有自由面的裂隙网络稳定渗流试验与数值分析

为探究裂隙网络含自由面的稳定渗流特性,设计可视化的二维裂隙网络渗流试验装置,通过调节裂隙网络模型的上、下游水头开展一系列裂隙网络渗流试验,依次记录自由面水头高度和渗流流量大小;同时基于有限元软件COMSOL Multiphysics中的Darcy接口,建立等比例二维裂隙网络数值模型,复现试验工况并与试验结果对比分析。对比发现试验结果与模拟结果基本吻合,这验证了试验结果的有效性以及数值模拟的准确性。研究结果表明:影响自由面变化的主要因素为上、下游水头高度及二者高度差:渗流水力梯度越大,自由面位置的下降越快;渗流水力梯度相同的水力条件,上、下游水头越高,形成的自由面水头越高,自由面降落曲线也越陡。其中,若上、下游水头高度不处于近似的水平,二者对于自由面位置的影响存在较大差异。自由面变化的基本规律符合Dupuit公式的表述。稳定渗流的水力梯度与平均流量仅在流量较小时符合线性相关,随着水力梯度的增加,二者关系呈现明显的非线性。

基于t-SNE-AMARS-MPM的空间变异性边坡可靠度分析及大变形破坏模式研究

在考虑参数空间变异性对大变形边坡可靠度评估的影响,特别是在小失效概率的情况下,传统分析方法常因耗时冗长或难以评估大变形失稳破坏而受限.针对这一问题,提出一种结合t分布-随机邻近嵌入、主动学习多元自适应回归样条法和物质点法的新方法,并深入探讨了t分布-随机邻近嵌入对代理模型的优化作用.首先,利用Cholesky分解法离散边坡参数随机场,并通过确定性分析获取训练样本.随后,采用主动学习函数优化代理模型,高效求解边坡安全系数并按升序排列.最后,使用物质点法依次模拟并获取失效样本.以一个两层不排水土坡为例,验证了该方法的有效性.结果表明,所提方法相较于传统随机物质点法,计算量仅为其1.64%,显著提高了计算效率.同时,通过对失效样本的深入剖析,识别出边坡失稳具有4种不同的破坏模式,这些破坏模式的演化过程与土体参数的空间分布紧密相关.尤为值得注意的是,多层渐进破坏模式作为其中破坏过程最为复杂的类型,其对周边环境的威胁尤为显著,需要重点防范.这为边坡工程的风险评估和加固提供了重要依据.

基于LBM的粗糙裂隙内两相驱替渗流特性模拟研究

岩体粗糙裂隙两相驱替渗流普遍存在于许多工程应用中,而裂隙开度分布特征与壁面润湿性是影响两相驱替特性的关键因素.基于分形理论生成三维粗糙裂隙面并分别构建开度分布一致的均质模型和不一致的非均质模型,通过LBM伪势模型模拟粗糙裂隙准静态排水过程,研究了裂隙开度分布特征与壁面润湿性对两相驱替渗流特性的影响规律及细观机制.研究结果表明:均质模型驱替前缘基本保持平稳推进,而非均质模型出现优先驱替阻力较小的大开度区域的优势驱替路径现象,润湿性增强可加剧该现象致使驱替前缘更快突破,对均质模型无明显作用;残余捕获可分为孤立的“圈闭”模式和吸附在裂隙壁面的“水膜”模式,非均质模型中圈闭捕获明显多于均质模型,强润湿性有利于水膜捕获增多;当驱替压力增大至进入压力后,非均质模型中部分小开度区域润湿相被逐步排驱,而均质模型大多数润湿相被快速驱替,因此非均质模型P_(c)-S_(w)曲线比均质模型更加平缓,润湿性增强使得两种裂隙模型驱替开始发生时的进入压力更大,施加相同驱替压力时驱替效率更低.

基础环式风机基础周期荷载损伤特征分析

基础环式风机基础的损伤累积破坏影响风力机系统的安全运行。针对基础环式风机运行过程中基础混凝土损伤问题,以内蒙古某49.5MW风电场为例,利用ABAQUS有限元软件建立风机基础混凝土损伤模型,对比分析了静力荷载工况与周期性荷载工况下基础混凝土损伤变化规律。结果表明:静力荷载工况下,基础主要产生拉伸损伤,受压性能稳定,钢筋骨架未达到极限状态;相较于静力荷载,在周期性荷载作用下,拉伸损伤区域增大3倍,竖向扩展增加3倍,压缩损伤面积扩展2倍,位移量增加1.6倍,钢筋应力增大0.5倍,有助于解释周期性荷载作用下基础的损伤行为。

岩体离散裂隙网络的非饱和渗流数值分析

针对裂隙岩体的非饱和渗流问题,基于离散裂隙网络模型并结合非饱和Darcy定律、Richards方程、非饱和本构模型以及Signorini型饱和-非饱和互补溢出边界,提出了离散裂隙网络非饱和渗流问题的数学模型。采用有限单元法建立了裂隙网络非饱和渗流模型的数值求解格式和对应的迭代算法。通过与矩形坝稳定渗流、一维竖直裂隙非饱和入渗以及室内二维瞬态排水渗流的试验、数值及理论结果对比分析,验证了文中算法的有效性;根据流量等效原则,指出了裂隙网络模型应用于求解连续介质非饱和渗流问题的有效性。验证了该算法对于求解裂隙边坡降雨入渗问题的可靠性,揭示了降雨入渗过程裂隙网络流量分布的非均匀性及裂隙产状对降雨入渗流动具有重要的控制作用。

岩体裂隙网络非稳定渗流分析与数值模拟

针对裂隙岩体的非稳定渗流问题,通过将Darcy定理扩展到包含干区的整个裂隙网络区域,并令潜在溢出边界条件为Signorini型互补边界条件,将湿区上的非稳定渗流问题转化为全域上的一个新的初边值问题。为降低试探函数选取的难度,建立与定义在整个裂隙网络区域上的偏微分方程(PDE)提法等价的抛物型变分不等式(PVI)提法,并给出裂隙网络非稳定渗流分析的有限元数值分析格式和迭代算法,与砂槽模型试验数据的对比分析,验证其有效性。最后,将文中发展的计算方法应用到含复杂裂隙网络的边坡非稳定渗流分析,计算结果很好地反映出边坡内部自由面随库水降落的变化规律,并能准确地描述裂隙网络内部渗流运动特征及流量分布的不均匀性。

三维裂隙网络非稳定渗流分析的变分不等式方法

为了求解裂隙岩体有自由面非稳定渗流问题,将Darcy定律延拓至整个研究区域,使得潜在溢出边界条件满足Signorini型边界条件,建立了三维裂隙网络非稳定渗流问题的抛物型变分不等式(parabolic variational inequality,PVI)提法,并证明其与偏微分方程(partial diferential equation,PDE)提法的等价性,从而将自由面上的流量条件以及潜在溢出边界上的互补条件转化成自然边界条件,降低该问题求解难度.同时给出了基于PVI提法的有限元数值求解方法,通过与交叉裂隙模型理论解的对比分析,证明了该方法的正确性.最后将该方法对含复杂三维裂隙网络的边坡进行非稳定渗流分析,计算结果表明该方法对于复杂裂隙网络求解具有较强的可靠性和适应性.

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型(MT模型)。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。

裂隙网络无压渗流分析的初流量法

借鉴初流量法的思想,引入初流速来抵消在裂隙网络干区实际不存在的流速,将Darcy定理扩展到整个区域,定义了在整个区域上的非线性边值问题,并将潜在溢出面边界条件归纳为Signorini型边界条件,建律了等价的变分不等式提法。通过结合连续型的Heaviside函数,给出了基于变分不等式的初流量有限元迭代算法,研制开发了相应的计算程序,通过两个典型算例验证了本文算法在求解复杂裂隙网络渗流自由面的有效性和鲁棒性。

粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型与数值分析

粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数是岩体工程多相渗流以及水力耦合分析的重要参数。从粗糙裂隙的细观结构出发,基于毛细吸持理论和立方定理,提出了粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型。通过与具有不同空间分布的粗糙裂隙水、气两相流试验数据对比分析,验证了模型的准确性。为进一步验证理论模型对不同粗糙程度裂隙的适用性,基于SRAM与Invasion Percolation模型,提出了粗糙裂隙的开度分布生成以及水、气两相流数值分析方法,计算结果表明理论模型与数值数据基本吻合一致,且优于X模型、V-C模型以及Corey模型。

考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境,其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影响。基于此,制作胶结充填体的标准圆柱体试样,采用WDW-100 kN型微机控制电子万能试验机加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统,进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验,获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果,探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验,从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响,引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件,构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型,并通过试验结果进行验证。研究结果表明:①不同应力水平下,胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著,据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;②不同应力水平下,胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内,声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内,声发射活动较少;加速蠕变阶段内,声发射事件最活跃;③对比单轴压缩破坏,胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓,主裂纹沿扩展方向发生明显偏转,完整性较好,以结构性失稳破坏为主;④构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试验数据均有较高吻合度,较好的表征了不同应力水平下的胶结充填体蠕变变形规律。

基于向量投影加权响应面法的边坡可靠度分析

对于复杂的岩土结构而言,功能函数常表现为高度非线性隐式函数,响应面法成为刻画真实功能函数的重要方法。在向量梯度投影选择取样点的同时,对各取样点的重要性程度进行评估,并通过构造加权系数矩阵实现对响应面函数的拟合修正。将加权回归思想与向量投影取样相结合,并采用所得实验点拟合极限状态方程,为解决含有隐式功能函数的工程问题提供一种高效方法。以2个边坡为例研究所提方法的可靠性,结果表明:与传统响应面法相比,该方法具有效率快、精度高等优势。此外,研究了所提方法中相关参数的取值,增强了该方法的实用性。

岩体粗糙裂隙几何特征对其Forchheimer型渗流特性的影响

为了研究岩体粗糙裂隙几何特征与其非线性渗流特性的相互关系,基于裂隙面分形特性提出了三维粗糙裂隙的几何结构表征模型,通过直接求解N-S(Navier-Stokes)方程,研究了不同开度均值、标准差和分形维数对岩体裂隙Forchheimer型渗流特性的影响规律,验证了Forchheimer方程描述流量与压力梯度非线性关系的有效性。研究结果表明:当流量较小时,随着裂隙开度均值减小、标准差增大,线性系数逐渐增大即水力开度逐渐减小,渗透能力下降,分形维数对其渗透能力的影响较小,并提出了水力开度与开度均值、标准差的经验关系式;当流量较大时,水流流态从线性流向非线性流转变,随着开度均值减小、标准差和分形维数的增大,非线性系数增大,临界雷诺数减小,测得Rec范围为11.16~39.3。

基于FlAC^(3D)的露天矿边坡稳定性及影响因素敏感性分析

结合露天矿边坡实际情况,利用FLAC^(3D)数值模拟软件对露天矿边坡进行三维数值模拟分析,运用有限元强度折减法计算边坡稳定安全系数。为研究各因素对边坡稳定性的影响,选取6个典型边坡影响因素(内摩擦角、黏聚力、抗拉强度、重度、弹性模量和泊松比)设计正交试验,采用FLAC^(3D)数值软件对正交实验方案进行模拟运算,运用多因素灰色关联分析法分析计算结果,并与单因素分析进行对比。结果表明:根据计算不收敛这一判据,求解安全系数流程简单,在满足精度要求的情况下,求得边坡安全系数为1.96;2种分析方法计算得出的各因素敏感性大小基本一致,内摩擦角对边坡稳定性的影响最大,其次是黏聚力,泊松比的影响最小。其中,多因素分析过程中正交实验灰色理论耦合分析考虑各因素之间的交互作用,通过计算各影响因素之间的关联度,得出各影响因素的敏感性大小,所得结果更加可靠。

岩体裂隙几何结构对其渗流传热特性的影响

深部岩体热能开发、利用及存储过程中普遍涉及裂隙渗流传热问题,粗糙裂隙几何结构对其渗流传热特性具有重要影响。通过逐次随机累加法,构建不同分形维数和标准差的粗糙裂隙几何模型;结合Navier-Stokes方程、动量和能量守恒方程,模拟粗糙裂隙渗流传热动态过程;研发岩体裂隙渗流传热试验系统,开展花岗岩裂隙渗流传热试验验证数值方法的可靠性;然后分析不同分形维数与标准差条件下粗糙裂隙渗流传热特性的变化规律。结果表明:水岩换热作用随着时间推移逐步下降,热锋面贯通后进入热平衡阶段;随着分形维数的增大和标准差的减小,由于优势流效应显著增强,总体换热特性减弱,因此平均对流换热系数逐步减小;局部对流换热系数与裂隙的平均开度和中线最大高程差值呈正相关关系;局部努塞尔数随分形维数增大而增大,在出口处达到峰值。

岩体三维裂隙网络地质熵与渗透特性关系研究

裂隙网络是岩体地下水的主要流动通道,而工程岩体中裂隙网络错综复杂,裂隙网络的几何特征和连通性对其渗透性有着重要影响.为了综合量化裂隙迹长、间距、倾角、开度对裂隙网络连通性和渗透性的影响,基于信息熵原理,提出了三维裂隙网络地质熵理论和连通性指标-熵尺度,对比熵尺度与其他传统三维裂隙网络连通性指标,验证了熵尺度评价三维裂隙网络连通性和渗透性的合理性.结合锦屏一级水电站左岸边坡裂隙统计分布,建立三维裂隙网络渗流数值计算方法,分析不同裂隙迹长、倾角、间距、开度条件下三维裂隙面密度、无量纲逾渗密度、熵尺度和渗透系数的变化关系.结果表明:当体积率一定,考虑开度影响时,三维裂隙面密度和无量纲逾渗密度无法定量表征迹长和间距对裂隙网络连通性的影响;裂隙迹长与熵尺度和渗透系数呈负相关关系,裂隙间距和开度与熵尺度和渗透系数呈正相关关系,裂隙倾角变化对熵尺度和渗透系数影响较小;熵尺度与渗透系数的非线性关系近似满足二次多项式.

旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立了基于剪切应力传输(shear stress transfer,SST)湍流模型的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明:在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大;整机结构附近有明显的气流扰动变化;停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大;入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。

基于刻蚀反应的纳米结构空心化

中空纳米材料的可控合成使其在催化、能量转换与储存、生物医药等领域具有广阔的应用前景.本专论旨在揭示刻蚀反应对纳米结构空心过程的关键影响.讨论了通过增强纳米粒子表面在刻蚀液中的相对稳定性来精确操纵中空化过程的策略,主要关注3种刻蚀策略,包括硬模板法、氧化还原辅助中空法和表面钝化自模板法.最后,对基于刻蚀反应的纳米结构空心化可控合成未来的发展方向进行了展望.

基于改进PSO-RBF神经网络的三维边坡可靠度分析

三维边坡模型能真实反映边坡空间效应,提升边坡可靠度计算精度,然而由于三维边坡模型计算量庞大且安全系数缺少显示表达,边坡可靠度分析主要以二维简化模型为主,针对三维边坡可靠度分析的研究仍存在不足.提出一种基于Spencer方法、自适应变异粒子群优化算法(PSO)和径向基函数神经网络(RBF)的三维边坡可靠度分析方法.通过对传统PSO算法引入变异算子,改善了其搜索精度较低、后期迭代效率不高等缺点.以三维Spencer方法为基础,结合改进PSO算法与RBF神经网络构建三维边坡安全系数的计算模型进行可靠度分析,实现三维边坡功能函数的显示化,通过标椎椭球滑体可靠度分析,验证了该方法相较于传统方法计算精度和效率的提升;进一步研究了卡基娃左岸边坡减载开挖过程稳定性及可靠度的变化规律,结果表明:削坡减载作用后有效提升了边坡的稳定性,边坡失效概率减小了近2个数量级.

胶结充填体损伤演化尺寸效应研究

尺寸效应是影响胶结充填体抗压强度、变形破坏及损伤演化的一个重要因素。基于此,采用WAW–300微机电液伺服万能试验机、声发射和超声波监测系统,选取尺寸为50,70和100 mm的方形试样进行单轴压缩试验,通过分析声发射参数与超声波波速变化规律,探讨不同尺寸胶结充填体损伤演化规律。研究结果表明:(1)随着尺寸的增加,胶结充填体抗压强度表现出先增后减趋势,破坏形式由劈裂破坏为主向剪切破坏为主转化;(2)声发射参数与超声波波速变化规律表现出明显的阶段性与波动性特征:随尺寸的增加,声发射振铃累计计数曲线在平静期内趋于平缓,但在活跃期内上升幅度更高,超声波波速在平静期与活跃期内下降幅度均增加;(3)胶结充填体损伤演化过程中的耗散能量是影响其抗压强度的内在因素,峰后破坏过程中的损伤程度是影响其破坏形式的主要原因。研究成果可为不同尺寸胶结充填体破裂预测提供指导。