深埋隧洞开挖数值模拟分析的纵向模型范围研究EI北大核心CSCD

模型范围是影响数值分析计算精度与效率的重要因素,针对深埋隧洞开挖数值模拟分析问题,采用有限差分软件FLAC^(3D)和复合失稳准则,对计算模型的纵向范围取值问题展开研究。首先分析了深埋隧洞开挖过程中围岩纵向变形以及未开挖岩塞对围岩变形的约束作用,然后研究了近端边界和远端边界对监测断面位置处围岩变形的影响,最后采用最小二乘法对多组计算结果进行了位移误差分析,并给出了纵向模型范围的取值建议。研究结果表明,当监测断面距掌子面大于10倍洞径时,未开挖岩塞的约束作用基本消失;远端边界以及近端边界与监测断面的最大位移误差值之间均基本满足幂函数关系,且远端边界对监测点位移误差的影响要大于近端边界;深埋隧洞开挖数值模拟中,纵向模型范围取7.5倍洞径即可满足一般数值分析的精度要求。     

水-力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究

以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土围岩段为例,通过现场监测对三趾马红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛进行了分析。在此基础上,通过原位大剪试验获得了可靠的围岩抗剪强度参数,并建立了隧道三维有限元数值模型,分别对考虑水-力耦合效应、不考虑水-力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行了探讨,分析了孔隙水压力随着隧道开挖的变化和三趾马红土围岩位移场、应力场受水-力耦合效应的影响程度,并提出了围岩破坏变形机制。结果表明:（1）实测拱顶下沉大于围岩水平变形,围岩应力可分为增长期（ < 20d）、调整期（20~60d）、稳定期（>60d）3个阶段,且整体应力水平较高,下台阶含水量大于上台阶,孔隙水压力经历了由负变正的过程。（2）现场剪切试验所测围岩的黏聚力为64.0kPa,内摩擦角为27.7°。（3）数值分析表明,隧道开挖后孔隙水压力场变化十分明显,这是由地下水流速场的改变引起的,水力坡降在衬砌面附近最为明显,渗透动水压力导致土体产生一定的渗透变形;考虑水-力耦合后围岩剪应力、最大剪应变、拱顶沉降、水平收敛、底板隆起均较大。（4）受开挖及支护的影响,地下水产生渗流并依次经过拱顶、边墙,最终汇集于隧底;受开挖、地下水渗流的影响,围岩节理裂隙进一步扩张,成为地下水良好的运移通道;围岩的有效应力随着孔隙水压力的减小而增大,围岩的力学强度在土体趋于饱和状态时骤降,反过来,高有效应力、低围岩强度以及贯通性节理裂隙三者共同改变着地下水渗流场的状态。（5）为保障围岩整体稳定性,建议及时排出隧道底部积水并施做仰拱。     

南水北调中线突发水污染事件的快速预测

依据南水北调中线干渠资料,开展了正常输水情况下串联明渠内可溶污染物浓度分布规律数值模拟研究。采用数值模拟、数学归纳和统计分析方法,提出表征污染物输移扩散特征的峰值输移距离、污染带长度和峰值浓度的快速预测公式;通过示范工程验证了快速预测公式的可行性。结果表明:①串联明渠内,峰值输移距离随渠道流速减小而减小,并且污染带长度增加值随明渠内流速减小而减小,但是峰值浓度随明渠流速减小而增加;②快速预测公式计算结果与现场试验实测结果的误差均不到15%,证明了快速预测公式的合理性和可行性。这些研究结果为南水北调中线工程突发可溶性水污染事件应急预警方案的制定提供了科学依据。     

松花江白山河段冰情数值计算及分析

根据水动力学、河流动力学、热力学、河冰水力学及固体力学等原理,针对松花江上游白山河段具体特征,建立了河冰数学模型,并应用有限差分计算方法,对白山河段冬季冰情演变进行了精确模拟。应用该河段1958-1973年共15年完整的地形、气象、水文、热力、冰情等原型观测资料,分别进行了模型参数率定及冰情数值模拟。研究结果表明:白山河段的封冻首先开始于白山坝址下游4 km的大崴子河段,然后封冻边缘逐渐上溯,最终到达松14断面;计算的白山河段冰花堆积体外形与河床纵剖面呈相似趋势;各种水力及冰情要素的数值计算结果和实测值吻合较好,所建立的数值模型能较好地模拟该河道的冰情。研究结果对东北地区河流冬季冰情研究及冰害防治具有一定的借鉴意义。     

流域坡面汇流研究现状述评

对当前坡面汇流计算方法的研究进展进行了较为系统的总结与分析,并对坡面汇流的非线性效应以及城市低影响开发中的雨水入渗与蓄集对坡面汇流的控制作用进行了简要分析。从模型简单实用的角度出发,认为以流域时间-面积关系与线性水库相串联的ModClark法等为代表的概念性分布式坡面汇流模型具有良好的发展前景;考虑到基于等流时单元的变动等流时线法在反映雨强非线性影响中存在的问题,认为根据水文响应单元在不同雨强条件下汇流时间的变化,调整其汇流参数以反映坡面汇流的非线性效应,对于流域坡面汇流的分布式模拟更具有实际意义;针对目前低影响开发设施长时间序列大空间尺度的室外降雨径流监测资料普遍较为缺乏的现状,给出了后期应积极选择合适的技术以加强低影响开发性能监测工作的建议。     

三维高密度电阻率法在堤坝工程中的模拟试验

为检测堤坝中裂隙、洞穴及渗漏层等隐患的存在,利用三维高密度电阻率法对数字模型和物理模型建立的裂隙隐患进行探测,结果表明室内建立的物理模型在立体图和分层切片图中裂隙的形态有些变化,但其分布范围、位置与相对各自模型中实际的比例尺寸相差不大,说明数值模拟得出的结论可以为实际工程进行理论指导,具有一定的参考价值。     

构造物理模拟和PIV有限应变分析对构造裂缝预测的启示

油气储层中构造裂缝发育与有限应变状态关系密切,为了探索有限应变分析与构造裂缝预测的新技术方法,此次研究设计完成了一组单侧挤压收敛模型的物理模拟实验,并引入粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术对实验过程进行了定量化分析。实验模型在垂向上为含粘性层的多层结构,实验结果形成了一个肉眼可见的箱状褶皱。通过PIV技术可以获取实验模型变形演化过程中各阶段的位移场数据,计算出各阶段的增量应变,实现从初始状态到褶皱形成之后整个变形过程的有限应变分析,探讨构造裂缝成因机制和分布规律,进行定量化裂缝预测。挤压变形过程初期,应变分布范围很广,有限应变较弱(约4%~8%),在挤压方向上的线应变表现为弱压应变,在垂向上的线应变表现为弱张应变,这种现象是褶皱和断层产生前平行层缩短和层增厚的纯剪变形结果,也是区域型张裂缝和剪裂缝形成的主要机制。褶皱和断层即将发育之时至发育之后,应变局限在断层发育的剪切带及附近区域,有限应变表现为较强(达20%)的剪切应变和剪切张应变,是断层面附近简单剪切变形作用的结果,也是局部型剪裂缝和张剪裂缝形成的主要机制。     

干湿循环作用下膨胀土的贯入特性试验研究

揭示干湿循环作用下膨胀土力学特性的演化规律对防治膨胀土灾害有重要指导意义。提出了一种基于超微型贯入试验的土体内部力学特性研究方法,在干湿循环条件下对重塑膨胀土开展了一系列贯入试验,获得3次干燥过程中试样贯入阻力随深度和含水率的变化曲线。结果表明:(1)通过超微型贯入试验能够简单、快速和有效地掌握膨胀土在干湿循环过程中力学特性的时空演化特征;(2)试样的贯入阻力在干燥过程中总体呈增加趋势,相对于深部土体,表层土体的贯入阻力对干燥作用更加敏感;(3)干湿循环作用对膨胀土的力学特性有重要影响,随干湿循环次数的增加,膨胀土的贯入阻力总体上呈减小趋势,贯入曲线由单峰结构逐渐向多峰结构过渡,贯入阻力的空间差异性更加突出,且该现象在低含水率区间更加明显。基于土力学、土结构的基本理论以及试验中观测到的一些现象,对干燥过程和干湿循环作用下膨胀土的贯入力学特性进行了分析和探讨。干燥过程中土颗粒收缩靠拢、密实度和颗粒接触点增加及土吸力增加是导致膨胀土贯入阻力增加的重要原因,而干湿循环作用导致的土结构松散化、裂隙化则是引起膨胀土整体力学性质弱化的重要原因。     

焦家断裂渗透性结构与金矿床群聚机理:构造应力转移模拟

焦家金矿带是焦家式金矿的命名地,也是我国第一个千吨级金矿田的发现地。其内构造破碎带蚀变岩型金矿床(体)受NE-NEE向焦家断裂及其下盘近平行的次级断裂控制,具有明显的空间群聚分布特征。然而,由于对这些金矿床成因机理的认识存在分歧,对其空间群聚分布的形成机制也有多种解释,对断裂带覆盖区及其深部成矿潜力更是缺乏科学评价。为此,针对这些难题,论文在详细控矿构造解析的基础上,通过建立焦家金矿带三维有限元模型,运用应力转移模拟计算成矿期的库仑破裂应力变化值(△CFS),标定了成矿期断层活动导致的应力转移情况及其形成的高渗透率区域,探讨它们对矿床空间分布的可能控制作用和金矿床群聚分布的形成机理及焦家式金矿的成因机理,并据此圈定了成矿远景区,估算了其深部资源潜力。应力转移模拟结果显示△CFS以焦家断裂为中心呈现玫瑰弧瓣图像分布,其中,应力减小(负值)区(-195bar≤△CFS≤-3bar)以新城-高家庄子为中心呈"十"字形分布(东西宽8km、南北长12km),为低渗透率区域,其内尚未发现金矿床产出;而应力增大(正值)区(3bar≤△CFS≤84bar)呈28个大小不等的弧瓣分布在断层走向转弯处或断层交汇处,为高渗透区域,已发现的金矿床均位于其中,且已探明的金金属量与其所处区域△CFS极值正相关(金金属量Q=4.526×△CFS-83.27)。这种金矿床与断层活动导致的△CFS在空间分布上的一致性,表明焦家式金矿床的形成和产出严格受焦家断裂及其次级断裂控制,区别于典型的"与侵入体有关的金矿"和"岩浆热液矿床",而与造山型金矿床类似。然而其独特的构造背景与成矿环境及蚀变-矿化组合,表明该类型金矿床不能被现有成矿模式所涵盖,而可能属于独特的"胶东型"金成矿系统。焦家金矿带上控矿断裂的形成受同震应力转移的制约,断裂带脆性变形过程中,地震破裂沿断层传播,在断层产状变化或多组断层交汇处,△CFS增大,造成反复余震活动破坏岩石,形成局部高渗透率结构,为金的沉淀提供有利场所,产生了金矿床的群聚现象。据此,圈定朱宋、徐家疃、西良、马埠庄子四个成矿远景区,预测金资源量分别为79t、66t、43t和16t;而寺庄、望儿山、河西、河东等金矿床深部仍有巨大找矿潜力。     

均生函数与BP神经网络耦合模拟预测模型(MGF-BP-I)的建立与应用

水文气候因子模拟预测对气候变化研究、农业墒情预报、生态环境改善、水资源合理开发利用等具有一定参考意义。均生函数、BP神经网络及其结合改进方式在模拟预测中各有优点,被广泛应用,但仍有进一步改进空间。针对MGF、MGF-OSR、MGF-OSR-BP等方法粗选因子集、粗选集组合筛选、收敛适应性、精度控制等可改进空间,进一步发挥均生函数和BP神经网络优势,建立了MGF-BP-I模拟预测模型。利用MGF-OSR、MGF-OSR-BP、MGF-BP-I对科尔沁沙地区域平均年降水进行了模拟预测。结果表明,建模期MGF-OSR-BP、MGF-BP-I拟合效果均较好,MGF-BP-I建模阶段最优模式精度优于MGF-OSR-BP,MGF-BP-I整体同时最优模式结果也非常好。检验期,MGF-BP-I检验阶段最优及整体同时最优两种模式拟合效果最好,相比其他模式精度有所提高。MGF-BP-I考虑更加全面,充分发挥了均生函数和BP神经网络优势,精度远高于MGF-OSR和MGF-OSR-BP,MGF-BP-I整体同时最优模式更符合实际应用,效果理想,可用于水文气候因子模拟预测。