昆仑山隧道漏水灾害的链式机制及断链新措施

根据现场监测数据,阐述昆仑山隧道在各个阶段的漏水灾害情况;运用灾害链式规律的观点,揭示昆仑山隧道出现漏水灾害的链式机制;根据灾害链的断链原理和隧道漏水灾害的链式机制,按照保护冻土的原则,提出一种抛石断链新措施,并进行抛石断链措施的设计,同时指出该断链新措施在设计和施工过程中的的关键技术问题;根据传热学和渗流力学的基本理论,建立冻土渗流场和温度场耦合问题的三维数学模型,应用Galerkin法导出有限元计算公式,编制有限元分析程序。运用该数学模型和有限元分析程序,对昆仑山隧道DK977 578～DK977 682浅埋段在采取和不采取抛石断链新措施两种条件下的渗流场和温度场耦合问题进行三维非线性分析。分析结果表明:防治昆仑山隧道漏水灾害采取抛石断链新措施是可行的,可为寒区隧道漏水灾害的抛石断链新措施的应用和设计提供理论依据,为寒区隧道出现的漏水灾害提供新的分析思路和新的治理措施。     

寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

首先根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。最后给出了一寒区隧道考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明冻胀力对隧道衬砌应力的影响很大,应充分考虑这一因素的影响。     

寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

首先根据传热学、渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程.然后应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式.最后给出了一寒区隧道考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例.算例表明冻胀力对隧道衬砌应力的影响很大,应充分考虑这一因素的影响.     

大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析

 博士学位论文摘要　进行大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析, 是解决评价和预测大坝、坝基、坝肩稳定性, 库岸边坡稳定性等问题的关键。运用岩体力学、渗流力学和结构力学相结合, 理论分析与工程应用相结合, 大坝与周围地质体相结合的系统研究方法, 以大坝及其周围有限的地质体为研究对象, 进行渗流场与应力场耦合分析研究。首先, 以大坝及岩体的结构类型为基础, 进行裂隙渗流力学基础研究, 分析大坝2地质体系统的渗流及渗流控制问题。然后, 同时考虑渗流对介质作用的渗透静水压力和渗透动水压力(渗流体积力或裂隙壁切向拖曳力) , 建立大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络非线性数学模型及渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型, 并开发求解此耦合分析模型的三维有限元程序与软件。最后, 进行小湾水电站坝区和龙滩碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析, 以及龙滩碾压混凝土坝渗流场与温度场耦合分析。在大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型及三维主干裂隙网络模型、渗透动水压力引起的裂隙壁(或碾压混凝土坝层面) 切向拖曳力、渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型、以及大坝2地质体系统渗流场与应力场(或温度场) 耦合分析的数值方法及三维有限元程序与软件等方面作了创新性的研究。实际工程计算结果表明, 考虑耦合作用时, 由于裂隙(层面) 隙宽的减小而使总渗流量减小, 使渗流场水头分布发生变化; 也使岩体(坝体) 各应力分量的最大值增加10%～ 20% 左右; 当水力坡度较大时, 裂隙壁切向拖曳力使剪应力明显增加; 和耦合分析相比较, 不考虑耦合作用得出的应力结果偏于不安全。随着渗透系数的增大, 渗流场对温度场的影响更加明显, 而温度场对渗流场的影响减弱; 渗流由低温向高温流动时, 使温度场温度普遍降低, 但使渗流场水头普遍升高。     

寒区挡土墙温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析

根据传热学,渗流理论及冻土力学提出了带相变的温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学力学模型及其控制方程。应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式。给出了一寒区挡土墙考虑渗流和冻胀时的温度场和应力场算例。算例表明渗流对寒区挡土墙周围的温度场影响很大,而冻胀力对寒区挡土墙的水平应力影响很大。因此在寒区工程设计时应充分考虑这些因素的影响     

人工多圈管冻结水热耦合数值模拟研究

人工多圈管冻结过程中温度场和水分场的计算,是一个多物理场耦合和非线性数学问题,其影响因素多、相互之间关系复杂。基于相似理论原理和人工多圈管冻结模型试验,提出渗流方程中的导水系数是温度梯度的函数,建立了多圈管正冻土中水热耦合数学模型,并采用有限元方法实现了对多圈管冻结温度场和水分场耦合的数值分析。数值模拟温度场的发展趋势、水分场迁移特征与模型试验吻合良好,表明用提出的水热耦合数学模型计算多圈管冻结温度场和水分场是可行的,对多圈管冻结壁设计有参考意义。     

含相变低温岩体水热耦合模型研究

 根据冻融循环条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律,基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论,建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程,该耦合方程不仅考虑了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响,而且分析了由分凝势引起的孔隙水流动对渗流速度以及渗透压力分布的影响,实现了温度场和渗流场的双向全耦合。并将研究成果与M. Smith等的模型试验和现场试验进行对比分析,结果表明,所建立的耦合控制方程计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上,应用此耦合模型数值仿真寒区隧道,对隧道温度场分布规律和冻融圈大小进行分析,该计算结果能为寒区隧道的设计和施工提供一定的参考。     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

饱和冻土水热力耦合模型解析及验证

在饱和冻土多孔多相介质理论构架的基础上,通过引入Clapeyron方程描述温度梯度对冻结区水分迁移影响,并结合寒区工程的实际特点,对数学耦合模型中的应力平衡方程、连续性方程、能量方程进行了适当的简化,从而建立了实用化的饱和冻土温度场、水分场、变形场耦合分析的数值模型。据此开发了能够反应各种外因（外载、温度）作用下土体多场耦合机制的有限元分析程序,利用研发的程序对经典试验进行了分析,初步验证了模型及分析程序的可行性与合理性,为模型的工程应用奠定了基础。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

Study on a new-styled measure for treating water leakage of the permafrost tunnels

The status of water leakage of Kunlun mountain tunnel on Qinghai–Tibet railway is introduced by the time step in this paper. Based on the status of water leakage, the reason of water leakage of the tunnel is analyzed. In the light of the principle of protecting the frozen soil layer from thawing, a new-styled measure for treating water leakage, filling the ripped stone layer, is presented, and the design of filling the ripped stone layer is made. According to the basic theories of heat transfer and seepage, considering the coupled effects of seepage field and temperature field, a three-dimensional calculational model of the coupled problem is given, the spatial domain finite element formulae of this problem are obtained by Galerkin method, the time domain finite element formulae are obtained by Crank–Nicholson method, the solution process is presented, and a computer program is written. Using this model and program, three-dimensional nonlinear analyses for the coupled problem of seepage field and temperature field of the flat buried part from DK977+578 to DK977+682 in Kunlun mountain tunnel on Qinghai–Tibet railway are made under the two conditions of filling the ripped stone layer and not filling the ripped stone layer. The results show that it is feasible that the ripped stone layer is used for preventing water leakage of the permafrost tunnels. So, a new-styled measure can be used for treating water leakage of the permafrost tunnels.     

风火山隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题的三维非线性分析

根据流体力学、冻土学和传热学的基本理论,建立了寒区隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题的三维计算模型,用Galerkin法进行了有限元分析,进一步编制了有限元计算程序。运用该计算程序对青藏铁路风火山隧道空气与围岩对流换热和围岩热传导耦合问题进行了三维非线性分析。结果表明:运用该计算模型和有限元计算程序,在不知道寒区隧道内气温的情况下,能够正确预测围岩的冻融状态,从而节约现场观测隧道内气温的费用。     

长江堤防三维随机渗流场研究

给出分析各向异性非均质稳定随机渗流场问题的三维有限元模型;结合实际工程问题,统计分析长江荆南干堤土性参数的分布特征,通过Kolomogorov-Smirnov统计检验表明,渗透系数呈高斯分布假设可以接受。通过对长江荆南干堤随机渗流场的三维有限元统计模拟的数值分析,研究长江荆南干堤渗流场的各种随机特性,并进一步对随机模拟结果进行统计检验,验证模拟结果的合理性。在实际的分析研究中把上下游水位的随机波动引入三维有限元的随机分析模型,分析上下游水位的变异性对渗流场矢量的随机干扰和边界条件的随机性对随机渗流场分析结果变异性的影响。在此基础上进一步考虑施加诸如垂直截渗墙、下游导渗沟等抗渗措施后其作为复杂边界条件的扰动,在与场内土性参数的变异性共同影响下,对渗流场水头势分布的随机干扰特性,并与相应的确定性稳定渗流场问题的结果对比,证实随机渗流场研究的必要性、可行性及实用性,实现对长江荆南干堤的三维渗流场的较为全面的随机场模拟及特性分析,分析得到的结论通过统计检验并结合实测工程数据对照证明是可靠的,所研制的程序是适用的。     

Three-dimensional nonlinear analysis for the coupled problem of the heat transfer of the surrounding rock and the heat convection between the air and the surrounding rock in cold-region tunnel

According to the basic theories of heat transfer, geocryology and fluid mechanics, taking the coupled problem of the heat transfer of the rock surrounding the tunnel and the heat convective between the air in the tunnel and the rock surrounding the tunnel into account, three-dimensional calculating model of the coupled problem are presented. The finite element formulae of this problem are obtained by Galerkin’s method, and the computer program of the finite element is compiled. Using the program, three-dimensional nonlinear analyses for the coupled problem of the heat transfer of the rock surrounding the tunnel and the heat convective between the air in the tunnel and the rock surrounding Fenghuo mountain tunnel on the Qinghai–Tibet Railway are made. The agreement between the calculated results and the in-situ observed data is seen to be very good. The calculated results illustrate that the freezing–thawing situation of the rock surrounding the tunnel can correctly be predicted even if the air temperature distribution along the tunnel is unknown. In thus way, the large cost of in-situ observation for the air temperature in the tunnel can be saved.     

应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析

 为进行渗流作用下的边坡稳定性分析,需考虑渗流场与应力场之间的相互耦合作用。ABAQUS有限元程序具有良好的渗流和变形耦合分析功能,能将渗流场和应力场直接进行耦合,故采用ABAQUS有限元程序结合强度折减技术进行稳定渗流作用下边坡稳定分析,得到边坡整体稳定安全系数,且利用该程序强大的后处理功能,可揭示坡体内渗流浸润面和最危险滑动面的形状和位置,为验证该方法的可靠性,与基于传统极限平衡理论的瑞典条分法和简化的Bishop法进行对比分析。实例计算结果表明,基于ABAQUS的有限元强度折减法克服传统极限平衡法的缺点,计算结果更为合理可靠,是进行渗流作用下边坡稳定这一复杂问题分析的有效方法,可为工程实践提供参考依据。同时,就土体渗透性强弱对渗流浸润面位置及边坡稳定性的影响进行大量的分析和比较,并通过计算表明有限元模型边界的选取对渗流浸润面位置及边坡稳定性都会产生影响,因此有限元建模应合理地选取计算边界。     

Nonlinear analysis for the coupled problem of temperature, seepage and stress fields in cold-region tunnels

In this paper, a mathmatical mechanical model and the governing differential equations of the coupled problem of temperature, seepage and stress fields with phase change are first derived from the theory of heat transfer, the theory of seepage and frozen soil mechanics. Then the finite element formulae of this problem are obtained from Galerkin's method. Finally, an illustrative example of the temperature field and stress field in a cold regions tunnel, considering the seepage and frost-heaving force influence, is provided. The example shows that the influence of frost-heaving force on the stresses of the tunnel lining is very large and, thus, the effect of this factor on the tunnel lining should be taken into account in the cold regions engineering design.     

有限单元法在土坝三向稳定渗流中的应用

本文阐述了有限单元法求解具有浸润面的土坝三向稳定渗流场的原理和方法。并利用有限单元法的特点给出在均质土坝和非均质土坝上调整浸润面和渗出段的方法和计算任意形状过水断面的渗流量方法。文中还详述了在国产TQ-16型计算机上实现具有一定规模的土坝三向稳定渗流问题有关的技术。最后结合实际工程对均质和非均质渗流场进行了计算分析,经与原体观测资料对比,二者颇为接近,从而为广泛应用电子计算机计算土坝三向渗流问题提供了经验.     

土坝温度场反馈渗流场可行性研究

利用温度场连续分布监测成果反馈渗流场,能够克服传统渗流场点式监测的不足。通过实验室筑建均质土坝模型,并在模型内敷设分布式测温光纤及测压管等,同步获取渗流场与温度场信息。通过理论分析均质土坝温度场分布及变化与渗流梯度、水土温差、渗透系数、导热系数、比热以及时间等因素的关系,构建了均质土坝温度场反馈渗流场的数学模型,并进行了室内试验成果验证分析,实现了由温度场信息反馈渗流场信息。研究成果表明：土坝温度场信息推求渗流场信息是可行的,构建的土坝温度场反馈渗流场的数学模型是成立的。     

鞍钢矿业公司大孤山尾矿坝渗流场数值分析

基于鞍钢集团矿业公司大孤山尾矿坝工程地质勘察资料,经对实测主轴剖面合理地概化,建立坝体渗流场数值模型,采用有限元法对该尾矿坝坝体渗流场进行了数值分析,对坝体渗流稳定性作出了评价。