基坑开挖对涉支护结构下穿盾构隧道变形的三维模拟与影响规律研究

依托某大厦基坑支护工程项目,研究深厚软土地层中基坑开挖对涉支护结构下穿盾构隧道变形的影响规律。采用三维有限元数值模拟分析隧道顶部支护桩的长度对支护结构变形和隧道隆起的影响,并将数值模拟结果与现场监测结果进行对比。结果表明：深厚软土地层中基坑开挖对下穿盾构隧道产生了较大的隆起变形;因下穿隧道的影响,隧道顶部支护桩嵌固深度的减小对支护结构的变形和下穿隧道的隆起会产生重要影响,当支护桩底与隧道顶的竖向间距S＞4 m或支护桩边缘与隧道边缘的水平间距S1＞4 m 时,支护桩的踢脚位移和下穿隧道的隆起变形迅速增加。研究成果可为类似工程提供应用参考和理论支撑。     

河北保定岩溶地热结垢过程模拟及防垢对策

我国的地热发电以及部分供暖工程出现了比较严重的结垢现象,阻碍了地热能的大规模开发利用,目前地热市场急需成熟的防垢理论和工艺。地热工程的结垢现象尤以碳酸钙结垢最为普遍,为解决碳酸钙结垢问题,本文以华北保定岩溶地热井结垢为研究对象,通过理论和实验相结合的手段研究分析了垢质成分,成垢机理,结垢位置和过程以及防垢措施。研究结果表明:(1)系统降压造成的闪蒸是碳酸钙结垢的主因,液相二氧化碳逸出到气相是碳酸钙结垢的主要驱动力;(2)根据井口参数,结合质量、动量和能量守恒以及两相流压降理论,可以模拟结垢过程,确定结垢位置以及不同深度处的压力、温度、干度和二氧化碳分压等参数;(3)闪蒸造成的碳酸钙结垢,确定了闪蒸位置和闪蒸压力后,可以通过加压和加注阻垢剂的方式进行阻垢。通过模拟计算,确定了加压防垢系统所需的最低压力,通过控制系统压力可防止闪蒸,抑制二氧化碳逸出造成的结垢。设计了阻垢工艺,研制了阻垢剂加注设备,开展了井下化学阻垢实验并评价了阻垢效果,通过加注阻垢剂可有效阻止90%以上的垢生成,论证了通过加注化学阻垢剂可以有效解决碳酸钙结垢。通过上述研究,积累了从结垢原因分析,结垢位置确定,结垢过程模拟,防垢工艺和设备研发,防垢实践到阻垢效果现场评价一整套经验,可为其他地热井碳酸钙结垢问题的解决提供参考依据。     

Numerical simulation of deep-hole resistivity anomaly caused by drilling construction in Xinfengjiang geoelectric station

The Xinfengjiang reservoir in Guangdong Province, is one of the large reservoirs that have triggered earthquakes of magnitude greater than 6. Numerous earthquakes have occurred since the impoundment of the reservoir, making it one of the most active seismic zones in south China. In 2015, a set of deep-hole resistivity anomalies was observed in the Heping geoelectric station in Dongyuan county, located near the Xinfengjiang reservoir. After a field investigation, we found that a planned well drilling construction of new measuring channels was being carried out during that corresponding period of time. After careful comparison and analysis on the basis of the collected raw data, we had a reason to believe that drilling construction, rather than the inducement of the Xinfengjiang reservoir, was the main culprit for those unusual georesistivity values. So as to verify the above conjecture, we constructed a series of 3D finite element models based on the geological and hydrological information around Heping station and analyzed the drilling disturbances, respectively. Some significant conclusions were finally drawn according to the precise numerical simulation. This study gives a good example by combining numerical simulation with engineering practice as a way to understand the root cause of georesistivity anomalies in reality.     

安徽马鞍山市当涂地区地下水水化学特征及演化机制

【研究目的】 了解长江中下游平原地区地下水流系统并深入分析其地下水水化学特征及其演化机制。【研究方法】 综合马鞍山市当涂地区的水文地质条件、水动力场等,基于研究区水化学基本特征,运用多元统计分析、水化学图件、离子比值和反向水文地球化学模拟等方法对该地区浅层地下水水化学演化进行分析。【研究结果】 结果表明：（1）研究区地下水主要为低矿化度偏碱性水,地下水组分中阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主,阴离子以HCO₃^-和SO₄^2-为主。（2）研究区地下水水化学类型主要可分为7类,其中松散岩类孔隙含水岩组和碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组的水化学类型主要为HCO₃^-Ca型、HCO₃^-Ca·Na型、HCO₃·Cl-Ca·Na型以及HCO₃^-Ca·Mg型;基岩类裂隙含水岩组的化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型和SO₄·HCO₃^-Ca·Mg型。（3）研究区浅层地下水水样超标率为46%,总体水质较差,超标率较高的组分依次为Mn、高锰酸盐指数（COD_Mn）、硝酸盐（以N计）、Fe、As、氨氮（以N计）等。（4）研究区地下水的化学组分主要受到岩石风化作用的控制;此外,还存在Na-Ca的正向阳离子交替吸附作用。反向水文地球化学模拟结果进一步定量论证了水岩相互作用对本区浅层地下水组分的形成和演化起着主导作用。【结论】 研究区地下水主要为低矿化度偏碱性,主要可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩类裂隙水。主要离子比例和反向水文地球化学模拟揭示了本区浅层地下水化学组分主要是地下水溶滤方解石、白云石等碳酸盐矿物、石英、长石等硅酸盐矿物,高岭土等黏土矿物以及岩盐、石膏等达到过饱和之后形成的。     

基于抗转模型的颗粒材料宏−细观关系研究

接触模型的宏?细观参数标定是成功使用离散元方法的关键。在离散元的接触模型中线性接触模型与抗转线性接触模型均可用于模拟砂性土的力学行为,其中抗转线性接触模型在模拟密砂的剪胀性方面具备优势。采用抗转线性接触模型对室内密实砂土三轴试验进行了离散元模拟,验证了抗转线性接触模型的可靠性;进而系统分析了颗粒间摩擦系数、刚度比和抗转动系数等细观参数与砂土峰值内摩擦角、残余内摩擦角、峰值剪胀角等宏观参数的相关关系并进行了验证;揭示了偏应力作用下,细观参数对密实砂土试样内部剪切带宽度与倾角变化的影响规律,提出了考虑剪胀角的剪切带倾角经验公式。通过研究建立了抗转线性接触模型宏?细观参数的量化关系并给出了标定参数的具体流程图,提出了快速标定宏观参数的方法并应用实例进行了验证,为采用抗转线性接触模型精准模拟密实砂土的力学特性提供依据。     

大倾角煤层分层综采再生顶板破断规律研究

针对大倾角厚软煤层下分层安全综采问题,结合淮南矿区潘北煤矿1212（3）大倾角厚软煤层分层综采下分层工作面地质与工程条件,综合运用基于数字散斑、声发射监测与分布式光纤传感技术的物理模拟试验、基于煤系地层赋存禀赋建模技术的数值模拟试验相结合的研究手段,开展了下分层开采再生顶板破断倾向分区演化、再生岩体变形声发射能量与光纤应变响应规律及应力分布特征研究。结果表明：再生顶板破断由其破断岩块滑移、低中位悬臂梁和高位铰接岩梁断裂组成,双梁破断是引起下分层支架失稳的关键所在。下分层中上部双梁破断声发射能量呈高度聚集且持续时间短,光纤感知低位悬臂梁破断且中上部光纤应变峰值高,下分层中上部是支架与再生顶板稳定性控制的重点区域。下分层下部再生顶板破断岩块充填密实且粒径小,是架间与架前岩块漏冒多发区域。下分层再生顶板中形成高应力组成的应力拱,距采空区高度约30 m,双梁破断主要发生在拱内,拱中岩体破断对支架具有一定的冲垮作用。     

降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响研究

毛细阻滞覆盖层的防渗性能对于控制渗滤液和减轻垃圾填埋场周边环境的污染具有重要意义,因此得到广泛研究。前人在研究中多采用恒定降雨强度来模拟降雨气象条件,而对降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响关注较少。因此,采用自主研发的土柱降雨入渗试验系统,分别对短时强降雨和长时弱降雨两种降雨情况下,降雨形式对毛细阻滞覆盖层防渗性能的影响开展了研究,并揭示了最不利降雨形式。同时,采用SEEP/W软件对各试验工况进行数值模拟,以使模拟结果与试验结果能够相互印证。研究结果表明：试验结果与模拟结果基本一致,最大误差不大于3%;在短时强降雨情况下,降雨形式仅对覆盖层上部的体积含水率和孔隙水压力有较大影响;而在长时弱降雨条件下,降雨形式对整个覆盖层的体积含水率和孔隙水压力均有显著影响;降雨形式对覆盖层突破时间及渗漏量均有影响,前锋型降雨的突破时间最短,产生的渗漏量最大,后锋型降雨的突破时间最长,产生的渗漏量最小;前锋型降雨更易造成覆盖层突破失效而产生较大的渗漏量,为最不利降雨形式。该研究结果可为毛细阻滞覆盖层设计提供参考依据。     

考虑优势流作用的降雨入渗边坡可靠度分析

降雨诱发滑坡是世界上最普遍的地质灾害,而关于降雨入渗对边坡的可靠度分析,优势入渗的影响被长期忽视。使用Comsol Multiphysics对降雨条件下优势入渗做数值求解,利用无限边坡模型计算边坡安全系数;并应用改进Cholesky分解法生成空间相关随机场,使用蒙特卡洛方法分析降雨过程中边坡的可靠度。结合确定性与可靠度计算对比均质入渗与优势入渗在降雨过程中边坡安全性变化：（1）降雨强度较低时,优势入渗安全性较好,而降雨强度较高时,均质入渗更稳定;（2）均质入渗中参数空间变异性是边坡失稳破坏的关键因素,而优势入渗的边坡失稳则由湿润峰快速推进所导致;（3）针对优势入渗模型研究,发现基质域与优势域水力交换强度较大时边坡有更大概率失稳,而较小的水力交换强度可能影响边坡底部的失稳破坏。     

砂土层中盾构掘进实测数据及数值模拟分析

相对于其他土层,盾构在富水砂层中掘进的风险更大,但目前盾构掘进引起砂层变形的机制并不清楚。依托广州某电力隧道项目,选取一典型富水砂性地层断面对盾构隧道施工引起的地层变形进行高频率、近距离的监测,得到以下几点认识可供类似的工程参考：（1）富水环境下,相对于均质砂层,隧道处于粉砂+粗砂地层组合更容易发生渗透破坏。此情况下,粉砂层在承受更大渗透力同时,又受粗砂层强烈补给供水,非常容易被侵蚀甚至掏空。（2）地层均匀损失与局部集中损失引起地层扰动规律有较大的不同。地层均匀损失时由于拱效应没集中局部损失的强,其扰动范围、地表沉降及水平位移均更大。水平位移最大值的位置与地层损失的非均匀化也密切相关。地层均匀损失时,隧道两边最大水平位移发生在隧道高程范围内;但地层非均匀损失（隧道顶部局部塌落）时,发生最大的水平位移的位置会明显上移。（3）渗透力的作用使得地层扰动范围扩大。（4）地层损失率受注浆影响严重,隧道附近大,地表最小,隧道上方土体呈松散化趋势。     

基于原位双环、试坑浸水试验和数值模拟反演的Q3黄土饱和渗透系数对比研究

为准确获取原状Q3黄土的竖向和水平饱和渗透系数,进行了原位、室内试验测试以及数值模拟反演,并应用大型试坑浸水试验检验了所获饱和渗透系数的可靠性。进行了不同内径尺寸的原位双环入渗试验,获取了竖向饱和渗透系数,并应用室内试验测试了竖向和水平饱和渗透系数以及持水曲线;应用COMSOL软件对双环入渗试验进行数值模拟,检验了所测饱和渗透系数的可靠性,利用正交试验获得了最优的竖向和水平饱和渗透系数取值,并利用反演结果对试坑进行数值模拟,将其水分入渗情况与实测值对比。研究结果表明：在现场进行双环入渗试验时选取较大内径的双环获得的竖向饱和渗透系数更为合理。针对双环入渗试验,数值模拟反演所得最优饱和渗透系数在竖向上接近于原位试验所得竖向饱和渗透系数、水平向上接近室内所测水平向饱和渗透系数,竖向饱和渗透系数比水平向饱和渗透系数更加显著地影响水分入渗过程。通过对大型试坑水分入渗情况的验证,检验了反演所得最优饱和渗透系数的可靠性。