ISSN 1000-3665 CN 11-2202/P
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安阳市地下水源热泵系统建设水资源管理区划研究
朱文举, 平建华, 侯俊山, 宁艺武, 耿文斌
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202011003
摘要(9) HTML(9) PDF (3341KB)(2)
摘要:
为从赋存条件和水资源管理两个层面进行地下水源热泵系统建设的区划研究,实施技术与管理的结合,通过分析水文地质条件、水动力条件和水化学条件,结合水资源管理分区,建立了安阳市地下水源热泵系统水资源管理区划评价体系。采用云模型改进的层次分析法进行了一级评价,在此基础上结合水资源管理分区利用GIS空间分析功能完成二级评价,将研究区地下水源热泵系统划分了3个等级。结果表明:研究区范围内地下水源热泵系统适宜发展区面积为117.45 km2,主要分布在安阳河冲洪积扇扇体中心强富水区,部分分布在扇缘的外围区域;限制发展区面积为459.26 km2,分布在扇缘的西南和北部丘陵弱富水区以及扇体中心的地下水降落漏斗区;禁止发展区面积为24.02 km2,分布在水源地和南水北调保护区以及铁路和高速公路两旁,在研究区交错分布。在适宜性分区的基础上结合水资源管理的区划研究更全面合理,可为地下水源热泵系统科学布局及合理的开发利用提供参考。
基于接力排水的强夯法在滨海回填区地基处理中的试验研究
张军舰, 李鹏, 殷坤宇, 罗玉磊, 郭幔
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104076
摘要(3) HTML(3) PDF (3577KB)(1)
摘要:
本文对山东半岛海岸带滨海杂填土、饱和粉细砂、淤泥质土等特殊复杂地层地基处理方法进行了研究。以经济高效的强夯法为基础,提出复杂地层整体排水概念,设计了浅层、深层竖向排水和水平排水的接力排水系统,并进行了现场试验研究。监测数据表明,强夯荷载作用下,接力排水系统整体协同排水,可快速排出各个地层中地下水、消散超孔隙水压力。7 h左右可基本消除强夯引起的地下水上升及孔隙水压力消散。持续降水,地表沉降为上部土体厚度的0.7%~2.0%。强夯动力荷载作用下,表层土体压缩为上部土体厚度的8.7%~10.9%。埋深3~7 m土体沉降约为土体厚度的5‰、3‰,埋深7~10 m土体沉降为土体厚度的2‰。检测数据表明,在强夯有效影响深度内地基处理效果明显,土体工程性状改善明显。表层承载力及变形模量满足设计要求,4 m以下淤泥承载力平均值略低于设计要求,下部淤泥质土计算平均固结度为77%。夯后1个月监测数据表明,地表沉降量在25 mm以内,已逐步趋于稳定,分层沉降、孔隙水压力数值整体稳定略有下降。
基于物理模型试验的碎屑流流态化运动特征分析
龙艳梅, 宋章, 王玉峰, 程谦恭, 李坤, 吴越
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202011035
摘要(21) HTML(6) PDF (4129KB)(18)
摘要:
流态化运动是高速远程滑坡的主要运动形式,是揭示高速远程滑坡运动机理的重要基础。本文基于粒子图像测速(PIV)分析方法,采用物理模型试验对不同粒径组成条件下的颗粒流内部的速度分布特征、剪切变形特征及流态特征进行了研究,并对高速远程滑坡流态化运动特征进行了讨论分析。结果表明,碎屑流流态化运动特征与颗粒粒径呈显著的相关性,随着粒径的减小或细颗粒含量的增加,颗粒流底部相对于边界的滑动速度以及整体的运动速度均呈现逐渐减小的趋势,颗粒流内部剪切变形程度增加,颗粒的运动形式由“滑动”向“流动”转变。当颗粒粒径较小或细颗粒含量较高时,颗粒流内部剪切速率增大的趋势在颗粒流底部更加显著,反映了粒径减小有助于促进颗粒流内部剪切向底部的集中。在同一颗粒流的不同运动阶段及不同纵向深度,其流态特征具有显著差别,颗粒流前缘及尾部主要呈惯性态,颗粒间以碰撞作用为主,而主体部分则主要呈密集态,颗粒间以摩擦接触作用为主;在颗粒流表面及底部,颗粒间相互作用方式主要是碰撞作用,中间部分则以摩擦作用为主。对于不同粒径的颗粒流,随着粒径的增大或粗颗粒含量的增加,颗粒流内部颗粒的碰撞作用加强,颗粒流整体趋于向惯性态转变。
软土地区双线区间盾构隧道施工对周边地表以及建筑物沉降的影响
潘涛
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202106014
摘要(8) HTML(12) PDF (3724KB)(1)
摘要:
研究盾构隧道施工对周围地面以及建筑物沉降造成的影响,是软土地区盾构隧道安全施工和正常运营的基础课题。为了分析宁波轨道交通5号线同德路站—石碶站区间双线盾构隧道施工对周边地表和建筑物的影响,本文在建立盾构隧道动态施工过程三维有限元模型的基础上,基于地表以及建筑物沉降数值模拟结果与现场监测值的对比,分析了隧道开挖对隧道周围地表沉降与建筑物沉降的影响。结果表明,掘进完成时,开挖方向沉降槽往上行线隧道方向偏移、呈现倒梯形形态,横断面影响区域为距离双线隧道轴线中心小于3倍隧道直径;上行线在下行线开挖后并不会增加地表沉降,但增大了沉降槽宽度;下行线到达前产生的沉降占最终累计沉降的67%;当盾构掘进面刚到达建筑物时、建筑物的倾斜方向与盾构掘进方向一致,当盾构掘进面离开建筑物时、建筑物将沿着盾构掘进的反方向倾斜;建筑物两侧沉降值较中部沉降值降低了83%;双线贯通后建筑物沉降呈“U”形分布,最大沉降量发生在远离隧道一侧距建筑物中心0.5 m处。
考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤修正模型
谭维佳, 魏云杰, 王俊豪, 高敬轩
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202105022
摘要(18) HTML(3) PDF (3698KB)(0)
摘要:
为反映非饱和地基土变形全过程,以某基础工程非饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。研究发现,非饱和土的偏应力-应变曲线形态近似双曲线,基质吸力对土体力学行为影响十分明显,基质吸力越大,土体偏应力越高。根据非饱和土变形特性及工程特点,选取邓肯-张双曲线模型作为基础模型,引入统计损伤理论,假设非饱和土微元强度服从Weibull概率密度分布,建立邓肯-张统计损伤模型。通过搭建初始切线模量与基质吸力的联系,建立一种新的考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤模型。给出参数解析方法,得到Weibull分布参数经验表达式,从而修正模型。分析不同基质吸力条件下非饱和土损伤累积规律,采用所建模型和传统邓肯-张模型对比验证非饱和土偏应力-应变试验曲线,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为非饱和土的力学特性研究及辨识模拟提供一定参考。
冻融作用下污泥固化轻质土动力特性及结构演化
杨爱武, 王斌彬, 钟晓凯
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103013
摘要(12) HTML(1) PDF (3909KB)(0)
摘要:
冻融作用会影响污泥固化轻质土动力特性和结构特性。为研究不同冻融循环次数和冻结温度下的污泥固化轻质土动力特性及结构演化,对冻融循环作用后的污泥固化轻质土进行动三轴试验和固结试验。试验结果表明:在冻融循环作用下,污泥固化轻质土动应力-应变曲线呈弱应变硬化型。污泥固化轻质土动强度和变形随着冻融次数(n)的增加和冻结温度(T)的降低而减小。经历前4次冻融作用后,对固化土变形和动强度影响较大,经历8次冻融循环后基本趋于稳定。冻融循环对土体动力特性的影响本质上是对土体结构性的影响。固化土冻融结构势(mdσn)的变化规律与动强度类似,随冻融次数的增加和冻结温度的降低而下降。冻融循环次数是影响污泥固化轻质土动力特性和结构性的主要因素,冻结温度为次要因素。
基于数字表面模型的岩体结构面产状获取
宣程强, 章杨松, 许文涛
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104029
摘要(11) HTML(8) PDF (6618KB)(3)
摘要:
针对传统现场接触式测量获取岩体结构面参数效率低、工作量大、结果精确性受人为因素影响等问题,本文结合数字摄影测量技术与运动法(structure from motion,SFM)进行岩体三维数字表面模型重建,并在此基础上建立了岩体结构面自动识别方法。岩体数字表面模型重建步骤主要为岩体影像资料采集,基于尺度不变特征变换(Scale-Invariant Feature Transform,SIFT)算法进行图像特征匹配、稀疏点云构建、点云稠密化以及岩体曲面模型重构。结构面识别方法流程主要为:首先平滑岩体数字表面模型;通过改变搜索半径和角度阈值实现模型平面分割;基于区域生长原理进行结构面搜索;最后基于随机采样一致性拟合结构面得到结构面产状。将该方法应用于甘肃北山地下实验巷道,实现了巷道三维数字表面模型的重建与结构面产状数据获取,最后将识别到的结构面分组表征在模型表面。与人工实地测量方法以及现有的结构面识别软件相比,本文提出的方法具有良好的准确性,可为工程应用提供一定的参考。
基于固结-固化复合技术对温州淤泥加固的试验研究
袁波, 邵吉成, 骆嘉成, 叶宏峰
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103035
摘要(18) HTML(14) PDF (3838KB)(3)
摘要:
为了对软弱淤泥土进行加固,使之满足工程建设所需的一定承载力,在试验基地采用固结-固化复合技术对淤泥进行加固研究。试验时,将一定厚度淤泥分为浅层固化加固层和深层固结加固层;浅层(≤1 m)淤泥采用固化技术进行加固,使之形成高强度硬壳层;对于深层(>1 m)淤泥,采用真空预压技术进行加固,以提高深层淤泥的承载力并控制加固土体的后期沉降量。试验结果表明,当固化剂掺量为0.6%~5.0%时,浅层固化淤泥承载力特征值在109~330 kPa;固结-固化复合技术对土体加固效果突出,分层加固土体整体的承载力特征值在89~230 kPa;浅层淤泥经过固化处理后,土体强度较高,对地表荷载起到了明显的扩散作用,有效地减小了地表荷载在下卧层土体中产生的附加应力;多数试验单元浅层固化土的应力扩散角在19.474°~26.303°之间。
双排桩双梁组合支护刚度计算的改进与位移分析
宫凤梧, 刘晨, 郭文娟, 李晨光, 封占英, 张银铂
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103030
摘要(7) HTML(7) PDF (3655KB)(0)
摘要:
双排桩支护组合体系作为一种新型悬臂类支护结构,其整体刚度的提升有利于保持基坑边侧的安全稳定。本文依托于张家口万全区某双排桩基坑支护工程案例,以现有双排桩冠梁刚度系数计算方法为基础,引入冠梁与连梁作用效应系数优化改进考虑连梁和冠梁作用的基坑矩形双排桩支护结构横向支撑刚度的计算方法,并对双梁组合支护体系下不同土性对双排桩前后排桩桩身最大横向位移的影响进行探讨。结果显示:(1)在双排桩结构计算中需考虑冠梁与连梁对双排支护桩的共同横向约束作用,并将冠梁与连梁的刚性连接作为一个整体以提高矩形双排桩双梁横向支撑刚度系数。(2)双梁组合支护体系组合刚度对桩顶位移有较大影响,组合刚度为40~50 MN/m下的位移与观测值较为贴近;冠梁计算长度与引入的冠梁与连梁作用效应系数对双梁组合支护体系组合刚度影响较大,计算长度对组合刚度呈负相关,效应系数对组合刚度呈正相关。(3)双梁组合支护体系下双排桩横向支撑刚度受前后排桩竖向与横向位移差影响,前后排桩桩身最大横向位移受土层内摩擦角、黏聚力和土体水平抗力比例系数影响;改变抗拉强度不会影响双排桩桩体位移。在基坑埋深以下及桩底范围内桩身存在位移拐点,拐点处各不同内摩擦角、不同黏聚力条件下位移相等。
系统维度对变密度溶质运移的影响研究
叶逾, 蔡芳敏, 谢一凡, 井淼, 鲁春辉
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103015
摘要(0) HTML(0) PDF (1219KB)(1)
摘要:
关于地下水变密度流与溶质运移的研究通常局限于二维系统中,三维系统中的研究非常有限。然而,仍有零星研究表明,三维系统中的对流过程与二维系统不同。本文通过数值模拟,系统研究了二维和三维系统中的变密度溶质运移过程,利用舍伍德数、空间矩和稀释指数量化了系统的不稳定性和溶质扩散、稀释程度。结果表明,二维系统产生分散指流,而三维系统中因扩散程度的增强使得分散指流的产生受到抑制,但是,三维系统的不稳定性比二维系统更强,对流入渗更快,与指流的产生与否并无直接关联。另外,三维系统中溶质的稀释程度大于二维系统,但溶质在二维系统中将更快接近稀释的最大值,传统二阶中心矩可能会造成自由对流和不稳定性溶质运移过程中溶质扩散和稀释程度的错误估计。
基于时空维度耦合的地质灾害发育程度评价研究
曲雪妍, 李媛, 房浩, 杨旭东, 谢振桦, 尹春荣, 张艳玲, 佟彬
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.201912061
摘要(0) HTML(1) PDF (3215KB)(0)
摘要:
在现有地质灾害综合评价指标体系中,地质灾害发育程度评价因子只包括反映空间维度的点数量、点密度、体积数、体积密度等,不包括反映时间维度的评价因子。文章引入反映时间维度的受灾年份因子充实之。通过对地质灾害体积取中位数对数法、对受灾年份采用概率密度法进行处理和采用熵权法确定评价因子权重来建立时空耦合评价模型;采用斜率法将评价结果划分为高、较高、中、低四级,以反映已发生灾害的发育状况。选取中国(不包括港、澳、台)2011—2020年已发生的地质灾害点,按此方法对地质灾害发育程度进行评价与区划,结果表明:地质灾害高发育区共323个县,涉及19个省份,主要分布在湖南大部、湖北西部和东部、江西东南部、广东东部、福建中西部、四川东部、重庆北部、甘肃南部等地。较高发育区共566个县,涉及25个省份,主要分布在四川大部、云南西部和南部、湖南东南部、湖北北部、江西大部、广东大部、广西大部、福建大部、浙江大部、贵州西南部、陕西南部以及吉林东部。中发育区623个县,涉及30个省份,主要包括新疆大部、西藏大部、甘肃大部、河北大部、山西大部、河南大部。低发育区共1336个县,涉及30个省份,主要包括青海、西藏大部、甘肃北部、内蒙、黑龙江、吉林西部、辽宁西部、河北东部及南部、山东、河南东部、安徽中北部、江苏等地。本次评价结果与国家防灾部署、灾害发育分布具有较高的吻合度。野外实地调研证明,引入受灾年份后的评价结果较引入前更科学、合理。
近水平层状坝基岩体渗透结构及其工程意义
王俊智, 李清波, 王贵军, 张一
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202105024
摘要(6) HTML(0) PDF (3668KB)(6)
摘要:
查明坝基岩体的渗透结构对于大坝工程防渗方案的制定具有重要意义。以黄河古贤水利枢纽工程近水平分布的红层坝基岩体为研究对象,使用“连续、高分辨率”压水试验数据处理与统计方法,分析了岩体透水率与高程、岩性及顺层剪切带的关系,阐明了坝基岩体的渗透结构,提出了工程防渗建议。研究发现,坝基岩体渗透结构表现出结构性和随机性双重特征。结构性表现为岩体透水率随高程的降低而减小;随机性表现为岩体透水率会因岩性和剪切构造等随机变化。对于河床及滩地坝基岩体,风化卸荷带底高程在450 m附近,1 Lu关键透水率指标界线的底高程位于340 m附近。对于岸坡坝基岩体,3 Lu关键透水率指标界线的底高程位于560~580 m。在坝基勘察深度范围内,350~360 m高程段连续分布具有一定厚度的软岩类岩体,剪切构造不发育且岩体透水微弱,可视为相对隔水层,对坝基防渗帷幕优化设计具有指示意义。文章提出的统计、分析方法具有一定普适性,可为类似工程所借鉴。
循环荷载下水泥土桩复合体动力参数试验研究
叶观宝, 秦粮凯, 张振, 郑文强, 陈勇
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103037
摘要(34) HTML(18) PDF (11579KB)(24)
摘要:
水泥土桩被广泛应用于软土路基加固工程中。然而,人们对水泥桩与桩间土形成的加固体的动力特性尚缺乏认识,无法合理评价水泥土桩复合地基的长期性能。基于此,本文开展水泥土桩复合体大型动三轴试验,研究围压、静偏应力、置换率及分级加卸载路径对其动力参数的影响,并分析了动力参数的波动性。试验结果表明:随着静偏应力增加,复合单元体的动弹模量减小,阻尼比增大,临界动应力比减小。随着置换率增加,动弹模量略有增加,阻尼比略有减小。逐级卸载造成复合单元体的动力参数劣化。阻尼比具有较强的波动性,复合单元体阻尼比的变异系数是动弹模量的2.8~7.0倍。相比于软土,复合体动弹模量提高了2~6倍,静偏应力越大,提高系数越大。
水位波动下包气带透镜体影响LNAPL迁移的数值模拟研究
潘明浩, 时健, 左锐, 赵晓, 刘嘉蔚, 薛镇坤, 王金生, 胡立堂
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202105027
摘要(0) HTML(0) PDF (4181KB)(0)
摘要:
轻质非水相液体(LNAPLs)在土壤包气带中具有多相态特征,介质非均质性、地下水位波动等因素则将显著增加包气带内LNAPLs污染的复杂程度。已有研究多关注于揭示包气带内自由相LNAPLs的污染过程,少有更为深入地探究水位波动时,不同岩性非均质结构对LNAPLs迁移过程及各相态LNAPLs分布规律的影响。本文基于TOUGH2程序构建包气带多相流迁移数值模型,以揭示不同岩性透镜体结构及地下水位波动共同作用下LNAPLs迁移过程及相态分布,研究表明:(1)含水率变化是LNAPLs迁移分布的主要控制因素,包气带内受透镜体介质岩性、水位波动影响所呈现的含水率变化直接控制LNAPLs迁移规律及分布特征;(2)水位恒定时,细砂透镜体使LNAPL呈“蓄积穿透-横向扩展-绕流”迁移,粗砂透镜体则是LNAPL垂向迁移的“优势通道”。水位波动引起的细砂透镜体含水率变化使“绕流”显著增强,粗砂透镜体则进一步呈现“优势空间”作用;(3)水位恒定时,细砂透镜体模型中LNAPL滞留于透镜体内部,粗砂模型中LNAPL则集中于透镜体下方,水位波动下透镜体附近LNAPL分布范围扩展,两模型LNAPL分布面积较水位恒定时分别增大51%、63%;(4)两模型中LNAPL挥发通量均呈“先减小-后增大”规律,并受LNAPL-气体接触条件及LNAPL分布状况共同作用。水位波动打破三相平衡状态,主要表现为水位抬升阶段LNAPL挥发增强,此时两模型中平均挥发量较水位恒定时增大124%~126%。
缺水基岩山区蓄水构造类型划分及其属性分析
张福存, 王新峰, 李伟, 程旭学, 韩双宝, 潘晓东, 龚磊
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202107042
摘要(2) HTML(0) PDF (1KB)(6)
摘要:
近十多年来,服务脱贫攻坚的基岩山区找水打井工作充分运用并丰富了蓄水构造理论,但缺乏对其类型的统一划分和属性的深入分析。以蓄水构造为理论指导,考虑地貌汇水、岩性赋水、构造控水等控制因素,以构造为主控因素,综合地形地貌、地层岩性和植被发育及开发利用实际价值等因素,系统总结划分出缺水基岩山区水平岩层、单斜、褶皱、断裂、接触、风化壳、复合、洞藏等8类20型35式蓄水构造,并借鉴、结合新构造控水理论和地下水系统理论分析总结不同尺度、不同类型蓄水构造的共性特征,从蓄水构造空间组合特征、边界水文地质性质、水动力条件、尺度效应、控水共生特征、开发利用实际价值等方面,提出了岩性与地质构造的相关性、透水与隔水的相对性、汇水与蓄水的平衡性、尺度与系统的统一性、形成与改造的继承性和规模与目的的匹配性等蓄水构造属性。研究成果细化完善了缺水基岩山区地下水蓄水构造类型划分,总结提炼了蓄水构造属性特征,深化了对蓄水构造概念内涵的理解与认识。既进一步推动了基岩山区水文地质学的研究,也可为缺水区找水定井提供参考,并指导缺水区水资源可持续利用。
随机网络裂隙中DNAPLs运移规律研究
常兴, 骆乾坤, 邓亚平, 马雷, 钱家忠
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103055
摘要(1) HTML(0) PDF (3779KB)(2)
摘要:
重非水相流体(DNAPLs)在裂隙介质中运移和分布受多种因素影响,包括DNAPLs本身的物理化学性质、裂隙的几何性质以及泄漏条件等。以往研究多基于单个裂隙,随机网络裂隙中DNAPLs运移规律的研究较少。文章基于蒙特卡罗方法生成随机网络裂隙,运用像素扫描识别并输出裂隙的坐标和宽度,然后采用PetraSim模拟四氯乙烯(PCE)在随机网络裂隙中的运移,主要探讨裂隙宽度空间变异性和泄漏条件(包括泄漏速率和泄漏位置)对DNAPLs运移规律的影响。数值模拟结果表明裂隙空间变异性的不同,同样影响DNAPLs的运移路径和空间展布。随着网络裂隙中裂隙宽度空间变异性增大,出现优势通道,DNAPLs运移的速率加快,DNAPLs的质心位置和饱和度空间分布发生明显变化;泄露速率影响DNAPLs的运移范围和空间展布,泄漏速率越高,DNAPLs运移速率越快,模型底部蓄积的DNAPLs的饱和度越大,DNAPLs的空间展布也越大;同一网络裂隙中,泄漏位置的不同,同样会导致DNAPLs的运移路径及分布范围不同,不同的泄露位置重力方向裂隙空间变异性不同,导致DNAPLs运移路径和空间展布各不相同。结果可丰富裂隙介质中DNAPLs运移机理研究,为裂隙介质中DNAPLs污染修复提供模型参考。
地下水机器学习方法研究—水位监测数据驱动的区域补排边界识别
齐永强, 李文鹏, 郑跃军, 李慧, 王成见
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104030
摘要(8) HTML(5) PDF (3815KB)(8)
摘要:
随着我国地下水监测工作的高速发展,高频率高密度水位监测数据的出现催生了对其进行深入信息挖掘的需求。在传统地下水模型研究中,地下水位监测值常位于模型构建过程的下游,当水位监测的时空密度逐渐增大时,新增信息无法有效传导至模型的规划阶段并指导概念模型的修订。文章提出了一种地下水系统补排边界的识别方法,在不建立地下水数值模型的前提下,以监测井空间位置为节点,按照德劳内原则建立三角网格。在此网格系统中,首先定义一个水力梯度变换函数gradF,以求取网格中任意位置的水力梯度;借鉴机器学习领域的优化算法,使用水力梯度场驱动含水层中随机分布质点的运行轨迹,并以此推断和识别区域内地下水补给和排泄边界。在环境地学计算平台EnviFusion-CGS中实现,并构建了详细工作流程。以山东省青岛市大沽河中下游含水层作为示范区,对含水系统的补给区和排泄区的空间分布及其动态变化进行了分析,取得了良好效果。本研究为构建和修订已有的含水层概念模型提供了新思路。
利用示踪试验时间-浓度曲线分析岩溶管道结构特征
陈亚洲, 董维红
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665201909067
摘要(1) HTML(0) PDF (3513KB)(1)
摘要:
岩溶管道结构特征对岩溶水资源的合理取用、保护及地下工程安全施工具有重要影响。目前在利用示踪试验曲线分析岩溶管道结构特征时,存在曲线叠加形态、钝锋形态、曲线不规则上升和下降与多条岩溶管道连接关系、地下湖所处位置、地下水状态难以准确分析的问题。文章通过地下水溶质运移理论,推导出岩溶管道流溶质运移模型,根据模型绘制三维溶质运移形态,根据三维溶质运移形态推导出理论时间-浓度曲线形态,利用理论时间-浓度曲线形态结合水力学相关知识,对岩溶管道连接关系、地下湖位置及岩溶管道流形态变化对应的时间-浓度曲线进行解释。得出以下结论:(1)曲线出峰个数对应岩溶管道条数,由于管道径流长度及流速存在差异,双管道并联曲线存在三种模型;(2)单管道曲线下降梯度个数对应地下湖个数,多管道需结合管道个数和地下湖位置具体分析下降梯度和地下湖个数关系,根据地下湖位置将双管道并联岩溶管道划分四种类型;(3)曲线形态极速变化标志着管道流发生表流和承压流的相互转化。
共和盆地干热岩体人工裂隙带结构的控热机理与产能优化
陈炫沂, 姜振蛟, 徐含英, 冯波
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104058
摘要(4) HTML(2) PDF (3787KB)(2)
摘要:
人工压裂是获取干热岩型地热资源的关键环节,压裂后的人工裂隙带结构对开采条件下水热传递过程具有重要控制作用。结合我国共和盆地干热岩储层地质条件,采用数值模拟方法着重分析干热岩不同产状人工裂隙带的渗透率与宽度对热储中水热传递过程的影响机理,明确不同人工裂隙结构条件下水热产出能力,进而优化井间距。结果表明:当人工裂隙带渗透率较小时(小于5 D),裂隙带规模越大,开采井温度越高;当渗透率较大时(大于10 D),在水平裂隙带中,随着裂隙带规模的增加,由于注入冷水的快速扩散导致整体低温区域增加,开采井温度反而降低。在水平裂隙带中注入冷水主要为水平向流动,随着渗透率的增加,开采井温度更易受注入冷水的影响而降低;但在垂直裂隙带及倾斜裂隙带中,随着渗透率的增加,垂向自由对流增强,注入冷水更易于向储层底部高温区域流动,经加热后到达开采井,使得开采温度提升。综合比较,同一井间距条件下,低渗水平裂隙带以及高渗垂直裂隙带的产热能力较其他裂隙带更强。
通过永定河补水渗漏补给地下水的适宜性评估研究
曹欣怡, 翟远征, 李木子, 潘成忠, 郑富新, 芦红, 夏雪莲, 滕彦国, 王金生
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202107069
摘要(6) HTML(0) PDF (3963KB)(7)
摘要:
受气候变化和人类活动等因素的综合影响,地下水超采和含水层水量亏空已成为备受关注的全球性问题。为了弥补含水层水量亏空和促进地下水资源涵养,已探索出多种人为干预地下水补给的措施,其中通过河道开展地下水人工补给由于具有明显优势而受到重视。已有实践表明,受渗漏补给潜力和包气带调蓄能力等的限制,并不是所有河流或河段都适宜开展地下水人工补给工作。目前尚缺乏比较为大家广泛接受的适宜性评估方法。本研究以永定河生态补水为契机,以北京平原段河道和下伏含水层为研究区开展了案例研究,并用实测数据对研究结果进行了检验。应用指标体系法建立的适宜性评估模型(LMBGITSC模型)包括河床土地利用类型、河床介质类型、河床宽度、河床地形坡度、包气带介质类型、包气带厚度、包气带给水度、包气带水平渗透性等8个指标。案例研究结果表明,沿河流流向,通过河道渗漏补给地下水的适宜性由好变差(防渗河段除外)。该规律性主要受渗漏补给潜力和包气带调蓄能力控制,因此适宜性也呈现出“阶梯式”演变规律。检验结果表明所建的评估方法具有较好的适用性。该方法具有较好的可移植性,因此也可为其他同类地区提供参考。
基于可靠度方法的全基质吸力段土-水特征模型研究
刘青灵, 简文彬, 许旭堂, 聂闻
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104033
摘要(3) HTML(0) PDF (1041KB)(0)
摘要:
土-水特征曲线是非饱和土入渗和流-固耦合分析的基础,目前该模型的研究成果由于试验方法和设备的局限,仅能够得到局部基质吸力段(低吸力或高吸力)的土-水特征曲线;而如何根据局部试验数据集推断与试验结果相吻合的全基质吸力段范围的土-水特征曲线是一个难题。对东南沿海广泛分布的原状残积土进行了不同基质吸力段的土-水特征试验。根据残积土低吸力段和高吸力段的试验数据,运用可靠度分析方法,从土壤孔隙微元破裂失稳的角度,建立了土壤全基质吸力段的土-水特征模型。根据UNSODA2.0数据库提取砂土、粉土、黏土等3个类型土样本(52个)的试验数据,讨论了模型参数意义和不同土类的模型适用性,进行了不同土-水特征模型的比较分析。对比验证研究表明,形状参数σ和中值比例参数$ \mu $使提出的模型具有很强的适应性,并且具有依据局部试验数据(低或高基质吸力段)快速获得全基质吸力段土壤土-水特征曲线的能力。与其它模型相比,模型计算过程适应性强,模型决定系数R2>0.98。研究结果对快速获取不同类型土壤的全基质吸力段土-水特征曲线具有参考价值。
长江干流水化学成因与风化过程CO2消耗通量解析
张鸿, 周权平, 姜月华, 金阳, 杨国强, 顾轩, 梅世嘉, 王晓龙
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202106027
摘要(0) HTML(1) PDF (4107KB)(0)
摘要:
长江流域面积巨大,岩性多变,加之三峡大坝等重大水利工程的影响,干流河水的水化学成因存在较大争议。此外,以往研究中流域矿物风化过程的碳汇通量估算一般基于阳离子来源分析,但该算法通常涉及多种矿物端元的参数选取,结果具有不确定性。本次研究对长江干流水化学的时空演变进行了整体分析,并基于上游河水样品$\rm{HCO}_3^{-}$含量的校正与计算,提出了一种计算矿物风化过程碳汇通量的新方法。研究结果表明,蒸发盐溶解、循环盐作用、矿物风化及硫酸盐溶解是控制长江干流河水离子组成的主要水文地球化学作用,而人类活动主要影响了离海距离3 000 km以内河水$\rm{NO}_3^{-}$含量;长江上游干流硅酸盐风化消耗CO2速率为1.16×105 mol/(km2·a),碳酸盐风化消耗CO2速率为4.75×105 mol/(km2·a)。本研究有助于加深对长江干流主要水文地球化学作用的认识,丰富和完善碳循环研究理论。
吉木萨尔超排液氢氧同位素特征及地下水含量计算
贾俊, 王亮, 孟云涛
当前状态:  doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103045
摘要(34) HTML(9) PDF (3520KB)(1)
摘要:
压裂返排液对环境安全和人类健康构成巨大挑战,也为地质和工程应用研究提供了宝贵资料。新疆吉木萨尔芦草沟组压裂返排液存在超排现象,为了揭示超排液来源与组成,获取原始地层卤水地球化学信息,在缺乏地下水采样情况下,系统采集研究区内两口水平井压裂液、压裂返排液和地表水样品,测定并分析其氢、氧同位素组成及随返排时间动态变异特征。在对水岩作用可能引起的同位素交换分析厘定基础上,分别测算地下水氧同位素组成及返排液中地下水含量。结果表明:相对于富D贫18O的地表水和压裂液,返排液样点明显偏离该地区大气降水线,18O同位素发生了正漂移,D同位素呈现负漂移,其水体来源发生了变化。依据返排液δ18O实测数据随返排时间的收敛模型,计算地下水δ18O为−6.902‰;返排第60天,返排液中的地下水含量分别为84%、81%,尚有43 283.4,39 150.3 m3压裂液未返出,即随着压裂改造缝不断延伸,返排时间的延长,前期注入的压裂液绝大部分仍滞留于地层中,超排液来源为持续混入的地下水。
2021 年 6 期目录
2021, (6): 1-2.  
摘要(35) HTML(10) PDF (346KB)(2)
摘要:
水文地质与水资源
Theis不稳定潜水井流模型的改进——具入渗补给
陈崇希, 唐仲华
2021, 48(6): 1-12.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104057
摘要(51) HTML(13) PDF (4893KB)(24)
摘要:
地下水的补排主要包括垂向的地面入渗补给、蒸发排泄(蒸发可视为入渗的负值)及侧向的地表水补给、排泄。水文地质学最基本的问题之一——地下水可持续开釆量的评价准则,涉及补给的增量与排泄的减量,因此地下水开采的预测模型必须包含上述两类的补给、排泄因素,否则不能满足要求。然而,经典的Theis不稳定井流模型,即使在傍河抽水,也只有侧边界的补给、排泄作用,而不涉及上边界的地面入渗补给。这样一来,这个解析模型基本上不能够用于预测,而只能在旱季用于井流试验求取含水系统的参数。为此,文章的目标是发展具地面入渗补给的Theis不稳定潜水井流模型。对于潜水流问题,不能再用承压水流的以水头为应变量的方程来建立,应采用第二类线性化方法的势函数来建立潜水流问题。对于既有降雨入渗补给,又有抽水井作用的复杂的水文地质问题所概化数学模型的求解,采取的方法是把它分解成若干个简单的子模型问题求解,然后将其合成为原来复杂数学模型的解。基于质量守恒原理,假定渗流服从Darcy定律并满足Dupuit徦定建立了水流基本微分方程。然后对于两平行河流及一河流平行一隔水边界形成的两类条形区域,具地面均匀稳定入渗补给的井流问题,获得通用水位方程和几类常见的特定条件水位方程及其流量方程。此外,提出并采用“边界对边界的反映法”用以求解一河流平行一隔水边界条形区域的同一问题,减少了许多推导过程。最后,作为上述理论成果的初步应用,也是一个重要的应用,即在河水水质不能满足要求的河流附近,设有一口抽水井,计算该抽水井在不汲取河水的前提下的临界流量方程,获得具重要意义的结构简洁的关系式。该方程也可以用于滨海区的抽水井,在不发生海水入侵前提下的临界抽水流量计算。给出了上述条件不稳定井流过程某时刻的地下水流网图,其流网与文献中常见的傍河井流的流网相比,具显明的特征。
高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法研究进展
李露露, 周志超, 邵景力, 崔亚莉, 赵敬波
2021, 48(6): 13-23.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202010061
摘要(69) HTML(22) PDF (3139KB)(44)
摘要:
地下水流数值模型不仅是认识深部水动力场形成演化机制的有效工具,也是建立核素迁移数值模型的基础,因而是高放废物处置场选址和安全评价中重要的技术手段。高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法较多,如何选择适当的方法也是值得关注的问题。针对高放废物深地质处置地下水流数值模拟技术展开研究,通过阅读大量国内外文献,文章系统阐述了目前常用的4 类地下水流数值模拟方法的研究进展、适用条件和实例应用;综述了深地质处置中常用的模型不确定性分析方法及研究成果,列表给出了适用于放射性废物地质处置的地下水流数值模拟软件及其在废物处置选择和安全评价中的应用。研究结果表明:等效连续介质模型适用于大区域、长序列、裂隙发育程度较高或较均匀的地区,该类模型方法成熟、所需的数据和参数易于获得,但是不能精确刻画裂隙介质中地下水的流动特征。离散裂隙网络模型适合解决处置场地、储罐尺度等需要精细刻画的地下水流问题,但由于需要大量裂隙及其连通性数据、相关参数等,该方法存在着工作量大、耗时多的缺点。双重介质模型主要用于解决区域尺度裂隙水流问题,但并不能表现出裂隙介质的各向异性、不连续性等特征,因而适用范围存在一定的限制。等效-离散耦合模型可以通过区域分解法对裂隙密度大的区域采用等效连续介质模型,对于裂隙密度较小的地区采用离散裂隙网络模型,从而更符合一般地质条件下裂隙渗流的特征,但也存在交换量难以确定、模型耦合技术问题。通过灵敏度分析,将不同敏感因子对模型敏感指标的影响程度进行排序,提高模型精度、减少参数不确定性分析的工作量。蒙特卡罗法是目前常用的一种模型不确定性方法,原理简单、易于实现。文章展望了数值模型在仿真性、不确定性分析、预测和多介质耦合等方面的研究前景。
一种改进的地下水模型结构不确定性分析方法
孙晓卓, 曾献奎, 吴吉春, 孙媛媛
2021, 48(6): 24-33.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012061
摘要(78) HTML(16) PDF (6742KB)(25)
摘要:
高斯过程回归(GPR)是一种基于贝叶斯理论的监督学习算法,在基于数据驱动(DDM)的模型结构不确定性分析中具有广泛应用。目前研究中通常假设物理参数和超参独立并进行联立识别,这会导致参数补偿。文章提出两步识别DDM量化模型结构误差,并通过2个地下水模型案例,分别在不考虑模型结构误差、考虑模型结构误差(联立识别DDM、两步识别DDM)的情况下,对比分析了参数识别和模型预测结果。结果表明,不考虑模型结构误差直接进行参数识别时,为补偿结构误差,物理参数会过度拟合,从而影响模型预测效果。基于DDM刻画模型结构偏差时,物理参数和超参的独立性假设会影响参数识别结果。提出的两步识别DDM法没有假设物理参数和超参独立,能够减少参数过度拟合效应,从而更准确刻画结构误差,有效提高了模型的预测性能。
“引哈济党”工程对敦煌盆地地下水位影响的数值模拟研究
何剑波, 李玉山, 胡立堂, 尹政, 胡彦斌
2021, 48(6): 34-43.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012018
摘要(60) HTML(9) PDF (13293KB)(17)
摘要:
国务院批准的《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划(2011—2020)》旨在缓解敦煌盆地水资源的合理利用与生态保护之间的矛盾。随着规划的实施,近年来盆地内水面的面积增大,作为规划骨干工程之一的“引哈济党”工程的实施必要性得到质疑。地下水是盆地重要的水源,也是影响西湖自然保护区等生态的关键因素。为定量分析引哈济党工程不同调水量下盆地地下水位时空演化态势,本研究建立了地下水三维流数值模型,结合长期观测井和统测井水位等数据对模型进行了识别和验证。模型应用发现:2010—2018年区域年均地下水储量亏空约0.40×108 m3,主要分布于党河洪积扇区和党河灌区北部,但党河灌区和西湖自然保护区核心区的地下水储量亏空分别约2.62×106,9.99×106 m3。采用模型预测了调水量为0.80×108,0.90×108 ,1.00×108,1.20×108 m3/a时,50年后地下水位动态,发现党河洪积扇地下水位回升5.0~20.0 m,月牙泉区地下水位回升7.0~15.0 m,而西湖自然保护区在模拟期内地下水位回升0.5 m以内。地下水侧向径流补给是西湖自然保护区核心区的重要和持续的补给水源,“引哈济党”工程将确保西湖地下水位的缓慢回升。研究结果可为“引哈济党”工程的实施论证提供重要参考。
地下水井水位及化学组分的同震差异响应特征分析—以青白江地震为例
顾鸿宇, 王东辉, 李胜伟, 郑万模, 刘港, 向元英, 李丹, 陈能德
2021, 48(6): 44-53.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104019
摘要(56) HTML(12) PDF (4694KB)(16)
摘要:
相邻监测井的同震差异响应分析是研究地下水同震响应机理的路径之一。2020年2月3号青白江地震引发了龙泉山地下水监测井水位及水质的异常变化。利用多种水化学组分及水位的自动监测数据分析了相邻两口监测井的同震差异响应特征,讨论了水化学组分及水位差异响应机理。在相同能量密度情况下,ZK1水位变幅较ZK6大,表明ZK1对本次地震响应的敏感性高于ZK6。地震主要引起了处于还原环境(Eh<0)的第二含水层(主要离子为${\rm{NH}}_4^+ $${\rm{NO}}_3^- $)中地下水向ZK1的排泄,而处于氧化环境(Eh>0)的第一含水层(高浓度Cl,高TDS及pH)中地下水主要向ZK6排泄。不同含水层水体向井排泄和混合是造成两口井地下水化学组分差异响应的原因。根据震后井水位及水化学组分的趋势变化规律分析,岩体在地震作用下的不排水体积改变是造成地下水水位阶跃变化的主要原因,ZK1周围第二含水层发生了塑性变形,渗透性发生了永久改变,而ZK6周围岩体发生弹性变形,渗透性未发生永久改变。
非饱和花岗岩残积土水-气两相驱替过程数值模拟
蔡沛辰, 阙云, 李显
2021, 48(6): 54-63.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202010017
摘要(38) HTML(15) PDF (4505KB)(21)
摘要:
水流在非饱和土体中的入渗过程实质上是水在下渗的过程中驱替空气的两相流问题。为揭示非饱和花岗岩残积土水-气两相驱替动态渗流机理,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于工业CT扫描图像与Level Set方法,研究了原状土样两相驱替的动态特征。结果表明:对于细观尺度水-气两相驱替模拟,Level Set法能很好地捕捉两种不混溶流体间的界面位置;水-气两相驱替过程存在大孔隙优先流特征,且“绕流”现象一般易于出现在孔隙成圆度较高处;两相渗流速度主要受孔道迂回度控制,笔直、较宽孔道,渗流速度相对较高,同时存在明显的“优势通道”,且随渗流时间增大以先急后缓的特征呈正相关变化,最大增速率为 10.77%,最小仅 1.90%;孔道横截面速度大小分布与孔隙结构有关,“回流”和“绕流”现象会使驱替速度骤降,降低幅度可达21.62%;驱替阻力最大出现在孔壁处,孔道越窄,阻力越大;驱替效率与驱替压差成正比关系,且初期加压增速效果显著,可达25.49%,后期仅为1.47%。该研究成果可丰富降雨型滑坡理论基础并预防灾害产生,具有重要的理论价值及工程意义。
考虑非饱和浸润层厚度和累积入渗量的改进Green-Ampt模型
王雪冬, 李世宇, 孙延峰, 张超彪, 王翠, 朱永东
2021, 48(6): 64-71.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012045
摘要(32) HTML(26) PDF (4431KB)(4)
摘要:
矿山内排土场因其储量大、结构松散和强度低等特点,在降雨条件下极易产生侵蚀或整体失稳破坏,因此降雨入渗分析对预测内排土场稳定性至关重要。以元宝山露天煤矿内排土场为原型,按相似试验理论进行物理模型试验,研究降雨入渗特征,根据试验结果对经典Green-Ampt入渗模型进行改进。结果表明:雨水入渗过程中,随着浸润锋的向下运移,坡面侵蚀由溅蚀凹槽开始,逐渐过渡为径流侵蚀,最后呈现为溯源侵蚀破坏,整体呈现平行于坡表面的浅层滑坡特征;浸润锋之上非饱和浸润层的存在,导致经典Green-Ampt模型计算结果不准确;在考虑浸润层厚度和累积入渗量基础上,推导出改进的Green-Ampt模型;改进后的Green-Ampt模型为分段函数,能够反映降雨入渗使坡面由非饱和向饱和过渡的实际特征。验证结果显示,使用改进模型,浸润锋入渗深度和累积入渗量的预测精度显著提升,虽然冲蚀破坏和初始含水率的差异导致降雨入渗后期的预测精度有所下降,但相关结果对煤矿内排土场降雨初期稳定性分析具有重要意义。改进后的Green-Ampt模型的计算结果与实测数据更为接近,能为分析露天煤矿内排土场降雨入渗规律及边坡稳定性研究提供参考。
工程地质与地质灾害
1965年烂泥沟滑坡前兆、高速远程运动及后期演化特征
文宝萍, 王凡
2021, 48(6): 72-80.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202108065
摘要(52) HTML(22) PDF (8502KB)(29)
摘要:
烂泥沟滑坡是我国最著名的巨型高速远程滑坡之一。1965年烂泥沟滑坡活动造成近百年来最严重的单体滑坡灾害。此后,1991年和2007年滑坡又经历2次较大规模活动。然而,对于1965年烂泥沟滑坡前兆和2个序次活动的成生关系、此后滑坡活动特征,尚无定论;对滑坡现今状态尚不清楚。本文基于多时相、多源遥感卫星影像及近期无人机测量和现场调查数据,对上述问题进行了分析。研究发现,1965年滑坡前,滑源区北侧山体表开裂明显;1965年11月22日、23日2次滑动为北、南两侧山体分别滑动;其成生关系是:北侧山体沿倾向坡外结构面高位剪出,高速冲向南侧山坡,受其冲击,南侧山体次日沿倾向坡外结构面高位、高速滑出,第一序次滑动规模远大于第二序次;高速运动的部分滑坡碎屑流从流通区北侧山坡飞跃通过、且铲刮冲击强烈,滑坡碎屑流最远运动至烂泥沟与普福河交汇处向东2.8 km;1991年滑坡滑源区紧邻1965年北侧滑坡滑源区的西侧边界,滑坡碎屑流终止于沟道中段;2007年滑坡滑源区位于1991年滑坡滑源区上部,滑坡碎屑流运动距离略小于1991滑坡碎屑流。目前,滑源区西北侧、西南侧山坡上地表开裂明显,西北侧山坡上其中一条裂缝扩展速率约16.7 m/a,西南侧山坡上裂缝扩展迹象不明显。因此,西北侧山坡显示再次滑动之势,须引起关注。
基于圆弧主应力迹线的黏性土主动土压力分析
王佳宇, 曹文贵, 王雨波, 张慧姐
2021, 48(6): 81-88.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103006
摘要(39) HTML(28) PDF (3870KB)(23)
摘要:
墙背粗糙导致墙后土体应力方向发生偏转,目前,黏性土中考虑土体应力方向偏转对土压力影响的研究较少。为此,本文首先在探讨墙后土体主应力偏转规律的基础上,采用沿主应力迹线分层形成曲线薄层单元。然后,通过分析曲线薄层单元的受力情况,建立曲线薄层单元的静力平衡方程,推导出平动模式下黏性土体土压力沿墙高分布的公式,进而获得黏性土土压力分析新方法。最后,将本文方法与实测结果和现有理论进行对比验证和参数分析,验证本文方法的可靠性和合理性。研究结果表明:考虑墙土摩擦效应的计算结果更能准确反映黏性土体土压力沿墙高的分布规律;土压力大小随黏聚力增大而减小;随着墙土摩擦角的增大,土压力合力逐渐减小,作用点高度缓慢升高。
干湿过程中膨胀土最大剪切模量及其预测
陈伟, 孙德安, 张俊然
2021, 48(6): 89-96.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012033
摘要(39) HTML(50) PDF (3800KB)(32)
摘要:
为了研究膨胀土在天然环境下的动力特性,本文利用装有弯曲元的三轴仪对南阳膨胀土原状样和重塑样进行了最大剪切模量的测试试验。试验包括在不同围压下的饱和原状南阳膨胀土最大剪切模量测试;将初始干密度相近的原状样和重塑样分别进行脱湿和吸湿,量测整个过程中最大剪切模量的变化,并结合孔隙比进行分析。试验结果表明:饱和南阳膨胀土的最大剪切模量随着围压增大而增大;脱湿过程中南阳膨胀土最大剪切模量与含水率关系曲线要高于吸湿过程的曲线,即最大剪切模量与含水率关系存在滞回特性,这主要是吸力作用的缘故;初始干密度相近条件下原状样的最大剪切模量比重塑样的要小,这是由于原状样内部存在较多大孔隙。本文最后对饱和土最大剪切模量公式进行改进,使之适用于非饱和原状南阳膨胀土最大剪切模量的预测。
基于离散元法的砂石混合体直剪试验结果分析
苏永华, 王栋
2021, 48(6): 97-104.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012029
摘要(55) HTML(13) PDF (4826KB)(27)
摘要:
砂石混合体由力学性质以及结构相差极大的材料组成,其组成的重塑地层易发生塌陷等问题,因此对砂石混合体力学特性的研究具有重要的工程意义。砾石形状是砂砾石力学特性研究的重要属性参数,但采用规则图形对砾石进行描述不能反映出其真实的力学性质,采用数字图像处理技术构建的砾石数据库能反映砾石真实形状并可对特定形状参数进行具体分析。由于砂石混合体的粒径分布较广,采用特征粒径等无法描述整体粒度分布,故本文结合分形理论构建砂石混合体的二重分形结构模型,通过粒度分维值反演出完整的级配分布曲线。考虑到砂石混合体离散型的特点,采用离散元软件进行直剪试验数值模拟并对细观结构进行分析,研究结果表明,砂石混合体一般具有2个粒度分维值:砂粒度分维值和砾石粒度分维值,砂、砾石粒度分维值越接近,抗剪强度和内摩擦角越大;当两者相等时,砂石混合体具有一重分维,此时均一性最好,抗剪强度和内摩擦角最大;轴向系数是形容砾石形状的一个重要参数,随着轴向系数的增加,砾石显示出明显的条状性,在直剪试验中抗转动能力增强、周围接触数量增加,导致抗剪强度和内摩擦角不断增加。
利用原子力显微镜探针刺入测试黏土颗粒水化膜厚度的试验研究
郭永春, 屈智辉, 许福周, 周相贵
2021, 48(6): 105-112.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012060
摘要(44) HTML(36) PDF (3503KB)(37)
摘要:
黏土颗粒水化膜厚度问题是泥质膨胀性岩土膨胀机制研究的理论基础。关于黏土颗粒水化膜厚度测试资料较为丰富,但通过原子力显微镜测试黏土颗粒水化膜厚度的研究成果还较为少见,且在测试方法方面尚不完善。基于3层水化膜结构模型和原子力显微镜测试技术,通过对蒙脱石粉末、泥岩粉末、泥岩岩片3种样品的测试研究,提出了水化膜厚度刺入式测试方法、粉末样和岩石样的制样方法、试验数据的统计处理方法。总结了水化膜厚度测试曲线自由水段、弱结合水段、强结合水段、黏土颗粒段的变化规律。通过和既有研究成果的对比分析,论证了原子力显微镜刺入测试黏土颗粒水化膜厚度的合理性与可行性。结合工程实践,探讨了定量化获取水化膜厚度在理解泥质膨胀性岩土膨胀机制方面的工程意义和理论价值。
某机场飞行区土工格栅加筋高边坡优化设计
廖鸿, 徐超, 杨阳
2021, 48(6): 113-121.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012015
摘要(18) HTML(4) PDF (6259KB)(11)
摘要:
土工格栅加筋土边坡是一种新型的边坡支护结构,对于提高边坡稳定性、节约工程用地、保护生态环境意义重大。为了对机场加筋高填方边坡加固方案进行优化设计,本文以某机场跑道西北角的6#高填方边坡为例,首先基于边坡的地质条件和高填方边坡的实际情况,提出3种不同边坡坡率的加筋土边坡设计方案;其次采用简化Bishop法、Spencer楔形体法以及Morgenstern-Price法分别计算在天然、暴雨以及地震工况下的边坡稳定系数;最后利用有限元法分析3种加固方案下的加筋土边坡在天然工况下的变形特征以及筋材轴力分布规律。结果表明:3种设计方案在天然、暴雨以及地震工况下均能满足边坡稳定性要求,贴坡填筑的多级加筋土边坡的筋材轴力分布规律沿着竖向呈现锯齿状分布,最大筋材轴力在每级边坡的坡脚处突变增大。与加筋土缓坡(坡率1∶1.5)设计方案相比,加筋土挡墙(坡率1∶0.25)在坡高、筋材使用量、护坡面积以及挖填方量等方面均有明显减小。综合考虑稳定性、工程造价以及施工周期,采用加筋土挡墙的设计方案更合理。
基于扫描电镜图像和微观渗流模型的云冈石窟砂岩风化特征分析
汪军, 徐金明, 龚明权, 王亚磊
2021, 48(6): 122-130.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202101022
摘要(44) HTML(5) PDF (4010KB)(39)
摘要:
风化作用、岩石微观结构、岩石微观渗流特性定量关系的研究是石窟文物有效保护的重要基础,砂岩风化作用严重影响了岩体上石窟文物的有效保护。本次研究使用扫描电镜(SEM)获得云冈石窟不同窟体砂岩的微观图像,根据图像增强和图像分割技术得到了岩石中颗粒和孔隙的数字特征参数,从微观角度建立了反映孔喉连接特性的渗流模型,得到了不同窟体岩石的局部水力传导系数,分析了数字特征参数、水力传导系数、风化作用之间的关系。结果表明,风化作用对石窟砂岩微观结构具有很大影响;砂岩孔隙平均长轴长度大小对应的风化程度分别是全风化或强风化、中等风化、微风化或未风化,长度分别为大于40 μm、25~35 μm、15~25 μm;风化程度越高、水力传导系数越大,随着风化程度的增高、水力传导系数的范围为1 × 10−9~1 × 10−4 cm/s;水力传导系数与孔喉尺寸、孔喉连通性密切相关;孔喉半径比增大时、水力传导系数也增大。
北京不同区域明挖基坑地表沉降变形特征研究
张建全, 张克利, 程贵方
2021, 48(6): 131-139.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202101018
摘要(54) HTML(14) PDF (3804KB)(29)
摘要:
基于近年北京地区不同区域大量明挖基坑工程地表沉降实测数据,利用理论计算与回归分析方法,对预测地表沉降的典型曲线“四点折线法”及其模型参数(斜率K及截距b)进行了反演分析,获得了不同区域地质条件下明挖基坑地表沉降预测经验参数;通过对沉降数据及经验参数的统计分析,总结了地表沉降区域变化规律,明确了参数的取值范围,并利用实测数据验证了经验参数的预测精度。结果显示:北京西部区域最大沉降点距离围护结构的水平距离相对中、东部偏大,约为基坑深度的30%,中、东部区域相对较小,均约为基坑深度的26%;地表沉降曲线形态随着区域地质条件不同而不同,四点折线图第一段直线AB的斜率K的绝对值由西向东依次增大,表明东部粉细砂地层比西部砂卵石地层沉降坡度更加明显,第二段直线BC的斜率K的绝对值东部区域比西部区域反而较小,这表明东部区域的沉降影响范围较大;参数bAB绝对值均值由西向东依次增大,表明东部粉质黏土、细沙层相对西部砂卵石地层的桩侧土体沉降值更大,约为最大沉降值的31%,中部区域为21%,西部区域仅为16%。该研究成果将为本地区明挖基坑工程地表变形预测和安全风险控制提供重要的参考依据。
碎屑集合体撞击与停积过程的运动学特征研究
刘世涛, 程谦恭, 林棋文, 姚志勇, 孙先锋, 邓凯丰, 刘道胜, 王进华
2021, 48(6): 140-150.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202009025
摘要(38) HTML(16) PDF (4614KB)(7)
摘要:
青藏高原高山峡谷区常发育崩滑碎屑流,这种灾害具有发育边坡高陡、碎屑流高能且坡脚撞击剧烈等特点。为了解这种碎屑流的运动规律及其堆积特征,设计并建立了自由下落的碎屑集合体撞击与停积过程的模型实验装置。考虑撞击过程对碎屑流运动和堆积的影响,获取不同粒径大小、体积、下落高度条件下,碎屑集合体的运动与堆积图像和定量化数据,并据此观察分析碎屑流的运动规律和堆积特征。主要结论如下:(1)碎屑集合体底部首先撞击地面,随后颗粒挤压形成剪切面,颗粒在剪切面上进行扩散运动并最终堆积。(2)撞击阶段,颗粒之间显著的动量传递作用致使碎屑集合体前缘颗粒运动速度较快、距离更远,并产生离散堆积现象。(3)自堆积重心至边缘,碎屑集合体的堆积厚度逐渐减小;堆积形态在运动初期呈近圆形,最终形态呈近菱形;运动中的力学过程导致出现横向脊和X型共轭脊现象。(4)碎屑集合体的粒径越小,体积越大,其主体运动距离、主体覆盖面积越大以及运动速度越快;体积与最大堆积厚度呈正相关关系;下落高度越小,其最大堆积厚度越大,运动速度越慢,与主体覆盖面积大体上呈负相关关系。(5)体积条件对碎屑集合体的堆积特征影响最大,粒径大小其次,下落高度影响最小。该研究可为川藏铁路沿线的工程结构设计及碎屑流的防治工作提供理论基础。
降雨诱发直线型黄土填方边坡失稳模型试验
陈林万, 张晓超, 裴向军, 张硕, 龚伟翔, 钟玉健
2021, 48(6): 151-160.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202010041
摘要(126) HTML(9) PDF (4081KB)(20)
摘要:
近年来,随着“治沟造地”和“固沟保塬”等工程在黄土高原的陆续开展,出现了许多直线型黄土填方边坡。降雨是诱发边坡失稳的重要因素,但对降雨诱发直线型黄土填方边坡变形演化特征和破坏模式的研究较少。以直线型黄土填方边坡为研究对象,通过传感器监测、三维激光扫描和人工降雨,开展室内降雨模型试验,记录了降雨入渗下边坡内部水文响应特征和边坡失稳破坏过程,并对湿润锋、土颗粒运移、坡体内部变形响应、裂缝演化特征及破坏模式进行了分析。试验结果表明:随着降雨入渗,湿润锋达到后,体积含水率增加,并在峰值后保持稳定,而基质吸力则减小,到达最低点后保持稳定。冲沟对填方边坡的影响较大,它的发育改变了坡体内含水率特征,同时也是控制边坡整体滑动的边界;边坡变形响应区域主要是以填方边坡前缘堆积区和后缘滑塌区为主;裂缝演化方向由边坡前缘向后缘发展,它的发育为雨水入渗提供优势通道,同时也加剧边坡的变形破坏;降雨形成的水动力驱使坡体中细颗粒从填方边坡后缘向前缘流失,减弱了土体颗粒之间的胶结能力,使其抗剪强度降低,进而使边坡失稳破坏。因此,在降雨入渗下,直线型黄土填方边坡的变形破坏模式为:坡顶冲沟破坏、坡脚软化→局部牵引坍塌、整体失稳→块体分割、流滑破坏。研究结果可为直线型黄土填方边坡的工程建设和滑坡灾害防治提供理论参考。
双重变异遗传算法及其在临界滑动面搜索中的应用
覃伟
2021, 48(6): 161-170.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202011032
摘要(23) HTML(8) PDF (3860KB)(5)
摘要:
针对传统的优化算法难以在具有变量多、约束条件复杂、局部极值点多的边坡临界滑动面搜索中取得较好效果的问题,提出双重变异遗传算法(DMGA)。一方面,该算法通过探测变异操作提升算法的局部寻优能力,通过直接变异操作提升算法的全局寻优能力,两者的结合使算法能够在搜索的广度与深度上达到较好的平衡;另一方面,算法采用考虑个体适应度值与进化代数的自适应交叉概率及自适应变异概率,使算法在进化的早期能够增加种群的多样性,在进化的后期能够保护较优的个体不受破坏。将该算法与简化Bishop法相结合,对澳大利亚计算机应用协会(ACADS)提供的考核题及一个海堤边坡工程实例进行分析,计算结果表明:(1)对于均质边坡和非均质边坡,该方法均能准确搜索到边坡的临界滑动面及相应的安全系数;(2)与仅进行直接变异或探测变异的遗传算法相比,双重变异遗传算法具有更强的全局搜索能力及更好的鲁棒性,具有广阔的应用前景。
基于无人机的滑坡地形快速重建与稳定性分析
张欢, 巨能攀, 陆渊, 万勋, 蹇志权
2021, 48(6): 171-179.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202008010
摘要(66) HTML(14) PDF (15542KB)(46)
摘要:
对滑坡进行快速准确的定量化调查评价可以为滑坡应急处置提供科学依据。无人机航摄系统以其机动灵活、响应迅速等特点,日益成为地质灾害调查的可靠手段。以册亨平庆组滑坡为例,将无人机摄影测量技术应用于滑坡的调查中,总结出一套基于轻型无人机航摄技术的边坡快速调查与定量评价方法:首先通过多种软件建立高精度三维地质模型,使用有限差分软件进行数值模拟;然后对滑坡变形机制进行分析,并对滑坡稳定性进行评价。研究结果表明:(1)通过Global mapper、Pix4Dmapper、Rhinoceros等软件对无人机采集数据进行处理并建立三维计算模型,具有简便、快捷、可靠的特点;(2)以无人机航摄为核心的滑坡调查评价,能将传统地质的定性分析和数值模拟的定量分析有效结合,为后续应急处置提供有力的依据及数据支撑;(3)册亨平庆组滑坡是在降雨条件下由坡体自重应力作用引发的蠕滑-拉裂式滑坡,调查时滑坡已启动,地面裂缝有加速扩展的趋势。
舟曲江顶崖滑坡的早期判识及风险评估研究
韩旭东, 付杰, 李严严, 王高峰, 曹琛
2021, 48(6): 180-186.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104028
摘要(38) HTML(13) PDF (3629KB)(27)
摘要:
如何提前判识滑坡变形并对其进行早期风险评估已成为地质灾害防治领域的研究热点。文章以舟曲白龙江流域江顶崖堆积层滑坡为反分析案例,进行了滑坡变形早期判识及风险评估综合研究,提出了小基线集雷达干涉(SBAS-InSAR)技术解译分析、地质-力学联合分析、动力过程数值模拟分析三者相结合的滑坡变形早期判识与风险评估全流程分析模式。基于SBAS-InSAR技术解译能够准确地判识江顶崖滑坡的分布范围及早期形变特征,江顶崖滑坡的变形破坏模式为牵引式,滑坡体长度约680 m,宽度约210 m。基于早期识别信息,地质-力学联合分析表明:江顶崖滑坡为典型的老堆积层滑坡,前缘局部变形,破坏模式为牵引式,滑坡体平均厚度约35 m,滑床整体坡度较缓,失稳后运移速度不大。选取符合江顶崖滑坡体滑移摩擦特征的库伦摩擦模型,基于深度积分连续介质方程,分析计算滑坡体的动力学过程,结果表明:滑坡体滑移速度不大,最大值约为2.2 m/s,运动方式表现为推挤白龙江河道,堵江可能性较小,并且江顶崖滑坡体前缘错动完成后,该滑坡体滑移速度从前缘到后缘快速降为0,表现为牵引式运动特征。本次分析结果与实际相符,吻合度较高,采取的综合分析方法及研究模式可用于舟曲白龙江沿岸类似滑坡的早期判识及风险评估。
德钦县城直溪河泥石流成灾模式及运动过程模拟
王俊豪, 管建军, 魏云杰, 高培强, 梅傲霜, 张东伟
2021, 48(6): 187-195.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202107017
摘要(36) HTML(17) PDF (5927KB)(22)
摘要:
云南省德钦县曾多次暴发较大规模的泥石流,是云南遭受地质灾害最严重的地区之一。根据直溪河泥石流的分区、物源、流体和堆积等特征,首先确定了直溪河泥石流的5种成灾模式:崩塌-碎屑流、岩质滑坡-碎屑流、土石混合体滑坡-碎屑流、松散堆积层-基岩接触面滑坡-碎屑流和松散堆积层内滑坡-碎屑流;其次,采用FLO-2D模型对直溪河在10年、20年、50年和100年一遇暴雨周期下发生泥石流时的运动情况进行模拟,定量分析了不同降雨重现期的最大流速、最大堆积深度、冲出沟口堆积距离和体积规模。结果表明:该泥石流暴发时具有启动加速度大、流速快、破坏力强、流通区长的特点;当100年一遇的泥石流发生时,其最大流速达到了3.07 m/s;最大泥深为2.27 m;泥石流冲出方量为84419 m3;致灾面积达到91600 m2。研究结果可为直溪河泥石流灾害防治与治理提供数据参考,为德钦县防灾减灾工程设计提供依据。
环境地质与生态地质
新疆准东地区场地尺度二氧化碳地质封存联合深部咸水开采潜力评估
马鑫, 李旭峰, 文冬光, 罗兴旺, 刁玉杰, 杨国栋, 尹书郭, 曹伟
2021, 48(6): 196-205.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.20201043
摘要(84) HTML(30) PDF (7854KB)(55)
摘要:
二氧化碳地质封存联合深部咸水开采技术(CO2-EWR)被认为是有效的碳减排途径之一。在新疆准东地区率先开展CO2-EWR技术,可在实现CO2减排的同时获得咸水,在一定程度上缓解当地的水资源短缺问题,取得环境经济双重效益。以往研究大多以概化模型为主,缺乏工程实践依托,根据准噶尔盆地东部CO2源汇匹配适宜性评价结果,基于我国首个CO2-EWR野外先导性工程试验场地资料,构建拟选CO2-EWR场地西山窑组三维(3D)非均质模型开展了场地尺度CO2-EWR技术潜力研究。研究表明,拟选场地CO2理论封存量为1.72×106(P50)t,动态封存量为2.14×106 t。采用CO2-EWR技术可实现CO2动态封存量11.18×106 t,较单独CO2地质封存提升5.22倍,同时可增采咸水资源10.17×106 t,CO2采水比率为1∶0.91。同时,该技术可有效缓解因CO2大量注入引起的储层压力累积,提高CO2封存效率,增加咸水开采潜力。本研究可为新疆准东地区实施规模化CO2地质封存联合深部咸水开采工程提供理论依据和技术支撑。
考虑温度电动淋洗法去除污染软土中铬试验研究
郑佳挺, 刘立馗, 王爱骅, 王艳, 刘干斌
2021, 48(6): 206-212.   doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202010056
摘要(71) HTML(28) PDF (3347KB)(23)
摘要:
针对铬污染软土,自行设计了电动淋洗试验装置,开展了铬污染软土室内土柱淋洗试验,分析了试验过程中电流、电解质溶液pH的变化以及淋洗液种类、外加电压、温度对重金属铬去除特性的影响。结果表明:电动淋洗试验可以有效去除土壤中的重金属铬;相对于单一淋洗试验,用10 V电压强化淋洗试验显著提高了重金属铬去除效果,淋洗液为十二烷基苯磺酸钠(SDS)时Cr(VI)和Cr(总)去除效率是单一淋洗法的2.79,3.12倍。当电压为10 V,温度升高至45 ℃时,淋洗液为柠檬酸(CA)和草酸(OA)的各组试验表明Cr(Ⅵ)与Cr(总)去除率均相应提高;而淋洗液为十二烷基苯磺酸钠时的试验组中Cr(VI)去除率提高了5.84%,Cr(总)去除率降低了4.25%,表明升高温度使部分Cr(VI)还原成不易迁移的Cr(III);淋洗液为草酸的试验组中升高温度时Cr(Ⅵ)与Cr(总)去除率最高,分别达到了82.08%、77.57%,分别相应提高了27.65%、26.01%。电动淋洗试验后,铬污染软土土粒结构变得更紧密,土粒之间的孔隙减小且被填充的更加密实。

主  管:中国地质调查局

主  办:中国地质环境监测院

主  编:李文鹏

编  辑:《水文地质工程地质》 编辑部

出  版:  科学出版社

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