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1、主要方法：第一章绪论1. 1 研究的目的及意义水或其它流体在岩土等孔隙或裂隙介质中的流动，可以统称为渗流，其流动性质决定于作为渗流骨架的岩上体性质与其中流体的性质【。与其他建筑物不同，水工建筑物一般建立在河床之上，水工建筑要安全、经济的运行，除了要考虑地基变形和稳定性之外，还要特别考虑水的渗流问题;尤其是坝堤和基坑，渗流问题是工程设计、施工及运行管理中的重要问题，所以重视由渗流引起的稳定和安全问题，是十分必要的。土中水和渗流对土体的性质有重要影响z。土中水可改变土体的物理、工程和化学性质;渗流可改变土体的孔隙水压力或吸力，进而改变有效应力，又进一步影响土体的强度和变形;渗流产生渗透力或超孔隙水
2、压力，可影响土坡稳定，也可引发土的管涌、流上等渗透破坏;降雨入渗可使土体基质吸力减小或消失，土坡可能失稳。在水利水电工程中，渗流会引起许多严重的工程问题。据美国的调查统计，在美国破坏的 206 座土坝中有 39%是渗流引起。著名的弟顿(Tedon) 坝，1976年由于渗透破坏而引起溃坝，总损失达 2.5 亿美元。根据我国水利水电部 1981年调查统计资料表明，全国 241 座大型水库先后发生过 1000 多宗工程事故，由于渗流产生渗漏管涌事故占 31.9%。在 2 391 座水库溃坝事故中，渗透破坏占29%3。我国青海的沟后混凝土面板卵石坝 1993 年 8 月因渗流而溃坝，死亡 300余人4
3、 0 1998 年长江大水，堤防出现险情 5000 余处，其中 60-70%是由于管涌等渗透变形引起的s 。据世界其它国家统计，日本为 44，瑞典为 40(统计失事坝 119 座)，西班牙为 40%(统计失事坝 117 座)3 。另外，涵闸、岩土边坡和深基坑的很多事故主要是由于水土压力变化和渗透变形。同时，在采矿、石油、环境甚至生物等领域，渗流成为一个突出问题，迫切需要深入进行研究60渗流计算的目的在于求解渗流场内的渗流量、水头、压力、坡降等水利因素，进行渗透稳定性分析，选择合理的防渗、排渗设计方案或加固补强方案，有效的控制渗流。渗流量的大小对一般工程而言或许是一个次要问题，但对于水工建筑来说
4、，渗流量的大小就可能成为坝型、基坑及防渗、排渗方案选择的决定性因素。渗流控制的目的是将渗流速度控制在许可的范围内，过大的渗流量极易使渗流速度在局部地区达到产生危险集中冲刷的程度，从而产生冲刷破坏。对于排水措施的设计和运用，渗流量的大小还直接影响排水体断面的设计以及排水效果的分析。浸润线位置是校核坝坡稳定的必需材料。如果把深浸润线过高，以及在下游坝坡出渗，会危害下游坝坡的稳定安全。对于正在运行的坝，浸润线的计算值可用来与观测数据比较，分析渗流条件的变化和防渗结构物的运行情况。坝体和地基各个部位的渗流坡降，应小于相应部位上体的允许值，否则将发生渗透变形破坏。需要特别注意渗流进入下游排水设施的出口部
5、位，以及在坝体和地基内部渗流绕过或穿过弱透水体进入强透水体的内部出口部位，渗流破坏常常是在出口处率先发生进而向土体的深层发展 Ul0目前，对水工工程进行渗流场的分析和应力场的分析大多是分开的，分析渗流场时不考虑岩土体应力一应变的关系和应力状态对渗流场的影响;分析应力场时，根据渗流场分析结果，不同区域岩十体赋予不同的容重进行稳定性及应力场的分析fl。尽管这种方法简单易行且己积累了一定的工程经验，但是没有真实客观地反映应力场与渗流场之间的相互影响、相互作用，即没有考虑二者之间的祸合作用。实际上，二者之间存在藕合作用，一方面渗流场的改变会引起渗透压力的变化，使作用在岩土体上的荷载发生变化，从而引起应
6、力场的重新分部;另一方面，应力场的变化会引起岩土体体积的变化，从而改变其孔隙率、渗透系数，最终导致渗流场的变化。二者的藕合作用，最终两场达到动态平衡。因而，渗流场与应力场的祸合分析计算具有重要的理论及工程意义。基坑工程是地基基础和地下工程施工中的一个古老而传统的课题。放坡开挖和简易木桩维护可以追朔到远古时代。人类的土木工程活动促进了基坑工程的发展，特别是随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，基坑工程得到了很大的发展。基坑工程又是一个人实践性很强的岩土工程，迫切需要理论来指导、充实和完善。关于基坑的稳定性、支护结构的内力和变形以及周围地层的位移对周围建筑物和地下管线等的影响，目前尚不能
7、准确地得出定量的结果，但是，有关地基的稳定及变形的理论，对解决这类实际工程问题仍然具有非常重要的指导意义。基坑工程同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中的强度与稳定性问题，又包含了变形和渗流问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。因此，完善基坑工程的设计理论和施工技术等己成为建筑、市政、水利等行业地下工程建设中一个 G待解决的重要工程技术问题。1. 2 渗流问题的研究现状1. 2. 1 渗流研究现状自从 1865 年法国工程师 H. Darcy 通过垂直圆管中的沙土透水性渗流试验，建立了多孔介质渗流基本定律一达西定律，由此奠定了渗流分析理论的基础。杜布依(1863 年) 以达西定律
8、为基础，研究了单向和平面径向地下水流稳定运动。1889 年，H. E.儒可夫斯基推导出了渗流微分方程。 1922 年，H. E.巴蒲洛夫斯基提出了求解渗流场的电模拟法，为解决比较复杂的渗流问题提供了一个有效的工具。在 20 世纪渗流受到国际学术界和工程界的高度重视，己逐步发展成为具有自己理论、方法和应用范围的独立学科【1, 6, 8, 9, 10, l l0 在渗流理论的基础上，学者们对岩土体进行了渗流分析。渗流分析计算的方法很多，但归纳起来有两大类，即理论分析方法和试验方法川，见图 1.10在渗流理论研究方面，Buckley & Leverett (1942 年) 在忽略毛细管力的基础上给出
9、一维两相渗流方程的解1Z; Warren & Root (1963 年)提出双重介质渗流问题”;Closmann(1975 年)提出三重介质渗流模型l4;陈钟祥等15-17 ( 19g01982 年)、刘慈群等IS-ZZ (1981 1982， 1988 年)、吴望一等Z3 (1982 年)、郭尚平等24】(1990 年) 深入研究了双重与三重及多层介质渗流和复杂的物理化学渗流，取得了很大的进展;孔祥言 6 (1999 年)潜心研究了多孔介质对流等问题，取得了显著的成果。由于受渗流场边界条件的约束，一般情况下很难求出精确解。近年来随着计算机技术的发展和普及，渗流场的数值解法得到了飞速发展。O.
10、 C. Zienkiewicz2s第一次具体的将有限单元法用于稳定渗流的分析;W C. Desai26将有限单元法引入非稳定渗流。S. P. Neumanz7最早应用有限元法求解饱和与非饱和渗流问题，他采用 Galerkin 法对 Richards 方程进行空间域的离散，用 Crank-Nicolson 有限差分格式对时间域进行离散，在 1973 年提出了一维非饱和渗流的有限元法，以后又提出了解决二维饱和一非饱和渗流问题的有限元法za0Paoagiannakis 和 Fredlund29用 Galerkin 加权余量原理推导了二维稳定渗流的有限元形式;Miller 提出了非饱和介质的渗透系数是
11、含水量或水压力水头的函数，这种函数关系随多孔介质性质的变化而变化。在进行饱和一非饱和的有限元计算时，多孔介质的非饱和参数的确定存在一定的困难，Van Genuchten3o提出了一个土体非饱和参数的表达式，可以通过上体的非饱和特征曲线来确定，这种方法在实际的计算中应用比较广泛。 Lam 和 Fredlund31在 1984 年应用饱和一非饱和渗流分析程序 Trasee 对一些渗流问题进行了求解，对饱和一非饱和上体的渗流问题作了比较完整的论述，把非饱和土壤水运动理论与非饱和土固结理论相结合，得到了岩土工程师使用习惯的饱和一非饱和渗流控制方程。Fredlund 和 Hasan32- 37在假定气相
12、是连续的，Fick 定律和 Darcy 定律分别适用于气相和液相的流动，气相和液相的渗透系数都是土体基质吸力或体积、质量的函数，提出了求解非饱和土固结过程中的孔隙气压力、孔隙水压力的偏微分方程，用Galerkin 加权余量原理推导了二维稳定渗流的有限元形式。R. A. Freeze3g认为对大多数实际问题来讲，考虑液相流动的非饱和渗流的单相近似技术的计算结果与考虑气、液两相流动的非饱和渗流的计算结果之间的误差可以忽略;Forsyth39对地下水非饱和单相渗流与两相渗流模型分别进行了计算，通过对计算结果的对比研究，他认为采用两相流的分析方法与单相流的分析方法其计算结果存在一定的差别。近年来我国岩
13、土工程界的学者对渗流分析方法也作了大量的研究。汪自力、李莉40提出了坝堤饱和一非饱和有限元分析的高斯点法，该方法计算量较小，迭代的格式也比较简单。吴良骥、张培文、刘德富等41, 42对饱和一非饱和岩土非稳定渗流问题进行了有限元法的分析研究，结合工程实例对坝堤饱和一非饱和渗流进行了数值模拟。刘洁、毛褪熙43对饱和与非饱和渗流计算的有限单元法进行了推导，并建立数学模型。通过计算，比较了一般的饱和渗流和非饱和渗流两种模型的计算结果，并用模型试验进行验证。其结果表明，饱和一非饱和渗流计算方法具有不进行自由面调整等优点，在物理概念上更为清晰。吴梦喜、彭华等44-46对饱和一非饱和土体非稳定渗流作了数值分
14、析，对一般的非饱和渗流有限元计算方法加以改进，消除饱和一非饱和渗流计算中存在的数值弥散现象，提高了收敛速度;同时还提出一种逸出面处理新方法，并给出饱和一非饱和渗流问题的计算实例。朱岳明、龚道勇等47提出止维饱和一非饱和渗流场求解及其逸出面边界条件处理方法;金生48 味用饱和一非饱和渗流模型计算了坝堤自由面渗流;朱军49对饱和一非饱和渗流的有限元方法进行比较系统的分析和研究，提出了求解渗流量的一种简单方法。张华、陈善雄、陈守义50推导了考虑土骨架体变、气相流动的非饱和渗流一般性控制方程，同时并给出几种简化形式。朱京义、张彦51讨论了非饱和土中水和气两相不相容、不可压缩孔隙流体的流动定律，不同流体
15、间的相互作用以及反映土体孔隙持水特性的土水特征曲线等，推导出非饱和土两相流体藕合渗流的控制方程。邓英尔，刘慈群等52】基于三参数非线性流体运动定律、质量守恒定律以及椭圆渗流的概念，建立了低渗透介质中两相流体椭圆非线性渗流数学模型，运用有限差分法和外推法，导出两相流体椭圆非线性渗流条件下油井见水前后开发指标的计算公式，并进行实例分析。的非饱和渗流有限元计算方法加以改进，消除饱和一非饱和渗流计算中存在的数值弥散现象，提高了收敛速度;同时还提出一种逸出面处理新方法，并给出饱和一非饱和渗流问题的计算实例。朱岳明、龚道勇等47提出止维饱和一非饱和渗流场求解及其逸出面边界条件处理方法;金生48 味用饱和一
16、非饱和渗流模型计算了坝堤自由面渗流;朱军49对饱和一非饱和渗流的有限元方法进行比较系统的分析和研究，提出了求解渗流量的一种简单方法。张华、陈善雄、陈守义50推导了考虑土骨架体变、气相流动的非饱和渗流一般性控制方程，同时并给出几种简化形式。朱京义、张彦51讨论了非饱和土中水和气两相不相容、不可压缩孔隙流体的流动定律，不同流体间的相互作用以及反映土体孔隙持水特性的土水特征曲线等，推导出非饱和土两相流体藕合渗流的控制方程。邓英尔，刘慈群等52】基于三参数非线性流体运动定律、质量守恒定律以及椭圆渗流的概念，建立了低渗透介质中两相流体椭圆非线性渗流数学模型，运用有限差分法和外推法，导出两相流体椭圆非线性渗流条件下油井见水前后开发指标的计算公式，并进行实例分析。1.2.2 渗流祸合发展现状众所周知，岩土工程中存在多种作用，如水力学、力
