高土石坝变形和破坏计算理论与方法及应用

任务来源：

技术领域：防灾减灾

技术来源：中国水利学会成果评价

技术简介

项目组聚焦预测复杂条件下高土石坝变形和破坏计算理论与方法，通过坝体和坝基材料本构理论创新，大幅提升高土石坝应力变形预测精度；通过多体-多相-多场耦合计算方法创新，提升关键部位和重要过程精细化模拟能力；通过溃坝过程模拟方法创新，解决溃坝洪水过程预报关键技术难题；通过超大规模数值模拟技术创新，系统提升了高土石坝变形和破坏预测精度。

主要性能指标

技术特色

1. 通过大量的试验研究和实际工程调研，揭示了粗粒土颗粒破碎对剪胀剪缩的影响规律，提出了临胀摩擦角概念，建立了考虑筑坝料颗粒破碎、加载与流变湿化耦合以及坝基胶结结构损伤的本构模型，显著提高了高土石坝坝体和坝基变形预测精度，为增强高土石坝变形和渗流安全控制措施的针对性和有效性提供了基础理论支撑。 2. 针对高土石坝不同材料界面复杂接触以及坝体开裂问题，建立了模拟流固耦合多体接触问题、三维张拉裂缝以及心墙渗透特性和应力变形状态耦合、心墙干湿循环过程、面板在轴向挤压变形和温度应力共同作用下结构破损的非线性数值计算方法，实现了各类接触界面变形破坏过程以及坝体裂缝萌生扩展的精细模拟。 3. 基于溃坝离心模型试验首次揭示了高土石坝溃决机理，建立了反映溃坝过程中局部冲蚀与结构性破坏动力学机制的漫顶与渗透破坏溃坝数学模型和模拟方法，显著提升了高土石坝溃口发展过程和流量变化的预测精度。 4. 针对材料强非线性、复杂接触界面模拟、多体-多相-多场耦合计算等对超大规模科学计算的需求，集成了大型劣态稀疏线性方程组高效迭代算法、大型非线性系统快速求解方法等关键技术，自主研发了适用于高土石坝填筑、蓄水、运行、溃决等过程模拟的高性能大型软件平台，实现了高土石坝变形和破坏从计算理论与方法到技术的跨越。

推广情况

成果已应用于大石峡、如美、阿尔塔什、南俄3等国内外80多座高土石坝工程，为高土石坝建设和运行提供了基础理论和方法支撑，取得了显著的经济社会效益，具有广阔的推广应用前景。

典型案例

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负责人：关铁生

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水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院、清华大学、中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司、中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司

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