水利工程中的土工结构物研究

水利工程中的土工结构物研究1.1高土石坝工程(1)高土石坝建设。各类土石坝由于其地基适应性好，便于使用当地材料筑坝，造价较低，施工机具简单等优点而被较多采用。而其他坝型的水工枢纽的施工导流工程、围堰工程和坝基坝肩处理也都属于岩土工程。目前世界上两座最大坝高超过300m的高坝都是土石坝(前苏联的罗贡坝高335m，努列克坝高305m)。由于近年来西方国家修建的大型水利工程不多，高土石坝的研究新进展较少。中国、巴西、印度等中等发达国家和发展中国家的坝工技术得到较大的发展。土石坝就其防渗结构来讲，可以，分为土质防渗体坝与其他材料(混凝土、沥青、土工合成材料等)防渗体两种。近年来，作为土石坝的重要分支，混凝土面板堆石坝得到了快速发展，成为近代坝工的发展新趋势。随着巨型碾压机械的应用和地基处理技术的发展，可以大大减少地基与坝体的变形，大坝设计也不仅满足稳定要求，对于变形控制的要求也更严格。(2)高土石坝与土的本构关系。土的本构关系与土石坝工程之问存在着十分密切的关系。一方面，正是由于深覆盖层上的高土石坝等高重建筑物的建设及深、大土质基础问题提出了土的非线性应力变形计算的需求，而60年代迅速发展的计算机技术又为这种计算提供了可能性，从而使土的本构关系模型研究在20世纪60年代以后得到快速发展。同时各种土的本构模型及数值计算技术也大大推动了高土石坝的计算分析和设计兴建，加之施工机械和技术的前进，使土石坝的高度、构造、坝型都发生了极大的变化与发展。土的本构关系模型的提出、检验、应用也带动了土力学学科中土的室内试验、模型试验、现场监测等技术发展和水平的提高；各种线性、非线性，弹性、弹塑性，流变，连续、非连续等数学模型被提出；渗流固结、极限平衡分析和动力反应分析等数值计算的技术和方法也得到了空前的发展，土的本构模型与数值计算成为20世纪岩土力学学科园地中最为绚丽的花圃。在现代计算方法及计算机技术诞生之前，对土体强度及稳定的研究主要借鉴经典力学理论，将土体视为弹性—理想塑性体或刚塑性体，按极限平衡法进行稳定分析求解。近30年来，随着计算机技术及包括有限元法在内的数值分析方法的发展，采用比较符合实际的土体应力一应变一强度(时间)关系的本构模型，有效地将变形计算和稳定分析结合起来，大大地提高了计算的精度。经典土力学在分析土体变形时通常将土体视为弹性体，采用基于广义虎克定律的线弹性模型。在进行土的非线性分析时最方便和最先使用的模型就是各种非线性弹性模型。其中各种EV模型和KG模型常常是以试验曲线拟合为主建立的，简单实用，参数的物理意义明确并易于确定，受到工程技术界的欢迎。在非线性模型中最具代表性的当属Duncan—Chang双曲线模型。而在经典弹性理论中的柯西(Cauchy)弹性模型、超弹性(hyperelastic)模型(或称Green弹性模型)和次弹性(hypoelastic)模型也被引进到土的非线性分析中。但由于它们参数众多，物理意义不易搞清，常常需要复杂的应力路径的室内试验确定它们，所以曲高和寡，应用的不够普遍。目前常用的粗粒土非线性弹性动本构模型主要包括双线性模型、等效线性模型和曼辛(Masing)型非线性模型等。它们一般由于土石坝的动力反应分析。双线性模型将应力应变滞回圈用一个由两组不同斜率的直线组成的平行四边形来代替，其骨架曲线仍为线性。等效线性模型把土体视为粘弹性体，采用等效弹性模量和等效阻尼比这两个参数来反映动应力应变关系的两个基本特性：非线性与滞后性，并将模量与阻尼比均表示为动应变幅的函数，同时在确定上述关系中考虑静力固结平均主应力的影响。曼辛型非线性模型针对不同的加载条件直接给出动应力应变关系式，通常在给出初始加载条件下的动应力应变关系式之后，利用曼辛二倍规则得出卸荷和再加荷条件下的动应力一应变关系式。目前较流行的Hardin—Drnevich的双曲线模型和Ramberg一Osgood模型均属于曼辛型的非线性模型。从20世纪70年代开始，断裂力学被引入岩体的强度理论。鉴于岩体中的裂缝与金属构件开裂有本质区别，近年出现了断裂与损伤相结合的研究方向。这一领域重点分析介质内因微裂隙和空洞的扩展引起有效受力面积减小以及由此导致的材料性质的变化，从而建立损伤演化规律，即无效的孔隙面积的增长规律。损伤力学引人岩石力学以后，把岩体的节理裂隙当作初始损伤，考虑大体积岩土结构以剪切为主的破坏模型，并且与断裂力学相结合建立裂缝的等效连续介质模型。建立在损伤的随机分布规律基础上统计损伤分析也是值得重视的一个研究方向。目前在我国土石坝数值计算中经常使用的本构模型是Duncan—Chang模型；而沈珠江双屈服面模型、南水模型、殷宗泽的剪胀模型、清华弹塑性模型、清华解耦KG模型、广义塑性势模型也有所应用；在高塑性心墙及软土地基的数值计算中也有使用剑桥模型的计算程序。另外针对土石坝初次蓄水计算的土的湿化模型，针对心墙水力劈裂的理论准则，针对面板堆石坝流变的堆石体的流变模型也在实际工程中得到应用。经过几十年的发展，土的本构模型研究已经在各个研究方向上取得了丰硕的成果；然而随着现代土木水利工程规模的增大，诸如“三峡工程”、“南水北调”、“青藏铁路”等世纪工程的相继开工，为现代土力学理论(尤其是土的本构模型研究)提出了新的机遇与挑战。纵观20世纪土的本构模型在理论、试验及应用方面的研究进展，展望21世纪的工程要求及土的本构模型研究的前景，下列问题还有待深入研究并可望有所突破：1)对现有的土本构模型的基本性能和适用条件进行鉴定，进一步简化和普及那些经过长期应用被证明适用于土石坝计算的模型。模型不一定越复杂越好，重要的是其对于计算问题的针对性和选择参数的合理性。2)在目前研究的基础上建立和发展复杂应力状态与加载序列条件下的土的本构模型，使之不仅能够切实地考虑土的非线性与非弹性、软化、剪胀与剪缩性等，同时能够揭示土的某些特殊的变形特性及其机理，并且还能反映土的原生及应力诱发的各向异性效应及特殊荷载条件下的力学规律。3)土石坝的抗震设计和地震反应分析需要能够反映土的动力特性的动本构关系模型。而能够反映土在循环加载和动荷载下土的可恢复与不可回复的体积变化(或孔压变化)是本构模型的主要难点。4)应对现有的本构模型通过不同类型仪器、不同应力路径的土工试验、离心模型试验以及实际工程的现场测试结果等不同的验证形式，客观地评价和论证其正确性与可靠性，通过全面系统的分析比较确定其实用性与局限性及适用范围。重视模型参数的可靠性，积极应用和发展先进的土工测试技术和反分析手段，确保选取参数的简捷性和准确性。在现有条件下加强本构模型研究中试验数据的组织管理与共享利用，着手本构模型基本参数数据库的建立与维护。5)开展对应力、变形与含水量密切相关的非饱和土本构模型的研究，在建立本构模型时应充分考虑含水量的影响及颗粒骨架、孔隙水与气三相之间的界面相互作用及相互交换问题。“南水北调”工程中线方案渠道工程，在鄂北及豫南——南阳盆地，将穿越大面积的膨胀土地区，大量的非饱和土工程问题亟待解决。6)对于软粘土、黄土等结构性较强的土体，应继续深入开展结构性模型的研究，引入损伤力学理论以及CT、X射线等先进的测试技术，深入揭示土体剪切带的形成机理以及土体的刚度降低与强度丧失之间的内在联系等规律。7)针对砂土与堆石的松散结构，应摆脱基于连续介质力学理论建立本构模型的固有局限性，开展基于细观力学理论的非连续性本构模型研究。(3)土石坝的数值计算。20世纪80年代以后，土石坝计算的模型和工况就更趋于多样。阿提卡利(Adikari)等1982年用双曲线模型对塔尔宾各(Talbingo)坝的施工期、蓄水后稳定渗流期进行了应力变形分析，与实测的沉降、水平位移、孔隙水压力、土压力等进行比较，计算结果大体上符合实际。近几十年来国内外关于土石坝动力计算方面的研究已取得了明显进展，采用有限元法和等效线性模式是当前动力分析的主流。如Seed等(1985)采用等效线性计算模式，不考虑库水对坝体的影响，在对面板及其与堆石之间相互作用未作特殊处理的条件下对一面板堆石坝进行了二维分析。顾淦臣、孔宪京等开发了二维和三维等效线性模式的地震动力反应分析程序，对堆土石坝进行地震反应分析。Sengupta等采用Hujeux等提出的一种弹塑性模型计算了美国多座土石坝的地震响应特别是永久变形，认为该模型适用于土石坝的永久变形分析。李万红等(1994)采用粘弹性模型编写了土石坝二维非线性地震动力反应分析程序，并对心墙土石坝进行了计算。不过总的来说，弹塑性分析方法在高土石坝地震响应分析方面还不够成熟，许多问题尚需要进一步研究。高土石坝由于工程浩大，影响深远，对其进行各种数值计算是必需的。其中包括：稳定分析、渗流计算、应力变形计算(包括应力应变与渗流固结耦合的有效应力分析)、动力反应分析等。我国的小浪底斜心墙堆石坝、三峡二期围堰等大型土石坝工程都进行过科技攻关形式的多单位、多模型、多程序的分析计算，对于工程设计起到了重要的指导作用。我国的土石坝数值计算几乎与世界同步。例如20世纪70年代对于党河的沥青混凝土心墙坝的非线性有限元分析，巴家嘴工程的有限元分析，石盘山水库石渣坝的有限元分析，张家嘴土坝的有限元分析等，都是在国内外进行得较早的数值计算工作。80年代进行了花凉亭土坝的应力变形分析，碧流河沥青混凝土心墙土石坝的应力变形分析，铁山水库的土坝有限元分析。这些计算大多数采用Duncan—chang的双曲线非线性弹性模型。通过近20年的科技攻关课题研究，我国在高土石坝科研方面取得了丰硕的成果。在数值计算中，我国学者提出的多种模型都在土石坝计算中得到应用。在水力劈裂研究方面，黄文熙提出水力劈裂的准则。在坝坡稳定分析中，我国学者在理论和计算方面都取得高水平的成果，自主开发的程序得到广泛的应用。我国在高土石坝的本构关系模型理论研究方面，数值计算分析方面，筑坝技术方面并不落后于国际先进水平，丰富的工程实践使我国水利水电的岩土工作技术人员积累了宝贵的经验。三峡二期围堰的数值分析工作从1984～2000年，一直跟踪着设计工作的进程而不断发展和深入。在二期围堰数值分析的初始阶段，研究采用了8种模型计算，由于对工程的理解、计算模型的概化、材料本构模型选择、施工过程的仿真程度、边界条件模拟、后处理技术等方面的不同，各家的计算成果可谓是“五花八门”，验证结果表明邓肯模型、南水模型、河海模型的结果较为接近。经过相互比较、交流，对一些理论问题的认识逐渐趋于一致，计算成果也逐渐具有可比性。从而为在工程设计中的应用创造了条件。通过三峡二期围堰数值分析工作，增加了数值分析方法在工程中的可信度，促进了有限元分析方法的发展。在长达17年的历程中，全国有15家有经验的单位和60多位专家先后参与了这项研究工作。三峡二期围堰数值分析的工作历程实际上也是我国数值分析在大坝工程中应用的发展过程。沈珠江院士指出：数值分析对三峡围堰工程的介人程度是以往工程从来没有过的。清华大学与长科院一起进行的围堰塑性混凝土防渗墙研究，从材料配方、力学性质试验，到防渗墙与坝体材料问的相互作用，对于二期围堰中防渗墙的应力变形进行多方案、多模型的长期数值计算，与实测结果比较已非常接近了。说明计算得到的墙体位移分布基本上反映了位移实际情况。高土石坝的稳定分析也是数值计算中的重要课题。土石坝的稳定问题是一个古老而重要的问题。除了在材料、坝坡、施工和地基处理等方面采取措施提高坝坡的稳定性之外，土石坝的稳定分析是工程设计施工的基础。在土石坝稳定分析中，各种基于极限平衡和极限分析的稳定分析方法仍然是规范推荐的最基本方法。各类条分法是成熟的和被广泛应用的方法，并且不断有所发展。我国颁布的SL274—2001《碾压土石坝设计规范》规定对于薄心墙、薄斜墙和有软弱夹层的坝坡稳定分析采用摩根斯坦一普赖斯(Morgenstern－Price)法，这是很先进的方法。近年来有限元方法的稳定计算也有很快的发展，无论在安全系数的计算方法，还是在最优化搜索方面都有很大的进展。土石坝坝体材料主要是人工填筑的重塑土，相对来讲较容易为理论模型和数值计算所模拟。但是大尺度的堆石料的试验模拟；坝体在不同工况下复杂应力路径的模拟；土石料饱和与非饱和的模拟等仍然是试验、理论和数值模拟的难题。因而土的本构关系模型和数值计算分析结果还只为高土石坝的设计和施工提供重要的参考。(4)渗流理论与渗流控制。水利工程有别于其他工程门类的主要方面是它常常是临水的，这样渗流问题成为其关键技术问题之一。渗流问题涉及水量的渗漏损失、渗透变形及渗流引发的工程事故等。相关的课题是渗透理论、渗流分析计算和渗流控制。经过百余年的工程实践和科学研究，无论是土中的渗流，还是岩体裂隙中的渗流都取得了许多研究成果，也还有许多有待研究的课题。1)渗流的工程问题。在水利工程的挡水的堤坝，输水的沟渠管线，河道的岸坡及工程边坡，地下水的运移和污染等课题中，渗流分析与渗流控制是关键技术问题。许多病险水库的大坝和江河堤防的失事常常是由渗流引起的。据我国20世纪80年代的统计，当时全国241座大型水库先后出过1000余宗工程事故，其中以渗透变形事故最多，占31.7％。至于垮坝失事，除小型水库漫顶垮坝所占的比例稍高以外，其次就是渗透变形导致垮坝，占29.1％(其中坝体渗漏占22.7％)。根据国内外的统计，由于渗漏管涌造成的溃坝占30％～40％，其他如裂缝、滑动等也都与渗流有密切关系。美国的弟顿(Teton)坝是土质肥心墙坝，最大坝高126.5m，坝顶长1625m，于1976年6月5日溃坝，造成巨大经济和社会损失。从有混水出露到溃坝，约历时5小时。据专家论证认为，心墙齿槽的低应力区发生水力劈裂可能是主要的原因。我国青海省的沟后水库大坝，是混凝土面板砂砾石坝。最大库容330万m3，最大坝高71m，坝顶设有5m高防浪墙，坝顶长265m。大坝于1993年8月27日晚间溃决。造成了300余人死亡和重大的财产损失。据专家调查分析，认为是在高水位下L形防浪墙与面板接缝处被拉开，导致坝顶严重漏水，水流从坝顶高处逸出，冲刷坝体和导致坝顶局部滑坡引起溃坝。2)渗流理论与渗流计算。对于土中水的渗流研究的历史悠久。早在1856年，法国工程师达西(Darcy)提出了线性渗流的达西定律。1889年，俄国的茹可夫斯基首先推导了渗流的微分方程。1922年，巴甫洛夫斯基(H．H．)提出了求解渗流场的电模拟法。由于渗流的微分方程在复杂边界条件下很难得到其解析解，所以人们力图用数值算法解决它。1910年理查森(LF．Richardson)首先提出了有限差分法。在20世纪60年代之后，由于计算机及计算技术的迅速发展，各种数值计算方法，如有限差分法、有限单元法、边界元法、离散元法、无单元法及其他算法在渗流计算中得到越来越广泛的应用。在土坝、堤防以及边坡等的渗流分析中，均存在渗流自由面即浸润线的问题。迄今用有限元法、边界元法及离散元法等数值计算方法求解无压渗流时，困难的问题之一便是渗流自由面的确定。由于渗流自由面的位置事先是未知的，必须迭代求解。渗流自由面属于混合边界问题，必须同时满足水头边界条件(第一类边界条件)和流量边界条件(第二类边界条件)。较为准确地确定渗流自由面，对于正确计算渗流场、分析边坡稳定和渗透稳定等问题，具有十分重要的意义。渗流自由面问题的求解方法主要分为水力学法、流网法、试验法和有限单元法。用有限单元法进行有自由面的渗流计算，不少学者开展了研究，其计算方法主要分为变动网格法和固定网格法。有限元渗流计算浸润线在最初主要采用变动网格法。首先假定一个浸润线，然后划分网格，在给定的边界条件下计算此假定渗流域；然后根据计算结果调整浸润线，重新划分网格，逐步迭代求解，直至满足在浸润线上矗一z的条件。变动网格法在逐步的迭代中可逼近实际的渗流域，因此可以较固定网格法更为准确地计算渗流，但每次计算时网格的重新划分十分烦杂。针对变动网格法的问题，近年来国内外都把重点放在固定网格法的研究上。自从钮曼(Neuman)于1973年提出不变网格的伽辽金(Galerkin)法以来，已经发展了一系列的计算方法，主要有以下几种：剩余流量法、单元传导矩阵调整法、饱和法与非饱和法和无单元法。另外，固定网格法还有子单元法、初流量法、虚单元法等，主要就集中在有自由面穿越的单元的处理方法上。在这一方面无单元法有较大的优势，因为它的结点是不固定的，可以较自由地选取。固定网格法较好地解决了渗流和应力变形的耦合计算问题，是目前渗流分析的主要方法。目前非饱和土的渗流计算发展很快。在环境工程中的液体、气体污染物在土中的扩散和污染土的修复方面，在采油工业中和在地下存储方面，在地质灾害分析等方面关于非饱和土中的渗流问题受到很高的重视，也取得较丰富地成果，值得水利工程借鉴和应用。在水利水电工程领域，由土水特征曲线建立吸力与抗剪强度的关系，探索从“气候条件→含水量分布规律→吸力场→抗剪强度→渗流场→稳定性判别”这一途径来建立非饱和边坡稳定分析的方法，对于分析堤坝及天然边坡在非正常运行状态下的稳定问题具有重要的意义。另一方面，将非饱和土中的渗流、本构关系模型耦合，进行完全的流(液、气)固耦合的含水量分布规律→吸力→渗流→应力变形的计算对于土石坝的变形和稳定分析有更普遍的意义，可以同时考虑土石坝体的固结变形和湿化变形。其中，土体完全的流固耦合分析目前尚不成熟。相对于土中的渗流，作为裂隙介质的岩体中的渗流发展较迟。过去经常把岩体渗流当作各向同性的多孔介质的渗流考虑。可是在岩体中，由于构造上的节理会形成定向的裂隙系统，其渗流表现为强烈的各向异性，甚至不完全服从达西定律。在岩体地下水运动规律方面，前苏联学者早在1951年就开始单个裂隙水流运动的试验研究，得到了单个裂隙水流运动的立方定律。关于将裂隙岩体当成连续介质还是不连续介质，很多学者进行了研究分析。其中最大裂隙间距与建筑物的最小边界尺寸之比是关键，就是所谓的典型单元体(REV)的体积问题。在岩体渗流模型方面，目前大多数还是采用非均质各向异性的等效连续介质模型。为此国内外学者们按照不同的思路和途径建立了很多模型。为描述裂隙岩体的结构面特征有人采用拓扑理论、分形几何理论等；许多不连续的理论模型和计算方法也得到应用。岩体地下水数值模拟方面，自20世纪70年代开始，有限单元法和有限差分法被引入水文地质计算。80年代以后数值计算广泛应用于模拟各种与裂隙介质渗流有关的问题。裂隙介质渗流中的离散模型、连续性模型、混合模型和耦合模型等都可以在数值计算模拟中得到应用。具体的计算方法又发展到边界单元法(BEM)、有限分析法(FAN)、离散单元法(DEM)等。在80～90年代，我国一些大型水利水电工程相继建设，高坝引起的高地下水头产生的荷载不可忽视。有关水工建筑物附近岩体中的地下水渗流运动问题受到关注。重点问题是排水孔在岩体渗流场数值模拟中的处理方法。对此朱伯芳、张有天最早开展这方面的研究，并有较多的新进展。另外基于岩体中渗流场与应力场耦合的研究计算也有所研究。杨延毅与周维垣提出了一种渗流-损伤耦合的分析模型，描述了渗流对裂隙岩体的力学作用和岩体的应力状态对裂隙渗透性的影响。王媛给出了等效连续裂隙岩体渗流与应力全耦合的分析计算方法。3)堤坝的渗透破坏。土的渗透变形包括了流土和管涌，在不同介质之间还可能发生接触流土与接触冲刷。流土的判断准则较为简单和清楚，管涌的发生与土的级配密切相关。国内外学者提出了许多管涌的临界水力坡降的准则。在我国，结合1998年长江洪水中堤防的渗透破坏机理，开展了广泛的试验、理论和数值计算研究工作。特别是针对渗透变形引起的地基与堤坝破坏的过程与机理进行研究。长江科学院通过模型试验对矩形槽土体中管涌扩展过程的模拟和实验结果，得出管涌的发生并不必然导致堤坝溃决这一重要结论。认为渗透变形是一个动态过程，当它们达到新的平衡后管涌的扩展也就停止了。提出了管涌模拟的随机模型。他们通过室内模型试验和渗流计算，对于在二元结构的堤基情况下，在设置悬挂式垂直防渗墙时，堤基中管涌的发生、发展和破坏的规律进行了系统地研究。结果表明，在单一和具有二元结构的堤基中设置悬挂式垂直防渗墙不能明显降低逸出的水力坡降，未能明显降低逸出的水力坡降和防止管涌的发生，但是它可以有效地阻止管涌向上游的发展，保证堤防的安全。值得说明的是，他们所谓的“管涌”实际上是泛指渗透变形或渗透破坏。目前，用数值计算准确地模拟堤坝及其地基的渗透破坏的全过程还有困难。土质防渗体坝中的裂缝与溃坝可能是由于水力劈裂引起的。水力劈裂这一概念最初来自于石油开采业，可利用水力劈裂将岩体裂缝劈开加大出油量。在土体中同样可能发生水力劈裂，例如在水利工程中发现，一些施工良好的坝蓄水以后意外的漏水，人们认为最大可能是由水力劈裂引起的。早在1968年Haimson进行了岩石钻孔的水力劈裂试验。Nobari在1973年利用空心圆柱土样进行了土的水力劈裂试验。1981年Jaworski、Duncan和Seed结合Teton坝的失事进行了试验研究。Kulhawy等人1976年通过有限元数值计算对于坝体出现水力劈裂的原因和条件进行模拟和探讨。我国在“七五”国家科技攻关项目中对于坝体的水力劈裂进行了系统的研究。黄文熙提出水力劈裂的发生准则：由总应力和内部孔隙水压力作用下，有效的小主应力为拉应力并达到土的抗拉强度时，就会在最小主应力面发生水力劈裂。他也指导完成了一系列复杂应力状态下水力劈裂的试验研究。由于土体自身存在微观的缺陷，在受力变形以后它会受到损伤，这就使土体中的水力劈裂的微观机理可能十分复杂，所以关于坝体水力劈裂的研究还有待深入。4)水利工程中的渗流控制。渗流控制目的是为了使堤坝或者水工建筑物地基不致被渗流破坏，或者为了减少漏水量。具体任务可能是：降低下游剩余水头或者降低浸润线；控制水力坡降或流速；控制渗流量，减少漏水量。但有时为了工程安全，某些措施也可能增加渗流量。渗流控制的基本方法是防渗与排渗。坝体的防渗设施有土质防渗体和非土质防渗体。其中面板堆石坝以混凝土面板作为坝体的防渗体。早期的高面板堆石坝常因四周边缝被拉开而产生绕坝渗流，发生大量漏水。以后吸取教训，改进了周边缝设计，注意了地基处理，使渗流量大的减少。面板堆石坝的渗流控制措施可以归纳为以下几点：a．各防渗系统之问，例如地基防渗帷幕与坝体混凝土面板之间，用趾板联结，形成完整的防渗体系。b．由上游面板到下游，在坝体中由细到粗设置垫层料、过渡料、主堆石料、次堆石料，面板上游底部还应设置防渗铺盖。c．在用砂砾料和风化料作坝体材料时，在坝轴线或略偏于上游处，主坝堆石料与风化料或软岩石的次堆石区之间设烟囱式排水。控制可能的渗流。人们分析沟后水库的溃坝原因之一是坝体排水不畅。d．在堆石体与地基或岸坡接触处，当有风化层、泥化岩层、断层裂隙的泥质充填处时，如果有发生渗流冲刷可能，要设置反滤保护。e．在混凝土接缝中，特别是易于受拉的周边缝中，设置能适应大变形同时能保持防渗性能的止水材料。我国水利部1998年发布的SL／T225一98《土工合成材料应用技术规范》中规定：对于高于50m的挡水建筑物，采用土工膜防渗应经过论证。在我国，1986年黑龙江40m高的蛤蟆通水库堆石坝上游采用复合土工膜心墙防渗，1990年竣工，运行良好，未见漏水。甘肃省酒泉市夹山子水库40m高砂砾石坝上游面及全库盘采用土工膜防渗，铺设土工膜55万m2，1993年竣工，亦运行良好。江西省婺源县堆石坝高51m，采用复合土工膜防渗，1998年竣工，由于脱焊较多，漏水0．18m3／s，需要修补。云南省楚雄地区老虎山梯级水电站塘房庙堆石坝坝高48m，采用复合土工膜心墙防渗，2000年建成后运行性态优良。三峡二期围堰的上部采用土工膜防渗，成果抵御了1998年洪水。在国外，意大利最高的AlpeGera是1964年建成的干硬性混凝土重力坝，坝高174m，由于原设计的防渗钢板腐蚀漏水，1992年用扁钢将复合土工膜锚固于上游面防渗加固，效果很好。1996年阿尔巴尼亚建成91m高的Bovilla复合土工膜斜墙堆石坝，向首都地拉那供水。在20世纪70~80年代法国先后建成了7座15~30m高的土工膜斜墙堆石坝，采用聚氯乙烯膜和丁基橡胶膜，其上下采用土工织物保护，都取得成功。西班牙1984年建成的PozadeＬosRamos坝，坝高97m，采用土工膜斜墙堆石坝，运行良好。目前在设计计算方法方面，施工方面和施工质量检测方面使用土工膜防渗已经是技术成熟的，有可能在高土石坝中推广使用土工膜防渗。使用土工合成材料制作的减压井，对于堤坝渗流控制有很重要的意义，但是淤堵及其防治是急需解决的关键技术问题。淤堵可能是机械淤堵、化学淤堵和生物淤堵。长江科学院对此进行了大量的试验研究。他们根据减压井可能的淤堵情况，研究了机械淤堵的五个方面、化学淤堵的六个方面。在减压井淤堵防治措施试验研究方面，对四种防治措施进行了室内模拟试验。试验中采用的材料有：基础砂、砂砾石、反滤料、滤网、自来水、葡萄糖水、硫酸亚铁盐等。提出了长江堤防减压井机械淤堵的成因和防治结论；揭示了减压井化学淤堵产生的主要时期、物质条件、环境条件、淤堵产生的位置、淤堵形式以及淤堵机理；指出Fe和Ca的富集和沉淀是减压井化学淤堵的主要缘由。此外有机质、以石英为主的砂粒，以及云母等的沉积也是减压井淤堵物的重要来源。也进行了室内延缓和防治减压井淤堵措施研究。同时，也研究了已经淤堵后减压井效果的恢复方法。以上研究发现，减压井滤网和反滤料中的化学淤堵主要来自间歇期井水内，而可拆换泡沫过滤体安装在反滤层的井内侧，可拆换泡沫过滤体对井水中铁形成的沉淀物具有明显吸附作用。（5）高土石坝与土工试验。土工试验是人们认识土的特性和揭示其工程问题的重要手段，土力学理论主要是基于试验观测和对试验结果的分析之上建立的。试验又是岩土理论、岩土数值计算与工程设计之间的纽带，亦即通过试验确定参数。试验也是检验理论和数值计算的重要依据和手段，模型试验更是解决工程问题的直接手段。随着土的本构关系模型理论研究和工程应用的进展，三轴试验越来越成为重要的试验手段。同时为了揭示土在复杂应力路径下的性状和验证所提出的本构关系模型，各种真三轴试验、方向剪切仪试验和空心圆柱扭剪试验迅速普及和发展。在解决岩土工程的问题时，通过现场测试取得参数是重要的手段，包括各种触探试验、旁压仪试验、载荷试验、现场剪切试验和各种物探方法。它们一般都是间接地获取设计所需要的参数。在高土石坝研究和设计计算中，室内土工试验起重要作用，如各类土料的应力应变关系试验、心墙土料的渗透和水力劈裂试验、湿化变形试验、动力特性试验等。由于堆石料的尺寸很大，所以当前一个重要的趋势就是试验的大型化，例如针对高土石坝进行堆石料试验的大型三轴仪，试样直径达到300mm、5()Omrn、700mm，甚至更大，围压达到10MPa以上；大型的直剪仪直径甚至更大。即使如此，对于坝体堆石材料的模拟还是不可避免的，其中相似法、剔除法、替代法和混合方法都被应用，各种模拟方法的模拟准则及“尺寸效应”对于材料的力学性质的影响还有待进一步研究论证。粗粒土动力特性的研究进展，很大程度上取决于测试技术的提高，直到1980年日本的国生刚治首次用大型三轴试验仪进行了粗粒土的动力变形测试。为了克服常规循环三轴试验主应力方向固定的局限性，Yasuda等人于1993年开始采用可以模拟土体中主应力轴旋转的室内循环扭单剪试验仪研究堆石料的动力性能。应当说明的是，粗粒土的动力特性试验研究，虽然近年来有了很大进展，但“尺寸效应”问题同样是今后需要研究解决的一个难点问题。粗粒土动力特性的试验主要测试其变形特性和强度特性。人们早就通过模型试验研究特定的边值问题和模拟具体的岩土工程问题，但1g的小比尺的模型试验有很大的局限性，这是由于岩土的应力应变关系和强度是非线性的。土工离心机模型试验用离心力模拟重力，是ng情况下的小比尺模型试验，其中的应力和应变与原型的相同，破坏机理相似。目前我国离心机试验技术和设备发展很快，其中中国水科院的450g－t的离心机和南京水利科学研究院的400g—t的离心机在小浪底堆石坝、三峡二期围堰等水利水电工程设计和方案比较中应用并发挥了很大作用。图9—2为中国水利水电科学研究院的离心机，最大加速度为300g，模型最大重量为3000kN。离心机与振动台结合模拟地震反应必将对土石坝的抗震设计起到巨大作用。在离心机中动态地模拟各类工程的施工和运行过程，模拟非饱和土工程问题，模拟污染物的扩散及污染土体的修复，模拟海洋工程及波浪作用等都是离心机模型试验正在努力解决的科学技术课题。足尺的模型试验和原型的观测十分珍贵可靠，但是造价昂贵，不可能进行大量的重复的试验。日本和美国都建设或者计划建造长宽几十米的大型振动台，日本的大型振动台造价高达5亿美元。这种不惜工本的大投人表明，人们已认识到理论分析和数值计算的局限性。同时这些测试资料也是验证理论和计算结果的标准，是进行反分析和信息化施工的依据。（6）面板堆石坝的一些关键技术问题。1）面板堆石坝的发展。由于重型的碾压机械和滑模技术的推广，近年来，混凝土面板堆石坝在国内外得到了广泛的应用。在2000年北京召开的国际大坝会议专门设立了混凝土面板堆石坝的专题会议。混凝土面板堆石坝为美国首创，20世纪60年代引入的堆石薄层振动碾压技术以后，面板堆石坝有了长足的发展，特别是高坝增长很快，已达到200m量级。据2000年的不完全统计，世界各国已建和在建的面板坝总数已达300座左右；其中中国约占1／3强。与一般的土石坝比较，面板堆石坝存在其特殊性的问题，亦即变形问题，渗透问题和环境的适应问题。我国在混凝土面板堆石坝的材料特性研究、本构关系模型建立和数值计算方面居世界先进水平。面板堆石坝的材料性质与以往有所不同；而刚性的厚度很薄的混凝土面板与堆石料及垫层过渡料之间的接触面及其相互作用是这种坝型的关键技术问题。所以各种接触面的本构关系模型在大量试验的基础上被提出和改进。在数值分析中，面板的应力、变形与开裂等往往是受到最大关注的问题。另一方面，堆石料湿化变形和随时间持续的变形（或称为流变、蠕变性）也被人们所发现和得到重视，因为这可能使面板的工作条件和状态恶化，在本构模型和数值计算中不能不考虑到这一情况。沈珠江在堆石料室内试验的基础上，提出了指数衰减数学模型，并用这一模型计算天了生桥一级面板堆石坝，发现堆石体的流变可显著地加大面板脱空的可能性。2）土石坝的后期变形——流变与湿化变形。实践表明，在荷载作用下随时间持续堆石料会发生变形，这对于混凝土面板的危害很大，可导致周边缝止水破坏和产生裂缝。这可能是由于堆石中的块石随时间软化而发生破碎、接触点的破损、颗粒的重新排列等原因造成的。对于这种变形的计算可采用两种途径：一是采用流变理论模型，例如Mexwell模型、Vogit模型、Merchant模型等；二是通过原型观测进行参数的反分析，建立经验函数型的流变模型。由于堆石料的尺寸限制，难以通过传统的室内试验研究其规律和确定其参数。通过长期的原型观测，随后进行参数反分析是实用的手段。目前我国在计算中常常采用基于应力应变速率关系的经验函数型流变模型，如采用指数衰减函数的沈珠江模型，采用双曲函数的王勇和殷宗泽模型等。另一个影响土石坝变形的因素是土的湿化变形问题。实践表明，堆石材料在初次蓄水时也可由于浸水而发生附加变形，这种变形会引起比较严重的后果。墨西哥的英菲尔尼罗心墙堆石坝高148m，首次快速蓄水时上游堆石突然湿陷，坝面形成长90m、宽40～60cm的纵向裂缝。而由于雨水入渗，坝体下游尾水升高也会引起湿化变形，这种变形对于面板堆石坝的危害很大。Nobari和Duncan对此提出基于双线法的初应变求解方法。在数值计算采用的计算模型中，关于湿化变形的测定一般可采用单线法和双线法。同时也建立了一些本构模型和数值分析手段来模拟这种变形，例如沈珠江、李广信都提出不同的模型。对公伯峡面板堆石坝的实例计算结果表明，湿化变形可以导致坝体的沉降和向下游的水平位移的增加，使面板中的水平向压应力和拉应力增加。3）面板堆石坝中的接触面问题。对于面板堆石坝，面板的开裂会引起渗漏，因而面板的应力开裂分析、接触问题、面板混凝土材料和施工方法与程序都是重要的问题。在不同材料间的接触面，由于两侧材料性质的差异使两侧存在较大的剪应力和位移不连续。这样在面板堆石坝中，面板与垫层间的接触面常常会发生较大的变形和应力集中，成为薄弱环节。接触面问题的研究包括：接触面试验研究、接触面本构模型和数值计算接触面单元。土与其他结构面接触问题的试验是研究的基础。直剪仪和单剪仪型式的接触面剪切仪是应用最广的试验仪器。扭剪仪、动三轴仪和共振柱也曾经被使用。清华大学研制的大型接触面试验机在面板堆石坝的接触面试验方面作出了许多成果。构接触面的动力特性与本构模型研究研究也是一个重要课题，也是进行如面板堆石坝的动力反应分析的基础。4）高寒地区的混凝土面板堆石坝。西部地区的高坝建设正方兴未艾，南水北调西线工程将建设多座高坝。混凝土面板堆石坝是首选坝型之一。寒冷、高地震烈度、深覆盖层是遇到的主要问题，国内外都积累了一些经验，可以借鉴。美国坝工专家库克在“堆石坝的进展”学术报告中列举了4个严寒地区已建面板坝的实例，认为寒冷地区的面板坝设计准则不需做大的修改。其中美国1959年建成的考尔赖特（Courtright）坝，高95m，1967年建成的卡宾溪（CabinCreek）坝，高76m，都处于高寒山区，最低气温都达—40℃，设计上没有采取什么专门措施，也未见发生冻害的报道。加拿大北部的奥塔迪斯2号（Outardes2号）坝，高55m，1978年建成，1978～1986年运行期间，实测最低气温为一28～一38℃，日最大温差20～28℃，面板完好无损。美国阿拉斯加的泰洛湖（TerrorLake）)坝，高59m，1985年建成，当地每年有7个月冰冻季节，最低气温达一36℃，坝的运行实态与类似的坝相当。中国在高寒山区和高纬度严寒地区建成的面板坝将近20座，最早建成的是新疆柯柯亚坝，高41.5m，1986年建成，坝区最低气温达－32.5℃，年温差大于70℃，昼夜温差在20℃以上，要求面板混凝土抗冻标号D200，并在其表面涂以黑色憎水材料，使水面冰盖与坝面问保持1～3crn的不冻区，在面板下的垫层区采用渗透系数cm／s的材料，运行情况良好。在高纬度地区的黑龙江莲花面板坝，高71.8m，年最低温度为-45.2℃，冰层厚度达1.3m，冰期每年达5个月之久，年温差达80℃，日温差达20～30℃，运行条件十分恶劣。采取的措施是提高面板混凝土设计标号至300号、Ｓ8、Ｄ300，降低水灰比，掺引气剂使含气量达4％～6％，同时在面板表面涂一层防护涂料，面板浇筑后越冬时采取可靠的保温措施，避免混凝土早冻。运行中出现的问题是表面塑性止水材料压接用的膨胀螺栓被冰盖拔出，做了不少处理工作。西藏的查龙坝，坝顶高程为4388m，为世界上高程最高的面板坝，高39m，1995年建成，坝区年最低气温达一41.2℃。西藏的楚松面板坝，坝顶高程4190m，情况也极为相似。其他年气温低于一30℃地区的面板坝还有黑泉（高123.5m，一33.1℃）、小山（高86.3m，一40.5℃）、双沟（高109.7m，一37.7℃）、关门山（高58.5m，37.9℃）、卡浪古尔（高62m，一40．5℃）、小干沟（高55m，33.6℃）、山口（高40.5m，一44.8℃）、龙首二级（高146.5m，一33℃）、海潮坝（高56m，一31.5℃）等。综观上述工程，对寒冷地区建造面板坝，应采取的措施有：①加强坝体碾压，在冬季不能洒水时，采取减薄层厚，增加碾重和碾压遍数等措施保证压实质量，天暖时坝面连续加水浸润，以增加沉降。②提高面板混凝土抗渗抗冻标号，掺高效减水剂和引气剂，尽量降低水灰比（如查龙降到0．35)，使含气量达4％～6％，有的达5％～7％。③面板表面涂黑色憎水(憎冰)涂料，增加热交换，维持冰面和面板间有一层不冻水。④适当增加面板钢筋含量，在水面变动及以上局部区域增设表层温度筋。⑤选择面板混凝土的有利浇筑时机，采取可靠保温措施，避免混凝土早冻。⑥改进表面止水与面板混凝土的联结方式，避免膨胀螺栓为冰盖拔出破坏。5）高地震区混凝土面板堆石坝。一般认为面板堆石坝的抗震稳定性是好的，但设计上仍要采取一些抗震措施，如坝上部适当放缓坝坡，预留震陷超高、加大坝顶宽度、坝顶坡面采用大块石砌护、加强坝顶刚度（必要时在坝顶附近采用加筋堆石、上下游坝顶挡墙连成整体）等。中国对堆石坝料物的动力试验及动力分析方面研究得比较深入，取得了达到国际先进，部分达到国际领先的成果，对高地震区的面板堆石坝建设有所促进。6）深覆盖层上的混凝土面板堆石坝。我国西部地区有许多河流有深厚覆盖层，将面板堆石坝趾板建置于覆盖层上，以连接板将坝基混凝土防渗墙与混凝土面板连接起来，形成完整的防渗体，是一种安全而又经济的解决方案。这种坝型的关键是查清覆盖层的组成和结构，有没有软土或易液化的夹层。混凝土防渗墙处理砂砾地基的技术已经成熟，其位置在坝体上游，可以与坝体分别施工，最后以连接板相连，由伸缩缝吸收剩余的不均匀变形，在结构上是安全的。1.2堤防工程（1）概述。堤防是河流中下游地区防洪的主要设施。我国筑堤防洪已有千余年的历史。历代修筑的各级堤防长达27万km。其中长江堤防总长达3万km，中下游主干堤防3600km。它们基本上是长期历史的产物，规划布置不尽合理，堤基地质条件复杂，质量参差不齐。以长江堤防为例，它们在冲积平原上沿河而建。其地基主要由河床相沉积、湖相沉积及河漫滩及溃口冲积扇组成，地层复杂，沿深度和长度方向地质条件变化很大。河岸多为二元结构，即上部为相对不透水的粉土和粘土层，下部为透水的砂层及砂砾层。在高洪水位下，背水一面堤后地基极易发生渗透破坏：堤后下部承压水击穿上部相对不透水土层时，导致渗透破坏。由于历代修堤不可能按照现代挡水建筑物理论方法进行科学规划、设计和施工，往往是就近取土，堤后取土坑形成沟塘；堤防在历次加高、延长、溃口——复建过程中形成，填土成分不均，年代不一，搭接部位错杂隐蔽；堤身填土密实度一般达不到标准，存在有生物洞穴、杂物和其他隐患；堤前水下滩地因冲刷淘深出现崩塌，危及堤防本身安全。据长江委多年险情统计，最为严重和普遍的汛期险情是渗透破坏（俗称管涌），它占总险情的60％以上，其中尤以堤基渗透破坏的危害为烈。1998年九江市溃堤等几大溃口，多由堤基“管涌”引起。另外，在汛期高洪水位下，堤身渗漏、散浸等险情十分严重。汛期堤身失稳（俗称脱坡、跌窝等）是另一种重要的险情，占险情的14．4％。1998年洪水也暴露出我国江河堤防安全性评价及管理水平尚有待发展和提高。堤防管理已成为我国江河防洪防汛工作的薄弱环节之一，不仅影响防洪减灾的科学决策，也影响到流域水利规划的合理制定。（2）堤防防渗与稳定的研究。对于土坡的稳定、变形和渗透及其引起的破坏问题国内外的学者已经进行了长期系统的研究。这些研究涉及边坡稳定的极限平衡与可靠度的研究、渗流控制研究、变形控制研究等。但是这类研究多集中于天然土坡和土石坝，尽管它们对于堤防工程有重要的参考价值，但针对堤防工程的特殊性和复杂性的理论研究工作相对薄弱。结合多年和1998年防洪和堤防加固的实践，以水利部和防汛办为首进行了许多有意义的总结工作。在国外对堤防的渗透破坏机理、发生条件及包括降雨影响的渗透计算也有所研究。在堤防防渗与稳定基础理论研究方面，我国自然科学基金专设重大项目《洪水特性与减灾方法研究》（2000～2004)。内容包括堤防的渗流计算分析；渗透破坏的模型试验与计算分析；渗流与抗滑稳定间的耦合分析；减压井的国内外调研、现场调查、室内试验等系列的工作。长江科学院结合荆江大堤，对不同的堤身填土和二元、多元的地层构造及有限厚或者深厚的透水地层等不同组合，开展了堤防渗流规律和加固措施的研究。事实上堤防工程中所谓的“管涌”，包含了流土和管涌等复杂的渗透破坏现象。近年来的现场调查表明：堤防渗透破坏具有十分复杂的机理和影响因素，因而除需要在开展理论分析和模型试验外，还需要深入现场调查，揭示各种地质条件下渗透破坏形成的内在成因和规律，为此科研人员对1998年洪水详细记录下来的“管涌”发生部位和特征状态进行认真的统计分析。对管涌发生距离的风险做出科学的论证，为长江干堤加固工程中保护区宽度这一重要指标的确定提供理论依据。（3）我国堤防工程的加固技术。1）垂直防渗设施。在规模巨大的堤防加固工程中，我国工程技术人员开发了一系列堤基垂直防渗和减压的新技术。深层搅拌水泥防渗墙技术使用地基土作为墙体的主要材料，使垂直防渗墙造价大大降低，在长江荆南大堤，完成了42km，总计面积达527746万m2。使用射水法、拉槽法修建薄壁混凝土墙的技术相继在安徽同马大堤，湖北荆南、粑铺大堤等工程使用。此外，土工膜垂直防渗墙也获得了较多使用。这些垂直防渗措施在一些管涌多发的地区起了保证大堤安全的关键性作用。2）减压井技术。减压井具有造价低，不影响地下水环境等优点，是防止管湧的有效措施。但淤堵问题长期以来一直影响着这一技术的推广。在长江大堤加固工程湖南段，新型的可拆卸、冲洗和更换的减压井问世，经过近二年的运行，效果良好。3）崩岸治理新技术。崩岸是威胁防渗安全的重大自然灾害。长江大堤的一些险工险段，每年回缩达数十米至上百米。近年通过GPS和声纳技术结合，在崩岸治理方面的技术进步主要体现下两个方面。a．水下地形测量技术。近年来GPS定位和水下地形测量技术更新，中国水利水电科学研究院近期曾对长江堤防水下地形和抛石情况进行过一次全面的检测。采用回声测深仪，可保证水下地形误差在1cm以内，采用条带测深仪，可一次在50～200m范围内条带式形成水下地形图。采用地层剖面仪，可以区分抛石和原河床。这些新技术为了解水下河道的冲淤变化提供了强有力的手段，也为崩岸的早期检测和治理提供了技术保证。b．崩岸治理新技术。在崩岸治理方面，摆脱了以往单纯依靠抛石的做法，开发了水下铰链沉排、土工模袋和土木布砂袋等新工艺，护理范围达到水下20余m的长江深泓区。中国水科院在江西省江心洲、棉船洲这些崩岸重灾区建设的这些水下防护工程已经历三年多的考验，江岸一直保持稳定。（4）堤防工程安全性评价。堤防工程安全性评价最近几年才引起重视，但目前堤防工程安全评价的提法也较为笼统，无论是在国外还是在国内，目前还没有一个明确的定义。在水利界，存在堤坝工程重大事故的危险，虽然这种事故的发生概率很小，但后果却极为严重。经验证明，传统经验型的管理方法已经不适用，需要转换为预测型的实时风险管理体系，这方面的研究工作已经引起国际水利界的广泛关注。与大坝安全评价相比，国内外