ISSN 1000-3665 CN 11-2202/P
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砂井载荷浸水试验在深层黄土湿陷评价中的应用研究
潘登丽, 胡向阳, 赵成, 严耿升, 邵生俊
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202206006
摘要:
针对深层湿陷性黄土自重湿陷量室内试验结果不准确、测试黄土地基湿陷量的原位试验方法少等不足,基于已有的砂井浸水试验,提出了新的现场试验方法:砂井载荷浸水试验方法。其核心是井底地层在试验压力作用下沉降稳定后,利用井中砂砾石的强透水性,将水直接导入井底湿陷性黄土地层及砂井周围土体,使其快速浸水饱和,以此来测定砂井井底地层的湿陷量和砂井周围黄土的自重湿陷量。通过2组砂井载荷浸水试验,测试了不同压力和浸水条件下不同深度地层的湿陷变形,对比分析了砂井载荷浸水试验和临近场地大型试坑浸水试验,结果表明砂井载荷浸水试验的判定结果与试坑浸水试验一致,说明砂井载荷浸水试验是可行的。砂井载荷浸水试验具有周期短、费用低、场地条件要求低、用水量小等优点,适用于深层黄土湿陷性的研究,对黄土地区(尤其是深层黄土)工程的湿陷性评价有一定的参考意义。 针对深层湿陷性黄土自重湿陷量室内试验结果不准确、测试黄土地基湿陷量的原位试验方法少等不足,基于已有的砂井浸水试验,提出了新的现场试验方法:砂井载荷浸水试验方法。其核心是井底地层在试验压力作用下沉降稳定后,利用井中砂砾石的强透水性,将水直接导入井底湿陷性黄土地层及砂井周围土体,使其快速浸水饱和,以此来测定砂井井底地层的湿陷量和砂井周围黄土的自重湿陷量。通过2组砂井载荷浸水试验,测试了不同压力和浸水条件下不同深度地层的湿陷变形,对比分析了砂井载荷浸水试验和临近场地大型试坑浸水试验,结果表明砂井载荷浸水试验的判定结果与试坑浸水试验一致,说明砂井载荷浸水试验是可行的。砂井载荷浸水试验具有周期短、费用低、场地条件要求低、用水量小等优点,适用于深层黄土湿陷性的研究,对黄土地区(尤其是深层黄土)工程的湿陷性评价有一定的参考意义。
考虑矿层渗透系数非均质性和不确定性的砂岩型铀矿地浸采铀过程随机模拟与分析
陈梦迪, 姜振蛟, 霍晨琛
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202112039
摘要:
砂岩型铀矿矿层渗透系数普遍具有空间非均匀性,但受试验和分析手段制约,非均匀渗透系数难以准确刻画,导致地浸采铀过程预测出现偏差,限制了地浸采铀过程精细化管控。针对该问题提出一种矿层非均匀参数分布随机表征方法,在此基础上,开展水盐耦合数值随机模拟,揭示不同渗透系数空间分布条件下,群井抽注所引起的溶浸剂储层内部迁移过程和影响范围。在内蒙古某铀矿床应用结果显示:沿着区域地下水流方向渗透系数增加,有利于注入溶浸剂疏散;相反,溶浸剂容易出现聚集效应。利用水位监测数据对模型边界条件进行识别与验证后,在均质假设条件下溶浸剂扩散速率为210 m2/d,20年开采周期波及范围为1.53 km2;考虑矿层非均质性和参数不确定性,溶浸剂面积扩展速率预测为191~228 m2/d,溶浸剂波及范围为1.47~1.74 km2,相比于均质假设,溶浸剂扩散速度和波及范围不确定度显著,分别为17.62%和17.65%。考虑渗透系数非均质性和不确定性,使得溶浸剂迁移转化行为预测结果更具代表性,可为地浸采铀方案合理制定提供更加可靠依据。 砂岩型铀矿矿层渗透系数普遍具有空间非均匀性,但受试验和分析手段制约,非均匀渗透系数难以准确刻画,导致地浸采铀过程预测出现偏差,限制了地浸采铀过程精细化管控。针对该问题提出一种矿层非均匀参数分布随机表征方法,在此基础上,开展水盐耦合数值随机模拟,揭示不同渗透系数空间分布条件下,群井抽注所引起的溶浸剂储层内部迁移过程和影响范围。在内蒙古某铀矿床应用结果显示:沿着区域地下水流方向渗透系数增加,有利于注入溶浸剂疏散;相反,溶浸剂容易出现聚集效应。利用水位监测数据对模型边界条件进行识别与验证后,在均质假设条件下溶浸剂扩散速率为210 m2/d,20年开采周期波及范围为1.53 km2;考虑矿层非均质性和参数不确定性,溶浸剂面积扩展速率预测为191~228 m2/d,溶浸剂波及范围为1.47~1.74 km2,相比于均质假设,溶浸剂扩散速度和波及范围不确定度显著,分别为17.62%和17.65%。考虑渗透系数非均质性和不确定性,使得溶浸剂迁移转化行为预测结果更具代表性,可为地浸采铀方案合理制定提供更加可靠依据。
六价铬污染模拟含水层的注入型黄原胶凝胶阻截屏障试验研究
张力, 赵勇胜
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202112043
摘要:
由于工业废物的不合理排放,大量的重金属污染物Cr(VI)进入地下环境,严重威胁着人类健康和生态环境。Cr(VI)在地下水环境中高度易迁移的特性,造成其污染修复上的困难,亟待一种绿色、经济、有效的阻截方式,提高地下水中对Cr(VI)的阻控能力。论文利用焦亚硫酸钠原位还原地下水中Cr(VI),产生Cr3+作为黄原胶交联剂,形成凝胶阻截屏障。研究探究了各类成分对凝胶时间、粘度变化的影响及凝胶屏障对含水层的阻截效果,得到如下结论:(1)在Cr(VI)质量浓度达到200 mg/L的体系中,质量浓度0.4%的黄原胶溶液在1.5 h内即可形成具有一定机械强度的凝胶;(2)凝胶具有耐盐性,适用于常见含水层,2.5~5 g/L的Na+和K+对凝胶起促进作用。(3)注入型凝胶阻截屏障能够大幅降低中砂介质的渗透系数,达到1×10−7 cm/s,满足地下水阻截需求。注入型凝胶屏障的形成无需引入有害物质,阻截结束后注入型屏障可经生物作用自然降解,不会长期改变含水层水力条件。该研究为Cr污染地下水中凝胶阻截屏障的构筑提供了理论基础。 由于工业废物的不合理排放,大量的重金属污染物Cr(VI)进入地下环境,严重威胁着人类健康和生态环境。Cr(VI)在地下水环境中高度易迁移的特性,造成其污染修复上的困难,亟待一种绿色、经济、有效的阻截方式,提高地下水中对Cr(VI)的阻控能力。论文利用焦亚硫酸钠原位还原地下水中Cr(VI),产生Cr3+作为黄原胶交联剂,形成凝胶阻截屏障。研究探究了各类成分对凝胶时间、粘度变化的影响及凝胶屏障对含水层的阻截效果,得到如下结论:(1)在Cr(VI)质量浓度达到200 mg/L的体系中,质量浓度0.4%的黄原胶溶液在1.5 h内即可形成具有一定机械强度的凝胶;(2)凝胶具有耐盐性,适用于常见含水层,2.5~5 g/L的Na+和K+对凝胶起促进作用。(3)注入型凝胶阻截屏障能够大幅降低中砂介质的渗透系数,达到1×10−7 cm/s,满足地下水阻截需求。注入型凝胶屏障的形成无需引入有害物质,阻截结束后注入型屏障可经生物作用自然降解,不会长期改变含水层水力条件。该研究为Cr污染地下水中凝胶阻截屏障的构筑提供了理论基础。
保定平原区地下水水位变幅带自由孔隙率空间变异研究
徐步云, 杨会峰, 白华, 宋博, 孟瑞芳
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202208004
摘要:
科学确定地下水水位变幅带的地学参数是水资源评价与管理中的重要环节。保定平原近40年来强烈开采地下水,水位持续下降形成规模巨大的厚包气带层,南水北调工程通水后,随着河湖生态补水与地下水压采工作的推进,保定平原局部地区地下水水位止跌回升。回补水量与水位变化的定量关系成为超采治理的一个重要科学问题,但水位回升条件下的计算中仍用表示释水过程的给水度参数将造成结果偏差,因此表述水位恢复过程的自由孔隙率参数研究是解决这一问题的重点所在。文章基于保定平原区67个工程地质钻孔采样数据,确定水位变幅带的综合自由孔隙率,通过趋势分析和结果交叉验证方法遴选半变异函数模型,结合普通克里金插值方法对未知点进行无偏最优估计。结果显示:(1)保定平原区水位变幅带综合自由孔隙率的最优半变异函数模型为一阶趋势效应指数模型。数据具有强空间自相关性,主要受变幅带空间位置、地层类型等结构性因素影响。(2)综合自由孔隙率分布表现为西南、西北为高值区,极值可达0.245,数值向中部及东部逐步降低,最小降至0.02。(3)与惯用给水度值进行对比,自由孔隙率值在南北部地区整体升高0.03左右,约为惯用给水度的1.2倍。在中部地区降低了约0.06,变为惯用给水度值的一半左右。研究成果对南水北调受水区生态补水与水资源调控具有重要研究价值和借鉴意义。 科学确定地下水水位变幅带的地学参数是水资源评价与管理中的重要环节。保定平原近40年来强烈开采地下水,水位持续下降形成规模巨大的厚包气带层,南水北调工程通水后,随着河湖生态补水与地下水压采工作的推进,保定平原局部地区地下水水位止跌回升。回补水量与水位变化的定量关系成为超采治理的一个重要科学问题,但水位回升条件下的计算中仍用表示释水过程的给水度参数将造成结果偏差,因此表述水位恢复过程的自由孔隙率参数研究是解决这一问题的重点所在。文章基于保定平原区67个工程地质钻孔采样数据,确定水位变幅带的综合自由孔隙率,通过趋势分析和结果交叉验证方法遴选半变异函数模型,结合普通克里金插值方法对未知点进行无偏最优估计。结果显示:(1)保定平原区水位变幅带综合自由孔隙率的最优半变异函数模型为一阶趋势效应指数模型。数据具有强空间自相关性,主要受变幅带空间位置、地层类型等结构性因素影响。(2)综合自由孔隙率分布表现为西南、西北为高值区,极值可达0.245,数值向中部及东部逐步降低,最小降至0.02。(3)与惯用给水度值进行对比,自由孔隙率值在南北部地区整体升高0.03左右,约为惯用给水度的1.2倍。在中部地区降低了约0.06,变为惯用给水度值的一半左右。研究成果对南水北调受水区生态补水与水资源调控具有重要研究价值和借鉴意义。
四川泸定6.8级地震诱发崩滑快速评估
刘甲美, 王涛, 杜建军, 陈鲲, 黄健航, 王浩杰, 阮泉泉, 冯飞
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202209057
摘要:
强震诱发地震崩滑可严重加剧地震灾害损失,快速评估地震诱发崩滑分布对于应急救灾工作部署具有重要意义。利用2022年9月5日泸定Ms6.8级地震震前30 m分辨率地形数据结合1:50万比例尺地质图,采用Newmark累积位移方法开展了泸定地震诱发崩滑快速评估。结果显示:本次地震诱发崩滑灾害较为严重,崩滑高危险区面积约为45 km2,主要分布在鲜水河断裂以西大渡河西岸近东西向支沟两岸,其中以燕子沟、磨子沟、海螺沟、飞水沟、湾东河、什月河、田湾河等崩滑危险性较高,对沟内居民及游客生命安全威胁较大,沟内公路受崩滑阻断风险较高,局部河道有被崩滑堵塞风险;泸定县冷碛镇、兴隆镇、磨西镇、得妥乡4个乡镇及石棉县田湾乡、草科乡、新民乡、先锋乡、蟹螺乡、挖角乡等6个乡镇崩滑危险性较高;震中附近地区大渡河沿线省道S434和S211受崩滑阻断可能性较高;贡嘎雪山一带预测地震崩滑危险性为中等,但需关注冰崩型、岩崩型高位远程灾害(链)风险。通过与震后应急排查、遥感解译等获取的此次地震Ⅷ度、Ⅸ度区内诱发崩滑分布对比,表明在大渡河西岸各支沟滑坡位移分析结果能够较好的反映同震滑坡的宏观分布特征,但在在磨西台地边缘,大渡河两岸吻合程度欠佳,后续将通过提升岩性和地形等数据质量进行改进。有关成果可为震后重建规划、震后长期灾害效应分析等提供参考。 强震诱发地震崩滑可严重加剧地震灾害损失,快速评估地震诱发崩滑分布对于应急救灾工作部署具有重要意义。利用2022年9月5日泸定Ms6.8级地震震前30 m分辨率地形数据结合1:50万比例尺地质图,采用Newmark累积位移方法开展了泸定地震诱发崩滑快速评估。结果显示:本次地震诱发崩滑灾害较为严重,崩滑高危险区面积约为45 km2,主要分布在鲜水河断裂以西大渡河西岸近东西向支沟两岸,其中以燕子沟、磨子沟、海螺沟、飞水沟、湾东河、什月河、田湾河等崩滑危险性较高,对沟内居民及游客生命安全威胁较大,沟内公路受崩滑阻断风险较高,局部河道有被崩滑堵塞风险;泸定县冷碛镇、兴隆镇、磨西镇、得妥乡4个乡镇及石棉县田湾乡、草科乡、新民乡、先锋乡、蟹螺乡、挖角乡等6个乡镇崩滑危险性较高;震中附近地区大渡河沿线省道S434和S211受崩滑阻断可能性较高;贡嘎雪山一带预测地震崩滑危险性为中等,但需关注冰崩型、岩崩型高位远程灾害(链)风险。通过与震后应急排查、遥感解译等获取的此次地震Ⅷ度、Ⅸ度区内诱发崩滑分布对比,表明在大渡河西岸各支沟滑坡位移分析结果能够较好的反映同震滑坡的宏观分布特征,但在在磨西台地边缘,大渡河两岸吻合程度欠佳,后续将通过提升岩性和地形等数据质量进行改进。有关成果可为震后重建规划、震后长期灾害效应分析等提供参考。
地埋管换热器动态热负荷下地层温度场的解析解
李嘉舒, 戴传山, 雷海燕, 马非
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202205040
摘要:
垂直地埋管换热器(Borehole heat exchanger,BHE)是利用浅层地热能的主要换热装置,如何确定合理的地埋管间距对地源热泵系统(Ground source heat pump system,GSHPs)的传热性能与经济性影响很大。以往工程应用中未考虑地埋管热负荷的动态变化,常采用最大延米热/冷负荷(即最不利情况下)的影响半径作为设计依据,使设计参数趋于保守,很难实现地源热泵系统的技术和经济优化,而考虑负荷变化的数值模拟方法耗时复杂,不便于工程应用。本研究提出了一种考虑地埋管实际热冷负荷动态变化条件下,计算地埋管换热器影响半径的简单数学方法。该法首先推导了地埋管换热器在周期性热流边界条件下,井筒周围地层温度场的解析解,在此基础上将地面建筑物全年周期下的实际波动热冷负荷进行傅里叶级数展开近似,最后通过线性叠加每个周期函数对应的解析解,得到建筑物实际动态热冷负荷下的地层温度动态分布。本文提出的解析解实时耦合了地面建筑动态热冷负荷,计算结果接近实际应用,具有计算精度高、简单方便快捷的优点,便于工程实际的推广应用。 垂直地埋管换热器(Borehole heat exchanger,BHE)是利用浅层地热能的主要换热装置,如何确定合理的地埋管间距对地源热泵系统(Ground source heat pump system,GSHPs)的传热性能与经济性影响很大。以往工程应用中未考虑地埋管热负荷的动态变化,常采用最大延米热/冷负荷(即最不利情况下)的影响半径作为设计依据,使设计参数趋于保守,很难实现地源热泵系统的技术和经济优化,而考虑负荷变化的数值模拟方法耗时复杂,不便于工程应用。本研究提出了一种考虑地埋管实际热冷负荷动态变化条件下,计算地埋管换热器影响半径的简单数学方法。该法首先推导了地埋管换热器在周期性热流边界条件下,井筒周围地层温度场的解析解,在此基础上将地面建筑物全年周期下的实际波动热冷负荷进行傅里叶级数展开近似,最后通过线性叠加每个周期函数对应的解析解,得到建筑物实际动态热冷负荷下的地层温度动态分布。本文提出的解析解实时耦合了地面建筑动态热冷负荷,计算结果接近实际应用,具有计算精度高、简单方便快捷的优点,便于工程实际的推广应用。
侏罗系中等风化泥岩地基承载力试验研究
陈继彬, 李雪梅
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202207002
摘要:
成都地区侏罗系中等风化泥岩为典型的红层软岩,工程实践表明该类岩体地基承载力的规范建议值偏低,导致该区域内高层、超高层建筑基础选型偏于保守,使得工程成本投入大、目标工期长,但是如何最大程度的发挥侏罗系中等风化泥岩地基承载能力还未有值得借鉴的方法。以成都地区某超高层建筑地基基础工程为例,针对侏罗系中等风化泥岩地基分别开展了9组深井平硐岩基载荷试验、17孔岩基旁压试验,2类试验协同分析泥岩地基承载能力及适宜的承载力特征值取值;并建立了地基承载力特征值与超声波测井试验获得的岩体特征参数的相关方程。研究结果表明:侏罗系中等风化泥岩地区,岩基平板载荷试验、旁压试验两者试验所得的地基承载力特征值(fak)相近且均较地区规范DB51/T5026-2001建议最大值大2~2.5倍,平板载荷试验的承压板直径、旁压试验的测试深度对中等风化泥岩地基承载力影响不显著;通过参数综合分析进一步得出fak与岩体波速Vp和岩体完整性指数K分别呈幂函数、指数函数递增关系。研究成果对侏罗系中等风化泥岩地基承载力的取值具有重要的参考价值。 成都地区侏罗系中等风化泥岩为典型的红层软岩,工程实践表明该类岩体地基承载力的规范建议值偏低,导致该区域内高层、超高层建筑基础选型偏于保守,使得工程成本投入大、目标工期长,但是如何最大程度的发挥侏罗系中等风化泥岩地基承载能力还未有值得借鉴的方法。以成都地区某超高层建筑地基基础工程为例,针对侏罗系中等风化泥岩地基分别开展了9组深井平硐岩基载荷试验、17孔岩基旁压试验,2类试验协同分析泥岩地基承载能力及适宜的承载力特征值取值;并建立了地基承载力特征值与超声波测井试验获得的岩体特征参数的相关方程。研究结果表明:侏罗系中等风化泥岩地区,岩基平板载荷试验、旁压试验两者试验所得的地基承载力特征值(fak)相近且均较地区规范DB51/T5026-2001建议最大值大2~2.5倍,平板载荷试验的承压板直径、旁压试验的测试深度对中等风化泥岩地基承载力影响不显著;通过参数综合分析进一步得出fak与岩体波速Vp和岩体完整性指数K分别呈幂函数、指数函数递增关系。研究成果对侏罗系中等风化泥岩地基承载力的取值具有重要的参考价值。
《水文地质工程地质》征稿简则
摘要:
重力条件下粗糙裂隙溶蚀过程的可视化实验研究
张子翼, 胡冉, 廖震, 陈益峰
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202204044
摘要:
岩体裂隙的溶蚀现象广泛存在于自然过程和工程实践,重力对溶蚀过程具有重要作用。可视化观测技术是研究粗糙裂隙溶蚀机理的关键手段,然而传统的可视化技术存在裂隙粗糙壁面难以复制、溶蚀过程难以实时观测等问题。通过自主研发的粗糙裂隙溶蚀过程可视化实验平台,开展了垂直裂隙和水平裂隙在4种流量条件(0.05,0.1,0.3,1 mL/min)下的溶蚀可视化实验,研究了重力效应对溶蚀模式和溶蚀形态的影响,采用分形维数量化了不同溶蚀模式的形态学特征,最终确定了不同佩克莱数(Pe)条件下的突破时注液量。实验结果表明:在Pe≤62.1范围内,重力效应对溶蚀模式具有重要影响,垂直裂隙中的溶蚀发育为浮力主导模式和通道模式,重力效应将诱发单一、集中的溶蚀通道;而水平裂隙则统一发育为开度演变均匀、宽度较大的通道,即经典的虫洞溶蚀模式;在Pe数较大时(Pe=207)时,垂直裂隙和水平裂隙中的溶蚀均发育为均匀溶蚀。实验结果还证实了垂直裂隙更易发育为贯通的溶蚀通道,从而加速溶蚀突破;Pe=20.7时为最优注入条件,垂直裂隙的突破时注液量最小。在此条件下,垂直裂隙的突破时注液量仅为水平裂隙的1/4。建议重点关注重力效应对溶蚀过程的影响,研究结果对CO2地质封存等工程实践具有重要意义。 岩体裂隙的溶蚀现象广泛存在于自然过程和工程实践,重力对溶蚀过程具有重要作用。可视化观测技术是研究粗糙裂隙溶蚀机理的关键手段,然而传统的可视化技术存在裂隙粗糙壁面难以复制、溶蚀过程难以实时观测等问题。通过自主研发的粗糙裂隙溶蚀过程可视化实验平台,开展了垂直裂隙和水平裂隙在4种流量条件(0.05,0.1,0.3,1 mL/min)下的溶蚀可视化实验,研究了重力效应对溶蚀模式和溶蚀形态的影响,采用分形维数量化了不同溶蚀模式的形态学特征,最终确定了不同佩克莱数(Pe)条件下的突破时注液量。实验结果表明:在Pe≤62.1范围内,重力效应对溶蚀模式具有重要影响,垂直裂隙中的溶蚀发育为浮力主导模式和通道模式,重力效应将诱发单一、集中的溶蚀通道;而水平裂隙则统一发育为开度演变均匀、宽度较大的通道,即经典的虫洞溶蚀模式;在Pe数较大时(Pe=207)时,垂直裂隙和水平裂隙中的溶蚀均发育为均匀溶蚀。实验结果还证实了垂直裂隙更易发育为贯通的溶蚀通道,从而加速溶蚀突破;Pe=20.7时为最优注入条件,垂直裂隙的突破时注液量最小。在此条件下,垂直裂隙的突破时注液量仅为水平裂隙的1/4。建议重点关注重力效应对溶蚀过程的影响,研究结果对CO2地质封存等工程实践具有重要意义。
弯曲岩溶管道溶质运移的尺度效应研究
赵小二, 王正一, 武桂芝, 李琪
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202203050
摘要:
岩溶管道溶质运移的尺度效应研究对穿透曲线的正确解译非常重要,但目前针对单一弯曲管道中溶质运移尺度效应的研究仍比较缺乏。文章将岩溶管道和溶潭分别概化为透明软管和水箱,基于前期建立的水箱-管道系统(简称“管道系统”),在水箱下游设置不同长度的弯曲管道,通过示踪试验研究管道运移尺度对穿透曲线的影响,并采用暂时存储模型模拟试验曲线。结果表明:(1)随着水箱下游管道长度的增大,峰值质量浓度逐渐缓慢降低,穿透曲线上升段斜率无明显变化,穿透曲线拖尾逐渐缩短,表明运移管道长度增大对溶质运移的影响大于下游管道弯曲;(2)穿透曲线偏度系数、后段溶质羽穿透时间和溶质羽穿透时间与管道系统长度呈良好的负线性相关关系(R2>0.96);(3)当对称和不对称水箱管道系统长度分别增大至154.5 m和164.3 m时,偏度系数接近零,穿透曲线分布接近对称;(4)弥散系数、存储区截面积和交换系数与管道系统长度呈良好的负线性相关关系,当对称和不对称水箱管道系统长度分别增大至159.9 m和178.1 m时,存储区截面积接近零,水箱导致的溶质运移滞后效应基本消失。研究结果对野外岩溶管道穿透曲线的解译具有一定指示作用。 岩溶管道溶质运移的尺度效应研究对穿透曲线的正确解译非常重要,但目前针对单一弯曲管道中溶质运移尺度效应的研究仍比较缺乏。文章将岩溶管道和溶潭分别概化为透明软管和水箱,基于前期建立的水箱-管道系统(简称“管道系统”),在水箱下游设置不同长度的弯曲管道,通过示踪试验研究管道运移尺度对穿透曲线的影响,并采用暂时存储模型模拟试验曲线。结果表明:(1)随着水箱下游管道长度的增大,峰值质量浓度逐渐缓慢降低,穿透曲线上升段斜率无明显变化,穿透曲线拖尾逐渐缩短,表明运移管道长度增大对溶质运移的影响大于下游管道弯曲;(2)穿透曲线偏度系数、后段溶质羽穿透时间和溶质羽穿透时间与管道系统长度呈良好的负线性相关关系(R2>0.96);(3)当对称和不对称水箱管道系统长度分别增大至154.5 m和164.3 m时,偏度系数接近零,穿透曲线分布接近对称;(4)弥散系数、存储区截面积和交换系数与管道系统长度呈良好的负线性相关关系,当对称和不对称水箱管道系统长度分别增大至159.9 m和178.1 m时,存储区截面积接近零,水箱导致的溶质运移滞后效应基本消失。研究结果对野外岩溶管道穿透曲线的解译具有一定指示作用。
氢氧同位素在地下水流系统的重分布:从高程效应到深度效应
韩鹏飞, 王旭升, 蒋小伟, 万力
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202211053
摘要:
大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应?现有研究对于这个问题缺少定量认识。本文构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和18O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明:在单斜盆地,补给区大气降水D和18O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ18O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K0/w=1000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ18O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K0/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ18O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排泄区的δD和δ18O随深度增加呈单调衰减趋势。本研究从理论上推进了地下水流系统对溶质运移影响机理的认识,揭示了氢氧同位素对地下水流系统的指示作用。 大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应?现有研究对于这个问题缺少定量认识。本文构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和18O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明:在单斜盆地,补给区大气降水D和18O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ18O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K0/w=1000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ18O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K0/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ18O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排泄区的δD和δ18O随深度增加呈单调衰减趋势。本研究从理论上推进了地下水流系统对溶质运移影响机理的认识,揭示了氢氧同位素对地下水流系统的指示作用。
考虑污染物扩散风险的场地地下水污染多层次风险评估方法研究
张行洲, 殷乐宜, 陈坚, 周笑笑, 杨丽虎, 吴吉春, 谢月清
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202209006
摘要:
地下水中污染物具有迁移性和扩散性,会对下游敏感受体造成威胁,目前场地地下水风险评估主要关注人体健康风险,还未能综合考虑地下水污染的整体风险,尤其是忽视了污染物迁移引起的对下游敏感受体的风险。本研究基于“源-径-汇”模型构建了考虑污染物扩散风险的场地地下水污染风险评估的指标体系与风险评估模式。在指标体系构建方面,重点考虑场地地下水的污染源、迁移路径和敏感受体3个方面。在风险评估模式方面,根据场地不同地下水污染状态开展3个层次的风险评估。基于假想的铬污染场地开展了案例分析,设置了地下水污染状态的4种情景,利用Wexler溶质运移模型计算了地下水污染羽的时空变化,并针对地下水污染的不同层次开展了风险评估。结果表明,在场地地下水污染羽未到达场地边界的2种情形中,场地地下水的风险评分分别为4,6.4,分别属于低风险与中风险。在场地地下水污染羽到达或超出场地边界的2种情形中,场地地下水的风险评分分别为7.0,8.8,分别属于中风险与高风险。综合而言,本研究构建的方法能够用来对场地地下水进行系统全面的评估和对比,能够根据风险结果对污染场地进行有效的分级管控,为污染场地的风险管控提供技术支撑。 地下水中污染物具有迁移性和扩散性,会对下游敏感受体造成威胁,目前场地地下水风险评估主要关注人体健康风险,还未能综合考虑地下水污染的整体风险,尤其是忽视了污染物迁移引起的对下游敏感受体的风险。本研究基于“源-径-汇”模型构建了考虑污染物扩散风险的场地地下水污染风险评估的指标体系与风险评估模式。在指标体系构建方面,重点考虑场地地下水的污染源、迁移路径和敏感受体3个方面。在风险评估模式方面,根据场地不同地下水污染状态开展3个层次的风险评估。基于假想的铬污染场地开展了案例分析,设置了地下水污染状态的4种情景,利用Wexler溶质运移模型计算了地下水污染羽的时空变化,并针对地下水污染的不同层次开展了风险评估。结果表明,在场地地下水污染羽未到达场地边界的2种情形中,场地地下水的风险评分分别为4,6.4,分别属于低风险与中风险。在场地地下水污染羽到达或超出场地边界的2种情形中,场地地下水的风险评分分别为7.0,8.8,分别属于中风险与高风险。综合而言,本研究构建的方法能够用来对场地地下水进行系统全面的评估和对比,能够根据风险结果对污染场地进行有效的分级管控,为污染场地的风险管控提供技术支撑。
边坡防渗增加灰沙岛地下淡水的实验与数值模拟研究
李英豪, 韩冬梅, 曹天正, 宋献方, 蔡砥柱
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202204006
摘要:
地下淡水是支撑海岛居民生活用水保障和生态岛屿建设的重要战略资源。目前海岛淡水资源十分匮乏,鉴于我国灰沙岛的现实复杂性,亟需实施低成本、易操作且对岛礁稳定性及生态系统影响较小的增加地下淡水的措施。本研究提出了采用在海陆边坡处铺设防渗材料人为干预地下淡水体形成、增加淡水储量的措施,并通过砂箱实验和数值模拟相结合的方法在实验室尺度下分析了边坡防渗对灰沙岛淡水透镜体形成的影响,评估了不同因素在边坡防渗条件下增加地下淡水储量的效果,并以永兴岛为例定量评估了边坡防渗对地下淡水储量的影响。研究表明,边坡防渗通过改变地下水流场、增加淡水水头的方式增加了淡水储量。淡水体所需的稳定时间也随之增加。在长、宽、高分别为50,5,35 cm的砂箱中,在35°的边坡处铺设14 cm长的隔水材料,淡水透镜体达到稳定后最大厚度由原有的13.7 cm增加至24.9 cm,淡水储量由561.8 cm3增加至1592.3 cm3,所需稳定时间由120 min增加至150 min。增加的淡水储量随降雨强度增加、砂体渗透系数减小、边坡防渗深度增加、防渗材料渗透系数减小而增加。若在永兴岛海陆边坡铺设2 m深的隔水材料,在未来30 a,淡水储量将由天然状态的3.4×106 m3增加至4.4×106 m3,增加原有储量的1/4。研究可为我国岛屿地下淡水科学管理、水资源安全保障提供理论支撑和实践指导。 地下淡水是支撑海岛居民生活用水保障和生态岛屿建设的重要战略资源。目前海岛淡水资源十分匮乏,鉴于我国灰沙岛的现实复杂性,亟需实施低成本、易操作且对岛礁稳定性及生态系统影响较小的增加地下淡水的措施。本研究提出了采用在海陆边坡处铺设防渗材料人为干预地下淡水体形成、增加淡水储量的措施,并通过砂箱实验和数值模拟相结合的方法在实验室尺度下分析了边坡防渗对灰沙岛淡水透镜体形成的影响,评估了不同因素在边坡防渗条件下增加地下淡水储量的效果,并以永兴岛为例定量评估了边坡防渗对地下淡水储量的影响。研究表明,边坡防渗通过改变地下水流场、增加淡水水头的方式增加了淡水储量。淡水体所需的稳定时间也随之增加。在长、宽、高分别为50,5,35 cm的砂箱中,在35°的边坡处铺设14 cm长的隔水材料,淡水透镜体达到稳定后最大厚度由原有的13.7 cm增加至24.9 cm,淡水储量由561.8 cm3增加至1592.3 cm3,所需稳定时间由120 min增加至150 min。增加的淡水储量随降雨强度增加、砂体渗透系数减小、边坡防渗深度增加、防渗材料渗透系数减小而增加。若在永兴岛海陆边坡铺设2 m深的隔水材料,在未来30 a,淡水储量将由天然状态的3.4×106 m3增加至4.4×106 m3,增加原有储量的1/4。研究可为我国岛屿地下淡水科学管理、水资源安全保障提供理论支撑和实践指导。
泥炭质土K0固结不同开挖路径应力应变关系研究
阮永芬, 潘继强, 乔文件, 闫明, 郭宇航
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202206007
摘要:
基坑开挖过程中不同部位的土体会因不同的卸荷力学行为而表现出动态的破坏特性。为研究基坑土体开挖过程中复杂的卸荷应力路径,利用TSZ-1S应力控制式三轴仪分别对湖相沉积的泥炭质土进行固结不排水及K0固结下的加、卸荷试验,并按侧向、轴向、轴侧向同时卸荷等不同卸荷条件制定试验方案,模拟基坑开挖过程中不同部位土体卸荷路径下的应力-应变曲线、卸荷剪切破坏时的强度及初始切线模量等的变化规律。试验结果表明:土体的应力应变特性与应力路径密切相关,各路径下应力-应变曲线都近似呈双曲线型;卸荷剪切破坏时强度明显低于加荷破坏。对不同卸荷路径下初始切线模量Ei研究发现,Ei受侧向卸荷影响较大,卸荷后Ei有所提高,轴向卸荷对其影响较小。对各应力-应变曲线进行归一化处理,构建了考虑不同归一化因子的归一化方程,以该方程为基础对不同应力路径下的泥炭质土进行归一化处理,并对结果进行了验证,效果良好。本研究可为泥炭质土场地上基坑在不同卸荷路径下的变形参数和本构关系的研究提供参考。 基坑开挖过程中不同部位的土体会因不同的卸荷力学行为而表现出动态的破坏特性。为研究基坑土体开挖过程中复杂的卸荷应力路径,利用TSZ-1S应力控制式三轴仪分别对湖相沉积的泥炭质土进行固结不排水及K0固结下的加、卸荷试验,并按侧向、轴向、轴侧向同时卸荷等不同卸荷条件制定试验方案,模拟基坑开挖过程中不同部位土体卸荷路径下的应力-应变曲线、卸荷剪切破坏时的强度及初始切线模量等的变化规律。试验结果表明:土体的应力应变特性与应力路径密切相关,各路径下应力-应变曲线都近似呈双曲线型;卸荷剪切破坏时强度明显低于加荷破坏。对不同卸荷路径下初始切线模量Ei研究发现,Ei受侧向卸荷影响较大,卸荷后Ei有所提高,轴向卸荷对其影响较小。对各应力-应变曲线进行归一化处理,构建了考虑不同归一化因子的归一化方程,以该方程为基础对不同应力路径下的泥炭质土进行归一化处理,并对结果进行了验证,效果良好。本研究可为泥炭质土场地上基坑在不同卸荷路径下的变形参数和本构关系的研究提供参考。
石川河富平地下水库渗透系数空间变异性研究
王继玲, 周维博, 孙梨梨, 王奕勐
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202206021
摘要:
渗透系数的空间变异性研究是进行地下水库人工回灌的基础。为研究石川河富平地下水库渗透系数的空间变化规律,引入Box-Cox变换及Johnson变换对库区65组野外双环渗水试验及勘探孔数据进行预处理,并以变异函数为工具,运用传统统计学和地统计学方法分析渗透系数的空间变异性。结果表明:库区等效渗透系数变化范围为0.02~6.44 m/d,既服从对数正态分布也服从Box-Cox变换的正态分布。渗透系数空间相关程度中等,最优拟合模型为高斯模型。基于最优模型,渗透系数插值结果整体上呈现西北方向较大、东南方向较小的特点,在梅家坪镇及南社乡附近最大,范围为2.84~6.44 m/d,空间变异尺度小;在觅子乡、庄里镇附近变化明显,空间变异尺度大;在东上官乡南部最小,均小于0.2 m/d,变异尺度小。空间变异受地形、地貌、地层岩性分布、水文气象条件、试验点分布、人工取砂、机械碾压等因素的综合影响。回灌位置应选择在梅家坪镇等渗透系数大,空间变异尺度小及受人为扰动影响小的地段。研究结果可为地下水库建设提供理论参考。 渗透系数的空间变异性研究是进行地下水库人工回灌的基础。为研究石川河富平地下水库渗透系数的空间变化规律,引入Box-Cox变换及Johnson变换对库区65组野外双环渗水试验及勘探孔数据进行预处理,并以变异函数为工具,运用传统统计学和地统计学方法分析渗透系数的空间变异性。结果表明:库区等效渗透系数变化范围为0.02~6.44 m/d,既服从对数正态分布也服从Box-Cox变换的正态分布。渗透系数空间相关程度中等,最优拟合模型为高斯模型。基于最优模型,渗透系数插值结果整体上呈现西北方向较大、东南方向较小的特点,在梅家坪镇及南社乡附近最大,范围为2.84~6.44 m/d,空间变异尺度小;在觅子乡、庄里镇附近变化明显,空间变异尺度大;在东上官乡南部最小,均小于0.2 m/d,变异尺度小。空间变异受地形、地貌、地层岩性分布、水文气象条件、试验点分布、人工取砂、机械碾压等因素的综合影响。回灌位置应选择在梅家坪镇等渗透系数大,空间变异尺度小及受人为扰动影响小的地段。研究结果可为地下水库建设提供理论参考。
注入时间和静水压力对孔隙热储层中Cl运移影响
赵丽, 黄尚峥, 张庆, 卢宇灿, 金毅, 王心义, 邢明飞
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202206026
摘要:
迄今为止,注入时间和静水压力对溶质在深层承压地热水中的运移规律影响研究少有报道。通过模拟35℃的低温地热环境,开展了注入时间1,2,3,4,5 h以及静水压力0,6,9 MPa条件下Cl的运移柱模拟试验。采用CXTFIT 2. 1软件进行数值模拟,探讨了孔隙型热储砂土中Cl的运移规律和影响因素。结果表明:在模拟的低温孔隙型热储层中,不同注入时间和静水压力下,Cl的运移曲线均呈正态对称分布,CDE模型也可较好地表征其穿透曲线,因此溶质扩散过程符合菲克定律。注入时间的不同,会引起Cl的穿透曲线、运移参数发生变化,这与不同注入时间条件下溶质注入总量、柱内溶质浓度差以及分子扩散能力不同有关。在不同静水压力条件下,弥散系数从0 MPa的25.22 cm2/h增加到9 MPa的36.13 cm2/h,分子扩散系数、机械弥散系数以及弥散度也随之增大,因此溶质的弥散作用随静水压力的增大而增强。研究结果对于丰富地下水的溶质运移理论具有重要意义。 迄今为止,注入时间和静水压力对溶质在深层承压地热水中的运移规律影响研究少有报道。通过模拟35℃的低温地热环境,开展了注入时间1,2,3,4,5 h以及静水压力0,6,9 MPa条件下Cl的运移柱模拟试验。采用CXTFIT 2. 1软件进行数值模拟,探讨了孔隙型热储砂土中Cl的运移规律和影响因素。结果表明:在模拟的低温孔隙型热储层中,不同注入时间和静水压力下,Cl的运移曲线均呈正态对称分布,CDE模型也可较好地表征其穿透曲线,因此溶质扩散过程符合菲克定律。注入时间的不同,会引起Cl的穿透曲线、运移参数发生变化,这与不同注入时间条件下溶质注入总量、柱内溶质浓度差以及分子扩散能力不同有关。在不同静水压力条件下,弥散系数从0 MPa的25.22 cm2/h增加到9 MPa的36.13 cm2/h,分子扩散系数、机械弥散系数以及弥散度也随之增大,因此溶质的弥散作用随静水压力的增大而增强。研究结果对于丰富地下水的溶质运移理论具有重要意义。
Budyko框架下黄河流域蒸散发时空变化影响因素研究
王亚琴, 杨巍, 邢博, 罗毅
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202205066
摘要:
蒸散发是水循环过程中的重要环节,研究蒸散发时空变化影响因素,有利于认识区域水资源的时空分异规律。黄河流域地处干旱半干旱地区,水资源短缺且时空分布不均,水问题突出。在黄河流域分析蒸散发对变化环境的响应,揭示气候变化、植被季节性和物候变化的水文水资源效应,对地区水资源可持续发展和规划管理等具有重要的理论意义和现实意义。基于MARS非参数模型,采用黄河流域内30个子流域的GIMMS3g NDVI数据集、气象数据、土壤数据、土地利用/覆盖数据以及地形地貌数据,在Budyko框架下分析了水热耦合控制参数ϖ与环境变量因子的关联性,探讨了变化环境对流域蒸散发的影响机制。结果表明:(1)流域水平衡关系的空间变异与流域水热耦合季节性、地形地貌空间变异性、降水的季节性特征(平均暴雨深度和降水变异系数)显著相关。(2)年际尺度上:流域水热的不同步性是影响流域水平衡年际分异最重要的气候季节性指数,水热的不同步性增大,流域的蒸散比减小,产流增加;降水越集中、年内变异程度越高、降水的季节性越明显,流域蒸散比越小;植被的季节性特征是影响流域水平衡的重要因素,植被生长越强,生长季长度越长,流域的蒸散比越大,产流系数越小。(3)环境变量之间存在较强的自相关性,协同演化并作用于流域蒸散发。 蒸散发是水循环过程中的重要环节,研究蒸散发时空变化影响因素,有利于认识区域水资源的时空分异规律。黄河流域地处干旱半干旱地区,水资源短缺且时空分布不均,水问题突出。在黄河流域分析蒸散发对变化环境的响应,揭示气候变化、植被季节性和物候变化的水文水资源效应,对地区水资源可持续发展和规划管理等具有重要的理论意义和现实意义。基于MARS非参数模型,采用黄河流域内30个子流域的GIMMS3g NDVI数据集、气象数据、土壤数据、土地利用/覆盖数据以及地形地貌数据,在Budyko框架下分析了水热耦合控制参数ϖ与环境变量因子的关联性,探讨了变化环境对流域蒸散发的影响机制。结果表明:(1)流域水平衡关系的空间变异与流域水热耦合季节性、地形地貌空间变异性、降水的季节性特征(平均暴雨深度和降水变异系数)显著相关。(2)年际尺度上:流域水热的不同步性是影响流域水平衡年际分异最重要的气候季节性指数,水热的不同步性增大,流域的蒸散比减小,产流增加;降水越集中、年内变异程度越高、降水的季节性越明显,流域蒸散比越小;植被的季节性特征是影响流域水平衡的重要因素,植被生长越强,生长季长度越长,流域的蒸散比越大,产流系数越小。(3)环境变量之间存在较强的自相关性,协同演化并作用于流域蒸散发。
贵州省鸡场滑坡地下水化学特征反映的水-岩(土)作用
刘建强, 许强, 郑光, 陈达, 王卓, 蒋金晶
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202203077
摘要:
滑坡体水-岩(土)作用是一种复杂的物理化学综合作用,影响坡体的稳定性,但目前水-岩(土)相互作用对于地质灾害的发生方面的影响研究仍较为薄弱。以贵州省鸡场滑坡为研究对象,分析滑坡区岩土体矿物组成和化学成分特征,结合区域内基岩裂隙水、大气降水的成分变化规律,利用主成分分析方法,研究鸡场滑坡水-岩(土)作用过程,并分析水岩演化作用对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)滑体内玄武岩的风化过程是一种机械破碎-矿物蚀变耦合的水-(岩)相互作用,发生在“微观-细观-宏观”三种尺度上;(2)选取前三个因子Z1Z2Z3(分别占总方差的49.365%、27.135%、15.092%)分析地下水的化学特征,主因子Z1反映了玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用,Z2反映了地下水的蒸发作用与SiO2溶解度随pH变化的矿物沉淀作用,主因子Z3反映了地下水与岩(土)体间存在离子交换作用且主参与离子为Mg2+和K+;(3)水岩作用产物主要为伊利石、蒙皂石、绿泥石等黏土矿物,使得岩体结构面内黏土矿物含量增加,岩体劣化损伤,对滑带的形成及滑坡的解体产生重要影响。由此研究说明滑坡地下水与岩土体相互作用的主要过程能被主成分分析结果充分反映。 滑坡体水-岩(土)作用是一种复杂的物理化学综合作用,影响坡体的稳定性,但目前水-岩(土)相互作用对于地质灾害的发生方面的影响研究仍较为薄弱。以贵州省鸡场滑坡为研究对象,分析滑坡区岩土体矿物组成和化学成分特征,结合区域内基岩裂隙水、大气降水的成分变化规律,利用主成分分析方法,研究鸡场滑坡水-岩(土)作用过程,并分析水岩演化作用对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)滑体内玄武岩的风化过程是一种机械破碎-矿物蚀变耦合的水-(岩)相互作用,发生在“微观-细观-宏观”三种尺度上;(2)选取前三个因子Z1Z2Z3(分别占总方差的49.365%、27.135%、15.092%)分析地下水的化学特征,主因子Z1反映了玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用,Z2反映了地下水的蒸发作用与SiO2溶解度随pH变化的矿物沉淀作用,主因子Z3反映了地下水与岩(土)体间存在离子交换作用且主参与离子为Mg2+和K+;(3)水岩作用产物主要为伊利石、蒙皂石、绿泥石等黏土矿物,使得岩体结构面内黏土矿物含量增加,岩体劣化损伤,对滑带的形成及滑坡的解体产生重要影响。由此研究说明滑坡地下水与岩土体相互作用的主要过程能被主成分分析结果充分反映。
基于BP神经网络反演分析的隧道塌方机理研究
陈航, 张贝贝, 旷华江, 肖丽娜
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202208066
摘要:
岩溶区隧道在施工过程中易发生崩塌,针对力学方面的隧道塌方机理分析较多,然而针对岩溶软弱破碎带等地层方面的隧道塌方机理研究分析较少,使隧道工程进展的难度和风险更大。为保证隧道施工的安全性、经济性和可行性,因此掌握该隧道施工中的塌方机理非常有必要。依托贵州某岩溶破碎地层隧道,在开挖过程中发生的坍塌现象,结合隧道的监测数据,运用BP神经网络的构建原理,对隧道的地层参数进行反演。将反演土体力学参数输入到Flac3D有限元软件构建的不同施工方法模型中,对典型断面的崩塌破坏机制和风险进行了判断和分析。结果表明:BP神经网络获得的地层反演参数具有一定的可信度,能够准确再现隧道崩塌实际破坏情况;施工方法对隧道开挖的稳定性影响较大,针对围岩等级为Ⅴ级的隧道,采用三台阶七步法和单侧壁导坑法施工较安全,隧道塌方与隧道双向同时开挖没有关系;反演所得的隧道拱顶位移预测值为2.3 cm,地表位移预测值为1.2 cm,与监测数据偏差13%左右,误差较小。研究结果,对岩溶区软弱破碎地层断面隧道公路建设具有重要指导意义。 岩溶区隧道在施工过程中易发生崩塌,针对力学方面的隧道塌方机理分析较多,然而针对岩溶软弱破碎带等地层方面的隧道塌方机理研究分析较少,使隧道工程进展的难度和风险更大。为保证隧道施工的安全性、经济性和可行性,因此掌握该隧道施工中的塌方机理非常有必要。依托贵州某岩溶破碎地层隧道,在开挖过程中发生的坍塌现象,结合隧道的监测数据,运用BP神经网络的构建原理,对隧道的地层参数进行反演。将反演土体力学参数输入到Flac3D有限元软件构建的不同施工方法模型中,对典型断面的崩塌破坏机制和风险进行了判断和分析。结果表明:BP神经网络获得的地层反演参数具有一定的可信度,能够准确再现隧道崩塌实际破坏情况;施工方法对隧道开挖的稳定性影响较大,针对围岩等级为Ⅴ级的隧道,采用三台阶七步法和单侧壁导坑法施工较安全,隧道塌方与隧道双向同时开挖没有关系;反演所得的隧道拱顶位移预测值为2.3 cm,地表位移预测值为1.2 cm,与监测数据偏差13%左右,误差较小。研究结果,对岩溶区软弱破碎地层断面隧道公路建设具有重要指导意义。
四川省泸定县Ms6.8级地震地质灾害发育规律与减灾对策
铁永波, 张宪政, 卢佳燕, 梁京涛, 王东辉, 马志刚, 李宗亮, 鲁拓, 石胜伟, 刘民生, 巴仁基, 何龙江, 张新克, 甘伟, 陈凯, 高延超, 白永健, 龚凌枫, 曾孝文, 徐伟
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202209029
摘要:
2022年9月5日四川省泸定县Ms6.8级地震诱发大量次生地质灾害。为深入认识此次地震地质灾害发育分布规律及特征,分析地质灾害发展趋势及潜在风险,文章在现场调查获取的一手资料,结合震区首轮地质灾害排查资料、遥感解译和区域地质背景资料综合研究,对地震地质灾害的特征、控灾条件及防灾减灾对策进行了研究。结果表明:截至2022年9月14日22时,地震重灾区泸定县和石棉县境内共诱发有威胁对象的地质灾害隐患点565处,包括崩塌331处、滑坡234处,导致81处已有地质灾害隐患点加剧变形;地震诱发的地质灾害类型主要以中、小型群发性高位崩塌和滑坡为主,主要集中分布在震中附近地震烈度Ⅸ度区域,包括泸定县磨西镇、得妥乡、得妥乡—德威镇段大渡河两岸及石棉县草科乡、王岗坪乡;位于地震烈度Ⅸ度区内的湾东河等流域,根据汶川地震经验认为,在未来5年内泥石流将处于活跃期,泥石流防治工程设计需考虑其高频率、黏性泥石流等特征;得妥乡—德威镇段大渡河两岸残留在坡面的崩滑体在降雨作用下易转化成坡面泥石流,建议在防治工程设计时要充分考虑两种灾害类型的转化形式。研究可为震区地震地质灾害防范及灾后重建规划提供科学参考。 2022年9月5日四川省泸定县Ms6.8级地震诱发大量次生地质灾害。为深入认识此次地震地质灾害发育分布规律及特征,分析地质灾害发展趋势及潜在风险,文章在现场调查获取的一手资料,结合震区首轮地质灾害排查资料、遥感解译和区域地质背景资料综合研究,对地震地质灾害的特征、控灾条件及防灾减灾对策进行了研究。结果表明:截至2022年9月14日22时,地震重灾区泸定县和石棉县境内共诱发有威胁对象的地质灾害隐患点565处,包括崩塌331处、滑坡234处,导致81处已有地质灾害隐患点加剧变形;地震诱发的地质灾害类型主要以中、小型群发性高位崩塌和滑坡为主,主要集中分布在震中附近地震烈度Ⅸ度区域,包括泸定县磨西镇、得妥乡、得妥乡—德威镇段大渡河两岸及石棉县草科乡、王岗坪乡;位于地震烈度Ⅸ度区内的湾东河等流域,根据汶川地震经验认为,在未来5年内泥石流将处于活跃期,泥石流防治工程设计需考虑其高频率、黏性泥石流等特征;得妥乡—德威镇段大渡河两岸残留在坡面的崩滑体在降雨作用下易转化成坡面泥石流,建议在防治工程设计时要充分考虑两种灾害类型的转化形式。研究可为震区地震地质灾害防范及灾后重建规划提供科学参考。
排水抗滑桩技术研究现状及展望
王文沛, 殷跃平, 王立朝, 沈亚麒, 石鹏卿, 李瑞冬, 何清, 陈亮, 殷保国
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202206028
摘要:
排水抗滑桩技术一方面可以克服传统抗滑桩不利坡内渗流排水的问题,另一方面减少了竖向排水、抗滑等结构单独施作时的开挖工程量,并可充分提供水化热散热面,确保整体结构的质量,因此成为现代滑坡防治工程中重要的技术手段,也是近年来地质灾害、水文地质及地下工程等学科持续关注的新型技术。排水抗滑桩技术涉及流体力学和固体力学,以及水动力模型、结构模型、工程地质模型等,理论体系尚不够成熟,且存在空间结构组合相对复杂、施工技术难度较大等问题,其进一步推广运用受到制约,需要开展有针对性的现状总结研究。在查阅大量国内外相关文献、专利和实际工程应用的基础上,对现有排水抗滑桩结构(抗液化桩、空心排水抗滑桩、箱型排水抗滑桩等)特征及分类进行系统归纳发现:结构上通常与集排水结构形成“渗-集-排”抗滑组合立体结构系统,主体抗滑形式多为桩型或键型,“渗-集-排”结构通常包括透水孔、辐射状渗水孔和排水花管;通过对典型应用实例的综合分析,指出排水抗滑桩虽已具有显著提高稳定性的优势,但距离其广泛使用和多元化发展还有一定距离。据此提出目前排水抗滑桩研究中施工工艺复杂、力学性能和排水特性不明晰、抗滑稳定性计算理论不完善、平面布置优化方法待加强等是今后该领域需要关注的重要科学问题和主要发展趋势,这些科学问题的解决不仅有利于完善排水抗滑桩力学和排水理论,而且有利于提升排水抗滑桩整体应用水平。 排水抗滑桩技术一方面可以克服传统抗滑桩不利坡内渗流排水的问题,另一方面减少了竖向排水、抗滑等结构单独施作时的开挖工程量,并可充分提供水化热散热面,确保整体结构的质量,因此成为现代滑坡防治工程中重要的技术手段,也是近年来地质灾害、水文地质及地下工程等学科持续关注的新型技术。排水抗滑桩技术涉及流体力学和固体力学,以及水动力模型、结构模型、工程地质模型等,理论体系尚不够成熟,且存在空间结构组合相对复杂、施工技术难度较大等问题,其进一步推广运用受到制约,需要开展有针对性的现状总结研究。在查阅大量国内外相关文献、专利和实际工程应用的基础上,对现有排水抗滑桩结构(抗液化桩、空心排水抗滑桩、箱型排水抗滑桩等)特征及分类进行系统归纳发现:结构上通常与集排水结构形成“渗-集-排”抗滑组合立体结构系统,主体抗滑形式多为桩型或键型,“渗-集-排”结构通常包括透水孔、辐射状渗水孔和排水花管;通过对典型应用实例的综合分析,指出排水抗滑桩虽已具有显著提高稳定性的优势,但距离其广泛使用和多元化发展还有一定距离。据此提出目前排水抗滑桩研究中施工工艺复杂、力学性能和排水特性不明晰、抗滑稳定性计算理论不完善、平面布置优化方法待加强等是今后该领域需要关注的重要科学问题和主要发展趋势,这些科学问题的解决不仅有利于完善排水抗滑桩力学和排水理论,而且有利于提升排水抗滑桩整体应用水平。
贵州省鸡场滑坡地下水化学特征反映的水-岩(土)作用规律
刘建强, 许强, 郑光, 陈达, 王卓, 蒋金晶
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103009
摘要:
滑坡体水-岩(土)作用是一种复杂的物理化学综合作用,影响坡体的稳定性,但目前水-岩(土)相互作用对于地质灾害的发生方面的影响研究仍较为薄弱。以贵州省鸡场滑坡为研究对象,分析滑坡区岩土体矿物组成和化学成分特征,结合区域内基岩裂隙水、大气降水的成分变化规律,利用主成分分析方法,研究鸡场滑坡水-岩(土)作用过程,并分析水岩演化作用对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)滑体内玄武岩的风化过程是一种机械破碎-矿物蚀变耦合的水-(岩)相互作用,发生在“微观-细观-宏观”三种尺度上;(2)选取前三个因子Z1Z2Z3(分别占总方差的49.365%、27.135%、15.092%)分析地下水的化学特征,主因子Z1反映了玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用,Z2反映了地下水的蒸发作用与SiO2溶解度随pH变化的矿物沉淀作用,主因子Z3反映了地下水与岩(土)体间存在离子交换作用且主参与离子为Mg2+和K+。(3)水岩作用产物主要为伊利石、蒙皂石、绿泥石等黏土矿物,使得岩体结构面内黏土矿物含量增加,岩体劣化损伤,对滑带的形成及滑坡的解体产生重要影响。滑坡地下水与岩土体相互作用的主要过程能被主成分分析结果充分反映。 滑坡体水-岩(土)作用是一种复杂的物理化学综合作用,影响坡体的稳定性,但目前水-岩(土)相互作用对于地质灾害的发生方面的影响研究仍较为薄弱。以贵州省鸡场滑坡为研究对象,分析滑坡区岩土体矿物组成和化学成分特征,结合区域内基岩裂隙水、大气降水的成分变化规律,利用主成分分析方法,研究鸡场滑坡水-岩(土)作用过程,并分析水岩演化作用对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)滑体内玄武岩的风化过程是一种机械破碎-矿物蚀变耦合的水-(岩)相互作用,发生在“微观-细观-宏观”三种尺度上;(2)选取前三个因子Z1Z2Z3(分别占总方差的49.365%、27.135%、15.092%)分析地下水的化学特征,主因子Z1反映了玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用,Z2反映了地下水的蒸发作用与SiO2溶解度随pH变化的矿物沉淀作用,主因子Z3反映了地下水与岩(土)体间存在离子交换作用且主参与离子为Mg2+和K+。(3)水岩作用产物主要为伊利石、蒙皂石、绿泥石等黏土矿物,使得岩体结构面内黏土矿物含量增加,岩体劣化损伤,对滑带的形成及滑坡的解体产生重要影响。滑坡地下水与岩土体相互作用的主要过程能被主成分分析结果充分反映。
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摘要:
工程地质与地质灾害
三向地震作用下错距岩质边坡共振特性研究
林峻岑, 严松宏, 孙纬宇, 欧尔峰
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202206038
摘要:
地震引发的共振往往会对边坡造成更严重的破坏,直接影响其抗震性能。为研究错距岩质边坡的共振特性,通过有限元软件ANSYS建立三维边坡数值模型,分析了错距对边坡固有频率的影响,并使用谐响应分析对坡面各点的共振响应规律及地震作用频率对边坡应力的影响进行了探讨。结果表明:(1)边坡错距越大,基频越小,在不同错距条件下均有可能出现共振现象,坡面的水平共振位移大于竖向共振位移,前坡坡面位移峰值较大,发生共振的频率比后坡小;(2)低阶和高阶固有频率被激发都可引发共振,但高阶共振位移相对较小,前坡和后坡坡面水平位移峰值表现为:坡顶>坡中>坡脚,侧坡则是:坡中>坡顶>坡脚,在高频加载条件下,边坡会出现下部动力响应大于上部的现象;(3)坡体共振时发生的破坏主要以坡脚剪切破坏为主,最大剪切应力和最大拉应力出现的位置与加载频率范围有关,前坡更容易遭受破坏,低频地震动对前坡影响更大,而高频地震动则相反。所得结论可为错距边坡进行抗震设防时确定重点加固部位提供参考。 地震引发的共振往往会对边坡造成更严重的破坏,直接影响其抗震性能。为研究错距岩质边坡的共振特性,通过有限元软件ANSYS建立三维边坡数值模型,分析了错距对边坡固有频率的影响,并使用谐响应分析对坡面各点的共振响应规律及地震作用频率对边坡应力的影响进行了探讨。结果表明:(1)边坡错距越大,基频越小,在不同错距条件下均有可能出现共振现象,坡面的水平共振位移大于竖向共振位移,前坡坡面位移峰值较大,发生共振的频率比后坡小;(2)低阶和高阶固有频率被激发都可引发共振,但高阶共振位移相对较小,前坡和后坡坡面水平位移峰值表现为:坡顶>坡中>坡脚,侧坡则是:坡中>坡顶>坡脚,在高频加载条件下,边坡会出现下部动力响应大于上部的现象;(3)坡体共振时发生的破坏主要以坡脚剪切破坏为主,最大剪切应力和最大拉应力出现的位置与加载频率范围有关,前坡更容易遭受破坏,低频地震动对前坡影响更大,而高频地震动则相反。所得结论可为错距边坡进行抗震设防时确定重点加固部位提供参考。
典型黄土丘陵区地质灾害隐患识别与时序监测
尹玉玲, 徐素宁, 王军, 胡克
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202211004
摘要:
宁南地区地貌以黄土丘陵为主,区内沟壑纵横,小型滑坡较为发育,地表形变监测难度大。为探索这一典型地貌区的地质灾害隐患识别方法,以宁夏固原市泾源县为研究区,应用SBAS-InSAR技术对采集到的2016年7月—2021年5月共11期升轨L波段ALOS-2数据进行处理,得到形变速率结果,并联合高分光学影像,根据形变速率、形变规模、坡度、承灾体等因素进行综合分析,在泾源县共识别疑似隐患27处,经实地验证,其中22处形变迹象较明显,并有明确的承灾体,确定为地质灾害隐患。并对其中典型隐患点进行时序形变分析发现,这些区域在监测时间段内有持续显著的地表形变,最大沉降速率达到91.5286 mm/a。结果表明:联合L波段SAR与高分光学影像的数据、应用综合遥感识别的方法,在该地区准确率较高,具有很好的适用性,可为黄土丘陵区滑坡隐患综合遥感识别提供方法借鉴。 宁南地区地貌以黄土丘陵为主,区内沟壑纵横,小型滑坡较为发育,地表形变监测难度大。为探索这一典型地貌区的地质灾害隐患识别方法,以宁夏固原市泾源县为研究区,应用SBAS-InSAR技术对采集到的2016年7月—2021年5月共11期升轨L波段ALOS-2数据进行处理,得到形变速率结果,并联合高分光学影像,根据形变速率、形变规模、坡度、承灾体等因素进行综合分析,在泾源县共识别疑似隐患27处,经实地验证,其中22处形变迹象较明显,并有明确的承灾体,确定为地质灾害隐患。并对其中典型隐患点进行时序形变分析发现,这些区域在监测时间段内有持续显著的地表形变,最大沉降速率达到91.5286 mm/a。结果表明:联合L波段SAR与高分光学影像的数据、应用综合遥感识别的方法,在该地区准确率较高,具有很好的适用性,可为黄土丘陵区滑坡隐患综合遥感识别提供方法借鉴。
基于SOM-I-SVM耦合模型的滑坡易发性评价
贾雨霏, 魏文豪, 陈稳, 杨清卓, 盛逸凡, 徐光黎
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202206041
摘要:
在使用机器学习模型对滑坡进行易发性评价时,非滑坡样本点通常会在滑坡影响范围之外随机选取,具有一定的误差。为了提高滑坡易发性评价的精度,本文将自组织映射(Self-organizing map, SOM)神经网络、信息量模型(Information,I)以及支持向量机模型(Support Vector Machine,SVM)进行耦合,提出一种基于SOM-I-SVM模型的滑坡易发性评价方法,并将SOM神经网络与K均值聚类算法进行对比,验证模型的可靠性。以十堰市茅箭区为例,首先通过对环境因子的相关性及重要性分析筛选出距水系距离、坡度、降雨量、距构造距离、相对高差、距道路距离、地层岩性7个因子建立滑坡易发性评价指标体系,在此基础上计算出各因子的分级信息量值,并作为模型的输入变量进行滑坡易发性评价。分别采用SOM神经网络和K均值聚类算法选取非滑坡样本,然后将样本数据集代入I-SVM模型预测滑坡易发性。将SVM、I-SVM、KMeans-I-SVM、SOM-I-SVM四种模型预测精度进行对比,其ROC曲线下面积AUC值分别为0.819、0.882、0.901、0.917,说明SOM-I-SVM模型能有效提高滑坡易发性预测准确率。 在使用机器学习模型对滑坡进行易发性评价时,非滑坡样本点通常会在滑坡影响范围之外随机选取,具有一定的误差。为了提高滑坡易发性评价的精度,本文将自组织映射(Self-organizing map, SOM)神经网络、信息量模型(Information,I)以及支持向量机模型(Support Vector Machine,SVM)进行耦合,提出一种基于SOM-I-SVM模型的滑坡易发性评价方法,并将SOM神经网络与K均值聚类算法进行对比,验证模型的可靠性。以十堰市茅箭区为例,首先通过对环境因子的相关性及重要性分析筛选出距水系距离、坡度、降雨量、距构造距离、相对高差、距道路距离、地层岩性7个因子建立滑坡易发性评价指标体系,在此基础上计算出各因子的分级信息量值,并作为模型的输入变量进行滑坡易发性评价。分别采用SOM神经网络和K均值聚类算法选取非滑坡样本,然后将样本数据集代入I-SVM模型预测滑坡易发性。将SVM、I-SVM、KMeans-I-SVM、SOM-I-SVM四种模型预测精度进行对比,其ROC曲线下面积AUC值分别为0.819、0.882、0.901、0.917,说明SOM-I-SVM模型能有效提高滑坡易发性预测准确率。
地下水与地面沉降专栏
沧州地区土层固结特征与地面沉降临界水位研究
王云龙, 陈晔, 郭海朋, 孟静, 王海刚, 臧西胜, 朱菊艳
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202208040
摘要:
沧州市长期以来面临严重的地面沉降问题,在控制沉降发展的前提下,为合理利用地下水资源,需要确立开采水位埋深警戒线。本文针对地面沉降综合防治如何确定临界水位这一科学问题,以沧州三个典型沉降区土样为研究对象,分析了地层固结特征,通过关联地层厚度的方式改进了以先期固结压力求解临界水位的方法,结合多年来地面沉降与地下水水位监测数据,对沧州市临界水位进行了综合定量评估。本文研究表明:沧州地区0 m~150 m以内多为正常固结或欠固结土,150 m以下普遍为超固结土,非弹性释水变形是影响该地区地面沉降速率变化的重要因素。运用改进后的方法计算出沧州市区、肃宁县及东光县的临界水位埋深分别为66.8 m、67.5 m、67.8 m。综合分析沧州市区累计地面沉降与地下水水位变化资料,得出两者之间的指数函数关系,并以沉降速率为指标,求得65~70 m为沧州市区临界水位区间范围。在验证了两种方法计算结果一致性的基础上,最终将65 m作为沧州市区采取地面沉降防控措施的参考临界水位,为地方政府制定合理的地下水开采方案提供可靠依据。 沧州市长期以来面临严重的地面沉降问题,在控制沉降发展的前提下,为合理利用地下水资源,需要确立开采水位埋深警戒线。本文针对地面沉降综合防治如何确定临界水位这一科学问题,以沧州三个典型沉降区土样为研究对象,分析了地层固结特征,通过关联地层厚度的方式改进了以先期固结压力求解临界水位的方法,结合多年来地面沉降与地下水水位监测数据,对沧州市临界水位进行了综合定量评估。本文研究表明:沧州地区0 m~150 m以内多为正常固结或欠固结土,150 m以下普遍为超固结土,非弹性释水变形是影响该地区地面沉降速率变化的重要因素。运用改进后的方法计算出沧州市区、肃宁县及东光县的临界水位埋深分别为66.8 m、67.5 m、67.8 m。综合分析沧州市区累计地面沉降与地下水水位变化资料,得出两者之间的指数函数关系,并以沉降速率为指标,求得65~70 m为沧州市区临界水位区间范围。在验证了两种方法计算结果一致性的基础上,最终将65 m作为沧州市区采取地面沉降防控措施的参考临界水位,为地方政府制定合理的地下水开采方案提供可靠依据。