增湿条件下膨胀土隧道衬砌破坏数值分析

针对小河沟膨胀土隧道降雨增湿塌方现象,以围岩含水率分布变化引起膨胀应力场为主要研究内容,展开增湿对隧道支护结构的影响研究。首先,利用热传导热能量平衡方程与孔隙渗流连续方程数学描述相似性,推导出热传导膨胀模拟增湿膨胀的替代方程。然后,结合室内试验和文献资料,率定膨胀土膨胀力及渗流参数。最后,在正确考虑地质构造影响的基础上运用有限差分软件FLAC3D热-力耦合模块进行建模计算,分别对不同膨胀力模型的增湿过程进行仿真模拟,得出支护结构受力变形随含水率分布及膨胀力大小的变化规律。分析得到了对隧道支护结构造成不良影响的关键含水率和膨胀力值。研究成果可以有效指导膨胀性黄土隧道支护设计和变形控制。     

填砂裂隙岩体渗流传热模型试验与数值模拟

选取中国高放射核废物地下处置库重要预选场区--甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成规则裂隙岩体,将垂直裂隙用粒径为0.5～0.63 mm的砂土填充,进行了裂隙水渗流传热试验;对模型试验进行了数值模拟,进而计算分析了热源温度、裂隙水流速和裂隙开度变化对裂隙岩体模型稳态温度场的影响。模型试验表明,当热源温度维持在120 ℃时,裂隙水仍无相变,裂隙岩体模型稳态温度场分布规律与热源温度为95 ℃时一致;热源温度越高,热源的水平影响距离越大,模型达到稳态需要的时间越长;裂隙填砂加强了裂隙两侧岩石之间的热传导,热源的水平影响距离和模型到达稳态需要的时间均明显大于无填充裂隙岩体模型的情况。模型试验得到的岩体模型温度场与数值计算得到的岩体模型温度场规律一致。试验过程中裂隙岩体模型在边界上存在一些热量散失,无法与数值计算中的绝热边界条件等同,致使试验数据低于数值计算值,并且热源温度越高,两者之间的差异越大。模型试验和数值计算均表明,邻近热源侧的裂隙水渗流对模型的温度场分布起控制作用,而远离热源侧的裂隙水渗流则主要影响该侧的边界温度和模型达到稳态所需要的时间。数值参数敏感性分析表明,裂隙水流速与裂隙开度越大,裂隙水对水平传热的阻滞作用越明显。     

振动导致黄河口粉质土性质与起动流速的变化

通过现场试验,研究模拟波浪振动导致的黄河口海床表层粉质土重度与强度的变化;通过室内试验,研究了黄河口海床土重度、强度、中值粒径、起动流速随振动能量的变化;将起动流速的试验测试结果与代表性经验公式计算值进行了比较。发现振动导致黄河口粉质土物理力学指标呈现周期性的变化,进而引起起动流速相应的变化;起动流速不仅与土体重度、粒径、强度有关,还与土体承受的波浪荷载振动能量有密切关系;起动流速经验公式计算结果与试验测试值不吻合。     

室内模拟试验确定横向扩散系数的研究--以吉林市第二松花江某江段为例

确定河流横向扩散系数的主要方法有经验公式法和河流示踪试验法.以室内模拟试验求横向扩散系数的方法是一种新的尝试,采用几何相似原理,通过不同流量、流速条件下的室内模拟试验,计算出与河流相应条件下的横向扩散系数,所得结果(0.086 m2/s)与同条件下现场分析计算的结果(0.079～0.088 m2/s)基本一致.模拟试验不仅克服了野外条件下示踪剂投放和测试条件的不便,还能够更好地研究不同水动力条件下污染物的扩散运移规律.     

深基坑双捧桩支护结构设计理论与应用

【内容简介】本书通过对现场监测资料分析、室内试验、理论模型建立和数值模拟,研究了深基坑双排桩支护结构体系的变形和土压力分布规律,提出了考虑空间效应的双排桩支护结构体系设计计算理论。利用所建立的设计理,编制了便于工程设计的应用软件。同时,还研制了可用于深基坑工程监测信息分析的深基坑监测信息分析处理系统。     

土石混合体渗透侵蚀特性数值模拟研究

土石混合体是由块石、砾石与砂土、黏土等固体颗粒组成,以块石镶嵌在细粒土体中为结构特征的松散介质。由于其颗粒松散特性,细颗粒在渗流作用下易于流失而形成渗流侵蚀。采用室内试验与数值模拟相结合的方法,扩展渗流侵蚀模型在土石混合体渗透侵蚀研究中的应用。选取云南某滑坡土石混合体为研究对象,采用自制的渗透侵蚀装置,模拟土体基质渗透侵蚀过程,获取土体基质侵蚀参数试验值。根据块石在土体基质中分布特征,建立不同块石含量特征的土石混合体计算模型。基于参数试验值及渗流侵蚀方程、耦合渗流控制方程及孔隙率控制方程,模拟土石混合体渗流侵蚀过程,分析块石含量对土石混合体渗透侵蚀特性的影响。模拟结果表明:在同等水力梯度及时间条件下,块石含量与土石混合体宏观平均流速初值、侵蚀颗粒密度值呈反比,与液化颗粒密度峰值呈正比;块石含量与渗流侵蚀方程中试验参数存在线性相关性。将块石含量作为土石混合体结构特征引入渗流侵蚀方程中,以构建适用于土石混合体的渗流侵蚀模型。     

盾构隧道抬升作用下极限上覆土压力计算方法

注浆抬升技术是盾构隧道不均匀沉降治理的有效措施之一,但目前尚存在隧道抬升过程上覆土压力计算困难而无法估算抬升引起的隧道受力变形的问题。利用透明土结合PIV观测技术设计研发了模拟盾构隧道抬升的小比尺室内模型试验系统,通过试验获得了隧道抬升过程极限上覆土压力及上覆土速度场,根据上覆土的剪切滑移特征将上覆土分成了4个不同的运动区域,进而结合相关联流动法则,提出了隧道抬升作用下极限上覆土压力计算模型,并基于虚功平衡方程,推导了极限上覆土压力计算表达式。将计算所得的极限上覆土压力值与试验结果进行对比,两者有较好的吻合度,计算误差在4%～15%之间。     

青藏高原那曲地区非均质土壤导温率的变化及土壤温度数值模拟

土壤中的热传输是地-气能量交换的组成部分,而非均质土壤导温率/导热率的获得是研究土壤热传输过程中的一个难点,是至今仍未很好解决的问题.分析了一维热传导方程在非均质土壤条件下的适用形式,利用青藏高原那曲站实测土壤温度资料,计算了非均质土壤导温率,计算结果表明,土壤导温率有明显的随深度和季节的变化.利用考虑非均质土壤导温率参数的土壤温度数值模式,对那曲地区各层土壤温度的年变化进行了模拟试验,模拟结果显示,按冷季和暖季分别采用两组不同的土壤导温率,对土壤温度的年变化已有较好的模拟效果.     

岩土材料导热系数与孔隙率关系的数值模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了岩土材料的导热系数与孔隙率之间的非线性关系。有限元模型中的固体骨架和孔隙根据孔隙率的大小随机生成,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的热流密度分布和稳态热传导傅立叶定律,计算在不同孔隙率条件下的等效导热系数。研究表明,岩土材料模型等效导热系数随着孔隙的增加而减小;并且当孔隙率大于逾渗值后,等效导热系数的减小梯度明显降低;含孔隙岩土材料的热传导特性与渗流一样具有逾渗特性。     

基于云平台的微地震数值模拟系统研究

针对微地震数据量和计算量大的特点,选择云平台作为解决微地震数值模拟的基础条件,架设了云平台架构并采用并行化技术设计,开发了基于射线追踪算法和波动方程的微地震正演系统,实现了云平台上的微地震资料处理与三维展示,为储层预测分析提供借鉴。     

利用自然伽马测井估算塔里木盆地沉积层生热率

盆地的热体制研究对盆地构造演化与油气勘探意义重大。岩石放射性生热率是岩石重要的热物性参数,是研究盆地热体制的基础数据之一。不同于传统的分析测试方法,自然伽马（GR）—生热率（A）换算只需要GR测井就可以计算生热率。笔者利用塔里木盆地不同地区20口主要钻井的GR测井数据计算了沉积层共6094个生热率数据,建立了代表性钻井岩性测井—生热率对比图、塔里木盆地地层生热率柱,估算了盆地沉积层放射性生热对地表热流的贡献及对深部地层的增温效应。结果表明,塔里木盆地沉积层的平均生热率为1. 17±0. 336μW/m3,岩性是地层生热率的主控因素,泥岩生热率最高,为1. 96±0. 318μW/m3,砂岩次之,为0. 99±0. 264μW/m3,白云岩和灰岩生热率较低,分别为0. 44±0. 362μW/m3和0. 36±0. 408μW/m3。根据地层生热率,估算沉积层生热贡献的热流为9. 36mW/m2,约占地表总热流的21%,沉积层生热对地温梯度的贡献约为3. 3℃/km,放射性生热对属于“冷盆”的塔里木盆地的地温场具有不容忽视的影响。     

我国东海陆架区新生代地层岩石生热率研究

岩石生热率是描述地球内热的一个重要的热物理参数.通过测定岩石样品的密度、放射性元素U、Th、K的含量可以定量计算地壳岩石的生热率.根据东海陆架多口钻井新生代地层样品、东海陆架表层样品和冲绳海槽柱状样品的密度、放射性元素U、Th、K含量对岩石生热率进行了计算.发现东海陆架地区地层岩石的生热率介于0.4～1.7μW/m3之间,落于正常沉积岩生热率范围,比火成岩的生热率要高.同时,岩性对生热率起明显的控制作用,岩性不同,生热率不同.其中,泥岩的生热率最高,而粉沙岩、砂岩的生热率次之.东海区新生代地层的生热率由新到老生热率呈下降的趋势,但,其中玉泉组、龙井组和花港组地层生热率几乎一致.这和该地层的波速特征非常吻合.关系式lnA=1.04-0.2915vp能够较好地描述东海陆架区新生代地层波速和生热率之间的关系.在已知地层层速度的情况下,可以由该式求取地层的生热率.     

科奇喀尔冰川夏季表碛区热量平衡参数的估算分析

利用能量平衡原理、热传导理论和通量传输理论建立了一个热量平衡参数的估算模型,对西天山的科奇喀尔冰川夏季消融区中部表碛区的热量平衡参数进行估算与分析.结果表明:净辐射是表碛面热量收支的主要热源,吸收的热量主要以潜热和感热的形式向大气输送水汽和热量,剩余部分用于表碛增温耗热.与消融区上部的冰面和表碛面相比,在消融区中部表碛面热量收入中感热输送减小,同时向上的地热输送增加.热平衡支出项中,感热交换、蒸发耗热和地热通量的比例分别为39.1%、39.9%和21%,其中感热通量与蒸发耗热的比例比消融区上部有所提高,蒸发耗热的增加比较显著.在总的热量支出中,平均只有7.8%的热量可以用于表碛下部的增温和向深层传导.     

祁连山七一冰川消融期间的能量平衡特征

冰川表面的能量平衡可以描述冰雪消融与气候响应之间的物理机制,利用2006年6月9日至9月28日在祁连山七一冰川消融区中部自动气象站(AWS)的观测资料,对七一冰川表面的能量平衡进行了估算.结果显示:在冰川消融期,净辐射、湍流热通量和冰川消融耗热是能量平衡的主要组成部分,能量收入方面主要是净辐射和感热通量,分别约占总能量收入的82.4%和17.6%;而支出方面主要是冰雪消融耗热和潜热释放,分别约占总能量支出的87.2%和12.8%.2006年7月31日至8月6日进行了为期近7 d的冰面径流场观测,基于能量平衡原理,对冰川表面的消融进行了模拟,模拟的消融速率和实测的冰面消融数据吻合的较好.     

Heat Aggregation Mechanisms of Hot Dry Rocks Resources in the Gonghe Basin,Northeastern Tibetan Plateau

Hot dry rock (HDR) is an important geothermal resource and clean energy source that may play an increasingly important role in future energy management. High-temperature HDR resources were recently detected in deep regions of the Gonghe Basin on the northeastern edge of the Tibetan Plateau, which led to a significant breakthrough in HDR resource exploration in China. This research analyzes the deep temperature distribution, radiogenic heat production, heat flow, and crustal thermal structure in the Qiaboqia Valley, Guide Plain, and Zhacanggou area of the Gonghe Basin based on geothermal exploration borehole logging data, rock thermophysical properties, and regional geophysical exploration data. The results are applied to discuss the heat accumulation mechanism of the HDR resources in the Gonghe Basin. The findings suggest that a low-velocity layer in the thickened crust of the Tibetan Plateau provides the most important source of constant intracrustal heat for the formation of HDR resources in the Gonghe Basin, whereas crustal thickening redistributes the concentrated layer of radioactive elements, which compensates for the relatively low heat production of the basal granite and serves as an important supplement to the heat of the HDR resources. The negative effect is that the downward curvature of the lithospheric upper mantle caused by crustal thickening leads to a small mantle heat flow component. As a result, the heat flows in the Qiaboqia Valley and Guide Plain of the Gonghe Basin are 106.2 and 77.6 mW/m2, respectively, in which the crust-mantle heat flow ratio of the former is 3.12:1, indicating a notably anomalous intracrustal thermal structure. In contrast, the crust-mantle heat flow ratio in the Guide Plain is 1.84:1, which reflects a typical hot crust-cold mantle thermal structure. The Guide Plain and Zhacanggou area show the same increasing temperature trend with depth, which reflects that their geothermal backgrounds and deep high-temperature environments are similar. These results provide important insight on the heat source mechanism of HDR resource formation in the Tibetan Plateau and useful guidance for future HDR resource exploration projects and target sites selection in similar areas.     

从地表能量平衡各分量特点论青藏高原多年冻土工程中的冻土保护措施

多年冻土的形成、发展和存在状态与地表能量平衡中各要素的变化特征密切相关,青藏高原地表能量平衡方程中各要素的变化具有如下特点:1)年总净辐射和年总辐射量均比较高;2)地表反照率一般较低,绝大多数下垫面类型的反照率在0.4以下;3)大部分地区地表的地气热交换总量中,蒸发耗热较小,感热交换量远大于蒸发耗热量,占辐射平衡总量的70%左右;4)目前大部分多年冻土地区的土壤热通量为正值,导致多年冻土处于退化过程中.针对高原地区辐射比较强的特点,在青藏公路五道梁北坡进行了减少沥青路面辐射增温的试验.结果表明:在沥青路面刷涂白色或浅色涂料可以有效保护沥青路面下的多年冻土,其中白色路面可以使路面下4 m处的地温降低1℃以上.     

A transient model to predict the weekly temperatures of the ventilation air in a partially wetted airway

Summary Most theoretical methods for the prediction of strata heat flow in an underground airway assume that the air temperature remains constant or that only small changes take place over the ventilated age of the airway. This assumption is clearly not correct; air temperature (especially those measured in British coal mines) display variation of up to 5° C during any one week at any one point. These variations are periodic in nature and relate to both the daily and weekly production cycle. In order to predict the transient heat flow from strata the Duhamel Theorem is used. Details of the theorem incorporating the air temperature history to calculate the surface temperature of a partially wetted airway are derived. An algorithm is presented for the calculation of surface temperatures and hence the heat flux from the rock. The algorithm is used in the computation of heat and moisture transfer rates from the rock to the ventilating air in the airway. Finally, the air temperatures at the end of the airway are predicted due to the heat flows from the strata and they are compared to the measured data supplied by British Coal, United Kingdom.     

基于Levenberg-Marquardt算法的填埋场中降解产热参数反演研究

填埋场中垃圾降解产热参数是研究填埋场温度变化及热资源利用的基础。基于室内试验得到的峰值产热模型、填埋场中热传导理论以及Levenberg-Marquardt(LM)算法,提出了填埋场中降解产热参数的反演分析方法。结合填埋场实际工况,建立了填埋场热传导一维模型并得到了温度的解析解。基于某一深度的温度数据,采用LM算法反演得到了填埋场的降解产热参数,采用反演得到的降解产热参数可以计算填埋场任意深度的温度。基于产热参数可以计算得到填埋场的峰值产热速率、峰值产热时间和总产热量。以中国无锡桃花山填埋场和美国密歇根填埋场为例,分别反演得到了降解产热参数,采用反演得到的降解产热参数计算反演点之外测点的温度并与实测值进行对比,验证了反演模型的合理性和适用性。对比发现,与实际填埋场相比,室内试验的降解产热峰值更大,且峰值时间更短。与密歇根填埋场相比,无锡桃花山填埋场的前期产热速率更大,到达降解产热峰值的时间更短。     

垃圾渗滤液在土层中迁移转化规律实验研究

本文利用室内模拟实验对垃圾渗滤液在垃圾填埋场周边地区土层中的迁移转化规律进行研究,分析了渗滤液与介质作用机理,进一步计算了污染质在土层中阻滞因子和水化学迁移率,为评价和预测垃圾填埋场对地质环境影响效应提供理论依据和计算参数。     

太阳能储热桩取热过程中桩内温度变化的研究

首先介绍了太阳能地下混凝土储热桩热量利用率不足的现状,通过在已有太阳能混凝土储热桩传热模型的基础上,对不同取热工况中影响储热桩温度场变化的各种因素进行了传热过程的模拟分析,得出了持续取热及间断取热2种不同运行工况及热流密度、导热系数和比热容、埋管间距对桩内温度场变化的影响,然后合理的选择最优参数,分析桩内温度场的变化,提高取热效率,使混凝土桩内热量充分利用。