面板堆石坝精细化模拟与动态控制关键技术

任务来源：

技术领域：水利工程建设与管理

技术来源：自主研发。3项发明专利，发明名称：大型土工三轴蠕变试验系统；利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置及方法；一种地质沉降监测装置及监测方法。

技术原理

该技术针对面板堆石坝精细模拟与动态控制的问题，以地质勘测、现场原位试验、室内试验成果为基础，研究提出了适用于面板堆石坝工程的多场耦合数学分析模型，研发了数值离散方法和超大自由度问题的数值求解方法等，实现了对工程建设和管理的动态馈控。

技术特色

　（1）通过本项目的研究，揭示了不同粒径尺度、不同试样尺度、不同荷载等级、不同侧限条件、不同干密度及破碎效应等多组合条件下对变形模量的影响机制，填补了该领域的研究空白；建立的多尺度、多影响因素及破碎效应的统一修正模型，首次建立了缩尺试验变形参数回溯至原级配材料的精确转换关系；提升了面板堆石坝变形计算精度50%以上。 （2）自主研制了具备自主知识产权的可精确模拟实际应力条件和控制试验过程的大型三轴仪等试验设备，该设备可实现模拟大坝实际填筑过程的等应力比路径加载，尚属首创；探讨和揭示了堆石材料流变特性、剪胀特性与湿化特性的演变规律及内在机制，提出了描述堆石料流变特性的幂函数流变模型、堆石料湿化模型、考虑初始级配、颗粒破碎、相对密度等因素的多内在状态变量的堆石料剪胀方程、考虑球应力和偏应力影响的八参数湿化模型，解决了材料力学特性在多因素影响下的精细化模型问题。（3）建立了融合地质-地形-结构一体化的三维数字大坝构建体系，该体系整合了三维虚拟地理环境可视化展现和数值模拟的几何网格模型数据，达到了将模型用于数值分析和三维虚拟仿真两种核心用途，极大提高了数值计算前期模型构建和网格划分的效率；研发的大坝模型、BIM模型与FEM模型智能化转换技术，首次将三种数据格式实现了有机统一和转换，打破了科研、设计、施工等各类水工工作人员的数据壁垒。（4）提出了基于GPU加速的模型网格离散优化方法，显著提高了面板堆石坝精细化模拟的求解速度。提出了一种基于kNN算法改进的反距离插值算法，最高加速比能达到1000倍，解决了大规模有限元网格插值问题；开发出了加速比能达到7倍的并行凸包计算算法CudaChain和CudaPre3D，解决了网格模型求交问题；开发出了加速比最高能达到42倍的并行算法Laplacian网格光顺算法，解决了网格优化问题；开发出了基于GPU并行有限元加速计算方法，迭代求解速度提高了9.5倍，解决了大规模有限元迭代求解问题。解决了数万节点提升至百万节点的有效运算问题，突破了精细化计算精度和速度的瓶颈。（5）建立的基于多孔介质三维多相-多场耦合模型的水-热-力多目标动态反分析约束函数，首次实现了将温度场和渗流场与传统的应力场全耦合分析；提出的基于全时序的施工填筑信息、库水位信息和监测数据的面板堆石坝材料参数的动态反分析方法，率先建立了施工信息、监测信息、数值计算信息的互通和融合，首次实现了面板堆石坝从建设之初到水库蓄水运行的全过程跟踪、动态预测和反馈控制。

技术指标

建立了考虑多尺度、多影响因素的统一修正模型，量化了原型材料参数与试验材料参数的相关关系；建立了反映复杂应力状态的幂函数流变模型、考虑颗粒破碎效应的多内在状态变量剪胀模型以及考虑球应力和偏应力影响的八参数湿化模型；建立了融合地质-地形-结构一体化的三维数字大坝构建方法；改进了IDW和拉普拉苏网格光顺算法和网格几何运算与数值迭代求解的优化算法；建立了水-热-力多目标动态反分析优化模型。

应用范围及前景

适用于高面板堆石坝三维数字大坝构建、精细化数值模拟与施工运行过程的动态馈控分析中。该术成功应用于河口村水库面板堆石坝坝体填筑施工全过程精细化数值模拟与动态控制、吉林台一级水电站面板堆石坝运行期库水位-渗漏动态模拟与反馈分析、阿尔塔什水利枢纽面板坝堆石料尺度、时间和湿化效应下的力学特性研究、出山店水库和前坪水库坝体填筑施工过程变形模拟与动态控制等典型面板坝工程的施工过程控制中，为工程建设提供了良好的技术支撑和经验指导，提高了工程的科技含量，确保了工程的正常建设，带来了良好的防洪效益和社会经济效益，实现了为我国在复杂地形、地质条件下修建面板坝工程积累了工程经验，也可为今后类似的工程项目提供指导和借鉴。

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严俊

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中国水利水电科学研究院/南京水利科学研究院/河南省河口村水库工程建设管理局

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