巖土水力學(xué)

前言

　　21世紀(jì)，人類面臨著嚴(yán)重的資源環(huán)境問(wèn)題，資源短缺導(dǎo)致全球性能源危機(jī)和糧食短缺，環(huán)境問(wèn)題導(dǎo)致大氣污染、水體污染、生物多樣性減少等。地表以下的巖土介質(zhì)屬于環(huán)境的一部分，正在遭受著土壤污染和地下水污染。從生態(tài)環(huán)境角度看，研究巖土介質(zhì)中污染物的遷移轉(zhuǎn)化對(duì)地下環(huán)境和生態(tài)的影響、核廢料深埋處置和垃圾深埋處置對(duì)地下環(huán)境的影響評(píng)價(jià)與安全設(shè)計(jì)、二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的評(píng)價(jià)與安全設(shè)計(jì)等，是巖土水力學(xué)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容；從礦產(chǎn)資源開(kāi)采角度看，巖土水力學(xué)重點(diǎn)研究礦山開(kāi)采過(guò)程中巖土應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合作用、對(duì)礦山開(kāi)采安全性和突水的影響評(píng)價(jià)與工程防治設(shè)計(jì)；從巖土工程角度看，巖土水力學(xué)重點(diǎn)研究工程開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力重分布與滲流耦合作用機(jī)理以及工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、涌水量預(yù)測(cè)與突水防治；從地質(zhì)災(zāi)害角度看，巖土水力學(xué)重點(diǎn)研究巖土介質(zhì)中地下水變化導(dǎo)致的滑坡、地面沉降、地表塌陷及水庫(kù)誘發(fā)地震等的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)；從地球科學(xué)角度看，研究地球板塊運(yùn)動(dòng)與地幔流體相互作用過(guò)程（流－固耦合問(wèn)題），分析板塊接縫處的地應(yīng)力分布和變化狀況，進(jìn)行地震與火山的預(yù)測(cè)，這可能是巖土水力學(xué)與地震學(xué)研究的新課題。　　在過(guò)去的30年，地下水開(kāi)采、石油天然氣開(kāi)采和地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)等領(lǐng)域，需要研究流體在裂隙巖體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以合理地制定開(kāi)采方案；核廢料和垃圾深埋處置工程中污染物的遷移預(yù)測(cè)，以設(shè)計(jì)合理的隔離方案，這些都使得裂隙巖體滲流問(wèn)題研究得到深入開(kāi)展?？茖W(xué)家認(rèn)識(shí)到現(xiàn)場(chǎng)研究需要多學(xué)科的合作。水文學(xué)者具有很強(qiáng)的水力學(xué)知識(shí)，但缺少地質(zhì)學(xué)、地球物理和巖土力學(xué)專業(yè)知識(shí)，在裂隙巖體滲流研究中受到限制；相反，地質(zhì)學(xué)、地球物理和巖土力學(xué)方面的專業(yè)學(xué)者對(duì)于裂隙水力學(xué)難以理解。過(guò)去30年的實(shí)踐，使我們認(rèn)識(shí)到多學(xué)科交叉的重要性?！　”緯?shū)試圖建立一個(gè)滲流力學(xué)與巖土力學(xué)的交叉學(xué)科體系，研究各種人類活動(dòng)和地質(zhì)過(guò)程引起巖土介質(zhì)空隙變化，揭示變化巖土介質(zhì)中流體流動(dòng)規(guī)律；研究各種人類活動(dòng)和地質(zhì)過(guò)程引起流體變化，揭示巖土介質(zhì)耦合作用下的力學(xué)行為。就是說(shuō)，研究巖土介質(zhì)中變形與滲流的相互作用規(guī)律，揭示多場(chǎng)耦合作用下的巖土介質(zhì)滲流規(guī)律、變形規(guī)律以及地球生物環(huán)境規(guī)律。

內(nèi)容概要

巖土水力學(xué)（geohydraulics）是滲流力學(xué)、巖土力學(xué)、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)、環(huán)境科學(xué)交叉形成的一門新學(xué)科，本書(shū)以作者多年來(lái)在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（10572090，10172071，49572162）的研究成果為基礎(chǔ)，融合了國(guó)內(nèi)外這一領(lǐng)域的最新研究成果，形成獨(dú)特的學(xué)科體系。全書(shū)共分9章，分別介紹巖土水力學(xué)的定義、研究?jī)?nèi)容、研究狀況與趨勢(shì)以及巖土水力學(xué)特性、巖土水力學(xué)基本定律、巖土水力學(xué)數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法、巖土水力學(xué)數(shù)學(xué)模型反演、細(xì)觀巖土介質(zhì)滲流與應(yīng)力關(guān)系、巖土介質(zhì)空隙堵塞與滲流耦合分析及巖土水力學(xué)的應(yīng)用。    本書(shū)可作為巖土工程、巖土工程力學(xué)、環(huán)境科學(xué)與工程、水利工程、建筑工程、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)、石油工程、地下工程等學(xué)科本科生、研究生教材以及研究者的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

前言第1章 概論  1.1 巖土水力學(xué)的定義  1.2 巖土水力學(xué)的研究?jī)?nèi)容  1.3 巖土水力學(xué)的研究進(jìn)展第2章 巖土體的水力學(xué)性質(zhì)  2.1 基本概念  2.2 巖土體介質(zhì)的特性  2.3 巖土體空隙的形成機(jī)理  2.4 巖土體地質(zhì)賦存及其滲流特征  2.5 巖土體介質(zhì)的滲透特性  2.6 地下水對(duì)巖土體力學(xué)性質(zhì)的影響  2.7 巖土體的滲透穩(wěn)定性問(wèn)題  2.8 巖溶塌陷和水庫(kù)滲漏問(wèn)題第3章 巖土水力學(xué)基本定律  3.1 多孔連續(xù)介質(zhì)滲透定律  3.2 裂隙介質(zhì)水力學(xué)定律  3.3 巖溶管道介質(zhì)水力學(xué)定律  3.4 裂隙滲流與應(yīng)力相互作用的基礎(chǔ)理論第4章 巖土介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法  4.1 基本概念  4.2 多孔連續(xù)介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法  4.3 裂隙介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法  4.4 雙重介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法  4.5 巖溶水流系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法第5章 巖土水力學(xué)耦合過(guò)程的數(shù)學(xué)模型  5.1 基本概念  5.2 巖土孔隙連續(xù)介質(zhì)水力學(xué)耦合模型  5.3 巖土等效連續(xù)介質(zhì)水力學(xué)耦合模型  5.4 巖土裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)水力學(xué)耦合模型  5.5 巖土雙重介質(zhì)水力學(xué)耦合模型第6章 巖土水力學(xué)參數(shù)確定方法  6.1 基本概念  6.2 數(shù)學(xué)模型反演的數(shù)值方法  6.3 巖土水力學(xué)模型參數(shù)確定的卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)方法  6.4 巖土水力學(xué)參數(shù)反演的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型  6.5 巖土水力學(xué)參數(shù)反演的最小二乘支持向量機(jī)方法  6.6 巖土水力學(xué)參數(shù)反演的粒子群優(yōu)化算法  6.7 巖土水力學(xué)參數(shù)反演的遺傳算法第7章 細(xì)觀巖土介質(zhì)滲流與應(yīng)力關(guān)系  7.1 基本概念  7.2 細(xì)觀尺度巖石損傷一破裂過(guò)程的CT觀測(cè)  7.3 CT尺度巖石滲透水壓力作用下的滲流特性分析  7.4 CT尺度巖石應(yīng)力作用下滲流特性試驗(yàn)分析第8章 巖土介質(zhì)空隙堵塞與滲流耦合分析  8.1 基本概念  8.2 巖土介質(zhì)空隙生物堵塞機(jī)理初步分析  8.3 巖土介質(zhì)微生物淤堵研究現(xiàn)狀  8.4 巖土介質(zhì)微生物淤堵與滲流關(guān)系研究  8.5 巖土介質(zhì)化學(xué)淤堵與滲流關(guān)系研究  8.6 進(jìn)一步研究的問(wèn)題第9章 巖土水力學(xué)的應(yīng)用問(wèn)題  9.1 巖土介質(zhì)流一固耦合引起的地質(zhì)災(zāi)害與工程災(zāi)害機(jī)理  9.2 尾礦壩滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析  9.3 隧道工程區(qū)巖體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析  9.4 水利工程中建筑物滲透穩(wěn)定性分析參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　概論　　1.1　巖土水力學(xué)的定義　　人類工程（human engineering）是指人類為了改善其生存環(huán)境，在地球表面或地表之下構(gòu)筑的一系列建筑物的總稱。包括地上工程（ground engineering）和地下工程（underground engineering），地上工程的基礎(chǔ)部分和地下工程都屬于地質(zhì)工程（geological engineering）。人類工程活動(dòng)，一方面要依托于地質(zhì)環(huán)境（geolo-gical environment），另一方面又影響和改造地質(zhì)環(huán)境。地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣直接影響工程活動(dòng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工程體的穩(wěn)定性。在地質(zhì)環(huán)境內(nèi)，巖土體與其中的地下水相互作用，影響和改變著地質(zhì)環(huán)境的狀態(tài)（應(yīng)力狀態(tài)、生物地球化學(xué)狀態(tài)、溫度狀態(tài)以及流體流動(dòng)狀態(tài)等）。　　在天然狀態(tài)下，地質(zhì)環(huán)境中巖土體和地下水之間的相互作用可歸納為兩個(gè)方面：一是地下水與巖土體之間發(fā)生機(jī)械的、物理的、生物的和化學(xué)的相互作用，使巖土體和地下水的性質(zhì)或狀態(tài)不斷地發(fā)生變化；二是地下水與巖土體產(chǎn)生相互的力學(xué)作用，這個(gè)過(guò)程不斷地改變著作用雙方的力學(xué)狀態(tài)和力學(xué)特性。地下水對(duì)巖土體的力學(xué)作用表現(xiàn)在巖土體空隙中的靜水壓力和動(dòng)水壓力作用。排水降低地下水位，會(huì)使土體固結(jié)和土顆粒流動(dòng)引起壓密變形，使土體滲透系數(shù)和孑L隙率減??；補(bǔ)給地下水升高地下水位，會(huì)使土體空隙空間增大，使土體滲透系數(shù)和孔隙率增大。地下水位升高使巖體發(fā)生劈裂擴(kuò)展、剪切變形和位移，增加巖體中結(jié)構(gòu)面的空隙度和連通性等，從而增加巖體的滲透性能（滲透系數(shù)增大）和儲(chǔ)存性能（孔隙率、給水度或彈性釋水系數(shù)增大）。巖土體對(duì)地下水的作用力主要是通過(guò)改變巖土體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，來(lái)改變巖土體的結(jié)構(gòu)特征：對(duì)土體來(lái)說(shuō)，主要是固結(jié)或沉降作用使土體孔隙率和滲透系數(shù)減??；對(duì)巖體來(lái)說(shuō)，巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面是力學(xué)性能軟弱的部位，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)改變特別敏感，應(yīng)力的改變會(huì)引起巖體中節(jié)理裂隙開(kāi)度的改變，從而影響巖體的滲透性能。

編輯推薦

　　《巖土水力學(xué)》可作為巖土工程、巖土工程力學(xué)、環(huán)境科學(xué)與工程、水利工程、建筑工程、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)、石油工程、地下工程等學(xué)科本科生、研究生教材以及研究者的參考書(shū)。

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