水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸确定方法

网格尺寸对水下爆炸冲击波传播过程的数值模拟精度有较大影响,且不同当量下可接受的网格尺寸也有较大区别。通过研究不同比例爆炸距离处水下爆炸冲击波峰值、比冲量对有限元网格尺寸的依赖性,以"炸药半径与网格尺寸之比"作为网格尺寸划分依据,提出了一种对不同当量均具有较强适用性的网格尺寸确定方法;对数值结果的误差分析表明,采用炸药半径的1/3作为数值模型的网格尺寸,其计算精度可满足工程要求;同时通过对数值计算误差进行非线性拟合,得到了不同网格尺寸下冲击波峰值压力、比冲量的误差估计式,可为研究人员根据可接受的误差范围确定任意当量下合适的网格尺寸或估计数值计算的整体误差提供参考。

复杂地质条件输水隧洞冻结施工段支护控制研究

穿越含水疏松砂岩层的深埋输水隧洞围岩稳定和支护控制问题是长距离输水生命线工程中的难点,其施工开挖和支护控制方法目前尚不完善。结合某深埋输水工程疏松砂岩层的支护工程实践,分析了疏松砂岩层冻结施工过程及解冻后土体力学性质的演化以及围岩支护联合受力机制,采用有限元法揭示了冻融过程下围岩的变形规律及支护受力演化特征,并提出疏松砂岩层冻结施工及分步联合支护的设计理念和支护方案。研究结果表明,采用分步联合支护方法能够得到较理想的支护效果,冻结施工段进行支护结构刚度设计和数值验证时应考虑冻融过程对围岩的扰动弱化,让各种支护手段在时间和空间上实现有效结合,使围岩和支护结构紧密结合,形成受力机制明确的联合受力体。

基于离散元模拟的二元颗粒柱坍塌特性研究

常见的地质灾害如滑坡、泥石流、岩崩等通常都涉及不同形状的颗粒物质运动,这些形状不同的颗粒又多具有不同的尺寸和含量。基于典型的颗粒柱坍塌试验,首先根据试验方法确定了离散元模拟所需的各项参数,然后采用随机多面体方法生成了可控制长细比的大颗粒,利用离散元法就不同大颗粒含量下形态变化对二元颗粒柱坍塌特性的影响开展研究,研究结果表明:(1)利用离散元法可以较好地重现室内试验中小球和多面体组成的二元颗粒系统的颗粒柱坍塌过程;(2)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱系统中,当大颗粒含量高于临界含量值20%时,二元颗粒柱坍塌持续的时间随非球形大颗粒长细比的增加而增加;(3)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱中,当大颗粒含量高于临界含量值20%时,在相同百分比的大颗粒含量下,大颗粒长细比的增加会提高大颗粒平均配位数以及降低颗粒的运动能力,大颗粒间形成更强的互锁作用,降低了颗粒柱的整体流动性,使其最终堆积高度更高、最大跑出距离更短以及更小的归一化动能峰值。(4)在不同长细比的不规则大颗粒和小球组成的二元颗粒柱中,小颗粒可以较为明显降低大颗粒间摩擦及互锁作用,增加流动性,降低大骨料形态对坍塌过程的影响。

基于XFEM的寒潮作用下水闸开裂性状分析

水闸普遍存在着可见和不可见的裂缝,带裂缝工作是水闸的常态,当受到寒潮的影响时,已有的细微裂缝会连通、扩展,甚至贯穿整个闸墩,严重影响结构的安全性和耐久性。扩展有限元法(XFEM)通过富集非连续位移模式,使得非连续位移场的表征独立于单元边界,可有效描述混凝土中的裂纹扩展。基于XFEM并结合热力耦合,研究了水闸在不同初始温度下,遭遇不同降温幅度及历时的寒潮作用时的渐进开裂破坏过程,并与某实际工程的开裂情况进行对比,数值模拟结果与现场情况基本吻合。研究结果表明,水闸遭遇寒潮时,靠近闸墩表面的温度与外界温度变化基本一致,靠近闸墩中心的温度变化较小,闸墩内外温差随着寒潮强度的增强而增大;闸墩混凝土的内表温差和约束是导致闸墩开裂的根本原因;裂缝分布在上下游墩头与底板相交的位置,随着寒潮强度的增强,裂缝与底板的夹角、长度及深度也随之增大,对水闸结构的不利影响也越大。因此,寒潮来临时应做好安全监测及混凝土防护工作,控制闸墩的温降以防止裂缝的开展。

基于InSAR与多源数据融合的堆石坝外观变形重构

为了满足200~300 m级堆石坝变形监测的需求,弥补利用单轨道合成孔径雷达(SAR)数据只能测得地物视线向与方位向二维变形的不足,基于集合卡尔曼滤波将合成孔径雷达干涉(InSAR)观测与常规点式监测数据进行跨尺度融合,提高堆石坝外观变形的监测精度;利用多维度监测数据,重构堆石坝外观变形场.以水布垭面板堆石坝为例进行研究,结果表明,多源数据融合能够实现"大范围、低精度、高效率"的新型监测技术与"离散点、高精度、低效率"的常规监测技术的优势互补.基于多维度监测数据重构外观变形场能够全面地掌握堆石坝的整体变形性态,降低单维度监测结果对实际变形漏判或误判的可能性.该方法可以用于库岸边坡的变形监测和变形场重构.

深部地下实验室扩挖岩爆监测与动态防控技术研究

中国锦屏地下实验室二期(CJPL-Ⅱ)扩挖工程建设潜在高等级岩爆风险。为此,建立了深部地下实验室相邻同向短洞室固定式和单侧相向扩挖移动式微震传感器阵列优化布置方法,构建了基于岩爆风险程度的岩爆预警频次优化原则,提出了针对性的CJPL-Ⅱ扩挖岩爆防控措施,实现了CJPL-Ⅱ扩挖过程岩爆实时监测、动态预警与防控,岩爆预警与实际情况吻合良好,保障了CJPL-Ⅱ扩挖顺利完成。分析了CJPL-Ⅱ扩挖各洞段开挖过程微破裂时空演化规律及其差,研究结果表明新增通道微震活动较扩挖段更为活跃,岩爆风险亦更高,扩挖微震活动活跃程度与空间集聚特征受扩挖断面尺寸,扩挖深度以及结构面影响。研究成果可为类似深埋工程安全建设提供借鉴。

阵列式位移计的300m级高心墙堆石坝沉降监测方法研究

因传统变形监测仪器存活率低、精度差,难以满足高心墙堆石坝沉降监测需要,提出了基于阵列式位移计的高心墙堆石坝沉降监测方法,并在两河口水电站大坝心墙沉降监测中得到成功应用,沿两河口大坝2760m高程心墙轴线拉通埋设的3套(共计400m长)阵列式位移计,完整揭示了大坝心墙沿轴线的沉降分布及发展规律。监测成果表明阵列式位移计具有精度高、量程大、环境适应性强等特点,能较好解决300m级高堆石坝变形监测面临的“高水压、高土压、大变形”等技术难题,是一种应用前景广阔的高堆石坝沉降监测新技术。

基于冻融次数-物理时间比拟理论的冻土长期强度预测方法

冻融作用可以改变土的结构,引起其力学特征的变化,从而影响到冻土工程的稳定性。由于冻融周期的设定不尽相同,因此大量的试验结果不能有效地进行对比分析。另外,对于冻融作用下土体力学特征的预测也成为研究的难点。在冻土遗传蠕变理论的基础上,利用球型模板压入仪作为测试方法,提出了一种冻融次数-物理时间比拟的方法。把冻融周期(次数)转化成物理时间(min),将不同冻融周期土的长期强度曲线簇映射到同一坐标中,利用该归一化曲线进行长期抗剪强度的预测,并选取了两种土样进行了测试,分别得到了相关的长期抗剪强度的预测方程。该方法对冻融作用下土体力学行为的成果对比研究以及长期强度的预测有重要的理论意义,对寒区工程稳定性预测分析也具有工程实践价值。

基于新“3S”技术的大型水电工程库区滑坡识别方法研究

为构建一种能高效、准确识别大型水电工程库区边坡的方法,对已有文献所述滑坡识别“3S”技术(GIS、RS及GPS/GNSS技术)的技术特点进行了深入研究,采用合成孔径卫星雷达干涉测量技术(InSAR)替代RS技术构建了新“3S”技术,新“3S”技术可用于大范围普查,且能从滑坡形态地貌学和滑坡历史位移特征两个维度进行滑坡筛查,因此滑坡识别的准确性更高。为便于其他研究人员掌握新“3S”技术,系统阐述新“3S”技术用于大型水电工程库区滑坡识别的工作流程以及提高滑坡排查准确性的具体措施建议,提出的新“3S”技术在大型水电工程库区滑坡识别方面具有较强的实用性和可操作性。

高地应力砂板岩区岩锚梁精细化开挖技术研究

两河口水电站地下厂房处于高地应力砂板岩区,厂区第一主应力与厂房轴线大角度相交,应力集中释放破坏岩体问题突出,且存在优势裂隙发育不利于块体稳定等地质问题,导致厂房岩锚梁开挖施工难度大、成型质量难控制.开挖中严格遵循"薄层开挖、随层支护"原则,通过1∶1精细化爆破实验优选爆破参数并严控爆破钻孔质量;严格遵循"先固后挖"原则,根据地下厂房洞室群围岩稳定速监测与反馈分析成果进行支护参数动态调整、采取预加固措施等严格控制围岩变形,确保了岩锚梁开挖优质成型.岩锚梁精细开挖技术在砂板岩地区的施工控制措施全过程的详细介绍为同类工程提供了参考.

高地应力下硬岩Ⅴ型破坏坑数值模拟研究

为确定可准确模拟高地应力下硬脆性岩体破坏的本构模型,以Mine-by试验隧道为例,采用线弹性模型、理想弹塑性模型、m-0准则、CWFS模型等4种常用的本构模型对高地应力下硬岩脆性破坏的一种典型破坏模式——V型破坏坑进行数值模拟。结果表明,线弹性模型无法模拟硬岩的脆性破坏问题,仅可通过分析洞周围岩的二次应力场及强度系数分布特征粗略估计围岩张拉破坏范围;MOHR-COULOMB强度准则中不包含中间主应力σ2,无法考虑中间主应力对岩石强度的影响及岩体塑性屈服后的性能劣化,计算结果误差很大;可考虑围岩破坏过程中材料力学性能劣化的CWFS模型和m-0准则在模拟硬岩脆性破坏方面效果较好,数值结果与实际情形较为一致。研究结果可为类似工程开展岩爆破坏数值模拟和防治提供参考。

空中和水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸效应对比分析

爆炸冲击波在不同物理属性介质中的传播特性存在较大差别,使得其对数值模拟网格尺寸的依赖性也不尽相同。采用Euler算法建立了不同当量、不同网格尺寸下自由场空中和水下爆炸的全耦合数值模型,通过数值解与经验公式计算值对比,对空中和水下不同比例爆炸距离处爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸效应及计算精度进行了对比研究。结果表明对于空中爆炸,比例爆炸距离较大处冲击波峰值超压的数值计算误差较小,而水下爆炸基本上与此相反;空中爆炸冲击波峰值的数值计算误差曲线以比例爆炸距离0.7 m/kg1/3为界,具有明显的"前陡后缓"特征,而水下爆炸的误差曲线整体上较为平缓。此外,文中提出可采用"炸药半径与网格尺寸之比"确定网格尺寸,通过具体算例证明了该方法对不同当量的空中爆炸和水下爆炸问题均具有较强的适用性。

混凝土重力坝水下接触爆炸下的毁伤特性分析

采用常规有限元法研究接触爆炸下的结构破坏特性时,往往将由于网格高度畸变而导致计算中断或错误的结果。考虑炸药、流体、结构之间的动态耦合及混凝土的高应变率效应,采用SPH-FEM耦合方法,其中SPH法用于模拟爆炸近区的坝体大变形,FEM法用于模拟远场坝体响应,构建了混凝土重力坝水下接触爆炸的全耦合模型,对水下接触爆炸下的大坝动态响应及毁伤特性进行分析。研究表明,采用SPH-FEM耦合分析技术可以较好地揭示水下接触爆炸下大坝冲坑形成及其毁伤特性;水下接触爆炸冲击荷载作用下大坝受损程度比水下非接触爆炸时严重,在研究水工大坝抗爆性能时,应重点关注水下接触爆炸下的大坝毁伤特性。

利用无人机技术的高陡边坡孤立危岩体识别

在水利水电工程建设中,快速、准确、便捷地识别高陡边坡危岩体十分重要。无人机搭载激光雷达可以快速获得大面积高密度的高陡边坡点云数据。首先利用获取的点云数据提取地面点后进行平滑去噪,通过几何特征提取边缘点云后聚类,形成待分类的对象;然后将聚类后的点云进行三维重构,生成数字高程模型(digital elevation model,DEM),通过危岩体的空间特征提取孤立危岩体;最后将该方法应用到两河口水电站枢纽区两岸边坡的孤立危岩体勘测上。结果表明,无人机搭载激光雷达可以准确、快速获取大面积高陡边坡的空间坐标数据,进而获取危岩体的空间信息;基于DEM可得到面积、倾角、最大高差等特征组合,从而快速有效地提取孤立危岩体。该方法具有比较强的适用性和可靠性,有助于高陡边坡孤立危岩体的快速识别。

勇攀三座高峰,向极低辐射本底实验环境进军

锦屏大设施将成为多学科交叉的世界级开放共享实验平台和世界深地科学研究中心,努力让世界听见来自锦屏的科技最强音!锦屏大设施全称极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施,是“十三五”时期国家优先安排建设、国家“十四五”规划要求超前布局的重大科技基础设施,由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同建设,是国内首个校企共建的国家重大科技基础设施项目。