坝基老化岩—水—化学作用数值模拟研究

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—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—水化学作用过程及其影响因素；提出了坝基岩—水系中化学反应的平衡热力学和化学动力学两种定式化方法，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—水—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—水—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l1优化问题的Barrodale-Roberts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Newton-Raphson法和Barrodale-Roberts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—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—水—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、Newton-Raphson法和Barrodale-Roberts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。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：符号意义单位和量纲

学位论文独创性声明及学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1我国大坝老化状况

1.2坝基老化及其研究意义

1.3坝基老化研究现状

1.4本文研究范围和基本思路

1.4.1本文研究范围

1.4.2本文研究的基本思路

1.5本文主要研究工作

第二章坝基老化过程及其数值模拟方法体系

2.1概述

2.2坝基老化的岩－水化学作用过程及其工程效应

2.2.1坝基老化的岩－水化学作用过程

2.2.2坝基老化的工程效应

2.3坝基老化岩－水－化学作用数值模拟基础

2.3.1基本概念

2.3.2坝基岩－水系统中化学反应的定式化方法

2.3.3局部平衡原理

2.4坝基老化岩－水－化学作用数值模拟方法体系

2.5.1反向模拟

2.5.2正向模拟

2.5.3岩－水－化学耦合模拟

2.5本章小结

第三章坝基老化的反向模拟

3.1概述

3.2反向坝基老化模型

3.3模型的求解方法

3.4模型应用实例——新安江大坝右坝段坝基老化的反向模拟分析

3.4.1基本概况

3.4.2 2～5坝段坝基老化反向模拟计算

3.4.3计算结果的分析

3.5本章小结

第四章坝基老化的正向岩——水化学作用数值模拟

4.1概述

4.2正向坝基老化模型

4.3模型的求解方法

4.4模型应用实例

4.4.1帷幕老化的温度依赖性分析

4.4.2三峡大坝坝基老化的正向模拟分析

4.5本章小结

第五章坝基老化的岩－水－化学耦合模拟

5.1概述

5.2坝基老化的岩－水－化学耦合模型

5.3模型的求解方法

5.3.1渗流模型的求解

5.3.2反应－迁移模型的求解

5.4模型应用算例——某大坝坝基老化的二维耦合模拟分析

5.4.1基本概况

5.4.2模型计算区域水文及地球化学参数的选定

5.4.3模型计算及其结果

5.4.4计算结果的分析

5.5本章小结

第六章主要结论与展望

6.1主要结论

6.2未来工作展望

参考文献

攻博期间参与的科研项目和发表的学术论文

致谢