随着服役时间的不断增长,混凝土材料会出现不同程度的劣化、病害,影响工程的安全运行。混凝土大坝的耐久性与服役寿命评估将成为21世纪我国坝工界的重大理论和技术问题。水是影响混凝土耐久性的重要因素,大部分的耐久性问题都与水的存在及水的传输直接相关。因此,研究混凝土中水分传输机理、模型、预测和控制方法对深入认识水工混凝土的耐久性问题具有十分重要的意义。水分传输与混凝土的微观-细观-宏观结构密切相关,而物理试验、理论方法都很难精细刻画其微细观结构。但数值模拟方法可以从多尺度角度分析混凝土内部结构组成,并进行水工混凝土渗流场仿真分析,目前是国内外混凝土材料和高混凝土坝的研究热点之一。本文致力于从多尺度(微观-细观-宏观)、多组分(砂浆、界面层、骨料、裂纹)、多层次(材料特性-结构性能)角度认识水工混凝土中的水分传输问题。采用数值分析方法(有限单元法)研究了混凝土微细观结构与水分传输特性之间的联系,包括孔结构、骨料、界面层、裂纹等对传输特性的影响,并进一步应用于宏观水工混凝土结构性能的预测。课题的研究成果如下:(1)基于微观水泥水化模型,仿真分析了水泥水化过程中水泥浆体孔结构动态演化过程和渗透性变化规律。采用三维细观随机骨料模型,研究了内部组分对混凝土渗透性的影响,其中混凝土视为由粗骨料、砂浆基质和界面层组成的三相复合材料,界面层采用无厚度单元模拟。通过与物理试验结果对比,验证了数值模型的有效性。研究发现,随着骨料含量的增加,混凝土的渗透性减小,总的来说,由骨料产生的稀释效应和迂曲效应大于ITZ效应。(2)基于建立的三维混凝土细观模型,模拟了毛细吸力或毛细吸水与水压力共同作用下混凝土材料内部水的入渗过程,并同时开展了物理试验研究了非饱和混凝土中的水分传输机理,将计算结果与试验数据对比验证了数值模型的有效性。研究发现,累积入渗量、吸水率随着骨料增加而减小;随着水压力增大而增大;针对本文研究参数的模拟结果表明,当水压力大于1.3MPa时,水压力作用效应超过毛细吸力作用,如果水压力作用进一步增大,甚至可能成为水分传输的主导机理。(3)建立了含三维离散裂纹网络的混凝土数值模型,研究了含裂纹网络混凝土的渗透性和毛细吸水性,其中裂纹采用无厚度单元模拟。通过模拟多个物理试验过程,验证了模型的有效性。进一步评价了裂纹网络几何形貌(裂纹密度、长度和宽度),尤其是逾渗网络,对混凝土水分传输特性的影响。研究发现,逾渗网络对渗透系数的影响非常大,而对毛细吸水性影响并不明显;随着裂纹密度和宽度的增大、长度的减小,混凝土渗透系数和吸水率都增大。(4)提出了混凝土多尺度渗透性均匀化技术路线。采用蒙特卡罗方法进行了大量的数值试验,研究了细观结构特征(骨料含量、形状和级配、界面特性)对混凝土等效渗透系数的影响,并确定混凝土的渗透性RVE尺寸为最大骨料粒径的4.5倍。进一步应用于全级配大坝混凝土渗透系数的预测。(5)开展了含复杂渗控结构的混凝土坝渗流模型试验和数值模拟研究。室内试验中,精细成型了排水孔、廊道、防渗帷幕等渗控结构,研究了多个工况下渗流场的分布规律;同时建立相应数值模型模拟了试验过程,其中采用空气单元法处理密集排水孔、潜在逸出边界,较好地解决了无压渗流计算不容易收敛的问题。研究表明,数值模拟与大部分试验数据规律一致,验证了数值模型的有效性和可行性。进一步采用渗透-吸水数值模型模拟坝体浸润过程,揭示了浸润面和湿锋的动态演变规律。