水利水电工程渗流多层次控制理论与应用

水位循环涨落 复杂渗流控制结构 防渗排水 系统
水利水电工程渗流过程
多相流
2.1 非稳定渗流分析的Signorini型抛物变分丌等式方法
Signorini型互补边界 奇异点
水位涨落与骤变
强非线性边界条件
, ) a( , ) j ( ) 0 t
提出了非稳定渗流分析的Signorini 型抛物变分丌等式解法 从理论上解决了非稳定渗流溢出点的 奇异性问题
K12 K 22 K 32
K13 K 23 K 33
91 0 50 100m
配线优化反演
抽(注)水试验
渗透张量
基于解析解的渗透系数张量反演
1.3 裂隙岩体渗透特性的反演方法
倾向 β
倾角 γ 反演当量渗透系数Kej Kej
开始 建立研究区地下水渗流场 数学模型 输入待反演参数 计算目标函数
裂隙尺度 岩体尺度
建立了岩块渗透率演化的增量 Kozeny-Carman模型
建立了岩体结构面渗透性演化解析 模型 建立了考虑峰后力学特性的岩体渗 透张量演化模型
K k f 0 (1
f
sf bf 0
zf )3 (δ n f n f )
主渗透率
z
y
岩体尺寸
x
1.2 岩土体渗透性测试技术
80
06/10/8
07/11/25 08/5/11 07/2/4 07/4/5 07/5/27 07/8/19
0 0 2006/09/26 2007/01/04 2007/04/14 2007/07/23 2007/10/31 2008/02/08 2008/05/18
地下厂房
帷幕
Time (yyyy/mm/dd)
n
sin j sin 2 j cos j 1 sin j sin j
2 2
sin j sin j cos j
cos j sin j cos j sin j sin j cos j 1 cos2 j
1.3 裂隙岩体渗透特性反演方法
i E K ej kn ( H kc (t n ) H ko (t n )) 2 n 1 k 1
岩体结构面统计特征

NT M
基于结构面控制的 渗透张量数值反演方法
否
是否符合误差要求 是 根据流量或压水试验资料 确定渗透张量绝对值 结束
1 cos 2 j sin 2 j K K ej sin j cos j sin 2 j j 1 cos j sin j cos j
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 反演技术
裂隙岩体 渗透张量 演化模型
岩土体渗透参 数测试新技术
1.1 岩体渗透特性的多尺度效应不演化特征
岩块 尺度 岩体尺度
多尺度性
各向异性
结构面尺度 裂隙岩体
1.1 岩体渗透特性的多尺度效应不演化特征
岩块尺度
工程层次
勘测
规划
结构层次
设计
施工 运行
系 统 优 化
材料层次
管理
多层次、全过程、系统优化渗流控制
存在理论和技术难题
1 2
3 4
研究背景 多层次渗流控制体系 多层次渗流控制理论与技术 工程应用
1、复杂岩土体渗透特性演化模型与测试技术
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
建立了岩块渗透率演化的增量 Kozeny-Carman模型
应力 渗透率 应变
1.1 岩体渗透特性的多尺度效应不演化特征
岩块尺度
裂隙尺度
建立了岩块渗透率演化的增量 Kozeny-Carman模型
建立了岩体结构面渗透性演化解析 模型
剪应力
渗透率
剪位移
1.1 岩体渗透特性的多尺度效应不演化特征
岩块尺度
初始 条件 边界 条件
pw ( x, y, z, t ) t t pw0 ( x, y, z)
0
(in )
pw ( x, y, z, t ) pw
(on Γp )
qn ( x, y, z, t ) w v n q (on Γq )
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 多场耦合控制 介质特性控制 初始状态控制 边界条件控制 制机制，为介质特性控制
12:00 失事后 11:30 失事前
美国Teton土坝因渗透破坏导致溃决
1963.10.9
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
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
1 2
3 4
研究背景 多层次渗流控制体系 多层次渗流控制理论与技术 工程应用
解决了水利水电工程非稳定渗流过程的准确模拟问题
2.2 复杂渗控结构的精细化模拟技术
大型排 水系统
防渗帷幕
典型坝段排水孔幕
排水孔幕的边界特性
K'oook 1 q'ok
1 K'oo K oo K om K mm K mo
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-
研究成果被《水电水利工程钻孔抽水试验规程(DL/T 5213-2005)》采用， 编入《水力发电工程地质手册》(ISBN 978-7-5084-9219-3)，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不技术
泄洪雾化
库水涨落
降雨不泄洪雾化雨 固水气多相渗流
3.1 水利水电工程渗流控制全过程优化理论
渗流控 制系统
防渗系统 排水系统 反滤系统
控制 方程
渗流控 制优化 理论
k k w rw pw w g w kT T w nSr v w t p p T n w n Sr cw cS w w ncS g w n Sr cwT cST w Sr w jwg t t t t
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 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
解决了大型排水孔幕渗控效应定量评价难题
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
库坝防渗排 水系统优化
宽级配料反 滤设计方法
堤防减压井 新型结构
Reservoir water level (m)
Pore water pressure head (m)
面
板
q2
40
254.8m on 2006/11/08 30
溢出区
240
380m
工程实 践验证
面板
稳定时的自由面
排水孔
20
160
排水廊道
10
Fra Baidu bibliotek
Dissipation of pore water pressure 2007/02/21 P01-1-4
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
报告人： 王锦国
河海大学 地球科学与工程学院 2012.9.24
1 2
3 4
研究背景 多层次渗流控制体系 多层次渗流控制理论与技术 工程应用
堤防工程 高坝大库
调水工程 地下洞室
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
q f
n e3 )d t
2.1 非稳定渗流分析的Signorini型抛物变分丌等式方法
1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 稳定渗流自由面 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
t
60 t=0 5 10 15 20 t=0 5 20 30 10 15 40 30 40 20 15 10
客观反映现场应力路径
消除室内试验尺寸效应
1.3 裂隙岩体渗透特性反演方法
Q Pu, r / B 4M 3 K1K2 K3
提出
a b
s
P u, r / B W(u, r B )
Rn n d 1 n l sin sin M n M
初始 条件 边界 条件
pw ( x, y, z, t ) t t pw0 ( x, y, z)
0
(in )
pw ( x, y, z, t ) pw
(on Γp )
qn ( x, y, z, t ) w v n q (on Γq )
自主研发的测试装置
1.2 岩土体渗透性测试的技术
气压激振
渗流 运动
周期短、成本低
无污染、高效灵活
水流振荡波
美国1995年颁布的国家标准
1.2 岩土体渗透性测试新技术
分期开挖 掌 子 面 分段压水 岩体分期开挖 岩 体 渗 透 性
变形 监测
开挖步骤
＋
钻孔压水
＋
变形监测
＋
渗透性反演
直接利用现行试验规程
k 1 k q'ok qo K om K mm (qm K miik )
变分丌等式-自适应罚函数（SVA）技术
1 if z 1 z 2 H ( z ) if z 1 z 2 (1 2 ) 0 if z 2
`
室内试 验验证
干湿区分界线
Drainage tunnels
无排水
60
0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
有排水
无排水
50
q1
400 Initial impounding of reservoir Reservoir water level Solid symbols: measured Hollow symbols: computed P01-1-1 205.8m on 2006/10/19 P01-1-2 P01-1-3 320


2M (l d )
R W u,
n 1 n
( r B ) 2 (nr M ) 2

n Z cos M
岩体三维井流问题解析法
N
90
92
08 80
抽水井 观测井
b
a
66 93
88 61
K11 K K 21 K 31
(
(
, ) g n 1 H d t t

a , [ ] k v0 d
j ( ) ( )(n v)d ( )(
1.3 裂隙岩体渗透特性的反演方法
2、水利水电工程渗流过程的精细模拟方法与技术
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、水利水电工程渗流多层次控制理论与技术
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
3.1 水利水电工程渗流控制全过程优化理论
防渗系统 反滤系统
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
3.1 水利水电工程渗流控制全过程优化理论
渗流控 制系统
防渗系统 排水系统 反滤系统
控制 方程
渗流控 制优化 理论
k k w rw pw w g w kT T w nSr v J= < J cr w t p p T n w n Sr cw cS w w ncS g w n Sr cwT cST w Sr w jwg t t t t
气压激振
渗流 运动
水流振荡波
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
Pneumatic Slug Testing 美国
GW1600 Univ. of Connecticut 否
振荡试验快速 测试装置 中国
HSZK-V3.0 河海大学 是
生产国家
型号 研发机构 能否测试各向 异性渗透张量