基于图像测速的薄壁堰流表面流场测量方法

针对薄壁堰流水面落差大、流速沿程变化剧烈的特点,提出一种测量堰流表面三维流场的有效方法。该方法基于双相机共面法重构水面形态（无需对相机进行复杂的内外参数标定）和大尺度粒子图像测速技术（LSPIV）测量二维流场,通过相机像平面与水面之间的空间映射关系,将像平面的二维流场数据逆投影至世界坐标系下已知坐标点的切平面上,解算出三维表面流场。该方法应用于薄壁堰流试验,有效重构了堰流三维表面形态及流场,其初步结果表明,堰流的流向速度在自由泄流长度范围内先增加后减小,转折点大致在自由泄流长度中间位置;在该位置之后,垂向流速占主导;同时该方法可行,计算结果合理。     

地下水流二维、准三维及三维模型模拟结果比较

本文为三种简单的由多个含水层和弱透水层组成的越流含水系统建立了二维、准三维和三维数学模型,并对它们的解进行了比较分析。三种水流系统的二维、准三维及三维数学模型计算结果相互间的偏差随抽水时间的延长而增大,随井距的增大而减小;二维与准三维数学模型计算结果间的偏差随弱透水层越流系数的减小而减小;两种准三维数学模型计算结果间的偏差随抽水含水层与弱透水层间贮水系数比值的增大而减小;考虑弱透水层弹性释水的准三维模型与三维模型的解最为接近,它们之间的水头差当贮水系数比值一定时,随抽水含水层与弱透水层间渗透系数比值增大而减小,且随各向异性比值的增大而增大。     

基于三维并行SPH模型的土体流滑特性研究

土体的大变形流滑导致了许多地质灾害的发生,对人们的生命财产安全构成了极大的威胁,因此越来越多的研究开始关注土体的大变形流滑特性。其中,光滑粒子流体动力学（SPH）方法是常用的模拟方法之一,但SPH方法的粒子特性导致其计算时间过长,影响了在工程地质领域的进一步应用。对此,本研究基于SPH方法的基本原理、非牛顿流体理论和等效黏度概念,提出了适用于土体大变形流滑分析的三维SPH仿真模型。结合OpenMP并行计算原理,实现了SPH算法的并行优化。在此基础上,对土体流滑模型试验进行了二维和三维分析,得到了滑动距离、滑动冲击力和冲击力峰值等动力学参数,分析了计算维数和边界条件对流滑特性的影响机制。通过不同线程数下计算时间的对比,获得了计算效率随线程数的变化规律。结果证明了本文的OpenMP并行优化具有较高的计算效率,显著降低了三维SPH模拟的计算耗时,对工程地质数值方法的效率提升具有重要的借鉴意义。     

傍河水源地地下水资源评价方法述评

当前傍河水源地地下水资源评价的方法主要是水动力学方法和地下水管理模型,包括平面二维流模式、饱和三维流模式、饱和-非饱和流模式以及以这些水流模式为基础的地下水管理模型,其中以完整河流假设的平面二维流模式和非完整河流(实际河流)的三维流模式应用较为广泛。但平面二维流模式计算的开采量偏大,容易引起不良的环境影响,应推行使用饱和三维流甚或饱和-非饱和流模式预测傍河水源地地下水开采量。     

含砾滑带土三维颗粒流模型建模方法研究

提出了基于CT扫描技术和PFC三维颗粒流程序建立含砾滑带土三维建模方法。首先,通过CT扫描技术获得含砾滑带土三轴试样的一系列二维切片图像,采用二值化和砾石边界识别方法,得到了砾石边界点云数据;其次,利用砾石边界点云数据,采用逆向重构得到各个砾石的三维模型;最后,将重构的三维砾石模型导入PFC三维颗粒流程序,建立颗粒流数值模型。计算结果表明:三轴剪切过程中,砾石的欧拉角随着试样剪切变形的发展而变化;与无砾石试样相比,砾石周围土体小球的运动方向更加杂乱,说明了砾石对含砾滑带土的剪切破坏有显著的影响。通过与三轴剪切试验过程中砾石的空间运动规律进行对比分析,验证了提出的建模方法是可行的。采用该方法研究砾石的空间运动特征,对于揭示砾石在含砾滑带土剪切破坏过程中的作用具有重要的意义。     

连续弯道水流模拟中二次流修正效果评价

为了选择适用于复杂连续弯道的二次流修正方法,选取了线性方法中两种典型的计算模式,通过在正交曲线坐标系二维浅水动量方程中增加扩散应力项开发了考虑二次流影响的平面二维水流模型。基于不同复杂度的4个连续弯道试验的水位和流速分布资料,通过理论分析和数值试验对比定量评估了传统二维模型和两种二次流修正方法在连续弯道水流模拟中的效果。测试结果表明,Delft3D模型的二次流修正方法自由度较高,适用于不同复杂度的连续弯道水流模拟,而Lien模型二次流修正方法适用于微弯或中弯,应用于中弯时需要慎重选用,不适用于急弯连续弯道模拟。两种方法比较,建议连续弯道水流模拟中优选Delft3D模型的二次流修正方法。     

二维水流数学模型区产流、汇流问题的探讨

目前,二维水流数学模型已得到普遍应用,但模型区的产流、汇流问题考虑较少。通过南水北调中线工程总干渠左岸串流区二维水流模拟计算,针对水面区和陆面区不同情况对模型区的产流、汇流问题进行了分析研究,在二维水动力学数学模型的基础上建立了串流区水文、水力学模型,提出了处理模型区产流、汇流问题的一套行之有效的方法。     

多沙河流平面二维泥沙数学模型研究

针对冲积河流河床演变速度快、边界调整幅度大的特点,采用积分方法数值求解水流泥沙基本方程,建立了适合于多沙河流泥沙及河床演变规律的二维数学模型,在数值方法方面考虑了物质守恒性及对多变边界的适应性,采用了比较简单的动边界处理模式。通过工程实例的计算验证,证实了模型所采用的基本方法是合理的,模型有较强的河床边界适应能力,可用以解决有关多沙河流河床演变预测及浑水洪水预报的有关问题。     

立节北山滑坡地震稳定性及破坏过程三维有限元分析

针对甘肃省舟曲县立节镇北山滑坡在地震情况下的稳定性及失稳后可能威胁的范围问题，笔者使用显式有限元及动力学大变形方法分析了该滑坡在地震情况下的稳定性及失稳后的破坏过程。首先基于滑坡纵剖面建立二维平面应变模型分析滑坡稳定性及破坏过程，之后使用航测点云数据建立三维滑坡模型进行计算分析。地震条件下三维计算确定的滑坡安全系数结果低于1.0，较二维计算结果低7.7%；三维情况计算出的滑动距离达1.73 km，高于二维情况17%，说明滑坡灾害问题使用二维小变形方法得出结果偏于危险。笔者采用显式有限元、三维及大变形计算方法分析更符合实际，可为滑坡灾害的工程防治提供科学理论依据。     

基于二维和三维模型的盆地典型剖面流场对比

前人多在二维剖面上分析盆地地下水循环规律,基于二维剖面模型和三维模型得到的剖面地下水流场是否一致值得探究。推导了三维单元盆地和复杂盆地的水头解析解,选取了水位最高点到最低点的剖面作为典型剖面,比较了二维、三维模型得到的典型剖面流场。当潜水面起伏关于典型剖面对称时,与三维模型相比,单元盆地二维剖面模型得到的流量随深度衰减偏慢,复杂盆地二维剖面模型得到的内部驻点位置偏深。当潜水面起伏不对称时,由于存在垂直于典型剖面的流速分量,典型剖面上不存在内部驻点,滞流区仍然存在。结论加深了对地下水在三维空间循环规律的认识。     

煤层气藏三维数值模拟

本文根据煤的储气特征,煤层气的吸附特征,排水降压解吸产机理建立了煤层气藏数学模型和三维全隐式差分模型,采用最佳变松驰求解,收敛度快,稳定性好。     

泥石流堆积物粒度分布特征影响因素分析及分形维数预测

泥石流堆积物作为泥石流发育最终的产物,含有大量与泥石流发生过程和发育特征相关的信息,能够反映泥石流灾害程度和活动强度。研究表明,泥石流堆积物颗粒具有明显的自相似性和无标度区间,运用分形理论,计算泥石流堆积物颗粒分布的分维数。分析分维数与主沟长度、泥砂补给段长度比、主沟平均比降、流域最大相对高差和松散物源量的关系,结果表明分维数与各因素之间存在较强的非线性响应关系。以乌东德库区泥石流实测数据为例,以上述的5个因素作为输入单元,建立了泥石流堆积物分维数支持向量机预测模型,并对分维数进行了预测,其预测结果的最大误差为1.25%,说明预测值与实测值吻合度较高。综合表明支持向量机预测模型能够较好地模拟和泛化数据,是一种行之有效的泥石流堆积物分形维数预测方法,可用于不具备筛析条件的泥石流堆积物粒度分布特征的预测与研究,进而可为研究泥石流的形成机理、类型、危险度和堆积物的形成演化特征及物理力学性质提供一个新思路。     

饱和剪胀性砂土液化后流滑现象与机理

基于完全不排水试验的已有研究结果表明,只有在饱和松砂中才可能发生流滑现象,较密实的饱和剪胀性砂土在初始液化后的不排水循环或单调剪切作用条件下,则会呈现出所谓往返活动性或抗剪强度恢复现象。然而,实际土工抗震边值问题中的饱和砂土在许多情况下并不能够被视为处于完全不排水条件,可能由于土性和变形等因素的不同而处于剪切排水甚至剪切吸水条件。通过对饱和砂土液化后常剪切吸水率试验结果的分析指出,剪切吸水条件可能导致剪胀性砂土的抗剪能力显著降低、甚至发生流滑现象。基于可逆性与不可逆性剪切体应变的概念以及3种体应变分量变化的特性规律,推导出剪切吸水条件下的体变约束条件。不同排水条件下的体变约束条件决定了剪胀性砂土应力-应变响应的不同变化,当满足自由吸水剪切条件时饱和砂土会出现具有流动特征的大变形;当满足强制吸水剪切条件时会发生具有非稳定特征的流滑现象。     

西北黑河下游额济纳盆地地下水系统研究(上)

本文从额济纳盆地含水系统结构及埋藏分析、地下水补给与排泄、地下水流场、水化学特征、水环境同位素等方面的综合分析入手，将全盆地划分为潜水和承压水2大子系统，并进一步区分出5个亚系统及次亚地下水流系统。     

二维可变线元观测技术及应用

二维可变线元观测技术是一种基于三维面元理论基础上提出的观测系统设计方法。它的优点是在不改变观测系统的前提下，调整线元的大小，优化选择地震资料的信噪比和分辨率，为资料处理、解释拓展空间。实践证明，在资料信噪比较高的地区，可缩小CMP间距，有效地提高分辨率；在资料信噪比较低的地区，可用增加覆盖次数来提高信噪比，同时还能有效地降低勘探成本和勘探风险，具有广泛的实用价值。     

某水电站库区泥石流发育特征及其非线性特性研究

通过对某水电站库区内12条主要的泥石流沟从沟道数与流域面积,沟道数与主沟长,沟道数与沟谷坡降关系上研究了库区内泥石流沟发育的非线性特征,并通过其双对数曲线方程得到了各自的分维数,其意义是在对泥石流危险度评判中为各因素权重的求取提供一个定量的手段,并据此可利用非线性技术来解决泥石流灾害研究中的预测及防治等主要问题,为泥石流灾害防治提供新的思路。     

高扬程虹吸保障条件分析与合理管径选择数值模拟

富水性斜坡易产生滑坡进而形成泥石流,斜坡排水是防止地质灾害的重要手段。虹吸排水具有实时性和免动力等优势,但因斜坡排水涉及高扬程,在虹吸管内的低压环境中流动液体会发生强烈的空化现象,从而产生气液两相流。在间歇性虹吸排水过程中,如果不及时将析离的气泡带走,气泡会积聚在虹吸管顶点附近,最终破坏虹吸过程。通过对管内两相流型分析,发现只有形成完整的弹状流,才能将气泡带走,保证虹吸的长期有效。采用流体数值计算软件FLUENT的VOF模型,分别对管径为4、5、6、8 mm的虹吸管内气液两相流型进行模拟。结果表明：管径小于5 mm的条件下,表面张力起主要作用,形成完整弹状流;管径大于6 mm的条件下,形成附壁弹状流。该结论通过物理模型试验也得到证明。     

金沙江巧家-新市镇河段的水系变迁

水系结构特征指示金沙江巧家-新市镇河段原本存在两条相向的互不连通的古水系,往南流的西溪河-白鹤滩-巧家古水系和往北流的牛栏江河口段-永善-新市镇古水系。地貌、沉积学和阶地堆积物重矿物成分等分析也表明巧家-白鹤滩河段古水系曾是向南流的,现今巧家-白鹤滩河段的北流是被袭夺而发生倒流的结果,金沙江是后来才贯通的。第四纪以来云南高原的拱升使西溪河-白鹤滩-巧家古水系南流受阻,并在牛栏江河口段-永善-新市镇古水系的支流对坪河的溯源侵蚀下被袭夺,造成巧家-白鹤滩河段的倒流和金沙江巧家-新市镇河段的连通。阶地堆积物的ESR测年数据显示,巧家-白鹤滩河段的倒流、金沙江-川江水系的贯通发生在1Ma左右。
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盆地地下水年龄空间分布规律

地下水年龄蕴含了地下水循环与演化过程的信息,是研究盆地地下水循环规律的重要信息来源。利用实测示踪剂年龄校正地下水模型,是当前国际水文地质学研究的前沿与热点。在数值模拟计算中,地下水年龄有三种确定方法,分别是利用"活塞流"模型计算对流年龄、根据同位素浓度结合半衰期计算浓度模拟年龄和利用地下水年龄控制方程计算直接模拟年龄。利用地下水年龄控制方程计算的直接模拟年龄适合于从理论上分析盆地中的地下水年龄空间分布规律。研究发现,在各级次流动系统内,从补给区到排泄区,地下水年龄有整体上变老的趋势;盆地下游,地下水年龄在垂向上会发生突变,可作为识别不同级次流动系统的实用指标。研究还发现,驻点位置或者附近,地下水年龄存在一个偏大的峰值。这些规律可为利用地下水年龄校正盆地地下水模型提供理论指导。     

糯扎渡水利枢纽左岸山体三维渗流有限元分析

通常的渗流计算中排水的模拟方法很多,诸如排水子结构法、增加渗透阻抗等。但大型地下厂房与洞室的排水非常复杂,若对每个排水孔都进行模拟就非常繁杂。利用简化方法,采用给定水头和给定流量相结合的方法可以较为方便地解决复杂排水模拟的问题。对糯扎渡地下厂房和洞室群的复杂排水和对左岸包括地下厂房与硐室进行渗流计算分析,通过多个计算方案的比较,对给定流量和给定水头模拟排水效果进行合理假定,使模拟结果得到的排水区流量和水头趋于一致,由此得到合理可靠的排水模拟效果。对模拟得到的糯扎渡左岸山体渗流场进行了分析。计算结果有助于优化工程渗控方案,同时为计算变形稳定提供合理可靠的水荷载。