清华大学学报(自然科学版)杂志

清华大学学报(自然科学版)杂志2024年第7期

• 考虑SSI及地形效应的整体渡槽隔震性能分析

  韩钟骐, 敖选年, 蒋继彬, 王海深, 潘鹏

  该文以滇中引水工程松林渡槽为例, 分析了桩-土相互作用(soil-structure interaction, SSI)及地形效应(主要为V形河谷效应)对隔震渡槽结构地震响应的影响。 采用大型通用有限元软件ABAQUS建模, 通过m法及等效刚度桩考虑SSI, 采用简化弹簧-质量模型考虑流固耦合作用。 结果表明： 考虑SSI后, 槽墩变形、 槽段间相对位移及支座变形有所增大, 其中支座变形接近设计限值, 有破坏风险。 考虑在V形河谷效应下水平偏振横波相对于水平面不同入射角的工况中, 渡槽结构响应的大小依次为： 水平入射、 45° 斜入射、 一致输入、 垂直入射, 其中45° 斜入射与一致输入相近; 段间相对位移及支座顺槽向显著变形, 为设计关注重点。

• 引调水工程泵站群运行管控数字孪生引擎构建方法

  张社荣, 张耀飞, 王超, 王枭华, 杨小龙, 梁礼绘, 张礼兵, 刘梅

  引调水工程是国家水网中的重要组成部分, 泵站群是其中的关键节点。 为达到助力泵站群运行管控提质增效的目的, 将数字孪生技术应用于泵站群系统中, 构建包含物理场景、 孪生场景、 服务、 孪生数据、 连接、 反馈与决策6方面要素的数字孪生引擎六维理论模型。 从“孪生场景生成引擎、 数据管理引擎、 动态虚实映射引擎、 运行仿真分析引擎、 虚实交互馈控引擎”5方面提出泵站群运行管控数字孪生引擎构建方法。 实践表明： 所提方法适配于泵站群系统运行管控的业务应用需求, 可有效支撑高性能的数字孪生引擎研发。

• 基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法及模型试验

  曹俊, 崔臻, 张翔宇, 张佳威

  针对许多隧道面临的穿越活动断层挑战, 该研究提出一种基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法。 通过设计并实施模型试验, 验证脆性缓冲结构在抗错断方面的有效性。 研究结果表明： 当断层发生错动时, 采用脆性缓冲结构的隧道设计理念是可行的。 通过观察破坏模式发现, 脆性缓冲材料的粉碎和衬砌的部分脱空作用可有效分散局部剪切破坏, 显著降低断层带区域衬砌的损坏程度。 在上盘区域, 拱顶处的脆性缓冲结构被压碎, 与此同时, 拱底处脱空。 下盘区域的拱顶处脱空, 而拱底的脆性缓冲结构被压碎。 这种变形模式有效分散了断层位置的局部剪切变形, 显著减轻了衬砌的损坏。 在50 mm 厚缓冲结构的保护下, 即使错动位移达到100 mm, 相当于实际情况下的4 m位移, 衬砌模型表现出的损坏较小, 突显了脆性缓冲结构在保护隧道结构完整性方面的强大性能。 此外, 从应变监测数据分析可以看出, 衬砌的应变峰值并不出现在断层破碎带内, 而是迁移至离断层位置较远的区域, 显著减轻了断层破碎带内的应变集中现象。 该研究为跨越活动断层带的隧道设计提供了重要的理论依据和实践指导, 为抗错断方案的选择提供了参考。

• 基于摩擦摆支座简化模型的明钢管减隔震分析

  石长征, 王廷超, 徐裕旺, 伍鹤皋, 白锐

  滇中引水工程位于高烈度地震区, 输水结构抗震安全问题突出。 该文以滇中引水工程某明钢管为研究对象, 分析摩擦摆支座的减隔震效果, 推导了摩擦摆支座的简化力学模型, 据此建立摩擦摆支座简化弹簧有限元模型, 并应用于明钢管的数值模拟中, 对摩擦摆支座和平板滑动支座2种方案下的明钢管进行动力时程分析。 结果表明： 采用弹簧单元构建的摩擦摆支座简化有限元模型, 可以较好地模拟摩擦摆支座的力学性能, 提高明钢管结构有限元分析的效率; 采用摩擦摆支座时, 明钢管的地震动力响应规律与采用平板滑动支座时接近; 与平板滑动支座相比, 摩擦摆支座能更有效地降低钢管的加速度响应, 减小支座水平向受力, 且支座残余位移小, 对明钢管减隔震效果更明显。

• 基于深度学习的复杂地层钻孔图像岩体结构面识别方法

  吴金, 吴顺川, 王焘, 席雅允

  基于钻孔电视图像的结构面调查是一种应用广泛的勘测方法, 可为岩体质量评价和工程设计提供基础数据支撑。 然而, 复杂地层中结构面形态各异, 宽度差异大且对比度低, 传统算法难以准确完整地识别。 为此, 该文提出一种基于改进的U-Net网络模型的钻孔电视图像结构面识别方法。 首先, 采用更深层次的编码-解码网络结构, 处理对比度低导致的结构面局部断裂问题, 并结合通道注意力机制和残差模块提高编码阶段各层级对结构面特征的提取能力。 其次, 在较低层级跳跃连接中引入多尺度空间注意力模块, 提高对复杂形态结构面处理能力, 丰富编码层结构面语义特征; 同时, 通道注意力也被用于充分融合来自编码层和解码层的多通道结构面信息。 然后, 通过利用与地质作用下地层变形类似的透视变形等方式扩增钻孔图像数据, 并结合焦点损失和Dice损失进行联合训练, 以减轻图像数据不平衡问题, 增强网络泛化能力。 最后, 将同一钻孔图像作为训练集, 邻近钻孔图像作为测试集进行消融和对比实验。 结果表明, 相比于已有相关网络模型, 该文所提方法能更有效地针对复杂地层钻孔图像, 较准确、 完整地识别各类岩体结构面, 精确率和召回率均超过77.00%, 比改进前的U-Net网络分割效果分别提高了7.96%和14.99%。 该文方法可为现场结构面钻孔调查以及岩体质量评价提供技术支撑。

• 导水屏障调谐减震渡槽振动台试验

  黄邦辉, 李志荣, 左澍琼, 邓开来, 辜文兰, 洪彧

  横向地震动激励下, 渡槽中水体发生晃动, 有可能放大渡槽的地震响应。 为抑制渡槽中的水体振动, 该文提出了适用于大型渡槽的导水屏障。 该导水屏障沿顺槽向安装于渡槽中, 将水体横向分隔, 同时设置了部分通孔, 便于水体通过, 由此改变水体在渡槽中的横向振动特征, 进而减小渡槽地震响应。 为探究导水屏障对渡槽的减震效果, 依托典型的大型渡槽实际工程, 该文设计了矩形渡槽和U形渡槽的振动台试验, 考虑了槽内水位高度、 屏障透水率等参数对渡槽减震效果的影响。 通过振动台试验, 获得了渡槽在白噪声、 简谐荷载和地震动激励下的动力响应, 同时得到了渡槽的自振频率和盖梁峰值加速度等结构响应。 试验结果表明： 导水屏障可以提升渡槽溢水的台面加速度阈值, 实际减小了渡槽中水体振动。 定义渡槽盖梁峰值加速度之比为减震系数, 减震系数与渡槽断面类型、 槽内水位、 激振频率和导水屏障透水率等均相关。 当激振频率接近渡槽基频时, 导水屏障呈现良好的减震效果; 当激振频率远离渡槽基频时, 导水屏障反而可能导致渡槽地震响应放大。 在El centro地震动激励下, 大部分工况中导水屏障呈现良好的减震效果, 减震系数的均值和标准差受槽内水位、 导水屏障透水率等因素影响较大, 导水屏障的定量减震机理还有待进一步研究。

• 深埋隧洞岩爆主动防控作用机制与效果

  王克忠, 李胜, 曹立, 张如九, 庞智勇, 王彦兵, 刘耀儒

  深埋隧洞强岩爆灾害是制约隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)安全高效掘进的关键因素之一, 主动防控已成为控制岩爆风险的重要技术手段。 该文针对滇中引水工程香炉山深埋隧洞TBM段施工期可能面临的硬岩岩爆问题, 在考虑施工因素的情况下, 开展超前应力解除爆破和超前导洞数值仿真研究, 分析了岩爆主动防控作用机制及不同施工参数下的应力和能量释放效果。 结果表明: 超前主动防控通过预先集中掌子面前方岩体应力, 实现TBM 二次开挖时的应力“削峰”, 避免能量突然聚集, 从而降低岩爆风险; 超前应力解除爆破适合局部针对围岩的应力释放, 相较于增大外插角, 增加超前爆破孔数量对减弱岩爆风险效果更加明显; 超前导洞整体应力和能量释放效果更佳, 影响范围更大, 且增大超前导洞的洞径和长度有助于进一步降低岩爆风险。 主动防控方法及具体施工参数需依据实际的岩爆风险等级和现场条件进行确定。

• 微生物诱导碳酸钙沉积加固剧烈砂化白云岩实验研究

  徐洪钟, 王沐婉, 沐红元, 米健, 吴永红

  表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis) X-NM1是从盐湖附近土壤中筛选出的高效碳酸盐矿化菌株, 该文以滇中引水工程玉溪段剧烈砂化白云岩为例, 利用表皮葡萄球菌X-NM1诱导碳酸钙沉淀技术加固剧烈砂化白云岩。 通过无侧限抗压强度、 碳酸钙生成含量和微观结构分析等实验, 探讨不同胶结液浓度、 初始相对密度以及注浆轮次等因素对加固效果的影响。 实验结果表明： 1) 加固后样品的碳酸钙含量、 干密度以及无侧限抗压强度随着胶结液浓度的增加均呈先增加后减少的趋势, 最优的胶结液浓度为2 mol/L。 增加注浆轮次和初始相对密度均可提高砂化白云岩柱体各项物理力学指标, 注浆轮次为3轮时, 样品的碳酸钙含量达29.62%, 强度达7.69 MPa。2) 扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)结果显示碳酸钙晶体有效填充了白云岩颗粒表面的孔隙, 胶结了白云岩固体颗粒, 对于提高整体强度起到至关重要的作用。3) X-NM1表皮葡萄球菌能有效诱导生成碳酸钙, 对加固剧烈砂化白云岩的效果明显。

• 含交叉断层深埋隧洞围岩衬砌外水压力物理模型试验

  王如宾, 王新越, 张文全, 徐卫亚, 陆进彬, 向天兵

  为揭示复杂地质条件下富水区深埋隧洞围岩-灌浆圈-衬砌复合系统的外水压力作用规律, 该文自行研制适用于深埋隧洞的大型高外水压力物理模型试验测试系统, 选取滇中引水工程昆明段松林隧洞TSLT-005与TSLT-006(TSLT-005、 TSLT-006为断层编号)交叉断层典型洞段为研究对象, 开展含交叉断层深埋隧洞衬砌外水压力物理模型试验, 揭示不同隧洞埋深、 不同地下水位及不同排水条件下, 衬砌的外水压力变化规律, 并给出各工况下的外水压力折减系数建议取值范围。 结果表明： 隧洞埋深和地下水位对衬砌结构的外水压力影响明显, 随着隧洞埋深的增大, 受高地应力影响, 围岩与灌浆圈自身的孔隙度与渗透性下降, 对地下水渗流势能起到较好的削弱作用, 导致衬砌的外水压力整体呈降低趋势; 随着地下水位升高, 衬砌全环的外水压力呈增大趋势, 且由于岩体中细颗粒会被高水压冲散, 因此形成较为连通发育的渗流通道, 渗压增速也会随地下水位的升高而增大; 设置衬砌排水孔可有效降低隧洞拱肩及其以上部位的外水压力, 当隧洞围岩存在交叉断层分布时, 断层带影响的衬砌部位外水压力降低效果受到一定削弱, 且对衬砌的外水压力分布影响较为明显, 在高地下水位工况下, 需重点关注“断层带”对围岩衬砌结构整体的影响范围; 当衬砌结构不排水时, 600 m埋深的外水压力折减系数约为200 m埋深的92%, 设置排水孔后, 600 m埋深的外水压力折减系数约为200 m埋深的85%; 当隧洞围岩存在交叉断层时, 在不排水情况下, 衬砌最不利点的外水压力折减系数建议取值0.95以上, 在排水条件下, 衬砌处的外水压力折减系数建议放宽至0.82; 最后, 利用有限元数值模拟方法对衬砌的外水压力物理模型试验结果进行验证, 在衬砌不排水工况下, 误差约为9.3%, 在衬砌排水工况下, 误差约为7.8%, 表明高外水压力作用物理模型装置和试验结果基本上合理可行。 该研究为富水区深埋隧洞工程的设计施工及运行安全提供科学参考。

• 基于大型振动台试验的拱式倒虹吸抗震性能

  吴勇信, 罗宝鑫, 张文全, 廖意辉, 高玉峰, 蒋乐英

  为研究拱式倒虹吸结构在地震动作用下的动力响应, 该文以滇中引水工程中的龙川江倒虹吸结构为原型, 根据相似理论设计制作了缩尺比例为1∶20的相似模型, 通过改变结构的输水工况与地震动激励类型, 深入分析结构自振特性、 加速度和位移响应的变化情况。 结果表明： 随着上部水体质量增加, 结构的加速度响应降低, 位移响应影响较小, 水体表现为对该结构抗震有利。 在不同地震动作用下, 结构动力响应差异明显, 动力响应与输入的地震动频谱特性有关。 研究成果可为相关倒虹吸工程的抗震设计提供参考。

• 基于数值样本和随机森林分类器的岩爆风险快速预测代理模型

  王克忠, 谢添, 李梅, 张如九, 侯少康, 王震洲, 刘耀儒

  该文依托滇中引水工程香炉山隧洞, 开展深埋隧洞掘进过程中岩爆风险预测研究, 提出基于数值样本和随机森林(random forest, RF) 的岩爆风险快速预测代理模型。 以地应力和围岩本构参数作为模型输入特征, 以围岩最大弹性应变能密度作为输出特征, 开展使用隧道掘进机 (tunnel boring machine, TBM) 掘进深埋隧洞过程中的多工况数值仿真, 基于正交试验设计构建了611组数值样本, 并通过围岩能量演化分析和相关性分析, 验证输入、 输出参数的合理性。 进一步以RF为基分类器, 利用10折交叉验证优化超参数, 建立了岩爆风险快速预测代理模型, 并对比多种机器学习算法, 验证所提代理模型的预测准确性和适用性。 结果表明： 所提方法具有良好的预测性能和泛化能力, 测试集样本的预测准确率达82.02%, 优于用于比较的其余4种机器学习模型, 为快速预测深埋隧洞施工期岩爆风险提供了一种研究路径。

• 滇中引水软岩隧洞围岩位移时序预测

  崔靖奇, 吴顺川, 程海勇, 王涛, 姜关照, 浦仕江, 任子健

  围岩位移监测值具有复杂性和非线性动态变化特征, 且以往优化算法结合单一回归模型的静态一次学习无法表现真实场景下的实际应用, 而自相关性使围岩位移预测作为时序问题更具现实意义, 但单一模型的泛化性能易受历史监测数据的干扰, 导致测试应用预测不准确。 该文提出一种结合监测时序数据预处理的围岩位移时序动态预测方法, 首先, 将截取后的稳定监测数据利用3次样条插值等距化, 并通过变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)信号处理, 将监测数据分解为趋势项与随机项位移分量; 其次, Adaboost集成多个长短期记忆神经网络(long short-term memory network, LSTM)构建时序预测集成优化模型, 并在一次训练学习后单步动态预测; 再次, 分别对滇中引水工程段围岩位移分量进行预测, 并与传统时序预测模型进行对比; 最后, 通过FLAC 3D数值模拟工程段得到围岩位移时序完整数据, 验证集成优化模型的应用表现。 结果表明： 集成优化模型在各分量与累计位移均有良好表现, 且与传统模型相比, 受变形速率波动影响较小。

• 深埋隧洞地下水分层水力联系地表深孔监测技术与工程应用

  陈念, 张强, 汪小刚, 王玉杰, 王鹏, 王丹

  外水压力是深埋隧洞建设中面临的一个关键问题, 由于深埋隧洞埋深大、 地下水位高、 地层间水力联系规律复杂, 因此给深埋隧洞外水压力确定提出巨大挑战。 厘清隧洞全生命周期地下水的水力联系规律, 是准确评价深埋隧洞外水压力和隧洞建设影响地下水环境的关键。 该文采用数值模拟法研究不同地层类型对隧洞开挖后地下水演化规律的影响, 在此基础上, 提出一种深埋隧洞地下水分层水力联系地表深孔监测技术, 并应用于滇中引水工程蔡家村隧洞。 数值模拟结果显示： 隧洞上方存在隔水地层对开挖后地下水水力联系有显著影响。 工程实践应用不仅验证了该技术的可行性, 还证实了深埋隧洞地下水水力联系存在分层现象。 该文提出的深埋隧洞地下水分层水力联系地表深孔监测技术为深埋隧洞高外水压力的取值研究提供了有效手段。

• 基于PFC的单节理岩石裂缝演化数值模拟

  范星宇, 刘海明, 王希辉, 王美乾, 吴永红, 丁文云

  岩石中普遍存在各向异性裂隙, 其中单节理作为一种简单基础的裂隙结构, 其力学行为研究可为评价和预测更复杂岩石体系的力学性能奠定基础。 为研究单节理岩石的微观裂缝演化机制与规律, 探究其对宏观力学参数和破坏特征的影响, 该文以滇中引水工程大理段香炉山隧洞的节理岩体为研究对象, 采用二维颗粒流数值程序对完整岩石和单节理岩石进行单轴压缩模拟试验, 分析节理长度及倾角的变化对宏观力学参数和破坏特征的影响。 结果表明： 单节理岩石的节理越长、 倾角越小, 单轴抗压强度、 峰值应变和弹性模量越小; 节理越长, 节理倾角对峰值应力、 峰值应变和弹性模量的敏感性越高; 试样大多呈张拉破坏, 裂纹萌生顺序为翼裂纹、 剪切裂纹、 次生剪切裂纹和远场裂纹; 随着节理倾角增大, 起裂位置由节理中部向尖端转移, 起裂方向由垂直于节理倾向转为平行于节理倾向; 节理长度越长, 破坏形成的主拉裂纹越少, 裂纹类型越简单, 翼裂纹起裂越早, 剪切裂纹起裂越晚。

• 浅埋暗挖隧洞下穿高速公路路基沉降控制

  李建贺, 许然, 高仝, 欧阳林, 杨正基

  浅埋大跨度隧洞在软弱地层中下穿高速公路施工引起的路基沉降, 一直都是地下工程设计和施工面临的突出技术难题之一。 该文依托滇中引水工程香炉山隧洞, 采用现场监测和数值模拟的方法, 对隧洞下穿高速公路施工中的地表沉降、 围岩变形控制方案及过程进行探讨, 分析隧洞开挖过程中顶拱和路基的沉降变形规律及其影响因素。 研究结果表明： 浅埋大跨度隧洞掌子面前方围岩预收敛变形在顶拱总沉降变形中占比较高, 施作掌子面超前支护, 以减小掌子面挤出变形和前方围岩的预收敛变形, 对提高围岩稳定性、 降低地表沉降作用显著; 相比加强支护参数, 改善施工工艺对控制路基沉降的效果更为明显, 优化后的四台阶工法通过“预留核心土、 临时仰拱+竖撑支护、 同台阶左右错开”等方式, 有效约束围岩变形和应力释放, 充分调动支护结构的承载性能, 取得了较好的应用效果。 研究结果可为类似复杂条件下, 隧洞下穿高速公路施工提供参考。

• 高地震烈度区复杂地质条件渡槽结构

  张延杰, 曾显志, 王海深, 韩钟骐, 邓开来, 潘鹏

  滇中引水工程规模巨大, 面临高地震烈度、 多活动断裂、 复杂地质条件等众多工程建设难题。 渡槽是滇中引水工程中用于跨越河流和山谷等特殊地形的重要输水结构之一, 确保渡槽结构安全是保障输水功能持续的关键和前提。 针对滇中引水工程渡槽结构, 部分学者已开展大量理论分析、 模型试验及数值模拟等研究工作, 该文归纳分析了相关研究成果, 并展望未来的研究趋势, 旨在为类似工程的建设和发展提供参考和借鉴。 研究表明： 水-槽相互作用及土-结相互作用模拟是准确分析渡槽结构地震响应的关键, 形成考虑土体-渡槽-水体的多物理场耦合分析技术, 可为滇中引水工程渡槽结构的数值分析提供技术支撑。 在此基础上, 研究高地震烈度区、 复杂地质条件下渡槽结构的抗震及减隔震性能, 分析V形河谷等地形差异对渡槽结构的抗震性能影响机理, 阐明不同减隔震措施的减隔震机理。 随着社会不断发展, 人们对渡槽结构在输水能力和跨越能力方面的需求日益增加, 如何进一步保证在高地震烈度区和复杂地质条件下的渡槽结构安全和输水功能持续意义重大。 利用槽内水体晃动实现调谐液体阻尼器减震效果、 研发新型减隔震装置和渡槽防渗止水是未来重要的发展方向。

• 基于深度机器视觉的香炉山隧洞钻孔多维特征精准定位

  王旭, 巩晓雯, 黄其帅, 陈炳瑞, 杨世强, 杨旭, 张延杰

  香炉山隧洞是滇中引水的控制性工程, 岩爆是其主要灾害源之一。 微震传感器坐标精确定位是岩爆微震监测预警的基础, 但是其钻孔位置仍需人工测量, 精度低且实时性差, 严重阻碍岩爆微震自动监测系统的发展。 该文提出一种基于深度机器视觉的隧洞钻孔多维特征精准定位方法YOLO(you only look once)-AT(anchor tracking)。 首先, 该方法利用改进YOLO V8模型YOLO V8 OBB(oriented bounding boxes)实现香炉山隧洞钻孔轮廓的精准拟合; 其次, 构建锚点追踪算法AT, 在轮廓椭圆上选定锚点, 并根据对极线约束和点序约束实现多视角下的锚点追踪; 最后, 利用视差法求解各锚点的空间坐标, 并基于解析几何理论求解香炉山隧洞钻孔的多维特征。 利用质量可控的香炉山隧洞合成钻孔轮廓数据库对各种钻孔定位方法进行验证, 结果表明： YOLO-AT方法具有良好的钻孔轮廓拟合精度和钻孔多维特征定位精度, 对钻孔口中心坐标、 钻孔直径、 钻孔口平面方向、 钻孔方向的定位误差中位数分别为0.835 mm、 0.795 mm、 0.567°、 1.751°, 且定位性能受钻孔轮廓质量的影响小, 满足香炉山隧洞岩爆微震自动监测的需求, 并有向各类地下工程钻孔测量工作推广的应用潜力。