土石坝水力劈裂的物理机制及数值仿真 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:李全明

出品人:

页数:154

译者:

出版时间:2012-1

价格:28.00元

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isbn号码:9787502954031

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《土石坝水力劈裂的物理机制及数值仿真》 内容简介 土石坝作为重要的水利工程结构，其长期稳定运行与病害防治息息相关。水力劈裂，作为一种影响土石坝安全的重要病害，其产生、发展及破坏机理一直是工程界关注的焦点。本书深入探讨了土石坝水力劈裂的物理机制，并结合先进的数值模拟技术，为理解和预测此类现象提供了系统性的研究。 物理机制探讨： 本书从宏观与微观两个层面，细致剖析了土石坝水力劈裂的发生发展过程。 宏观层面： 渗流作用与孔隙水压力： 详细阐述了外部水体通过坝体裂缝、接缝或渗透途径进入坝体内部，以及地表水、库岸渗流等多种水源对坝体孔隙水压力的影响。重点分析了静水压力、动水压力以及不同渗流边界条件下的孔隙水压力分布特征。 应力集中与岩石力学行为： 探讨了土石坝在荷载（自重、水压力、地震力等）作用下产生的内部应力分布，尤其关注裂缝尖端、几何突变处等部位的应力集中现象。结合土力学和岩石力学的基本原理，分析了在局部高应力区，土石材料的强度、变形特性及其对裂缝萌生和扩展的响应。 水力劈裂的触发条件： 综合分析了孔隙水压力升高、有效应力降低、材料强度退化以及外部荷载变化等因素在水力劈裂发生过程中的耦合作用。明确了当孔隙水压力超过一定阈值，导致材料有效应力小于其抗拉强度时，裂缝便有可能沿着与最大拉应力方向垂直的方向扩展，形成水力劈裂。 微观层面： 颗粒接触力学与孔隙结构： 深入研究了土石颗粒间的接触状态、接触力传递机制以及颗粒排列方式对整体力学性能的影响。分析了在渗流作用下，孔隙水压力的变化如何影响颗粒间的有效接触力，进而导致颗粒骨架的变形和疏松。 微裂隙的萌生与扩展： 探讨了材料内部初始微裂隙的存在及其在应力集中下的扩展过程。分析了水分子与岩石矿物之间的相互作用，以及水软化、溶蚀等水-岩作用对材料微观结构和强度的影响。 损伤力学模型： 引入损伤力学概念，描述了材料在循环荷载或持续应力作用下，微观损伤累积导致宏观力学性能退化的过程。通过损伤变量的演化，定量分析材料强度和刚度的降低，以及其在水力劈裂中的作用。 数值仿真应用： 本书将先进的数值仿真方法应用于土石坝水力劈裂的研究，为工程实践提供科学依据。 数值方法的选择与建立： 有限元方法（FEM）： 详细介绍了如何基于有限元方法建立土石坝的三维或二维数值模型。重点阐述了材料本构模型的选择（如Mohr-Coulomb模型、修正剑桥模型等），如何有效地模拟土石材料的弹塑性变形和强度破坏。 渗流-应力耦合分析： 强调了进行渗流-应力耦合分析的必要性，即同时考虑水压力对孔隙水压力的影响以及孔隙水压力对有效应力和材料力学性能的影响。详细介绍了双势能法、多场耦合算法等实现渗流与应力场的耦合求解。 裂缝扩展模拟： 探讨了如何采用断裂力学方法（如扩展有限元法XFEM、内聚力模型等）模拟裂缝的萌生、扩展和贯通。详细介绍了裂缝扩展准则（如应力强度因子、能量释放率等）的选取与应用，以及如何追踪裂缝尖端的扩展路径。 数值仿真流程与参数敏感性分析： 模型建立与网格划分： 详细指导如何根据实际工程地质条件、坝体几何形状，建立精确的数值模型，并进行合理的网格划分，以保证计算精度。 边界条件与初始条件的设定： 明确了渗流边界条件（如给水头边界、不透水边界等）和应力边界条件（如自由表面、基岩约束等）的设定原则。并对初始孔隙水压力、初始应力状态等进行说明。 荷载施加与时程分析： 介绍了如何模拟库水位变化、降雨、地震等动态荷载对坝体的影响，并进行时程分析，以捕捉水力劈裂发展的动态过程。 参数敏感性分析： 重点研究了土石材料的渗透系数、抗拉强度、内摩擦角、黏聚力、孔隙比等关键参数对水力劈裂发生与发展的敏感性。通过改变这些参数，评估其对水力劈裂风险的影响程度，为加固措施的制定提供指导。 典型算例分析与结果解读： 不同工况下的模拟： 通过对不同库水位、不同渗流条件、不同地震烈度等工况下土石坝水力劈裂的数值模拟，展示了水力劈裂的发展模式与破坏过程。 关键指标的提取与评估： 介绍了如何从数值模拟结果中提取关键指标，如最大孔隙水压力、最大拉应力、裂缝扩展长度、最终破坏形态等，并对土石坝的安全状况进行评估。 与现场观测数据的对比验证： 强调了将数值模拟结果与现场监测数据（如渗流监测、应力监测、形变监测等）进行对比验证的重要性，以提高模型的准确性和可靠性。 本书的意义与价值： 本书系统地梳理了土石坝水力劈裂的物理机制，并创新性地将先进的数值模拟技术应用于该问题的研究。通过对物理机制的深入理解和数值模拟的精确预测，本书旨在： 提高土石坝设计的安全性： 为土石坝的设计者提供更科学的设计依据，有效避免水力劈裂的发生。 指导病害诊断与评估： 为土石坝的运营管理者提供有效的病害诊断和安全评估工具。 优化加固与修复方案： 为土石坝的水力劈裂病害的加固与修复提供技术支持，选择最经济有效的措施。 推动土石坝工程技术发展： 为土石坝工程领域的研究人员和工程师提供有价值的参考，促进相关理论和技术的发展。 本书适用于从事水利工程、土木工程、岩土工程、水工结构等领域的科研人员、工程师、研究生及相关专业本科生。

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这本书的封面设计倒是挺吸引人的，那种深邃的蓝色调配上一些抽象的几何图形，让人一眼就能感受到它蕴含着严肃的工程科学气息。我本来是抱着“姑且一看”的心态翻开的，毕竟涉及到“水力劈裂”这个听起来就挺硬核的概念，总觉得门槛会很高。但没想到的是，开篇对基础理论的阐述相当扎实，作者并没有急于抛出复杂的模型，而是循序渐进地回顾了岩土力学中的一些基本原理，比如应力应变关系、孔隙水压力的影响等等。这对于我这种非专业背景但对土木工程领域略有涉猎的读者来说，是极其友好的。它就像一位经验丰富的导师，在你准备好接受高难度挑战之前，先帮你把地基加固得结结实实。我特别欣赏其中关于“软弱结构面”在水压作用下如何从被动抵抗转变为主动破坏的描述，那种细腻的力学分析，让人忍不住想拿起笔在旁边做笔记，生怕漏掉任何一个关键的转折点。这本书的结构安排，成功地平衡了理论的深度和可读性，让人感觉自己正在一步步迈入一个专业但又充满逻辑美感的知识殿堂，而不是一头扎进晦涩难懂的公式海洋里。

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这本书在“物理机制”和“数值仿真”之间的平衡处理，达到了一个很高的水准。很多教材要么是理论推导过度，让人望而却步，要么就是软件操作指南式的，缺乏对背后物理本质的深刻挖掘。而这本专著的独特之处在于，它似乎在刻意强调“认知先行”的原则。在引入任何数值方法之前，作者都先用清晰的物理图像和定性的分析，为后续的定量计算打下坚实的直觉基础。例如，在讨论高孔隙水压力如何诱发剪切带形成时，作者先从宏观的能量释放角度进行了探讨，然后再引入数值模型来展示这个能量释放点的演变过程。这种层次分明的叙事结构，让读者能够建立起一个稳固的知识框架，确保我们理解的不是单纯的计算结果，而是结果背后所代表的真实土体行为。对于希望深入理解并能自主建立可靠预测模型的专业人士来说，这本书提供了无可替代的思维路径。

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这本书的插图和图表质量，可以说是我最近读过的技术书籍里最棒的之一。通常这类书籍里的配图要么过于简化，要么就是打印得模糊不清，根本看不出细节。但这本《土石坝水力劈裂的物理机制及数值仿真》则完全是另一种体验。特别是关于裂缝扩展路径的二维剖面图，那些用不同颜色标记的应力集中区域，简直是教科书级别的展示。我注意到作者似乎非常注重可视化表达，通过精细的网格划分和边界条件的设定，将原本只存在于电脑模型中的动态过程“翻译”成了我们可以直观感受到的静态图像。其中有一组对比图，展示了不同填料级配下水力劈裂的差异，那差异的微妙之处，即便不看文字解释，也能从图像的走向中窥见一斑。这种对细节的极致追求，让我对书中后续的数值模拟部分充满了信心，因为一个能把基础物理过程画得如此清晰的作者，想必在算法的严谨性上也绝不会马虎。这种图文并茂的呈现方式，极大地降低了理解复杂物理现象的认知负荷。

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我对这本书中对“数值仿真”模块的侧重点印象极为深刻。它不像有些纯理论书籍，只停留在现象描述和现象解释层面，而是真正深入到了如何用现代计算工具来重现和预测这些工程灾害。作者在介绍有限元或有限差分方法的选择时，显得非常审慎和务实，没有一味地追求最新的、最复杂的算法，而是聚焦于哪种方法最能准确捕捉到水-土-岩多场耦合作用下的非线性特征。尤其值得一提的是，书中对边界条件的设定和初始条件的初始化进行了详尽的讨论，这往往是数值模拟成败的关键所在，但很多教材往往一笔带过。这本书则花了大量篇幅剖析了在真实野外条件下，如何将地质勘察数据有效地转化为可输入模型的参数集，这无疑是连接理论与工程实践的“黄金桥梁”。通过这些详尽的步骤解析，读者能够清晰地看到一个仿真模型的诞生过程，而非仅仅接收一个现成的“黑箱”结果。

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阅读体验上，这本书的行文风格透露着一股严谨的工程师气质，非常直接，没有太多华丽的辞藻，每一个句子都像是经过精确计算后才写下的。但这种直接性带来的好处是，信息密度极高，读起来虽然需要全神贯注，但几乎没有“废话”时间。书中对历史案例的引用也做得非常巧妙，不是简单地罗列事故，而是选取了几个典型的土石坝失事案例，然后将书中所述的理论模型反向套用上去，去“回溯”当时的破坏模式。这种“理论指导实践，实践反哺理论”的写作手法，使得书中的物理机制不再是脱离现实的抽象概念，而是与惨痛的工程教训紧密相连的现实威胁。我感觉自己像是在跟着一位经验丰富、经历过多次实地考察的专家一起，剖析那些沉默在历史中的工程失败的深层原因，那种责任感和敬畏感，让人对后续的学习更加投入。

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