水利水电工程渗流多层次控制理论与应用
水利水电工程中的渗流与渠道
水利水电工程中的渗流与渠道水利水电工程是指利用水资源进行供水、灌溉和发电等工作的工程。
渗流与渠道是水利水电工程中重要的概念和问题。
渗流是指水分在土壤或岩石中以渗透的方式向下或向侧面流动的现象。
在水利水电工程中，渗流是一个重要的问题，因为它会导致水库、堤坝等结构的渗漏，可能造成水工结构的破坏。
渗流的控制和防治是水利水电工程中的一项重要任务。
一种常见的控制渗流的方法是通过修建防渗墙来阻止渗流。
防渗墙可以采用土工织物、混凝土、聚合物等材料来构建，以阻止水分的渗透。
此外，还可以通过注浆、渗流加固等技术手段来加强渗流的控制。
渠道是指用于引导和输送水的人工水道。
在水利水电工程中，渠道是非常重要的，因为它将水资源从水源地输送到需要的地方，满足人们的生产和生活用水需求。
渠道的设计和建设需要考虑很多因素。
首先，需要确定渠道的流量和水位，以确保水资源的正常引导和输送。
其次，还需要考虑渠道的稳定性和防护措施，以防止因地质灾害和其他因素导致渠道破坏。
此外，还需要考虑渠道的维护和管理，以确保渠道的正常运行。
为了提高渠道的效率和减少水资源的浪费，水利水电工程中经常使用渠道的优化技术。
例如，可以通过改变渠道的横断面形状和斜率来减小阻力，提高流速和输水能力。
此外，还可以利用节水灌溉技术、水泵和水闸等设备来更好地管理和利用水资源。
总之，水利水电工程中的渗流与渠道是一个非常重要且复杂的问题。
控制渗流和合理设计渠道是确保水资源安全和高效利用的关键。
在未来，随着技术的进步和经验的积累，渗流与渠道的研究将会更加深入和完善，为水利水电工程的发展和水资源的可持续利用提供更多的支持和指导。
水力坡降法在大坝渗流监测中的应用
水力坡降法在大坝渗流监测中的应用周国强【摘要】甘肃神树水电站首部枢纽工程大坝为混凝土面板堆石坝,最大坝高88.8 m,坝顶长217.39 m.坝址位于深覆盖层河床上.大坝为2级建筑物,按照规范要求必须对其渗流量进行监测,但由于大坝基础坐落在深厚覆盖层基础上,河床宽度相对较宽,如按常规设置量水堰,需在量水堰上游设置截渗墙进行坝体渗流量监测,其工程量及投资较高.为了节省工程投资,同时还能够合理地对坝体渗流量进行安全监测,确保工程运行安全,根据相关规范要求提出了用水力坡降法替代量水堰法对坝体进行渗流量监测,以达到工程渗流监测的目的.此举为深厚覆盖层修建的土石坝的渗流监测开辟了新的方法,可以优化工程投资,提高工程效益.目前,相关设计方案已经实施,待水库蓄水时即可投入运行.【期刊名称】《中国水利水电科学研究院学报》【年(卷),期】2014(012)004【总页数】5页(P371-375)【关键词】混凝土面板堆石坝渗流监测;水力坡降法渗流量监测;渗流抽水井;渗流量计算【作者】周国强【作者单位】中国市政工程西北设计研究院有限公司,甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TV139.1神树水电站首部枢纽工程位于甘肃省天祝藏族自治县毛藏乡境内的杂木河干流上游，大、小毛藏河交汇口下游约380m处，其地理位置为东经102°26′40″、北纬37°31′10″。
坝址距毛藏乡约3.5 km，距杂木河出山口（杂木渠首）约32.5 km。
水库总库容为4 183万m3，兴利库容为3 732万m3，50年淤积量为418万m3，死库容为278万m3，调洪库容为173万m3。
电站额定水头422.27m，设计引用流量15.0m3/s，电站总装机容量52MW，多年平均发电量1.679亿kw·h，年利用小时数3 211 h。
工程首部枢纽主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水发电隧洞进口、泄洪排沙洞等建筑物组成。
深厚覆盖层释水变形理论与工程应用-河海大学科技处
饱和非饱和软土渗流变形模型
庄超
10
博士研究生
河海大学
河海大学
多层含水系统水文地质参数确定方法
主要完成单位及创新推广贡献
河海大学作为本项目的独立完成单位，在项目的立项、研究、成果凝练和工程应用方面作出了重要贡献，在项目中起到总体方案策划和技术路线制定的关键作用，并负责项目执行过程中的组织、协调、科研工作落实、成果整理、评审鉴定等工作。
河海大学深厚覆盖层释水-变形特性与基础施工安全控制课题组长期从事覆盖层变形特性及其工程应用领域的科研和教学工作。为满足深厚覆盖层地下水资源、地质环境及大型工程安全需求，十多年来围绕深厚覆盖层变形机理、水文地质参数获取技术、大型工程地层变形控制及监测测试技术等进行了大量的科学研究工作，在软土释水-变形规律及参数确定方法、控制沉井基础安全施工的注水助沉技术、基础外水压力控制技术和周边地层变形安全控制技术、基础与地基相互作用监测技术等方面取得了一系列成果，丰富了水文地质学理论和方法。研究成果已直接应用于解决深厚覆盖层大型基础施工及控制问题，先后在江阴长江公路大桥、润扬长江公路大桥、苏通大桥、泰州长江公路大桥、南京市地铁工程、南京市过江隧道等工程中得到了成功应用，相关监测测试技术和方法已推广应用于水利水电、电力、矿山等行业中，取得了巨大的社会经济效益。
申请发明专利
(1)周志芳，赵燕容，王锦国，王仲夏。一种智能控制钻孔地质参数测量装置，发明专利，申请号：CN201410391692.7
(2)刘国庆，周志芳，吴蓉，王锦国。多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，发明专利，申请号：CN201320092133.7
实用新型专利
(1)周志芳，杨建，余钟波，吴蓉，黄勇。钻孔振荡式渗透系数取值试验气压式水头激发装置，实用新型，ZL200820030982.9
渗流分析在水利工程安全评价
渗流分析在水利工程安全评价一、渗流分析概述渗流分析是水利工程中的一项关键技术，它涉及到地下水在土体中的流动特性及其对工程结构安全性的影响。
渗流现象普遍存在于各种水利工程中，如水库、大坝、堤防、排水系统等。
正确评估渗流对工程结构的影响，对于确保工程安全和延长工程寿命至关重要。
1.1 渗流分析的重要性渗流分析的重要性主要体现在以下几个方面：首先，它可以帮助设计者和工程师了解地下水流动的规律，从而在工程设计阶段就考虑到渗流的影响。
其次，通过渗流分析，可以预测和评估工程结构在地下水作用下的稳定性，避免渗流引发的工程灾害。
最后，渗流分析还有助于优化工程设计方案，提高工程的经济效益和社会效益。
1.2 渗流分析的应用场景渗流分析的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 水库和大坝的渗流控制：评估水库和大坝在地下水作用下的稳定性，设计合适的防渗措施。
- 堤防工程的渗流安全：分析堤防在地下水作用下的渗流特性，预防渗流引起的管涌和滑坡。
- 排水系统的优化设计：通过渗流分析，优化排水系统的布局和结构，提高排水效率。
- 地下水资源的合理开发：评估地下水开采对周围环境和工程结构的影响，实现地下水资源的可持续利用。
二、渗流分析的理论基础渗流分析的理论基础主要包括地下水动力学、土力学和流体力学等。
这些理论为渗流分析提供了科学的方法和工具。
2.1 地下水动力学地下水动力学是研究地下水流动规律的科学。
它涉及到地下水的补给、径流、排泄等过程，以及地下水与土体之间的相互作用。
地下水动力学的基本方程是达西定律，该定律描述了地下水在土体中的渗透速度与水头梯度之间的关系。
2.2 土力学土力学是研究土体物理性质和力学行为的科学。
在渗流分析中，土力学主要关注土体的渗透性、压缩性和强度等特性。
这些特性对地下水的流动和工程结构的稳定性有重要影响。
2.3 流体力学流体力学是研究流体运动规律的科学。
在渗流分析中，流体力学提供了描述地下水流动的数学模型和计算方法。
工程渗流分析与控制
目录分析
这一章专门介绍了多相流渗流的基本概念和原理。多相流渗流是指两种或两 种以上不同相态的流体在多孔介质中的流动，这类流动在石油、化工等领域具有 广泛的应用。
目录分析
这一章讨论了地下水污染与控制的问题。通过介绍地下水污染的现状、原因 和危害，提出了一些有效的控制措施和方法。
目录分析
这一章的是土壤盐碱化的防治问题。通过介绍土壤盐碱化的形成机理、危害 和防治措施，为读者提供了关于土壤盐碱化防治的基本知识。
目录分析
这一章深入探讨了渗流的基本原理，包括达西定律、不稳定渗流、扩散方程 等。这些原理是进行渗流分析和计算的基础。
目录分析
这一章介绍了如何使用数值模拟方法进行稳定渗流分析。数值模拟方法可以 有效地解决复杂渗流问题，提高计算效率和精度。
目录分析
这一章继续探讨了非稳定渗流的数值模拟方法。非稳定渗流是指随时间变化 的渗流过程，对于这类问题的处理，需要使用更复杂的数值方法。
阅读感受
《工程渗流分析与控制》是一本理论与实践相结合的书籍，它不仅提供了深 入的理论知识，也提供了实用的技术指导。这本书对于工程师来说是一本宝贵的 参考书，对于学者来说是一本有价值的学术著作。我相信这本书对于每一位读者 来说都将有所收获，并有助于他们在工程渗流分析与控制方面取得更好的成果。
目录分析
精彩摘录
“渗流控制是工程设计中不可或缺的一部分。通过合理的控制措施，我们可 以防止渗流对工程设施产生不利影响，保证工程的稳定性和安全性。”
精彩摘录
“渗流监测是了解和控制渗流的关键手段。通过布置适当的传感器和测量设 备，我们可以实时监测渗流情况，及时发现问题并采取相应的措施。”
精彩摘录
“渗流研究是不断推进工程科学发展的重要课题。随着科技的进步，新的理 论和新的方法不断涌现，为渗流研究提供了更多的可能性。”
渗流及渗透稳定计算应用
渗流也可呈紊 流流 态 ， 可用 渗流 雷诺 来判 别 。渗 流
雷诺 胁 的计算公式为 ：
流具有下列性质 ： 通 过任一 断 面流量 与真 实水 流 相等 ； ① ②
在某 一断面水头 和压力 和真 实水 流一 样。这一 假 想水 流就 称渗流。
ｍ： 盟
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（） ２
水利工程中有很 多方 面 涉及 渗流 。例 如水 工 建筑 物 的 透水 地基中以及与建 筑物 连接 的岩层 或土 体 中的 绕渗 及渗 流、 挡水土坝 中的渗流 、 灌溉 抽水 或施 工排 水 时在 地层 中引 起 的渗流等。主要研究的渗流问题 是 ： 渗流 区域 内 的水 头或 地下 水位的分布 、 渗流量 的确定 、 渗流 作用 于建 筑 物基 底上 的力 、 渗流速度分布及其 引起 的土体结 构变形等。 渗流的基本定律是 １５ ８６年法 国工程 师达西 （ ａｃ） Ｄ ｒｙ 由实
关键词 ： ； ； 渗流 原理 达西定律 ； 透水地基 ； 渗透稳定
中图分类号 ：Ｖ１９ １ Ｔ ３． ４
文献标识码 ： Ｂ
１ 引 言
在水利 、 地质、 石油 、 采矿 、 化工 和土 建等许 多行业 中 ， 都 涉及有关渗流 问题 。水利工程 中的渗流 ， 主要 是研究 水在地 表 以下 的土壤 、 岩层 等孔 隙介 质 中以及 在地表 人工堆 砌 的土 体 中流动 。水工建筑物修一般修建 在河 道或渠 道上 ， 水工建 筑物修建 以后 ， 建筑物 的上 游一般 形 成壅水 ， 使建 筑物 的上 下游形成水头差 ， 在水 头 的作 用 下 ， 筑 物将 产生 从高 水位 建 向低水位方 向的渗 流 ， 渗流对 建筑 物 ， 特别 是 土质 地基 将产 生不利影响 ， 如果发 生渗透破 坏 ， 工建 筑物失 事后果严 重 ， 水 因此在设计和管理环节 ， 应重 视渗流计 算。
层次分析法在水利水电规划中的应用探讨
水能经济层次分析法在水利水电规划中的应用探讨周治荣【摘要】层次分析法能够对各项数据进行有效的检验，对工程建设的实施具有良好的效果。
水利水电工程在进行规划设计的过程中，积极应用层次分析法，能够对影响工程建设的因素进行了解，从而有效避免建设施工的风险因素，提高工程施工的质量和水平，保证其能够达到相应的要求和标准。
本文主要从水利水电工程中应用层次分析法的基本原理入手，对层次分析法的判断矩阵和一致性检验情况进行了说明，并对层次分析法在水利水电规划中的应用情况进行了介绍，同时还结合实际案例加以验证。
【关键词】层次分析法；水利水电；规划；应用中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司 广西南宁 5300071.前言市场经济的持续健康发展，给水利水电工作的顺利实施提供了良好的前提条件。
水利水电工程在进行实际建设施工的过程中，建设经历的时间较长，且涉及到较多方面，这就相应增加了工程的建设难度。
水利水电工程的设计人员充分使用现代的科学技术，比如说层次分析法，能够对水利水电工程的全面工作进行有效的规划和整理，从而减少一些潜在的风险，保证水利水电工程的施工质量能够达到相应的标准和要求，同时还能对工程建设施工的质量和进度进行有效的控制。
2.水利水电工程中应用层次分析法的基本原理层次分析法（AHP：the Ana-lytic Hierarchy Process），主要是将能够参与到决策问题的所有影响因素进行列举，对这些因素的从属关系进行有效分析，并以此为依据，构建其多层次的结构模型。
通常情况下，层次分析法构建起的结构模型主要分为三个部分，分别是最高层、中间层和最底层，最高层也就是所说的总目标，其次中间层主要指代的是相应的准则或者指标，而最底层也就是具体的方案规划。
层次分析法使用的具体模型结构如下，根据其模型结构能够建立起相应的判断矩阵，并且为做好相应的一致性检验工作提供良好的前提准备。
图1 层次分析法的具体结构模型示意图2.1 层次分析法的判断矩阵针对上图所示的层次分析法结构模型中的某一层次来讲，它是与多种影响因素进行紧密联系的，使用活动矩阵和判断矩阵，能够对其中的特征向量进行有效的查找和应用，从而提升层次分析法的总体应用效果。
渗流-水力学课程主页可编辑全文
1-1断面平均流速
1 A
udA k dH
A
ds
uA
上式就是著名的杜比公式，系法国学者杜比于1857年 首先推导出来。
19
2、杜比（J.Dupuit）公式的意义
杜比公式表明：在渐变 渗流中，过水断面上各点 的流速相等，等于断面平 均流速。但不同过水断面 上流速大小则是不相等的。
达西公式表明在均质孔隙介质中渗流流速与水力 坡度的一次方成比例并与土的性质有关，此即为 著名的达西定律，也称为渗流线性定律。
11
二、达西定律的适用条件
水头损失和流速一次方成比例，乃是液体作层流运动 所遵循的规律，由此可见达西定律只能适用于层流渗流。
渗流流态的判别
式中， 为土颗粒级配曲线上比它小粒径占全部土重的
由于地层广阔，地下明槽的渗流常按一维流动
处理，并将过水断面简化为宽阔的矩形断面，
此时A0 。h0 若令 h，则
Ah
h0
dh h0d
将其代入微分方程化简整理可得
ds h0d h0 d h0 (1 1 )d i(1 1 ) i 1 i 1
式式中对中，上，式积，分，可得 。。 1
以及空隙介质的特性。不同空隙介质的渗透系数是不同的。
渗透系数是一个有因次的物理量 [k] =[v]
渗透系数k值是反映土的渗流特性的一个综合指标，常用以下 几种方法获得：
1、经验法 2、室内测定法 3、野外测定法
13
土的渗透系数参考值
土名 粘土 亚粘土 轻亚粘土 黄土 粉砂 细沙 中砂 均质中砂 粗砂 均质粗砂 圆砾 卵石 无填充物卵石 稍有裂隙岩石 裂隙多的岩石
ds
浸润曲线以N——N线为渐近线。
2、正坡浸润曲线的定量计算
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(
, ) g n 1 H d t t
a , [ ] k v0 d
j ( ) ( )(n v)d ( )(
`
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 )
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