水利水电工程的图形信息模型研究

在水利水电工程领域,应用信息技术较普及的是计算机辅助设计技术,然而这些研究和应用仅仅表现的是图形本身的几何属性,并没有将一些关键的物理属性、拓扑等信息融入到图形之中,忽略了图形和信息的融合。本文基于BIM理论,提出水利水电工程的图形信息模型(HPIM,Hydropwer Project Information Modeling)的总体框架,通过CAD中的三维几何造型引擎(ACIS)和拓扑运算用基本图元构造出工程几何形态,并将图形运算与图元扩展数据贮存相结合,实现图形与信息的融合。构造出的图形信息模型为水利水电工程不同阶段的应用提供简洁的共享的方法。

海岛结构环氧树脂材料的抗冲磨试验研究

本文首先分析了海岛结构环氧材料的增韧、抗冲磨机理.通过断裂韧性、抗冲磨性能及强化开裂试验得出,与环氧-固化剂体系相比,加入增韧剂ZRJ后制成的海岛结构环氧树脂其断裂韧性提高约9～20倍;抗高速含砂水流冲磨强度提高46%;在-20℃～80℃强化开裂试验中的抗裂性能也显著提高,其中增韧剂为环氧树脂的80%时效果最佳.文中还给出了各种配方的海岛结构环氧材料的扫描电子显微照片,从中可观测到微观形貌的变化,看到粒径为0.2μm的海岛结构.试验结果证明,具有海岛结构的环氧树脂材料可用于水工建筑物表面抗含砂水流冲磨破坏和低温环境防裂环氧砂浆涂层,极具实用价值.

高压岔管衬砌混凝土施工期温控防裂研究

高压岔管承受高压水和高速水流冲刷,为了满足这一结构和工作特点,混凝土常采用泵送混凝土,利用其强度高的优点,但其温升高、弹性模量大,且一般是早强混凝土,容易产生温度裂缝。针对这一问题,以阳江抽水蓄能电站高压岔管为例,结合结构和材料特点,借助三维有限单元法,对高压岔管施工期的温度应力进行研究,筛选温控防裂措施。计算结果表明,高压岔管分缝长度对防裂影响显著,同时降低入仓温度,采用内部通水降温,可起到更好的温控防裂效果。高压岔管混凝土在有通水冷却措施条件下,浇筑温度控制在26℃以内,最小安全系数可达1.50以上,可作为工程现场浇筑施工方案。

大直径超深圆竖井内衬逆顺结合作法施工过程温度应力研究

珠江三角洲水资源配置工程A2标03号盾构井为外径35.9 m圆形竖井、开挖深度达73.98 m,施工复杂且难度较大,保证施工过程中不出现温度裂缝尤为重要。针对此问题,根据结构、施工特点,将盾构井内衬分为内衬墙、洞门墙和底板3个部分,使用三维有限元程序,采用逆-顺结合施工方法,基于内衬混凝土施工方案,对内衬结构施工过程进行数值模拟,研究内衬墙、洞门墙和底板温度、应力发展情况。数值模拟结果表明:(1)内衬墙、洞门墙和底板降温速率分别为0.28、0.23、0.19℃/d;(2)随着高程的降低,盾构井温控难度逐步下降,内衬墙厚度较小,受地下连续墙约束和气温变化影响较大,在高温季节浇筑的部位开裂风险较大,低温季节浇筑的洞门墙和底板开裂风险较小;(3)洞门墙和底板由于施工工序和间歇期,在结构突变连接处出现较大应力,施工中要加强这些部位的监测。

水工混凝土结构的材料研究创新成果综述

全面概述结构材料研究所50年来在水工混凝土结构的材料研究方面的创新成果,主要包括水工混凝土掺合料与外加剂、碾压混凝土、面板混凝土、水工混凝土耐久性与抗裂性、特种混凝土、全级配混凝土、混凝土三轴强度与徐变、高分子材料等研究与应用,水工混凝土建筑物缺陷检测、评估与修补加固,以及材料试验仪器设备、材料试验方法与现场检测方法、新材料产品、规程规范与出版著作等方面的创新成果,其中获全国科学大会奖2项、获国家科技进步奖5项、获省部科技进步奖26项,主编规程规范12部、参编5部,以上成果为我国水利水电建设做出了巨大贡献。

短周期温度荷载对大坝混凝土表面温度应力影响研究

为探究外部环境变化形成的短周期荷载对混凝土外观、质量、蓄水等的影响,以周宁抽水蓄能电站碾压混凝土大坝为例,借助三维有限单元法,对昼夜温差和寒潮引起的碾压混凝土重力坝表面温度应力变化进行研究。研究结果表明:加强保温可以明显削减短周期温度荷载的影响,防止裂缝产生;寒潮对混凝土表层影响范围更深,约为1.4~1.6 m。研究成果可帮助制定混凝土温控防裂标准,对短周期温度荷载影响较大区域的工程施工具有一定参考价值。

混凝土面板坝止水结构与止水材料的研究进展

介绍了水利水电工程混凝土面板坝止水结构及止水材料的发展历史、现状和最新研究进展。

基于性态仿真的特高拱坝设计研究与应用之一——我国拱坝结构分析方法发展现状与展望

300 m级拱坝坝高、库大、应力水平高、施工运行期工作性态复杂,《混凝土拱坝设计规范》(DL/T 5346—2006)(以下简称《规范》)的分析方法和安全系数能否涵盖所有安全风险,存在疑问;《规范》要求,坝高大于200 m的拱坝,应对上述有关问题进行专门论证。结合笔者所在团队十余年来跟踪小湾、锦屏一级、溪洛渡、拉西瓦等特高拱坝建设全过程开展的科研工作,对特高拱坝结构研究的经验类比方法、应力分析方法、稳定分析方法、抗震安全分析方法的基本概念、工程应用、主要优缺点和发展趋势进行阐述和分析,结合不同设计阶段的目标和资料细化程度,提出了特高拱坝可行性研究设计、招标设计、施工图设计、蓄水与运行等不同阶段应该开展的分析工作以及建议采用的分析方法,也可为一般拱坝的设计提供参考。

喷涂聚脲弹性体材料人工老化性能试验研究

通过人工热空气老化试验及湿热老化试验,研究了喷涂聚脲材料的热老化和湿热老化性能,并采用动力学经验公式回归方法和Arrhenius外推法,以拉伸强度为考察指标、老化系数为0.5作为寿命临近值,对聚脲材料在热和湿热两种条件下的工程使用寿命进行了预测研究。试验结果表明,喷涂聚脲材料具有很好的热老化和湿热老化性能,并从分子结构方面对此进行了说明。试验预测结果表明,喷涂聚脲材料可以满足通常水利工程湿热条件下对材料使用寿命的要求。

水工环氧防护材料不同温度应力松弛研究

对两种环氧防护材料的应力松弛性能进行了研究,测试得到了-40～20℃范围内7个温度点的等温松弛曲线,结果显示,环氧防护材料具有明显的应力松弛现象,并与温度密切相关,经过增韧剂增韧的体系松弛现象更为明显,在20℃下的模量松弛率达到60%以上,材料的DMA温度扫描结果表明,增韧体系显著的松弛现象与增韧剂引起的次级转变有关。

水工混凝土结构研究的回顾与展望

本文结合建国以来我国水工混凝土结构及筑坝技术的发展历史,重点介绍了中国水利水电科学研究院自建院50年来在水工混凝土温度应力和温度控制较完整的理论体系,提出了一系列温度场、温度应力的计算模型和方法,开发了温度应力仿真分析软件并广泛应用于工程实际;(2)在国内外首先实现了拱坝体形优化,提出了一系列拱坝设计的新理念,开发的拱坝应力分析及体型优化软件已得到广泛的应用;(3)建立了岩体渗流研究较完整的理论体系;(4)最早开展非线性有限元研究,通过对钢衬钢筋混凝土管的非线性分析,提出了相应的设计方法和计算方法,在高坝全过程非线性仿真分析方面取得了一些研究成果。最后就如何应对我国正在新建的一批300m级特高坝所带来的世界性的挑战,对以后的研究提出展望。

水工结构聚脲防渗涂层的力学性能与寿命预测研究

聚脲防渗涂层材料力学性能的耐久性对保障水工结构工程长久安全运行意义重大,目前缺乏考虑聚脲材料化学构成对防渗涂层使用寿命预测的理论及公式。本研究基于聚脲材料化学键构成、水解老化机理及Arrhenius老化模型,考虑聚脲材料的脲键、氨酯键含量的影响,提出了聚脲防渗涂层的老化寿命预测理论及公式,该理论能够反映不同聚脲材料的氨酯键、脲键含量与水解老化寿命的关系。根据聚脲防渗涂层中氨酯键、脲键含量定义了聚脲涂层力学性能,通过湿热加速老化试验确定了氨酯键水解老化参数,确保了聚脲材料寿命预测公式的可靠性。实现了在不同温湿度运行环境条件下,不同聚脲防渗材料的使用寿命预测及材料设计方法,对水工建筑物聚脲防渗涂层的设计及应用具有指导意义。

环氧树脂修补材料固化行为研究

采用差示扫描量热法(DSC)对自行研制的环氧胶黏剂进行了固化反应动力学研究,采用Kissinger微分法对DSC曲线进行处理,求得了体系的固化反应活化能,通过Crane方程得到反应级数为0.891,表明体系的固化反应是一个复杂反应,另外促进剂的加入加速固化反应并降低了反应的活化能;通过动力学数据的分析可知温度每升高10℃,反应速率提高约1倍。另外水工室外应用条件复杂,气温变化大,通过胶黏剂动力学参数与适用期数据的分析,提出了施工中材料适用期的确定方法。

“海岛结构”环氧砂浆抗冲磨性能试验研究

以往研究表明,采用海岛结构环氧增韧技术可以提高环氧砂浆的断裂韧性和抗冲磨强度。本文通过正交试验,对不同增韧剂掺量和不同砂胶比环氧砂浆的力学强度和抗冲磨强度进行了试验研究。试验结果表明,当增韧剂掺量小于80%时,环氧砂浆的力学强度和抗冲磨强度均随增韧剂掺量的增大有较大提高;当砂胶比大于700%时,环氧砂浆的力学强度和抗冲磨强度均明显下降。试验还表明,环氧砂浆的抗拉强度和抗冲磨强度正相关。

水工环氧材料断裂韧性的温度相关性研究

本文研究了一种特殊增韧剂对水工环氧材料低温韧性的影响,通过测试不同增韧剂用量体系在20℃^-40℃的断裂韧性KIC,对断裂韧性与温度的相关性进行了研究和分析。试验表明,非增韧环氧体系断裂韧性在低温下大幅降低,添加20~50份的增韧剂的环氧体系在常温下的断裂韧性较低,而低温韧性大幅提高,试验同时显示KIC与弹性模量密切相关,另外增韧剂提高了断裂面的外延形变,有利于提高低温韧性。从应用角度看,特殊增韧剂的加入在提高环氧材料低温断裂韧性的同时,适当降低了材料的弹性模量,有利于减少温度应力的积累,是提高低温条件下环氧抗裂性的理想途径。

聚合物砂浆薄层结构圆环强化开裂试验方法的研究

对聚合物砂浆的圆环强化开裂试验方法进行了试验研究和分析。对圆环试验边界条件进行了简化处理,并运用弹性力学方法推导了圆环试验模型的温度应力。研究结果表明,圆环法是检验薄层结构破坏性能的适宜方法,该模型模拟的薄层结构开裂应力与温度变化、薄层材料弹性模量和线胀系数呈线性关系;模拟的薄层结构分层应力与薄层结构的弹性模量和厚度有关。另外,目前采用的模型尺寸是合适的,试验时仅需注意控制聚合物砂浆的厚度和试验温度范围。

水工混凝土建筑物新型修补材料及其技术的研究

水工建筑物的病害治理需要有可靠的技术,其中修补材料的选择是十分重要的一环。本文中在总结中国水利水电科学研究院结构材料研究所参与的修补工程及使用的材料的基础上,介绍了近年来有关国内外及该所新研制、开发应用的修补材料及其技术、工程应用等经验,可供科研、设计、施工参考。

三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究

三峡升船机作为世界上规模和技术难度最大的垂直升船机,也是我国第一座齿轮齿条爬升、长螺母-短螺杆安全机构、平衡重式垂直升船机,其塔柱结构变形与承船厢相关机构的适应性是三峡升船机能否正常可靠运行的关键问题。在三峡升船机的设计阶段,基于设计荷载及其组合开展了塔柱结构变形的计算分析,研究提出了重点部位最大可能变形预测值,并对这些重点部位的机构适应性进行了评估;在调试运行阶段,基于变形监测资料对塔柱结构的变形进行了反演分析,反演分析结果表明,设计阶段的变形预测值及其规律与实测值基本相符,重点部位的实际变形值小于按照极端情况提出的最大可能变形预测值,也小于相应机构的适应值,升船机运行状态良好。文中采用的塔柱结构荷载组合及变形预测方法,以及通过最大可能变形预测值评估机构适应性的方法是合适的,该方法也可用于200 m级同类型升船机的设计分析。

聚脲弹性体抗冲磨防护材料及应用技术研究

水电大坝泄水建筑物的抗冲磨和空蚀破坏一直是水工结构和水工材料工程师关注和研究的一个重要课题，多年来仍未能得到有效的解决。本文主要从材料研究出发，介绍了新型抗冲磨有机高分子材料-喷涂聚脲弹性体材料及其施用技术的优异性能，以及适用于水电混凝土工程潮湿基底界面施用特点的潮湿界面剂试验研究结果。进行了喷涂聚脲弹性体涂层的室内高速含沙水流冲刷试验，与高强混凝土冲磨试验相比较的结果显示该材料具有十分优异的抗高流速含砂水流冲磨性能。简单介绍了初次在实际工程中应用喷涂聚脲弹性体技术的情况。

原型试验中薄层结构的温度边界条件研究

为深入研究水利工程中薄层结构在自然状态下的温度场,参考相关文献中的温度边界条件的预测方法,进行了长期原型试验观测研究,在原型试验中量测不同时间的温度和应变数据。通过引用成熟的边界模型计算薄层结构的温度场变化情况,并与实测温度数据进行对比,验证了温度场模型的准确性,建立适合水利工程的薄层结构温度场预估方法,从而能够通过计算手段模拟实际工程中薄层结构极限温度场和温度应力,为进一步的工程实践研究奠定了基础。