下凹形态裂隙面粗糙程度表征及立方定律修正系数拟合

裂隙面粗糙程度直接影响着裂隙的渗流特性,利用高倍数码相机采集孔隙介质模块粗糙裂隙面信息,结合数字成像和MATALB技术拟定典型粗糙度的裂隙面,提出描述试样裂隙面粗糙程度的下凹度,研究下凹度对裂隙过流能力的影响,确定下凹形态粗糙裂隙的立方定律修正系数公式。结果表明:预制混凝土块裂隙面的下凹面积百分比随下凹程度的增大逐渐减小,立方定律修正系数与相对下凹度呈二次多项式关系;采用等效水力隙宽比直接采用1.0 mm光滑裂隙的数值模拟成果更贴近双重介质渗流水力特性试验结果,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平方根R~2分别为1.35%、1.06×10~(-4)和0.995。下凹形态粗糙裂隙立方定律修正系数成果与试验结果吻合,该修正系数模型公式是合理的。提出的粗糙度表征方法和修正立方定律能够有效描述下凹形态粗糙裂隙渗流特性。     

大理岩裂隙渗流特性及充填砂土影响

利用自行研制的岩石裂隙渗流系统,对9个不同裂隙面形貌的大理岩试样分别进行充填和未充填裂隙渗流试验,研究了不同法向应力条件下,加卸载过程、水头差大小、裂隙面形态、充填砂土粒径及厚度等因素对裂隙渗流的影响。试验结果表明:裂隙未充填时,在法向加载阶段,渗流量随水头差的增大呈线性递增,渗流量随法向应力的增大呈负指数减小,并得到了包含裂隙面三维形貌参数坡度均方根S_q的渗流量和法向应力关系式;单位水头流量与力学隙宽呈指数关系,指数平均值为3.01,基本符合立方关系。因此,通过增加修正参数得到了修正的立方定律,其中修正参数与裂隙面的三维形貌参数S_q呈指数关系。在法向卸载阶段,渗流量随法向应力的降低基本不变,相较于加载阶段,卸载阶段法向应力对渗流量的影响明显降低;相较于未充填裂隙,充填裂隙闭合量、裂隙面形态、法向应力在加载和卸载阶段对渗流量的影响均较小,充填砂土的粒径或厚度越大,相同法向应力下裂隙渗流量越大。     

一种裂隙－连续介质的耦合渗流计算方法

目前单独的孔隙介质（如土体）一般采用基于达西定律的连续介质渗流理论进行渗流分析,单独的裂隙介质（如岩体）多用基于立方定律的离散裂隙网络模型进行渗流分析。对于既有孔隙介质,又有裂隙介质的渗流区域,并没有形成一个整体的分析方法。针对裂隙岩基上修筑土石坝这种特殊渗流区域,对岩体裂隙区域和土体孔隙区域采取不同的渗流理论,通过交界区节点水头一致性条件,形成耦合整体渗透矩阵,建立了裂隙－连续介质耦合渗流计算方法,编制了裂隙－连续介质耦合渗流分析程序并进行了算例和工程验证,为裂隙与连续介质的耦合渗流计算提供了新的解决方法。     

基于分形理论的岩石裂隙非线性渗流各向异性研究

针对裂隙岩体非达西渗流问题,开展了不同粗糙裂隙非线性渗流特性的研究。将完整的方形岩块采用劈裂法制成裂隙试件,用三维光学扫描系统量测裂隙表面形貌,并采用Kulatilake提出的自仿射分形维度方法计算表面的分形维度来表征粗糙表面的各向异性特征。根据裂隙流的曲折效应,在Forchheimer定律基础上,提出了水文弯曲度和表面分形幂律关系来表征非线性特点,并由此提出了新的粗糙裂隙非线性分形模型。对各组裂隙试件在2个方向（0°,90°）上进行饱和渗流试验,发现流动符合Forchheimer定律且存在各向异性特点,最后由分形模型,提出了区分达西流与Forchheimer流的新判据。     

岩体粗糙裂隙网络渗流分析的子单元法

岩体粗糙裂隙的细部特征对区域整体渗流分析影响很大,以往渗流分析往往没有考虑粗糙裂隙细部特征以及其对整体渗流分析的影响。提出子单元法来分析岩体粗糙裂隙网络渗流,则可以较好的分析上述影响。子单元法将每一裂隙当成一个单元,裂隙内部则分成若干子单元,裂隙单元的总体水力特征受所有的子单元联合作用控制,而细部水力特征由单一子单元体现。根据单裂隙开度分布统计规律模拟裂隙开度分布,将单裂隙等长分段(子单元),根据模拟开度参数求得裂隙中任一子单元的平均隙宽,进一步推导裂隙的单宽流量公式和子单元结点的水头公式。利用岩体裂隙网络渗流理论,结合粗糙单裂隙等宽流量公式,求得各裂隙结点水头,进一步求得裂隙的单宽流量,进而求得裂隙子单元水头和流速。通过分析可得粗糙裂隙网络渗流与平滑裂隙网络存在明显不同:(1)裂隙网络中任一裂隙单宽流量计算公式不同,粗糙裂隙的等效水力隙宽小于平均隙宽;(2)裂隙内水头分布形式不同,光滑裂隙呈直线状分布,而粗糙裂隙呈阶梯状分布;(3)组成裂隙网络渗流传导矩阵的计算公式不同,粗糙裂隙网络考虑了裂隙细部水力特征对渗流的影响;(4)粗糙裂隙子单元法考虑了裂隙开度分布不均匀对裂隙过流能力的影响,更加合理。本研究可为实际工程提供参考。     

基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合作用机制研究

 采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型，分析裂隙岩体洞室开挖后，围岩应力与水力耦合作用导致的裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。结果表明：洞室开挖完成后，在围岩渗流与应力耦合作用下，围岩中裂隙隙宽、裂隙中水压及其渗透流量的变化是一个动态过程，且相互作用与相互依赖；裂隙的闭合使得结构面水力梯度变大，作用在裂缝上的渗透压力增大，促进导水裂缝扩展，裂隙连通性增加；裂缝张开度增大，渗透能力增强，渗流量增大，其渗流压力相应降低；由于围岩中裂隙隙宽、压力和渗流量的动态依赖性，在一定条件下，裂隙隙宽的改变可导致局部水力通道的形成，高压水头从局部涌出，从而促进突水灾害的形成。研究成果初步表明了所采用方法的有效性，并为研究裂隙岩体中开挖洞室引起的突水问题提供了潜在的研究方向。     

孔中同位素示踪方法研究裂隙岩体渗流

本文推导了孔中测定岩体裂隙渗透流速、等效力学隙宽的稀释定理及双井混合井流理论，通过对裂隙的渗透流速、流向、吸水量或涌水量等参数的测定，结合裂隙渗流立方定理与稳定流理论，提出了一种确定岩体裂隙渗透系数的示踪方法。     

岩体裂隙传导系数研究

本文采用流体力学方法研究了粗糙裂隙和充填裂隙的水流特性，证明了单一裂隙的有效隙宽小于平均隙宽，且依赖于平均隙宽的均方差。研究了充填裂隙接触面积对流态的影响，论证了一些经验公式的局限性和有效性，对各种单宽流量公式的偏差进行了分析。     

基于修正立方定律对单裂隙辐射流剪切耦合的研究

修正了辐射流立方定律,并研究了裂隙的力学性能和水力特性。进行了不同恒定法向压力和剪切速率下的高液压水头剪切渗流实验。发现峰值剪切强度随剪切速率的增加呈现先增大后减小的趋势。线性系数A和非线性系数B都随剪切位移先增大后减小,且减小后的稳定值小于剪切破坏前的值。但是系数B比系数A大5个数量级,变化幅度更大。临界雷诺数经剪切破坏后大于剪切破坏前的值,流态将变好。此外,剪切过程中的水力特性也表现出与力学性能相似的趋势。     

岩体裂隙网络非线性渗流分析

裂隙中水流为紊流状态时，流量与水力坡度呈非线性关系，不再满足线性的立方定律，以岩体裂隙网络中结点的水量平衡来建立岩体裂缝网络非线性渗流控制方程式，提出矩阵求解方法和迭代运算步骤，并给出应用算例与验证。算例结果表明，不能采用岩体裂隙网络线性渗流规律来代替岩体裂隙网络非线性渗流规律。     

辐射流立方定理的推导及试验研究

为了推导辐射流光滑平行板立方定理并研究其适用性,通过理论分析,根据惯性力和黏性力的数量级关系,将水流的分布状态分成黏性区和势流区,在完全处于黏性区的“弱惯性带”中,由N-S方程和Laplace方程推导辐射流立方定理。在水力压强分别为0.1、0.2和0.3MPa时,对平行板和规则齿进行水力试验,验证平行板实际流量与立方定理吻合程度以及粗糙裂隙面对于立方定理的适用性。结果表明:水力压强为0.1MPa时,平行板的流量与立方定理吻合良好;高水头差易产生非线性流,导致流量偏离立方定理;粗糙度的存在会破坏水流的连续性,削弱过流能力,规则齿的试验值比预测值低7.9%~14.6%。     

三次样条线型拱坝体形优化设计

本文以拱坝拱圈线型值点坐标、拱端厚度和半中心角为体形参数给出了三次样条线型拱圈的构造方法，并给出了三次样条拱轴线的保凸条件；以拱冠梁和拱圈体形参数为设计变量，建立了三次样条线型拱坝体形优化设计模型。以某拟建拱坝体形优化设计为例，采用有限元等效应力描述应力约束条件，利用加速微种群遗传算法求解。计算结果表明，三次样条线型拱坝优化体形比设计部门经过优化提出的抛物线体形坝体体积减小了58.4万m3，说明三次样条线型拱坝体形的优越性。     

用耦合模型法进行水质随机模拟的研究

基于水质变化同时存在的两种规律－确定性规律和随机性规律（前者反映事物必然的内在联系，后者反映外在的随机性因素作用）。建立了一种能同时体现这两种作用的确定性与随机性相耦合的水质模型，并进行了水质变化过程及其概率分布的随机模拟。经实际计算，表明是切实可行的。     

拱坝三次样条曲线拱圈线型及优化研究

建立拱坝拱圈三次样条曲线模型，根据非线性规划町行域与最优解的理论。比较了抛物线、椭圆、双曲线和三次样条曲线线型的优劣，并采用复合形法对这些线型的拱圈进行了优化。结果表明，三次样条曲线拱圈最优。     

水行政执法工作中存在的问题及对策

分析了近年来广西水行政执法工作中存在的队伍建设仍然滞后、执法职能分散、行政干预执法现象等问题.针对这些问题,提出了解决执法队伍的编制与经费、建立层级间水行政执法责任制、制定水法规配套文件、开展水利综合执法等建议.     

立方抛物线形渠道水跃共轭水深的迭代算法

基于立方抛物线形渠道断面的几何特点与棱柱体水平明渠的一般水跃方程,推导出了立方抛物线形断面渠道的水跃方程。然后,通过对水跃方程进行恰当的数学变换,得到了计算跃前、跃后水深的迭代公式,且从理论上证明了公式的收敛性。通过对不同流量与断面形状参数下跃前水深所对应的跃后水深进行计算和公式拟合,得到了计算跃前、跃后水深迭代初值的计算式,从而大大加快了迭代计算的收敛速度。实例计算表明,该计算方法简单、收敛速度快、物理概念明确。对生产实践和水工设计手册的修订均有参考价值。     

水行政执法程序及其模式设计构想

指出水行政执法中的程序缺失和执行的困难。水行政执法程序受水资源独特性(流动性、形态多样性、不可替代性等)的影响。根据水行政执法程序特点和构成要素(方式、步骤、时间和顺序),设计了水行政执法程序模式:表明身份,告知(通知),当事人陈述(申述),磋商,建议。     

三次样条插值方法在太湖水质评价中的应用

采用三次样条插值方法对全太湖代表性水质指标和反映富营养化、藻类密度的指标进行线性插值,绘制太湖主要水质指标浓度空间变化图,直观反映了太湖水质总体状况和空间分布特征,较好地解决了监测站点密度不够的问题。虽然评价结果在水质变化较大的局部湖区存在一定误差,但该方法对于大面积湖泊水质评价工作具有借鉴价值。