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水文地质与水资源
基于多源数据的弱透水层水文地质参数反演研究—以呼和浩特盆地某淤泥层为例
石鸿蕾, 郝奇琛, 邵景力, 崔亚莉, 张秋兰
2021, 48(2): 1-7.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202010013
摘要(19) HTML(2) PDF (765KB)(8)
摘要:
弱透水层是含水层系统的重要组成部分,其水文地质参数的准确获取一直以来都是研究难点,传统室内试验难以克服应力状态及环境变化对土层参数的影响,因此如何在原位状态下评价其水文地质参数有着重要意义。选取呼和浩特盆地某淤泥层为研究对象,基于抽水试验和溶质运移试验获得的多源数据,采用基于控制体积有限差分法的非结构化网格(Unstructured Grid)方法,建立三维地下水流-溶质运移耦合模型,对弱透水层水文地质参数进行反演。结果显示:模型计算的抽水井中水位和溶质浓度变化规律与实际观测数据能够较好拟合,模型识别出的抽水含水层渗透参数(4.8 m/d)与通过解析法计算得出的结果(4.17 m/d)相近,建立的数值模型符合实际水文地质条件;反演得到淤泥质弱透水层垂向渗透系数为1.2×10−4 m/d、储水率为1.0×10−5 m−1。基于多源数据的参数反演方法可为弱透水层参数研究提供借鉴。
消除气压效应估算黄土潜水的蒸发蒸腾强度
程东会, 袁靖, 齐丽军
2021, 48(2): 8-14.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202003069
摘要(3) HTML(1) PDF (1469KB)(1)
摘要:
潜水蒸发蒸腾(ETg)是干旱半干旱地区浅埋深地下水最主要的排泄方式,也是地下水系统中重要的均衡项。如果存在气压效应,用于估算地下水蒸发蒸腾强度的传统水位波动法则不适用。以黄土潜水为例,提出了一种基于水位变化和大气压变化规律的水位图方法,用于消除气压效应以获取潜水蒸发蒸腾强度。研究表明,大气压变化通常在午夜前,一般为22:00—24:00,会出现一个峰值,该时间段气压效应可以忽略,而且潜水蒸发蒸腾强度最小,此时潜水位的变化速率相当于净补给速率;在获取潜水净补给强度后,选择第二个时间段,0:00—4:00,此时潜水蒸发蒸腾强度最小,且气压一般处于连续下降阶段,可以用来估算气压效应系数。在此基础上,可利用水位均衡和水位波动法方便地估算潜水蒸发蒸腾强度。该方法数据获取容易,估算结果也较为准确。
不同赋存环境下碳酸盐岩溶蚀过程试验模拟研究
林云, 任华鑫, 武亚遵, 贾方建, 刘朋, 梁家乐
2021, 48(2): 15-26.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202002001
摘要(14) HTML(1) PDF (2130KB)(6)
摘要:
目前,有关碳酸盐岩溶蚀过程的研究多集中在单一环境平衡状态下,不同赋存环境、微观尺度上的研究较少。鉴于此,为探讨不同赋存环境下碳酸盐岩溶蚀过程及微观变化特征,借助研制的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置,选取典型岩溶水系统开放环境、半封闭环境与封闭环境的岩样,以CO2溶液为酸性流体介质,开展室内溶蚀模拟试验,研究岩溶水中特征组分的变化规律进行模拟实验,并从宏观和微观尺度,研究岩溶水系统不同赋存环境下的碳酸盐岩溶蚀变化特征。结果显示:不同赋存环境下Ca2+${\rm{HCO}}_3^- $含量、饱和指数及pH值空间变化特征不同,各特征组分均呈现出随径流方向、溶蚀时间逐渐增大的趋势。不同赋存环境下,碳酸盐岩受水溶液中CO2含量的影响,在补给区的开放环境下溶蚀性最强,形成连通性较高的溶孔、溶隙。碳酸盐岩总溶蚀率均值是半开放环境的1.43倍,是封闭环境的2.70倍,半封闭与封闭环境下碳酸盐岩溶蚀后的微观结构介于孤立微孔与完全连通性溶隙之间。此外随深度的变化溶蚀量呈逐渐减弱的趋势,且浅部的变化更为明显。碳酸盐岩的溶蚀作用还受岩性控制,其随岩石中CaO/MgO比值的增大而增强。
地下水位波动带三氮迁移转化过程研究进展
刘鑫, 左锐, 王金生, 何柱锟, 李桥
2021, 48(2): 27-36.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202007033
摘要(4) HTML(1) PDF (634KB)(1)
摘要:
三氮是我国地下水中典型污染物,其在包气带和含水层中的迁移转化过程受到高度关注。近几年,地下水位波动带中的三氮迁移转化已经成为新的研究领域。在综合运用文献计量分析法,定量分析相关研究趋势的基础上,系统总结地下水位波动带形成及特点,梳理波动带中三氮迁移转化过程及生物地球化学过程最新研究表述及成果,并对今后可能的研究热点和方向进行了展望。现有研究表明:水位波动带中环境指标如土壤含水率、氧化还原电位、溶解氧和有机质含量均表现出一定的分带性规律,微生物菌群结构和功能基因更多样化,并呈现一定的分布特征。随着地下水位波动,包气带中的三氮易浸溶进入地下水并发生迁移。地下水位上升,硝化作用减弱,反硝化作用增强;地下水位下降,硝化作用增强,反硝化作用减弱。为完善水位波动带三氮迁移转化过程研究,应进一步关注:(1)将水化学演化分析与分子生物学高通量测序方法相结合,深入探究水位波动带三氮转化与微生物作用机理;(2)除关注硝化、反硝化作用外,增加异化还原、同化还原和厌氧氨氧化等作用过程的研究;(3)细化分析更多情境、更多影响因素的水位波动过程,识别水位波动带三氮转化的关键影响要素。
河南某大型裂隙岩溶水源地地下水位动态分析
姜宝良, 陈宁宁, 李小建, 潘登, 张晓偲, 姜英博
2021, 48(2): 37-43.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202007046
摘要(9) HTML(0) PDF (1014KB)(2)
摘要:
青多水源地岩溶地下水是济源市的主要供水水源,研究其地下水位动态变化特征及影响因素对地下水资源合理开发及生态环境保护意义重大,探明蟒河口水库是否补给水源地对城市安全供水具有重要意义。依托河南某大型裂隙岩溶水源地多年逐月(1994年6月—2019年12月)地下水位动态监测资料,对不同阶段、不同时段的地下水位动态进行分析,采用逐步回归分析方法定量确定水源地地下水位动态的影响因素,建立水位动态预测的逐步回归方程。结果表明:①第一阶段(蟒河口水库蓄水前),水源地地下水位主要受降水和开采影响。其中,第1时段(1994年6月—2005年12月),水源地开采量约2×104 m3/d,地下水位主要受降水量影响,开采量影响较小;第2时段(2006年1月—2014年8月),水源地开采量由2.2×104 m3/d逐渐增大到约6.5×104 m3/d,地下水位受开采和降水双重因素影响,总体呈现下降趋势。②第二阶段(蟒河口水库蓄水后),水源地开采量由2014年8月的6.5×104 m3/d增大到2019年6月的8.8×104 m3/d,岩溶地下水位不降反升,其水位主要受蟒河口水库蓄水和降水影响,开采量影响甚微。在不考虑蟒河口水库蓄水影响的情况下,应用建立的逐步回归方程对水源地地下水位进行预测,蟒河口水库蓄水后实测的水源地地下水位高于预测水位,并从水源地水文地质条件、蟒河口水库蓄水水位、水质特征等方面论证了蟒河口水库的补给效果。本研究可为水源地地下水资源评价、水资源可持续利用和管理提供科学依据,也可为类似地区地下水动态研究提供参考。
工程地质与地质灾害
深埋小净距多线平行盾构掘进相互作用分析
付钊, 柯宁静, 卢康明, 郭萧阳, 张孟喜
2021, 48(2): 44-54.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202006009
摘要(8) HTML(1) PDF (1619KB)(0)
摘要:
浅覆软弱地层中小净距盾构隧道施工时,后行隧道施工显著影响先行隧道安全,但深埋情况下,由于地下岩土层的复杂性和不确定性,使得多线隧道施工时先行隧道的变形变得复杂。以上海硬X射线土建部分盾构隧道为背景,结合有限元数值模拟,分析了深埋小净距盾构隧道施工时的相互影响,并对不同的盾构参数进行了敏感性分析。研究表明:随着后行隧道的开挖,先行隧道管片的变形增量变化基本呈双峰特征。当采用左-右-中方式开挖时,管片变形增量呈一大一小双峰分布;而采用中-右-左方式时,管片竖向变形增量峰值的大小和方向相同,而水平变形增量的峰值相同,方向不同;随着浆液弹性模量的增加,管片竖向变形增量变化较大,水平变形增量基本不变;随着顶推力的增大,管片的变形也在相应地增大,并在支护应力比为0.6~0.7之间时达到稳定;地下水的存在对管片竖向变形有着一定的影响;通过对比2种开挖方式管片的变形收敛情况,选择左-右-中次序开挖比较安全。
基于非均质系数的裂隙岩体表征单元体研究
王晓明, 杜玉芳, 梁旭黎
2021, 48(2): 55-60.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202007029
摘要(12) HTML(0) PDF (684KB)(2)
摘要:
表征单元体(REV)是岩体力学中的一个基础性概念,其存在性是确定岩体等效参数和应用连续介质方法进行研究的前提条件。为综合反映裂隙大小、产状和密度对岩体REV的影响,本文提出采用岩体非均质系数HI来确定岩体的REV。首先,详细介绍了非均质系数的概念和含义。利用General Block软件建立了中等间距-中等延展性(MS1-MP1)裂隙的网络模型,并完成20次随机实现。从各模型中选取10个不同尺寸的岩体模型计算非均质系数,结果表明:非均质系数具有明显的尺寸效应,当岩体尺寸不小于8 m时,非均质系数的平均值和标准差分别为0.5和0.14,综合确定该岩体的REV为8 m。采用HI对三峡地下电站厂房围岩的研究表明,该岩体的REV为60 m,可作为非连续介质方法适用性的判断标准。HI是从岩体结构角度提出的新指标,适用于确定岩体的REV和统计范围,对岩体的统计分析和等效参数研究具有重要意义。
深厚软土地区基坑墙底抗隆起稳定性Prandlt计算式的讨论
阳吉宝
2021, 48(2): 61-69.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202006031
摘要(8) HTML(2) PDF (965KB)(3)
摘要:
深厚软土地区采用Prandlt公式计算基坑抗隆起稳定性常常不满足规范要求,给基坑支护设计带来较大困惑。本文在分析基坑开挖与Prandlt公式计算地基极限承载力的力学边界条件差异的基础上,指出采用Prandlt计算式、临界宽度法和计入基坑内侧土体抗剪强度等改进计算方法的不足,提出同时考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪作用的改进计算公式。通过对4个计算公式各参数的敏感度分析,发现内摩擦角是影响基坑墙底抗隆起稳定性的首要因素,基坑挖深和支护体插入深度是主要影响因素,土体黏聚力是次要影响因素,土体重度的影响可以忽略。软土内摩擦角较小,在基坑挖深一定的条件下,只有通过加大支护体插入深度才能保证基坑墙底抗隆起稳定性,因此,考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪强度的有利作用可合理优化基坑支护设计。本文通过工程实例研究,验证了计入基坑支护体内外两侧土体抗剪强度作用的合理性;同时,根据浙江软土地区多项工程墙底抗隆起稳定安全系数计算结果的统计分析,指出目前规范取值标准偏高,在软土地区不尽合理,建议在积累工程经验的基础上,适当降低规范计算方法的标准限值。
各向异性对软土力学特性影响的离散元模拟
赵洲, 宋晶, 刘锐鸿, 杨守颖, 李志杰
2021, 48(2): 70-77.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202006027
摘要(7) HTML(2) PDF (1419KB)(3)
摘要:
软土预压工程中,初始和诱发各向异性对软土力学性质的影响十分显著,而现有研究缺乏对初始和诱发各向异性的统一研究方法。采用离散单元法,以颗粒长宽比作为定量评价指标,构建真实形态的颗粒模型,生成5组不同沉积角的初始各向异性试样,并进行竖直和水平两方向加载的双轴模拟实验,研究了初始各向异性和诱发各向异性对软土力学特性影响;在细观层面,以颗粒为对象研究了颗粒接触形式和转动角度的变化规律,以接触为对象研究了配位数和接触法向各向异性的发展趋势,在此基础上探究抗剪强度指标与各向异性关系。结果表明:初始和诱发各向异性共同影响试样力学性质,当加载方向和软土沉积方向垂直时,土体有最大的峰值强度。颗粒接触形式中面面接触的比例随加载的进行逐渐增大,并影响着试样初始模量和抗剪强度,配位数和接触法向各向异性受颗粒接触形式的影响有不同的演化规律,并在加载后期趋于稳定;同时,初始各向异性试样相较各向同性试样有更大的黏聚力,诱发各向异性主要影响试样内摩擦角,进而影响试样抗剪强度。
全风化花岗岩地层中高固相离析浆液灌浆机理研究
赵钰, 郑洪, 曹函, 林飞, 王旭斌, 贺茉莉
2021, 48(2): 78-88.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202006023
摘要(4) HTML(3) PDF (1202KB)(0)
摘要:
全风化花岗岩地层稳定性差、遇水易发生崩解,工程上使用常规材料防渗加固注浆时效果较差。针对这一情况,依托湖南省郴州市莽山水库防渗加固灌浆项目,通过自主设计的全风化花岗岩地层注浆室内模拟试验装置,进行模拟注浆试验,实现了浆液在整个注浆过程中的扩散情况模拟,对不同注浆压力、不同位置点所取试样开展单轴抗压、抗剪强度及渗透率测试试验,对不同注浆压力下完整结石体取样观察,研究以全风化花岗岩颗粒为配方主体材料的高固相离析浆液在全风化花岗岩地层的防渗加固效果及浆液扩散模式。结果表明:该浆液在全风化花岗岩地层扩散过程中经历了渗透扩散、挤密压缩、劈裂扩展三个阶段,是一种复合注浆形式;以全风化花岗岩颗粒为主体的高固相离析浆液在全风化花岗岩地层注浆中效果显著,随着注浆压力提升,单轴抗压强度显著提升为原土体的3.25~13.67倍,抗剪强度在不同法向压力情况下提升为原土体的1.63~2.69倍,渗透系数从10−4 cm/s下降至10−5 cm/s甚至10−6 cm/s。
分级循环动荷载下水泥土动力特性试验研究
张振, 陈勇, 杨天亮, 叶观宝, 郑文强
2021, 48(2): 89-96.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202007042
摘要(14) HTML(1) PDF (1365KB)(4)
摘要:
随着车辆载重的变化,其荷载幅值也会随之变化。然而,已有的研究大多关注恒定动荷载下水泥土动力特性,对分级循环荷载作用下水泥土的动态特性研究较少。利用GDS动三轴仪,开展一系列水泥土动三轴试验,探讨分级荷载条件下静偏应力和围压等因素对水泥土动力特性的影响。试验结果表明:水泥土的轴向塑性应变随着围压和静偏应力比的增加而增加。水泥土轴向应变在0.1%~0.5%范围,其应变发展属于稳定型,分级加卸载对应变发展过程影响较大,对最终应变影响较小。建立了考虑水泥土加卸载条件、围压和静偏应力比的塑性应变的经验模型,分级卸载的相关系数大于0.95,而分级加载的相关系数在0.8~0.9之间。分级卸载时,第一级荷载对应变发展起主导作用,而分级加载时,最大动应力比无法主导前几级荷载较小时的应变发展。在分级加卸载条件下,水泥土的骨干曲线表现为2种模式:上升型和下降型,可将其简化为多段直线,利用建立的累积塑性应变计算方法,提出了确定多段直线分界点的方法,并验证了其可行性。
融化压缩下水泥改良冻土的微观孔隙特征演变
尹振华, 张建明, 张虎, 王宏磊
2021, 48(2): 97-105.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202007037
摘要(6) HTML(0) PDF (1745KB)(3)
摘要:
水泥改良冻土在融化压缩下的微观孔隙演变特征研究,对了解水泥改良冻土的过程具有重要意义。将水泥改良后的冻土进行融化压缩实验,通过冷冻干燥法对试验后的土样进行电镜样品制取并获取其微观特征图像。对试验土样进行比重测试,得到土样真实的三维孔隙比。最后以真实孔隙比作参考,确定图像分割所选取的灰度值并提取其孔隙特征。结合融化压缩试验结果,对水泥改良冻土的孔隙数量、面积、定向角及丰度值随改良土压缩量的变化关系进行了分析。研究结果表明:经过水泥改良后的冻土,大孔隙结构强度增大明显;随着水泥掺量及养护龄期的增加,孔隙比与孔隙面积变大,压缩量变小;随着土体压缩量的增大,孔隙的定向角分布逐渐由均匀状向锯齿状发展;土样压缩过程中,丰度值大于0.5的孔隙发生压缩明显,孔隙逐渐趋于细长状,并且随着压缩量的增大,孔隙丰度值的分布越来越趋于正态分布。孔隙微观结构演变研究为阐释水泥改良冻土宏观力学特性增强的机制提供了科学依据。
水-岩作用下粉砂质泥岩含水损伤本构模型
李安润, 邓辉, 王红娟, 郑瀚, 苟晓峰, 潘远阳
2021, 48(2): 106-113.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202004007
摘要(53) HTML(7) PDF (893KB)(43)
摘要:
软岩遇水具有显著的劣化效应,以往研究主要集中于软岩的流变特性,对水-岩作用下软岩的含水损伤研究较少,但水-岩作用下软岩的含水损伤效应对工程建设的指导至关重要。因此,以滇中地区粉砂质泥岩为研究对象,对干燥状态、天然含水率和饱水条件下的粉砂质泥岩试样进行三轴压缩蠕变试验。试验结果表明:(1)不同含水率试样在初始加载阶段产生的应变量均远大于后期逐级加载阶段的应变增加量,且随着含水率的增加初始加载蠕变量逐渐增大;(2)随着含水率的提升,最终蠕变量逐渐增加,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值逐渐降低,长期强度也显著降低。根据试验结果,基于损伤理论,引入一个非线性黏塑性体考虑含水情况对蠕变的影响,提出基于经典Burgers模型并具有水-岩作用劣化特征的含水损伤蠕变本构模型。通过1stopt软件辨识参数,并验证了模型的准确性和可适性。研究结果对于滇中红层软岩的含水损伤特性研究提供了一定的参考。
抗滑桩应变特征与内力非线性研究
任青阳, 赵梦园, 谢忠伟, 吴鑫培, 陈斌
2021, 48(2): 114-124.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202004034
摘要(4) HTML(0) PDF (1876KB)(4)
摘要:
为探究抗滑桩实际内力与变形间的规律,特别是桩土相互作用下桩体受力、变形、稳定性等特征,通过抗滑桩大型物理模型试验,结合MATLAB拟合推导实现从桩表面应变散点数据到桩身挠度分布的求解。对比同桩长不同加载条件与同加载条件不同桩长两种情况下桩表面应变、桩身弯矩、剪力及挠度,分析抗滑桩的应变特征与内力变化规律。研究表明:单调与循环加载条件下抗滑桩工作阶段划分为三阶段,即未开裂阶段、混凝土开裂-钢筋屈服阶段、钢筋屈服-桩体破坏阶段。未开裂阶段一、二级荷载下由于土的压密性桩体略微回弹,桩表面应变、桩身弯矩、受荷段剪力及挠度出现较小的负值(绝对值约为破坏时的1%)。混凝土开裂-钢筋屈服阶段应变、弯矩、剪力、挠度增速明显加快。钢筋屈服-桩体破坏阶段应变、弯矩、剪力、挠度呈非线性增长,桩体的破坏模式均为弯剪破坏。随着自由端长度的增加,破坏时应变、弯矩增大,而剪力减小,破坏时应变增长约10%,弯矩增长约3%,剪力减少约20%;相对于单调加载,循环加载下最大弯矩值和最大挠度均有增大,最大弯矩增长约2%,最大挠度增长约1%。
大型滑坡抗滑桩-桩板结构受力变形研究
向俐蓉, 陈伟志, 郭在旭, 叶丹, 姜雷
2021, 48(2): 125-131.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.201911032
摘要(3) HTML(2) PDF (1153KB)(2)
摘要:
在复杂艰险山区修建无砟轨道路基时,现有常规抗滑桩或桩板结构等均难以同时解决大型滑坡区潜在滑移和沉降控制问题。为适应无砟轨道路基通过大型滑坡区的需要,创新设计了抗滑桩-桩板结构,并结合贵阳至广州高速铁路建设,开展了大型滑坡抗滑桩-桩板结构现场监测试验。结果表明:抗滑桩和桩板结构基桩的最大侧向位移均位于桩顶,沿深度方向侧向位移先缓慢衰减再加速衰减;滑面附近侧向约束作用的差异,往往会导致桩身侧向位移发生突变;抗滑桩和基桩的桩身弯矩均呈先增大至峰值点再减小的趋势,沿桩深方向具有单峰曲线变化特征;雨季降水作用导致桩身弯矩增加,旱季蒸发作用导致桩身弯矩减小;结构系统中抗滑桩充分发挥了承担滑坡推力控制滑体稳定的作用,基桩则主要用于承担竖向荷载控制路基沉降,承担的滑坡推力较小。抗滑桩-桩板结构可作为滑坡区无砟轨道路基通过的加固型式,对今后类似复杂艰险山区高速铁路修建具有重要的参考价值。
滑坡碎屑化运动物理模型相似材料特性研究
任占强, 宋章, 林棋文, 程谦恭, 刘毅, 邓凯丰, 蒙浩, 涂津
2021, 48(2): 132-142.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202002024
摘要(239) HTML(0) PDF (831KB)(93)
摘要:
高速远程滑坡物理模型试验中,岩石相似材料的选择是模型试验成功的关键,然而目前滑坡相似材料强度高、难以在缩尺试验中模拟滑坡破碎过程。以重晶石、石英砂为骨料,石膏为胶结剂,羧甲基纤维素钠、甘油、水作为辅助材料,进行可破碎岩石相似材料的配比试验。采用控制变量法研究重晶石与石英砂比例(重石比)、骨料与胶结物比例(骨胶比)、羧甲基纤维素钠含量、拌合水量、甘油含量对相似材料物理力学性质的影响。试验结果表明:所有配比情况下各相似材料物理力学参数的范围分别为单轴抗压强度为0.12~1.47 MPa,弹性模量为25.51~148.12 MPa,黏聚力为1.63~87.39 kPa,内摩擦角为22.70°~35.89°,脆性指标主要分布在0.033~0.145之间;重石比主要控制岩石相似材料的内摩擦角;骨胶比减小,对应的黏聚力和内摩擦角先增大后减小;羧甲基纤维素钠对材料的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力等材料的力学特性以及材料的脆性指标影响均比较大,其中对单轴抗压强度的影响最大。因此,控制羧甲基纤维素钠和拌合水量的含量,并合理调节重石比与骨胶比,在相似比约为1∶600的试验尺度下,最终确定了适用于高速远程滑坡碎屑化过程模拟的低强度高脆性岩石相似材料的配比区间。
基于数值模拟的耳阳河流域泥石流灾害危险性评价
侯圣山, 曹鹏, 陈亮, 冯振, 王立朝, 李昂, 刘军友, 李阳光, 郑浩
2021, 48(2): 143-151.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202003057
摘要(7) HTML(1) PDF (1457KB)(3)
摘要:
洮河流域中游位于甘肃省南部,属泥石流高发区。耳阳河是洮河流域中游的一条重要支流,泥石流灾害尤其严重。为研究甘肃省南部小流域泥石流灾害的危险性,以耳阳河流域为研究对象,选取流域内居民相对集中的6条泥石流沟,用FLO-2D模型模拟了2012年5月10日实际降雨条件下的泥石流运动特征和堆积特征,得到了泥石流流量随时间的变化曲线、泥石流流体深度和流速在沟谷不同地段的空间分布,对“5·10”泥石流灾害过程进行了重现。模拟结果表明:泥石流爆发15~30 min后达到洪峰,约3 h后流量逐步回落;泥石流流动速度在流通区快,到沟口迅速下降,固体物质淤积阻塞河道。通过野外现场调查和遥感解译,发现模拟得到的泥石流发生过程、堆积区分布、泥石流影响区与现场调查和访问得到的实际情况基本相符。进而,采用相同的方法和参数,对2.0%和0.2%降水频率下泥石流的堆积范围、深度和流速进行了模拟分析,分别制作了上述工况下的泥石流危险性分区图,圈定了潜在威胁较大的人口聚集区,为耳阳河流域泥石流灾害的预防和治理提供了依据,也为类似泥石流提供了一种危险性分析的技术方法。
环境地质与生态地质
雄安多要素城市地质标准体系研究
林良俊, 韩博, 马震, 张曦, 李红英, 夏雨波, 郭旭, 裴艳东, 李海涛, 李洪强, 王雨山
2021, 48(2): 152-156.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202008076
摘要(4) HTML(3) PDF (440KB)(2)
摘要:
雄安新区作为多要素城市地质调查试点城市,急需建立城市地质标准,为高水平现代化城市管理提供全方位技术支撑。从城市地质与现代城市行政管理有机融合的角度角度出发,通过分析我国城市地质标准现状和雄安新区规划建设需求,研究提出雄安多要素城市地质标准体系。研究表明:高起点规划、高标准建设雄安新区,需要建立一套系统的、完整的、先进的多要素城市地质标准体系;标准体系应该包括空间、资源、环境和灾害等子体系:空间涵盖全域、重点区、特色小镇、工程建设场地等四方面,资源涵盖地热、矿泉水、地下水等三方面,环境涵盖土壤质量、地下水质量、湿地质量等三方面,灾害涵盖地面沉降、地裂缝、地震、砂土液化、地面塌陷等五方面。与雄安新区规划、建设、运行等不同阶段城市管理密切结合,需要研制30项城市地质技术标准,包括空间标准6项、资源标准9项、环境标准7项、灾害标准8项。
矿山水土污染与防治对策研究
张进德, 田磊, 裴圣良
2021, 48(2): 157-163.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202003031
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摘要:
矿山水土环境污染是采矿活动引发的主要环境地质问题之一。我国矿山数量众多,水土污染比较普遍,尤以金属矿山最为严重,矿山水土污染防治是今后开展国土空间生态保护修复的重要内容。基于全国矿山地质环境摸底调查成果资料,对矿业活动不同阶段的水土污染风险以及不同矿山的水土污染类型、特征和污染物迁移演化规律等进行了研究。分析指出:矿业活动过程包括勘探、建矿、开采、洗选、冶炼等多个阶段,而水土污染风险贯穿于矿业活动全过程,不同阶段的污染风险不同;矿产资源开发造成的水土污染物类型、特征因开采的矿产类型不同而不同,呈现出特征污染物与矿体母岩的高度相关性;矿山及其周边污染物的迁移作用受污染物自身的物理化学性质和外界环境条件的影响,在矿山长期持续开采条件下矿山水土污染物存在累积效应,而矿产资源集中开采区的污染物扩散表现出叠加效应。通过对某典型水土环境污染案例的分析研究,初步证实了上述推断。根据我国矿山水土环境污染多发性和复杂性的特点,建议今后开展矿山水土污染防治工作应区分不同类型矿山、不同地质环境条件、不同污染物特征、不同污染程度,采取分类施策、系统修复、标本兼治的对策,以实现矿山环境明显改善。
平朔露天煤矿复垦区不同地质层组岩土质量综合评价
崔潇, 周妍如, 刘孝阳, 白中科
2021, 48(2): 164-173.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202008053
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摘要:
露天煤矿生态地质环境系统恢复过程中,排于地表的不同年代地质层组的岩土剥离物都有可能成为复垦土壤母质。为科学合理利用矿区岩土剥离物,重构高质量复垦土壤,并指导后期分类排放,以平朔露天矿区黄土母质作为对照,评价不同类型岩土理化性状差异,从复垦土壤母质来源进行造地的源头控制,为露天煤矿土地复垦与生态修复提供依据。结合单项养分含量及有益微量元素含量分析结果,借助修正的内梅罗综合指数法,评价各岩土层肥力质量;借助单因子质量指数法,评价各岩土层环境质量。结果表明:各岩土层综合肥力系数位于0.40~1.26范围内,属贫瘠或一般水平;安家岭矿中2个煤矸石层的有机质或全氮含量、上部页岩层的全钾含量,以及东露天矿中炭质泥岩层的全磷含量丰富,显著高于黄土母质层;东露天矿底部细砂岩层及安家岭矿中泥灰岩层硫含量过高;东露天矿镉元素环境质量指数为1.05,属轻微污染等级;安家岭矿底部细砂岩层pH值低至4.25,酸度过大。平朔露天矿大多岩土层环境质量较好,但综合肥力质量较差,其中单项养分含量丰富,环境质量安全且易于风化的岩土层,适宜作为重构复垦土壤的备选材料。
基于聚氨酯复合基材的岩质边坡客土生态修复试验研究
喻永祥, 郝社锋, 蒋波, 刘瑾, 李明, 李伟, 宋泽卓
2021, 48(2): 174-181.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202004036
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摘要:
为解决目前岩质边坡客土喷播生态修复中存在的客土基材滑落、坡面表层土流失严重和植被生长差等问题,采用聚氨酯有机高分子材料与土体结合组成聚氨酯复合基材,用于边坡生态修复。通过室内试验对其强度、抗冲刷性以及影响植被生长情况进行研究,并在典型岩质边坡上进行现场试验,对聚氨酯复合基材的有效性进行验证。研究结果表明:聚氨酯有机高分子对于复合基材的强度和抗冲刷性具有显著的提升作用,随着聚氨酯有机高分子浓度增加,聚氨酯复合基材的强度增加,抗冲刷能力提高。与未添加的试样进行对比,浓度为1%聚氨酯复合基材的强度为113.63 kPa,提高幅度约为95.45%;20%浓度试样的峰值冲刷量为28.8 g,降低幅度约为71.2%。聚氨酯有机高分子可以有效促进植被种子的发芽与生长。当聚氨酯有机高分子浓度由0%提高到10%时,种子的发芽率由12%提升到68%。但当聚氨酯有机高分子浓度过大时,会对植被的发芽和生长发生抑制作用。研究结果可为岩质边坡的生态防护提供一定的参考与借鉴。
高盐强酸性地下水中复合苯系污染物原位芬顿氧化实验研究
郭威, 袁放, 张佳, 谢斌, 冯学洋, 陈鸿汉
2021, 48(2): 182-189.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012021
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摘要:
在原位氧化过程中,实际场地地下水和含水介质的物化特征是影响氧化效果的重要因素,而目前对此影响的研究较少。以某场地实际高盐强酸性复合苯系污染地下水为研究对象,以地下水中2-硝基-4-甲氧基苯胺(2-nitro-4-methoxyaniline,2-N)和3-硝基-4-甲氧基苯胺(3-nitro-4-methoxyaniline,3-N)为特征污染物,探究芬顿(Fenton)试剂原位氧化特征,并研究液相环境因素(初始H2O2浓度、初始Fe2+浓度、初始pH值、初始醋酸(Acetic acid,HAc)浓度、初始${\rm{SO}}_4^{2-}$浓度)以及含水层介质对Fenton法去除2-N和3-N的影响。结果显示:(1)Fenton法去除2-N和3-N效果显著,且在初始液相条件为c(H2O2)=7 mmol/L、c(Fe2+)=4 mmol/L、pH=4、c(HAc)=0 mg/L和c${\rm{SO}}_4^{2-} $)=0 mmol/L时去除效果最佳;(2)各因素对Fenton法氧化2-N和3-N的影响不同,加入H2O2和Fe2+使2-N和3-N去除率上升,增大HAc浓度使2-N和3-N去除率下降;(3)含水层介质对2-N和3-N具有一定吸附性,且对3-N的吸附性强于2-N,二者在本实验中最大吸附态占比分别为29%和42%,而吸附态的存在会抑制Fenton法对2-N和3-N的去除;(4)矿物分析结果显示介质含有少量黄铁矿,在硫酸环境下,介质腐蚀溶解释放Fe2+,在达到一定浓度后,无需额外添加Fe2+即可完成Fenton反应进而去除2-N和3-N。
地热地质
热屏障井对地下水源热泵换热影响模拟
肖锐, 黄坚, 王小清
2021, 48(2): 190-198.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202003036
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摘要:
对于场地受限的地下水源热泵项目,随着系统运行时间的增加易引发热贯通现象进而降低机组运行效率。地下水源热泵设计中,在抽灌水井连线间布设热屏障井可改变地下水流场,降低热量在抽灌井间的运移速度,有利于延长热贯通发生时间并缓解热贯通程度。通过构建地下水换热模型,模拟计算夏季制冷工况条件下36组热泵运行场景,分析了热屏障井的位置,过滤管长度及回灌量对热贯通和含水层温度场的影响规律。结果表明:热屏障井回灌量的增加有利于提升热屏障效果,但提升幅度随回灌量的增加逐渐减弱;最大水位降深值随着热屏障井回灌量的增加呈线性增长;增加热屏障井滤管长度可提升热屏障效果,提升效果随屏障井回灌量的增加逐渐增强。通过模型多周期、长时间模拟计算发现,热屏障井的运行可促使回灌的冷热量集中在回灌井一侧,对于采用冬夏季抽灌井交换运行模式的热泵系统,可充分利用含水层储能,提升机组运行效率。