Combined effect of rheology and confining boundaries on spreading of gravity currents in porous media

One-dimensional flows of gravity currents within horizontal and inclined porous channels are investigated combining theoretical and experimental analysis to evaluate the joint effects of channel shape and fluid rheology. The parameter $\beta$ governs the shape of the channel cross section, while the fluid rheology is characterised by a power-law model with behaviour index n. Self-similar scalings for current length and height are obtained for horizontal and inclined channels when the current volume increases with time as $t^{\alpha }$.For horizontal channels, the interplay of model parameters $\alpha \text{,}n$, and $\beta$ governs the front speed, height, and aspect ratio of the current (ratio between the average height and the length). The dependency is modulated by two critical values of $\alpha \text{,}{\alpha }_{\beta }=n/(n+1)$ and ${\alpha }_n=(2\beta +1)/\beta$. For all channel shapes, ${\alpha }_{\beta }$ discriminates between currents whose height decreases ($\alpha <{\alpha }_{\beta }$) or increases ($\alpha >{\alpha }_{\beta }$) with time at a particular point. For all power-law fluids, ${\alpha }_n$ discriminates between decelerated currents, with time-decreasing aspect ratio ($\alpha <{\alpha }_n$), and accelerated currents, with time-increasing aspect ratio ($\alpha >{\alpha }_n$). Only currents with time-decreasing height ($\alpha <{\alpha }_{\beta }$) and aspect ratio ($\alpha <{\alpha }_n$) respect model assumptions asymptotically; the former constraint is more restrictive than the latter.For inclined channels, a numerical solution in self-similar form is obtained under the hypothesis that the product of the channel inclination $\theta$ and the slope of the free-surface is much smaller than unity; this produces a negligible error for $\theta >2°$, and is acceptable for $\theta >0.5°$. The action of gravity in inclined channels is modulated by both the behaviour index n and the shape factor $\beta$. For constant flux, the current reaches at long times a steady state condition with a uniform thickness profile. In steep channels and for sufficiently long currents, the free-surface slope becomes entirely negligible with respect to channel inclination, and the constant thickness profile depends only on n.Theoretical results are validated by comparison with experiments (i) in horizontal and inclined channels with triangular or semicircular cross-section, (ii) with different shear-thinning fluids, and (iii) for constant volume and constant flux conditions. The experimental results show good agreement with theoretical predictions in the long-time regime.Our analysis demonstrates that self-similar solutions are able to capture the essential long-term behaviour of gravity currents in porous media, accounting for diverse effects such as non-Newtonian rheology, presence of boundaries, and channel inclination. This provides a relatively simple framework for sensitivity analysis, and a convenient benchmark for numerical studies.     

不规则载荷影响地表近场垂向位移和倾斜观测的定量计算

基于均匀的、各向同性的半无限弹性体的点状载荷模型引起周边垂向位移场变化的解析解,本文推导了水平倾斜场的解析解计算方法,给出了二维、三维不规则形状载荷对地面或地下某点的垂直位移和水平倾斜的解析解计算方法。并对比分析了质点简化模型和不规则模型的差异性。最后给出了据不规则形状载荷模型得到的近场垂直位移以及水平倾斜场的展布特征。研究结果表明,相对质点简化模型,不规则载荷模型对近场的刻画具有一定优势;二维不规则形状载荷模型的建立,使得将载荷散点化后再将矢量叠加进行计算成为可能;三维不规则形状载荷模型在载荷散点化后,通过赋予散点的不同权重进行载荷重新分配,然后用矢量计算法获取位移场的变化;在二维和三维不规则载荷散点化后的矢量叠加过程中都存在着较明显的收敛过程,表明该计算方法的正确性和可行性。     

2012年6月24日宁蒗—盐源M_S5.7地震序列M_L≥3.5余震震源机制解

针对2012年6月24日宁蒗—盐源MS 5.7地震序列,基于云南地震台网及部分四川地震台网宽频带数据,采用CAP方法反演该序列主震及ML≥3.5余震的震源机制解。结果显示:主震主应力方位角为148°,俯角58°,节面Ⅰ走向:179°、倾角55°、滑动角-43°;节面Ⅱ走向:297°、倾角26°、滑动角-136°,矩心深度4 km,矩震级5.36,表现为正断层兼走滑型地震,判定节面Ⅱ为其发震断层面,永宁断裂为其发震构造。     

地下透镜体断面形状随机性对地表动力响应极值的影响

采用波函数展开法及边界离散的方法给出任意断面形状的地下透镜体对平面SH波散射的半解析解,利用蒙特卡罗方法随机模拟产生30组透镜体断面样本,通过对30组具有同一统计特征的任意断面地下透镜体在平面SH波入射下地表动力响应极值的统计分析并与相应椭圆透镜体解答比较,研究透镜体断面形状随机性对平面SH波散射的影响。研究表明,透镜体断面形状随机性对地表动力响应极值具有重要影响。以长短轴比为4的椭圆形透镜体为例,当断面矢径的变异系数为0.1时,样本地表位移响应极值的最大值远大于对应椭圆透镜体解的极值,平均可达47.46%。且增加幅度随着透镜体介质与半空间介质波速差距增大而增大。透镜体埋深越小,增加幅度越大。     

汶川、 芦山地震前后四川地区应力场时空演化

基于四川地区2000年1月~2014年6月M_L≥3.0地震震源机制解, 首先分析了四川地区各次级地块和不同断裂带的地震震源机制类型及整体应力场特征, 其次以汶川8.0级、 芦山7.0级地震为例, 研究两次强震发生前后四川各次级地块的主压应力时空演化特征。 获得的主要认识为: ① 四川各次级地块的地震震源机制比较紊乱, 反映了块体内部构造的复杂性, 而断裂带的地震震源机制则相对比较单一, 与其运动类型一致; ② 四川各次级地块及断裂带的整体应力方向比较一致, 优势方位呈现NW和NWW向, 倾角接近水平; ③ 汶川8.0级、 芦山7.0级地震发生前, 震中所在的龙门山断裂带中南段及川青地块的主压应力方位均出现过较好的一致性, 而在芦山地震后, 龙门山断裂带及川青、 川中地块的主压应力优势方位则转变为NE向。     

高频单历元GPS双差解算及其精度分析

基于Windows研制WinTrack高频单历元GPS双差解算软件,进行10 Hz短基线和1 Hz中基线高频观测、动态差分解算及精度分析。试验表明,中短基线条件下,高频单历元GPS双差解的保守精度为cm级,与数据质量、观测条件及时机等因素相关;不同精密星历条件下的解算精度一致,而5 m精度广播星历对短基线结果最大差异小于1 mm。     

一维对流-扩散试验各种边界条件及其统一形式解析解

黏土系材料广泛应用于各种污染防治工程,扩散系数是其关键参数之一,实验室一般通过拟合一维土柱对流-扩散试验数据来确定土的扩散系数。探讨了常用的零浓度边界、零浓度梯度边界和半无限边界对应的试验条件,给出了各边界条件的统一形式,通过引入变换式和辅助问题,求解得到各边界条件下统一的有限厚度土层中对流-扩散-吸附解析解,分析了各解析解之间的差异和用于数据拟合产生的误差。结果表明,每一种底边界条件都与土柱试验底部的实际情况相对应,柯西边界可看作各种边界条件的统一形式;土柱未被击穿时各边界条件解析解无差别;土柱击穿后,越靠近土柱底面,各种边界条件解析解计算结果差异越大,底面处浓度值随柯西参数 的增大而减小, 越大,代表底边界处扩散在溶质迁移中所占比例越大,同时底部浓度梯度越大;算例中对底部为半无限边界的试验数据进行拟合,若采用零浓度边界和零浓度梯度边界,计算结果分别偏大15%和偏小9%,根据土柱底部的对流-扩散比例和浓度梯度具体情况选择相应边界条件下的解析解,是保证数据拟合正确性的基本要求。     

考虑层间错动的顺层岩质边坡稳定性分析

渝怀线DK385+470～DK385+700段为典型的顺层岩质边坡,当采用滑面为直线型的刚体极限平衡法进行分析计算时,由于无法考虑滑体内的层间错动对边坡稳定性的影响,直接导致稳定系数计算结果偏大。根据极限分析上限法原理,结合工程实例,提出了考虑层间错动的顺层岩质边坡极限分析上限法,并推导了这种方法的稳定系数计算公式。该方法可以将层间错动产生的内能耗散计入到虚功率方程中,因而可以考虑层间错动对边坡稳定性的影响。以渝怀线典型顺层岩质边坡为例,采用刚体极限平衡法和极限分析上限法分别进行了稳定性分析计算,结果两种方法却得出了截然相反的结论。     

非饱和土一维固结混合流体方法的解析分析

对采用混合可压缩流体方法分析非饱和土一维固结问题的固结方程进行了求解,在得到的解析解的基础上,对影响非饱和土一维固结的因素进行了分析。分析结果表明,在采用混合流体方法计算非饱和土一维固结的孔隙水压力时,所用公式与计算饱和土一维固结的太沙基理论公式基本相同,不同之处在于引入Bishop有效应力系数来体现孔隙气对孔隙水的影响。而在非饱和土孔隙气压的计算公式中除了体现孔隙水对孔隙气的影响参数以外,还有体现孔隙气体的可压缩性对固结影响的参数。在所有影响因素中,影响非饱和土一维固结最重要的因素是孔隙流体的渗流路径。     

土样矿物成分对固化土抗压强度增长的影响

通过人工制备物理力学性质相同而矿物成分不同的土样,考察相同水泥掺量的固化土抗压强度随土样矿物成分的变化,测定相应固化土孔隙液中主要离子浓度,并进行热力学计算,结果表明土样矿物成分,特别是蒙脱石,影响固化土孔隙液中Ca(OH)2的浓度,进而影响固化土抗压强度。在相同的水泥掺量作用下,含蒙脱石的固化土孔隙液中Ca(OH)2不饱和,随着土样中蒙脱石含量的减少,固化土孔隙液中Ca(OH)2浓度增加,水泥水化生成的胶凝性水化物的量也相应地增多,固化土抗压强度增量也随之提高;当固化土孔隙液中Ca(OH)2浓度达到饱和,土样矿物成分基本不影响固化土抗压强度。并在此基础上使用碱性外掺剂调整固化土孔隙液中Ca(OH)2浓度,试验结果表明：使用碱性外掺剂可以改变固化土孔隙液中Ca(OH)2浓度,减小甚至消除土样矿物成分对固化土孔隙液Ca(OH)2浓度的影响,提高固化土抗压强度。