基于四参数随机生长法重构土体的格子玻尔兹曼细观渗流研究

多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。     

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅱ):参数反演及数值模拟

海底隧道或近海富水区隧道围岩长期处于地下水环境中,围岩稳定性受渗流场的影响较为明显,由于渗流场作用使得应力场、损伤场发生变化,而围岩应力场、损伤场的变化又对渗流场产生反作用,三场耦合效应十分显著。针对耦合模型中参数多、确定难度大的问题,进行耦合模型中损伤参数的反演。采用基于岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型所编制的计算程序和智能位移反分析程序,对大连地铁海事大学试验线路过河段隧道施工过程中的围岩稳定性进行数值计算。根据现场监测位移采用耦合模型进行损伤参数反演,其中耦合计算中采用应力场与渗流场分别迭代求解的间接耦合方法进行有限元计算,利用反演的参数对隧道围岩应力场、渗流场、损伤场分布规律及衬砌结构的受力特征进行了分析。研究结果表明:利用位移反分析法得到的围岩力学参数进行类似地质条件的隧道围岩数值分析是可行的,进而可以预测围岩的变形破坏模式,判断围岩的稳定性。与此同时,通过数值计算可知,地下水的渗流作用对近海隧道的围岩变形有一定的影响,增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计是应该考虑三场耦合效应的,计算结果可以指导隧道防排水施工质量的改进与提高,为近海富水区隧道开挖设计提供一定的理论参考。     

某铅锌尾矿库对地下水环境影响及防治措施

铅锌尾矿的浸出液中含有重金属等对地下水环境有重要影响的污染因子。利用地下水数值模拟专业软件GMS,结合研究区水文地质条件,对不同工况下地下水环境的影响程度及范围进行模拟计算。结果表明,达到Ⅱ类工业固体废弃物处置场规定的防渗要求条件下,尾矿库运行浸出液下渗量有限(2.8 m3/d),并不会使区域地下水超出《地下水质量标准》Ⅲ类标准,而防渗层仅出现10%破损时,浸出液下渗量为(97.22 m3/d),使地下水下游方向50 m内地下水中Pb超出Ⅲ类标准,超标范围约0.0375 km2。反映出该类处置场中的防渗措施是对地下水环境保护的重要保证。     

并行电法在大坝爆破振动评价中的应用

正钻爆法是硬质岩地区隧道施工的重要工艺,但爆破振动对周围建筑物的破坏损伤也越成为不容忽视的问题(邓成发等,2012)。对爆破振动的安全评估的方法较多,包括有限元的数值模拟分析、构建相似物理模型以及现场的爆破振动监测等技术手段。其中,原位质点振动仪的速度或加速度的动态采集及分析为施工爆破的控制提供重要的依据,但不能反映结构体内部的应力状态和特性,无法揭示建筑物爆破前后的破坏机理。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

土质边坡的饱和−非饱和渗流分析及特殊应力修正

基于连续多孔介质原理与混合体原理引入流?固耦合模型,采用FISH语言编制程序,建立了初始渗流场设置函数、饱和?非饱和渗流分析模块、特殊应力修正模块以及非饱和单元抗剪强度修正模块,实现了利用FLAC3D进行饱和?非饱和渗流分析,同时基于饱和?非饱和渗流场修正非饱和区土体单元的有效应力以及抗剪强度,完成了将FLAC3D中饱和土流?固耦合计算原理扩展到非饱和土中。在二次开发的分析模块基础上对Liakopoulos砂柱排水试验进行数值模拟,验证了计算模型和计算程序的正确性。同时也研究了降雨入渗对土质边坡的渗流场、位移场以及稳定性演变过程的影响,揭示了降雨诱发边坡失稳的机制。     

滤管两端均不在含水层层面的承压不完整井近似计算方法研究

不完整井在实际工程中应用广泛,且存在某些承压不完整井,其滤管顶、底均不在含水层层面,不能直接按常规的方法进行计算。可根据流线图中的水平流线对渗流场分层后进行简化计算,但分层位置的确定非常困难。因此,提出了简便可行的渗流场分层方法,包括假设上下部渗流场渗径相等的等渗径改进方法、假设上下部渗流场中井滤管长度与其含水层厚度比值相等的等比例改进方法和以等比例方法为基础的等效阻力法,并以此为基础对计算简便、精度较高的沙金煊公式进行完善,得到了适用于滤管顶、底均不在含水层层面的承压不完整井近似计算方法。经过算例验证和与有限元比较,该方法计算精度较高,实用性较强。     

近直立煤储层裂隙系统及优势渗流通道特征研究

为系统研究近直立煤储层裂隙系统发育特征,利用新疆库拜煤田中部近直立煤储层地表出露良好和生产矿井煤储层裂隙便于观测的有利条件,采用地表高精度构造裂隙填图和矿井煤储层裂隙观测技术,结合实验室扫描电镜和偏光显微镜观测方法,研究了近直立煤储层宏观和微观裂隙系统的发育特征。研究发现该区层面裂隙和外生裂隙延伸长、宽度大,是煤层气运移的优势渗流通道。同时分析了不同埋深条件下地应力场状态,阐明了研究区3种优势渗流通道分布特征为:(1)670 m以浅,优势渗流方向为NNW、NNE向;(2)670 m左右,优势渗流方向为近EW、NNW和NNE向;(3)670 m以深,优势渗流方向为近EW向。解释了层面裂隙、外生裂隙、内生裂隙和微裂隙的形成原因,揭示了渗流通道的形成模式,为研究区煤层气的勘探开发提供了地质依据。     

三峡库区八字门滑坡变形破坏机理分析

三峡库区库水位周期性的变化引起库岸边坡地下水位发生变化,库水与地下水共同作用影响其渗流场与应力场,促使滑坡失稳。本文以三峡库区动水压力型滑坡——八字门滑坡为例,结合滑坡监测资料,运用Geo-Studio软件中SEEP模块、SLOPE模块以及SIGMA模块进行模拟,深入分析在不同库水下降速率条件下对滑坡渗流场、应力场、位移场以及稳定性的影响,研究其致灾机理。研究结果表明:八字门滑坡滑体物质遇水易软化、渗水性差,为动水压力型滑坡创造了良好条件。动水压力型滑坡的失稳主要是由于库水位下降,地下水位相对滞后,形成指向外侧的动水压力,不利于滑坡的稳定,库水位下降速率越大,滑坡体的稳定系数减小越快。在库水下降速率不断增大时,渗流作用增强,但是渗流速率的增长率有减缓趋势。八字门滑坡在库水下降的条件下,滑坡159 m处的滑体及滑带附近出现明显的应力集中现象并逐渐扩大连成一片,表明滑带附近为剪切塑性区,主要承受剪切应力。滑坡塑性区竖向位移呈现先减小后增大的趋势。在周期性库水作用下会产生应力带促进滑坡变形,长期在这种应力作用下可能产生新的滑带,形成次级滑坡。