堤防渗透破坏机理及渗流控制技术的研究对防止堤防渗透破坏,预测渗透破坏的发展过程,科学指导堤防的抢险加固等,均具有非常重要的理论和实践意义。本文以洞庭湖区堤防渗流控制为背景,主要开展如下工作：(1)对垂直防渗技术,堤内压盖技术及管涌的研究现状和热点前沿进行了全面系统地分析总结,提出了目前研究的部分不足,为开展本文的研究提供了基本指南。(2)对悬挂式防渗墙在砂卵石堤基中的防渗效果,悬挂式防渗墙在存在贯穿和未贯穿管涌通道两种情况下控制管涌发展的作用等进行了系统研究,全面客观地评价了悬挂式防渗墙在砂卵石堤基中的应用效果,为广泛存在砂卵石堤基的洞庭湖区堤防的渗流控制措施的正确合理选择提供了理论依据。(3)根据洞庭湖区堤防地质特征,建立多元结构堤基半封闭式防渗墙概化模型,研究天然弱透水覆盖层,强透水层,防渗依托层的厚度、渗透性对半封闭式防渗墙防渗效果的影响。提出半封闭式防渗墙在防渗依托层中的最优贯入比概念,并基于最小二乘法拟和建立最优贯入比经验公式,通过数值算例和周家湾大堤现场试验检验了经验公式的正确性。该公式表征最优贯入比与防渗依托层厚度和渗透性的关系,基本参数仅为防渗依托层的厚度,防渗依托层与强透水层渗透系数的比值两个参数,便于工程应用,为多元结构堤基半封闭式防渗墙的设计提供了基本的理论依据。(4)分析了压盖渗流计算中经常出现的二次或多次入渗现象及其产生原因,根据渗流有限元理论和虚单元固定网格法,编制了堤内压盖渗流有限元程序。通过在压盖上方增加大量强透水性“空气单元”的方式,将二次自由面边界变为计算域内自由面,将复杂地判断二次自由面边界问题转化为简单地确定计算域内自由面的问题。研究表明,空气单元结合虚单元固定网格法很好地解决了自由面区域单元的流量叠加问题以及由二次入渗(或多次入渗)等带来的收敛困难问题,提高了堤内压盖渗流计算的效率。(5)根据洞庭湖区堤防地质特征,建立堤内压盖概化模型,对压盖宽度,厚度进行优化研究,提出堤内压盖的最优宽度、厚度的概念,建立确定最优压盖宽度的临界破坏点法。该法以压盖宽度—堤内最大渗透坡降影响曲线的延长线与天然覆盖层的允许渗透坡降线的交点作为临界破坏点,临界破坏点以左的堤内区域为可能破坏区域,需要压盖处理；以右为安全区域,不需压盖。临界破坏点法的应用,大幅度地减小了有限元计算模型,避免了多次重复计算,显著地提高了计算效率,与规范等传统方法相比优势明显。该方法为堤内压盖最优宽度的确定提供了一种简便的方法。(6)基于连续介质力学理论,将土体按三相考虑,即土骨架相,水相及液化细颗粒相,提出管涌发生发展过程中渗流侵蚀的耦合机理。基于耦合机理,建立三相质量守恒微分方程,同时引入描述土骨架相与液化细颗粒相之间质量转换的渗流侵蚀本构方程,采用标准Galerkin法建立了三相渗流侵蚀耦合管涌数学模型,编制了相应的有限元程序,验证了程序的有效性,并对主要模型参数进行了系统地分析。该模型考虑了土骨架相的侵蚀与水相的渗流之间的耦合效应,实现了土水两相的耦合求解,较为真实地模拟了管涌发生发展的非稳态,高度非线性的复杂过程,增强了对管涌发展机理地认识,为进一步实时模拟预测实际堤防的管涌破坏过程提供了一种有效的工具。(7)分析基于标准Galerkin法的管涌程序出现数值振荡的本质原因,即微分方程中非线性对流项的出现引起微分方程的非自伴随特征,导致总体矩阵非对称,破坏了标准Galerkin法最佳近似特性。为消除数值振荡,在比较各种稳定有限元技术的基础上,基于Streamline Upwind Petrov/Galerkin (SUPG)法编制了管涌有限元程序。算例表明,基于SUPG法的管涌程序很好地消除了数值振荡,在较少单元的情况下,可以获得比标准Galerkin法更好的结果,但是SUPG法的应用效果与摄动项参数的选取关系密切。