三峡蓄水后典型河段分形维数的变化分析

针对三峡工程蓄水后下游河道河床表面形态的变化,采用分形维数对河床表面形态进行量化,并分析河道冲淤调整特点,对河床表面分形维数(BSD)的变化特点及物理意义进行探讨。结果表明,BSD与河床各个剖面形态之间的关系是整体与部分的关系,BSD能全面地反映床面形态的复杂程度。三峡蓄水后,宜昌-虎牙滩和宜都河段BSD明显增大,关洲河段增大幅度较小,而芦家河河段BSD值略有减小,同时,各河段BSD的变化可在一定程度上表征三峡蓄水后下游河道河床综合阻力的调整结果。可通过对各河段演变趋势的分析,来预测其BSD的变化,进而为分析其阻力和水位的变化趋势提供依据。     

黄河下游辫状、弯曲和顺直河段间沉积动力特征比较

黄河下游沿程出现了辫状、弯曲和顺直河型段,河道平面形态的差异势必受到不同的沉积动力特征的制约。本研究根据对收集到的有关实测资料的统计和计算,对可以表征河道沉积动力特征的相关指标进行了量化分析,发现不同河型段间的沉积动力特征存在明显差别。河道比降在辫状河段最大,介于0.2‰~0.14‰之间;弯曲河段的次之,介于0.14‰~0.10‰之间;顺直河段的小于0.10‰。平滩流量时的流速在辫状河段的较大,不同年份间的变幅较大;弯曲河段的次之,不同年份间的变幅较小;顺直河段的最小,不同年份间的变幅不大,并向下游显著减小。单位河长能耗率在辫状河段最大,弯曲河段次之,顺直河段的最小,其间的比值为2.31∶〖KG-*2〗1.35∶1。单位面积能耗率在辫状河段最小,弯曲河段最大,顺直河段次之,其间的比值为0.52∶〖KG-*2〗1.18∶〖KG-*2〗1。河床沉积物粒度较细,并普遍缺失推移质组分,中值粒度在辫状河段、弯曲河段和顺直河段分别为3.0、3.2、3.67;河床沉积物的分选性也依次变好。受制于上述相关沉积动力特性,河床沉积速率在不同河型段有明显差别:中大流量时,辫状河段的最小,弯曲河段的最大,顺直河段的次之;在小流量时,三个河型段的河床沉积速率非常接近,但沿程略有减小。另外,辫状河段河床沉积速率明显依赖于流量的变化,且随流量的增大而明显减小。     

岩体结构分形及应用研究

岩体结构包括两个基本要素:结构面和结构体。通过分形理论研究岩体结构,得出结构面和结构体分布具有分形特征。根据结构网络图,可分别求出结构面和结构体的分形维数D_(PF)和D_(VF)。结构面分布分形维数D_(PF)越大,反映结构面分布越复杂,优势面(南京大学罗国煜教授提出)发育的方向范围就越大,相应地岩休质量就更差;结构体分布分形维数D_(VF)越大,反映结构体大小分布的状况是大的结构体所占分量趋于增加,结构面的密度、迹长、总面积趋于变小,则岩体质量趋于变好。最后指出结构面和结构体分布分形维数是决定岩体质量的两个指标,是对岩体质量进行评价的合适指标。     

采用土壤孔隙表面分形维数预测土壤水分特征曲线

采用土壤颗粒体积累积曲线按照不同的粒径分级方法计算表面分形维数,避免了原始计算过程中颗粒密度不变的假设,改进了计算中的缺陷。结合土壤水分特征曲线分形模型—de Gennes模型,预测试样的SWRC。结果发现:不同颗粒分级只会影响表面分形维数的大小;相同颗粒分级情况下,计算得出的分形维数随着土壤粘粒含量降低而减小;采用D2(最大半径为1mm)的分级情况计算出的表面分形维数,预测得出的结果与实测值相差偏大,RMSE≥2.11E-02cm3/cm3只适合粗略估计田间土壤的水分特征曲线;通过D1(最大半径为0.1mm)计算出的表面分形维数,结合de Gennes模型预测水分特征曲线结果与实测值非常接近,RMSE≤0.0105cm3/cm3。研究表明采用土壤颗粒体积累积曲线计算表面分形维数,并预测土壤水分特征曲线是合理的,具有较高的预测精度。     

土石混合料剪切面分形特征试验研究

土石混合料因具有良好的工程特性而被广泛应用于道路、堤坝等工程，填筑体受力后往往沿薄弱面发生剪切破￡混合料的抗剪强度成为稳定和变形分析的重要力学指标。由于土石混合料物质组成的复杂性、结构分布的不规律性及采柠困难性，且受检测仪器的限制，确定其强度指标较为困难。应用改进的直剪试验仪进行了不同类别、不同最大粒径土石福料的室内大型直剪试验，在获得强度指标同时，再现剪切面的实际情况，量测剪切面的起伏特征。根据分形几何学原理，切面具有良好的分形特征，应用三角形棱柱表面积覆盖法编程计算了剪切面的分形维数。初步建立了剪切面分形维数与福料杭萌强度之间的关系，用来快速预测土石混合料的强度指标。     

土-水特征曲线的分形特性及其分析拟合

为了建立一种参数有明确物理意义的土-水特征曲线拟合方法,基于分形理论,给出了一种直接通过土-水特征曲线实测数据求解分维数的计算方法,建议了一种土-水特征曲线拟合分析的分形模型。为验证所建议拟合方法的合理性,采用液压千斤顶制作了7个不同干密度黏性土试样,利用压力板仪测量了土-水特征曲线。基于土-水特征曲线实测值计算了分维数,在此基础之上对土-水特征曲线实测数据进行分析拟合。结果表明：分维数计算及拟合分析时,7个试样相关系数都集中在0.97～0.99之间,从而证明了土-水特征曲线具有良好的分形特性,建议的拟合方法效果较好。此外,研究发现,分维数、进气值随干密度几乎呈线性增加,据此建议了一种不同压实度下的土-水特征曲线预测方法,其预测结果与实测值吻合较好。     

储层砂岩孔隙分形性质的研究

根据统计特征体测量分形维数的测试原理，用砂岩断面的扫描电镜图片半自动分析方法，对砂岩孔隙的分形维数和分形孔隙度进行了测试，得到了储层砂岩隙的分形性质与砂岩的成分结构及作岩作用的关系，文章还对分形范围，分形维数，分形孔隙度及分形孔隙度与总孔隙度之比值作了评述。     

南京下蜀黄土颗粒分形研究

根据分形理论,研究了南京下蜀黄土粒度分形结构特征,发现在双对数坐标下粒径和粒度含量之间存在明显的线性关系,表明粒度组成具有分形结构。通过对下蜀黄土颗粒分形的计算,结果显示颗粒分维值随着粘粒含量的增大而增大,且与不均匀系数和曲率系数有良好的非线性关系。在此基础上,讨论了粒度分维所具有的工程地质意义。最后指出粒度分维体现了土体工程地质性质的本质,可以考虑作为土体分类的一个合理指标。     

土石混合体分形几何特征与强度演化特征

针对土石混合体的结构性特点,以含石量为20%、30%、40%、50%、60%的土石混合体为研究对象,基于多重分形原理研究多重分形特征,研究分形维数与强度之间的关系。研究表明,土石混合体具有双重分形特征,不同尺度条件下具有不同分形指标,包括块石粒度、土体粒度以及平均粒度等分形维数,与含石量相关。单轴压缩试验表明,抗压强度随含石量增加呈现先增大后减小的趋势,根据单维分形特征,确定最优含石量约为40%。建立了含石量、不同分形维数指标与抗压强度之间的关系,分析了双重因素综合影响下抗压强度的变化特征,确定了含石量与分形维数之间存在最优区域。     

姚桥矿7号煤层垂向孔隙结构及分形特征研究

煤孔隙结构特征对煤储层流体的赋存与运移起关键作用。为研究姚桥矿7号煤层的孔隙特征,采用刻槽取样法自下而上等距采样,选取不同深度的9个样品,通过低温液氮吸附和低场核磁共振等实验方法进行测试,结合分形理论,系统分析了7号煤层的孔隙结构特征,探讨了各孔隙参数和分形维数在垂向上的变化趋势。研究表明：样品低温液氮吸脱曲线可分为L1、L2和L3三种类型,低场核磁共振T₂谱均呈三峰分布;煤样孔隙微孔和过渡孔较为发育,微孔和过渡孔提供主要的比表面积、孔体积,BET比表面积为0.722～1.199 m²/g,BJH比表面积为0.941～1.535 m²/g,BJH总孔容为0.002 97～0.004 76 cm³/g,比表面积与孔体积垂向上呈不规则“M”状分布,平均孔径为12.832～15.100nm,在垂向上呈倒“M”状分布;低温液氮吸附实验分形维数可分为表面分形维数和结构分形维数,表面分形维数D₁为2.306～2.374,结构分形维数D₂为2.592～2.624,低场核...     

Fractal properties of simulated bed profiles in coarse-grained channels

Bed roughness characteristics in coarse-grained channels are fairly complex. A hierarchy of roughness elements can be observed, ranging from variable particle sizes and shapes and small-scale sedimentary structures, to large-scale bedforms such as riffle-pool sequences. The effects of these scales of roughness on the flow geometry still remain to be thoroughly investigated. The semivariogram has been suggested in the past as a means of quantifying bed roughness effects on streamflow, as well as for distinguishing between scales of roughness. However, field measurements are rather time-consuming. The low number of bed profiles measured in the field precludes the identification of generally applicable relationships between the statistical properties derived from the semivariograms (such as the Hausdorff dimensions and the scale of autocorrelation corresponding to each fractal band) and the bed configuration itself (geometrical and sedimentological properties). Simulation results of gravel-bed profiles are, therefore, presented in order to complement the original investigation of Robert (1988a). The simulation experiments, based on grain characteristics of sizes and shapes and on morphological properties of small-scale bedforms, yield very significant information on boundary roughness at the microscale and give insight into the interpretation of empirical semivariograms (derived from field measurements). Bed-material sorting, variable grain shapes, and height and spacing of cluster bedforms control the fractal dimensions obtained from the semivariograms, as well as the location of the break of slope and the range of the process.     

山区卵砾石河道水流阻力计算

卵砾石河道广泛存在于山区河流中，在卵砾石河床近底层的水流流速低于上方流速，速度剖面出现拐点，类似于自由剪切流动，传统的指数型和对数型水流阻力公式计算误差偏大。将自由剪切流理论类比到山区卵砾石河道，并考虑山区河流特殊流态、流场和剪切力的影响，引入雷诺数（Re）、弗劳德数（Fr）和摩阻流速利用水槽数据进一步修正了该类水流阻力公式。筛选位于意大利南部的亚平宁山脉140条山区河流野外数据对新公式进行验证，并检验对比了已发表的多个山区河流阻力公式。结果表明：修正后的水流阻力公式Nash-Sutcliffe效率指数最接近1、均方根误差最小、相对误差最小。自由剪切流动的类比是从湍流结构角度推导河道水流阻力，能更好地阐释特殊水流结构，进而提高计算精度。     

基于高速摄像技术的推移质运动特征试验

在明渠中开展不同水流条件下低强度均匀沙平衡输沙试验,基于灰度相减方法分析整个床面推移质运动特征,以探寻紊流结构与推移质运动之间的作用机理。结果表明:①受水槽横向方向水流强度分布特征影响,推移质运动概率从水槽中线到两侧壁逐渐变小,且基本呈对称分布;②在紊流相干结构作用下,推移质床面在紊流低速条带区形成凸槽,高速条带区形成凹槽,推移质运动概率沿水槽横向方向存在高低相间的带状分区;③随摩阻雷诺数增大,相邻两推移质运动高概率区域的间距值变化范围为0.13~0.24倍水槽宽度,其值随摩阻雷诺数增大而增大;④不同水流条件下,推移质运动高概率区域间距值约为水深的2倍,这与流向涡模型吻合,表明流向涡是诱导床面出现凹凸相间形态的重要因素。     

重载铁路基床表层级配碎石渗透特性试验研究

重载铁路基床表层级配碎石渗透系数的快速、精确测定,对工程施工质量及工期的保证具有重要意义。基于达西定律研制适用于级配碎石的大型常水头渗透试验装置,并利用该装置考虑边壁效应进行一系列渗透试验,探究试样孔隙比e、不均匀系数Cu及特征粒径参数对其渗透系数K20的影响程度及规律。结合试验数据,以太沙基模型为基础,建立同时考虑孔隙及级配特征参数的渗透系数改进计算模型,并通过试验验证其精确性。结果表明:级配碎石的K20与其e2、平均粒径平方d502呈线性关系,与Cu呈负指数关系;d50对K20的影响权重最大,Cu次之,e最小;提出的计算模型具有较高准确性,可为新建重载铁路基床表层施工中填料渗透系数的快速测定及运营路基基床的渗透稳定性评估提供参考。     

砷、镉复合污染土击实特性及微观结构试验研究

重金属污染土不仅破坏环境健康,同时威胁岩土工程安全。通过控制变量法对砷（As）、镉（Cd）单一污染土和复合污染土的土壤化学、土体微观结构和击实特性对比分析,研究了不同重金属污染源、不同重金属浓度对污染土的击实特性影响规律及作用机制。结果表明：单一污染土中,As使土壤扩散双电层变厚,土颗粒呈絮凝状,小孔隙增加,小颗粒含量先增后减,最优含水率升高5.90%,最大干密度降低1.02%;Cd的作用效应截然相反,Cd压缩土壤扩散双电层,土体呈堆积状,小孔隙减少,小颗粒含量减少,最优含水率降低8.03%,最大干密度增加1.00%。Cd对土体击实特性影响大于As。复合污染土中,As、Cd对土体最优含水率的影响呈协同作用,而对最大干密度无明显相互作用关系。污染土宏微观联系桥梁可以通过分形维数与最大干密度建立,二者拟合结果为二次函数关系。研究成果可为重金属污染土环境与工程灾害防控提供关键参数和理论支撑。     

月球表面矿物二向性反射特性实验研究

月表物质成分探测是月球探测的重要组成部分。研究矿物在光学波段的吸收特征,可以达到识别月表矿物的目的。作为月岩的风化产物,月壤的成分包括了主要的月球成岩矿物:斜长石、橄榄石、辉石等。本课题以斜长石和单斜辉石作为研究对象,旨在研究单矿物的二向性反射特性。影响月壤反射率的因素包括成分、表面物理特性等多种因素,研究中选用美国ASD公司Filedspec3光谱仪,测量单矿物不同颗粒粒度状态下350~2500nm的二向性反射特征。结果表明,观测几何角度变化对反射率的影响较大,有明显的二向性特征,在方位角180°及0°方位热点较明显。反射率随粒径降低而增加。实验结果可为月表矿物反演研究提供有力的证据。二向性反射方向的研究也为合理选择观测几何条件提高月表信息获取精度成为可能。     

河床粗化过程中推移质输移特征试验研究

为了研究河床粗化破坏与形成过程中推移质的输移特征,基于一套新型的接沙系统,在上游无来沙条件下,进行了3组不同床沙级配的水槽试验,研究了递增梯级流量作用下河床粗化破坏与形成的过程,采集到一套高精度（0.1 g）、高频率（1 Hz）的实时推移质输沙率及分时段输沙级配数据,分析了累积输沙量、输沙率及输沙级配的变化特征。结果表明,粗化过程中累积输沙量随时间基本呈幂函数规律增长,且"粗化破坏再形成"的累积输沙量曲线出现明显转折点;推移质输沙率表现出明显的非恒定性,其粗化形成阶段的耗时要远大于粗化破坏阶段的时间,两者之比范围为3.5~20.5;推移质输沙级配中粗颗粒比例随时间变化趋势与输沙率相似,在输沙率达到峰值附近时,输沙级配与原始床沙级配相同。     

剪切-渗流作用下煤岩剪断面形态特征试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了不同法向应力作用下煤岩剪切-渗流耦合试验研究,并对剪断面进行立体扫描,分析不同法向应力作用下煤岩剪断面的二维断面特征参数和三维断面特征参数。结果表明：（1）煤岩试件剪切破坏主要是塑性破坏,在恒定气压条件下,法向应力越大,煤岩的峰值剪应力越高,且煤岩的峰值剪应力与法向应力近似呈线性关系;（2）法向应力是煤岩剪断面形态特征的影响因素之一,在恒定气压条件下,其施加的法向应力越大,二维断面特征参数和三维断面特征参数基本都呈减小趋势,也即法向应力越大,煤岩剪断面的起伏度和粗糙度都越小;（3）在煤岩剪切过程中,法向应力能通过影响剪切裂纹的扩展区域进而影响煤岩试件的渗流特性和剪断面的形貌特征。