大坝基础帷幕体防渗效果及其时效性研究

大坝在世界各国防洪、灌溉、供水、发电、航运、水产养殖及旅游等许多方面发挥了巨大的效益，展望未来，水资源问题将成为全球环境与经济发展的“瓶颈”，而大坝作为重要的水利工程仍将扮演着有效及合理利用全球有限水资源的关键角色。

修建大坝，拦水造库，这是人类征服自然和改造自然，使其为人类造福的一个重大措施。建坝后，大坝周边自然环境及地质环境发生剧烈变化，在库水压力作用下可导致坝基渗漏，危及大坝安全。坝基帷幕体的修建正是为了对大坝基础进行加固和防渗。但是，由于长期遭受高压渗流、溶蚀等，造成水与岩石、水与帷幕体相互作用长期存在，可造成坝基扬压力升高、渗流量增加等问题，从而造成坝基帷幕防渗作用衰减以致失效。因此正确分析评价防渗帷幕的完好程度，及其防渗耐久性，可望为大坝是否正常运行的判定提供重要的依据。

本文在前人研究的基础上，从坝基地下水宏观动态和微观动态入手进行研究，分别从计算数学、化学热力学、化学动力学和水－岩－帷幕体相互作用多场耦合等多方面定性及定量揭示了坝基帷幕体防渗性能的衰减规律，形成了较完整的评价坝基帷幕体防渗效果的方法体系。坝基地下水宏观动态上，采用军事上的多传感器数据融合方法，分别按照具体的条件，进行分类融合评判，揭示了坝基帷幕体的防渗效果的衰减程度；坝基地下水微观动态上，采用了改进的牛顿公式进行迭代计算，提高了运算速度和精度，应用改进后的模型能更真实地反映区内水溶液与相关矿物之间的反应状态；根据多场耦合作用的基本理论，建立了坝基水－岩－帷幕体相互作用多场耦合模型，并采用有限元方法求解。模拟结果表明，坝基帷幕体不同部位、不同时刻具有不同的液－固相间因地球化学反应引起的钙离子的迁移量，揭示了帷幕体的弱化趋势和衰减的过程。

本书共6章，第一章“绪论”，介绍了大坝帷幕体的定义和几种形式，分析了国内外针对帷幕体的防渗性和耐久性的研究现状及存在的问题，介绍了研究的路线、思路和方法，并据此提出了本书的主要研究内容。第二章“大坝帷幕体的基本特征以及防渗性能的影响因素”，主要从理论和实践方面论述了坝基帷幕体材料特征、几何形态以及影响帷幕体防渗效果的若干因素。从理论方面论述了形成帷幕体的结构类型及其材料形成的特点；从实践方面将帷幕体分为封闭式帷幕和悬挂式帷幕；从帷幕的形成方式分为主帷幕和副帷幕；依据帷幕灌浆排数的不同，将其分为单排孔直线式、双排孔形式、三排孔形式和其他布孔形式。第三章“基于多传感器数据融合的理论与方法评价帷幕体防渗性能”，介绍了本章针对不同情况，采用不同的方法融合同类同步和异类同步数据。对于同类同步多传感器数据，依据估值理论的最小误差均方差准则多传感器融合方法；对于异类同步多传感器数据采用基于Bayes理论的融合技术，以揭示坝基帷幕体的防渗效果。通过实例分析得知，坝基帷幕体的防渗性能具有阶段性衰减及不可逆的特征，即呈现一种“陡变－缓变－陡变……”的反复趋势。第四章“基于化学热力学理论与方法评价帷幕体防渗性能”，介绍了利用化学热力学方法评价帷幕体的防渗效果，其本质就是研究坝基地下水与帷幕体之间的作用，而溶解－沉淀作用则是液－固两相间发生的最为普遍的地球化学作用。第五章“反映帷幕体防渗时效的多场耦合作用模拟”，建立的坝基水－岩－帷幕体相互作用多场耦合模型，以数学的语言刻画渗水在坝基固相中的渗流过程、水溶组分的迁移过程以及帷幕体与渗流之间的相互作用过程，采用有限元求解方法，比较真实地描述了坝基帷幕体的物理－化学特性随时间的变化过程，模拟结果反映坝基和帷幕体不同部位、不同时刻水－岩－帷幕体间地球化学反应引起的质量交换量，进而揭示了帷幕体防渗性能的弱化趋势和衰减的过程。第六章“研究总结与展望”，对本书研究内容进行了总结归纳，并对帷幕体防渗耐久性分析理论及仿真分析方面提出了展望。

本书部分内容是在笔者博士论文和近年来对大坝防渗结构性能变化等研究成果的基础上凝练而成，相关资料的收集、整理得到了华北水利水电大学、中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司及河海大学等单位老师、同仁的大力支持与帮助。另外，部分理论也参考和借鉴了国内外相关论著、论文的观点。笔者在此表示感谢。本书的出版得到了国家自然科学基金项目（51279064，31360204，51509091），河南省高等学校重点科研项目（15B570001），河南省高校科技创新团队支持计划（14IRTSTHN028）和河南省高校科技创新人才支持计划（14HASTIT047）等项目的资助。

坝基帷幕体防渗耐久性的研究是一个涉及多因素影响且相对复杂的问题，目前仍有许多问题有待研究，由于作者水平有限，错误和不足之处恳请专家和读者不吝批评指正。

作 者

2015年6月

第一章 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.2 研究意义 2
1.3 研究现状与趋势 4
1.4 研究内容及关键问题 12
1.4.1 研究内容 12
1.4.2 关键问题 14
1.5 研究的技术路线 14
第二章 大坝帷幕体的基本特征以及防渗性能的影响因素 17
2.1 帷幕体的材料特征 17
2.2 研究现状 21
2.2.1 渗透性 21
2.2.2 溶蚀性 23
2.3 混凝土渗透与溶蚀研究存在问题 26
2.4 帷幕体的几何特征 27
2.5 影响帷幕体防渗性能的若干因素 32
2.5.1 地质因素 32
2.5.2 水化学侵蚀因素 32
2.5.3 其他因素 34
2.6 本章小结 35
第三章 基于多传感器数据融合的理论与方法评价帷幕体防渗性能 36
3.1 多传感器数据融合技术的基本理论 36
3.2 多传感器数据融合技术的基本结构 38
3.3 同类同步多传感器数据融合方法评价帷幕体防渗性能 41
3.3.1 基于估值理论的最小误差均方差准则的多传感器数据融合方法 41
3.3.2 工程实例应用 43
3.4 异类同步多传感器数据融合方法评价帷幕体防渗性能 49
3.4.1 基于Bayes理论的多传感器数据融合方法 49
3.4.2 工程实例应用 51
3.5 本章小结 57
第四章 基于化学热力学理论与方法评价帷幕体防渗性能 58
4.1 化学热力学的基本理论 58
4.1.1 体系与环境 58
4.1.2 化学位和自由能 59
4.1.3 化学平衡和质量作用、质量守恒定律 60
4.1.4 饱和指数 60
4.2 传统的饱和指数模型及其不足 62
4.3 饱和指数模型及其求解方法的改进 66
4.3.1 活度系数计算公式的扩展 66
4.3.2 迭代过程控制阈值的选择 67
4.3.3 络合物种类的扩充 68
4.3.4 模型算法的改进 69
4.4 模型应用实例 72
4.4.1 工程概况 72
4.4.2 坝基地下水质特征 74
4.4.3 模型计算结果及分析 74
4.5 本章小结 78
第五章 反映帷幕体防渗时效的多场耦合作用模拟 80
5.1 水－岩－帷幕体相互作用多场耦合作用的基本理论 80
5.2 多场耦合模型的建立及其求解方法 88
5.2.1 模型假设 89
5.2.2 基本模型 89
5.2.3 求解方法 94
5.3 基于化学热力学及动力学混合式的水文地质参数反演 102
5.4 模型应用 106
5.4.1 工程概况 106
5.4.2 水文地质参数的确定 109
5.4.3 模型计算 111
5.4.4 模拟结果分析及讨论 120
5.5 本章小结 124
第六章 研究总结与展望 125
参考文献 128

1. 输水管线工程风险管理 [张勇 党亥生 著]
2. 民用航空飞机标准线路施工 [主编　王志敏　陈明]
3. 不息的水脉—大运河讲谈录 [赵珩　著]
4. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
5. 三峡梯级电站水资源决策支持系统研究与开发 [姚华明 潘红忠 汤正]
6. 海南黎族民俗文化鉴赏 [庞国华　著]
7. 石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用 [李艳秀 庄华伟 著]
8. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
9. 办公自动化高级应用 [陈萍 朱晓玉]
10. 信息处理技术员考试32小时通关 [薛大龙]
11. 电子产品设计案例教程（微课版）—基于嘉立创EDA（专业版） [王静 莫志宏 陈学昌 丁红]
12. C程序设计实践教程 [刘卫国]
13. C程序设计（慕课版） [刘卫国]
14. Web技术开发教程（基于.NET开源MVC框架） [王合闯 韩红玲 王青正 陈海蕊]
15. 商务英语翻译教程（笔译）（第四版） [主编 王军平]
16. 智慧零售技术与应用 [洪旭 著]
17. 建设工程法规实务 [主编 余滢]
18. 商务秘书理论与实务（第三版） [主编 张同钦]
19. 程序设计基础实践教程（C/C++语言版） [张桂芬 葛丽娜]
20. C++案例项目精讲 [主编 杨国兴]
21. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
22. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
23. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
24. 信息系统项目管理师章节习题与考点特训（第二版） [主编 薛大龙]
25. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
26. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
27. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
28. HCIA-Datacom认证题库分类精讲 [主 编 韩立刚]
29. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
30. 网络规划设计师备考一本通 [夏杰 编著]