大壩在世界各國(guó)防洪、灌溉、供水、發(fā)電、航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖及旅游等許多方面發(fā)揮了巨大的效益，展望未來，水資源問題將成為全球環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”，而大壩作為重要的水利工程仍將扮演著有效及合理利用全球有限水資源的關(guān)鍵角色。

修建大壩，攔水造庫(kù)，這是人類征服自然和改造自然，使其為人類造福的一個(gè)重大措施。建壩后，大壩周邊自然環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境發(fā)生劇烈變化，在庫(kù)水壓力作用下可導(dǎo)致壩基滲漏，危及大壩安全。壩基帷幕體的修建正是為了對(duì)大壩基礎(chǔ)進(jìn)行加固和防滲。但是，由于長(zhǎng)期遭受高壓滲流、溶蝕等，造成水與巖石、水與帷幕體相互作用長(zhǎng)期存在，可造成壩基揚(yáng)壓力升高、滲流量增加等問題，從而造成壩基帷幕防滲作用衰減以致失效。因此正確分析評(píng)價(jià)防滲帷幕的完好程度，及其防滲耐久性，可望為大壩是否正常運(yùn)行的判定提供重要的依據(jù)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從壩基地下水宏觀動(dòng)態(tài)和微觀動(dòng)態(tài)入手進(jìn)行研究，分別從計(jì)算數(shù)學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和水－巖－帷幕體相互作用多場(chǎng)耦合等多方面定性及定量揭示了壩基帷幕體防滲性能的衰減規(guī)律，形成了較完整的評(píng)價(jià)壩基帷幕體防滲效果的方法體系。壩基地下水宏觀動(dòng)態(tài)上，采用軍事上的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，分別按照具體的條件，進(jìn)行分類融合評(píng)判，揭示了壩基帷幕體的防滲效果的衰減程度；壩基地下水微觀動(dòng)態(tài)上，采用了改進(jìn)的牛頓公式進(jìn)行迭代計(jì)算，提高了運(yùn)算速度和精度，應(yīng)用改進(jìn)后的模型能更真實(shí)地反映區(qū)內(nèi)水溶液與相關(guān)礦物之間的反應(yīng)狀態(tài)；根據(jù)多場(chǎng)耦合作用的基本理論，建立了壩基水－巖－帷幕體相互作用多場(chǎng)耦合模型，并采用有限元方法求解。模擬結(jié)果表明，壩基帷幕體不同部位、不同時(shí)刻具有不同的液－固相間因地球化學(xué)反應(yīng)引起的鈣離子的遷移量，揭示了帷幕體的弱化趨勢(shì)和衰減的過程。

本書共6章，第一章“緒論”，介紹了大壩帷幕體的定義和幾種形式，分析了國(guó)內(nèi)外針對(duì)帷幕體的防滲性和耐久性的研究現(xiàn)狀及存在的問題，介紹了研究的路線、思路和方法，并據(jù)此提出了本書的主要研究?jī)?nèi)容。第二章“大壩帷幕體的基本特征以及防滲性能的影響因素”，主要從理論和實(shí)踐方面論述了壩基帷幕體材料特征、幾何形態(tài)以及影響帷幕體防滲效果的若干因素。從理論方面論述了形成帷幕體的結(jié)構(gòu)類型及其材料形成的特點(diǎn)；從實(shí)踐方面將帷幕體分為封閉式帷幕和懸掛式帷幕；從帷幕的形成方式分為主帷幕和副帷幕；依據(jù)帷幕灌漿排數(shù)的不同，將其分為單排孔直線式、雙排孔形式、三排孔形式和其他布孔形式。第三章“基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的理論與方法評(píng)價(jià)帷幕體防滲性能”，介紹了本章針對(duì)不同情況，采用不同的方法融合同類同步和異類同步數(shù)據(jù)。對(duì)于同類同步多傳感器數(shù)據(jù)，依據(jù)估值理論的最小誤差均方差準(zhǔn)則多傳感器融合方法；對(duì)于異類同步多傳感器數(shù)據(jù)采用基于Bayes理論的融合技術(shù)，以揭示壩基帷幕體的防滲效果。通過實(shí)例分析得知，壩基帷幕體的防滲性能具有階段性衰減及不可逆的特征，即呈現(xiàn)一種“陡變－緩變－陡變……”的反復(fù)趨勢(shì)。第四章“基于化學(xué)熱力學(xué)理論與方法評(píng)價(jià)帷幕體防滲性能”，介紹了利用化學(xué)熱力學(xué)方法評(píng)價(jià)帷幕體的防滲效果，其本質(zhì)就是研究壩基地下水與帷幕體之間的作用，而溶解－沉淀作用則是液－固兩相間發(fā)生的最為普遍的地球化學(xué)作用。第五章“反映帷幕體防滲時(shí)效的多場(chǎng)耦合作用模擬”，建立的壩基水－巖－帷幕體相互作用多場(chǎng)耦合模型，以數(shù)學(xué)的語言刻畫滲水在壩基固相中的滲流過程、水溶組分的遷移過程以及帷幕體與滲流之間的相互作用過程，采用有限元求解方法，比較真實(shí)地描述了壩基帷幕體的物理－化學(xué)特性隨時(shí)間的變化過程，模擬結(jié)果反映壩基和帷幕體不同部位、不同時(shí)刻水－巖－帷幕體間地球化學(xué)反應(yīng)引起的質(zhì)量交換量，進(jìn)而揭示了帷幕體防滲性能的弱化趨勢(shì)和衰減的過程。第六章“研究總結(jié)與展望”，對(duì)本書研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)歸納，并對(duì)帷幕體防滲耐久性分析理論及仿真分析方面提出了展望。

本書部分內(nèi)容是在筆者博士論文和近年來對(duì)大壩防滲結(jié)構(gòu)性能變化等研究成果的基礎(chǔ)上凝練而成，相關(guān)資料的收集、整理得到了華北水利水電大學(xué)、中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司及河海大學(xué)等單位老師、同仁的大力支持與幫助。另外，部分理論也參考和借鑒了國(guó)內(nèi)外相關(guān)論著、論文的觀點(diǎn)。筆者在此表示感謝。本書的出版得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51279064，31360204，51509091），河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15B570001），河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（14IRTSTHN028）和河南省高校科技創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（14HASTIT047）等項(xiàng)目的資助。

壩基帷幕體防滲耐久性的研究是一個(gè)涉及多因素影響且相對(duì)復(fù)雜的問題，目前仍有許多問題有待研究，由于作者水平有限，錯(cuò)誤和不足之處懇請(qǐng)專家和讀者不吝批評(píng)指正。

作 者

2015年6月

第一章 緒論 1
1.1 問題的提出 1
1.2 研究意義 2
1.3 研究現(xiàn)狀與趨勢(shì) 4
1.4 研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵問題 12
1.4.1 研究?jī)?nèi)容 12
1.4.2 關(guān)鍵問題 14
1.5 研究的技術(shù)路線 14
第二章 大壩帷幕體的基本特征以及防滲性能的影響因素 17
2.1 帷幕體的材料特征 17
2.2 研究現(xiàn)狀 21
2.2.1 滲透性 21
2.2.2 溶蝕性 23
2.3 混凝土滲透與溶蝕研究存在問題 26
2.4 帷幕體的幾何特征 27
2.5 影響帷幕體防滲性能的若干因素 32
2.5.1 地質(zhì)因素 32
2.5.2 水化學(xué)侵蝕因素 32
2.5.3 其他因素 34
2.6 本章小結(jié) 35
第三章 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的理論與方法評(píng)價(jià)帷幕體防滲性能 36
3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本理論 36
3.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本結(jié)構(gòu) 38
3.3 同類同步多傳感器數(shù)據(jù)融合方法評(píng)價(jià)帷幕體防滲性能 41
3.3.1 基于估值理論的最小誤差均方差準(zhǔn)則的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法 41
3.3.2 工程實(shí)例應(yīng)用 43
3.4 異類同步多傳感器數(shù)據(jù)融合方法評(píng)價(jià)帷幕體防滲性能 49
3.4.1 基于Bayes理論的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法 49
3.4.2 工程實(shí)例應(yīng)用 51
3.5 本章小結(jié) 57
第四章 基于化學(xué)熱力學(xué)理論與方法評(píng)價(jià)帷幕體防滲性能 58
4.1 化學(xué)熱力學(xué)的基本理論 58
4.1.1 體系與環(huán)境 58
4.1.2 化學(xué)位和自由能 59
4.1.3 化學(xué)平衡和質(zhì)量作用、質(zhì)量守恒定律 60
4.1.4 飽和指數(shù) 60
4.2 傳統(tǒng)的飽和指數(shù)模型及其不足 62
4.3 飽和指數(shù)模型及其求解方法的改進(jìn) 66
4.3.1 活度系數(shù)計(jì)算公式的擴(kuò)展 66
4.3.2 迭代過程控制閾值的選擇 67
4.3.3 絡(luò)合物種類的擴(kuò)充 68
4.3.4 模型算法的改進(jìn) 69
4.4 模型應(yīng)用實(shí)例 72
4.4.1 工程概況 72
4.4.2 壩基地下水質(zhì)特征 74
4.4.3 模型計(jì)算結(jié)果及分析 74
4.5 本章小結(jié) 78
第五章 反映帷幕體防滲時(shí)效的多場(chǎng)耦合作用模擬 80
5.1 水－巖－帷幕體相互作用多場(chǎng)耦合作用的基本理論 80
5.2 多場(chǎng)耦合模型的建立及其求解方法 88
5.2.1 模型假設(shè) 89
5.2.2 基本模型 89
5.2.3 求解方法 94
5.3 基于化學(xué)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)混合式的水文地質(zhì)參數(shù)反演 102
5.4 模型應(yīng)用 106
5.4.1 工程概況 106
5.4.2 水文地質(zhì)參數(shù)的確定 109
5.4.3 模型計(jì)算 111
5.4.4 模擬結(jié)果分析及討論 120
5.5 本章小結(jié) 124
第六章 研究總結(jié)與展望 125
參考文獻(xiàn) 128

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