水電工程中巖體滲流耦合問題及安全風險研究

前言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的可持續(xù)供應受到愈來愈多的關注，水電是可再生能源，是我國能源的重要組成部分，尤其是隨著小浪底、三峽、二灘等一批大型水電工程的實施，及其建設或建成后的運營過程中，形成了大量工程規(guī)模大、項目多、影響因素復雜、地質(zhì)地理環(huán)境條件多變、對穩(wěn)定及使用要求各異、以巖土體安全穩(wěn)定為主體、集地下工程、地面工程、電網(wǎng)工程為一體的水電工程建設體系，從而提出了一系列的巖體力學重大基礎穩(wěn)定性問題，其中，巖體滲流耦合相互作用的問題必須首先考慮。因此，如何更經(jīng)濟、有效地保證巖土體的滲流穩(wěn)定性就顯得十分迫切與必要，而對其穩(wěn)定性進行巖體滲流耦合分析和安全風險評估研究，對于保證水電建設工程的安全，乃至對整個社會的公共安全和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。本書主要以國家重大水電建設工程項目——“三峽水利樞紐工程”建設過程中永久船閘高邊坡工程系統(tǒng)穩(wěn)定性為基本研究素材，在系統(tǒng)科學方法論指導下，采用理論分析、室內(nèi)外實測與計算機技術相結(jié)合的綜合研究方法，對復雜邊坡工程系統(tǒng)的滲流穩(wěn)定性進行動態(tài)研究，試圖通過典型復雜邊坡工程系統(tǒng)滲流穩(wěn)定性以及水電工程壩體滲流風險與安全評價的研究，初步建立起基于巖體滲流耦合作用的水電工程項目安全風險研究的基本框架與方法體系。本書內(nèi)容共有15章，由五個部分組成：第一部分（第1章）為緒論，在對國內(nèi)外有關工程巖體結(jié)構控制論、裂隙滲流理論與實踐研究成果進行系統(tǒng)綜述的基礎上，結(jié)合目前大型復雜巖石工程實例分析，提出了巖體滲流耦合相互作用的概念、安全風險辨識和評估原則與研究方法。主要強調(diào)系統(tǒng)綜合研究與理論聯(lián)系實際的重要性。第二部分（第2、3、4、5、6章），即第一篇巖體裂隙結(jié)構及滲流作用。主要基于巖體結(jié)構控制論，對巖體結(jié)構的力學性質(zhì)以及巖體結(jié)構對滲流的控制作用展開研究。在考察工程節(jié)理化巖石斷裂力學特征的基礎上，提出了“追蹤裂紋斷裂”的概念，并結(jié)合分形幾何原理，建立起追蹤裂紋斷裂的分形模型，從分形幾何的角度研究了節(jié)理化巖石的微觀和宏觀結(jié)構效應，以及使斷裂韌性提高的物理力學機制，并通過實測巖樣的剪切斷裂面進行了驗證。研究工作特別注重不規(guī)則裂隙、裂隙網(wǎng)絡對滲流的影響，并提出了滲流地質(zhì)力學模型。通過單裂隙滲流試驗，發(fā)現(xiàn)不規(guī)則裂隙的滲流存在分形效應。對于裂隙網(wǎng)絡對滲流的控制，主要從網(wǎng)絡結(jié)構的隨機性及連通率的計算方面展開研究。

內(nèi)容概要

本書以水電工程建設為背景，在系統(tǒng)科學思想指導下，采用傳統(tǒng)力學分析與系統(tǒng)、功能分析方法相結(jié)合，運用理論分析、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的綜合研究手段，系統(tǒng)地研究了裂隙巖體滲流耦合相互作用的機理，及其對邊坡工程、大壩工程、輸水隧道工程安全穩(wěn)定性的影響；分析了裂隙結(jié)構的分形及對力學特性的影響；總結(jié)了復雜巖體裂隙的非規(guī)則水力學特性及其滲流分形效應；探討了裂隙網(wǎng)絡的隨機滲流規(guī)律、巖體滲流損傷作用的力學規(guī)律；運用有效應力原理，建立了裂隙巖體滲流耦合本構模型，并借助于數(shù)值模擬計算，分析了三峽工程永久船閘開挖及高邊坡的安全穩(wěn)定性。根據(jù)水電工程中滲流風險的特點和分布規(guī)律，提出了滲流耦合作用危險點的分析方法、滲流風險的評估程序和識別方法，并通過應用實例對滲流風險識別和水電工程安全評價進行了總結(jié)。    本書可供地質(zhì)、能源、冶金、水利水電、土木、鐵道交通、國防等部門從事工程建設有關的生產(chǎn)、科研人員參考，亦可作為大專院校地質(zhì)工程、土木工程、工程管理等專業(yè)師生的教學參考書。

書籍目錄

第1章　緒論  1.1　研究現(xiàn)狀及文獻綜述  1.2　研究內(nèi)容  1.3　研究思路及研究方法第一篇　巖體裂隙結(jié)構及滲流作用　第2章　巖體裂隙結(jié)構的分形特性研究　  2.1　分形理論概述　  2.2　巖體裂隙結(jié)構分形模型的建立　  2.3　工程應用實例　  2.4　分析與討論　第3章　巖體裂隙非規(guī)則幾何水力學特性研究　  3.1　單裂隙滲流試驗分析　  3.2　不規(guī)則裂隙面的理想滲流模型　  3.3　試驗結(jié)果與理想模型的比較　  3.4　巖體裂隙滲流分形效應　  3.5　分析與討論 　第4章　巖體裂隙滲流地質(zhì)力學模型　  4.1　巖體裂隙的水力學特征　  4.2　裂隙滲流地質(zhì)力學模型　  4.3　裂隙巖體的幾何水力學效應　  4.4　工程應用實例　第5章　裂隙網(wǎng)絡系統(tǒng)滲流控制模型　  5.1　裂隙隨機場理論的數(shù)學關系　  5.2　等效介質(zhì)滲流場的隨機分析　  5.3　裂隙網(wǎng)絡隨機滲流模型　  5.4　裂隙網(wǎng)絡滲流的分形模擬　  5.5　分析與討論　第6章　滲流對裂隙巖體損傷斷裂作用的力學分析　  6.1　巖體遇水后的強度和變形特征    6.2　滲流作用下的損傷力學分析    6.3　裂隙滲透張量隨巖體損傷斷裂的演化    6.4　工程應用實例    6.5　結(jié)果與討論第二篇　巖體滲流耦合分析　第7章　可變形裂隙巖體滲流應力耦合模型    7.1　滲流應力耦合作用的物理力學機制    7.2　裂隙巖體滲流耦合力學模型的建立    7.3　裂隙巖體滲透參數(shù)的確定    7.4　巖體裂隙變形剛度的處理    7.5　裂隙巖體滲流變形本構關系    7.6　分析與討論　第8章　三峽船閘高邊坡裂隙巖體滲流耦合場的數(shù)值模擬    8.1　地質(zhì)建模    8.2　數(shù)值模型程序設計思路    8.3　數(shù)值模擬的實施及邊界條件的處理    8.4　計算結(jié)果分析    8.5　分析與討論　第9章　三峽船閘高邊坡裂隙巖體的滲流損傷耦合分析    9.1　三峽船閘裂隙巖體的滲流特征    9.2　滲流損傷耦合場數(shù)學模型    9.3　數(shù)值模擬的實施    9.4　計算結(jié)果與分析　第10章　三峽船閘高邊坡巖體滲流耦合相互作用下的滑動模型分析    10.1　邊坡巖體的可能破壞機制    10.2　坡幫卸荷帶可能滑動分析模型    10.3　分析計算原理    10.4　潛在滑動面穩(wěn)定系數(shù)的計算分析    10.5　分析與討論第三篇　滲流安全風險分析　第11章　巖體滲流耦合安全風險分析方法　  11.1　風險定義及分類　  11.2　巖體滲流安全風險識別　  11.3　巖體滲流安全風險評價　　……　第12章　水電工程中的滲流安全問題　第13章　滲流安全風險評價實例　第14章　庫岸邊坡巖體滲透變形的預測報方法　第15章　結(jié)論參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：5.經(jīng)驗數(shù)據(jù)法經(jīng)驗數(shù)據(jù)法也稱為統(tǒng)計資料法，即根據(jù)與風險有關的統(tǒng)計資料來識別擬建建設工程的巖體滲流耦合作用風險。不同的風險管理主體都應有自己關于建設工程風險的經(jīng)驗數(shù)據(jù)或統(tǒng)計資料。在水電工程建設領域，可能有巖體滲流耦合作用風險經(jīng)驗數(shù)據(jù)或統(tǒng)計資料的風險管理主體，包括咨詢公司（含設計單位）、承包商以及長期有工程項目的業(yè)主（如電力投資人）。由于這些不同的風險管理主體的角度不同、數(shù)據(jù)或資料來源不同，其各自的初始風險清單一般多少有些差異。但是，建設工程風險本身是客觀事實，有客觀的規(guī)律性，當經(jīng)驗數(shù)據(jù)或統(tǒng)計資料足夠多時，這種差異性就會大大減小。何況，風險識別只是對建設工程風險的初步認識，還是一種定性分析，因此，這種基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)或統(tǒng)計資料的初始風險清單可以滿足對建設工程中巖體滲流耦合作用風險識別的需要。例如，根據(jù)水電建設工程的經(jīng)驗數(shù)據(jù)或統(tǒng)計資料可以得知，減少投資風險的關鍵在設計階段，尤其是初步設計以前的階段，因此，方案設計和初步設計階段的投資風險應當作為重點進行詳細的風險分析；設計階段和施工階段的質(zhì)量風險最大，需要對這兩個階段的質(zhì)量風險作進一步的分析；施工階段存在較大的進度風險，需要作重點分析。由于施工活動是由一個個分部分項工程按一定的邏輯關系組織實施的，因此，進一步分析各分部分項工程對施工進度或工期的影響，更有利于風險管理人員識別建設工程進度風險。圖11-4是某風險管理主體根據(jù)房屋建筑工程各主要分部分項工程對工期影響的統(tǒng)計資料繪制的。

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