胡 江,馬福恒,李子陽,霍吉祥

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

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滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能的空間變異性研究綜述

胡 江,馬福恒,李子陽,霍吉祥

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

概述了國內(nèi)外混凝土壩滲漏溶蝕的現(xiàn)狀;從材料學(xué)的角度,基于已有試驗和理論研究成果,綜述了水工混凝土的溶蝕及力學(xué)性能衰變特性;從工程結(jié)構(gòu)學(xué)的角度,總結(jié)了滲漏溶蝕影響下的壩體混凝土力學(xué)性能的空間變異規(guī)律;歸納了滲漏溶蝕混凝土壩物理力學(xué)參數(shù)的空間變異性,論述了可描述壩體力學(xué)性能空間變異性的隨機場模型,及可評價壩體動力性態(tài)的隨機有限元動力分析方法的研究進展;指出水工混凝土結(jié)構(gòu)滲漏溶蝕機理、滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能的空間隨機場模型、滲漏溶蝕對混凝土壩動力性態(tài)的影響評價方法等方面亟待深入研究。

混凝土壩;滲漏溶蝕;力學(xué)性能;空間變異性;評價方法

實踐證明,合理設(shè)計、良好施工和科學(xué)維護下的混凝土壩使用壽命能遠超100 a[1]。美國1933年建造的胡佛大壩,至今性能良好,且壩體混凝土強度仍在增長[2]。然而,當施工質(zhì)量差、管理不善和運行環(huán)境惡劣時,壩體材料和結(jié)構(gòu)性能老化衰退嚴重。格魯吉亞1984年完工的英古里大壩,由于內(nèi)戰(zhàn)原因缺少應(yīng)有的管理和維護,1994年對其檢測時發(fā)現(xiàn),大壩老化病害嚴重,已處于不安全狀態(tài)[3]。進入21世紀后,我國的一些混凝土壩逐漸出現(xiàn)裂縫、溶蝕和凍融凍脹等老化病害,其中滲漏及其引起的壩體混凝土的溶出性侵蝕較為普遍[4]。運行多年的豐滿、佛子嶺、新安江、陳村、古田溪(一、二、三級)和安砂大壩,及壩齡較短的南告、水東和石漫灘大壩都出現(xiàn)了不同程度的溶蝕病害[5-6]。

滲漏溶蝕是混凝土壩的一種本質(zhì)性病害,既取決于壩體本身結(jié)構(gòu)狀況,又與環(huán)境有著密切關(guān)系。嚴重滲漏溶蝕將影響大壩的承載力和穩(wěn)定性,縮短大壩使用壽命,是一種導(dǎo)致大壩可靠度降低的時變不可逆過程。因此,開展?jié)B漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能的空間變異性及其影響評價方法的相關(guān)研究十分必要,以便采取針對性的恢復(fù)大壩運行能力的措施,限制溶蝕發(fā)展，降低其對大壩造成的危害。

1 水工混凝土溶蝕特性

自混凝土被用于涉水工程以來,國內(nèi)外學(xué)者便開始了其溶蝕特性的研究[7]。此類研究多在材料學(xué)的范疇內(nèi)進行,相關(guān)研究與試驗條件和分析手段密切相關(guān),從硬化水泥漿體的溶蝕試驗研究逐漸發(fā)展到多因素影響下水工混凝土溶蝕試驗和數(shù)值模擬研究。

1.1 硬化水泥漿體的溶蝕特性

細觀上,水工混凝土是由粗細骨料、硬化水泥漿體以及界面過渡區(qū)組成。水化程度良好的水泥漿體中,Ca(OH)2和水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠體積分數(shù)約分別為20%～25%和70%,是水泥的最主要水化產(chǎn)物[8]。其中,C-S-H內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在一定程度上決定了硬化水泥漿體的強度、體積穩(wěn)定性和滲透性等主要物理力學(xué)性質(zhì);Ca(OH)2則對水泥漿體的衰減過程和提高堿性起重要作用。

國外針對硬化水泥漿體的溶蝕特性研究較早,根據(jù)溶蝕過程中所受水壓力大小可將其分為接觸溶蝕和滲透溶蝕兩種。主要研究成果[9-11]有:硬化水泥漿體溶蝕受孔隙溶液和不同水化物相間的熱動力平衡等內(nèi)外因素影響,是一個非線性的動力過程,其實質(zhì)是Ca(OH)2在孔隙液和外部環(huán)境的摩爾濃度梯度下隨著滲漏不斷流失,進而引起C-S-H、單硫型硫鋁酸鹽(AFm)、鈣礬石(AFt)逐漸脫鈣溶出,導(dǎo)致孔隙液中Ca2+摩爾濃度隨之下降,pH值減小。隨著溶蝕過程的繼續(xù)發(fā)展,水化產(chǎn)物從表層向內(nèi)部逐漸溶解,呈現(xiàn)出溶蝕和未溶蝕2個差異明顯的區(qū)域,兩者的界線即為溶解峰。溶蝕導(dǎo)致硬化水泥漿體的孔隙率不斷增大,密度不斷減小。

1.2 多因素影響下的水工混凝土溶蝕特性

隨著現(xiàn)代試驗技術(shù)的發(fā)展,相關(guān)研究向多因素影響下的水工混凝土溶蝕特性的力學(xué)試驗及理論分析、數(shù)值模擬方向發(fā)展。

le Bellégo等[12-13]最早開展了化學(xué)-力學(xué)耦合下砂漿梁體的溶蝕試驗研究,結(jié)果表明,化學(xué)-力學(xué)耦合作用下砂漿梁的強度損失明顯大于化學(xué)溶蝕單一因素作用下梁的強度損失,荷載誘發(fā)的毛細孔和裂縫增大了Ca2+的擴散速率從而加速了化學(xué)溶蝕過程;溶蝕與砂漿抗?jié)B性及水力梯度有很大關(guān)系。Nguyen等[14-15]對混凝土的溶蝕特性進行了多尺度的試驗研究和理論分析,對比試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),骨料在一定程度上影響了溶蝕速率,即硬化水泥漿、砂漿和混凝土的溶蝕速率依次遞減,25 d時砂漿的溶蝕深度約是混凝土的1.15倍。

國內(nèi)學(xué)者對工程實際情況更為關(guān)注,研究集中在水灰比和各種外加劑等自身材料因素對水工混凝土的抗溶蝕性能的影響等方面。徐文雨等[16]通過試驗發(fā)現(xiàn),水灰比和水泥品種對硬化水泥漿體的抗溶蝕性能有明顯影響,水灰比越大,硬化水泥漿體密實性越差,其抗溶蝕性能越低。李新宇等[17]試驗研究了軟水環(huán)境下的水工碾壓混凝土的滲透溶蝕特性,得出溶蝕的主要通道是硬化水泥漿體,影響混凝土溶蝕性能的主要因素是滲透系數(shù);在水灰比相同的條件下,外加劑改善了水泥漿體的孔結(jié)構(gòu),對溶蝕性能有一定的影響,粉煤灰砂漿試件表面劣化情況更為嚴重,摻入粉煤灰加快了溶蝕速率;礦渣硅酸鹽水泥具有較密實的漿體結(jié)構(gòu),抗溶蝕性能好。

1.3 溶蝕對水工混凝土力學(xué)性能的影響

硬化水泥漿體和界面中存在大量微裂紋和孔洞,在荷載和不利環(huán)境作用下這些初始缺陷發(fā)生擴展、彎折和匯合,對混凝土宏觀性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。溶蝕過程對水工混凝土宏觀力學(xué)性能的影響是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)心的核心問題。

Carde等[9-10]開展了大量溶蝕對水泥漿體力學(xué)性能的影響研究,得到Ca(OH)2和C-S-H溶蝕程度各異的試驗樣本,試驗結(jié)果表明,抗壓強度和孔隙率都與溶蝕過程呈較好的線性關(guān)系,擬合得到了不同溶蝕區(qū)域的孔隙率計算公式,且微觀孔隙結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致水泥漿體塑性增大。le Bellégo等[11]的試驗獲得了溶蝕程度分別為48%、59%和74%的砂漿試樣,得到相應(yīng)宏觀剛度損失分別為23%、36%和53%。Ulm等[18-19]對溶蝕硬化水泥漿體進行了三軸實驗,發(fā)現(xiàn)較整體強度的衰減,剪切性能對溶蝕更為敏感;Ca(OH)2溶蝕導(dǎo)致孔隙增多,壓縮實驗中出現(xiàn)塑性剪脹,延緩剪切面上的失效,C-S-H脫鈣則只導(dǎo)致力學(xué)軟化,且C-S-H對宏觀力學(xué)性能的影響要超過Ca(OH)2,C-S-H析出是導(dǎo)致宏觀力學(xué)性能衰減的主因。Nguyen等[14-15]的試驗發(fā)現(xiàn)硬化水泥漿體、砂漿和混凝土各尺度上溶蝕樣本強度和剛度等力學(xué)性能均隨溶蝕程度增加而下降,且峰值后曲線漸趨平緩,韌性增加,呈強相關(guān)性。

孔祥芝等[20]進行了大尺寸水工混凝土試件溶蝕試驗,溶蝕初期混凝土強度和剛度性能的衰減與Ca(OH)2的溶出率基本呈線性關(guān)系,摻粉煤灰混凝土Ca(OH)2溶出5.13%時,混凝土抗壓強度、劈拉強度和彈性模量分別下降2.24%、7.95%和4.10%,摻火山灰混凝土Ca(OH)2溶出7.28%時,則分別下降14.8%、27.8%和15.7%;可以看出,溶蝕導(dǎo)致混凝土變脆,強度、剛度降低,且劈拉強度衰減最快,相比而言,摻火山灰混凝土性能衰減更快。王海龍等[21]試驗研究了接觸溶蝕后混凝土宏觀力學(xué)性能的變化,結(jié)果表明劈拉強度下降較軸心抗壓強度更明顯,邊長100 mm的立方體試件在軟水和硝酸溶液中侵蝕60 d后,劈拉強度分別降為溶蝕前的74.8%和77.7%。黃蓓等[22]通過試驗研究,得到了不同溶蝕程度的混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系式。

由于混凝土的復(fù)合多尺度性質(zhì),試驗操作難度較高。近年來,國內(nèi)外一些學(xué)者開始采用數(shù)值分析方法研究溶蝕現(xiàn)象,如Bernard等[23-24]建立了溶蝕水泥漿體和砂漿的表征元模型,采用有限元模擬分析了拉壓試驗,得到的結(jié)果與Ulm等[18-19]的試驗結(jié)果一致;胡江[25]基于Nguyen等[14-15]的成果,開展了溶蝕混凝土的多尺度數(shù)值模擬,分析認為骨料的存在一定程度上降低了Ca(OH)2溶蝕對宏觀力學(xué)性能的影響,但由于Ca(OH)2溶蝕導(dǎo)致凝膠的膠結(jié)能力下降,宏觀力學(xué)性能仍然對Ca(OH)2溶蝕有很高的敏感性?；诟鞒叨刃畔?shù)字成像的多尺度數(shù)值仿真分析,采用顯式方法重構(gòu)材料結(jié)構(gòu),可用于變形、有效力學(xué)性能和老化過程分析等,為水工混凝土老化及其影響研究提供了新的途徑。

2 滲漏溶蝕對混凝土壩力學(xué)性能空間分布的影響

2.1 混凝土壩的老化與滲漏溶蝕

國際大壩委員會(ICOLD)第1屆會議(1933年)的一個重要議題就是材料老化引起的大壩性態(tài)惡化,之后,第8屆(1964年)、第9屆(1967年)、第13屆(1979年)、第17屆(1991年)和第21屆(2003年)會議分別包含了老化對壩體混凝土特性的影響、大壩行為與惡化、大壩惡化與破壞、大壩老化與補救措施、混凝土壩和砌石壩以及附屬建筑物的老化與修補等專題或主題。1986年ICOLD大壩老化專業(yè)委員會正式成立,專業(yè)委員會[26]總結(jié)了各類大壩的老化問題及其原因、修復(fù)和預(yù)防措施。ICOLD還總結(jié)了混凝土壩失效的主要原因,包括蓄意破壞行為、筑壩材料導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效、基巖滑移失效、裂縫和維護不當?shù)?對于筑壩材料導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效,主要原因是混凝土老化、衰減及其引起的強度不足等。

除ICOLD外,一些國際著名機構(gòu)也有針對性地研究了大壩的老化行為,獲得了許多突破性的成果。ICOLD歐洲分會(ICOLDEC)[27]通過現(xiàn)場試驗,提出了大壩混凝土老化報告。美國內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局(USBR)[28]專門針對老化混凝土材料的特性進行了研究,建立了老化混凝土特性數(shù)據(jù)庫。我國水利和電力部門對所屬的大壩開展安全定期檢查,檢查結(jié)果表明,除防洪標準偏低外,裂縫、溶蝕、凍融與碳化等是混凝土壩的主要老化病害,分別占老化病害總數(shù)的72.9%、33.3%和10.4%[1]。滲漏溶蝕是混凝土壩結(jié)構(gòu)老化和病變的主要反應(yīng),對結(jié)構(gòu)安全的危害很大。

2.2 滲漏溶蝕混凝土壩強度參數(shù)空間變化規(guī)律

局部材料的老化病害引起混凝土壩壩體力學(xué)性能的空間變化,但相關(guān)試驗和理論研究較少,主要為實測結(jié)果。

豐滿大壩為混凝土重力壩,1942年蓄水,1953年建成。壩體為普通硅酸鹽水泥,內(nèi)部分布著低強度混凝土,有較多裂縫和空洞,水平施工縫未處理,為壩體滲漏提供了便捷通道,運行初期滲漏便非常嚴重。同時,庫水屬軟水水質(zhì),經(jīng)多年運行后,壩體外部和內(nèi)部混凝土均遭到明顯溶蝕破壞。1991年鉆孔檢查發(fā)現(xiàn),壩體內(nèi)部混凝土強度表現(xiàn)出極強的空間變異性,一般在15 MPa以上,但局部無法取芯,低于10 MPa[29];進一步推算,壩體混凝土強度在發(fā)生滲漏部位損失可達20%,局部區(qū)域能達70%,甚至完全失去強度成為疏松體[30]。羅灣大壩為混凝土重力壩,1981年建成,運行至1990年,廊道內(nèi)部分排水孔口CaCO3晶體呈瀑布狀,現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn),溶蝕部位的混凝土后期強度不僅未增長,反而明顯下降,擋水運行10 a后僅為設(shè)計強度的83%,而其他部位已達到設(shè)計要求[31]。

碾壓混凝土壩每立方米混凝土水泥用量少,溶蝕作用對混凝土的強度降低效應(yīng)更顯著,對壩體的危害更大[5]。水東大壩為碾壓混凝土重力壩,1993年蓄水，壩體部分碾壓混凝土質(zhì)量較差,存在骨料架空、砂漿不均、蜂窩、孔洞、碾壓不均、層面膠結(jié)不理想等現(xiàn)象,透水率大于3 Lu;壩體蓄水不久即滲漏析鈣嚴重,下游壩面距壩頂約8 m以下常年處于濕潤狀態(tài),至1999年CaCO3晶體覆蓋滿廊道內(nèi)壁,取芯除少部分呈柱狀或短柱狀外,基本呈塊狀或散體狀,綜合芯樣獲得率為55%,質(zhì)量指標值僅30 %左右[4]。復(fù)建后的石漫灘大壩為碾壓混凝土重力壩,1997年完工,由于溫差大,壩體產(chǎn)生了較多裂縫,廊道內(nèi)滲流明顯,下游面多處長期滲水、射水,壩體滲水析鈣嚴重;2005年對大壩進行了鉆孔壓水試驗,試樣強度離差系數(shù)大,質(zhì)量較差處鉆孔芯樣基本不能成型[32]。

相對混凝土重力壩,混凝土輕型壩更易受滲漏溶蝕影響。如古田溪二、三級平板支墩壩面板滲漏溶蝕嚴重。以古田溪三級大壩為例,該壩1961年蓄水,環(huán)境水質(zhì)對混凝土具有中等溶出型侵蝕作用,1990年有4個壩段滲水嚴重,7個壩段共18處滲白漿,2000年有8個壩段滲水嚴重,20個壩段共36處滲白漿,滲水析鈣現(xiàn)象明顯加重,面板整體強度由49.6 MPa降為37.91 MPa,下降23.6%,面板的強度和抗?jié)B能力已不能滿足設(shè)計要求,局部強度為設(shè)計強度的74%,下降幅度大[33]。

2.3 混凝土壩壩體滲漏與溶蝕的關(guān)系

從滲漏溶蝕混凝土壩強度參數(shù)空間變化規(guī)律可看出,混凝土壩溶蝕與滲漏相生相成,一方面,壩體不同部位遭受溶蝕破壞的程度取決于壩體結(jié)構(gòu)狀況,澆筑密實、缺陷較少的部位滲漏量較小,溶蝕程度有限;澆筑不密實、多孔疏松的部位滲漏量較大,溶蝕將較嚴重;另一方面,溶蝕導(dǎo)致混凝土孔隙率高、結(jié)構(gòu)疏松,因此滲漏也將更為嚴重。如豐滿大壩,1950年庫水位為255 m時,壩體總滲漏量高達22 380 L/min,滲漏非常嚴重,廊道內(nèi)壁、排水管孔口均可見大量析出物。為改善混凝土結(jié)構(gòu)狀況,增強壩體防滲能力,曾持續(xù)不斷地對壩體進行灌漿,但直至1988年大規(guī)模防滲處理前,壩體Ca2+年溶蝕量約為3.3 t,以此推算,壩體凝膠產(chǎn)物年溶蝕量大于年平均灌漿量。至1995年,壩體平均滲漏量顯著降低為24.98 L/min,相應(yīng)地Ca2+年溶蝕量也減少為419 kg。又如水東大壩,經(jīng)壩體灌漿后,1996年的滲漏量仍達1 068 L/min,壩體Ca2+年溶蝕量為2.1 t,后又對壩體多次灌漿,至1999年滲漏量降為391.8 L/min,Ca2+年溶蝕量減少為998 kg[4]?？梢?溶蝕與滲漏互為條件、相互促進。溶蝕的持續(xù)發(fā)生使得凝膠產(chǎn)物不斷流失,甚至完全失去膠結(jié)能力,混凝土強度和剛度顯著下降,進一步加劇了壩體物理力學(xué)性能的空間非均質(zhì)性和變異性。

3 滲漏溶蝕對混凝土壩力學(xué)性能空間變異性影響的評價

3.1 滲漏溶蝕對壩體性態(tài)的影響

由前文可知,在環(huán)境、荷載等多因素影響下,壩體遭受接觸和滲透溶蝕危害,隨服役時間增長,滲漏溶蝕導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)性能空間變異性顯著,力學(xué)性能衰退,滲透性提高,壩體揚壓力增大;同時,局部混凝土強度的衰減、壩體揚壓力的增大將加劇壩體某些部位拉應(yīng)力的產(chǎn)生或增大,導(dǎo)致壩體出現(xiàn)裂縫,影響大壩的整體使用性能和動力安全性,嚴重的會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)徹底破壞。

3.2 滲漏溶蝕混凝土壩分區(qū)力學(xué)參數(shù)反演識別

反演分析可有效利用實測數(shù)據(jù)識別混凝土壩壩體物理力學(xué)參數(shù)。Ardito等[34-35]針對運行多年后混凝土壩可能遭受的滲漏溶蝕、堿集料反應(yīng)等本質(zhì)性病害導(dǎo)致的局部損傷和強度參數(shù)的空間變異性,開展了大量研究,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,提出了基于實測變形資料的分區(qū)材料參數(shù)反演方法,以識別壩體局部因老化引起的損傷。

彈性模量能反應(yīng)混凝土的疲勞性能、柔度、承載能力和抗裂能力,是衡量壩體結(jié)構(gòu)剛度的指標[36]。因此,對老化病害壩體物理力學(xué)參數(shù)反演分析主要集中在彈性模量方面。吳中如等[36-37]較早提出用不同壩段的實測變形資料估算各壩段混凝土彈性模量,之后,又采用混沌遺傳優(yōu)化算法,建立了分區(qū)彈性模量反演分析方法。李守巨等[38-40]針對豐滿大壩滲漏溶蝕引起的壩體混凝土彈性模量空間變異性開展了大量研究,以獲取壩體性能參數(shù)分布。李守巨等[38]基于大壩壩頂水平位移監(jiān)測資料,采用混合模型,綜合高斯牛頓法和遺傳算法對不同壩段壩體混凝土的彈性模量進行了反演分析,結(jié)果在17.97～31.4 GPa間,與現(xiàn)場取芯試驗結(jié)果17.0～32.0 GPa基本一致。馮新等[39-40]利用改進模擬退火-單純形法,建立了分區(qū)彈性模量反演的正則化方法,基于大壩脈動測試數(shù)據(jù),得到了大壩各分區(qū)的彈性模量;此后,又釆用梯度搜索法,提出更為穩(wěn)定的反演方法,反演結(jié)果的均值分布在14.75～25.79 GPa間,實際取芯試驗結(jié)果為9.2～43.2 GPa;反演和實際取芯試驗結(jié)果總體均值分別為19.08 GPa和21.1 GPa,兩者相差不大,反演結(jié)果都在合理區(qū)間內(nèi),反演參數(shù)能反映壩體的工作狀態(tài)。

參數(shù)反演是一種基于實測數(shù)據(jù)的壩體性態(tài)等效方法,且分區(qū)只能是概化性的,并不能完全反映壩體的實際物理力學(xué)參數(shù)的空間變異性。

3.3 滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能空間變異性的隨機場模型

已有關(guān)于老化病害混凝土壩的研究多假定壩體混凝土力學(xué)性能退化過程是空間均勻的,綜合蒙特卡羅法與勘察試驗、無損檢測和現(xiàn)場試驗等離散信息的統(tǒng)計特性,得到壩體力學(xué)性能參數(shù)的完全隨機模型[41-43]。這與工程實際不符,老化病害引起的大體積混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)的空間變異性并不是完全隨機的,而是存在一定的內(nèi)部規(guī)律性。

目前,老化病害混凝土結(jié)構(gòu)空間變異性的研究主要集中在海洋和橋梁工程[44-45]。針對氯離子侵蝕,黃僑等[46]基于大量實測數(shù)據(jù),擬合了某橋梁的混凝土強度隨機場的相關(guān)函數(shù),得到相關(guān)距離為米級,并認為這一相關(guān)距離也可應(yīng)用于其他類似結(jié)構(gòu)。石雪飛等[47]采用相關(guān)矩陣法量化空間變異性,建立了基于各測區(qū)無損檢測數(shù)據(jù)的材料參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣確定方法,分析了參數(shù)空間相關(guān)性對功能失效的敏感性,結(jié)果表明評估在役鋼筋混凝土梁橋性態(tài)須考慮空間變異性。彭建新等[48]基于隨機場理論,考慮混凝土強度和氯離子擴散系數(shù)的空間分布特性,建立了承載力的自相關(guān)函數(shù),在無維修加固和海岸線大氣區(qū)環(huán)境下,結(jié)構(gòu)服役100 a后考慮比不考慮空間變量時的彎曲抗力要低143 kN·m。Schneider等[44]通過動態(tài)貝葉斯模型考慮侵蝕引起的參數(shù)空間演變規(guī)律,研發(fā)了基于實測信息的評估軟件?？梢?確定結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的相關(guān)距離函數(shù),以空間相關(guān)性描述力學(xué)參數(shù)指標的方差,利用隨機場模型描述力學(xué)參數(shù)的空間變異性,分析老化病害在役混凝土結(jié)構(gòu)的性能,更接近工程實際。滲漏溶蝕混凝土壩物理力學(xué)性能的空間變異性與上述結(jié)構(gòu)類似,溶蝕受溶解和擴散過程控制,所引起的不確定性包含在壩體復(fù)雜的化學(xué)-力學(xué)-水力耦合作用中,具有隨機性和內(nèi)在結(jié)構(gòu)性雙重特征,滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能是受多因素影響的隨機場,局部區(qū)域性能相關(guān)性較強[25]。

然而,工程現(xiàn)場勘察取樣間距較大,能反映空間變異性的資料有限。為此,將點特性和空間平均特性有機融合的條件隨機場應(yīng)運而生。吳振君等[49]提出了基于克里金方法的隨機場模型,充分考慮了勘察試驗數(shù)據(jù)有限數(shù)據(jù)點和未知區(qū)域的相互關(guān)系,降低了隨機場的模擬方差,體現(xiàn)了隨機性和內(nèi)在空間相關(guān)性的統(tǒng)一。張社榮等[50]考慮重力壩材料參數(shù)的內(nèi)在隨機性,基于貝葉斯方法,建立了區(qū)域結(jié)構(gòu)的約束隨機有限元力學(xué)模型,分析區(qū)域材料參數(shù)隨機特性對工程結(jié)構(gòu)性態(tài)的影響,工程實例結(jié)果表明,約束隨機場模型得到的抗滑穩(wěn)定性明顯降低。

由以上研究可以看出,隨機場理論為滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)參數(shù)空間變異性模擬提供了理論基礎(chǔ)。但相關(guān)研究還處于初步階段,滲漏溶蝕混凝土壩壩體強度參數(shù)的相關(guān)距離函數(shù)的建立、基于勘察信息的壩體隨機場模型化等方面仍有大量問題亟待解決。

3.4 老化病害混凝土壩動力性態(tài)的分析和預(yù)測

對老化病害混凝土壩抗震性能評估,有利于采用相應(yīng)的抗震措施,使破損程度和經(jīng)濟損失控制在預(yù)期范圍[51]。Zhang等[52-53]融合損傷力學(xué)、有限元分析和材料衰變評價方法,提出了基于損傷力學(xué)的數(shù)值模型,以印度的戈伊納壩為例,分析了老化病害引起的初始損傷對壩體性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),老化病害損傷引起的性能劣化對戈伊納壩的抗震性能影響較顯著。Burman等[54]研究了滲漏溶蝕等病害引起的微觀空隙導(dǎo)致的混凝土強度衰減,基于前50 a的抗壓強度試驗成果擬合了混凝土強度的時變曲線,結(jié)合損傷力學(xué),分析預(yù)測了混凝土的老化效應(yīng)及其對老齡期大壩性能的影響,在此基礎(chǔ)上,以戈伊納壩為例研究了老化因素下壩體抗震性能,得到了類似Zhang等[52-53]的結(jié)果。

王進廷等[55]基于混凝土強度增強和化學(xué)溶蝕的動力過程的經(jīng)驗公式,采用非線性有限元分析了老化對混凝土壩抗震性能的影響,分析結(jié)果表明老化明顯影響壩體的抗拉強度。王懷亮等[56]考慮了由于溶蝕、凍融等老化衰減因素對壩體動力損傷的影響,采用動力有限元-邊界元混合法對豐滿大壩進行了計算分析,結(jié)果亦表明,老化損傷對結(jié)構(gòu)動力性態(tài)影響很大,相同的地震條件下,若處于設(shè)計狀態(tài)時壩體抗震安全,而考慮滲漏溶蝕引起的老化性能衰減,當混凝土孔隙率達到20%時壩體結(jié)構(gòu)抗震不安全。針對外部動荷載和內(nèi)部強度參數(shù)的不確定性,杜成斌等[57]研究了重力壩地震響應(yīng),認為參數(shù)不確定性對大壩的地震響應(yīng)有較大影響,關(guān)鍵部位的響應(yīng)基本接近正態(tài)分布。

總體上看,老化病害混凝土壩的動力性態(tài)研究還處于探索階段,以定性結(jié)論為主,亟需提出更符合工程實際的老化病害混凝土壩動力性態(tài)分析和驗證方法。

4 研究展望

由于滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能空間變異的復(fù)雜性,已有研究盡管已取得了一定成果,但相關(guān)理論和方法仍滯后于工程需要,仍有不少方面需要進一步探討和開展深入研究:

a. 多因素耦合下水工混凝土結(jié)構(gòu)滲漏溶蝕機理。已有研究主要集中在混凝土自身的溶蝕特性,然而水工混凝土溶蝕不但受施工質(zhì)量、配合比和外加劑等內(nèi)部因素的影響,還受到環(huán)境、荷載、壩型、結(jié)構(gòu)狀況等外部因素的作用,有必要開展上述多因素耦合下的水工混凝土結(jié)構(gòu)滲漏溶蝕機理的試驗研究。

b. 滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能的空間隨機場模型?；谟邢扌畔⒌募s束隨機場模型為老化病害混凝土結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)的空間變異性辨識、描述提供了理論基礎(chǔ),并已在其他在役大體積混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕老化問題研究中取得了一定成果。借鑒現(xiàn)有成果,建立滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能空間約束隨機場模型,可為滲漏溶蝕混凝土壩性態(tài)的數(shù)值模擬分析提供基礎(chǔ)。

c. 滲漏溶蝕對混凝土壩動力性態(tài)的影響評價。壩體動力性態(tài)對老化病害引起的局部損傷敏感?，F(xiàn)階段,混凝土壩的隨機有限元動力分析方法還處于初步研究階段。為此,須考慮混凝土滲漏溶蝕引起的壩體物理力學(xué)參數(shù)的空間變異性,提出滲漏溶蝕混凝土壩動力響應(yīng)的隨機有限元動力分析方法,以進一步揭示老化病害對混凝土壩動力性態(tài)的影響。

5 結(jié) 語

滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能的空間變異性涉及環(huán)境與荷載耦合作用下工程結(jié)構(gòu)性能演變機理、工程結(jié)構(gòu)壽命全過程精細化分析理論與性能評定理論及方法等多個研究方向。本文僅論述了水工混凝土溶蝕特性、滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能空間分布規(guī)律及力學(xué)性能空間變異性的影響評價等3個方面的研究現(xiàn)狀。當前,全球范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)工程學(xué)科突破了傳統(tǒng)的研究思路,“時變結(jié)構(gòu)”的概念不斷外延,空間多尺度的理念繼續(xù)拓展,材料(微觀、細觀、宏觀)-結(jié)構(gòu)多尺度的結(jié)合得到全面加強;老化階段的不確定性及其影響引起廣泛重視。借助前沿學(xué)術(shù)思想,開展多因素耦合下水工混凝土結(jié)構(gòu)滲漏溶蝕機理、滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能的空間隨機場模型、滲漏溶蝕對混凝土壩動力性態(tài)的影響評價等3個問題的深入研究,揭示滲漏溶蝕混凝土壩力學(xué)性能空間變異機理及其對壩體性態(tài)的影響,以指導(dǎo)混凝土壩長效安全運行,具有較高的科學(xué)意義與廣闊的應(yīng)用前景。

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Review of spatial variability of mechanical properties of concrete dams impacted by leakage dissolution

HU Jiang, MA Fuheng, LI Ziyang, HUO Jixiang

(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

A summary of the current status of concrete dams impacted by leakage dissolution is provided. In view of material science, the leakage dissolution process and the degradation of mechanical properties of concrete in hydraulic structures are reviewed based on results of experimental and theoretical research. In view of engineering structures, the spatial evolution law of mechanical properties of concrete for dam bodies impacted by leakage dissolution is summarized. Furthermore, the spatial variability of physical and mechanical parameters of concrete dams is analyzed, and advances in the random field model for description of the spatial variability of dam body mechanical performance and the random finite element method for evaluation of dam body dynamic performance are discussed. Finally, three important topics for further research, including the mechanism of leakage dissolution causing damage to concrete structures under multiple environmental and load factors, the spatial random field model for description of the mechanical performance of concrete dams impacted by leakage dissolution, and the seismic safety analysis method for assessment of the dynamic performance of aged concrete dams under the influence of leakage dissolution, are proposed.

concrete dam; leakage dissolution; mechanical property; spatial variability; assessment method

國家自然科學(xué)基金(51409167, 51609150);河南省水利科技攻關(guān)項目(GG201546)

胡江(1983—),男,高級工程師,博士,主要從事水工結(jié)構(gòu)老化病害機理研究。E-mail:huj@nhri.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.04.015

TV642

A

1006-7647(2017)04-0087-08

2016-08-08 編輯：熊水斌)