巖土水力學

前言

　　21世紀，人類面臨著嚴重的資源環(huán)境問題，資源短缺導致全球性能源危機和糧食短缺，環(huán)境問題導致大氣污染、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，研究巖土介質中污染物的遷移轉化對地下環(huán)境和生態(tài)的影響、核廢料深埋處置和垃圾深埋處置對地下環(huán)境的影響評價與安全設計、二氧化碳地質儲存的評價與安全設計等，是巖土水力學研究的一項重要內容；從礦產(chǎn)資源開采角度看，巖土水力學重點研究礦山開采過程中巖土應力場與滲流場的耦合作用、對礦山開采安全性和突水的影響評價與工程防治設計；從巖土工程角度看，巖土水力學重點研究工程開挖過程中應力重分布與滲流耦合作用機理以及工程穩(wěn)定性評價、涌水量預測與突水防治；從地質災害角度看，巖土水力學重點研究巖土介質中地下水變化導致的滑坡、地面沉降、地表塌陷及水庫誘發(fā)地震等的評價與預測；從地球科學角度看，研究地球板塊運動與地幔流體相互作用過程（流－固耦合問題），分析板塊接縫處的地應力分布和變化狀況，進行地震與火山的預測，這可能是巖土水力學與地震學研究的新課題。　　在過去的30年，地下水開采、石油天然氣開采和地熱能開發(fā)等領域，需要研究流體在裂隙巖體中的運動規(guī)律，以合理地制定開采方案；核廢料和垃圾深埋處置工程中污染物的遷移預測，以設計合理的隔離方案，這些都使得裂隙巖體滲流問題研究得到深入開展?？茖W家認識到現(xiàn)場研究需要多學科的合作。水文學者具有很強的水力學知識，但缺少地質學、地球物理和巖土力學專業(yè)知識，在裂隙巖體滲流研究中受到限制；相反，地質學、地球物理和巖土力學方面的專業(yè)學者對于裂隙水力學難以理解。過去30年的實踐，使我們認識到多學科交叉的重要性?！　”緯噲D建立一個滲流力學與巖土力學的交叉學科體系，研究各種人類活動和地質過程引起巖土介質空隙變化，揭示變化巖土介質中流體流動規(guī)律；研究各種人類活動和地質過程引起流體變化，揭示巖土介質耦合作用下的力學行為。就是說，研究巖土介質中變形與滲流的相互作用規(guī)律，揭示多場耦合作用下的巖土介質滲流規(guī)律、變形規(guī)律以及地球生物環(huán)境規(guī)律。

內容概要

巖土水力學（geohydraulics）是滲流力學、巖土力學、水文地質與工程地質、環(huán)境科學交叉形成的一門新學科，本書以作者多年來在國家自然科學基金項目（10572090，10172071，49572162）的研究成果為基礎，融合了國內外這一領域的最新研究成果，形成獨特的學科體系。全書共分9章，分別介紹巖土水力學的定義、研究內容、研究狀況與趨勢以及巖土水力學特性、巖土水力學基本定律、巖土水力學數(shù)學模型和數(shù)值方法、巖土水力學數(shù)學模型反演、細觀巖土介質滲流與應力關系、巖土介質空隙堵塞與滲流耦合分析及巖土水力學的應用。    本書可作為巖土工程、巖土工程力學、環(huán)境科學與工程、水利工程、建筑工程、水文地質與工程地質、石油工程、地下工程等學科本科生、研究生教材以及研究者的參考書。

書籍目錄

前言第1章 概論  1.1 巖土水力學的定義  1.2 巖土水力學的研究內容  1.3 巖土水力學的研究進展第2章 巖土體的水力學性質  2.1 基本概念  2.2 巖土體介質的特性  2.3 巖土體空隙的形成機理  2.4 巖土體地質賦存及其滲流特征  2.5 巖土體介質的滲透特性  2.6 地下水對巖土體力學性質的影響  2.7 巖土體的滲透穩(wěn)定性問題  2.8 巖溶塌陷和水庫滲漏問題第3章 巖土水力學基本定律  3.1 多孔連續(xù)介質滲透定律  3.2 裂隙介質水力學定律  3.3 巖溶管道介質水力學定律  3.4 裂隙滲流與應力相互作用的基礎理論第4章 巖土介質滲流數(shù)學模型與數(shù)值方法  4.1 基本概念  4.2 多孔連續(xù)介質滲流數(shù)學模型與數(shù)值方法  4.3 裂隙介質滲流數(shù)學模型與數(shù)值方法  4.4 雙重介質滲流數(shù)學模型與數(shù)值方法  4.5 巖溶水流系統(tǒng)數(shù)學模型與數(shù)值方法第5章 巖土水力學耦合過程的數(shù)學模型  5.1 基本概念  5.2 巖土孔隙連續(xù)介質水力學耦合模型  5.3 巖土等效連續(xù)介質水力學耦合模型  5.4 巖土裂隙網(wǎng)絡介質水力學耦合模型  5.5 巖土雙重介質水力學耦合模型第6章 巖土水力學參數(shù)確定方法  6.1 基本概念  6.2 數(shù)學模型反演的數(shù)值方法  6.3 巖土水力學模型參數(shù)確定的卡爾曼濾波最優(yōu)估計方法  6.4 巖土水力學參數(shù)反演的神經(jīng)網(wǎng)絡模型  6.5 巖土水力學參數(shù)反演的最小二乘支持向量機方法  6.6 巖土水力學參數(shù)反演的粒子群優(yōu)化算法  6.7 巖土水力學參數(shù)反演的遺傳算法第7章 細觀巖土介質滲流與應力關系  7.1 基本概念  7.2 細觀尺度巖石損傷一破裂過程的CT觀測  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尺度巖石應力作用下滲流特性試驗分析第8章 巖土介質空隙堵塞與滲流耦合分析  8.1 基本概念  8.2 巖土介質空隙生物堵塞機理初步分析  8.3 巖土介質微生物淤堵研究現(xiàn)狀  8.4 巖土介質微生物淤堵與滲流關系研究  8.5 巖土介質化學淤堵與滲流關系研究  8.6 進一步研究的問題第9章 巖土水力學的應用問題  9.1 巖土介質流一固耦合引起的地質災害與工程災害機理  9.2 尾礦壩滲流場與應力場耦合分析  9.3 隧道工程區(qū)巖體滲流場與應力場耦合分析  9.4 水利工程中建筑物滲透穩(wěn)定性分析參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　概論　　1.1　巖土水力學的定義　　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），地上工程的基礎部分和地下工程都屬于地質工程（geological engineering）。人類工程活動，一方面要依托于地質環(huán)境（geolo-gical environment），另一方面又影響和改造地質環(huán)境。地質環(huán)境的優(yōu)劣直接影響工程活動的正常運轉和工程體的穩(wěn)定性。在地質環(huán)境內，巖土體與其中的地下水相互作用，影響和改變著地質環(huán)境的狀態(tài)（應力狀態(tài)、生物地球化學狀態(tài)、溫度狀態(tài)以及流體流動狀態(tài)等）?！　≡谔烊粻顟B(tài)下，地質環(huán)境中巖土體和地下水之間的相互作用可歸納為兩個方面：一是地下水與巖土體之間發(fā)生機械的、物理的、生物的和化學的相互作用，使巖土體和地下水的性質或狀態(tài)不斷地發(fā)生變化；二是地下水與巖土體產(chǎn)生相互的力學作用，這個過程不斷地改變著作用雙方的力學狀態(tài)和力學特性。地下水對巖土體的力學作用表現(xiàn)在巖土體空隙中的靜水壓力和動水壓力作用。排水降低地下水位，會使土體固結和土顆粒流動引起壓密變形，使土體滲透系數(shù)和孑L隙率減?。谎a給地下水升高地下水位，會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)生劈裂擴展、剪切變形和位移，增加巖體中結構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）和儲存性能（孔隙率、給水度或彈性釋水系數(shù)增大）。巖土體對地下水的作用力主要是通過改變巖土體內應力狀態(tài)，來改變巖土體的結構特征：對土體來說，主要是固結或沉降作用使土體孔隙率和滲透系數(shù)減??；對巖體來說，巖體內的結構面是力學性能軟弱的部位，對應力狀態(tài)改變特別敏感，應力的改變會引起巖體中節(jié)理裂隙開度的改變，從而影響巖體的滲透性能。

編輯推薦

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

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