浅埋黄土隧洞施工过程数值模拟

【目的】针对浅埋黄土隧洞顶覆土薄,自稳能力差,特别是开挖初期变形增长较快,极易产生坍塌的特征,利用有限元方法模拟隧洞不同施工工序的施工过程,通过比较得出较为合理的施工工序,以指导工程施工。【方法】结合某工程输水隧洞具体施工问题,利用有限元分析计算软件ADINA,建立该隧洞的施工过程数值模拟模型,对上行法和下行法2种开挖过程进行数值模拟,分析2种施工过程中硐室周围土体所产生的应力、应变、屈服区以及位移等。【结果】通过对隧洞施工工序的模拟分析,得到上行法开挖时的拱脚压应力是下行法开挖时的1.5倍,对于拱顶位移和塑性区范围,上行法开挖均大于下行法。【结论】虽然该黄土隧洞埋深较浅,断面较大,采用人工分层开挖,下行法和上行法2种工序均是稳定的,但下行法优于上行法。     

多因素对高温隧洞稳定性的影响

【目的】研究洞室围岩温度场扰动对洞室地层热力学平衡和围岩热物理力学性能的影响,为隧洞设计与施工提供参考。【方法】通过建立地下隧洞几何模型和洞内环境热力学模型,针对新疆某高温隧洞,根据实测洞内环境温度及围岩温度,应用 ANSYS 有限元程序,对不同施工工况下围岩的温度场变化进行模拟,深入研究温度场下隧洞的埋深、围岩类别（Ⅲ、Ⅳ1和Ⅳ2类）等不同状况对隧洞围岩稳定性的扰动规律。【结果】大量系统的数值试验表明,在影响高温隧洞围岩稳定性的各因素中,温度和围岩类别是影响围岩温度应力的2个主要因素。初始温度场的温度越高或温度差越大、围岩类别越好,围岩的温度应力越大;洞室埋深的增大对围岩二次应力场及围岩位移场均有显著影响。【结论】得到了温度 、温差、围岩类别、埋深对高温隧洞稳定性的量化影响规律,对于高温隧洞问题,可参考上述规律并结合工程实际进行综合分析。     

考虑泥皮作用的深厚覆盖层坝基防渗墙应力变形特性分析

【目的】分析深厚覆盖层坝基防渗墙墙体与覆盖层土体之间、墙段与墙段之间存在的泥皮对防渗墙应力和变形特性的影响。【方法】以新疆叶尔羌河下坂地水利枢纽工程大坝为例,通过试验确定了夹有泥皮情况下覆盖层土体与防渗墙之间接触面的参数,在对防渗墙进行分段并考虑泥皮作用的条件下,对施工期、蓄水期以及渗透压力作用下墙体的应力和变形情况进行分析,并与不考虑泥皮时的计算结果进行了对比。【结果】当接触面的摩擦系数为0.2～0.4时,在不同接触面参数条件下,在施工期,防渗墙的最大水平位移相对于不考虑泥皮时增大了0.002m,最大竖向位移增大了0.066～0.075m,最大拉应力降低了0.62 MPa,最大压应力降低了4.64～5.31 MPa;在蓄水期,防渗墙的最大水平位移相对于不考虑泥皮时增大了0.069～0.071m,最大竖向位移增大了0.009～0.027m,最大拉应力降低了0.39～0.50MPa,最大压应力降低了4.47～4.84MPa。【结论】泥皮对防渗墙各墙段间的相对错动能发挥一定的缓冲作用,有利于改善墙体的受力状态,对防渗墙应力和变形特性的影响非常明显。     

流变效应对面板堆石坝应力变形的影响规律分析

【目的】研究堆石流变效应对面板堆石坝应力变形的影响规律,为预测坝体长期变形规律及应力应变分析提供参考。【方法】结合面板堆石坝工程实际,对堆石料的流变特性、流变计算模型及其有限元计算方法进行了分析与选择,在此基础上,结合国内某高面板堆石坝工程实例,运用三维有限元法,按考虑堆石流变效应和不考虑堆石流变效应2种计算方案,分析了流变效应对大坝应力变形的影响。【结果】流变使坝体及面板的应力变形均呈现增大的趋势,相比较而言,流变对于坝体向上游水平位移的影响最大,对坝体向下游水平位移和坝体竖向位移的影响次之,对面板挠度和面板顺坡向应力的影响则较小;流变对于坝体沉降变形的影响主要发生在堆石填筑后约10个月内;流变引起的附加节点荷载随时间的延长而呈先增大后减小的变化过程,大致在堆石填筑2年以后,流变影响基本消失。【结论】在工程实际中,考虑堆石料的流变效应及其影响是必要的。     

基于热-结构耦合的含水疏松砂岩隧洞冻结施工数值分析

【目的】针对含水疏松砂岩冻结法施工问题,对冻结帷幕进行应力应变分析,为同类岩土的施工和设计提供依据,也为冻结法施工多场耦合数值模拟奠定基础。【方法】以甘肃引洮一期工程7#隧洞为例,在综合考虑隧洞掘进对温度场、位移场和应力场影响的基础上,依托热学理论及有限元分析软件ANSYS,对隧洞进行热-结构耦合三维数值模拟分析。【结果】通过对隧洞进行热-结构耦合三维数值模拟分析,得到隧洞冻结与开挖过程中冻结帷幕厚度为3.3m,温度场平均温度为-13.3℃,冻土帷幕最大沉降量为2.46mm,满足设计要求;同时通过对最危险断面的应力与应力强度进行对比,得到Y方向应力和切应力安全系数分别为5.57和7.95,大于规范中供设计时的最大参考值2.0。【结论】对于含水疏松砂岩冻结法施工,温度和结构具有相关性,热-结构耦合分析相比结构分析和热应力分析精确度更高。     

路堤荷载作用下路基侧向位移特性分析

【目的】考察施工间歇期路基侧向位移的发展特性,为路基侧向位移测量提供依据。【方法】基于非线性有限元方法,对路堤分阶段填筑过程中路基的变形特性进行了系统考察,同时分析了路基最大侧向位移的位置及其测量技术。【结果】对比分析表明,在硬壳层强度较高、软土层厚度较大的情况下,路基体内的侧向位移有可能在施工间歇期发生回缩,该现象伴随着竖向沉降的大幅度增长而发生;工程中常用的测斜管在考察侧向位移的过程中存在许多缺陷,利用其较难探测到侧向位移的回缩现象;在路堤分阶段填筑过程中,路基最大侧向位移的位置是变化的。【结论】需发展更精密的仪器来测量路基体内侧向位移的发展情况,建议将测斜管埋设于坡趾竖向断面和坡中竖向断面之间。     

河谷宽高比对面板堆石坝应力变形的影响

【目的】研究河谷宽高比对高面板堆石坝应力变形的影响规律,为实际工程中坝址选择、河谷地形对坝体应力变形的影响分析等提供理论依据。【方法】运用三维有限元法,分别进行了河谷宽高比为3.0,2.0,1.0等3种方案下的大坝应力变形计算,并在此基础上进行了各方案大坝应力变形的对比研究。【结果】随着河谷宽高比的减小,坝体的各项位移和应力以及面板的位移均呈逐渐减小趋势,而面板应力却逐渐增大;当河谷宽高比由3.0减小为2.0时,坝体应力变形最大变化率为-8.89%(坝体大主应力),面板应力变形最大变化率为22.31%(面板顺坡向压应力);当河谷宽高比由2.0减小为1.0时,坝体应力变形最大变化率为-42.75%(左右岸坝体向河谷中心位移),面板应力变形最大变化率为54.73%(面板顺坡向压应力),可见当河谷宽高比小于2.0时,坝体及面板的上述主要应力变形项的变化率将成倍增大。【结论】在实际工程中进行坝址选择时,宜优先考虑河谷宽高比不小于2.0的坝址方案。     

隧洞饱水疏松粉砂岩段双排水平冻结施工温度场数值分析

【目的】探求饱水疏松粉砂岩在双排水平冻结法施工条件下的温度场分布情况,为今后隧洞冻结法施工最优方案的制定提供参考.【方法】以甘肃省引洮一期工程总干渠7#隧洞出口冷冻施工为例,基于热分析相变理论,采用有限元软件ANSYS,研究了引水隧洞双排水平冻结施工积极冻结期间的温度场分布、冻结管交圈时间及维护冻结期间冻结帷幕厚度的发展状况,并探讨了此方法的数值模拟精度.【结果】相邻两冻结管交圈时间30d,积极冻结50d后,冻结帷幕厚度已达到设计值2.5m;在考虑施工安全的情况下进行了60d的维护冻结期,期间温度保持在-24℃左右,且限制了冻结帷幕的进一步发展,避免了开挖过程中由于冻土强度过高而使施工难度增大.【结论】通过模型模拟和实测数据的比较分析,证明该模型应用具可靠性,可为同类工程施工的方案制定提供理论依据.     

棋盘洲长江公路大桥锚碇基坑施工性状数值分析

针对棋盘洲长江公路大桥锚碇基坑地下连续墙+内衬的支护形式,采用有限元软件对基坑开挖施工全过程进行数值模拟,并与现场实测数据对比,分析了基坑开挖对支护结构受力变形及周边环境的影响。结果表明,地下连续墙径向应力主要位于墙身嵌岩部分,地下连续墙环向应力曲线与径向位移曲线呈内凹形,地下连续墙环向最大应力及径向最大位移的位置随开挖而逐渐下移;在开挖0～39m时,最大值位置位于开挖面以下,开挖39～49.8m时,最大值位置位于开挖面以上;地下连续墙顶部产生向上的竖向位移,地下连续墙背土压力主要位于嵌岩段范围内,且随基坑开挖深度增加而增大;周边地表沉降主要由施工荷载导致,地表沉降在2倍开挖深度范围外基本无影响。     

不利围岩条件下调压井应力变形的有限元仿真分析

【目的】探讨不利围岩条件下调压井的应力变形特性。【方法】以摩洛哥某水电站调压井工程为例,运用大型有限元软件,建立了调压井应力变形分析的三维有限元模型,通过仿真计算获得了施工期与运行期调压井围岩及衬砌结构应力变形的分布与变化规律。【结果】在不利围岩条件下,施工开挖过程中围岩径向位移均指向井内,随着下层岩体的开挖,上层岩体的径向位移不断增大;沿高程方向,径向位移自上而下呈递减趋势,衬砌之前围岩变形基本稳定;运行期衬砌结构内、外侧环向正应力的分布规律沿高程方向基本一致,除调压井底部阻抗孔口处及调压井顶部外,内、外侧环向正应力均以拉应力为主,且自上而下大体呈递增趋势,内、外侧环向拉应力最大值均发生在调压井底部与阻抗孔口衔接处;施工期和运行期井周围岩的径向最大压应力及环向最大压应力均远小于围岩体的设计抗压强度,因此施工期井周围岩不会产生塑性破坏。【结论】在不利围岩条件下,调压井施工应采用自上而下分层开挖的方法,并及时喷锚和延迟一级衬砌;在调压井底部需采取加大衬砌混凝土标号、加设钢板内衬等增加强度的措施。     

低压滴灌灌水均匀度试验研究

【目的】通过对灌水均匀度的研究,寻求改进和提高低压灌溉系统灌水均匀度的途径和方法。【方法】通过试验研究了低压条件下毛管进口压力、铺设长度、铺设坡度及管径等参数对灌水均匀度的影响,并用SPSS统计分析软件对试验数据进行了处理。【结果】在其他条件不变时,灌水均匀度随着毛管管径的增大而增大,随着毛管铺设长度的增大而减小,逆坡时,随着坡度的增大而减小,顺坡时,随着坡度的增大呈先增大后减小的趋势;毛管进口压力对灌水均匀度影响不显著,毛管铺设长度、管径及铺设坡度对灌水均匀度影响显著,其中毛管铺设长度影响最大,毛管管径次之,毛管铺设坡度最小。【结论】可以通过适当增大毛管管径、减小灌水器设计流量及对地形适当分区等措施,提高低压滴灌系统的灌水均匀度,保证系统的灌水质量。     

羊肉近红外光谱采集质量的影响因素

【目的】研究羊肉近红外光谱采集质量影响因素。【方法】以新疆羊肉为研究对象,研究不同光源、光纤参数、仪器检测时间、采集距离、采集参数等对光谱采集质量的影响。【结果】VIVO光源性能优于HL-2000光源,功率较大,温控好的光源能提高光谱重复性、减小光谱噪声;增加接收光纤芯径或数目,光谱反射率增大;随着仪器检测时间增长,光谱基线漂移越严重且各波长点向短波方向移动;随着采集距离的增加,光谱反射率先增大再减小;积分时间变长,光谱质量变好;适当增加平滑度和平均次数光谱质量较好。【结论】分析了各因素对光谱的影响,为改进仪器和检测条件提供了一定的参考依据。     

阴山北麓农牧交错区保护性耕作带地表抗风蚀能力的测试与分析

【目的】揭示农牧交错区带状间作农田土壤的抗风蚀效应,为防治农田土壤风蚀提供理论依据和技术指导。【方法】以阴山北麓农牧交错区保护性耕作农田的土壤为研究对象,利用移动式风洞和与之配套的风速、集沙仪测试设备,对3种残茬覆盖地表(小麦留茬,65%盖度,20cm茬高;小麦留茬,76%盖度,30cm茬高;莜麦留茬,90%盖度,30cm茬高)在给定的5个风速(6,9,12,15和18m/s)等级下,其地表的空气动力学粗糙度和风蚀量随测点距离风洞试验段进口位置(模拟保护性耕作带宽度)的增加(3,3.75,4.5,5.25和6m)所呈现的变化规律进行分析。【结果】随测点距风洞试验段进口距离的增加,3种地表在不同风速下的空气动力学粗糙度均呈先增大后减小的趋势,大多于该距离为5.25m时达最大值;不同风速下的风蚀量则随测点距风洞试验段进口距离的增加呈快速下降趋势,在该距离达到5.25m之后,风蚀量的下降趋于平缓。【结论】残茬高度与植被盖度可明显增强地表的抗风蚀能力,当保护性耕作带的宽度达到5.25m以后,其抗风蚀效果更加稳定和显著。     

深基坑开挖对邻近通道影响的实测及数值分析

【目的】研究基坑开挖对邻近通道的影响,为邻近通道基坑开挖工程的设计与施工提供参考。【方法】以重庆某周围存在邻近人防洞通道的岩质深基坑工程为例,通过数值模拟和现场观测,研究土岩组合地层基坑与通道变形、通道拱脚推力及围岩破坏模式的关系。【结果】邻近通道会改变地表最大沉降点位置,土岩组合地层中地表沉降主要与基坑的水平位移和通道沉降有关。通道与基坑之间围岩间壁厚度较大时,隧洞破坏来自于拱顶;间壁厚度较小时,隧洞破坏来自于侧壁。由于受连续介质及隧道几何形态的影响,围岩会改变位移场传递的方向,通道主要表现为横向变形。【结论】邻近通道会增加基坑的水平位移与沉降,通道的破坏方式与间壁岩体厚度有关。     

Cr3+污染黄土压缩变形特性试验研究

【目的】研究受Cr~(3+)污染黄土的压缩变形特性,为黄土衬垫应用提供依据。【方法】采用陕西省杨凌区Q3黄土作为研究对象,在土中掺入不同质量的九水合硝酸铬,人工制备Cr~(3+)质量分数分别为0%(CK),0.1%,0.2%,0.5%和1.0%,含水率分别为14%,18%,22%的Cr~(3+)污染黄土,对其进行压缩固结试验,分析Cr~(3+)含量和含水率对污染黄土的压缩曲线、压缩模量和应力-应变曲线的影响。【结果】Cr~(3+)污染黄土的压缩曲线随Cr~(3+)污染程度的加剧出现变化,压缩模量较未污染黄土(CK)增大,压缩竖向变形量较未污染黄土减小,并且随着Cr~(3+)污染程度的加重呈减小趋势。在描述应力-应变关系时,幂函数比双曲线函数更能准确地反映Cr~(3+)污染黄土的变形特性。含水率变化对未污染黄土的压缩变形影响较大,对Cr~(3+)污染黄土的压缩变形影响随污染程度的加剧而呈减小趋势。【结论】随着Cr~(3+)污染程度的增大,污染黄土的压缩性较未污染黄土降低,压缩变形减小,且应力-应变曲线符合幂函数模型。     

基于数值模拟的湿陷性黄土隧洞开挖方法的比较

为了更好、更安全地在湿陷性黄土段进行隧洞的开挖施工,结合某隧洞工程实例,采用FLAC3D有限差分软件建立了湿陷性黄土段隧洞的模型,分别对全断面开挖法、上下台阶开挖法、CD法、CRD法进行了施工模拟,得到这4种工法引起湿陷性黄土隧洞地层围岩水平位移和竖向位移.结果表明:CRD法是其中对地层围岩位移影响最小的开挖方法,是一种有效控制湿陷性黄土隧洞围岩变形的施工方法.     

基于样线法的景观异质性的尺度效应研究——以甘肃省临夏市为例

【目的】分析研究甘肃省临夏市景观格局异质性的尺度效应.【方法】在GIS支持下,以土地利用现状图作为基本信息源,应用平均信息量、初始信息量、终止信息量、聚合信息量等一些基于样线法的指标对景观异质性的尺度效应进行分析研究.【结果】农业用地为研究区景观结构的基质;廊道包括交通用地和水体;其余景观组分均为斑块.随着观测尺度(粒度)不断增大,各景观组分的信息量指标均呈现出逐渐减小的趋势,具有明显的尺度依赖性.在较小的观测粒度下,各景观组分的参数差异较大,当观测粒度大于608m时,景观组分的空间分布开始趋于均匀,景观异质性的尺度效应不明显.【结论】608m为样线法研究景观格局粒度效应的有效粒度.     

青海省东部农业区区域干旱指标及干旱变化规律

【目的】分析青海省东部农业区区域干旱指标的变化特征,为区域干旱预警和抗旱减灾提供科学依据。【方法】利用青海省东部农业区12个气象站点近46年(1961-2006年)的气象资料,计算相对湿润度指数,并结合Arc GIS空间插值方法,将基于站点的相对湿润度指数网格化得出区域干旱指标,对其年际变化和季节变化进行分析,采用游程理论提取区域干旱历时和干旱强度,并对其变化进行分析。【结果】1961-2006年,青海省东部农业区近46年来平均月区域干旱指标呈线性减小趋势,干旱呈现出缓解趋势;春季和夏季区域干旱指标呈减小的线性趋势,秋季区域干旱指标呈线性增大趋势。与夏季干旱和秋季干旱相比,春季干旱历时长且干旱强度大。【结论】区域干旱指标所反映的干旱情况与青海省东部农业区实际旱情基本相符,且降雨和蒸发是青海省东部农业区季节性干旱频发的主要气候原因。     

典型黑土区地形与垄作特征对切沟发育的影响

【目的 】明确黑土区坡耕地切沟分级特征,明晰地形条件与耕作垄向对切沟发育的影响,揭示自然条件与人类耕作扰动下切沟侵蚀发育机理,为切沟侵蚀精准防控与黑土地保护利用提供关键科学支撑。【方法 】文章以典型黑土区坡耕地为研究区,基于2018年高分一号遥感影像数据和地形数据,采用目视解译结合野外详查的方法,获取研究区切沟长度、坡度、垄向角、垄作坡长、垄作坡度等指标,结合地貌学水系分级原理划分切沟等级,并分析人为垄作因素与自然因素对切沟发育的影响。【结果 】（1）研究区发育的234条切沟可分为4个等级,其中1级切沟数量最多,沟长随着切沟等级提升而呈增加趋势;（2）斜垄耕作占比最多、横垄（80～100°）次之,1级沟主要分布在横垄耕作（38%）,0～300 m垄长（81%）和0～2°垄作坡度范围内（48%）;(3)切沟数量随着海拔的增加出现先增加后减小的趋势,在海拔210～220 m切沟最多,随着海拔的增加,垄作坡长和垄向角呈增大趋势,而垄作坡度呈现减小趋势;（4）切沟数量在坡度2～4°最多,随着切沟坡度的增加,垄向坡长和垄向角度减小,垄作坡度增大。【结论 】分析黑土区切沟分级特征、空间分布及其影响...     

双洞交叉段三维有限元稳定性分析

【目的】针对某水电站工程排沙洞与施工支洞双洞交叉、交叉段结构复杂、洞室跨度大、且拱顶有软弱夹层、利用常规方法无法对其稳定性进行准确分析的现状,寻求一种更准确的分析方法,以指导工程施工。【方法】利用三维有限元方法对施工过程进行跟踪分析,对比不同开挖方案下交叉段围岩的稳定性,并对施工期支护进行了方案设计。【结果】经过对不同施工方案的三维有限元稳定性分析,确定了在排沙洞开挖到施工支洞时,先以短进尺方式开挖施工支洞,并浇筑0.8 m厚混凝土衬砌,以限制软弱夹层变形,减小塑性区和交叉处拱顶拉应力的施工方案。【结论】三维有限元方法在双洞交叉段,能监控确认支护的效果、施工方法是否妥善等,从而及时调整施工方法和修正技术参数,使施工方法和技术更为合理、经济。