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深部地下实验室扩挖岩爆监测与动态防控技术研究

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工程地质学报 2022年第3期30卷 751-759页

作者：李名川李邵军肖亚勋李宏璧雅砻江流域水电开发有限公司成都610051 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

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CJ... 详细信息

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。

关键词：深部地下实验室扩挖岩爆监测预警防控技术

基于InSAR与多源数据融合的堆石坝外观变形重构

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浙江大学学报（工学版） 2022年第2期56卷 347-355页

作者：郭承乾马刚梅江洲张贵科李宏璧周伟武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室湖北武汉430072 雅砻江流域水电开发有限公司四川成都610051

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... 详细信息

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.

关键词：堆石坝数据融合合成孔径雷达干涉(InSAR) 集合卡尔曼滤波(EnKF) 变形重构

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

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水利学报 2015年第3期46卷 298-306页

作者：张社荣李宏璧王高辉孔源天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室湖北武汉430072

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... 详细信息

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。

关键词：网格尺寸效应空中爆炸水下爆炸爆炸冲击波炸药当量比例爆炸距离

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基于离散元模拟的二元颗粒柱坍塌特性研究

岩土力学 2021年第1期42卷 280-290页

作者：崔溦魏杰张贵科李宏璧天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300350 天津大学中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室天津300350 雅砻江流域水电开发有限公司四川成都610051

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... 详细信息

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。

关键词：二元颗粒柱坍塌过程长细比离散单元法

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利用无人机技术的高陡边坡孤立危岩体识别

武汉大学学报（信息科学版） 2021年第6期46卷 836-843页

作者：崔溦谢恩发张贵科李宏璧天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 雅砻江流域水电开发有限公司四川成都610051

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... 详细信息

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。

关键词：孤立危岩体识别高陡边坡无人机激光雷达边缘点提取点云分类

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水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸确定方法

振动与冲击 2015年第8期34卷 93-100页

作者：张社荣李宏璧王高辉孔源天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072

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... 详细信息

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。

关键词：网格尺寸效应峰值压力比冲量炸药量比例爆炸距离

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混凝土重力坝水下接触爆炸下的毁伤特性分析

水利学报 2014年第9期45卷 1057-1065页

作者：张社荣孔源王高辉李宏璧天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

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... 详细信息

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。

关键词：混凝土重力坝 SPH-FEM耦合算法毁伤特性水下接触爆炸冲坑

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高埋深输水隧洞蠕变力学行为及岩爆机理研究

高埋深输水隧洞蠕变力学行为及岩爆机理研究

作者：李宏璧天津大学

学位级别：硕士

某输水隧洞埋深大、洞线长、隧洞沿线工程地质条件复杂多变,设计和施工难度较大。该工程的粉砂质泥岩段为全线埋深最大的洞段,整体埋深在1650m320m范围内,地应力水平高,面临突出的岩爆问题。此外,高地应力赋存环境下岩石的力学行为与常... 详细信息

某输水隧洞埋深大、洞线长、隧洞沿线工程地质条件复杂多变,设计和施工难度较大。该工程的粉砂质泥岩段为全线埋深最大的洞段,整体埋深在1650m320m范围内,地应力水平高,面临突出的岩爆问题。此外,高地应力赋存环境下岩石的力学行为与常规条件下有较大区别,室内试验表明粉砂质泥岩在高应力下会表现出较为明显的流变效应。长期流变下支护结构的安全性和围岩的长期稳定性不易得到保证,需开展专门研究。本文即针对该洞段的两个突出问题——岩石的蠕变力学行为及岩爆问题展开研究,所做的主要工作及主要成果如下:(1)建立了符合工程区粉砂质泥岩蠕变特性的非线性蠕变模型。通过研究见诸文献的15种常见流变力学模型的流变特性并与依托工程粉砂质泥岩室内蠕变试验曲线进行比对分析,最终采用改进伯格斯(Burgers)模型建立了粉砂质泥岩的非线性蠕变模型;基于Origin的自定义函数拟合功能将改进伯格斯模型的蠕变方程嵌入到Origin的函数库中并采用Levenberg-Marquardt(L-M)算法成功识别出模型的流变参数。(2)基于ABAQUS的二次开发平台,利用Fortran语言编写了改进伯格斯模型的用户材料子程序。详细推导了改进伯格斯(Burgers)模型的蠕变求解公式,并给出了该模型的程序开发框图,进而基于ABAQUS的二次开发平台采用Fortran语言成功编写了改进Burgers模型的UMAT子程序;利用所开发的用户材料子程序对室内单轴/三轴试验进行了数值模拟研究,数值模拟结果与试验数据基本吻合,证明了程序开发的正确性和有效性。(3)在充分考虑岩体流变效应的基础上,确定了依托工程粉砂质泥岩段的合适支护时机,建议隧洞在开挖150天左右时施做二次支护。基于所开发的子程序分析了无支护条件下粉砂质泥岩洞段的蠕变过程,发现对于1700m、2000m和2320m埋深的洞段,隧洞开挖后围岩的初始变形分别占最终稳定变形的40.4%、46.0%和51.19%,且粉砂质泥岩的流变变形主要发生在前6个月。此外,对比研究了二次支护不同支护时机下(隧洞开挖后90天、120天及150天)隧洞的变形、塑性变形及管片结构受力的变化规律,并建议二次支护在隧洞开挖150天左右时施做。(4)采用多种“应力强度比\强度应力比”岩爆判据综合评定了依托工程粉砂质泥岩洞段的岩爆可能性和岩爆等级。综合采用规范法、Russense系数法、谷-陶判据等多个判据对粉砂质泥岩段的岩爆可能性进行了分析,各个判据的结果均表明:粉砂质泥岩洞段具有发生强烈岩爆的可能性,可能会伴有严重片帮等严重的围岩破坏现象;(5)以加拿大地下试验室Mine-by试验隧道花岗岩的脆性破坏为例,对比研究了5种岩石本构模型对围岩脆性破坏范围的预测效果,揭示了围岩的脆性破坏机理并据此对依托工程粉砂质泥岩段的围岩破坏范围进行了模拟。采用弹性模型、理想弹塑性、CWFS模型、CSFH模型及基于Hoek-Brown模型的m-0准则对加拿大地下实验室Mine-by试验隧道的围岩破坏情形进行了数值模拟研究,发现可以考虑围岩破损过程中材料力学性能劣化的CWFS模型、CSFH模型及m-0准则可较好地模拟硬岩的脆性破坏范围。其中CWFS模型的模拟结果及其对硬岩脆性破坏机理的描述与实际情况最为相符。最后,采用CWFS模型及m-0准则对依托工程粉砂质泥岩段的围岩破坏范围进行了数值模拟研究。

关键词：深埋隧洞蠕变力学行为岩爆机理改进伯格斯模型脆性破坏模型破坏范围

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

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岩土力学 2021年第1期42卷 86-92页

作者：张泽马巍 ROMAN Lidia MELNIKOV Andrey 杨希李宏璧东北林业大学土木工程学院寒区科学与工程研究院哈尔滨黑龙江150040 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 东北林业大学东北多年冻土区环境、道路建设与养护协同创新中心哈尔滨黑龙江150040 罗蒙诺索夫莫斯科国立大学地质系冻土学教研室俄罗斯莫斯科俄罗斯科学院新西伯利亚分院梅尔尼科夫冻土研究所俄罗斯雅库茨克雅砻江水电开发有限公司四川成都610051

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... 详细信息

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。

关键词：冻融循环冻土力学长期抗剪强度时间比拟法球型模板压入仪