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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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202010061
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。本文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、两类模型耦合技术上的问题。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。最后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。 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。本文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、两类模型耦合技术上的问题。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。最后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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012033
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。 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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012029
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。 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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202108065
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,滑源区北侧山地表开裂明显;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,南两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、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年北侧滑坡的西北边界,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。 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,滑源区北侧山地表开裂明显;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,南两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、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年北侧滑坡的西北边界,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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202011035
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。 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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104028
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,滑坡体的平面特征为长度约680 m,宽度约210 m。基于早期识别信息,地质-力学联合分析结果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。 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,滑坡体的平面特征为长度约680 m,宽度约210 m。基于早期识别信息,地质-力学联合分析结果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。
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5.1级地震为例
顾鸿宇, 王东辉, 李胜伟, 郑万模, 刘港, 向元英, 李丹, 陈能德
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202104019
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\begin{document}${\rm{NH}}_4^+ $\end{document}\begin{document}${\rm{NO}}_3^- $\end{document})中地下水向ZK1的排泄,而处于氧化环境(Eh>0)的第一含水层(高浓度Cl,高TDS及pH)中地下水主要向ZK6排泄。不同含水层水体向井排泄和混合是造成两口井地下水化学组分差异响应的原因。根据震后井水位及水化学组分的趋势变化规律分析,岩体在地震作用下的不排水体积改变是造成地下水水位阶跃变化的主要原因,ZK1周围第二含水层发生了塑性变形,渗透性发生了永久改变,而ZK6周围岩体发生弹性变形,渗透性未发生永久改变。 相邻监测井的同震差异响应分析是研究地下水同震响应机理的路径之一。2020年2月3号青白江地震引发了龙泉山地下水监测井水位及水质的异常变化。利用多种水化学组分及水位的自动监测数据分析了相邻两口监测井的同震差异响应特征,讨论了水化学组分及水位差异响应机理。在相同能量密度情况下,ZK1水位变幅较ZK6大,表明ZK1对本次地震响应的敏感性高于ZK6。地震主要引起了处于还原环境(Eh<0)的第二含水层(主要离子为${\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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103045
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。 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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202010041
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。 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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202008010
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产生的蠕滑-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。 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产生的蠕滑-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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012061
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。 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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202010056
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。 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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103006
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。 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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103037
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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202012060
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。 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。
基于电子扫描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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202101022
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SEM(扫描电镜)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。 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SEM(扫描电镜)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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202101018
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。 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。
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
, doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.20201043
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增采咸水比为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。 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增采咸水比为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。