库坝系统岩土体渗透特与工程渗流分析许增光科学出版社9787030740502蔚蓝书店 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

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前言

第1章 绪论 pan>

1.1 水利工程中的渗流过程 pan>

1.2 渗流引起的工程失事案例 2

1.3 渗透稳定与渗流分析 5

1.3.1 意义及目的 5

1.3.2 渗流分析基本理论 6

参考文献 9

第2章 土体渗透破坏特及判定准则 1pan>

2.1 干湿循环黏土土体特变化试验 1pan>

2.1.1 干湿循环黏土裂缝试验 1pan>

2.1.2 黏土变水头渗透试验 17

2.1.3 干湿循环黏土强度劣化试验 19

2.1.4 黏土土水特征曲线试验 22

2.2 非黏土土体渗透破坏细观过程 25

2.2.1 一维土样细观结构变化试验 25

2.2.2 二维渗漏通道扩展试验 35

2.2.3 渗透破坏过程数值分析 45

2.3 渗透破坏判定准则 57

2.3.1 几何判定准则 57

2.3.2 力学判定准则 63

2.3.3 复合判定准则 69

参考文献 72

第3章 岩体非达西渗流机理及特 77

3.1 岩体单裂隙非达西渗流模型 77

3.1.1 天然裂隙几何形貌特 77

3.1.2 裂隙面粗糙度表征及立方定律修正方法统计 79

3.1.3 二维天然裂隙流态模拟及分析 82

3.2 剪切作用下单裂隙渗流流态 88

3.2.1 渗流-剪切耦合试验及立方定律修正 88

3.2.2 三维裂隙渗流流态模拟与分析 92

3.3 破碎岩体渗流特试验 99

3.3.1 破碎岩体非达西渗流试验方法及过程 99

3.3.2 破碎岩体非达西渗流分析 107

3.3.3 达西定律修正及推广 114

3.4 岩体裂隙网络渗流模型 119

3.4.1 裂隙分级及判断 119

3.4.2 裂隙模拟 12pan>

3.4.3 坝基裂隙岩体渗流分析 122

参考文献 125

第4章 区域尺度渗流场计算关键问题 130

4.1 地下洞室群工程渗流场边界定位与取值 130

4.1.1 已建抽水蓄能电站工程特统计分析 132

4.1.2 渗流场模型范围对计算结果的影响分析 137

4.1.3 地下洞室群影响范围影响因素的确定 138

4.1.4 地下洞室群影响范围单因素分析 14pan>

4.1.5 地下洞室群影响范围多因素回归分析 145

4.1.6 洞室群渗流场模型范围的确定与分析 148

4.2 水库渗流场边界定位与取值 150

4.2.1 边界水位修正理论与方法 150

4.2.2 水库蓄水条件下边界水位的修正方法 153

4.2.3 工程应用 157

4.3 非均质渗流场反演 162

4.3.1 求解渗透系数的空间分布及方法对比 163

4.3.2 非均质渗流场的计算 176

4.4 复杂排水孔幕模拟 179

4.4.1 排水孔渗流解析过程 179

4.4.2 排水孔模拟方 183

4.4.3 “以线代孔”法的提出与分析 185

4.4.4 “以面代孔”法的提出与分析 193

4.5 混凝土面板开裂等效处理 0

4.5.1 面板裂缝原因分析 0

4.5.2 面板裂缝案例统计 pan>

4.5.3 面板裂缝小尺区块等效连续模拟方法 9

参考文献 213

第5章 工程案例 217

5.1 常规水电站渗流场分析Ⅰ 217

5.1.1 渗流场模型建模过程 217

5.1.2 计算结果对比与分析 222

5.2 常规水电站渗流场分析Ⅱ 229

5.2.1 渗流场模型建模过程 229

5.2.2 运行期稳定渗流分析 235

5.3 抽水蓄能电站地下洞室群渗流场计算 24pan>

5.3.1 渗流场模型建模过程 24pan>

5.3.2 施工期非稳定渗流分析 250

参考文献 256

彩图

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第1章绪论

1.1水利工程中的渗流过程

水资源是基础的自然资源和战略的经济资源，是社会经济发展的重要支撑，更是人类赖以生存的基础命脉。水利工程渗透稳定及渗流分析与控制工作，是兼顾水电开发和保障民生、实现水利与人水和谐的重要工作[1-3]。水利工程规模庞大、社会效益重大，兼具防洪、除涝、灌溉、发电、供水、养殖、围垦、水土保持、旅游等多能。水利工程依水而建，控制和管理流域水资源，不可避免地受到渗流问题的困扰[4-7]。水利工程中的渗流是指水流在沙土、完整混凝土、碎石等多孔介质材料，以及裂隙岩体、裂隙混凝土等裂隙介质中的流动过程。对于水库、大坝、隧洞、地下发电厂房等水利工程而言，渗流往往伴随着工程设计、建设和运行的全周期过程，并且大部分渗流过程不利于工程建设和运行，如降低库区边坡稳定、增大坝基扬压力、导致库水流失、致使岩土体材料发生流土管涌破坏、造成隧洞突水涌水、危害地下厂房围岩稳定和机组正常运行等[8-13]。

根据水利部发布的《年全国水利发展统计公报》[14]，截年底，我国已建成各类水库98566座，其中大型水库774座，中型水库4098座，小型水库93694座。由于许多水库接近或达到设计使用年限，或超标洪水、地震等原因，工程老化毁损，在我国坝工发展史中，大中型病险水库数量已超过2800座，小型病险水库数量已超过6.9万座。以水库和大坝为主体的库坝系统是水利工程的重要组成部分，也是渗透破坏和渗漏事故的高发地带。尤其以病险水库为主，坝体及防渗体防渗能降低，特殊地质构造透水强，渗流问题更为严重。此外，为了减少全球碳排放，升级能源结构，国家先后提出“30碳达峰、60碳中和”战略和水电远景规划[15，16]。完成“双碳”目标及水电远景规划，需一步建设高坝大库及抽水蓄能工程[17]。

整体上，渗流是水利工程设计、建设和运行期间需要考虑的关键因素，由渗流引起的工程问题复杂且难以预测，对各类水利工程的危害无法估计。

1.2渗流引起的工程失事案例

1.意大利维昂特拱坝库区滑坡事故

（1）工程概况：维昂特拱坝位于意大利阿尔卑斯山东部皮亚韦河支流瓦依昂河下游河段，坝型为混凝土双曲拱坝，*大坝高262m，坝顶弧长190m库容1.69亿m3，于1960年竣工。

（2）失事经过：1963年10月9日22时39分，库区左岸发生体积超过2.5亿m3的大型滑坡，造成设计库容缩小2/3，库区左岸涌浪高达150m，右岸涌浪高达250m。滑坡造成约300万m3库水注入下游河道，造成1个城镇和5个村庄被冲毁，事故导致超过1700人死亡，水库报废。

（3）原因分析：事后调查和分析结果表明，左岸山体由卸荷节理、断层、古滑坡面等构造组成，自身稳定差，并且以黏土夹层为主的软弱夹层居多；丰富的地下水储存在溶洞、裂隙、断层内部，使岩体软化、孔隙压力增大、抗滑阻力降低；连日降雨造成库水位升高，滑坡地下水抬升，扬压力增大，岩体构造内部充填物所受浮托力增大，使滑坡区椅状地形的椅背部分所承受的下推力增大，椅座部分抗滑阻力降低，*终导致滑坡失稳并高度滑动。

2.美国圣弗朗西斯大坝溃决事故

（1）工程概况：圣弗朗西斯大坝位于加利福尼亚州，坝型为拱形重力坝，坝高62.3m，水库库容4700万m3，于1926年建成。

（2）失事经过：圣弗朗西斯水库于1926年3月开始蓄水，期间坝肩有少量水渗出，坝身温度裂缝和伸缩裂缝未处理；1928年2月，大坝两侧坝肩出现新渗漏点，翼墙附近出现明显渗漏通道；同年3月12日，渗水浑浊，当晚23时57分大坝溃坝，坝身混凝土及库水顺河谷而下。此次事故造成450人死亡，10间房屋被毁。

（3）原因分析：事后调查发现，圣弗朗西斯大坝原始坝基具有较好的承载力，然而砾岩遇水软化后降低了坝基的稳定，造成地基缺陷。渗水使岩体凝聚力减小，导致岩体缓慢移动，对坝体施加较大的作用力；同时，坝基扬压力增大，坝体稳定降低。在渗流压力、水荷载、岩体推力的综合影响下坝基*终溃决。

3.法国马尔巴塞大坝溃决事故

（1）工程概况：马尔巴塞大坝位于法国东南部瓦尔省莱朗河，坝型为双曲薄拱坝，*大坝高66m，坝顶高程102.55m，坝顶弧长223m，水库库容5100万m3，于1954年竣工并开始蓄水。

（2）失事经过：1959年11月中旬，水库蓄水位达95.2m，坝址下游m处发现岩体渗水；同年12月2日21时分，坝基扭转，大坝突然溃决，溃坝波以70km/h的速度向下游冲击，洪水以50km/h的速度冲向下游。此次事故导致421人死亡，100余人失踪，经济损失达300亿法郎，是工程造价的52倍。

（3）原因分析：法国的事后调查结果表明，坝体*大压应力、混凝土抗压系数和拱冠局部应力均满足工程要求，坝基混凝土与岩体接触面状态良好，坝体失事主要由坝基造成。坝基片麻岩和千枚岩内含软弱夹层和细微裂隙，岩体强度较低；拱坝未设排水设施，应力作用下岩体渗透系数增幅显著，导致扬压力急剧攀升，岩体抗剪强度降低并变形，导致坝体扭转溃坝。

4.青海沟后水库溃坝事故

（1）工程概况：沟后水库位于青海省海南自治州共和县境内，黄河支流恰卜恰河上游。坝型为混凝土面板砂砾石坝，坝高71m，坝顶高程3281m，坝顶长265m。水库正常蓄水位为3278m，水库库容为330万m3。1992年9月沟后水库通过竣工验收。

（2）失事经过：经过连续45天的蓄水，1993年7月14日，沟后水库水位升3277.25m，水位超过沉降后的防浪墙底座，坝肩及右岸坝坡开始渗水，并且渗水面积和出渗点不断增大；当日21时，大坝开始溃决，22时40分，坝体大量溃决，造成261万m3库水下泄恰卜恰镇，*大洪峰流量达2780m3/s。事故导致288人死亡，40人失踪，造成大量房屋、农田、公路和桥梁等建筑物毁坏，城区供水系统失效，直接经济损失达1.53亿元。

（3）原因分析：沟后水库溃坝分为初发和继发两个阶段。①初发阶段，防浪墙与面板之间的止水失效，形成裂缝，库水由裂缝渗入坝体；坝身为水平成层且不连续的砂砾石均质坝，坝体透水差，坝体内部自由面接近库水位，饱和区范围和孔隙压力持续增大；坝体砂砾石不均匀沉降导致防浪墙底部裂一步扩大，并且防浪墙重量及填土自身重量加大了砂砾石的滑动力，在孔隙压力、渗透率、砂砾石材料抗滑稳定急剧降低和砂粒流失等综合因素影响下，坝顶出现溃口。

②继发阶段，库水由溃口持续下泄，砂粒不断流失，将坝体冲刷为深沟；溃口不断增大，面板底部被掏而悬空、断裂和塌陷，下泄流量到达峰值；随库水位降低后下泄流量逐渐减小。

5.江西九江大堤溃决事故

（1）工程概况：九江大堤即长江大堤九江市段，建于1966～1968年，堤防高程为23～24m。堤防设有钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程25.25m，堤外为混凝土护坡，堤基未做处理，堤身为砾质黏土和粉质黏土。

（2）失事经过：由于厄尔尼诺现象的影响，1998年我国长江流域降雨量偏多并形成特大洪水，1998年8月7日中午，堤防内侧堤角出现3处管涌突水点；12时30分，堤面出现塌方，洪水由溃口涌出，堤防溃口不断增大，*大溃口长度达60m。为了防洪救灾，三十余万官兵投入抗洪，受灾群众多达423万人，经济损失不计其数。

（3）原因分析：由于气候影响，洪水历时长、水位高，堤防水位超过警戒水位；堤防附近修建油库平台时破坏了堤防防渗土层，使粉质黏土失去保护，土体渗流压力增大；堤基粉细砂多、黏粒少的粉质壤土未做处理，渗流作用下抗变形能力差，多因素影响下堤防多处出现管涌现象。

6.八一水库溃坝事故

（1）工程概况：八一水库位于维吾尔自治区昌吉回族自治州米东区境内，坝型为均质土坝，土料为粉质黏土，坝顶高程466.85m，正常蓄水位464.22m，库容3500万m3。水库于1952年建成，以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综能。

（2）失事经过：04年1月21日13时30分，水库泄洪涵洞左侧坝坡处出现渗水洞，洞高约1m、宽0.5m，由于库内冰层厚度达60cm，未及时找水口；当日时，坝体出现塌洞；1月22日11时，坝体溃坝，溃口达30m。事故期间，7500人迅速疏散，超过2万人受灾。

（3）原因分析：水库渗水通道为新建泄洪涵洞与原坝体之间的裂缝逐渐形填土填筑完成后上层质量较差，不均匀沉降较大，坝顶出现横向裂缝。上游坝面土工膜未起到防渗作用，水位上升后下游坝坡出现渗水点，并且出渗点无反滤保护，导致坝顶裂缝被持续冲刷，*终导致溃坝。

7.广东珠海石景山隧道透水事故

（1）工程概况：石景山隧道位于珠海市，为双洞六车道交通洞，长度为1.78km，是连通深中通道和港珠澳大桥兴业快线的一部分。隧道外轮廓高11m，宽15m。隧道穿过吉大水库，穿库段埋深约19m。工程失事时，吉大水库水位为30.67m，库容为68.77万m3。

（2）失事经过：21年7月15日3时30分，右线隧道准备初期支护施工时掌子面出现掉渣，随后大量地下水涌入右线隧道，并通过横向通道涌入左线隧道，导致14人被困于掌子面，*终遇难。

（3）原因分析：石景山隧道失事原括直接原因和间接原因。直接原因为右线隧道所处掌子面已位于隧洞*低点，顶部与上方库水连通，库水通过断层带突涌隧道，同时导致地表出现1000m2的陷坑和两岸山体的水土流失；间接原因则为地质勘探不，操作不规范，未探明潜在不利的地质构造。

8.山西襄汾新塔矿业尾矿库溃坝事故

（1）工程概况：新塔矿业尾矿库位于山西省襄汾县，建于1980年，1992年封库。初期坝坝底高程为900m，坝顶高程为925m，坝长100m；次级坝坝底高程925m，坝顶高程950m，坝长150m。尾矿库容为80万m3。

（2）失事经过：08年9月8日8时，新塔矿业尾矿库突然溃坝，26.8万m3尾矿和废渣随水流冲出库区，使坝体溃决，形成长达2km的泥流灾害，过泥面积30.2hm2。事故造成277人死亡，4人失踪，直接经济损失高达9619万元。

（3）原因分析：新塔矿业尾矿库未设置库区排水设施，尾矿废水地下渗、蒸发或回用。废水无法及时排出导致尾矿砂液化并发生管涌而发生渗透破坏。初期坝自身稳定较差，在库内尾矿砂的推力作用下*终溃坝，导致事故发生。

1.3渗透稳定与渗流分析

1.3.1意义及目的

上述各类工程失事的物理过程和原因均表明，渗流是导致岩体软化、坝体抗滑稳定下降、地下洞室突涌水、尾矿堆体液化的关键因素，渗透力和孔隙压力往往不利于岩土体和建筑物的稳定，分析涉水环境下岩土体和建筑物的应力场分布也必须考虑渗流场的影响。然而，水利工程渗流部位隐蔽且难以探查，岩土体渗流特极为复杂，渗流引起的工程问题的关键时间节点难以把握。因此，需要通过理论分析、野外试验或数值模拟等方法对工程区渗流场分布、岩土体和建筑物渗透稳定行分析及预测，为工程的设计、建设和运行提供理论指导和技术支撑。在此基础行的水利工程渗透稳定及渗流分析与控制的目括以。

（1）渗流量计算。控制库区渗漏量是保证水库运行效率的核心因素，对抽水蓄能工程而言，库区渗漏量控制要求*为严格；同时，渗流量计算对地下洞室突涌水的预测关重要，隐蔽区域渗流量过大则表示该区域透水风险较高，也证明该区域存在渗漏通道。整体上，渗流量计算是防渗排水设计及优化、渗漏通道预测、突涌水评价的重要依据。

（2）水力梯度计算。工程设计时要求渗流场水力梯度小于岩土体材料临界水力梯度，这是判断岩土体材料渗透稳定的重要标准。岩土体材料临界水力梯度的确定极为复杂，与岩土体材料孔隙结构、颗粒强度及其黏聚、饱和强度等参数相关。确定岩土体材料临界水力梯度，计算工程区渗流场水力梯度，判断不同工况下岩土体材料临界水力梯度和渗流场水力梯度的变化规律，水利工程渗透稳定分析极为重要。……

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