基于高密度电阻率成像法的基岩裂隙网络原位识别试验研究

对于以低渗透性基岩为处置围岩的核废物地质处置库来说,基岩中的裂隙网络是地下水进入处置库和放射性核素从处置库向外界环境迁移的主要通道。因此,研究基岩内裂隙网络的空间分布特征,对核废物的地质处置是否安全具有十分重要的意义。本文以花岗岩为例通过野外试验,分析研究了利用高密度电阻率成像法（ERT）,对处于不同状态条件下的基岩中裂隙网络进行三维原位识别的效果及能力。结果表明在以高阻值为主要电特性的基岩中,利用ERT对基岩中三维裂隙网络进行原位识别是可行的,并且裂隙的电阻率特征能较好的反映出裂隙的空间分布位置和形态,但对裂隙网络识别的效果与测线方向有关。     

基于高密度电阻率法的土体干缩裂隙动态发育过程精细监测研究

土体在气候作用下发育干缩裂隙是一种常见的自然现象,裂隙的存在会极大弱化土体的工程性质,诱发许多岩土与地质工程问题。为了实时掌握黏性土中干缩裂隙网络的发展状态,提出了一套基于高密度电阻率层析成像技术（ERT）的土体干缩裂隙动态发展过程精细监测方法。分别开展模型试验及原位试验,利用自行研制的测定系统持续采集电流-电位差数据,随后利用自行开发的有限元法电阻率层析成像（FemERT）系统进行数据处理,获取了裂隙网络在不同发育阶段的空间分布特征。结果表明：（1）ERT可以实现土体裂隙发育过程的精细监测,具备监测三维裂隙网络几何形态的能力,裂隙宽度的识别精度达到毫米级,裂隙深度的识别精度达到厘米级;（2）ERT的感度分布特征解释了裂隙发育对于土体电阻率的影响规律,测定电阻值时程曲线因裂隙产生位置的不同而呈现不同的变化规律;（3）反演电阻率及其相对变化率（Rev）可以直观表征裂隙网络在不同阶段的空间几何形态,凸显裂隙动态发育过程对于土体导电性的影响。     

干旱地区建筑物地基中水盐运移的硫-35示踪试验

Radioisotope S^35 carried by Na2SO4 solution is a. good tracer for studying watersalt movement in soil layer. Examination of radioisotope S^35 as a tracer for the water-salt movement has been performed in laboratory by making use of simulated soil columns as well as in an experimental highway subgrade. The results indicate: (1)the maximum penetrating depth of atmospheric precepitatious in some arid regions in Northwestern China is about 20--30 centimeters; (2) an excess of water for construction usage for example, in the range of 30-40 kg/m^2 may probably lead to a upward migration of the salts from lower soil layers into the foundation and consequently cause damage to buildings.     

低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。     

黏土岩饱和过程中水分运移规律试验研究

黏土岩作为高放废物地质处置库的备选介质,目前得到世界各国的高度重视。黏土岩地质处置库巷道施工过程中,一方面,围岩因开挖损伤生成裂隙使得渗透性增强,对核素的阻滞作用降低;另一方面,在应力和水的耦合作用下,黏土岩良好的裂隙渗透损伤自修复能力使得围岩的渗透性逐渐恢复接近于原始状态。基于电阻率测试,首先开展了黏土岩试样在不同条件下的饱和过程试验研究,得到了黏土岩试样饱和过程中等效电阻率的变化规律,分析了不同损伤程度试样、盐溶液对等效电阻率的影响,进而揭示黏土岩饱和过程中水分运移规律。试验结果表明：（1）等效电阻率随着含水率增加而逐渐减小,并逐渐趋于一个稳定值;（2）等效电阻率的大小不仅与含水率有关,试样内部裂隙的存在也会影响等效电阻率分布,这一发现为电阻率法可以探测试样中裂隙的存在提供了依据;（3）水流在黏土岩中扩散,内部裂隙成为优先通道,水流在裂隙中的快速扩散加快了黏土岩的饱和速度。同时,随着黏土岩中水分与黏土矿物的水化膨胀反应,内部裂隙有一定程度闭合,加深对裂隙闭合机制认识,通过电阻率测试可以有效地揭示这一过程。     

裂隙岩体强度试验单点法及其前景

本文在回顾裂隙岩体强度试验的基础上，用大量原位测试数据对裂隙岩体直剪破坏机理和裂隙岩体直剪破坏的基本规律及其成因进行了深入探讨；总结出一套行之有效的试验技术；给出了裂隙岩体直剪破坏时的充分必要条件并加以量化。     

高密度电阻率法测试系统的研究

电阻率勘探法一直是水文、工程、环境物探中所采用的重要方法之一。然而常规电阻率法由于其本身工作方式限制，致使其获取的信息数量较少，更难于从多种电极排列的组合上去研究地电断面结构。高密度电阻率法正是为弥补上述不足而产生的。本文详细介绍了高密度电阻率测试系统，特别是关键部件程控式多路转换器的原理及设计。     

矿山灾害电阻率法预测机理及试验

岩爆和煤层突出灾害对煤矿的安全生产及生产效率有着十分严重的影响。本文讨论了电阻率法在矿山灾害预报中的应用,利用试验观测了岩样在破坏过程中电阻率的变化,其结果表明,岩石电阻率在其破坏过程中变化明显,说明电阻率法可以用于矿山灾害的预测、预报     

采用复合单元法模拟裂隙多孔介质变饱和流动

采用复合单元法建立了模拟裂隙多孔介质变饱和流动的数值模型。该模型具有以下特点:裂隙不需要离散成特定单元,而是根据几何位置插入到孔隙基质单元中形成复合单元;在复合单元中,分别建立裂隙流和孔隙基质流的计算方程,二者通过裂隙-基质界面产生联系并整合成复合单元方程;复合单元方程具有和常规有限单元方程相同的格式,因此,可以使用常规有限单元方程的求解技术。采用欠松弛迭代、集中质量矩阵以及自适应时步调节等技术,开发了裂隙多孔介质变饱和流动计算程序。通过模拟一维干土入渗和复杂裂隙含水层内的流动问题,验证了该模型的合理性和适用性。模拟结果为进一步认识非饱和裂隙含水层地下水流动特性提供了理论依据。     

基于电阻率的非饱和土基质吸力预测

针对非饱和土吸力测量与计算的困难,提出了一种利用土的电阻率结构参数预测基质吸力的方法。通过滤纸法测试重塑膨胀土的基质吸力,分析了非饱和土的基质吸力与体积含水率的关系,即土-水特征曲线的变化规律。在测试非饱和土横向与竖向电阻率的基础上,探讨了非饱和土的电阻率与其体积含水率的关系,并进一步研究了土的电阻率结构性参数 、 和 随体积含水率的变化规律。发现基质吸力与电阻率结构参数 之间存在良好的抛物线关系,利用这种关系可以准确预测非饱和土的基质吸力。利用土的电阻率结构参数预测吸力,避免了吸力量测与计算的困难,简单实用。     

煤电阻率与其瓦斯含量关系的实验研究

煤体中的瓦斯含量能显著影响煤的电阻率,本文利用高精度电阻测试实验装置,在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下,对煤样的电阻率随瓦斯含量的变化规律进行测定。研究结果表明:煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下,电阻率随着瓦斯吸附量增大先逐渐减小,后趋于平稳;等体积吸附(静态吸附)时电阻率改变较连续吸附(动态吸附)明显,且等体积解吸结束时,煤体电阻率距离原始值较远;在瓦斯解吸过程中,煤体电阻率随煤中瓦斯含量增大呈线性减小。研究结果为利用煤体电阻率与瓦斯含量的线性关系预测矿井瓦斯含量提供了理论依据,对指导现场的瓦斯含量测量具有重要意义。     

基于伪随机信号的磁电法渗漏模型试验

磁电法是近些年在国内兴起的一种电磁勘探方法,该方法在探测地下渗流等长走向的良导地质体方面具有技术优势,但是其抗干扰能力差,易受外部噪声影响,一直未能推广.近年来,伪随机信号在物探领域开始广泛应用,该技术通过对冲激响应及阶跃响应进行卷积运算来达到降噪目的 ,可极大地提升抗干扰能力,因此,本文结合磁电法的勘探原理及伪随机辨...     

3D-electrical resistivity tomography monitoring of salt transport in homogeneous and layered soil samples

Monitoring transport of dissolved substances in soil deposits is particularly relevant where safety is concerned, as in the case of geo-environmental barriers. Geophysical methods are very appealing, since they cover a wide domain, localising possible preferential flow paths and providing reliable links between geophysical quantities and hydrological variables. This paper describes a 3D laboratory application of electrical resistivity tomography (ERT) used to monitor solute transport processes. Dissolution and transport tests on both homogeneous and heterogeneous samples were conducted in an instrumented oedometer cell. ERT was used to create maps of electrical conductivity of the monitored domain at different time intervals and to estimate concentration variations within the interstitial fluid. Comparisons with finite element simulations of the transport processes were performed to check the consistency of the results. Tests confirmed that the technique can monitor salt transport, infer the hydro-chemical behaviour of heterogeneous geomaterials and evaluate the performances of clay barriers.     

基于接力排水的强夯法在滨海回填区地基处理中的试验研究

本文对山东半岛海岸带滨海杂填土、饱和粉细砂、淤泥质土等特殊复杂地层地基处理方法进行了研究。以经济高效的强夯法为基础,提出复杂地层整体排水概念,设计了浅层、深层竖向排水和水平排水的接力排水系统,并进行了现场试验研究。监测数据表明,强夯荷载作用下,接力排水系统整体协同排水,可快速排出各个地层中地下水、消散超孔隙水压力。7 h左右可基本消除强夯引起的地下水上升及孔隙水压力消散。持续降水,地表沉降为上部土体厚度的0.7%～2.0%。强夯动力荷载作用下,表层土体压缩为上部土体厚度的8.7%～10.9%。埋深3～7 m土体沉降约为土体厚度的5‰、3‰,埋深7～10 m土体沉降为土体厚度的2‰。检测数据表明,在强夯有效影响深度内地基处理效果明显,土体工程性状改善明显。表层承载力及变形模量满足设计要求,4 m以下淤泥承载力平均值略低于设计要求,下部淤泥质土计算平均固结度为77%。夯后1个月监测数据表明,地表沉降量在25 mm以内,已逐步趋于稳定,分层沉降、孔隙水压力数值整体稳定略有下降。     

Lithium isotopes in the system Qz-Ms-fluid:An experimental study

The fractionation of lithium isotopes among quartz, muscovite, and a chloride-bearing aqueous fluid has been investigated experimentally at 400°-500°C and 50-100 MPa. Experiments were performed for 15-60 days in cold seal vessels with natural mineral specimens. Lithium was introduced primarily through the fluid, which also contained KCl and HCl. In most runs, the fluid was prepared with the L-SVEC standard (δ⁷Li = 0) and was 1 M in total chloride with K/Li/H = 100/10/1. In two experiments, a ⁶Li spike was employed. The experiments demonstrate that quartz and muscovite are susceptible to pronounced, rapid shifts in Li isotopic composition by diffusion through interaction with a Li-bearing fluid, particularly at 500°C. At 500°C, fractionation factors were determined to be Δ_{quartz-aqueous} ≅ +8 to + 12‰ and Δ_{muscovite-aqueous} ≅ +18 to + 20‰. An intermineral fractionation factor is given by Δ_{muscovite-quartz} ≈ +9‰. At 400°C, the results suggest Δ_{quartz-aqueous} ≈ +4 to + 6‰. The study provides evidence of systematic fractionation in lithium isotopes at the temperatures of some magmatic processes, such as those associated with porphyry-type ore systems and pegmatites.     

An Experimental Study of Oxygen Isotope Fractionation in the Quartz—Wolframite—Water System

Oxygen isotope fractionation was experimentally studied in the quartz-wolframite-water system from 200 to 420 °C. The starting wolframite was synthesized in aqueous solutions of Na₂WO₄ · 2H₂O + FeCl₂ · 4H₂O or MnCl₂ · 4H₂O. The starting solutions range in salinity from 0 to 10 equivalent wt.% NaCl. Experiments were conducted in a gold-lined stainless steel autoclave, with filling degrees of about 50%. The results showed no significant difference in equilibrium isotope fractionation between water and wolframite, ferberite and huebnerite at the same temperature (310 °C ). The equilibrium oxygen isotope fractionation factors of wolframite and water tend to be equal with increasing temperature above 370 °C, but to increase significantly with decreasing temperature below 370 °C: 1000 ln α_wf-H₂o= 1.03×10⁶T−2-4.91 (370 °C ±200 °C ) 1000 ln α_wf-H₂o = 0.21×10⁶T −2-2.91 (420 °C -370 °C ±) This projects was financially supported by the National Natural Science Foundation of China.     

纵轴直流电测深法在找水中的应用

纵轴直流电测深方法具有较高的垂向地质分辨能力，能够较准确预测断裂规模、产状，详细划分含水层及厚度，为井位布置及凿井工艺选择提供了可靠的地质依据。     

Parameter estimation based on vertical heat transport in the surficial zone

Measured groundwater temperatures in the surficial zone are dependent on the properties of porous media and vertical flow velocity. Sensitivity analyses, collinear diagnostics and an inverse numerical solution to the one-dimensional heat-transport equation are used to determine which parameters can be estimated from temperature measurements in the surficial zone. This is done for heat transport in the saturated zone considering a constant vertical flow velocity. The use of temperature profiles, temperature time-series and temperature envelopes are considered. There is an important difference between a conduction and a convection dominated system. Sensitivity analysis shows that temperature measurements are sensitive to effective thermal conductivity and heat capacity and are insensitive to effective porosity and thermal dispersivity. In a conduction dominated system, temperature is also insensitive for vertical velocity. Collinear diagnostics show that in a conduction dominated system, only the combination of heat capacity and effective thermal conductivity, the thermal diffusivity, can be derived. In a convection dominated system, both the vertical velocity and the effective thermal conductivity can, theoretically, be derived.     

岩质边坡表层黏性客土抗裂特性试验研究

客土喷播是当前对于裸露岩质边坡生态修复的一种常用技术。然而,边坡表层黏性客土在干旱的气候条件下,内部水分大量流失将容易产生干缩、开裂现象,进而影响坡面的整体稳定性,以及表面植被的生长。本文针对边坡表层黏性客土开裂问题,通过改变土体厚度,以及制备不同聚氨酯（PU）浓度的高分子复合黏性客土,开展一系列室内蒸发试验,以分析土体表面裂隙发育特征,并结合数字图像处理技术（PCAS）,对裂隙网络的几何形态进行定量分析,进一步探究土体厚度和高分子添加剂浓度对其裂隙发育的影响。     

壁画地仗中盐分的毛细输送机制研究

设计了专门的毛细水输盐模拟试验装置,在精确控制温度、湿度和供水水头的情况下,监测不同孔隙溶液在含盐及脱盐澄板土地仗中的毛细迁移特征。水盐迁移前后,测定模拟地仗的导热系数、孔隙半径变化,从微观角度判断外来盐分及地仗内存在的盐分对地仗盐害的贡献。试验结果表明,溶液毛细迁移速率由大到小排列为KCl与Na_2SO_4混合溶液KCl溶液Na_2SO_4溶液H_2O。毛细上升速度随着试样高度的增加逐渐减慢,而且脱盐澄板土中的毛细上升速率大于天然澄板土中的速率。孔隙溶液电导率随试样高度增加呈递增趋势,且天然澄板土试样的电导率普遍高于脱盐澄板土。试样的导热系数随高度的增加出现先减小后增加的总体趋势。脱盐澄板土与天然澄板土相比,孔径分布密度偏向小孔径方向;当迁移溶液为混合盐时,孔径分布较单一盐溶液时集中。模拟试验结果发现,毛细输送的外来盐分(特别是硫酸盐和氯化物复合盐)造成的土体盐胀破坏比土中既有盐分更加显著,说明控制降水入渗引起的化学淋滤作用对预防顶层洞窟壁画盐害具有重要意义。