水文地质工程地质

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水循环与水平衡研究

李文鹏

2023, 50(6): 1-2.

摘要(81) HTML(26) PDF (2862KB)(74)

摘要:

多年冻土退化对冻结层上水变化的影响研究—以黄河源区为例

朱亮, 杨明楠, 刘景涛, 张玉玺, 李备, 周冰, 陈玺

2023, 50(6): 3-13. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202303060

摘要(102) HTML(28) PDF (4458KB)(37)

摘要:
冻结层上水是支撑寒区生态系统的重要水源和维持寒区水热循环过程的重要纽带，科学认识冻土退化对冻结层上水的影响作用，对气候变化加剧下高寒地区水资源及生态保护具有重要意义。针对黄河源区多年冻土退化的水文效应，基于典型监测点冻土地温、含水率监测数据和黄河沿水文站断面径流变化数据，分析黄河源区多年冻土退化特征，探讨冻结层上水水位埋深和补给过程对多年冻土退化的响应。结果表明：2010—2020年监测点0～2.4 m剖面上平均升温0.42 °C，多年冻土上界面埋深由2.1 m降至2.5 m，平均下降速率4 cm/a；以2018年为时间节点，冻结层上水埋深由0.9 m以浅降至0.9～1.8 m之间；冻土退化引起活动层融化期（5—10月）的径流过程提前、径流极值比降低、1月份径流过程线更加凸出。地温是控制冻结层上水变化的核心要素，在暖湿化的气候变化条件下，多年冻土退化将改变冻结层上水的动态特征及其与地表水之间的水力联系，进一步影响黄河源区的水文生态过程。

北洛河流域生态环境变迁及对水资源和水沙关系的影响

韩双宝, 王赛, 赵敏敏, 吴玺, 袁磊, 李海学, 李甫成, 马涛, 李文鹏, 郑焰

2023, 50(6): 14-24. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202305018

摘要(50) HTML(17) PDF (5174KB)(20)

摘要:
黄土高原地区水土流失严重，水资源短缺，生态系统脆弱，限制了该区域的社会和经济发展。针对人类活动将如何影响黄土高原水沙变化以及如何配置退耕还林还草面积的问题，目前尚缺乏定量分析和研究。以黄土高原渭河子流域北洛河流域为研究区，分析了北洛河流域近20 a降雨、径流、水资源量、产沙量和归一化植被指数的时空变化，建立了流域分布式水文模型，定量评价了退耕还林还草对水资源和水沙关系的影响，探索了不同决策条件下的最优退耕方案。结果表明：流域水资源总量、径流量、地下水资源量和产沙量呈现递减趋势，年均减少量分别为0.07×10⁸ m³、0.01×10⁸ m³、0.012×10⁸ m³、163×10⁴ t；归一化植被指数和降水呈现递增趋势，年均增加量分别为0.0064，0.65×10⁸ m³；生态环境变化导致径流量和产沙量减少，流域分布式水文模型模拟显示退耕还林还草或植被覆盖率增加会导致流域径流量和产沙量共同减少，但产沙量的响应更为敏感；综合考虑径流与产沙的影响，基于多目标优化提出了退耕还林还草面积的优化配置建议，最优退耕面积约为全部耕地面积的28.1%。本研究可为黄土高原地区生态环境建设、水土保持、水沙资源的合理利用提供决策支持。

京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别

白华, 杨会峰, 张英平, 孟瑞芳, 包锡麟, 戴磊, 李祥志

2023, 50(6): 25-40. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202305007

摘要(105) HTML(21) PDF (4233KB)(42)

摘要:
定量识别水平衡演变影响因素及其贡献是开展生态环境保护和水资源科学管理的前提。以往成果对人类活动中不同影响因子的归因识别与定量研究较少。在识别京津冀山区水平衡演变的基础上，采用双累计曲线法、径流变化定量分离法分析了降水变化和人类活动对水平衡演变的影响；分别选择涞源盆地、清水河小流域，分析了用水增加以及林业耗水增加对水平衡演变的影响。结果显示：（1）近65 a来，京津冀山区年降水量总体呈缓慢减少趋势，速率为0.97 mm/a，21世纪以来，年降水量有小幅增加趋势；（2）相比于1956—1979年基准期，1980—2000年降水变化和人类活动对天然径流衰减的影响程度分别为49.25%、50.75%，水土保持和植树造林是影响水平衡变化的主要人类活动因素，2001—2020年天然径流衰减的主要原因为人类活动，影响程度达到68.2%，其中地下水开采增加是主要人类活动因素，林业耗水量增加是重要人类活动因素；（3）山区水库蓄水及用水增加直接造成实际径流衰减，是造成平原区水平衡加剧的主要原因；（4）清水河小流域研究结果表明，在一定规模下，林地耗水增加与山区径流衰减呈正相关关系。林地面积增加对径流衰减的影响存在15～20 a的滞后性。林地面积达到23.48%后，林地耗水增加对天然径流产生了明显负作用，平均每增加1 km²林地，耗水量增加37.25×10⁴ m³/a，天然径流量衰减59×10⁴ m³/a，林地年均耗水增加量占流域天然径流衰减量的63.22%，表明林地面积增加起到水源涵养的作用，同时也造成了有效径流的减少。研究成果对开展京津冀山区生态环境保护、水资源科学管理以及水平衡调控具有重要意义。

新疆孔雀河流域地下水演化及其生态效应

龙睿, 张俊, 余堃, 顾小凡, 李瑛, 董佳秋, 苏潇, 朱瑾

2023, 50(6): 41-50. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202305032

摘要(73) HTML(22) PDF (4549KB)(32)

摘要:
近50 a，西北干旱内陆河流域经历了历史时期的水土资源过度开发和近期的生态保护修复的不同阶段，对区域地下水和生态环境产生了重要影响，但地下水长期演化规律及其生态效应认识尚不清晰。以新疆孔雀河流域为典型研究区，基于最新地下水监测数据与历史数据对比，分析流域地下水流场时空演化规律以及流域地下水对河岸带胡杨林的影响作用，探讨地下水长期演化的生态效应。结果表明：1971—2021年，孔雀河流域因过量集中开采地下水引起区域地下水流动系统发生根本性变化，地下水水位整体呈下降趋势，流域内累计降幅大于40 m的面积达204.69 km²，累计降幅20～40 m的面积为1735.81 km²，累计降幅5～20 m的面积为1018.56 km²，并形成地下水降落漏斗；生态输水前，中下游河道长时间断流，河岸带地下水水位埋深累计降幅超过10 m，导致河岸带胡杨林退化萎缩，2016年实施生态输水工程以后，埋深逐渐上升2～4 m，上升至胡杨林生长临界水位以上，2014—2018年天然胡杨林植被覆盖率增大17%。本研究有助于认识西北干旱内陆河流域地下水和生态环境演化规律，为类似区域地下水可持续开发利用与生态保护提供科学参考。

三江平原沼泽湿地和农田的演替过程对地下水的影响

崔虎群, 吴庭雯, 刘江涛, 刘伟坡, 李志红, 程旭学, 刘伟朋

2023, 50(6): 51-58. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202306022

摘要(32) HTML(16) PDF (3985KB)(12)

摘要:
三江平原是我国重要的商品粮基地和沼泽湿地集中分布区。60 a来，随着农田面积持续增加和种植结构调整，湿地退减和地下水水位下降备受关注，地下水是否超采争议不断。文章选取1956—2019年7期遥感影像数据，采用单一土地利用动态度进行沼泽湿地和农田的演变进程特征分析；以1980年、2019—2021年4期同期统测数据和国家地下水监测工程数据为基础，探讨了湿地农田化对地下水水位的影响。结果表明：（1）1956—2019年沼泽湿地呈现减少态势，旱田呈现先增加后减少的态势，水田呈现先增加后稳定的态势，在1956—1996年具有“沼泽湿地变旱田”的特征，2.36×10⁴ km²的沼泽湿地变成旱田，在1996—2019年具有“旱田改水田”的特征，1.15×10⁴ km²的旱田变成水田；（2）三江平原1980—2021年36 546 km²的区域地下水水位降幅小于5 m，3 669 km²的区域地下水水位降幅大于10 m，建三江垦区存在超采地下水现象；（3）与1980年枯水期地下水水位相比，以降深10 m计算，2021年地下水降落漏斗面积为3 669 km²，较2019年面积增大269 km²，向北东方向略有扩张；（4）2019年建三江垦区在强降水的条件下地下水仍难以实现“以丰补欠”的自然调节，地下水储量减少5.81×10⁸ m³。此研究成果为区域水平衡研究奠定了基础，对科学认识水土资源合理开发利用具有重要意义。

2023 年 6 期目录

2023, 50(6): 1-2.

摘要(36) HTML(20) PDF (349KB)(30)

摘要:

Q₂黄土湿陷系数试验压力取值的讨论

李同录, 冯文清, 刘志伟, 高建伟, 付昱凯, 雷雨露, 李萍

2023, 50(6): 59-68. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202211006

摘要(46) HTML(22) PDF (3582KB)(14)

摘要:
湿陷系数是评价黄土湿陷性的指标，由室内试验测定，湿陷系数与试验压力有关，一般情况下采用地基实际压力作为试验压力是最合理的，但考虑到实际压力在勘察阶段尚不确定，我国历代湿陷性黄土地区建筑规范或标准制定了试验压力的取值方案，先后有较大的调整。现行《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025—2018）对浅层马兰黄土的试验压力取值比较符合实际，而对较深Q₂黄土的试验压力取值还需探讨。以甘肃正宁华能电厂湿陷性黄土地基为例，对35.0 m深探井中的Q₂-Q₄黄土按1.0 m取样做了基本物理指标和双线法高压湿陷性试验，获得了各级压力下的湿陷系数。根据试验结果，给定不同基础宽度和不同基底压力，对比了按现行标准规定的压力和实际压力下的湿陷系数随深度的变化。分析结果表明：（1）湿陷系数随压力的变化存在一个峰值，Q₂黄土湿陷起始压力和湿陷系数峰值对应的压力明显高于Q₃黄土，Q₂黄土的湿陷系数峰值比Q₃黄土的小，且随深度有减小趋势；（2）现行标准规定压力下确定的湿陷系数和湿陷沉降在Q₃黄土中与实际压力下的比较接近，在Q₂黄土中与实际压力下的随深度偏离越来越远；（3）为此提出了一个试验压力的修正方案，用修正的试验压力确定的湿陷系数和湿陷沉降与实际压力下的值较为接近。研究结果对黄土湿陷性评价具有一定的工程意义。

冻融岩石蠕变特性及孔隙结构演化特征研究

宋勇军, 孟凡栋, 毕冉, 张琨, 张君

2023, 50(6): 69-79. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202211026

摘要(63) HTML(26) PDF (5491KB)(21)

摘要:
寒区露天岩体面临着循环冻融和长期荷载共同作用引起的时效性损伤的考验。为探究寒区环境对岩体稳定性的影响，以陕北某工程的红砂岩为研究对象，从冻融岩石的宏观蠕变特性及细观结构的演化特征着手，通过冻融岩石的加卸载蠕变试验，并配合核磁共振检测，对冻融红砂岩蠕变过程中的宏观力学指标及细观参数的演化进行定量分析。结果表明：应力水平在0.3σ_ucs～0.5σ_ucs时，孔径分布在一个较小范围内波动，当应力水平增高至0.5σ_ucs～0.6σ_ucs时，小孔（横向弛豫时间T₂<10 ms）占比下降，大孔（T₂>10 ms）占比上升；冻融加剧了蠕变阶段孔隙度的增长，高应力水平下冻融对孔隙度增长的影响更为显著。引入分形理论表征孔隙结构的复杂程度，发现大孔有明显分形特征，而小孔分形特征不明显，总孔分维D_T与孔隙度呈正相关；孔隙结构的复杂程度仅在孔隙度较大时才明显影响岩石的蠕变力学特性。建立了有关冻融作用影响及蠕变损伤的冻融-损伤蠕变模型，模型曲线可以很好地反映冻融岩石的蠕变破坏特征，且与试验曲线吻合良好。本研究可为冻融环境下的岩体工程建设提供理论依据。

纳米硅基固沙材料加固机理及抗冲蚀试验研究

袁进科, 裴钻, 杨森林, 余浩, 胡孝洪, 刘海

2023, 50(6): 80-89. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202210019

摘要(36) HTML(18) PDF (5315KB)(18)

摘要:
为了减少荒漠化地区沙坡在降雨冲蚀作用下坡体坍塌、水土流失的发生，以西藏雅鲁藏布江河谷分布的沙质边坡为研究对象，提出采用自主研发的纳米硅基固沙材料（nano-silicon/polymer composites，NSPC）对沙坡坡面进行防护。针对NSPC固沙材料加固沙体作用效果尚不明确，基于红外光谱、黏度测试、接触试验以及模拟沙坡降雨冲蚀试验，探讨NSPC固沙材料加固沙体的作用机理，研究降雨作用下NSPC固沙材料加固沙体的抗冲蚀能力。试验结果表明：NSPC固沙材料与沙粒通过聚合、胶结作用相互交叉缠绕、联结形成立体网状结构，从而达到加固沙体的目的；NSPC固沙材料的流变性在初始1 h内属于宾汉流体，后期逐渐转变为牛顿流体；NSPC固沙材料表面张力为60.31 mN/m，与沙体接触角为48.6°，黏附力为0.040 N/m，因此具有较强的入渗能力；沙坡表面形成的加固层对雨水冲蚀具有较强的阻滞效果，并且加固层还具有一定的保水能力。本研究可为NSPC固沙材料在荒漠化地区固沙防护工程中的应用及推广提供试验支撑。

基于改进LCPC测试方法的盾构隧道土体磨蚀性试验

杨志勇, 朱俊伟, 杨星, 邵小康, 江玉生, 王允龙

2023, 50(6): 90-98. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202211036

摘要(42) HTML(17) PDF (7597KB)(13)

摘要:
法国桥梁道路实验室磨蚀性（Labroatoire Central de Ponts et Chaussées，LCPC）试验是测试土体磨蚀性的一种常用方法，但现有LCPC试验在评估盾构隧道土体磨蚀性时存在土体颗粒有效破碎率高、测试过程中颗粒级配变化较大等问题。鉴于此，采用圆形测试钢片替代原有矩形测试钢片，并进行对比试验。结果表明：改进后的圆形测试钢片比原有矩形测试钢片导致的土样颗粒有效破碎率大幅降低，提高了土样在LCPC试验过程中颗粒级配的稳定性；改进后的圆形测试钢片在测试过程中的磨损以磨粒磨损为主，有效剔除了冲击磨损，更符合盾构隧道工程特点；在以磨粒磨损为主时，2种测试条件下的磨损指数（LCPC abrasivity coefficient，LAC）值换算关系为LAC_矩=0.93LAC_圆，其中LAC_矩为矩形钢片测试条件下的LAC值，LAC_圆为圆形钢片测试条件下的LAC值；改进后的试验方法准确评估了北京地铁19号线右安门外站—牛街站区间和大兴国际机场线3#风井—草桥站区间的圆砾卵石地层的磨蚀性。本研究对于提高LCPC试验方法评价盾构隧道土体磨蚀性的准确性提供了重要途径。

基于统一状态参数模型的砂中柱孔扩张分析

刘贯飞, 雷胜友

2023, 50(6): 99-111. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202210044

摘要(35) HTML(15) PDF (4830KB)(3)

摘要:
目前关于不同初始状态砂土砂中柱孔扩张的研究结果还缺乏更深层次的分析，并且由于没有考虑砂土屈服面形状因素的影响，造成许多研究成果难以在不同类型砂土中推广。采用统一状态参数模型（clay and sand model，CASM）和Rowe剪胀方程来描述砂的弹塑性变形特点，结合大变形理论并引入辅助变量，推导了基于拉格朗日描述的弹塑性区内砂土体积和有效应力的一阶偏微分方程组，在此基础上结合弹塑性区的边界条件和柱孔扩张弹性解，建立了饱和砂中的排水柱孔扩张半解析解。结果表明，CASM可以通过改变应力状态参数n和间距比r^*的值使砂的屈服面形状发生改变，进而使文中解答能够用于不同类型饱和砂中的排水柱孔扩张计算，其中n、r^*值越大，松砂初次屈服时的偏应力和后续砂中的扩孔压力越大，但中密、密实砂土中的情况与松砂完全相反。极限扩孔压力随砂土初始状态参数的减小而增大，相应的砂土体积也从一直剪缩变为先剪胀后剪缩，弹塑性区半径先减小后增大，硬化行为从一直硬化变为先软化后硬化。静止侧压力系数增大时，极限扩孔压力也增大，但对砂的体积变化规律影响不大。本研究可为相关岩土工程问题分析提供可靠理论支持。

微扰动四轴搅拌桩数字化施工应用研究

杜策, 张振, 张力, 周振

2023, 50(6): 112-119. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202210017

摘要(64) HTML(16) PDF (4332KB)(11)

摘要:
针对水泥土搅拌桩施工过程中数字化程度低、桩体质量难控、施工数据无法回溯等问题，以微扰动四轴搅拌桩为依托，研发了数字化搅拌桩施工云平台，云平台由数字化施工控制系统、云服务器和交互平台组成，实现成桩过程数据的实时追踪与反馈。通过数字化施工云平台，施工前输入同地层匹配的成桩参数，实现了变参数的自动化施工；输入与钻头提升速度相匹配的钻杆转速，控制搅拌次数大于规范要求值；输入地内压力控制阈值，实现施工过程中对地基土的微扰动，实测土体侧向位移和地表隆起均控制在毫米级范围；通过钻头垂直度实时监测，桩体垂直度可达到1/250；通过管理云平台,实现参建各方对施工质量的动态管控。研究成果对于全面提升搅拌桩施工质量和软基施工数字化水平具有重要的实践意义。

基于正交试验的不同胶结强度Bimrock岩体力学特性试验研究

吴迁, 魏继红, 刘刚, 施威, 李凯

2023, 50(6): 120-128. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202210014

摘要(22) HTML(13) PDF (7784KB)(5)

摘要:
Bimrock在不同胶结强度下的力学特性鲜有研究，而胶结强度对Bimrock力学特性和变形破坏特征有着重要影响。为探究不同胶结强度对Bimrock力学特性的影响规律，通过正交试验设计法，开展Bimrock基质配比试验，对不同配比基质试样的强度力学参数进行参数敏感性分析，基于正交试验结果，制作不同胶结强度的Bimrock试样，通过单轴压缩试验，分析不同胶结强度对Bimrock力学特性的影响。结果表明：Bimrock试样的单轴抗压强度和弹性模量与其胶结强度呈正相关，从弱胶结到强胶结，单轴抗压强度从11.02 MPa增加到34.21 MPa，弹性模量从2.11 GPa增加到5.57 GPa；随着胶结强度的增加，试样在变形至破坏的各阶段表面裂纹数量均减少；强胶结试样的压缩破坏模式表现为单条主裂纹的贯通破坏，破坏时间较短，脆性破坏明显；中等胶结试样发生整体与局部剪切破坏，表现为一条明显贯穿整个试样和一条仅贯穿试样下半部分的剪切破坏面；弱胶结试样发生横向拉张破坏，可见多条沿竖直方向的张拉裂纹，局部出现张剪破坏并存的破坏特征，从变形到破坏产生的裂纹较多且较为破碎，破坏时间相对较长。Bimrock岩体工程问题复杂而且较难处理，针对Bimrock力学特性与变形破坏特征的研究对工程建设以及地质灾害防治有重要意义。

基于RHT本构的隧道爆破参数优化与振动损伤数值研究

汪大为, 王志亮, 汪书敏

2023, 50(6): 129-136. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202210009

摘要(50) HTML(25) PDF (4684KB)(4)

摘要:
为了解决爆破参数优化问题以及考虑炮孔间相互作用对围岩损伤空间分布的影响，先利用数值试算与冲击试验相对照的方法，标定出大理岩Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型参数。接着，对隧道全断面爆破开挖开展模拟计算，考察了多炮孔间相互作用下围岩爆破损伤演化过程。最后，基于起爆顺序、径向不耦合系数和分段间隔装药3种方法来优化爆破参数，并对质点振动和围岩损伤进行了深入分析。结果表明：标定所得的本构参数可准确描述大理岩动态应力-应变响应，且模拟结果能很好地揭示爆破损伤演化规律；岩石损伤从爆心处向外发展，随后在炮孔连线上连接贯通；相比于上述其他2种方法，当径向不耦合系数k小于1.33时，在保证爆破效果前提下改变k值能有效地降低围岩的爆破损伤；隧道竖向平均振动速度要大于水平向的对应值，且竖向拱顶和底板中部对爆破振动呈现较高的敏感性。研究结果为工程实践中爆破参数优化选取和围岩损伤精确评估等可提供参考。

汉阳陵K21号外藏坑裂隙调查及稳定性研究

秦立科, 王琦, 段晓彤, 郭斌, 庞磊, 白延

2023, 50(6): 137-146. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202210024

摘要(190) HTML(40) PDF (5863KB)(104)

摘要:
汉阳陵博物馆位于陕西省咸阳市，是我国也是全世界首座全封闭地下博物馆，其外藏坑的裂隙病害发育，严重危及坑壁和坑底文物安全，迫切需要保护和加固。以往对露天和半封闭环境下遗址病害及防治研究居多，而对全封闭环境下的研究鲜有报道。以汉阳陵K21号外藏坑为研究对象，首先通过现场调查确定裂隙数量和分布特征，在此基础上研究裂隙产生的原因并进行分类，通过数值模拟方法对坑壁稳定性及影响因素进行分析。研究结果表明：K21号外藏坑共53条裂隙，主要分布于南、北侧地表和坑壁，地表纵向裂隙为卸荷裂隙，地表横向裂隙为干缩裂隙，坑壁裂隙主要为构造裂隙；纵向卸荷裂隙是坑壁稳定性降低的主要原因，无论是地震、人为荷载还是裂隙进一步发育都将导致坑壁发生失稳。建议采用锚杆对坑壁进行加固，通过施加预应力对卸荷裂隙进行复位和预紧。该研究对馆藏遗址裂隙病害调查与保护具有重要的指导意义。

切割斜坡断层的几何形态对斜坡地震响应影响研究

王志民, 罗刚, 王媛, 胡卸文, 陈仕阔

2023, 50(6): 147-157. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202209030

摘要(54) HTML(30) PDF (4191KB)(37)

摘要:
与一般重力环境的滑坡相比，地震诱发滑坡在形成机理、运动特征等方面差异显著。天然和降雨条件下，断层破碎带作为边坡的不连续结构面，往往对斜坡的稳定性产生不利影响。而在地震作用下，边坡内部的断层破碎带存在一定的滤波作用，有可能减弱边坡的地震动响应。为了探究逆断层几何形态对边坡地震动响应的影响，以汶川地震中牛眠沟滑坡、窝前滑坡、谢家店子滑坡及东河口滑坡为研究对象，概化出断层切割型斜坡的地质模型，利用3DEC离散元软件对不同断层破碎带宽度、倾角、位置情况下的斜坡地震动响应进行模拟。模拟结果表明：（1）随着断层倾角增大，斜坡总位移峰值和坡面加速度峰值表现出增大的趋势，斜坡更易失稳；（2）坡顶监测点的峰值加速度一般大于坡底与坡腰的值，随着断层破碎带宽度增大，对斜坡地震动响应的直接影响愈加明显；（3）断层的存在会增加斜坡失稳的可能性，断层位于坡顶时斜坡地震动响应随断层倾角和破碎带宽度变化的规律性更明显。本研究可为深入揭示地震作用下断层破碎带对斜坡稳定性的影响提供理论依据。本研究可为深入揭示地震作用下断层破碎带对斜坡稳定性的影响提供理论依据。

裂隙性黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验研究

张卜平, 朱兴华, 孙恒飞, 蔡佳乐, 程茜

2023, 50(6): 158-167. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202209052

摘要(56) HTML(17) PDF (6060KB)(19)

摘要:
黄土台塬边缘裂隙性黄土中洞穴形成机理复杂，且与滑坡、崩塌等地质灾害的发生具有紧密联系，给塬边人民的生产生活造成严重威胁。针对裂隙性黄土中潜蚀洞穴如何形成这一科学问题，以陕西省泾阳县南塬地区典型黄土潜蚀洞穴为试验参考，利用可视化裂隙性黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验装置，开展了4组不同初始裂隙开度条件下黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验。研究表明：黄土裂隙在水流潜蚀下向黄土潜蚀洞穴的发展过程可分为水力侵蚀阶段、浸润淘蚀阶段和重力崩塌阶段；裂隙性黄土潜蚀洞穴的形成机理可概括为软化崩解-冲刷扩宽-淘蚀临空-重力崩塌；潜蚀输沙量和泥沙输运特征反映了裂隙性黄土渗流潜蚀的发展速率，可分为快速潜蚀阶段、波动降低阶段和缓慢稳定潜蚀阶段；裂隙开度、黄土可蚀性和极限凹槽深度是裂隙性黄土潜蚀洞穴形成的重要影响因子。研究成果对进一步揭示黄土潜蚀的致灾效应提供理论支撑。

区块链技术在全国地质灾害风险预警系统建设中的应用探索

张鸣之, 杨飞, 马娟, 付正, 黄喆, 李俊峰

2023, 50(6): 168-174. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202302012

摘要(75) HTML(41) PDF (3492KB)(173)

摘要:
2019年以来，自然资源部全面推进普适型设备研发与地质灾害自动化监测预警工作，截至2023年6月，已在17个地质灾害重点防治省份的5.5万处隐患点推广应用，全国地质灾害风险预警系统也进入了快速发展阶段。目前，系统每日接收监测数据超千万，在海量数据存储管理、时序数据并行处理、大数据智能分析和多参数风险预警等方面取得积极进展。然而，系统在数据安全方面仍存在诸多挑战，尤其是在数据一致性、数据防篡改和系统可靠性等方面有较大提升空间。文章在系统研究区块链技术特点及其在相关领域典型应用的基础上，提出基于分布式账本技术和共识机制的“可信数据流”建立方法，依此形成“区块链+全国地质灾害风险预警系统”总体框架，同时建立了原型系统。实验数据显示改进系统可以解决省-部数据不一致问题，识别并阻止非法数据篡改，多节点故障情况下仍可保障系统稳定运行，系统总体性能损耗低于20%。研究成果可为区块链技术在各级地质灾害风险预警系统中的应用提供顶层设计思路与技术方法，对于提升全国地质灾害自动化监测网安全运行能力具有重要借鉴意义。

缺氧酸性条件下三价铁对锑释放的作用机制

唐雅宁, 王兴华, 王英男, 李小倩, 宋晓东

2023, 50(6): 175-183. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202212026

摘要(33) HTML(14) PDF (4054KB)(7)

摘要:
辉锑矿（Sb₂S₃）的氧化溶解是控制锑（Sb）从岩矿中释放进入水土环境并影响其迁移转化的首要过程。酸性矿山废水中的三价铁[Fe（III）]是矿区环境中广泛存在的天然氧化剂，然而Fe（III）对Sb₂S₃的氧化溶解与Sb的释放作用机制尚不明确。通过模拟黑暗缺氧酸性的矿山地下水环境，开展Fe（III）浓度与Sb₂S₃表面积比值（I）控制的Sb₂S₃氧化溶解动力学实验，结合S-Sb-Fe氧化还原作用产物的溶解态组成与固相表征手段，揭示Fe（III）对Sb释放的作用机制。结果显示：Fe（III）作用下Sb₂S₃的氧化溶解是一个产酸的过程，I值越大，Fe（III）对Sb释放的促进作用越明显。缺氧条件下，Fe（III）与Sb₂S₃发生氧化还原作用，主要产物是五价锑[Sb（V）]、硫单质[S（0）]和二价铁[Fe(Ⅱ)]，反应后矿物表面有S（0）和Fe₂O₃检出，阻碍了Sb₂S₃氧化溶解反应的持续进行。 I值一定时，低浓度的Fe（III）和溶解氧（DO）质量浓度的增加均会减少矿物表面S（0）的附着量，促进Sb释放量的增加；溶液中的Cl⁻通过配位络合效应会促进Sb₂S₃的溶解释放。缺氧酸性条件下Fe（III）与Sb₂S₃的作用控制着Sb的释放。研究结果可为矿山闭坑后地下水Sb污染防治提供重要的理论依据。

近海地下石油储备库海水入侵风险研究

曲建军, 曹彪, 宋大钊, 杨连枝, 何生全

2023, 50(6): 184-192. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202212006

摘要(28) HTML(13) PDF (7102KB)(8)

摘要:
地下石油储备库于近海处建立，可降低石油运输成本，同时有较强的军事意义。但是临近海岸线，海水易入侵库区，导致库区内金属结构腐蚀，使储备库的使用年限降低。以某近海地下石油储备库工程为背景，构建了综合断层、节理密集带、导水通道等15种地质结构的精细化三维水文地质模型，研究了库区自然状态下和运行期的地下水渗流场及溶质运移场，模拟海水入侵风险。研究表明：（1）自然状态下地下石油储备库无海水入侵。（2）运行期只在洞库顶部以上25 m处设置四周超出洞室50 m、水幕孔间距为10 m、孔径0.11 m的水平水幕时，不能有效防治海水入侵。（3）洞库运行9 a时，3#洞室东南侧Cl⁻物质的量浓度超过7 mol/m³，海水开始入侵洞室群；运行22~23 a时，海水入侵速率最快；运行41 a 时，3#洞室东南侧Cl⁻物质的量浓度超过143 mol/m³，海水入侵达到对钢筋的强腐蚀程度；运行50 a时，除1#洞室外其余所有洞室均受到海水入侵，3#、4#洞室有部分区域达到强腐蚀程度，海水入侵最严重。建议增设垂直水幕等设施，以增强对海水入侵的防治。研究成果可为近海地区地下石油储备库抑制海水入侵提供借鉴。

层理灰岩酸性溶蚀损伤特性试验研究

吴宗琴, 左双英, 王露, 李本云, 刘晶

2023, 50(6): 193-203. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202211077

摘要(33) HTML(14) PDF (3802KB)(9)

摘要:
碳酸盐岩在我国西南地区广泛分布，其溶蚀特性为工程建设带来不少阻力。为研究层状碳酸盐岩在酸性溶蚀条件下的溶蚀损伤规律，采用自制流动溶蚀系统对4种不同条件下的层理灰岩进行室内溶蚀试验，获得层理灰岩溶蚀后的质量损失、纵波波速变化量、溶液中Ca²⁺和Mg²⁺质量浓度、表面溶蚀带形态特征等状态指标。采用层理灰岩溶蚀前后质量损失率定义损伤变量，通过多元统计回归分析方法，建立起4个不同自变量（层理倾角、pH值、溶液流速、溶蚀时间）和溶蚀损伤变量之间的关系，结果表明：层理灰岩的溶蚀损伤与层理倾角、溶液pH值、溶液流速、溶蚀时间之间存在良好的数学关系；溶蚀时间对层理灰岩溶蚀损伤有显著影响，溶液流速和pH值次之；不同层理倾角的灰岩，相同酸性环境下溶蚀效应呈现出90°>0°>45°>30°>75°> 15°>60°的规律；层理倾角对灰岩溶蚀影响较其他因素小，但是对岩样表面溶蚀形态起到了决定性作用。研究结果可以为灰岩地区工程实践和地质灾害防治提供一定参考。

白洋淀湖泊原位蒸发试验研究

王晓燕, 尹德超, 王雨山, 吴斌, 安永会, 徐蓉桢, 王茜, 刘蕴

2023, 50(6): 204-212. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202211030

摘要(37) HTML(24) PDF (4567KB)(13)

摘要:
在生态环境脆弱和水资源短缺的雄安新区白洋淀，湖泊水面蒸发是其地表水主要排泄方式之一，研究湖泊蒸发对认识湖泊水循环、生态需水量评价及湖泊生态功能恢复等方面有重要现实意义和科学价值。然而白洋淀湖泊内蒸发实测资料有限，一般采用邻近陆地观测站数据折算或经验模型法估算其蒸发量，计算误差较大，不能准确描述白洋淀湖泊蒸发量。研究在白洋淀湖泊开展原位试验，在湖泊中心位置建立E601蒸发站和20 m²蒸发池观测蒸发量，并建立自动气象站同时监测气象数据，利用E601蒸发站和气象站数据使用相关分析和多元线性回归模型方法分析了蒸发与各气象因素之间的相关性，并将E601蒸发站观测数据与20 m²蒸发池观测数据及数值模拟结果进行了对比分析。结果表明，夏季白洋淀湖泊水面蒸发量日变化较剧烈，变化范围在0.4～6.6 mm/d，6月蒸发量最大，7—8月随降水增多蒸发量有所下降。夏季湖泊水面蒸发受太阳辐射和湿度 2 种因素影响较大。以20 m²蒸发池蒸发量作为湖泊水面蒸发量，观测期内E601蒸发站观测蒸发量高于湖泊水面实际蒸发量，通过当地蒸发折算系数折算后可更准确估算湖泊蒸发量。试验获得白洋淀湖泊内20 m²蒸发池与E601蒸发站蒸发折算系数约为0.98，较前人研究略偏大。研究结果可为白洋淀地区水面蒸发量计算提供基础依据。

基于兰州断陷盆地地热地质条件的石佛沟地热资源潜力评估

陈秀清, 王涛, 黄晓辉, 王宝玉

2023, 50(6): 213-224. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202306028

摘要(58) HTML(27) PDF (5324KB)(19)

摘要:
针对兰州石佛沟景区地热地质条件勘探研究程度较低，严重制约当地地热资源开发利用这一问题，在充分搜集整理已有资料的基础上，总结了兰州断陷盆地地热地质条件和热储特征，结合可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）探测结果，推断了盆地东部南段石佛沟的地热资源开发潜力。结果表明：（1）分别以深沟桥（F5）、雷坮河（F8）隐伏断裂为界，兰州断陷盆地地热地质条件具有明显差异性，可分为西部西固城区、中部七里河区、东部城关—石佛沟区；（2）平面上由西向东不同深度的热储温度呈增加趋势，垂向上2000～2500 m深度的地热增温率升高，可推断为兰州断陷盆地地热开采的基本深度；（3）东部南段的石佛沟景区潜存层状传导型地热和断裂带状地热资源，层状地下热水赋存于兰州断陷盆地南部边缘地段，断裂带状地下热水赋存于F2断裂破碎带或F2与F8断裂的交汇地段，据此推断在石佛沟景区可能存在层状和带状“复合型”地热水的富集地段。研究建议断裂带状热储层的地热水勘探开采井深度可按800～1100 m考虑，“复合型”层状热储层的勘探开采井深度可按1500～2000 m考虑；预测该地段地下热水井口出水温度可达50～60 °C，单井涌水量可达500～1000 m³/d，热水水质可达到医疗洗浴质量标准。结果可为当地地热资源勘探和开发利用提供依据。

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