在基础力学中做出了若干基本假设。在材料力学中的基本假设如下。

（1）对变形固体的基本假设：①连续性假设：组成固体的物质毫无空隙地充满了固体所占有的整个几何空间；②均匀性假设：固体的力学性能在固体内处处相同；③各向同性假设：固体在各个方向上的力学性能完全相同。

（2）对构件变形的基本假设：小变形假设。构件受力产生的变形量远小于构件的原始尺寸。

水力学中，将水视为不可压缩无黏性的理想液体，将受压收缩、受热膨胀、有弹性的液体，看作弹性密度不变的不可压缩流体；流动时因黏性作用产生内摩擦力的液体，看作黏性不起作用、无内摩擦力的流体。

水利工程特别是高坝大库的建设，涉及的许多力学难题（如高坝的温度与应力、高坝抗震与坝基稳定、高速水流消能及地下洞室围岩变形稳定等）已经远超出了上述假设，是基础力学不能解决的，必须利用不断创新的现代力学研究成果，如固体弹性与塑性力学、流体力学与湍流理论、岩土力学、损伤断裂力学与流变学、随机波动力学、材料细观与微观力学等理论，实验力学中的高新技术和求解现代力学问题的数值模拟技术等。这是由于：①在力学研究中一些过去常用的近似简化或假定，如物质的连续均匀各向同性与材料本构方程的线弹性假设已发展为非连续非均匀各向异性介质的非线性假设；②由宏观强度指标发展为建立微细观破损机理与宏观指标关系的研究；③由确定性分析发展为随机的、统计学上的模糊的分析方法；④单一介质模型发展为多相介质耦合模型；⑤由研究传统小变形响应发展为大变形破坏模型。中国高坝水电站的建设涉及的部分问题概括起来如下[2]。

1.水工结构的力学性能及结构强度稳定理论与方法

近半个世纪以来，高坝的结构强度稳定理论方法已经历了刚体力学-材料力学-弹性与弹塑性力学的发展阶段，如：混凝土重力坝由材料力学重力法发展为弹性力学法；拱坝由结构力学的试荷载法发展为弹性力学的各类数值方法；土石坝稳定则由瑞典圆弧法到有限元法。但许多现行方法迄今仍停留在半经验、半理论的阶段。

现代计算力学与计算技术的发展为坝体力学性能与结构强度稳定分析提供了良好的基础。结构-地基耦联系统整体稳定性研究、混凝土坝施工过程仿真和高坝断裂力学等方面，都是重点研究方向，具体研究问题有：

（1）高混凝土坝的地基应力、变形、稳定分析理论与方法。

（2）高土石坝的地基应力、变形、稳定分析理论与方法。

（3）高坝施工、运行全过程仿真与原型观测验证。

（4）高混凝土坝坝踵断裂、奇异性及网格敏感性与能量准则。

（5）混凝土坝损伤、破坏力学。

（6）高混凝土坝温度应力与温度控制。

（7）高土石坝的渗流稳定。

（8）高坝优化理论与方法。

（9）混凝土坝随机力学模型与可靠度理论。

2.水工岩土力学问题

由于我国水能开发集中在西部高山峡谷地区，必然遇到大型洞室工程、深厚覆盖层基础工程、筑坝堆石材料性能、库岸高陡脆弱边坡防护等岩土力学问题。

大型地下厂房是众多巨型水电站的主要建设形式，巨型引水式电站与跨流域调水工程也需要在大埋深、高地应力、复杂水文地质条件下建设长距离输水隧洞。在复杂地质条件、“三高”（高烈度、高地应力、高渗压）环境下建设大跨度洞室和地下洞室群仍然具有很大的挑战性。

深厚覆盖层筑坝技术和坝基稳定问题。由于水荷载作用，致使坝基变形失稳导致大坝破损或溃坝的实例在世界上已有多起，如法国玛尔巴塞拱坝因坝基滑动导致溃坝。高坝坝基稳定的判据，目前在多数工程设计中仍沿用刚体极限平衡理论，但有限元法的应用使坝肩岩体稳定研究进入了弹塑性、蠕变、损伤断裂力学的领域或离散元、非连续变形分析阶段（Discontinuous Deformation Analysis，DDA）。实际上，地基岩体受节理裂缝切割为连续-非连续耦合介质，其体系是黏弹塑性和接触非线性的，且由于蓄水与渗流改变了界面的荷载条件，其受力破损特征是由小变形到大变形的破坏过程，因此，计算分析与现代力学中诸多领域均有紧密联系。

堆石坝材料性能问题。目前黏土心墙堆石坝已发展到300m级，面板堆石坝达到300m级。制约堆石坝设计水平的关键因素在于堆石坝的应力应变分析精度不足。堆石材料的力学行为依赖于应力路径，还存在剪胀剪缩等特性，加上遇水软化、颗粒破碎等复杂因素影响，且受制于试验试件尺寸，土石材料的本构关系及堆石坝应力变形分析模型需要深化研究。

库岸边坡工程安全及风险控制问题（如意大利瓦依昂拱坝因库岸滑坡导致涌浪重大灾难）影响因素众多，教训深刻，值得研究总结。

有关这方面的科学问题有：

（1）岩、土的弹塑性力学模型，动、静力强度与流变特性。

（2）岩、土渗流场与应力场耦合模型、渗流场网络模型。

（3）节理岩体连续-非连续介质力学与高坝地基稳定的大变形理论。

（4）岩体损伤、断裂与地基非线性破坏理论与分析方法如分岔，局部化宏细观耦合模型。

（5）岩土工程数值计算与分析方法。

（6）岩、土细观力学等。

3.水工材料

水工混凝土材料、土工合成材料等（特别是高坝混凝土材料）的性能及其耐久性问题。如300m级的混凝土双曲拱坝，其库水总推力达到千万吨级水平，坝体混凝土最大静动拉应力达5～6MPa，已超过了一般混凝土强度，需要开发适应高坝建设的混凝土材料，并对其在多轴应力状态、高水压饱和状态及在静动荷载联合作用下的强度与本构关系开展深入研究。高坝混凝土的温控与裂缝稳定性也是值得高度关注的关键问题。此外，水工特种混凝土、高强耐磨混凝土以及掺合料、高效减水剂等外加剂的研究也具有重要的工程应用价值。有关这方面的研究课题有：

（1）全级配混凝土的强度-本构关系与断裂韧度。

（2）混凝土多轴应力的强度与断裂特性。

（3）在高压饱和水作用下的水工混凝土的强度特性。

（4）水工大体积混凝土力学性能的数值模拟方法。

（5）水工混凝土在恶劣环境（高寒、海水环境等）下的性能。

（6）水工混凝土老化以及水工结构的病害诊断与评价。

（7）水工混凝土的蠕变特性。

（8）荷载速率、历史对混凝土强度与韧度的影响。

（9）纤维混凝土、氧化镁混凝土、硅粉混凝土等特种混凝土研究。

（10）水工混凝土的各项附加剂、掺合料研究及水工混凝土的改性。(www.daowen.com)

4.高坝水力学与流体力学问题

在窄河谷修建的高坝水电站工程水头高、流量大，泄洪时高速水流能量集中，消能难度大。

以溪洛渡水电站为例，其大坝坝高278m，泄洪量达43700m3/s，泄洪功率近100000MW，流速大于50m/s，不仅带来消能、冲刷及空化空蚀问题，而且还有掺气雾化对岩坡稳定影响和流激振动等问题。这些问题在学科上属于紊动水流与两相流问题，涉及高速水流、气流与边壁、结构、岩体的动力相互作用，目前已有的计算方法多属简化模型，主要依靠模型试验、原型运行观测等手段取得一定的经验公式。在高坝泄流、高速水流与消能的数值模拟方面仍处于半试验半理论阶段。这方面的前沿课题有：

（1）高速水流紊动、冲击特性；节理岩体的冲刷机理、抗冲强度与各类消能防护形式的效果。

（2）自由射流、明槽紊流、管道紊流的结构特性；高速水流脉动、掺气、扩散消能、空化、空蚀等主要现象的物理机制与数值模型。

（3）高速水流脉动的频谱和时空相关特性与高坝、闸门等水工结构物的耦联振动。

（4）高速射流水-气混掺特性，水气两相流运动规律；射流碰撞、掺气与雾化的物理与数值模拟。

（5）流速大于50m/s时水流空化的形成、生长与溃灭，以及初生空化数、空蚀影响因子与减蚀措施（不平整度控制与通气措施等）。

（6）涌浪冲击波和溃坝水力学。

（7）冰、水流对水工建筑物的影响。

5.高碾压混凝土坝与面板堆石坝

目前世界上已建造的碾压混凝土坝超过230座，其中碾压混凝土重力坝高度已达200m以上[缅甸塔山（TaSang）坝217m、广西龙滩碾压混凝土重力坝216m]，碾压混凝土拱坝高度已达120m以上（四川沙牌碾压混凝土拱坝132m）。目前世界上高度在100m以上的面板堆石坝总数超过20座，最高的达233m（湖北水布垭混凝土面板堆石坝）。碾压混凝土坝主要特点是施工简便、快速、工期短，水泥用量少、造价经济；而面板堆石坝的特点是抗渗透冲刷的安全性能好、施工简便、造价低，且施工受环境干扰少、可省工期。目前这两种坝型均在向更高、更省、更快的方向发展，但也带来一系列的科学与工程技术问题：

（1）碾压混凝土坝的施工过程仿真、温度环境与裂缝控制。

（2）碾压混凝土坝层面的抗剪强度特性与抗滑稳定。

（3）碾压混凝土坝的渗流场与防渗措施。

（4）碾压混凝土坝的抗震稳定性。

（5）新的拌和料配比、施工工艺与方法研究（如斜层碾压法）。

（6）碾压混凝土拱坝的结构形式与抗裂措施。

（7）堆石的强度与本构关系。

（8）面板堆石坝的强度、变形与稳定性。

（9）面板堆石坝的三维抗震模型、横河向地震反应与地震永久变形。

（10）面板、过渡层与堆石的非线性接触本构关系。

（11）深覆盖层上的面板堆石坝。

6.水利工程安全与风险

由于水工建筑物处于临水、渗水、地下水、水下、高速水流等环境中，必然存在渗漏和溶蚀、冻融冻胀、剥蚀和气蚀、水质侵蚀等长期危害，加上水工混凝土本身存在的裂缝、碳化、钢筋锈蚀、混凝土碱集料反应等病害，会加剧其他病害的发生和发展，不同程度地影响服役水利工程的安全和耐久性，增加水利工程的风险。

复杂条件下水工材料和结构的风险源辨识、风险因子度量、风险量化和转嫁等，有许多课题值得研究。

7.高坝地震动力学与抗震

高坝诱发水库地震，目前世界上已有66座高坝发生过这类现象，震害包括坝体产生严重裂缝[广东新丰江水库大坝1962年发生、印度柯伊纳（Koyna）大坝1967年发生]，断层错动引起坝体断裂（中国台湾石冈坝1999年发生），强震引起横缝拉开[美国帕克伊马（Pacoima）大坝1971年发生]，以及土石坝地震液化滑坡[美国费南度（San Fernando）大坝1971年发生、北京密云水库1976年发生]等。但迄今对其地质力学机理仍缺乏深入研究。

混凝土高坝的地震动力反应与抗震分析目前仍沿用线弹性介质理论，地震荷载以截断边界的无质量地基作均匀同步输入，但坝基与坝体的动力稳定分析各自独立、互不耦联。虽然近年来各类数值方法（有限元、边界元、无限元等）的应用有了长足的进步，但问题仍局限于连续介质小变形范畴。对高土石坝来说，等效非线性、弹塑性模型目前已有应用，但由于对土石材料的动力本构关系缺乏深入了解，所以对高坝的地震弹塑性反应与残余变形的研究仍停留在工程近似水平上。这方面的研究课题有：

（1）水库诱发地震的机理与预测。

（2）高坝地震荷载的设防标准与风险分析。

（3）高坝结构地震响应及坝体的动态损伤、断裂。

（4）高坝、水库、地基与淤沙线性、非线性动力相互作用。

（5）地震随机理论在高坝振动中的应用。

（6）震源与震波传播机制与拱坝峡谷地震荷载自由场空间分布。

（7）高拱坝与坝肩的动力稳定破坏机制与分析模型。

（8）高坝振动控制理论与抗震技术。

（9）土石坝的动力反应、地震永久变形与沙土地基液化。

（10）堆石坝面板的防渗体止水、过渡层的抗震构造。

（11）高坝强震观测网。

（12）高坝非线性与多相介质相互作用的模型试验技术。