水利水电工程渗流多层次控制理论与应用

.报告人：王锦国河海大学地球科学与工程学院2012.9.24中国水力发电工程学会地质及勘探专业委员会中国水利电力物探科技信息网2012年会多层次渗流控制体系研究背景321工程应用4多层次渗流控制理论与技术地下洞室堤防工程高坝大库调水工程我国已建水库8.7万座，病险水库达3.7万座，50%以上属于渗透稳定问题国内外土石坝事故的40%以上、国内外52座拱坝安全事故中的15.4%与渗流作用有关98’特大洪水期间，长江堤防险情，60～70%与管涌有关90%以上的滑坡与渗流作用有关失事前11:3012:00失事后美国Teton土坝因渗透破坏导致溃决1963.10.9意大利瓦依昂高拱坝工程规模巨大地质条件复杂运行环境恶劣多层次渗流控制体系研究背景321工程应用4多层次渗流控制理论与技术结构层次系统优化材料层次勘测规划设计施工运行管理工程层次多层次、全过程、系统优化渗流控制存在理论和技术难题多层次渗流控制体系研究背景321工程应用4多层次渗流控制理论与技术1、复杂岩土体渗透特性演化模型与测试技术2、水利水电工程渗流过程的精细模拟方法与技术3、水利水电工程渗流多层次控制理论与技术1.1岩体渗透特性的多尺度效应与演化特征1.2岩土体渗透性测试技术1.3裂隙岩体渗透特性的反演方法2.1非稳定渗流分析的Signorini型抛物变分不等式方法2.2复杂渗控结构的精细化模拟技术3.1水利水电工程渗流控制全过程优化理论3.2基于水文地质结构的渗控系统综合优化1、复杂岩土体渗透特性演化模型与测试技术岩土体渗透性多尺度效应裂隙岩体渗透张量演化模型岩土体渗透参数测试新技术裂隙岩体渗透张量反演技术1.1岩体渗透特性的多尺度效应与演化特征裂隙岩体多尺度性各向异性岩块尺度结构面尺度岩体尺度1.1岩体渗透特性的多尺度效应与演化特征岩块尺度建立了岩块渗透率演化的增量Kozeny-Carman模型应变应力渗透率1.1岩体渗透特性的多尺度效应与演化特征岩块尺度建立了岩块渗透率演化的增量Kozeny-Carman模型裂隙尺度建立了岩体结构面渗透性演化解析模型剪位移剪应力渗透率1.1岩体渗透特性的多尺度效应与演化特征岩块尺度建立了岩块渗透率演化的增量Kozeny-Carman模型裂隙尺度建立了岩体结构面渗透性演化解析模型300(1)()ffzfffffskbKδnnxyz岩体尺寸主渗透率岩体尺度建立了考虑峰后力学特性的岩体渗透张量演化模型1.2岩土体渗透性测试技术气压激振水流振荡波渗流运动自主研发的测试装置研发了基于水流振荡波理论的岩土体介质渗透性快速测试技术技术创新装置名称PneumaticSlugTesting振荡试验快速测试装置生产国家美国中国型号GW1600HSZK-V3.0研发机构Univ.ofConnecticut河海大学能否测试各向异性渗透张量否是美国1995年颁布的国家标准1.2岩土体渗透性测试的技术气压激振水流振荡波渗流运动周期短、成本低无污染、高效灵活1.2岩土体渗透性测试新技术钻孔压水岩体分期开挖＋＋＋变形监测渗透性反演直接利用现行试验规程客观反映现场应力路径消除室内试验尺寸效应掌子面开挖步骤岩体渗透性分期开挖分段压水变形监测baba1.3裂隙岩体渗透特性反演方法BruPKKKMQs/,43321221)()(,)(2),W(u/,MrnBrnnBruWRdlMBruPMZnMdnMlnnRncossinsin1岩体三维井流问题解析法基于解析解的渗透系数张量反演889192938061669008050100mN抽水井观测井抽(注)水试验333231232221131211KKKKKKKKKK配线优化反演渗透张量提出1.3裂隙岩体渗透特性的反演方法jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjnjejK22222221cos1cossinsincossincoscossinsinsinsin1sincossincossincoscossinsinsincos1K倾向β倾角γKej计算目标函数开始建立研究区地下水渗流场数学模型输入待反演参数NTnMknoknckkniejtHtHKE112))()((根据流量或压水试验资料确定渗透张量绝对值是否符合误差要求结束是否基于结构面控制的渗透张量数值反演方法反演当量渗透系数Kej岩体结构面统计特征1.3裂隙岩体渗透特性反演方法研究成果被《水电水利工程钻孔抽水试验规程(DL/T5213-2005)》采用，编入《水力发电工程地质手册》(ISBN978-7-5084-9219-3)，并在溪洛渡、锦屏、瀑布沟、龙滩、糯扎渡等水电工程中得到广泛应用2、水利水电工程渗流过程的精细模拟方法与技术水利水电工程渗流过程降雨与泄洪雾化雨水位循环涨落固水气多相渗流复杂渗流控制结构多相流防渗排水系统库水涨落泄洪雾化2.1非稳定渗流分析的Signorini型抛物变分不等式方法(,)(,)()0ajt(,)1dgnHtt0,[]dakv3()()()d()()dqfjtnvne水位涨落与骤变强非线性边界条件提出了非稳定渗流分析的Signorini型抛物变分不等式解法从理论上解决了非稳定渗流溢出点的奇异性问题Signorini型互补边界奇异点2.1非稳定渗流分析的Signorini型抛物变分不等式方法2006/09/262007/01/042007/04/142007/07/232007/10/312008/02/082008/05/1801020304050P01-1-4P01-1-3P01-1-2Solidsymbols:measuredHollowsymbols:computed254.8mon2006/11/08205.8mon2006/10/192007/02/21InitialimpoundingofreservoirDissipationofporewaterpressureReservoirwaterlevelTime(yyyy/mm/dd)Porewaterpressurehead(m)P01-1-1080160240320400Reservoirwaterlevel(m)0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.20.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0干湿区分界线稳定渗流自由面无排水溢出区无排水有排水`t=0605101520304060t=052010154030201510Drainagetunnelst380m面板帷幕排水孔排水廊道地下厂房08/5/1107/11/2507/8/1907/5/2706/10/807/2/407/4/5稳定时的自由面面板q1q2解决了水利水电工程非稳定渗流过程的准确模拟问题室内试验验证工程实践验证2.2复杂渗控结构的精细化模拟技术1ooookk''Kqmo1mmomooooKKKKK')(imim1mmomookkkk'KqKKqq12121221if()if()0ifzzHzzzz排水孔幕的边界特性给出了复杂渗流状态下复杂排水结构边界条件的Signorini型统一互补形式提出了大型排水孔幕精细化模拟的子结构-变分不等式-自适应罚函数（SVA）技术典型坝段排水孔幕防渗帷幕大型排水系统2.2复杂渗控结构的精细化模拟技术北盘江光照碾压混凝土重力坝渗控优化解决了大型排水孔幕渗控效应定量评价难题清江水布垭厂坝区渗控效果跟踪反馈雅砻江锦屏二级引水隧洞涌水预测3、水利水电工程渗流多层次控制理论与技术渗流控制全过程优化方法宽级配料反滤设计方法堤防减压井新型结构库坝防渗排水系统优化3.1水利水电工程渗流控制全过程优化理论防渗系统排水系统阻水构造提出了基于多相流模型的渗流控制全过程优化理论反滤系统rwvkgk0ww0(,,,)(,,)(in)ttpxyztpxyzwwp(,,,)(onΓ)pxyztpnwq(,,,)(onΓ)qxyztqvn控制方程初始条件边界条件改变岩土体的渗透特性、临界水力坡降等介质特性实现对渗流场的控制机制，为介质特性控制J=Jcr渗流控制系统渗流控制优化理论3.1水利水电工程渗流控制全过程优化理论防渗系统排水系统反滤系统介质特性控制边界条件控制初始状态控制多场耦合控制rwvkgk0ww0(,,,)(,,)(in)ttpxyztpxyzwwp(,,,)(onΓ)pxyztpnwq(,,,)(onΓ)qxyztqvn控制方程初始条件边界条件排水孔、洞、井、廊道等各种排水渗控措施和库水涨落速率控制属于边界条件控制渗流控制系统渗流控制优化理论3.1水利水电工程渗流控制全过程优化理论防渗系统排水系统反滤系统rwvkgk0ww0(,,,)(,,)(in)ttpxyztpxyzwwp(,,,)(onΓ)pxyztpnwq(,,,)(onΓ)qxyztqvn控制方程初始条件边界条件在工程实施前对地下水抽排或初始含水量控制实现一定时期内渗流场的控制，为初始状态控制渗流控制系统3.1水利水电工程渗流控制全过程优化理论防渗系统排水系统反滤系统渗流控制优化理论防渗系统排水系统反滤系统渗流控制系统rwvkgk0ww0(,,,)(,,)(in)ttpxyztpxyzwwp(,,,)(onΓ)pxyztpnwq(,,,)(onΓ)qxyztqvn控制方程初始条件边界条件通过对应力-应变过程的激励和抑制实现对渗流场的控制，为多场耦合控制3.1水利水电工程渗流控制全过程优化理论渗流控制优化理论3.2基于水文地质结构的渗控系统综合优化工程层次渗流控制工程渗流控制总体布局与优化(考虑区域水文地质结构及水动力条件影响)结构层次渗流控制局部渗透结构的渗流场控制(如排水孔、排水井、排水洞、防渗帷幕)渗透性及渗透稳定性控制(如灌浆处理、垫层、过渡层、反滤层)材料层次渗流控制工程防渗帷幕、排水孔幕天然阻水结构、导水结构多层次渗流控制体系研究背景321工程应用4多层次渗流控制理论与技术水布垭永久船闸瀑布沟隔河岩长江干堤紫坪铺龙滩水布垭永久船闸瀑布沟隔河岩长江干堤紫平铺龙滩大坝：溪洛渡、水布垭、瀑布沟、紫坪铺、观音岩、白鹤滩、隔河岩、糯扎渡、光照、龙滩、惠蓄、…洞室：锦屏二级、水布垭、两河口…边坡：锦屏一级、大岗山、向家坝、三峡永船、龙滩…研究成果在20多个大型水利水电工程中的大坝、堤防、坝基、洞室、边坡渗流分析与控制中得到