基于卷积完全匹配层的非规则网格时域有限元探地雷达数值模拟

复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以TM波为例,推导了基于CPML(Convolutional PML)边界的时域有限元GPR波动方程求解公式,采用Newmark-β方法对时间导数进行离散,有效改善了时域有限元GPR数值计算程序的稳定性.并以狭长模型为例,开展了CPML边界中关键参数m、R和κ的选取实验,通过对比反射误差大小确定了综合最优参数组合.相同时刻UPML与CPML波场快照、3个检测点的反射误差比较,说明CPML较UPML具有更好的吸收效果.最后,采用非规则四边形网格对1个复杂GPR模型进行剖分,应用加载CPML边界条件的FETD程序对该模型进行了正演,得到了二维剖面法、宽角法正演GPR剖面图,说明非规则四边形对复杂模型的良好适应性,基于CPML边界条件的FETD可有效减少边界反射误差,能实现对任意复杂不规则模型的正演模拟.     

浮冰界面融化速率参数化方案的实验室研究

融冰季节时天然浮冰表面、底面和侧向融化共存,三者融化速率是底面大于侧向,侧向大于表面。而且浮冰尺寸越小,侧向速率占比越高。为了解决将小尺度浮冰块尺度指标计入融化参数化方案,在低温环境实验室无辐射、无流速、控制气温和水温条件下对天然海冰和人工冻结淡水冰的圆盘试样,开展了不同初始水温和不同初始直径的圆盘试样融化过程实验,获得了圆盘试样直径、厚度和质量融化过程。依据这些实验数据,构建试样直径厚度比这一新指标,通过物理分析和数学统计手段,建立了海冰和淡水冰试样表面、底面融化速率同温度梯度,侧向融化速率和温差以及直径厚度比的关系式。这些关系式能够应用于天然直径100 m范围内浮冰的融化参数化方案,期望能解决北冰洋海冰和入海口近岸淡水冰夏季融化季节能量和质量平衡数值模拟的需求。     

SAR重构分辨率对海冰侧向融化量预测影响研究

利用RADASAT-2的海冰SAR图像,分别采用Prewitt、Sobel和Canny边缘检测算子计算图像范围内的海冰周长,分析不同图像分辨率、不同边缘检测算子分别对周长计算结果产生的影响。结合冰层侧向融化速率参数化方案进行了海冰侧向融化温度敏感性模拟实验,分析了图像重构分辨率对海冰侧向融化结果的影响。结果表明:海冰破碎程度不同时,对应不同的最佳边缘检测算子和最佳分辨率;仅考虑侧向融化时,随着温度升高,3种算子模拟的海冰面积融化趋势基本一致,均呈指数型增加,Prewitt算子模拟效果最好,对应的最佳重构分辨率为30 m×30 m、65 m×65 m和155 m×155 m。     

地表数据驱动的与层相关的层间多次波消除方法及应用

基于反馈模型的地表相关多次波消除方法SRME(Surface-Related Multiple Elimination)近年来已得到了广泛的应用.利用共聚焦点CFP(Common Focus Point)道集代替炮集,可以将该方法扩展至层间多次波的消除.地表数据驱动的层间多次波消除方法直接利用地表观测数据进行层间多次波预测,避免了构建CFP道集所需的聚焦运算,特别是与层相关的层间多次波消除方法有效提高了多次波预测的计算效率.但地表数据驱动的与层相关的层间多次波消除方法并没有从理论上被严格地推导证明,其与CFP方法之间的关系亦未被讨论.本文在CFP方法的理论基础上推导了地表数据驱动的与层相关的层间多次波消除方法,阐明了CFP方法与地表数据驱动方法之间的内在联系.并将该方法应用于模型数据和野外实际数据,应用实例表明了所提方法的有效性.     

大陆架科学钻探CSDP-2井的垂直地震剖面测量

南黄海海相地层的地震波场特征和层位标定一直是困扰地震勘探的重要问题.为了近距离、高精度和高分辨率地观测井周围构造特征和岩石性质引起的波场变化,为地震资料的采集、处理与解释提供地震波衰减规律、速度与层位标定等信息,对大陆架科学钻探CSDP-2井实施了近零偏移距垂直地震剖面（VSP）观测.针对海相地层顶部强反射界面地震波穿透难的问题,采用了大容量气枪震源并设计了气枪阵列组合方式,提高了激发地震波的能量,获得了强反射界面之下清晰的PP、PS下行波和上行波信号.采用了三分量偏振合成、组合滤波和波场分离等处理方法,对VSP观测数据进行处理,获得了海相三叠系—志留系的精细的纵波、横波速度结构和地层吸收因子等物性数据,建立了钻井地层、测井、VSP上行波和多道地震剖面对应关系,实现了不同尺度的地质和地球物理属性资料的有效衔接,标定了钻井地质剖面上各深度地质体的地震反射特性,厘定了过井地震剖面上反射同相轴的地质属性.此次观测取得的纵波、横波速度信息,成为建立南黄海海相地层速度模型主要的资料来源,也是地震资料的岩性反演处理不可缺少的信息.     

数值二维随机波浪水槽的建立和应用

利用域内源造波和边界海绵层吸波的思想,建立了基于势波理论的具有良好适应性的二维随机波浪数值水槽。垂向采用σ—坐标变换,将随时间变化的不规则物理域变为不随时间变化的规则计算域,有利于不规则自由表面条件和底面条件的“严格”满足。数值试验表明,本数值模型可连续地产生理想的规则波和随机波而不受建筑物产生的反射波的影响,计算所得直立堤上的随机波浪力与试验结果吻合较好。     

松辽盆地北部砂岩型铀矿成矿潜力分析

松辽盆地南部砂岩型铀矿找矿研究进行了大量的地质工作,并取得了一定成果,与之相比,盆地北部的铀矿地质勘查工作则明显薄弱。本文在松辽盆地北部蚀源区岩石含铀性、盆地构造演化、古气候、地层演化、沉积相展布、砂体发育情况及后生改造等铀成矿条件分析的基础上,评价了松辽盆地北部砂岩型铀矿的成矿潜力,探讨了其找矿方向。综合分析得出：松辽盆地北部整体铀源丰富,成矿条件较好;白垩纪以来,盆地存在4期明显构造反转,形成上白垩统姚家组和四方台组2个主要铀矿找矿目的层;在盆地内部,姚家组和四方台组发育良好的沉积相及砂体条件,局部地区氧化作用明显,氧化带和铀矿化也较为发育,是找矿的重要线索;松辽盆地北部整体铀成矿条件良好,东段应以姚家组为重点找矿层位,西段则应以四方台组为重点找矿层位,找矿类型为层间氧化带型。     

基于黏聚力裂缝模型的反倾层状岩质边坡倾倒破坏模拟

反倾层状岩质边坡的倾倒破坏是一种常见的地质灾害。为探究开挖条件下反倾层状岩质边坡的倾倒破坏机制以及层间剪切强度、岩层厚度因素对破坏特征的影响,利用ABAQUS有限元软件,建立黏聚力裂缝模型（Cohesive Crack Model,CCM）,基于连续-离散方法,经参数标定和对比,建立反倾层状岩质边坡CCM,采用开挖并增重的方式诱发边坡倾倒破坏。数值模拟结果与古水水电站坝前倾倒变形体离心模型试验结果基本一致,验证了CCM的正确性。进一步,基于以上参数及模型,研究了反倾层状岩质边坡的破坏演化过程和应力分布特征,并探讨层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:坡体前缘首先发生局部折断,后缘出现明显拉裂缝,反倾岩层由下往上依次折断直至倾倒体中部（一级破裂面）。随后,坡体前缘的表层岩层被挤出,形成二级破裂面,最后一级破裂面扩展至坡体后缘,形成连通宏观的破裂面。最后,二级破裂面扩展至坡体中部,边坡完全倾倒破坏;破裂面基本沿层间法向应力峰值位置连线发育;层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征具有显著的影响,随着层间剪切强度的增大,岩层初始折断位置逐渐降低,垮塌范围逐渐减小,破裂面倾角增大;坡体层厚越大,一级破裂面分布越深,垮塌区范围越大,坡体滑动的整体性越强。研究成果可为反倾层状岩质边坡倾倒破坏的分析和监测提供有效计算方法及依据,为此类滑坡灾害的防治提供一定参考。     

高位落石作用下不同缓冲层与钢筋混凝土板组合结构动力响应

2008年“5.12”汶川特大地震诱发了大量的震裂山体危岩崩塌灾害。这类危岩发育位置高、冲击能量大,存在主动加固措施难以实施且被动防护网防护能级不足的问题,为此在汶川、芦山、九寨沟地震灾区逐渐广泛使用桩板拦石墙结构用于防治高位崩塌落石,取得了非常好的效果,但同时也存在部分桩板拦石墙墙后因未设缓冲层或挂废旧轮胎而被落石直接撞击并损毁的现象。为避免落石直接与此类钢筋混凝土（RC）板碰撞造成刚性破坏,工程上常采用就地开挖的碎石土、砂土作为缓冲层以减缓落石冲击力,为研究冲击作用下不同类型缓冲层消能效果及RC板的动力响应特征,基于室外搭建的落石冲击试验平台,开展了不同缓冲层及其相互组合的系列落石冲击试验。结果表明,总厚度相同前提下,EPS泡沫-砂土组合缓冲层的消能效果最优,其次为碎石土,砂最差。与其他两种缓冲层消能方式相比,落石锤与组合缓冲层碰撞过程中发生多次反弹且接触时长远大于其他两种;相同的冲击工况下,EPS中心位置压溃并下陷,且产生大量辐射状宽大裂缝;组合缓冲层能够有效减小RC板的跨中位移,在3,5,7 m冲击高度下,比砂作为缓冲层时跨中位移减小了37%~46%。在R4落石锤冲击下,RC板跨中位移显著增加且产生明显塑性位移,随冲击能量增大跨中裂缝自下而上延伸,RC板最终破坏时表现为典型的弯曲破坏特征。