基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的[BQ]值和TBM利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道TBM掘进过程中的工程数据,对TBM围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明：在岩体可掘性等级为Ⅰ级,地层TBM适应性等级为3级的条件下,TBM施工巷道平均月进尺可达到400 m;当TBM利用率不足20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法通过利用自动采集的TBM掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估TBM在不同围岩地质条件下的施工性能,并为TBM掘进控制参数设计提供了理论依据。     

综合湿度和温度影响的中国未来热浪预估

地面空气湿度直接影响人体驱散热负荷的效率,持续高温高湿天气将会严重影响人体健康。基于综合考虑温度和湿度协同作用的热胁迫指数——湿球黑球温度(WBGT)指数定义热浪,利用参考时期(1986—2005年)中国824个气象站点逐日平均气温和逐日相对湿度资料以及CMIP5多模式相应模拟数据,论文定量描述了未来时期(2076—2095年)不同排放情景下(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)中国大陆地区可能遭遇的热浪事件的空间分布特征及其变化。研究结果表明：① 最有效的减排情景(RCP2.6)和高排放情景(RCP8.5)下中国大陆地区的平均热浪日数分别是参考时期的3.4倍和6.6倍,平均热浪强度(一年内所有热浪事件中日平均WBGT指数的最大值)也相对升高了1.6 ℃和4.9 ℃,未来时期RCP8.5情景下中国东部和南部地区的最高年均热浪强度甚至将达到40 ℃;② 虽然青藏高原地区的热浪强度等级低,但是未来时期热浪日数的增加幅度较为显著;③ 华南、长江中下游以及少数西南地区是综合考虑气温和湿度协同作用对人体热舒适的影响下,未来时期可能发生热浪最严重的地区,如果不考虑湿度要素的影响,那么将极有可能低估热浪在中国华南和东部等湿度较高地区的强度和影响。     

冬季西太平洋和海洋性大陆热源变化特征及其影响

利用ERA-interim再分析资料、中国地面降水资料、全球海温(SST)和降水资料研究了冬季西太平洋和海洋性大陆大气热源变化特征及其对区域气候的影响。结果表明:冬季西太平洋和海洋性大陆热源具有显著的年际变化,海洋性大陆热源同时存在明显的年代际变化。冬季西太平洋热源强年相较弱年,东亚副热带急流轴线偏北3~4 °,东亚冬季风显著加强;热源强度与中国东部大部分地区冬春季降水呈显著负相关。由于西太平洋热源与ENSO事件密切相关,去除ENSO影响后,西太平洋热源对急流和冬季风的影响明显减弱,且与华东南部和华南地区降水无显著相关,但仍与华东中北部和华北地区呈显著负相关,相关关系仍可从同期冬季持续到后期春季。海洋性大陆热源在1993年左右发生显著突变,突变后海洋性大陆附近SST显著升高,海平面气压显著降低。进一步分析表明,海洋性大陆地区大气热源与Walker环流在年代际尺度上存在很好的对应关系,海洋性大陆岛屿整体增暖趋势快于周围海洋,导致海陆热力差异增大,这可能是触发局地热源和Walker环流长期变化的主要原因,进而影响太平洋SST分布和全球增暖的进程。      

ANALYSIS OF THE EFFECT OF 3DVAR AND ENSRF DIRECT ASSIMILATION OF RADAR DATA ON THE FORECAST OF A HEAVY RAINFALL EVENT

The present study designs experiments on the direct assimilation of radial velocity and reflectivity data collected by an S-band Doppler weather radar (CINRAD WSR-98D) at the Hefei Station and the reanalysis data produced by the United States National Centers for Environmental Prediction using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, the WRF model with a three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation system and the WRF model with an ensemble square root filter (EnSRF) data assimilation system. In addition, the present study analyzes a Meiyu front heavy rainfall process that occurred in the Yangtze -Huaihe River Basin from July 4 to July 5, 2003, through numerical simulation. The results show the following. (1) The assimilation of the radar radial velocity data can increase the perturbations in the low-altitude atmosphere over the heavy rainfall region, enhance the convective activities and reduce excessive simulated precipitation. (2) The 3DVAR assimilation method significantly adjusts the horizontal wind field. The assimilation of the reflectivity data improves the microphysical quantities and dynamic fields in the model. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can better adjust the wind fields and improve the intensity and location of the simulated radar echo bands. (3) The EnSRF assimilation method can assimilate more small-scale wind field information into the model. The assimilation of the reflectivity data alone can relatively accurately forecast the rainfall centers. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can improve the location of the simulated radar echo bands. (4) The use of the 3DVAR and EnSRF assimilation methods to assimilate the radar radial velocity and reflectivity data can improve the forecast of precipitation, rain-band areal coverage and the center location and intensity of precipitation.     

饱水过程中松散土体渗透性变化研究

针对三峡库区广泛存在的紫红色岩(土)的工程地质特征,考虑库区水位的变化,以黄腊石滑坡群的石榴树包滑坡表层原状松散土体为研究对象,设计一定流速条件下的饱水试验,探索在流动的水溶液饱和条件下紫红色松散土体渗透性随时间的变化规律,并分析变化原因。研究发现:饱水过程中,紫红色松散土体的渗透性有很强的时间效应,随着饱水时间的积累,渗透系数呈现显著的线性增大后减小并最终趋于稳定的规律。对比饱水前后土样微观结构以及化学成分分析结果,发现水流对松散土体颗粒的物理运移以及水对土体的化学溶蚀作用、水土之间的离子交换吸附作用影响土体的结构,从而影响了紫红色土体的渗透性。     

全球热浪人口暴露度预估——基于热应力指数

气候变化导致全球热浪灾害事件频发。湿球黑球温度综合考虑了温度和湿度协同作用,相较于单独的温度指标更能表征热浪对人类社会的影响。基于该指数定义热浪,利用CMIP5多模式温度和相对湿度模拟数据以及SSP3人口数据,量化并分析了未来全球及区域尺度热浪的人口暴露度变化以及造成暴露度变化的各因素的贡献率。结果表明：(1)过去(1986—2005年)暴露度的分布主要受人口分布的影响,印度次大陆以及中国东部、东南沿海地区是暴露度高值区,未来(2081—2100年)热带地区暴露度的增加尤为明显;(2)全球区域间暴露度变化差异显著,未来南亚地区平均暴露度的增幅最大,接近3×10⁴万人·d,而澳大利亚北部、亚洲北部、加拿大地区平均暴露度的增幅不足100万人·d;(3)气候和人口因素共同作用是造成绝大多数热带地区暴露度变化的最主要原因,而对于中高纬度地区来说,气候要素的贡献率最大;(4)气候和人口因素共同作用对全球暴露度变化的贡献占据主导地位。     

西北太平洋夏季海洋热浪的变化特征及海气关系

全球增暖背景下更加频繁和持续的海洋热浪事件已经对生态和人类社会经济造成了严重影响。但对于海洋热浪的海气相互关系和对区域气候制作用的研究还十分有限。本文基于1982—2017年美国国家海洋和大气管理局逐日最佳插值海表温度和美国国家环境预测中心再分析资料, 采用经验正交函数展开等统计方法, 系统地分析了西北太平洋夏季海洋热浪的时空分布特征及与之相联系的海气关系。结果表明, 西北太平洋夏季海洋热浪日数和次数EOF(Empirical orthogonal function)第一模态在除黑潮和黑潮延伸区外的区域呈线性增加趋势, 第二模态则呈南北反向分布, 并具有明显的年代际变化特征。海洋热浪的最大强度、持续时间、累积强度第一模态也呈线性上升趋势, 最大强度和累积强度在高纬地区上升最多, 持续时间在黑潮和黑潮延伸区变化最明显。从海气关系的角度来看, 中低纬地区出现海洋热浪事件时, 海气之间主要表现为海洋对大气潜热感热通量的增加, 从而对周边区域大气环流产生影响; 而高纬度地区出现海洋热浪事件时, 海气之间则主要表现为大气对海洋的影响, 以长波辐射和感热通量变化为主。     

卸荷条件下花岗岩力学特性分析

岩体工程中的开挖会不可避免地与岩体卸荷相关联。以花岗岩为试验材料,通过室内试验研究线性卸荷条件下花岗岩的破裂特征,其表现为径向快速扩容及塑性特征的增强。在室内试验的基础上,基于PFC(particle flow code)颗粒流程序,采用平节理模型FJM(flat joint model)模拟花岗岩卸荷条件下的力学特性。鉴于实际工程中岩体的开挖大部分为非线性卸荷,文中运用一种新的“应力/时步”卸荷方式,能够方便地完成非线性卸荷的模拟。数值模拟结果表明,在加轴压卸围压的条件下花岗岩试样损伤严重,承载能力急剧下降,无残余强度,随着初始围压的增加,破坏形式由劈裂过渡为剪切破坏,卸荷速度越快,裂纹扩展越慢。研究结果可为岩石卸荷条件下的力学行为分析以及实际工程提供借鉴。     

基于CT扫描的含非贯通节理3D打印试件破裂规律试验研究

传统岩石钻孔取芯制备的试件存在同批次内部结构不明确、力学性质差异大等缺点,而插缝法制备试件存在预制节理产状不易控制、精度低、周期长等缺点。3D打印技术克服了传统试件制备方法的不足,但试件存在强度低、塑性高的缺点。采用3D打印技术制作了无节理完整试件A-1-1和非贯通平行四节理试件B-1-1,并进行了真空干燥处理和单轴压缩试验,对试件B-1-1进行了CT扫描试验和内部裂隙三维重构。获得了单轴压缩后该试件的应力-应变曲线、表观破裂模式和试件B-1-1内部裂隙的分布情况。试验结果表明:试件A-1-1的应力-应变曲线与未干燥试件的对比说明真空干燥可提高试件强度减小塑性变形,为3D打印试件在岩石力学领域的适用性研究提供参考;试件A-1-1的应力-应变曲线与煤岩对比,表观破裂模式与中砂岩的对比均相似,说明3D打印试件可用于类似岩石的力学研究;单轴压缩条件下"翼形扁颈漏斗状"破裂模式是使非贯通平行四节理试件失去承载能力的主要破裂模式,其裂隙产生、扩展、贯通演化规律表现为复杂的拉剪组合演化,且内部破裂模式与表观破裂模式存在很大差异,表观破裂模式不能准确表征内部破裂模式。     

滑坡水土作用体系中Ca2+的地球化学行为的反向模拟

定量准确地描述滑坡水土作用体系中的复杂地球化学反应对于水化反应微观尺度的研究尤为重要。本文针对三峡库区石榴树包滑坡水土作用体系,选取Ca2+为特征作用离子,设计去离子水及pH=4、7、10的钙离子水溶液在土水质体比为1:5,水流速度20mL/min,室内温度17±2℃的条件下对滑坡土体进行30d室内循环饱水土柱试验。通过对实验测试数据的分析,利用PHREEQCE对试验中的水土化学作用进行反向地球化学模拟,探讨在Ca2+影响下发生的主要地球化学反应特征。结果表明溶液中Ca2+的存在抑制了对水土作用体系反应进程起着控制性作用的钙质胶结物的溶解及粘土矿物的生成,增强了土体表面的离子交换作用,胶结物的生成和胶结作用及离子交换作用使得土体孔隙变小,颗粒间变紧密,使得滑坡体更加趋于稳定。研究成果对研究三峡库区滑坡这一典型而特殊的水土作用体系的水土化学作用机理及过程具有重要的理论意义和实际应用价值。