Bifurcation and catastrophe of seepage flow system in broken rock

The study of dynamical behavior of water or gas flows in broken rock is a basic research topic among a series of key projects about stability control of the surrounding rocks in mines and the prevention of some disasters such as water inrush or gas outburst and the protection of the groundwater resource. It is of great theoretical and engineering importance in respect of promo- tion of security in mine production and sustainable development of the coal industry. According to the non-Darcy property of seepage flow in broken rock dynamic equations of non-Darcy and non-steady flows in broken rock are established. By dimensionless transformation, the solution diagram of steady-states satisfying the given boundary conditions is obtained. By numerical analysis of low relaxation iteration, the dynamic responses corresponding to the different flow parameters have been obtained. The stability analysis of the steady-states indicate that a saddle-node bifurcaton exists in the seepage flow system of broken rock. Consequently, using catastrophe theory, the fold catastrophe model of seepage flow instability has been obtained. As a result, the bifurcation curves of the seepage flow systems with different control parameters are presented and the standard potential function is also given with respect to the generalized state variable for the fold catastrophe of a dynamic system of seepage flow in broken rock.

积石山Ms 6.2级地震区大沙沟泥土流灾害链成因分析

2023年12月18日23时59分,甘肃省积石山县发生Ms6.2级地震,最大地面加速度达到1.0 g。距震中20 km的青海省民和县中川乡大沙沟上游台地出现约15×10^(4)m^(2)液化陷落,活动水土体积约60×10^(4)m^(3),约45×10^(4)m^(3)侧流进入沟道,自北向南顺沟冲击形成灾害链,在草滩—金田村堆积约30×10^(4)m^(3),造成20人遇难。笔者等采用现场调查访问、卫星遥感和无人机图像解译、含水量测定、分析描述和量化计算等方法,对泥土流灾害链的形成因素、动力学机理和运动特征等进行了研究。大沙沟泥土流灾害链分布长度约3.1 km,可以划分为土体液化流失区、泥土流壅堵回淤区、路基堵溃冲击区、泥土堆积压埋区和泥水漫流区五部分,从上游到下游依次造成耕地损毁、电塔倒塌、灌渠破坏、摧毁村路、埋压乡道、压埋人员房屋和淤埋黄河引水灌渠等。泥土流具有过渡性三元分层结构,包括底部的冰水层、中间泥流层和上部的湿土层。液化土体从启动进入沟道到金田村被埋压的运动时间不足10 min,泥土流启动到美一村路基堵溃的时间约为4.38 min,到达到草滩村牌坊的时间约为6.15 min,在随后的3.50 min内酿成了草滩—金田村灾难。泥土流灾害链的形成是地质、水源、动力、地形和承灾体等诸多因素遭遇叠加的结果,包括厚层粉砂土、高位地下水、强烈的地震动、平缓地形倾向沟谷出口、路基阻挡蓄能溃决和沿途遭遇多处承灾体等要素。泥土流在平缓沟道实现远程运动的动力学效应包括启动区土体液化、入沟“闸门”束流、跨沟路基堵溃、沟道冰水润滑、水土“列车”接续入村堆积和灾民地震应激惊恐等多种效应的接续传递、叠加耦合。农村社区建于大沙沟冲积滩地上,无形中增大了成灾风险和自主防范的难度。笔者等提出的防范对策包括开展防灾减灾培训、农田灌溉改为渗灌滴灌、民居选址建设避开河沟洪泛冲积滩地、疏浚河道拓宽过流断面和上游开展水土保持等。

酒钢4#高炉冷却壁破损原因分析及对策

酒钢4#高炉中修开炉运行仅1 a后出现炉腹、炉腰、炉身下部冷却壁大量破损,已影响到高炉的操作及生产稳定。结合4#高炉中修后的生产实际状况,并与3#高炉对比,分析冷却壁破损的原因,并提出相应对策,为缓解炉身冷却壁损坏改善高炉运行提供依据。

生物炭改良曝气折流式人工湿地对生活污水的降解效果

为探究生物炭对折流式人工湿地的改良效果,明确生物炭在折流式人工湿地中的最佳应用方法,构建了生物炭曝气折流式人工湿地。通过小试实验考察了添加污泥生物炭对湿地处理生活污水中污染物效果的影响,研究了不同曝气时间和水力负荷条件下,湿地对污染物去除效果的变化,并确定合适运行参数。结果表明:添加污泥生物炭对折流式人工湿地净化污水有显著改良作用,对COD、NH_(4)^(+)-N、TN和TP的平均去除率分别提高了5.41%、5.31%、12.16%、25.46%;随着曝气时间增加,COD、NH_(4)^(+)-N的去除率增加,而TN和TP的去除率先升高后降低,适当的曝气时间才是高效去除污染物的关键;随着水力负荷增加,COD、NH_(4)^(+)-N、TN、TP的去除效果均下降;在曝气条件为0.5 L/min,4 h/d,水力负荷为0.37 m^(3)/(m^(2)·d)时,污泥生物炭改良的曝气折流式人工湿对污染物的去除效果最佳。因此,添加污泥生物炭能够实现折流式人工湿地对污染物的高效去除,将其用作湿地基质具有广阔应用前景,对人工湿地去除生活污水的工程应用具有一定参考价值。

避雷器通流容量对220kV线路断线谐振过电压影响分析

本文作者针对220kV变压器出现的铁磁谐振过电压问题,分析了金属氧化物避雷器(MOA)通流容量对谐振过电压的影响作用。首先,搭建了包含站用变压器铁心非线性电感、断口电容和避雷器等元件构成谐振系统,从数学分析避雷器对断线谐振过电压的抑制机理;其次,根据实际系统参数搭建了220kV输电系统断线谐振仿真模型,分析了避雷器对过电压的影响作用,同时还考虑了不同断线位置、不同线路长度等工况对避雷器通流容量水平的影响,确定了容易引起避雷器击穿风险的断线故障位置和线路长度。研究结果不仅可以解释避雷器在晴好天气被击穿的事件原因,也可为避雷器选型及维护提供参考。

深部开采巷道掘进过导水断层围岩控制技术研究

12201运输巷沿着深部区域的12^(#)煤层底板掘进,巷道掘进区域存在有DF6-1、DF6-3导水裂隙,虽进行超前处理,但在扰动影响下巷道仍会出现淋水情况,加之围岩破碎、岩体为软岩,制约巷道掘进过断层围岩支护工作。结合现场条件,提出通过加固围岩、封堵导水裂隙方式提高围岩自身承载能力,降低淋水对破碎围岩影响,现场应用后,12201运输巷过断层期间,围岩未有淋水情况出现,同时巷道顶底板、两帮变形量均较小,实现了巷道导水断层围岩变形有效控制。

Flow-through穿支皮瓣在复杂性断指患者再植中的应用效果

目的观察腕掌侧桡动脉掌浅支Flow-through穿支皮瓣在伴有环形皮肤软组织缺损的复杂性断指患者再植中的临床疗效。方法回顾性分析2016年10月至2018年5月接受断指再植术的患者8例,男6例,女2例,年龄17~44岁,平均(31.3±8.4)岁;右手5例,左手3例;致伤原因为冲压伤5例,机器绞勒伤2例,热压伤1例;受伤指为示指3例,中指3例,环指1例,小指1例;所有患者患指均有骨、肌腱、肌肉、神经、血管等组织外露并伴有环状皮肤软组织缺损,缺损范围为2.1 cm×0.9 cm^6.2 cm×2.2 cm;受伤至手术时间1.5~8.5 h,中位时间3 h。所有患者均采用腕部掌侧桡动脉掌浅支Flow-through穿支皮瓣移植重建断指环状皮肤软组织缺损修复治疗,术后观察供区愈合、皮瓣成活情况及手功能恢复情况。结果所有患者供区创面均达到了Ⅰ期愈合标准。1例皮瓣出现边缘表皮坏死,经换药后愈合;1例皮瓣出现肿胀和水疱,手术后1周自行缓解;其他患者的受区皮瓣、断指均成活,且创面达到Ⅰ期愈合,外观良好。术后9个月所有患指外观良好、瘢痕较小,在TAM评价中优5例,良2例,可1例。结论腕掌侧桡动脉掌浅支Flow-through穿支皮瓣在伴有环形皮肤软组织缺损的复杂性断指患者再植中皮瓣成活率高,手指功能恢复较好,供区创面愈合好,整体效果较为理想。

智能变电站断链表验收

分析智能变电站后台监控画面GOOSE断链分图有利于运行检修人员对变电站内二次设备运行状态进行准确的判断,在设备异常的运行状态下也有利于缺陷原因的确定以及事故隐患的排查。

黄河口及渤海中南部沉积特征变化及其环境动力分析

渤海中南部沉积类型及其分布受海底地形、水动力条件和物质来源影响 ,具有明显的分区多样性。而黄河巨大的输沙量进入渤海南部 ,其运移和扩散对这一地区沉积物的分布产生很大的影响。本文通过对不同时期底质情况的对比 ,说明研究区海底沉积的分布格局受到黄河河口不断向海延伸的影响在最近十几年中发生了很大的变化。而河口区的底质分布还受到最近几年黄河断流 ,水沙来量减少的深刻影响。

级配碎石力学性能的颗粒流数值模拟方法

为了从本质上揭示级配碎石组成结构与力学性能的内在关系,基于2维颗粒流软件提出了级配碎石力学性能的颗粒流数值模拟方法,并通过该方法以安康瀛湖石灰岩碎石为例研究了级配碎石的力学性能.结果表明：不同级配碎石的CBR（california bearing raio）、剪切强度和抗压强度的实测值分别为495%~692%,592~802kPa,1.29~1.54MPa;相应的模拟值分别为525%~736%,636~839kPa,1.34~1.54MPa;平均误差分别为4.50%,5.07%,5.15%.模拟结果与实测结果基本吻合,证明颗粒流数值模拟方法应用于级配碎石力学性能研究中的可行性.

气力输送过程中粮食颗粒的输送特性研究

为控制气力输送过程中粮食颗粒的破碎、提高输送效率、降低能耗,以小麦颗粒为研究对象,以其在90°弯管中的输送为研究条件,基于CFD-FLUENT对其运动特性与流场进行了模拟分析。建立了以气流速度、小麦颗粒在输送过程中的体积百分含量为优化参数,流场内部压力为目标的小麦颗粒输送特性优化模型;采用该模型获得了最佳输送状态下的气流速度和小麦颗粒的体积百分含量。研究结果将为工程应用提供理论依据。

承压破碎岩石非Darcy渗流的渗透特性试验研究

地下工程中的破碎岩石在渗流过程中其结构发生两方面变化,一方面由于水压的作用引起孔隙结构发生变化,另一方面固体材料之间的接触应力造成棱角破损。因此,承压破碎岩石的渗流不同于自然堆放状态下的堆石渗流,其渗透特性随着位移或载荷的变化而产生显著变化。基于MTS815.02型岩石力学试验系统及破碎岩石渗透仪,利用稳态渗透法及轴向位移控制法测定了粒径分别为5mm―10mm、10mm―15mm、15mm―20mm、20mm―25mm以及混合粒径的破碎砂岩、煤矸石及灰岩在承压过程中非Darcy流的渗透特性,给出了岩样在不同轴向位移水平下的孔压梯度与渗流速度关系曲线,得到了渗透特性随孔隙率的变化规律,揭示了Darcy流偏离因子可能为负的现象。研究表明:1)随着孔隙率的减少,渗透率呈现整体下降的趋势,而Darcy流偏离因子的绝对值呈现整体上升的趋势;2)破碎岩石的渗透性不仅和外载水平及当前孔隙度有关,还与碎石的粒径、颗粒的排列方式以及初始孔隙结构(如初始孔隙通道)等有关;3)三种破碎岩石渗透率的量级为10-16m2―10-12m2,Darcy流偏离因子的量级为1012kg/m4―1015kg/m4;4)当颗粒的破碎细化现象严重时,Darcy流偏离因子出现负值的可能性较大。

乳化炸药基质泵送与安全

乳化炸药生产中 ,用单螺杆泵泵送乳化炸药基质 ,提供工艺流量和克服输送阻力。近几年在螺杆泵处有数次爆炸性事故发生 ,发生机理尚未十分明了。本文论述了乳化炸药基质的泵送与安全 ,认为在输送过程中泵的吸空、断流可能导致乳化炸药基质热分解 ,是发生此类事故的主要原因。

整秆式甘蔗收获机械收获效果试验研究与分析

以广西钦州普通农户种植的台糖16号甘蔗为试验材料,利用课题组自主研制的甘蔗收获机械进行了甘蔗收割试验。采用高速摄像机观测收获机械输送系统甘蔗流量状况,统计机车前进速度与输送速度的不同组合下,收获甘蔗的剥叶效果包括含杂率和断尾率等数据,并对甘蔗收获机的收获效果进行了分析。结果表明,机器工作过程中,输送系统发生阻塞的速度组合以及剥叶效果为断尾率80%以上和含杂率2.5%以下的速度组合,为甘蔗收获机械的顺利工作提供了明确的操作指导。

破碎岩体非等温渗流的非线性动力学研究

分别从固体及流体导热的能量方程出发,导出破碎岩体非等温渗流的能量本构方程,结合渗流的连续性方程、运动方程、状态方程等建立了破碎岩体非等温渗流的一维非线性动力学方程组;结合Mathcad软件计算得到了系统的无量纲化平衡态,利用逐次亚松弛迭代法分析了对应于不同参数时平衡态的稳定性;指出非等温渗流系统存在鞍结分岔及折叠突变,与等温渗流相比,考虑温度场的破碎岩体渗流动力系统更容易发生渗流突变.

响洪甸抽水蓄能电站岩塞爆破水工模型试验与实践

比较了响洪甸抽水蓄能电站水下岩塞爆破水工模型试验和原型观测的结果 。

破碎岩体中气体渗流的非线性动力学研究

在采矿和岩土工程中,破碎岩体中的渗流具有非线性、非稳态及参量时变等特点,外界扰动下渗流参量的渐变易引起渗流系统动力学响应的突变,引发突水及气体突出等动力学灾害。采用非线性分岔及突变理论研究破碎岩体中气体渗流失稳的动力学机制。建立气体一维非稳态、非达西渗流的非线性动力学模型,给出量纲一化后的速度平衡态解图,得到渗流平衡状态的孔隙压力、渗流速度的分布规律,即平衡时沿着渗流方向,各点的量纲一孔隙压力与渗流速度的乘积为一常量,且压力的平方呈线性下降。通过低松弛迭代法给出渗流系统相应于不同渗流参数时的动力学响应。研究结果表明,破碎岩体渗流动力系统存在鞍结分岔,分岔点处破碎岩体的颗粒棱角破碎现象相当显著,渗流处于临界稳定状态,此时对应于任意小的扰动系统都会发生折叠突变,引发突出动力灾害。

破碎岩体流固耦合渗流的分岔

利用承压破碎岩石非Darcy渗流的渗透特性试验规律,对破碎岩体渗流动力系统进行了应力场与渗流场耦合的分岔行为研究.根据多孔介质的有效应力原理建立了含有孔隙度及孔隙压力等渗流物理量的应力场控制方程;考虑流体与固体骨架各自的运动速度,分别建立了流体非Darcy渗流的运动方程以及固体骨架和流体的连续性方程,推导出含有应力场体积应变的渗流场控制方程;得到了垮落破碎岩体由自然堆放状态过渡到压实状态时的弹性流固耦合一维非Darcy渗流的非线性动力学方程组,分析并求解了渗流系统的平衡态,利用逐次亚松弛迭代法分析了平衡态的稳定性,得到了无量纲化孔隙压力、渗流速度随参数变化的动力学响应,指出破碎岩体渗流动力系统存在鞍结分岔.在分岔点处任意微小的扰动易诱发渗流失稳,引发突水等动力学灾害.

三维应力下破碎砂岩渗透特性试验研究

承压破碎岩体中非稳态渗流是引起多种动力灾害发生的重要因素之一。利用自主研发的破碎岩石三轴渗透试验系统,考虑围压挤出的渗透液总量对碎石孔隙度的影响,进行了三维应力下5~10 mm粒径破碎砂岩的渗透试验,得到了不同轴向压缩位移、不同围压下试样的渗透特性变化规律。结果表明:不同轴向位移下,试样孔隙度随围压的升高呈对数减小,其渗透率随围压的变化逐渐减小,且各自差异性逐渐缩小;同一围压下,随轴向压缩位移增加,孔隙度、渗透率逐渐趋于一个稳定值,其中渗透率量级在10-11~10-13m2之间,表现为试样的孔隙连通性减弱,整体结构趋于稳定;非Darcy流β因子随围压的增加呈非线性增长,其中非Darcy流β因子的量级在108~1011m-1之间,试样原有级配改变明显,非Darcy流β因子增长趋势受有效毛细管数目及其孔径大小的影响,毛细管孔径减小导致渗透液与毛细管壁的相对接触面积增加。该试验结果为可控围压下破碎岩石中的渗流研究提供参考。