基于数值流形法的降雨入渗与坡面径流耦合算法研究

降雨时坡地的入渗-产流分析，是降雨型滑坡、泥石流等地质灾害机理研究中的重要课题之一.为实现边坡降雨-入渗-产流的全过程数值模拟，进一步提高计算效率，考虑将降雨入渗面视作坡面径流与坡体渗流的内部域，基于一维运动波方程和二维压力水头格式的Richards方程建立耦合模型，并推导出其总体控制方程，采用数值流形法(numerical manifold method, NMM)实现其数值求解，通过编制相应的计算程序分析了边坡降雨产流过程.数值分析结果表明：所建模型的计算结果与试验数据及前人模拟结果吻合良好，验证了该文模型及计算方法的有效性与可靠性；降雨强度越大，产流时间越早，坡面积水深度越大，对坡体内的水分分布影响范围越广.研究表明，所建模型能真实反映边坡降雨-入渗-产流全过程，可为降雨诱发的各类地质灾害分析提供计算依据.     

基于复杂网络的黏性土颗粒边坡堆积体失稳研究

对颗粒边坡堆积体模型在金属板向下持续作用时的失稳破坏过程进行了颗粒离散元模拟,得出了二维边坡堆积体土颗粒速度总矢量、边坡堆积体失稳破坏时滑移开裂面的角度以及边坡堆积体坡顶y方向的平均速度等宏观响应过程.构建了自然堆积下边坡堆积体颗粒的法向力链无向网络模型,研究其滑移面出现的位置,并与实验结果做对比.最后,用复杂网络方法对边坡堆积体坡顶颗粒接触力链网络的拓扑特征进行了分析,得到平均度、簇聚系数和平均最短路径在边坡堆积体失稳过程中的演化规律,并结合强度折减法验证其准确性.研究结果表明,平均最短路径可以对边坡堆积体失稳破坏进行较为有效的预警.采用复杂网络理论研究边坡堆积体宏观响应与其力链网络介观结构之间的相互关系,为边坡失稳研究提供了一种全新的数学分析方法.     

储层岩石周期性电渗流特性的微观机制

以双电层电位理论和电渗流动的动量方程为基础,结合储层岩石平行毛管束模型,推导出岩石孔隙内周期性电渗流的解析式,揭示了储层中电渗效应的微观机制,分析了非密闭储层岩石中宏观电渗Darcy速度及密闭储层中电渗压力系数频散特性的影响因素．数学模拟结果表明:储层岩石孔隙中,周期性电渗流速度剖面在频率较高时呈“波浪”状;孔隙度越大,电渗Darcy速度模值越大,其相位也越大,而电渗压力系数数值越小．储层岩石的溶液浓度越小或阳离子交换量越大,电渗Darcy速度模值和电渗压力系数数值越大,但对电渗Darcy速度的相位没有影响．     

定荷载和双面排水条件下非饱和土一维固结的解析解

基于多孔介质弹性理论,结合粒间吸应力表示的有效应力原理,建立了非饱和土固结的耦合偏微分控制方程.考虑一维问题,采用Laplace积分变换,得到了定荷载和双面排水条件下非饱和土固结的解析解答.通过数值算例,分析了土体饱和度对超孔隙水压力、有效应力以及土层沉降的影响规律.结果表明,土体的初始饱和度越高,则孔隙水压力消散得越快,有效应力增加越快.     

一种适用于缝洞油藏的流动单元划分方法

缝洞型油藏储集体空间尺度差异巨大且随机分布,导致其流动规律复杂多样.因此,基于流体在储集体中的流动规律重新划分具有开发意义的储集体类型,并对流动规律进行了实验验证;结合地质模型标定了不同流动类型的流动物性界限;将塔河油田S48区划分为4大类和10亚类流动单元.研究结果表明:缝洞油藏储集体类型包括流动规律为管流的未充填或垮塌充填大型洞群,流动规律为高速非达西流的疏松充填大型溶洞、大尺度裂缝与溶蚀孔洞系统,以及流动规律为达西流的小尺度裂缝网络与小尺度孔隙;依据缝洞油藏中流体不同的流动类型,共划分出四大类流动单元;提出动态综合系数并作为Ⅰ亚类流动单元的划分参数,并以某一井组为例将其划分为四亚类,动态综合系数越大,流动单元的流动能力越强;类推出第一非达西流动系数(S_1)和第二非达西流动系数(S_2)作为Ⅱ亚类流动单元的划分参数,并以某一井组为例将其划分为三亚类,两个非达西流动系数越大,流动单元的流动能力越强;利用SMLP法,以某井生产层段为例将Ⅲ类流动单元划分为三亚类,曲线斜率越大,流动单元的流动能力越强.     

非饱和土层一维固结问题的解析解

对一有限厚度,处于一维受荷状态,表面为透水透气面,底面为不透水不透气面的非饱和土层,依据Fredlund的非饱和土一维固结理论,由液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,经Laplace变换及Cayley-Hamilton数学方法构造了顶面状态向量与任意深度处状态向量间的传递关系;通过引入初始及边界条件,得到了Laplace变换域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力以及土层沉降的解;实现Laplace逆变换,得到了时间域内的解析解;用一典型算例,与差分法结果进行对比,验证了其正确性．     

考虑流固耦合效应的重力坝水力劈裂模拟

裂缝的高压水力劈裂是混凝土高坝安全评估的重要部分,研究其过程中的流固耦合作用是准确预测在各种情况下裂纹扩展路径和危险程度的关键.该文利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,对大坝的裂纹进行水力劈裂模拟研究.裂纹中的水压分布模型采用Brühwiler和Saouma水力劈裂试验的成果,体现了水压和裂纹宽度的耦合关系,给出了扩展有限元在裂纹面上施加水压力荷载的实施方法,对一典型重力坝裂纹的水力劈裂进行了数值模拟分析.研究结果表明:采用扩展有限元法模拟水力劈裂,克服了常规有限元法存在的缺点,裂纹扩展时不用重新划分网格,裂纹的实时宽度可以由加强节点的附加自由度得到,裂纹面上水压的施加也变得简单易行.当考虑裂纹内的流固耦合效应时,裂纹的扩展路径相比不考虑耦合效应时的扩展路径(均布全水头水压),扩展角变大,扩展距离变短.     

掺气对射流冲击水垫塘底部动水压强的影响

本文对冲击角为90°,60°和45°掺气与不掺气二维射流作用于水垫塘底板上的动水压强进行了系统的对比试验,揭示出:掺气使射流作用于塘底冲击区的时均压强明显减小,压强脉动强度明显增大;时均压强服从正态分布,脉动强度则符合t分布,且均存在自模性,分析了最大时均压强及脉动强度与水垫深度、掺气浓度及冲击角的关系,并给出了经验公式,提出了水团与气团交替作用的物理图象,解释了掺气对动水压强影响的机理。     

小攻角高超声速钝锥边界层中不同扰动对转捩的影响

为了研究上游不同扰动对转捩位置的影响,针对来流Ma=6,攻角1°,半锥角5°的钝锥边界层的转捩进行了数值模拟．首先研究了边界层中小扰动的演化,与流动稳定性理论进行了对比,结果表明:在所考虑的流场中,流动稳定性线性理论可以对扰动的增长率做出一个较好的预测．在此基础上,研究了不同扰动对转捩位置的影响．计算给出了在两种不同频率分布的扰动情况下,转捩位置沿周向的分布．结果表明,转捩位置沿周向分布与入口扰动的幅值和频率有关．某子午面的转捩位置由该处的最不稳定波在入口的幅值决定．根据大多数风洞中背景扰动的特性,解释了小攻角圆锥转捩实验中背风面先转捩,迎风面后转捩的现象．同时,还解释了在背风面附近转捩位置“凹陷”的现象．     

高烈度下双裂缝主控结构面危岩的断裂破坏机制分析

灰岩地区危岩具有典型类砌体结构特征,结构面发育复杂,其破坏本质是主控结构面在荷载作用下的断裂扩展失稳问题.基于地貌演化分析了灰岩地带陡崖复杂结构面形成与演化,获得了双裂缝主控结构面危岩的地质模型.构建了此类危岩的力学模型和断裂力学模型,按照最大周向应力准则,基于危岩自重、裂隙水压力及地震荷载作用,构建了双裂缝主控结构面危岩的断裂稳定系数表达式.通过案例分析验证了其合理性;各烈度对应的断裂稳定系数随贯通度增加而下降,基本地震烈度为Ⅷ度和Ⅸ度时,危岩处于不稳定状态;危岩稳定性受到主控结构面的裂隙贯通度与地震诱发的耦合作用影响,临界失稳贯通度随地震烈度的提高而降低;Ⅶ度地震的临界失稳贯通度理论值为25.8%,略小于贯通度实际值27.7%,略偏安全,其建立的断裂稳定系数表达式具有较好的适用性.研究结果可为推动此类危岩合理化防治提供重要的理论支撑.     

Groundwater regime in a slope stabilized by drain trenches

Drains are widely used in civil engineering as control works against slope instability in saturated clayey soils. The action of drains reduces pore pressures in the subsoil and consequently increases effective stresses and soil shear strength. Although drains are widely used in geotechnical design, their effect on slope stability is not fully understood and modeled. It is well known that the water table is subjected to broad variations due to atmospheric conditions and that the critical situation for slopes occurs during the wet season, when pore pressure in the subsoil attains its maximum. The real role of drains consists of avoiding this peak of pore pressure that could cause land sliding. Despite the behavior described, analyses proposed in the literature solve cases of drains working in slopes under steady hydraulic conditions at the boundaries. In this work we present a transient analysis of the phenomenon by considering the work of drain trenches in a transient regime due to variations in hydraulic conditions at the ground surface, as a consequence of rainfall. Under this hypothesis, the effect of drains is calculated to be greater than would be predicted by available design methods.     

考虑地震力方向的倾倒式危岩可靠度分析

侧向卸荷作用导致高陡边坡发育大量危岩体,危岩体在降雨、地震作用下易发生失稳破坏,判断其失稳的概率对危岩防治具有重要意义.该文以倾倒式危岩体为例,建立了考虑地震力作用方向下最危险方向的物理力学模型,利用函数极值理论建立了最危险地震力作用方向的表达式,结合可靠度理论建立了倾倒式危岩体可靠度指标、失稳概率表达式及判断标准.通过对重庆南川金佛山危岩体案例的分析表明:工况1的最危险地震力作用方向与水平方向的偏转角θ在5°范围内,工况2的最危险地震力作用方向与水平方向的偏转角θ在10°左右;危岩体最危险作用方向不是一个固定角,其值与危岩体形态、裂隙水作用力大小、岩腔深度等有关.当主控结构面裂隙长度较小时,最危险地震力作用方向与水平夹角很小,随主控结构面裂隙长度增大,最危险地震力作用方向与水平夹角显著增大;危岩体失稳概率随主控结构面裂隙长度增加而增大,工况2较工况1增大幅度更明显.该研究成果对危岩的防灾减灾具有重要意义.     

坡度对坡面土壤侵蚀的影响分析

在运动波理论基础上,就影响土壤侵蚀的主要因素,包括降雨超渗净雨量,坡面流水深、流速和切应力,以及土壤抗冲蚀能力等随坡度的变化关系进行了理论分析。并进一步对坡面土壤侵蚀的坡度界限做了较细致分析,表明坡度界限是一个变量,随颗粒粒径、容重、坡面糙率、径流长度、降雨入渗差值(净雨量),以及土壤摩擦系数等因素的不同而改变,给出了界限坡度的变化规律,并得出一般情况下土壤侵蚀的坡度界限值应在415°～50°范围内的结论。     

A qualitative analysis of the dynamics of a disc on an inclined plane with friction

The problem of the motion of a disc on an inclined plane with dry friction is investigated. It is shown that, if the friction coefficient is greater than the slope of the plane, the disk will come to rest after a certain finite time, and its sliding and rotation will cease simultaneously. The limit position of the instantaneous centre of velocities is indicated. The limit motions of the disc in the case when the ratio of the friction coefficient to the slope of the plane is equal to or less than unity: uniform sliding (in the case of a general position) and equiaccelerated sliding (always) of the disc along the line of greatest slope of the plane, respectively, are obtained. The case when the friction coefficient is equal to the slope, while the initial sliding velocity is directed upwards along the line of greatest slope, is an exception. In this case, the disc comes to rest after a finite time, and the sliding velocity and the angular velocity of the disc vanish simultaneously.     

基于梯度依赖的非局部摩擦模型的土坡稳定性分析

研究了基于梯度依赖的非局部摩擦模型下圆弧滑裂面土坡的稳定性,并对梯度依赖的非局部材料参数进行讨论与分析,研究了此参数对土坡安全系数的影响,从微观的角度分析宏观工程问题发挥机理的本质,发现带微观性质的非局部材料参数变化时,土坡安全系数变化虽然不大,但变化趋势很明显．当讨论土体相关参数对安全系数的影响时,根据梯度依赖的非局部摩擦模型与局部摩擦模型的对比,发现安全系数对内摩擦角的变化比较敏感,可为工程中土坡治理提供参考依据．     

梯形复式断面均匀流水力计算

对由主槽、斜边坡以及边滩三部分组成的梯形复式断面渠道均匀流的水力计算进行了研究,采用表观切应力表示各子断面间的横向动量交换,结合各部分力的平衡关系式,推导出了主槽、斜边坡和边滩平均流速的计算公式．采用UK-FCF的实验数据对公式进行了验证,滩槽相对水深为0.057~0.4的7组工况计算值与实测值的比较表明,不考虑表观切应力的计算值与实测值的一致性都较差．比较而言,斜边坡部分平均流速在水深较小时计算值大于实测值,在水深较大时计算值小于或接近实测值,表观切应力对边滩部分平均流速的影响不明显,而主槽部分若不考虑表观切应力的影响,则计算值与实测值差别较大．运用三段式模型与刘沛清等提出的两段式模型分别进行了有边坡梯形断面复式渠道的水力计算,结果表明对于有边坡段的梯形断面渠道（河道）,三段式模型更加有效．最后,将计算的表观切应力与实测表观切应力进行了比较,两者的一致性表明采用的动量输运系数是合适的．     

The effect of transverse crack upon parametric instability of a rotor-bearing system with an asymmetric disk

It is well known that either the asymmetric disk or transverse crack brings parametric inertia (or stiffness) excitation to the rotor-bearing system. When both of them appear in a rotor system, the parametric instability behaviors have not gained sufficient attentions. Thus, the effect of transverse crack upon parametric instability of a rotor-bearing system with an asymmetric disk is studied. First, the finite element equations of motion are established for the asymmetric rotor system. Both the open and breathing transverse cracks are taken into account in the model. Then, the discrete state transition matrix (DSTM) method is introduced for numerically acquiring the instability regions. Based upon these, some computations for a practical asymmetric rotor system with open or breathing transverse crack are conducted, respectively. Variations of the primary and combination instability regions induced by the asymmetric disk with the crack depth are observed, and the effect of the orientation angle between the crack and asymmetric disk on various instability regions are discussed in detail. It is shown that for the asymmetric angle around 0, the existence of transverse (either open or breathing) crack has attenuation effect upon the instability regions. Under certain crack depth, the instability regions could be vanished by the transverse crack. When the asymmetric angle is around π/2, increasing the crack depth would enhance the instability regions.