适宜水工混凝土内环境的矿化微生物梯度驯化优选

水工混凝土内部高碱性环境限制了微生物混凝土的自修复效能。利用梯度驯化方法可提高矿化微生物对高碱度的耐受性,优选出适宜混凝土孔隙内环境并具备高诱导矿化沉积能力的增强嗜碱型微生物。首先,在实验室高碱性环境下,对比巨大、科氏、枯草、巴氏等4种芽孢杆菌的活性及诱导矿化沉积量,初选耐碱性较好的微生物并对其开展耐碱性梯度驯化;随后,综合分析驯化微生物对混凝土力学性能、吸水性、渗透性和自愈能力的影响,通过扫描电子显微镜和X射线衍射对矿化产物微观形态和组成进行分析。结果表明:相较于巨大、科氏和枯草芽孢杆菌,巴氏芽孢杆菌在高碱性条件下表现出更强的活性,梯度驯化技术可进一步提高巴氏芽孢杆菌在高碱性环境中的活性,并证实通过该方法增强的耐碱性具有后代保留的特性;与掺未驯化微生物组试样相比,掺驯化微生物混凝土试样养护28 d的抗压强度提高了16.59%,吸水系数降低了37.74%,渗透系数减小了19.22%;掺驯化微生物混凝土试样的裂缝自修复试验得到裂缝最大修复宽度为0.57 mm,超过了未驯化微生物组的0.44 mm。本研究为基于微生物诱导矿化沉积技术的微生物水工混凝土研发和应用提供理论依据和技术支撑。

水工混凝土矿化微生物固载及自修复试验研究

直接内掺方式制备微生物自修复混凝土会因拌合的机械挤压摩擦、生存环境受限等因素影响矿化微生物的长期活性。本文选择巴氏芽孢杆菌为矿化微生物,以膨胀珍珠岩和陶粒为微生物载体,以水泥浆和偏高岭土浆液为载体包覆材料,通过试验优选有助于微生物释放和保护的载体及其合理粒径、包覆材料,并研究微生物固载对裂缝自修复效果的影响。结果表明:掺入定量的膨胀珍珠岩的水工混凝土试样劈裂裂缝处拉裂面积比更大,作为水工混凝土微生物固载材料时较陶粒更能有效释放矿化微生物;偏高岭土浆液较水泥浆更适合作为载体的包覆材料,其包覆的微生物14 d存活率为86.63%,有效保证了固载微生物的长期活性;对微生物进行膨胀珍珠岩固载和偏高岭土浆液包覆,修复养护90d裂缝最大修复宽度为0.616mm,高于直接内掺的0.453mm,有效改善了混凝土试件的裂缝自修复效果。

滑坡地下渗流流速的光纤光栅监测装置研发

地下渗流是影响滑坡稳定性的重要因素之一,实现渗流相关物理指标的实时有效监测是准确分析滑坡地下水响应规律和滑坡演化过程的关键.常规渗流监测装置无法兼具渗流速率和流向两个关键参数,且存在抗干扰能力弱、监测成本高、精度低的局限性.结合主动加热光纤光栅法的温度传感特性和地下渗流场中的热对流规律,研发滑坡体渗流速率和流向的光纤光栅监测装置,建立基于测孔温度光纤光栅示踪的渗流监测系统.通过开展模型试验对监测装置和监测系统的有效性进行验证,研究结果表明:通过对测孔各方位光纤光栅的温度特征值变化率kη实施监测,可准确识别地下渗流的流速和流向;在流速量程1.2×10^(-4)~3.0×10^(-4)m/s范围内,装置对渗流速率具有较好的线性度和监测能力,装置监测渗流速率的误差占比11.2%,渗流流向的识别精度为11°左右.该装置的研发为库岸滑坡体地下渗流的精细监测提供了一种新的方法和技术手段.

滑坡表面位移的无人机航测点云比对监测方法

滑坡单点式位移监测难以反映滑坡的整体位移状态,采用多尺度模型到模型的点云比对算法(M3C2)可实现对滑坡的面域监测。本文首先通过对无人机采集的影像进行运动恢复结构(SfM)分析,还原滑坡三维点云模型;然后利用点云比对算法对两期点云数据进行处理,以色值大小体现滑坡区域的位移,进而识别滑坡表面位移变化;最后将该方法运用于实际边坡的表面位移监测。试验结果表明,应用M3C2算法可成功识别边坡变动区域,捕捉到1 cm的水平或垂直位移变化,能直观反映滑坡面域的变形状况。该方法适用于复杂地形条件下的滑坡位移整体监测,识别精度达到厘米级,性能优于两云直接比对算法(C2C)。

内掺微生物水工混凝土的抗渗性能试验研究

有效改善水工混凝土防渗体的抗渗性能是提高其耐久性的关键。本文通过开展内掺科氏芽孢杆菌的水工混凝土抗渗试验,分析内掺不同浓度科氏芽孢杆菌对水工混凝土抗渗性能的影响规律;通过氮吸附试验,分析水工混凝土试样的微观孔隙特征,揭示内掺科氏芽孢杆菌对水工混凝土抗渗性能的影响机制。结果表明:内掺矿化微生物可显著提升水工混凝土的抗渗性能;随着内掺微生物浓度的增大,混凝土28 d水渗透性系数降幅呈先大后小的趋势,当内掺微生物浓度为9.8×10^(7)cells/mL时,混凝土的水渗透性系数降幅最大,28 d混凝土水渗透性系数减小了92%;氮吸附微观分析可知,混凝土内掺微生物可减少中大孔数量、细化孔隙,最可几孔径峰值降幅达47.65%,有效改善了混凝土内部的孔隙结构,降低了孔隙连通性,致使水工混凝土的抗渗性能有效提高。

水工混凝土裂缝的混合微生物自修复试验研究

水工混凝土侵蚀和开裂往往发生在水位波动的干湿交替区,将好氧与兼性厌氧菌混合制备微生物混凝土,可更好适应该区域在含氧量波动变化环境下的裂缝自修复。本文分别以好氧型巨大芽孢杆菌、兼性厌氧型巴氏芽孢杆菌的单一和混合微生物制备自修复剂,通过混凝土试样抗压强度、抗渗性能测试和裂缝修复量化指标分析,评估单一和混合微生物对水工混凝土力学性能和裂缝自修复效果的影响,获得好氧和兼性厌氧微生物的最佳混合比例,通过扫描电镜分析,揭示混合微生物对水工混凝土性能提升的微观机制。结果表明:内掺混合微生物的混凝土试样孔隙结构更加致密,巨大芽孢杆菌与巴氏芽孢杆菌以4:6的比例混合时矿化沉积效果最好,在好氧微生物呼吸作用和兼性厌氧微生物酶化作用协同影响下,混合微生物对水工混凝土力学性能、裂缝自修复效能的提升和改善效果更佳。

地下水渗流荧光单孔测速流场畸变系数的试验研究

荧光光电法作为地下水单孔渗流监测的重要手段,而流场畸变系数合理取值是荧光单孔渗流监测的关键。为有效提高荧光光电法在地下水单孔渗流测速的准确率,开发设计了荧光单孔地下渗流模型的监测试验系统,分析研究不同渗流条件下的流场畸变系数。首先,依据单孔稀释模型推导了荧光光电法流场畸变系数的数学表达式;然后根据自制光电监测装置,开发设计了荧光单孔渗流监测系统的试验装置;最后通过研究荧光剂稀释过程中的光电强度变化来研究不同含水层、侧孔孔径和开孔率条件下流场畸变系数的变化规律,确定不同监测条件下流场畸变系数的取值范围。试验结果表明:流场畸变系数随渗透流速和滤管开孔率的增加而增加,随测孔孔径的增大而减小,且影响因子重要性为含水层>测孔孔径>开孔率。以上研究成果可为荧光单孔地下水渗流监测的实际工程应用提供有益借鉴。

复杂岩质高边坡工程安全监测三维可视化分析

应用自主研发的岩石边坡工程安全监测三维可视化分析系统(SlopeMoni3D),以锦屏一级水电站左岸高边坡工程为例,建立安全监测分布式分析平台,对边坡安全监测系统与赋存地质条件进行虚拟现实可视化分析。以三维云图的可视化形式对安全监测获得的左岸边坡开挖区域浅表、深部变形发展趋势及锚索测力计锚固力在相同时段变化量的空间分布进行综合分析,完成边坡整体稳定性和变形趋势的分析评估。分析结果表明:(1)以虚拟现实可视化方式解析复杂岩质边坡工程区域地质条件,可直观表达各监测项目测点布置与地质结构的相互关系,便于监测成果与地质条件和施工信息的综合分析;(2)借助三维可视化分析平台所提供的监测数据管理和监测数据场三维云图绘制等功能,可直观比较相同监测时间段不同监测项目所获得监测物理量的三维云图分布,便于从地质、施工等方面综合分析边坡各区域的变形趋势和稳定状态。

深切峡谷河道滑坡灾害影响的水动力学分析

以虎跳峡滑石板边坡拉裂区失稳可能形成的滑坡为研究对象,依据滑石板边坡稳定性分析结果预测滑坡规模,在分析深切峡谷天然河道滑坡灾害特点的基础上,从滑坡涌浪、堰塞体上游壅水过程、堰塞溃坝水流挟带块石粒径等方面,对滑石板滑坡可能造成的两家人水电站各厂址区域危害进行分析预测,得出的结论可作为两家人工程厂址选择可行性论证的决策依据。提出了基于Delft3D软件水动力学数值模拟的滑坡堰塞体上游水位壅高过程仿真分析方法,以及应用水利水电工程立堵截流抛石粒径计算理论进行堰塞体溃坝水流挟带最大块石粒径估算的方法,为深切峡谷天然河道滑坡灾害防治措施和滑坡后果影响的综合分析提供参考。

边坡工程中监测数据场三维云图实时动态可视化方法

实现监测物理量空间数据场的三维实时动态可视化表达,是边坡工程安全监测三维可视化在线分析的关键。空间数据场三维可视化最直观的表达形式是三维云图,其绘制方法包括面绘制和体绘制,而体绘制方法是实现三维数据场实时动态云图绘制的首选方法。鉴于X3D灵活的场景交互和丰富的三维几何造型节点,通过生成用于监测数据场三维云图显示的几何载体TEN模型,在提取监测点坐标并形成监测数据场的基础上,应用空间插值算法得到TEN网格节点的监测物理量数值,并按照特定颜色表映射到网格节点的颜色域值,提出基于X3D技术的空间数据场三维云图体绘制方法。以某水电站坝肩边坡和某水电站谷肩堆积体为例,应用该方法实现边坡和堆积体监测数据场三维分布云图的实时动态可视化显示,直观地揭示监测对象的变形趋势和可能的变形破坏模式,为该方法在水利水电和岩土工程的边坡及地下工程安全监测领域的应用提供参考。

基于带约束三角剖分的三维地质建模方法及应用

带约束的Delaunay剖分算法多应用于表达数字地面模型,用于三维地质模型的构建尚不成熟。为了直观显示工程地质结构和快速准确分析工程地质条件,可依据带约束Delaunay三角剖分算法分别生成地层、断裂、界线类地质结构的TIN模型,拼合形成工程整体三维地质模型。通过编制基于TIN模型的工程三维地质建模程序,建立了金沙江两家人水电工程坝址区域的三维地质模型,为工程地质评价及工程设计提供了决策支持,以此作为工程应用实例。实践应用表明,该方法具有快速、准确、通适的特点。

基于Java和MySQL的虚拟现实动态场景构建方法

虚拟现实建模语言(VRML)作为描述网络三维虚拟场景的标准,已广泛应用于各行业的可视化仿真相关研究,然而VRML以及其新标准X3D在动态场景的构建和场景对象的实时信息获取方面很不完善,通过建立用于存储虚拟场景物体的几何特征参数的MySQL数据库,利用VRML语言提供的JavaEAI编程接口,并结合JDBC数据库驱动技术,实现了基于JavaApplet的从MySQL场景几何信息数据库到虚拟现实动态场景的实时快速构建,以及场景对象到对应属性信息数据库记录的连接,最后给出了水电工程混凝土大坝浇筑过程可视化仿真的应用实例。

基于Web3D技术的工程施工可视化仿真应用研究

为了直观地表述水利水电工程施工过程和施工形象,并对来自工程施工的信息进行管理和分析处理,以提高水电工程施工过程信息化管理与决策水平,结合长江三峡工程二期厂坝施工的实践,应用VRML虚拟现实建模语言及PHP动态网页技术,实现了基于网络三维技术(Web3D)的水电工程施工过程可视化仿真和施工信息的交互式查询,为施工管理决策者提供了远程科学决策的信息支持。

高边坡工程安全监测在线分析系统研发及应用

根据水利水电工程岩石高边坡建设的需要,建立了基于多源信息融合与管理的安全监测资料在线分析系统,系统采用C/S构架的廋客户端模式,应用目前流行的MySQL多平台网络数据库,在设计和建立MySQL数据库服务器的基础上,以VisualBasic.Net为集成开发环境,实现了Internet/Intranet网络环境下的安全监测数据库的分布式管理.该系统可适用于所有水利水电工程的安全监测数据及相关信息资料的管理和分析.系统已成功应用于锦屏一级水电站左岸高边坡工程施工期的安全监测分析,为工程施工后期及运行期自动化监测的海量监测数据管理和分析平台的建立奠定了基础.

水电工程边坡安全监测实时在线预警系统研究

针对现有边坡监测信息管理的实时性、灵活性、通用性较差且可视化程度较低的问题,基于监测数据自动采集方法、监测成果网络发布方法、监测预警方法等系统相关技术方法研究,采用MySQL多平台网络数据库以及Apache跨平台Web服务器,以Microsoft VisualStudio.Net 2013为集成开发环境,建立基于网络的边坡安全监测实时在线预警系统,实现了监测信息和数据的远程实时共享、在线分析管理及三维可视化分析,并成功应用于实际工程中,为边坡工程变形监测提供了更高效的监测和预警分析平台。

基于分形插值的岩石边坡工程挖填方量估算

传统插值算法主要基于平滑性的约束条件,插值后的结果不能如实反映岩石边坡的自然地表形貌,由此估算的挖填方量不够精确。鉴于岩石边坡工程自然地表都具有随机抖动和自相似的特性,通过获取地表分形特征并应用基于分形布朗运动(fBm)的插值算法对岩石边坡工程自然地表的测绘采样数据进行插值,能够更加逼真地复原地貌特征。因此,依据自然地表测绘采样数据的分形插值结果及开挖控制线,并采用带约束三角网剖分算法来建立岩石边坡工程开挖(回填)体的TIN模型,能够更加精确地计算岩石边坡工程的挖填方量。在假定某区域地表控制点数据集合作为实际地貌的前提下,通过误差分析表明:根据fBm分形插值方法得到的方量计算误差为0.14%,而采用Nurbs插值方法的误差为1.5%,fBm分形插值方法的估算精度远高于传统方法。最后,以锦屏一级水电站左岸岩石高边坡工程作为应用实例,为边坡工程开挖方量结算和三维可视化分析提供了依据。

基于VB与Matlab编程的边坡监测数据场可视化

实现监测数据场空间监测物理量的三维可视化显示是对边坡安全监测结果进行高效分析的方法之一。在Visual Basic中引入Matrix VB组件,通过编写Visual Basic程序并调用Matlab插值函数,对监测数据场的空间数据进行插值,再运用参数化建模方法和X3D虚拟语言技术,最终在Visual Basic平台下实现了监测物理量的三维显示。该方法集中了Matlab函数和Visual Basic各自的优点,有效解决了边坡监测区域监测点的插值问题。工程实例表明,应用该方法能实现边坡监测数据场的三维云图显示,可为边坡的安全监测结果处理提供理论依据。

荧光光电法在库岸滑坡地下渗流监测中的适宜性研究

以单孔稀释数学模型为理论依据,建立荧光光电流与坡体地下渗透流速的数学关系模型,设计开发适用于库岸坡体观测孔的地下渗透流速的荧光光电监测探头及测试系统。通过开展室内试验,研究不同浓度荧光溶液的光电流特性,以及环境水温、酸碱度、浑浊度等地下水环境因素对荧光光电流强度的影响,进而论证荧光光电法在库岸滑坡地下渗流监测中的适宜性。结果表明:5~25 ℃温度范围内,光电流强度随荧光溶液浓度增大而增大,在0~0.006 5%的低浓度范围内存在显著的线性关系,满足应用荧光光电测速法进行坡体地下渗透流速监测的理论条件要求;在荧光溶液浓度一定的条件下,光电流强度随温度升高而逐渐减小,线性规律明显,且不同浓度的拟合直线呈近似平行分布,斜率不大。温度对光电流强度的影响远低于浓度变化带来的影响,但实际应用时起始量测温度与结束量测温度基本相等,温度对坡体地下渗透流速的监测结果产生的影响可忽略不计。强酸性条件下会降低荧光剂的分子活性,使光电流强度明显下降,但加入碱中和后荧光溶液活性恢复,选用的Luyor 6200荧光试剂可满足常规酸性和碱性地下水环境下渗透流速的监测。浑浊度对光电流影响较大,但浑浊荧光溶液经历长时间静置后,光电流强度可恢复至正常荧光溶液的光电流强度值;依据试验可知,开展现场应用时,测孔成孔后至少需静置4 d以上才能达到观测要求。最后,给出了应用荧光光电测速法开展滑坡体渗透流速现场监测的实施方案。

三峡水库石榴树包滑坡灾害预警分析

滑坡预报是滑坡研究中尚未很好解决的课题. 对于三峡水库石榴树包滑坡,使用灰色理论模型作为主要中、长期预测模型,以变形速率为主要判据进行状态预测. 对于临滑阶段则使用Verhulst理论模型,并以最大位移为判据对滑坡破坏时间进行预测. 另外通过对滑坡体引起的三峡库区各主要港口的涌浪进行预测和滑坡灾害评价,为防灾减灾对策的制订提供科学的依据.

约束TIN在土石方工程三维辅助设计中的应用

为适应水利水电领域土石方工程设计高效、直观的需求,提出基于约束不规则三角形网格(TIN)的土石方工程计算机三维辅助设计的集成建模方法。通过开发具有输入输出、图形预处理、约束TIN建模、挖填方量计算等功能的土石方工程三维辅助设计程序,能够方便快捷地实现土石方工程设计成果三维可视化建模和工程完建形象的直观显示,为设计和决策者进行工程土石方量计算、土石方调配平衡分析提供依据,三维辅助设计成果也可作为组织开挖施工的可视化决策信息。