤维掺量的增加而减小;基于超声波法建立的损伤度D与盐-冻融循环次数之间较好地满足两参数韦布尔分布,决定系数大于0.95;混凝土试件损伤度D随粗糙度变化率ΔR的变化规律满足指数函数关系,决定系数大于0.80。

红石岩堰塞坝新堆积体动三轴试验研究

牛栏江上的红石岩堰塞坝新堆积体以石灰岩和白云岩为主,级配和密度离散性较大。同时,已有研究结果表明,红石岩新堆积体具有黏性粗粒土性质,静力参数具有明显的离散性,需开展其岩土料的动力参数研究,以为将其利用改建为水利枢纽提供基础材料数据。采用GDS动三轴仪,对红石岩新堆积体进行了动剪切模量比与阻尼比试验,研究新堆积体动应力应变特性及其影响因素。试验结果表明:随着剪应变的不断增大,新堆积体动剪切模量比不断减小,阻尼比随之增大。新堆积体动力特性受围压影响较为明显,最大动剪切模量随着围压的增大而增大。在相同剪应变条件下,随着围压、干密度、粗颗粒含量的增大,动剪切模量比逐渐增大,阻尼比逐渐减小。另一方面,新堆积体细粒含量较多,颗粒岩性复杂,风化程度差异明显,导致其动力特性具有一定的离散性,与人工筑坝堆石料存在明显差异。

坝前滑坡涌浪压力分布对震损拱坝损伤影响的研究

强震中震损边坡在震后比震前更容易诱发滑坡,震后滑坡涌浪可能会对震损拱坝产生附加损伤,可能造成坝体溃决。现有的滑坡涌浪对坝体研究主要针对震前完好拱坝,并且通常将坝前涌浪简化为沿着拱向波高及相位完全相同。然而关于滑坡涌浪的研究表明,传播至坝前的涌浪在坝面不同位置存在比较明显的高度差和时间差。针对强震中震损拱坝在震后承受涌浪冲击的问题,本文以某高拱坝为例,基于中国水科院涌浪高经验公式,分析了坝前涌浪高的分布规律,识别出了三种典型的坝前涌浪压力分布形式。基于所定义的拱坝损伤影响度量指标,分析不同坝前涌浪压力分布对震损拱坝损伤的影响。结果表明,坝前涌浪分布存在高度差和时间差时,其压力分布对震损拱坝的影响比按均匀分布涌浪考虑的影响会更大。以均匀分布的涌浪压力形式分析震损拱坝所受的影响时,对危险性的评估会怕偏于不足,因此,建议考虑坝前涌浪空间分布和时间特性的影响。该研究结果可为震后滑坡涌浪的安全评价提供参考。

土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

土木工程结构健康监测的研究是近年来国际学术研究的热点问题之一,涉及许多不同的研究领域,如数据采集系统、信号处理、结构分析等.阐述了实施土木工程结构健康监测的必要性和迫切性,介绍了结构健康监测系统的概念、组成及其应用,分析研究了结构健康监测系统的各个子系统的功能、特点和实现方法,重点讨论了实现各子系统的理论、方法和存在的若干力学问题,论述了结构健康监测在国内外土木工程领域的应用状况,最后对结构健康监测领域的几个重要问题做了展望.

考虑微裂纹随机分布的堆石颗粒准静态强度统计模型

材料内部裂纹尺寸、形状、转向和空间位置的随机分布对其强度有直接的影响。为了研究地震准静态荷载作用下堆石颗粒强度与尺寸和应变率的统计关系,在最弱链理论的框架下假设颗粒内部裂纹的尺寸和空间位置均服从幂律分布,建立了由颗粒累积破坏概率和体积构成的复合参数与强度的关系。从微观角度应变率效应提高了内部裂纹的强度,降低了单位体积的失效概率,同时使裂纹的空间位置分布更稀疏,减弱了颗粒强度的尺寸效应。不同加载速率的颗粒破碎试验结果表明:随着加载速率的增大,存在逐渐减小的空间分布幂指数使颗粒复合参数汇集在由最弱链统计模型决定的主曲线上。

砂质海岸整治修复效果模糊综合评价研究——以营口月亮湾为例

本文采用模糊综合评价方法,从自然环境效果、景观生态效果、沙滩资源效果和社会经济效果4个方面研究构建了砂质海岸整治修复效果综合评价指标体系与评价方法,并以营口月亮湾为例进行了实证研究。结果表明:本文提出的砂质海岸整治修复效果综合评价方法涵盖内容全面,指标获取可行,评价结果明确,整体方法实用。营口月亮湾砂质海岸整治修复效果总体评价结果为优秀,综合评分为2.6362,其中社会经济效果贡献率为30.52%,沙滩资源效果贡献率为30.17%,自然环境效果和景观生态效果贡献率分别为19.88%和19.44%。