（岩土工程专业论文）坝基老化岩—水—化学作用数值模拟研究.pdf

摘要 大坝的老化是国内外许多大坝出现各类病态问题甚至发生事故的主要原 因之一，但从系统性和深度等方面大坝老化研究主要集中在上部混凝土及金属结 构的老化研究上，而由于坝基本身组成与结构以及所处环境的复杂性，缺少老化 过程的系统研究，尤其是定量研究相当薄弱，还不足于满足全面评价坝基长期稳 定性的需要。本文围绕数值化地模拟坝基老化过程这个主题进行了深入的研究， 其所做的主要工作如下： 1 通过国内外众多大坝出现的各类病态问题和事故的归纳，按照从问题 到本质、从现象到实质的思维方法，总结出了坝基老化的概念及其实质，从不 同角度强调了坝基老化研究的必要性和意义，阐述了坝基老化研究的现状、存 在的问题以及趋势，并以大坝修建后应力环境、水环境以及化学环境变化所引 起的物理机械作用和岩一水化学作用对坝基岩土体物理化学特性影响的时效性 为出发点提出了坝基老化研究的范围、目的和基本思路。 2 从水文地球化学的观点出发，对坝基老化的具体工程表现即所引起的各 类工程问题进行了详细的分类和论述；深入探讨了坝基老化的岩一水化学作用 过程及其影响因素；提出了坝基岩一水系中化学反应的平衡热力学和化学动力 学两神定式化方法，并讨论了它们各自的优点、局限性和应用平衡热力学定式 化方法所要满足的局部平衡条件；建立了坝基老化岩一水一化学作用数值模拟 方法体系，并详细阐明了其中反向模拟、正向模拟和岩一水一化学耦合模拟三 种方法的基本思想、原理、优点和局限性、适用条件和范围等。 3 按照从结果到原因的反向思维方式，利用随机误差最小原理、质量守恒 原理和电中性原理建立了反向坝基老化模型，利用l 1 优化问题的b 出拓一 r d 6 p m 算法对模型进行了求解，并将模型应用到新安江大坝右坝段坝基老化数 值模拟分析当中取得了满意的结果。 4 利用质量作用原理、质量守恒原理和电中性原理建立了正向坝基老化模 型，联合利用a 0 w f d h 盘叩 s 口n 法和b 口啪出k r 0 6 8 m 算法对模型进行了求解， 并通过模型在坝基帷幕老化的温度依赖性以及三峡大坝坝基老化数值模拟分析 中的成功应用验证了它的实用性和可靠性。 5 根据渗流、溶质迁移以及岩一水间地球化学反应三个过程在坝基老化中 的实际耦合模式，建立了坝基老化的岩一水一化学耦合模型，联合利用有限体 积差分法、线性方程组的迭代算法、w 幻 r 印加o n 法和肋肿出膪r d 6 e r 捃 对模型进行了求解，实现了从空间和时间上全面刻画坝基老化过程的目的，最 终将模型成功应用到某坝坝基老化的二维耦合模拟分析中取得了满意的成果。 关键词：坝基；老化；反向模拟；新安江大坝；正向模拟；三峡大坝；岩一水 化学耦台模拟 a b s t r a c t d a ma g e i n gi s0 九eo ft h em a i nc a u s e so fv ar 1 0 u sa b n o r m a lp r o b i e m sa n d e v e na c c i d e n t so c c u r r e di n m a n yd a m s p r e s e n t l y t h er e s e a r c h0 nd a m a g e i n gi sm a i n i yf o c u s e do nt h ea g e i n go fd a mc o n c r e t ea n dm e t a ls t r u c t u r e s ， h o w e v e rt h e r ei sa1 0 c k0 f s y s t e m a t i cr e s e a r c h ，e s p e c i a l i yq u a n t i t a t i v e r e s e a r c h ， o nd a mf o u n d a t i o na g e i n g d u et ot h i s r e a s o n ，a i m i n ga tt h e n u m e r i c a is i m u i a t i o no fd a mf o u n d a t i o na g e i n g ，t h ef o l l o w i n gs t u d i e sa r e c a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ： 1 t h r o u g hg e n e r a z i n gv a o u sa b n o r m a ip r o b i e m sa n da c c i d e n t s o c c u r r e di nd a m s ，t h ec o n c e p ta n dn a t u r eo fd a mf o u n d a t i o na g e i n ga r e s u m m a r i z e d ： f r o mt h e p o i n t o fd i 仟e r e n t a s p e c t s ， t h e n e c e s s i t y a n d s i g n i f i c a n c e0 fs y s l e m a t i cr e s e a r c ho nd a mf o u n d a i i o na g e i n ga r ee m p h a s l z e d ； t h ep r e s e n ts t a t u s ，e x i s t i n gq u e s t i o n sa n dt r e n d so fd a mf o u n d a t i o na g e i n g r e s e a r c ha r es e tf o n h ：t h es c o p e ，a i ma n ds t u d yi i n eo fd a mf o u n d a t l o na g e i n g r e s e a r c ha r eb r o u g h tf o n ，a r d ，a c c o r d i n gt 0i h ee 仟e do fm e c h a n i c a ia n d c h e m i c a ip r o c e s s e s ( w h i c ha 陀a r o s ef r o mt h es t r e s s ，w a t e ra n dc h e m l c a i e n v r o n m e n tc h a n g i n ga f t e rc o n s t r u c l i o no ft h ed a m ) t ot h ed a mf o u n d a t i o n m a t e r j a lp r o p e r t i e s 2 f r o mt h ep o i n to fh y d r o g e o c h e m i s t r y ，v a o u sa d v e r s ee n g i n e e r i n g p r o b i e m sa r o s ef r o md a mf o u n d a “o na g e i n ga r ed e t a i l e d i yc i a s s i f i e da n d p r o f o u n d i yd i s c u s s e d ：t h eh y d r o - g e o c h e m i c a lp r o c e s so fd a mf o u n d a t i o n a g e i n ga r ec l a n f i e d ：e q u i l i b r i u ma n dk i n e t i cf o r m u i a t i o nm e l h o d s0 fc h e m i c a l r e a d ；o n si nt h ed a mf o u n d a t i o nw a t e 卜r o c ki n t e r a c t i o ns y s t e ma r ep u tf o r w a r d ， a n dt h e i ra d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n dt h el o c a ie q u i i | b r i u mc o n d i “o n r e q u i r e d f b rt h e e q u | i br | u m f o r m u l a l i o na r ed i s c u s s e d ：t h en u m e r i c h y d r o - g e o - c h e m i c a i m o d e | n gs y s t e m o fd a mf o u n d a t i o n a g e i n g a r e e s t a b i i s h e d ， a n dm a j ni d e a s ， pr i n c i p i e s ，a d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n d a p p i i c a b 1 i t yo fl n v e r s e f o n f a r da n dc o u p i e dh y d r o g e o c h e m i c a lm o d e i si nt h e s y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a _ i 3 t h ei n v e r s em o d e lf o rd a mf o u n d a t i o na g e i n gi se s t a b l | s h e db yu s i n g m o l eb a l a n c ea n dc h a r g eb a l a n c ee q u a 钍o n s ；b yu s i n gb a m ) d a e r o b e ，括 a i g o r i t h m ，n u m e c a ls o l u 瓠o nt ol h em o d e li sp e b r m e d ：a p p i y i n gt h em o d e lt o t h ea g e i n gs t a t u sa n a i y s e so fx i na nj i a n gd a mf o u n d a t i o n ，s a t i s f a c t o r yr e s u i t s a r eo b t a i n e d 4 t h ef o r w a 删m o d e lf o rd a mf o u n d a t i o na g e l n gi se s t a b i i s h e db yu s i n g m a s sa c t i o n ，m o i eb a l a n c ea n dc h a r g eb a l a n c ee q u a t l o n s ：b yt h ei n c o r p o r a t e d u s i n go f e w 幻，一尺a p ，7 s o 仃a n db a r r o d a ，e 一尺0 b e ，括a l g o m h m s ，n u m e r i c a i v 一 s o lu t i o nt ot h em o d e li s p e r m e d ：a p p l y i n gt h em o d e it ot h et e m p e r a t u r e d e p e n d e n c ya n a l y s e so fg r o u tc u r t a i na g e i n ga n ds l a t u sa n a l y s e so ft h r e e g 0 r g e sd a m f o u n d a t i o na g e i n g ，p r a c l i c a b i t ya n dr e a b i i i t yo fi ta r ec e r t i f i e d 5 b a s e do nt h er e a li n t e r a c t i o nm o d e sb e t w e e nf i o w t r a n s p o r ta n d w a l e 卜r o c kc h e m i c a lr e a c t i o n si nt h ed a mf o u n d a t i o na g e i n gp r o c e s s ，t h e c o u p i e dh y d r o g e o c h e m i c a im o d e lf o rd a mf o u n d a t i o na g e i n gi se s t a b l i s h e d ： n u m er i c a ls o l u t i o nt ot h em o d e i sp e b r m e db yi n c o r p o r a t e du s i n go ff i n i t e v o l u m ed j 仟e 悒n c em e t h o d ，t e r a t l v ea 旧o m h mf o r n e a re q u a t i o n s ，e w 幻仃一 f 黾司d 力s 0 ，1a 1 9 0 r i t h ma n db a 门0 b e 尺0 6 e ，f sa i g o r i l h m ：a p p l y i n gt h em o d e it o t h e2 一d i m e n s i o n a ia g e i n ga n a l y z e0 fad a m f 0 u 九d a t i o n ，l h eu l t i m a l et a r g e to f c o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i z i n go fd a mf o u n d a t i o na g e i n gp r o c e s si ns p a c ea n d “m ei sa c h i e v e d k e y w o r d s ：d a mf o u n d a t i o n ：a g e i n g ：i n v e r s em o d e n g ：x i na nj i a n gd a m f o r w a r dm o d e i i n g ：t h r e eg o r g e sd a m ：c o u p i e dh y d r o g e o c h e m i c a im o d e l i n g v i 前言 目前世界人口总数已突破了6 0 亿，比三个世纪以前增加了8 倍，所消耗的 水资源总量增加了3 5 倍。为了满足水资源需求的这种大幅度增长，迄今为止在 金世界范围内4 万多座大坝( 坝高大于15 米) 被修建，并在世界各国防洪、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。进入2 1 世纪，随 着世界范围内对环境问题的日益重视，修建新坝的步伐开始减缓，大坝工程的重 点从大规模建设转到已建大坝的维护、维修及安全性方面。相应地，作为影响大 坝寿命和安全健康运行的重要因素之一，坝基老化将得到各国大坝工程界越来越 多的关注。 坝基的老化是埂基材料( 包括天然岩土体及注入或放入其内的混凝土防渗帷 幕等人工材料) 物理化学特性随着大坝运行年龄而变化的一种缓慢过程。它不仅 通过改变成分、结构和性状来逐渐减弱坝基岩土体的强度，而且通过改变岩土体 的渗透特性、渗流形态和应力状态来最终影响坝基的稳定性，从而也影响到大坝 功能的正常发挥，缩短大坝的服役寿命，甚至会直接威胁到整个大坝的安全。据 统计世界上大约有4 0 的大坝失事是由基础引起的，而大量工程实践表明，引起 坝基病态问题和事故的主要原因可以归纳为设计、勘测和施工等方面的各种不足 因素，超标准的洪水、地震和管理不当等意外因素以及老化三个方面，其中老化 是坝基破坏尤其是晚期破坏最重要的原因之一。 问题的严重性在于，根据国际大坝委员会高坝注册统计资料，目前全世界运 行年龄超过5 0 年的老坝占大坝总数的3 0 ，运行3 0 年左右的占50 ；我国现 有大坝中2 1 以上的坝龄超过3 0 年，其平均坝龄为2 2 8 7 年。加上随着全世 界范围内修建新坝步伐的减缓，老坝总数及百分比将日益增加。但是，从国内外 大坝不同部位的老化研究情况来看，由于混凝土、金属等人工材料相对易于老化， 从系统性和深度等方面研究主要集中在上部混凝土及金属结构的老化研究上。而 由于坝基材料本身组成与结构以及所处环境的复杂性，坝基老化缺少过程及其机 理方面的系统研究，尤其是定量研究却相当薄弱，还不足于满足坝基长期稳定性 评价的需要。因此坝基老化及其定量模拟对于充分了解坝基老化过成的实质和机 理、分析长期运行条件下坝基所表现出的老化迹象及其原因、正确评价老化过程 的发展趋势和强度以及对坝基稳定性和安全性可能产生的后果、为限制老化发展 的各种综合性预防措施和相应的检修方法提供科学依据，以便确保大坝正常运 行、发挥最大效益、以及防灾减灾具有十分重大的意义。 坝基中的地下水一直以来是坝基研究中的重要部分。2 0 世纪80 年代阻前， 由于大坝工程安全要求较低，坝基地下水问题主要表现为渗漏问题，研究处理的 重点在于减少坝基渗潺量。8 0 年代以来，随着大坝工程规模的不断扩大，工程 技术要求也愈来愈高，坝基地下水问题除了渗漏问题外，主要表现为地下水作为 一种荷载对坝基的作用问题，研究的重点转移到了坝基渗流场与变形场的力学耦 合分析上，并已经取得了可喜的进展。最近几年来，随着现代先进科学技术成果 在坝基研究中的综合应用，人们认识到水对坝基岩体的作用不仅仅是从有效应力 原理简单考虑的力学效应，而且是一种长期复杂的岩一水化学作用老化效应，而 这种效应对坝基岩体的影响，考虑到时间因素，往往比力学因素造成的损伤更为 严重。本文针对上述问题，主要以坝基老化过程的岩一水一化学作用数值模拟为 主题进行了深入仔细的研究，取得了一定的成果。主要创新如下： ( 1 ) 通过坝基出现的各类病态问题的详细分类和深入分析，按照从现象到 本质的思维原则，归纳出了坝基老化的概念、过程和实质，并根据岩一水化学作 用在坝基老化过程中的主导性地位，提出了坝基老化研究范围和基本思路。 ( 2 ) 根据坝基老化的岩一水化学作用过程，从不同的角度和思维方式提出 了坝基老化的反向模拟、正向模拟和岩一水一化学耦合模拟三种方法，建立了坝 基老化岩一水化学作用数值模拟方法体系的基本框架，并始终保持体系中不同模 拟方法在模型建立、求解以及工程应用等方面的渐进性和统一性。 ( 3 ) 所建立的反向模型、正向模型和岩一水一化学耦合模型为不同角度和 深度定量研究坝基老化过程提供了多种途径，同时这三种模型在不同工程中的实 际应用，为充分了解坝基老化过成的实质和机理、定量分析长期运行条件下坝基 所表现出的老化迹象及其原因、正确评价老化程度和发展趋势以及对坝基稳定性 和安全性可能产生的后果等方面提供了科学依据。 1 i c c r d 瓦 g ? 活度 a c t i v i 婶 符号意义及单位和量纲 物理意义 体积摩尔浓度 v o l u m e 州cm o l ec o n c e n t r a t i o n 反应固体物种浓度 c o n c e n t r a t i o no fs 0 i i dr e a c t a n t c o “增n f 数 c o u r a n tn u m b e r 单位 量纲 m o l 门n l 寸 m o l 门n l 。3 水动力弥散系数张量 m 2 s l 2 t 。1 h y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o nc o e f f i c i e n tt e n s o r 分子扩散系数 m o l e c u l a rd i 忭i j s i o nc o e 仟i c l e n t d a m k o h | e r 数 d a m k o h i e rn u m b e r 活化能 a c t i v a a o ne n e r g y 标准自由能变化 s l a n d a r d 仃e ee n e r g yc h a n g e 一标准焓变 s t a n d a r de n t h a i p yc h a n g e 水头 p o t e n “o m e l r i ch e a d 离子强度 i o n i cs l r e n g t h 渗透系数张量 h y d r o l i cc o n d u c l i v - i yl e n s o r 平衡常数 e a u i i l b n u mc o n s t a n t v i i m 2 sl 2 t 。1 k j ，m o ij n 一1 k j ，m o ij n 1 k j ，m o lj n 。1 m l m o i ，ln l 。3 m sl t 。 符号物理意义 ，溶度积常数 妒 s o i u b i i l t vp r o d u c lc o n s t a n t 邑 s i r x p 速率常数 r a t ec o n s t a n t 水溶物种总数 t b t a in u m b e ro fa q u e o u ss p e c i e s 水溶组分总数 t o t a ln u m b e ro fa q u e o u sc o m p o n e n t s 反应固体物种总数 t d t a in u m b e ro fs o l i dr e a c l a n t s 离散单元总数 1 _ o t a in u m b e ro fd i s c r e t ee i e m e n t s 坝基渗漏量 d a mf o u n d a 石o ni e a k a g e 气体常数 g a sc o n s t a n t 固体物种反应表面积 r e a c t i v es u r f a c ea r e a 饱和指数 s a t u r a t l o nl n d “ 单位量纲 m o i ，sn t “ i ，dl 3 t k j ，m o i kj n 1 0 1 m2 l 水溶组分总浓度 m 0 1 月n l 3 t b t a ic o n c e n t r a t i o no fa q u e o u sc o m p o n e n t s 地下水实际流速 p o r ew a t e r 伺o wv e l o c 时 随机误差极限 s l o c h a 蚶ce r o rl i m i t 单元体积 e i e m e n tv 0 i u m e m ，sl t 。1 l 3 单位时间内的岩一水反应物质交换量 m o i s n t 一1 m a s st r a n s f e ro fw a t e 卜r o c kr e a c t i o ni nu n i t 柏m e v i 一 虬 以 符号 z 口 孵 物理意义 水溶物种电价 c h a r g e0 na q u e o u ss p e c i e s 纵向弥散度 l o n g j t u d i n a fd j s p e r s f v f t y 水平横向弥散摩 h o 订z o n t a it r a n s v e r s ed i s p e f s ；v t y 垂赢横向弥散度 v e 川c a lt r a n s v e r s ed i s p e r s i 、，i t y 随机误差修正项 s t o c h a s a ce r r o 卜c o r r e d i o nt e r m 空隙度 p o r o s i t y 活度系数 a c l i v i t yc o e f n d e n t 储水系数 s t o r a g ec o 俑c i e n t 化学计量数 s t o i c h i o m e t r i cc o e 懦c i e n t 反应速率 r e a c t i o nr a t e 单位量纲 ml ml ml i ，m o il 3 n 一1 1 ，m m o i ，s n t ” s i 中的7 个基本量以及它们的单位和量纲 基本量 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 发光强度 一l x 一 单位名称 米 千克 秒 安【培 开【尔文 摩【尔】 坎 德拉 量纲 l m t o n j 靴 m 吣。a k 删删 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 两进 2 0 0 5 年1 1 月3 。日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大 学研究生院办理。 论文作者( ：两进2 0 0 5 年1 1 月3 0 日 河海大学博士学位论文一坝基老化的岩一水一化学作用数值模拟碜 究 第一章绪论 本章首先介绍了我国大坝老化状况，通过国内外众多大坝出现的各类病态 问题和事故的归纳总结出了坝基老化的概念及其实质，从不同角度强调了坝基老 化研究的必要性和意义，阐述了坝基老化研究的现状、存在的问题以及趋势，并 从大坝修建后应力环境、水环境以及化学环境变化所引起的机械荷载作用和岩一 水化学作用过程对坝基岩土体物理化学特性影响的时效性出发，提出了本文研究 的范围、目的和基本思路，最后概括介绍了本文所做的主要研究工作。 1 1 我国大坝老化状况 我国地处欧亚大陆东南部，地域辽阔，河流众多，流域面积1 0 0k m 2 以上 的河流有5 0 0 0 多条，流域面积1 0 0 0k m 2 以上的河流有1 5 0 0 多条，总长度达4 2 万k m 。全国多年平均年降雨量6 3 0m m ，多年平均年径流量大约为3 0 0 0 0 亿 m 3 ，水资源量居世界第六位；全国水力资源蕴藏量为6 9 亿k w ，其中可开发量 为3 7 8 亿k w ，水力资源得天独厚，居世界首位。为了充分利用丰富的水资源， 1 9 4 9 年新中国建立后，在全国范围内进行了大规模的大坝工程建设。经过五十 多年的发展，我国的大坝建设在规模、质量、技术等各方面都取得了举世瞩目的 成就，并在防洪、灌溉、供水、发电、航运、水产养殖及旅游等方面发挥了巨大 效益，为促进我国国民经济发展、提高人民生活水平、保障社会稳定、改善生态 环境做出了巨大贡献。但是，由于所处的恶劣自然和运行环境对工程的不良影响， 加上工程本身设计标准偏低、施工缺陷以及长期以来未形成良性的运行管理机 制、管理不善、维修与更新资金投入不足等客观和主观原因，我国许多大坝随着 运行年龄的增加出现了各类老化问题，直接影响了大坝的寿命和健康安全运行。 据2 0 0 0 年年底的统计，我国现有各类大坝约8 6 万余座，其中在国际大坝 委员会登记的坝高大于1 5 m 的大坝总数达2 4 1 1 9 座，坝高大于3 0 m 的达4 4 2 l 座，在数量上居世界首位( 见图1 1 ) 。根据中国在国际大坝委员会登记注册的 坝高大于3 0 m 的4 4 2 1 座大坝运行年龄的统计分析【5 】( 见图1 2 ) ，坝龄小于2 0 年的大坝在数量上仅占已建大坝总数的3 4 ，坝龄2 0 3 0 年的占4 4 ( 与7 0 年代大坝建设高峰期相符) ，坝龄3 0 年以上的占2 l ，其平均坝龄为2 2 _ 8 7 年， 相当多数大坝从运行年龄上看已经进入老龄阶段，存在不同程度的老化问题，其 主要表现在以下几个方面： 我国在5 0 年代末至7 0 年代修建的大坝占已建大坝总数的6 0 以上， 而这些数量众多的老坝都普遍存在设计标准、施工规程及管理制度等在时间意义 河海大学博士学位论文一坝基老化的岩水一化学作用数值模拟研究 上的“老化”问题，已经不能满足目前的大坝安全运行要求。在设计方面，以往的 设计通常用稳定和强度控制，而对耐久性往往不够重视，而且由于没有充分考虑 我国洪水的特点加之水文资料的不足，相当部分大坝防洪标准偏低：在施工方 面，由于当时建坝技术和施工方法的限制，加上因为没有较好地按施工规程进行 施工，许多大坝在坝体混凝土的水泥质量、混凝土浇筑、温控和养护、土石坝填 筑材料的选择和碾压、基础的处理等方面存在质量问题，给以后的大坝安全留下 了隐患；在管理方面，由于“重建轻管”现象的普遍存在，大坝的运行管理制度 很不完善，对大坝设施的维护、监测资料的收集和分析又不够重视，使大坝运行 过程中出现的老化征兆得不到及时发现，即使发现了也不能及时处理，结果老化 问题逐渐发展甚至导致恶果。 ( a ) 坝高大于1 5 m( b ) 坝高太于3 0 m 图1 1 中国大坝数量统计 ( a ) h e i 曲tl a r g e rt h 柚1 5 m ( b ) h e i g h t1 盯g c rt h a n3 0 m f i g u r e1 1s 协t i s n c so f l a r g ed a m si nc h i n a 附 ! 苷：2 28 7 事 国 肭m 栅 l ： l 一 i l m 飞 图1 2 我国大坝运行年龄分布图 f i g u r e1 2a g ed i s t r i b u t i o nd l a g r 锄o fc h i n e s ed 锄s ( 据国际大坝委员会中国大埙登记资科，2 0 0 0 年) 7 5 5 4 3 2 1 o 女v蓑_垦 河海大学博士学位论文一坝基老化的岩一水一化学作用数值模拟珊f 究 由于长期遭受高压渗流、溶蚀、冲刷、冻融、冻胀等恶劣的自然和运行 环境的影响，许多大坝随着运行年龄的增加出现了坝体和坝基的严重老化。过去 认为人工材料坝老化时间很长，而当地材料坝没什么老化问题，事实证明并非如 此。有些混凝土及砌石坝开始出现坝体混凝土碱性骨料造成的膨胀、碳化、钢筋 锈蚀、冻融破坏、坝体裂缝加大、密封材料防水作用的失效以及坝基岩土体强度 下降、侵蚀和溶蚀、帷幕防渗作用失效、排水系统的堵塞等一系列老化问题。土 石和堆石坝也出现了坝体和坝基过量的沉降和位移、坝体上游面的冲届0 、渗透变 形、混凝土结构与土体接触面的恶化、填筑材料强度的下降、防渗墙的内部侵蚀、 土工合成材料的老化、空隙水压力和基础扬压力的升高、渗漏量的增加、坝体坍 塌和滑动等问题。 随着水库的蓄水，大坝上、下游区河流水力特性以及库岸地下水流态均 发生较大的变化，使相当一部分大坝普遍存在库区及库岸恶化问题，其主要表现 为库区泥沙淤积、大坝下部出水口被淤积泥沙掩埋、库水对库岸的侵蚀、库岸岩 土体强度随时间下降引起的边坡失稳、高速水流对坝下游区河床的冲刷等。 大坝的溢洪道、引水洞、水电站等附属建筑物以及闸门、电机设备、监 测仪器等金属结构老化令人注目。大多数老坝都存在溢洪道和引水洞的气蚀破 坏、闸门等金属构件的锈蚀和变形、被水带进来的固体颗粒物对水电站电机设备 的损害、监测仪器的失灵等一系列问题。 态拯耋丝闷照的盔量在在! 焦冀国太塑痘险丛逸越蠢蕉罡些。根据2 0 0 0 年年底统计，在水利系统管理的8 3 7 2 5 座大坝中，共有三类坝( 病险大坝) 3 0 3 8 1 座，约占已建大坝总数的3 6 。其中大型水库大坝1 4 3 座，约占大型水库大坝 的4 2 ：中型1 0 9 2 座，约占中型水库大坝的4 l ：小型2 9 1 4 6 座，约占小型 水库大坝的3 6 。另外，全国共有防洪标准仍未达到国家标准的二类坝2 7 2 8 5 座，约占己建大坝总数的3 3 。其中大型水库大坝7 9 座，约占大型水库大坝的 2 3 ：中型7 8 2 座，约占中型水库大坝的2 9 ；小型2 6 4 2 4 座，约占小型水库 大坝的3 3 。 盔拯耋丝间壁的太量查查：篮盔塑王程敦蕉太盍工隆，许多水库蓄不上水 或需要限制运行水位，由此造成兴利库容减少约1 2 0 亿m 3 ，防洪库容减少约1 5 0 亿m 3 ，供水能力减少约1 7 0 亿m 3 ，灌溉面积减少约3 0 0 0 万亩，严重影响水库 的防洪、供水、灌溉和发电等综合效益的发挥。大坝工程效益大大衰减，影响防 洪和蓄水兴利。 太埋壹丝闷壁的盔量查盘：篮盔拯的塞全蛙王隆回盟给工澧塞全堂塞盛 河海大学博士学位论立一坝基老化的岩一水一化学作用数值模拟研究 魁。据初步统计，全国影响县城以上城市的大中型病险水库大坝共4 2 l 座( 大 型水库大坝1 1 5 座，中型水库大坝3 0 6 座) ，大型水库病险大坝影响城市7 0 座、 县城9 2 座；重要中型水库病险大坝影响城市1 0 9 座、县城1 9 3 座。位于城市、 交通干线和工矿区上游的大坝，一旦失事，会造成毁灭性的灾害，给社会局部稳 定或国民经济全局带来重大负面影响，严重的会导致社会、政治动荡。据1 9 9 1 年的统计，建国以来我国垮坝总数达3 2 4 2 座，垮坝率高达3 9 。其中大型水 库垮坝数为2 座，占垮坝总数的o 0 6 ；中型水库1 2 1 座，占垮坝总数的3 7 3 ： 小型水库3 n 9 座，占垮坝总数的9 6 1 2 1 。 盔塑耋丝间墅的盍量在查：焦王猩丝堡麴夏堑压壶翼笪塑邃垒丕态增 加。从1 9 8 6 年到2 0 0 0 年底，中央历年安排投资累计约4 5 6 2 亿元，共安排了 2 2 2 座大中型水库病险大坝的除险加固。据专家估计，我国现有的3 0 3 8 1 座三类 坝和2 7 2 8 5 座二类坝全部要达到一类坝标准，分别需要5 3 9 亿元和4 7 7 亿元，需 要的总投资约1 0 1 6 亿元。 基于上述我国大坝老化问题严重、病险大坝数量众多、分布面广、事故较 多的特点，1 9 9 1 年3 月国务院发布了水库大坝安全管理条例，1 9 9 5 年3 月水 利部颁布了水库大坝安全鉴定办法并2 0 0 1 年3 月委托水利部大坝安全管理 中心编制完成了水库大坝安全评价导则作为配套的技术标准，完善了我国大 坝安全管理和安全鉴定制度，推动了安全鉴定工作的开展，为加强大坝安全管理， 保证大坝安全运行起到了重要作用，也为除险加固前期工作打下了基础。1 9 9 8 年以来，水利部建设与管理司开展了多次全国病险大坝普查工作，组织编制病险 大坝除险加固专项规划，基本摸清了我国病险大坝数量、安全状况、存在的主要 问题和除险加固进展情况，并积极争取资金、加大了对病险大坝除险加固的投入， 为病险大坝除险加固工作的顺利进行提供了良好的政策和资金保障。从1 9 8 6 年 到2 0 0 0 年底，中央分三批共安排了2 2 2 座大中型水库病险大坝的除险加固，目 前其中2 1 5 座己完成了除险加固任务。 综上所述，进入2 1 世纪，随着已建大坝总数的日益增多、运行年龄的不断 增长，我国许多大坝将逐步进入百年老化期，大坝老化将日益加重，老坝、病坝 修复所需要的费用将越来越大，给工程效益和安全性带来的后果将越来越严重， 大坝老化问题也将成为我国水利面临的挑战之一。 1 2 坝基老化及其研究意义 目前世界人口总数已突破了6 0 亿，比三个世纪以前增加了8 倍，所消耗的 水资源总量增加了3 5 倍。为了满足水资源需求的这种大幅度增长，迄今为止在 一4 河海太学博士学位论文一堋基老化的岩一水一化学作用数值模拟玎f 咒 监。据初步统计，全国影响县城以上城市的大中型病险水库大坝共4 2 l 座( 大 型水库大坝1 1 5 座，中型水库大坝3 0 6 座) ，大型水库病险大坝影响城市7 0 座、 县城9 2 座；重要中型水库病险大坝影响城市1 0 9 座、县城1 9 3 座。位丁城市、 交通干线和工矿区上游的大坝，旦失事，会造成毁灭性的灾害，给社会局部稳 定或国民经济全局带来重大负面影响，严重的会导致社会、政治动荡。据1 9 9 1 年的统计，建国以来我国垮坝总数达3 2 4 2 座，垮坝率高达3 9 。其中大型水 库垮坝数为2 座，占垮坝总数的0 0 6 ；中型水障1 2 l 座，占垮坝总数的3 7 3 ； 小型水库3 n 9 座，占垮坝总数的9 6 2 1 。 盔塑童丝四题的左量在垄，焦王塑丝堡塑夏堑韪盂墨的拯姿垒盍盘擅 加。从1 9 8 6 年到2 0 0 0 年底，中央历年安排投资累计约4 5 ，6 2 亿元，共安排了 2 2 2 座大中型水库病险大坝的除险加固。据专家估计，我国现有的3 0 3 8 1 座三类 坝和2 7 2 8 5 座二类坝全部要达到一类坝标准，分别需要5 3 9 亿元和4 7 7 亿元，需 要的总投资约10 1 6 亿元。 基于上述我国大坝老化问题严重、病险太坝数量众多、分布面广、事故较 多的特点，1 9 9 1 年3 月国务院发布了水库大坝安全管理条例，1 9 9 5 年3 月水 利部颁布了水库大坝安全鉴定办法并2 0 叭年3 月委托水利部大坝安全管理 中心编制完成了水库大坝安全评价导则作为配套的技术标准，完善了我国大 坝安全管理和安全鉴定制度，推动了安全鉴定工作的开展，为加强大坝安全管理， 保证大坝安全运行起到了重要作用，也为除险加固前期工作打下了基础。1 9 9 8 年以来，水利部建设与管理司开展了多次全国病险大坝普查工作，组织编制病险 大坝除险加固专项规划，基本摸清了我国病险大坝数量、安全状况、存在的主要 问题和除险加固进展情况，并积极争取资金、加大了对病险大坝除险加固的投入， 为病险大坝除险加固工作的顺利进行提供了怠好的政策和资金保障。从1 9 8 6 年 到2 0 0 0 年底，中央分三批共安排了2 2 2 座大中型水库病险大坝的除险加固，目 前其中2 1 5 座已完成了除险加固任务。 综上所述，进入2 1 世纪，随着已建大坝总数的日益增多、运行年龄的不断 增长，我国许多大坝将逐步进入百年老化期，大坝老化将日益加重，老坝、病坝 修复所需要的费用将越来越大，给工程效益和安全性带来的后果将越来越严重， 大坝老化问题也将成为我国水利面临的挑战之一。 1 2 坝基老化及其研究意义 目前世界人口总数已突破了6 0 亿，比三个世纪以前增加了8 倍，所消耗的 水资源总量增加了3 5 倍。为了满足水资源需求的这种大幅度增长，迄今为止在 水资源总量增加了3 5 倍。为了满足水资源需求的这种大幅度增长，迄今为l 。在 河海大学博士学位论文一坝基老化的岩一水一化学作用数值模拟研究 全世界范围内4 万多座大坝( 坝高大于1 5 m ) 被修建，并在世界各国防洪、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、合理利用全球有限水资源的关键角色。进入2 l 世纪，随着全世 界范围内对环境问题的日益重视，修建新坝的步伐开始减缓，大坝工程的重点从 大规模建设转到已建大坝的维护、维修及安全性方面。相应地，作为影响坝基耐 久性和长期稳定性乃至整个大坝安全健康运行的重要因素之一，坝基老化得到了 各国大坝工程界越来越多的关注。 一切物质都是要衰变的，包括所有的材料和结构都随着时间的推移性能逐 渐衰变，走向自身的反面，不断地否定自己，通俗地说就是“老化”。老化是贯 穿于所有事物整个变化过程中的必然现象。当物质处于封闭系统中，物质的老化 是自变：当物质处于开放系统中，与外界发生能量和物质的交换，给物质提供某 种激发因子而加速老化。一般来说，大坝坐落的岩土介质及其所处的环境之间有 着密切的依存关系和相互作用，始终处于不断变化的动态平衡之中。坝基岩土体 是地球内外地质营力长期作用的产物，经历了大自然长期的磨练，大坝修建之前 处于相对稳定的状态，但随着大坝的修建和水库的蓄水，坝基所处的应力环境、 水环境以及化学环境等均发生巨大变化，打破了大坝修建之前相对稳定的平衡状 态，将必然会导致坝基材料成分、结构、性状等物理化学特性的相应变化。所谓 的拯基耋丝是堂! 查太拯正堂运征惫馈工：拯基丞签蚩签丛洼羹越厶甚内的 递援土随攫蛙蔓，陵攫揸笠王挝魁的塑理丝堂犍性瞳羞太拯嬉氖釜鲢增女日面亡 生鲍：过拯基餮庭：睦塑塞全：睦赢影响的变丝。坝基析出物、下游溶出液化学成分、 坝基变形、渗漏量、孔隙水压力、扬压力等可监测量随时间的趋势性变化现象( 见 图1 3 ) 都直接或间接她表明了坝基老化的客观存在性。 坝基老化是一种不断积累的缓慢过程。它不仅通过改变成分、结构和性状 来逐渐减弱坝基岩土体的强度，而且通过改变岩土体的渗透特性、渗流形态和应 力状态来最终影响坝基的稳定性。坝基出现的后期不稳定变形、渗漏量和扬压力 的趋势性增加、帷幕防渗效果的失效、排水系统的堵塞等一系列病态问题实质上 就是坝基老化的工程表现。坝基老化不仅会影响大坝功能的正常发挥、缩短大坝 的服役寿命，甚至会直接威胁到整个大坝的安全。据统计世界上大约有4 0 的 大坝失事是由基础引起的，而大量工程实践表明，引起坝基病态问题和事故的主 要原因可以归纳为设计、勘测和施工等方面的各种不