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论文速览 | Comput.Geotech.:多尺度分析新视角“透视”高堆石坝变形机理

论文速览 | Comput.Geotech.:多尺度分析新视角“透视”高堆石坝变形机理 智水岩研
2025-11-17
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导读:大坝是水利工程中最核心的构筑物之一,其稳定性与变形分析是保障结构安全的关键。对于堆石坝,尤其是坝高超200米的高堆石坝,精准预测变形与沉降仍是一项重大挑战。

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成果交流 — 武汉大学水利工程多尺度模拟与大坝安全分析


标题: Multiscale modelling reveals new insights into the deformation mechanism of rockfill dams

译文: 多尺度建模为堆石坝变形机理提供新认知

期刊: Computers and Geotechnics  (IF = 6.2)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2025.107573

摘要

原文摘要

Dams are among the most critical structures in hydraulic engineering, where stability and deformation analysis are essential for ensuring structural safety. For rockfill dams, especially those exceeding 200 m, accurately predicting deformation and settlement remains a significant challenge. This limitation arises from the shortage of conventional constitutive models to fully capture the complex mechanical behavior of rockfill materials, including nonlinear stress–strain response, scale effect and particle breakage, etc. In this study, a hierarchical multiscale approach is introduced to address these challenges. The proposed method significantly improves upon the limitations of earlier multiscale simulations by utilizing high-performance parallel computing. A three- dimensional numerical model of a 233-meter-high prototype dam is developed, which can simulate at the scale of hundreds of millions of particles and provide valuable insights into the deformation mechanism of dams at the particle scale. The micromechanical parameters of RVEs are calibrated using results from laboratory triaxial tests. The simulated deformations from the multiscale model are closely consistent with the monitoring data, validating the accuracy of the proposed method. Through comparative analysis with FEM simulations using the Duncan-Chang constitutive model, new insights were gained, revealing the critical need to account for true triaxial stress states at the dam crest and the upstream and downstream slopes. Additionally, the multiscale simulation quantified the spatial extent and magnitude of deformation caused by particle breakage, providing a more comprehensive understanding of the role of particle-scale mechanical evolution in the macro-scale behavior of rockfill dams. These findings underscore the importance of considering both macro and micro- mechanical behaviors for accurate safety assessments and deformation predictions in rockfill dams.

译文

大坝是水利工程中最核心的构筑物之一,其稳定性与变形分析是保障结构安全的关键。对于堆石坝,尤其是坝高超200米的高堆石坝,精准预测变形与沉降仍是一项重大挑战。这一局限源于传统本构模型难以充分表征堆石料的复杂力学行为,包括非线性应力-应变响应、缩尺效应及颗粒破碎等。本研究提出一种分层多尺度方法以解决上述问题,该方法通过采用高性能并行计算,显著突破了早期多尺度模拟的局限性。研究构建了坝高233米的原型坝三维数值模型,可实现数亿颗粒尺度的模拟,为从颗粒层面揭示大坝变形机理提供重要认知。基于室内三轴试验结果,完成了代表性体积单元(RVE)的细观力学参数率定。多尺度模型的模拟变形与监测数据高度吻合,验证了所提方法的准确性。通过与采用邓肯-张本构模型的有限元模拟进行对比分析,本研究获得了新的认知:坝顶及上下游坝坡区域需重点考虑真三轴应力状态。此外,多尺度模拟量化了颗粒破碎引发的变形空间范围与量级,使人们对颗粒尺度力学演化在堆石坝宏观力学行为中的作用有了更全面的理解。这些研究结果凸显了:要实现堆石坝精准的安全评估与变形预测,需同时考虑其宏观与细观力学行为。

一、高堆石坝变形安全背后的“未解难题”

   当一座坝高超200m的高堆石坝横跨峡谷,它不仅承载着水资源调控与防洪减灾的重任,更牵动着下游千万人的安全。然而,在水利工程领域,这类“巨无霸”结构的变形非线性强烈,且在生命周期内不断发展,如果准确预测其变形规律是长期困扰工程师的难题。传统变形预测通过室内三轴试验获取堆石料力学数据,校准邓肯-张等本构模型后,再用有限元法模拟坝体变形。但实际工程中,堆石料并非均匀介质,应力-应变响应非线性,并存在颗粒破碎、历史效应、长期流变等复杂力学机理,还受到常规三轴试验与堆石料粒径差异大导致的缩尺效应问题等制约,导致变形预测方法精度不足;

二、多尺度方法:跨越宏观与微观的“桥梁”

   堆石颗粒材料的离散性是导致其宏观力学现象复杂多变的核心,传统本构基于堆石颗粒集合体建模表征,是其精度不足的主要问题。如果将颗粒作为最小单元,通过模拟每个颗粒的滑移、转动,则可以准确的表征其力学行为,但面对兆亿级颗粒数目高堆石坝无疑是不可能的。为此,多尺度方法通过连续介质方法模拟结构宏观变形,离散介质方法表征颗粒运动,建立颗粒集合体单元耦合宏观应变与颗粒应力,搭建起跨越宏观与微观的“桥梁”。

研究技术路线图

    针对大规模多尺度堆石坝模型对计算资源的高需求,自主开发分布式高性能堆石坝多尺度计算程序:采用基于MPI的分布式内存架构,让TB级别的坝体模型可在多个GB级别的节点上分别运行;结合仿真过程动态负载均衡策略,大幅提升大规模变形仿真效率,计算效率较此前提升近10倍,成功突破上亿颗粒模拟的计算规模瓶颈。采用基于物理试验先验信息与多目标贝叶斯优化(MOTPE-PPI)的DEM参数智能率定方法,快速确定代表性体积单元(RVE)的细观参数,避免传统参数确定过程中的盲目性与繁琐性,显著提升参数率定效率。

三、多尺度模拟高堆石坝变形的“实战检验”

选择国内某座坝高超200m的混凝土面板堆石坝作为案例,其复杂的受力环境与庞大的工程规模,成为检验多尺度模拟技术的理想场景。依托宏细观协同的技术体系,构建了包含上亿颗粒的三维堆石坝多尺度模型。借助超算资源,较短时间内便完成全坝施工过程模拟

多尺度模拟计算框架

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MPM-DEM层级多尺度模拟流程

结果显示,多尺度模型预测的坝体变形与现场监测数据高度吻合。多尺度模拟精准量化了坝体内颗粒破碎的空间分布及对坝体沉降的贡献值,同时揭示了坝体内不同区域的三维应力分布状态与坝体变形趋势,分析了颗粒破碎和对堆石坝变形的影响区域和影响程度。这场“实战”不仅证明了多尺度模拟技术的可靠性,更为高堆石坝变形预测与安全评估提供了全新的技术路径,也为同行开展相关研究提供了可借鉴的实践经验。

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颗粒破碎模式

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破碎引起的坝体沉降演变

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堆石料破碎率空间分布

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中主应力系数分布

填筑过程中不同位置代表性体积单元(RVE)接触力的三维方向分布演变


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