DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 基于二叉树的河网编码 流域内复杂密集的河网数据较为庞大，如果仅通过河网属性中存储的拓扑关系运算实现流域内水系河网拓扑关联查询，必然降低计算效率。因此，需选择一种高效的编码方法，能够快速地获取河段之间的逻辑关系，其要求需满足以下两个方面：一是要求依据编码可以在河网中进行河段的直接定位，而避免低效率的遍历或搜索；二是要求编码本身具备较显著的拓扑意义，能够直接进行拓扑关系运算，便于识读。 4.1. 河网拓扑结构分析 基于DEM提取的流域河网，可根据水流方向确定水系河网中每条河段的上下游关系，如图4所示，河网中的河段之间通过河段与节点的关联构建河段之间的上下游拓扑关系。图4中箭头代表河段的水流方向，河段3的起始节点(FromNode)是河段1和河段2的末节点，河段3的末节点(ToNode)是河段4的起始节点，以此构成整个河网每个河段之间的上下游关系。 图4. 基于DEM提取流域河网拓扑结构图 4.2. 二叉树二元编码算法实现 在大尺度、复杂流域的河网模型构建中，河网编码尤为重要，需针对河网的复杂性提出相应的编码方案 [ 5 ]。研究二叉树的编码，主要常见的为二进制编码，在流域河网编码中常对河网进行二进制字符串编码的方法： 1) 对于出口河段的二进制编码可以记为“0”； 2) 从出口河段开始向上游搜索，记左侧二进制编码为上一级编码“0”；右侧二进制编码，当可能遇到的支流河段赋值为“1”，可能遇到的干流河段赋值“0”； 3) 重复以上步骤至遍历所有河段。 虽然，这样可以实现流域内所有河段的二进制编码(如图5(a)所示)，但是，这种编码的针对尺度较大的流域编码，编码长度有所限制。因此，需要采用二元编码方式对大流域进行编码(如图5(b)所示)。 图5. 河网的二叉树编码两种方式示意图 如图5(b)所示，流域河网中的每个河段以二元编码的形式(L m ， V n )表示。其中L m 是该河段字符串的长度，V n 是该河段二进制字符串的十进制数值。从河网的拓扑结构关系得出，L m 表示河段距离流域出口的远近(二叉树节点所处的层)，V n 表示该河段距离干流的远近(二叉树节点所处层内编码)，以此来表达河网中河段之间的竖向关系。 在基于二叉树的编码中，并没有对二叉树中横向关系给出确定方法，因此不能够确定出横向两个河段的干支流关系。根据SrefanUhlenbrook等的研究，河道宽度与集水面积呈对数关系 [ 6 ] [ 7 ] ： B = α ln ( A s ) + β (1) 式中：A s 为各栅格的上游集水面积；B为河道宽度；α和β为经验参数，表现了流域中数字水系的整体特性。 根据公式2，可以得出每个河段的河道宽度随着该河段上游集水面积总和的增大而增大，所以，本文将利用每个河段的上游集水面积总和来判定流域河网中两个河段之间干支流关系，通过河网二叉树二元编码的算法实现汉江流域的河网编码，算法流程如图6所示。 流域内的水文对象其主要可分为：①点对象：通常包括流域内部的河道源点或者河段出水节点、水文监测站点、水质监测点、取排水口点、水利工程、管理站点以及涵闸泵站等。②线对象(河段)：通过交汇点将河网水系分段，主要属性有河段名称、河段长度、河段等级、河段的坡降等。③面对象(子流域)：是指使用流域产汇流模型进行计算的水文模型对象，其包括小流域，区间流域等。基于GIS平台，将流域内水文对象概化为空间的点、线、面，通过编码，从而使水文要素之间形成了完整的拓扑结构关系。 针对如何快速获取某一水文对象对应的上、下游对象，可根据河网二元编码的BSLength和BSValue两个分量值，无需迭代实现搜索： 1) 若对给定某一河段，该河段的二元编码为(BSLength， BSValue)，其上游河段进行搜素时，只需根据下式进行遍历判断搜索。 BSLengthSY ≥ BSLength (2) 式中：BSLengthSY代表其上游河段的二元编码L m 分量值；BSValueSY代表其上游河段的二元编码V n 分量值。 2) 若对给定某一河段，该河段的二元编码为(BSLength， BSValue)，其下游河段进行搜素时，只需根据式(3)进行遍历判断搜索。 BSLengthXY ≤ BSLength (3) BSValue / 2 ( BSLength-BSLengthXY ) = BSValueXY . 式中：BSLengthXY代表下游河段的二元编码L m 分量值；BSValueXY代表下游河段的二元编码V n 分量值。 图6. 河网二叉树二元编码算法图
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user: 5. 应用实例 在山洪灾害分析评价、水利水电工程设计、涉水工程防洪评价等项目中，通常需要计算中小流域设计洪水。推求设计洪水的方法主要有两大类：由流量资料推求设计洪水和由暴雨资料推求设计洪水。但在实际工作中，中小流域地区往往缺乏实测流量资料，而降雨资料一般较多，因此常采用暴雨资料推求设计洪水。提取流域特征信息(面积、河长、比降)是暴雨资料推求设计洪水的前提条件。然而，在设计过程中，特别是对于大流域的基础数据比较匮乏，传统手工量算流域特征信息，效率非常低。 基于DEM构建的汉江流域水系河网模型，采用GIS技术和.NET开发平台，设计研发了基于DEM的流域水文参数提取软件(软件界面见图7)，能够满足汉江流域内任意涉水工程点的水文参数自动提取与计算。结合汉江流域上游某一铁路沿线，需对沿线涉河桥梁处进行设计洪水计算，因此，需对桥梁断面位置进行流域水文特征参数提取，共计12处断面。在缺少大流域的基础数据时，若采用传统方法人工对照影像图进行分水岭判断，往往需要约3天时间完成，采用本文提出的方法和研发的软件，可在1个小时内完成所有断面处流域水文特征参数的提取。 图7. 基于DEM的流域水文参数提取软件界面
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user: 6. 结论和讨论 本文采用“IDDEA”算法叠加部分主干河流矢量水系修正SRTM DEM数据，依据河网密度与集水面积阈值来确定汉江流域水系的集水阈值为12 km 2 ，进而实现基于DEM准确提取汉江流域水系河网，并于影像数据进行对比。分析基于DEM提取的河网拓扑结构关系，研究并实现采用二叉树二元编码方法对汉江流域水系河网进行编码，构建汉江流域河网水系的空间概化模型。基于GIS以及构建的河网模型开发软件实现流域内任意涉水工程点控制的流域水文参数信息，同时也可实现流域内水文要素的拓扑组织与管理，根据各要素的逻辑关系、连通性确定上下游关系进而快速的追溯源头。 本文仅解决了标准河网的编码问题，并没有对分叉河网、十字形河网和“H”形河网 [ 8 ] [ 9 ] 等一些复杂的河网进行深入研究，在河网连通复杂的汉江下游平原地区适用性不强。另外，本文探讨的水系河网模型可以作为污染源追溯 [ 10 ] [ 11 ] 、取排水口空间合理性分析、水量平衡、分布式水文模型等的基础数据，在后续生产实践中开展深入研究。
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user: 摘 要 水体富营养化与水体中磷的含量有着密切联系，湖泊沉积物是湖泊水体中磷的主要储存场所，也是湖泊水体中内源性磷的主要来源。了解沉积物中磷的污染程度及其存在形态，对于从根本上解决湖泊富营养化问题有重大的意义。以武汉市汤逊湖为研究对象，在汤逊湖共布置131个沉积物采样点位，调查汤逊湖沉积物中磷的污染状况，并选择其中部分点位做分级磷的提取分析实验，调查沉积物中磷的存在形态及其分布特征。 关键词 :汤逊湖，沉积物，磷形态，污染程度 Copyright © 2020 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着汤逊湖周边人口、经济及城市规模的日益发展，越来越多的生活污水和生产废水排入湖中，导致汤逊湖水质不断恶化。根据近20年的水质监测结果，2013年至今汤逊湖水质一直为V类，且各种污染物超标倍速呈现逐年上涨趋势，水体富营养化程度加剧，近两年均出现了较为严重的水华现象。通常认为，水体氮磷含量过高，尤其是磷含量过高是引起水体富营养化的主要原因 [ 1 ] [ 2 ]。 水体中的磷主要分为外源性磷和内源性磷。外源性磷主要来自于自然界的降水、其他地表水水体的汇入、人类生产生活产生的各种排污行为。内源性磷主要来自于水体自身，如底泥中磷的自然释放过程。外源性磷可以通过人为的管控从源头上进行有效控制，而内源性磷大量存在于沉积物中 [ 3 ] [ 4 ]，很难通过人为管控明显降低。沉积物是上层水体营养物质的重要储蓄库，在一定的外界条件下沉积物中的磷将再次释放到上覆水中 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]。沉积物中磷的扩散量对上覆水体的营养盐变化有显著的影响，是造成湖泊富营养化的主要因子之一 [ 10 ]，其释放潜力、迁移能力和生态效应都主要取决于沉积物中磷的赋存形态 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]。 沉积物中磷的存在形态通常分为有机磷和无机磷两大类，有机磷分离、鉴定困难，所以通常将有机磷看作一个形态，不再细分 [ 16 ]。国内外很多学者对于无机磷的分类不尽相同，李悦 [ 17 ] 等将无机磷进一步分为易交换态磷、铝结合磷、铁结合磷、闭蓄态磷、钙结合磷、原生碎屑磷，金相灿 [ 18 ] 等将无机磷分为可溶性磷、铁结合态磷、铝结合态磷、钙结合态磷、闭蓄态磷。本次研究将无机磷进一步分为弱吸附态磷、金属氧化物磷、磷石灰磷和残渣磷。沉积物中的弱吸附态磷又称为易交换态磷，是指附着在沉积物表层，主要是通过物理作用与沉积物相结合的磷，该部分磷极易释放进入上覆水体中，被生物利用 [ 19 ]。金属氧化物磷主要是指磷酸盐与铁锰氧化物或者其氢氧化物所结合的磷，该形态磷的结合状态受氧化还原电位的影响，当周围环境的氧化还原电位发生变化时该形态磷有极大可能被释放出来 [ 20 ] [ 21 ]。金属氧化物磷及弱吸附态磷、有机磷合称为活性磷，沉积物中该部分磷易被生物利用 [ 22 ]。 欧美等国在大数据背景值及生态基准基础上，建立了区域沉积物环境质量标准或风险评价体系，国内对长江中下游多个大型浅水湖泊(太湖、巢湖、鄱阳湖、洞庭湖等)的沉积物磷形态及其分布特征也进行了研究。本文研究湖泊沉积物中磷的各种赋存形态及其含量对研究沉积物中磷的扩散行为、了解沉积物的理化特性、追溯水体的污染历史以及对改善水体富营养化现状制定科学的治理方案有重要的作用。
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user: 2. 研究方法 2.1. 研究区域 汤逊湖位于武汉市东南部，横跨江夏、洪山和东湖新技术开发区三个区，湖泊水域面积47.62 km 2 ，是亚洲最大城市内湖，湖泊容积约10，360.7万m3，常水位18.62 m，平均水深2~3 m。 根据武汉市地表水环境功能区划，汤逊湖水质目标为地表水环境质量III类。近20年水质监测结果显示，汤逊湖水质持续恶化，2013~2017年水质一直为V类，超标污染物主要为总磷、总氮、化学需氧量、氨氮等，各种污染物超标倍数呈现上涨趋势。2018年水质为劣V类，且富营养化程度加剧，近两年均出现了较为严重的水华。根据2019年汤逊湖流域各类污染源的调查分析结果，汤逊湖内源污染TP年释放通量分别为81.47 t/a，在汤逊湖流域TP入湖污染总量中的占比高达38.97%，因此，为了改善汤逊湖水质，内源污染的治理迫在眉睫。 2.2. 采样点位的设置及样品采集 本次调查采样在夏季和冬季各开展了一期，共设置沉积物中磷污染调查样点131个(A类点位)，并选取其中的6个样点(B类点位)开展沉积物中磷存在形态分析。冬季调查于2018年11月开展，共设调查样点68个；夏季调查于2019年7~8月开展，共设调查样点63个。调查样点布设的原则是：1) 按1000 × 1000 m间距布置(冬季开展第一次调查时按1000 × 1000 m间距布置，夏季开展的补充调查在第一次调查样点的基础上插空布置)，湖心区域根据其扰动和污染程度较轻的特点适当加大间距。2) 湖汊、狭长带状区域布点上兼顾近岸区域和湖中间区域布置，末稍区域尽量不遗漏。3) 沿线排口适当加密布置。具体采样点位见图1。调查时采用柱状重力采泥器采集未经扰动的沉积物柱状样品，采样深度直至沉积物最底层。采集的柱状样品用聚乙烯膜包裹密封当天送回实验室进行分层处理。每个点位柱状样的分层个数依据各点位的沉积物深度确定，其中A类点位0~20 cm，每5 cm分层；20~40 cm，每10 cm分层；40 cm以上，每20 cm分层，B类点位每10 cm分层。分层的样品除去植物等残体后混合均匀，将样品烘干后用研磨仪研磨，并经过100目的铁筛筛分，将制备好的样品放在聚乙烯塑料袋中备用。 图1. 汤逊湖底泥调查样点分布图(左：A类，右：B类) 2.3. 分析测定方法 本实验沉积物的测定项目包括总磷、有机磷、弱吸附磷、金属氧化磷、磷石灰磷和残渣磷。总磷的测定采用氢氧化钠熔融后钼锑抗分光光度法，有机磷、弱吸附磷、金属氧化磷、磷石灰磷和残渣磷的连续提取方法是将Hieltjes-Lijklema法 [ 23 ] 和Ruttenberg法 [ 24 ] [ 25 ] 相结合并在其基础上稍作更改，本次提取时将KCl替代NH4Cl作为弱吸附磷的提取剂。监测提取液所用的仪器为TU-1801紫外可见分光光度计。具体分析步骤见图2。 图2. 沉积物中各种磷形态分级提取方法
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user: 4. 结论 1) 冬季汤逊湖表层沉积物中总磷平均含量为968.7 mg/kg，夏季汤逊湖表层沉积物中总磷平均含量为911.2 mg/kg。随着沉积物深度的增加，总磷的含量逐渐降低。 2) 汤逊湖表层沉积物的总磷含量处于轻度污染水平，随着深度的增加，生态风险逐渐减小，当沉积物的深度超过30~40 cm时污染等级为健康。主要表现为污染物表面富集现象，污染物有向水体中扩散的可能。 3) 汤逊湖沉积物中弱吸附态磷含量在4~133 mg/kg之间，金属氧化物磷含量在49~602 mg/kg之间，磷石灰磷含量在46~259 mg/kg之间，有机磷含量在30~260 mg/kg之间，残渣磷含量在9~174 mg/kg之间，且随着底泥深度的增加，各形态磷的含量均有逐渐降低的趋势。 4) 汤逊湖表层沉积物中弱吸附态磷、金属氧化物磷以及有机磷含量较高。此类形态磷均为活性磷，表明汤逊湖表层沉积物中大多为不稳定结合态磷，释放潜力较大，当周围环境发生变化时沉积物中的磷极易向上覆水体中扩散，造成内源性污染。
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user: 摘要 砂土地层属于典型的力学不稳定地层，其高渗透性带来的喷涌问题是盾构机施工过程中最主要的问题之一，影响盾构机排渣、正常掘进甚至掌子面土压平衡。渣土改良技术对于解决此类问题方便有效，其中最常用的三种改良剂为：泡沫剂、高分子聚合物以及膨润土泥浆。因此，通过对泡沫剂的阻塞作用、黏附作用、时效性，膨润土的级配优化、微观机理，高分子聚合物的微观结构、化学成分展开分析，得到改良剂对砂土渗透性的改良机理，为砂性地层渣土改良奠定了理论基础，对于富水砂层开挖“喷涌”问题来说具有重大意义。
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user: 1. 引言 中国城市轨道交通通车里程数在过去几年快速增长，其中隧道工程的修建以盾构法 [ 1 ] 为主。盾构隧道工程穿越不同地层时，会遇到不同的工程技术难题。当土压平衡盾构穿越富水砂性地层时，由于地层中富含水且砂性土本身止水性较差，有可能会造成喷涌的发生，影响螺旋输送机的正常排渣以及掌子面的动态压力平衡。通过渣土改良 [ 2 ] 的技术手段可以改良土体的性质，是工程上防喷涌的重要手段之一。 国内外许多学者针对于渣土改良以及改良剂对应的改良机理展开了大量研究。Lars Langmaack [ 3 ] 研究了施工中常见改良剂的改良机理和对不同地层的适应性，并通过现场试验，分析不同渣土改良的改良效果；王树英 [ 4 ] 从试验角度出发研究了泡沫剂对砂性土渗透性和流塑性的影响；赵军婷 [ 5 ] 以常见的三种试剂以及试验室现有的五种泡沫试剂为研究对象，理论研究与室内试验相结合，系统评价泡沫的起泡性和稳定性，并且从泡沫形貌和粒径尺寸这一微观角度对其展开分析；Peila [ 6 ] 等设计了实验室螺旋输送机模型，以泡沫剂改良砂土进行试验，有效地证明了泡沫剂的改良效果；贺少辉 [ 7 ] 等以兰州地铁为例，综合使用室内试验、数值模拟、理论分析手段对喷涌控制进行了研究，并提出了相应的改良方案；张润来 [ 8 ] 等以成都地铁为例，提出在砂卵石地层中采用“泡沫剂 + 膨润土”的复合改良方式，改良效果要优于单独使用两种改良剂；茅华 [ 9 ]、朱海军 [ 10 ]、刘琦 [ 11 ] 等人以武汉和西安地铁等具体工程为例，分析了工程中喷涌发生时利用渣土改良技术的有效性。 本文通过理论分析、微观结构等方面对泡沫剂、膨润土和高分子聚合物对砂土渗透性的改良机制展开分析，重点得到每种改良剂对于砂土渗透性的影响，为盾构穿越砂性地层过程中的渣土改良提供理论依据。
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user: 2. 泡沫剂的改良机制 泡沫剂是渣土渗透性改良的首选改良剂，它的成分包括发泡剂、稳泡剂、增稠剂，部分泡沫剂中还有引气剂。其中发泡剂为主要成分即表面活性剂，是泡沫产生的关键。 2.1. 阻塞作用 泡沫作为改良剂与砂土混合之后，相互作用，作用效果见图1，泡沫充填在孔隙中，一定程度上阻断了渗流通道，大大降低了渗透系数，预防喷涌的发生。 图1. 泡沫改良砂土机制 图中，区域Ⅰ为砂土颗粒，区域Ⅱ为渗流通道，区域Ⅲ为泡沫。未加泡沫时，砂土中渗流对应的有效渗流面积为A1，即Ⅱ区域的总面积。水在砂土中的渗流可以将砂土视为多孔介质，且渗透性通过渗透系数的大小体现。根据已有研究表明，液体在气泡之间流动时，泡沫体系也可视为多孔介质，且认为它们和固体多孔介质有一定的相似性。参考Kozeny-Carman方程可得泡沫多孔介质中渗透系数的表达式如下： k f = n f 3 g C μ ( 1 − n f ) 2 A s 2 (1) 式中， k f 为渗透系数， n f 为泡沫体系孔隙度，μ为运动黏度，C为Kozeny-Carman常数，A s 为泡沫体系中气泡的比表面积。 取泡沫体系结构进行分析，泡沫体系中孔隙的总体积即泡沫中的水量，而有效渗透面积为泡沫体系中湿润面积A2，即所有渗流通道截面的总面积，见图2。 图2. 泡沫体系横截面 结合达西定律以及方程1中泡沫介质的渗透系数可以得到截面内渗透水量Q为： Q = A ⋅ k f i (2) 式中，A为整个多孔介质中的有效渗透面积，i为水力坡降。对于泡沫和土体的混合介质而言，渗透性可以由泡沫改良土整体渗透系数k s，f 表示： k s ， f = Q S ⋅ i = A k f S (3) 式中，S为泡沫改良土的横截面积。砂土经过泡沫改良后，泡沫占据原有的渗流通道，使有效渗流面积由A1变为A2，从而使得泡沫改良土的渗透性降低。 2.2. 黏附作用 表面活性剂是特指一类能显著降低溶液表面张力和界面自由能的物质。表面活性剂由较强的极性亲水基团和非极性憎水基团构成，亲水基团朝向水中，憎水基团则面向空气，这也是泡沫形成的重要原理，见图3。 图3. 泡沫结构 泡沫体系由气液两相组成，气体之间均以液膜相隔，而体系中液体的流动与泡沫液膜的性质息息相关。由图3可以看出，液膜上分布着表面活性剂，因此液膜的具有一定黏度，相比于液体在无泡沫剂的砂土中流动时，流动过程中的黏滞阻力便会增大，以及表面活性剂分子的吸附作用会增强对水的束缚力，因此泡沫剂的使用会降低改良后砂土的渗透性。而且泡沫剂溶液黏度越大，其液膜的黏度也必然大，液体在泡沫体系中所受流动阻力越大，提高砂土的抗渗性效果越明显。 2.3. 时效性 泡沫是一种亚稳态体系，有着存在的“寿命”，最终会完全消散。因此泡沫稳定性是研究泡沫的重要指标之一。在盾构隧道开挖过程中，泡沫剂是最常用的渣土改良剂，且泡沫稳定性以泡沫的半衰期为评价指标，即泡沫有一半发生衰变消散所需要的时间。 Fameau和Salonen将泡沫发生衰变的方式归结为以下三点：液膜排液、泡沫合并、气体交换。 1) 液膜排液 泡沫形成初始阶段，液膜较厚，内部含液量较高，在重力作用下发生排液，使液膜逐渐变薄，而重力对液膜排液的作用显著降低。 随着泡沫的不断运移，相互接触，最终泡沫之间会形成如图所示膜间夹角为120˚、呈凹三角形状的Plateau边界，见图4。 图4. 泡沫体系的Plateau边界(液膜随着排液逐渐变薄) 随着液膜排液过程，液膜越来越薄，最终会导致泡沫破裂发生衰变。 2) 泡沫合并 当两个气泡相互接触时，经过亲水端基的水合作用，两个薄液膜会发生破裂并开始融合，且液膜排液有助于泡沫之间的接触、融合和合并，见图5。 图5. 泡沫合并 3) 气体交换 气泡之间的气体交换也是导致泡沫体系不稳定的一个因素。由Laplace方程可知： Δ p = 2 σ R (4) 式中，R为气泡半径，σ为表面张力，p为气泡内压力。由于泡沫体系中粒径不均一，当气泡聚在一起时必会发生气体交换。由上式可知，气体总是由小气泡向大气泡扩散，最终小气泡越来越小，大气泡越来越大，直至破裂，见图6。 图6. 气体交换
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user: 3. 膨润土的改良机制 膨润土是土压平衡盾构机最早使用的渣土改良剂之一。对于砂性土的开挖，可以在掘进过程中向刀盘前方注入膨润土，形成具有改善塑性流动性能和降低渗透性的泥浆，进而改善对地下水渗透的控制和开挖面的支护。膨润土还可提供了土壤颗粒和盾构机机器表面之间的润滑，从而降低了刀盘和螺旋输送机的扭矩，减少了刀盘、刀具等的磨损。膨润土常与聚合物和泡沫剂一起用于渣土改良。下面从级配优化、微观机理两方面研究膨润土对砂性土渗透性的改良机制。 3.1. 级配优化 渣土改良目的是改变土体的性质，使其满足盾构机的开挖要求。而土作为三相体系，其三相间在体积和质量方面的比例关系一定程度上可以反映土体的性质和状态。 膨润土改良使得砂土体内的细颗粒增加，弥补了砂土的级配缺失问题，也改变了砂土的三相组成结构。膨润土添加使得砂土中的固相质量和体积增大，气液相减小，且膨润土作为细颗粒掺入砂土后，砂土整体的体积和质量增大，部分膨润土会进入孔隙内置换原有的气液相，降低它们所占比例，见图7。 图7. 膨润土改良前后砂土的三相组成图 膨润土改良前后砂土体的孔隙度为： n o = V e 0 V 0 × 100 % (5) n 1 = V e 1 V 1 × 100 % (6) 结合图7，由于V e1 < V e0 ，且V 1 > V 0 ，因此n 1 < n 0 ，即膨润土改良后砂土的孔隙度会减小。根据Kozeny-Carman方程，改良后土体渗透系数随着砂土孔隙度的减小而下降，从而提高了土体的抗渗性。 3.2. 微观机理 膨润土属于粘性细粒土，其主要成分为蒙脱石，本质上是一种铝硅酸盐晶体，由硅氧四面体和铝氢氧八面体基本单元构成，简化晶格结构见图8。 由蒙脱石的微观晶格构造可知，晶层之间为联结力很弱的氧氧联结方式，水分子极易进入晶层之间，导致晶格膨胀。因此，膨润土亲水性极强，具有显著的吸水膨胀特性。 图8. 蒙脱石微观晶格构造 膨润土作为改良剂改良富水砂土时，可以从以下三方面体现膨润土对砂土渗透性的改良机制。 1) 由于其吸水膨胀特性，与水接触后使得渗流通道变窄，降低砂土的渗透系数，提高了砂土的抗渗性； 2) 膨润土与水接触会发生絮凝、胶结，形成泥膜，从而降低砂土的渗透性，见图9。 图9. 膨润土改良砂土机制 3) 膨润土本身为黏性土，为砂土添加黏性颗粒，使得渗流过程中水的粘滞阻力增大，降低砂土的渗透系数，提高改良后砂土的抗渗性。
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user: 4. 聚合物的改良机制 聚合物是由大量重复的小分子组成的大分子高聚物，性质因其化学成分和结构而异。聚合物分子的大小(以分子量为特征)、连接在聚合物链上的支链或基团、链间的交联以及分子间的作用力都会影响聚合物的物理性质。 盾构隧道中聚合物作为渣土改良剂，具有很好的水溶解性能和泵送性能，常用的有羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚丙烯酸钠(PAAS)、瓜尔胶等。该类聚合物中均有羧基、羟基、胺基、醚基等亲水基团，且分子链上的羧甲基和羟基等基团中的氢键与砂土表面的Si-OH、Mg 2+ 、Ca 2+ 、Na + 等离子交联吸附形成结构体，其中以聚合物CMC为例，改良砂土机制见图10。 由图可得CMC与砂土发生大量的离子交换且有很多亲水基团，具有较强的吸水能力及黏附作用，提高砂土的黏聚力，达到改良砂土的目的。 图10. 聚合物CMC与砂土相互作用 聚合物对砂土渗透性的改良可以归纳为以下几个方面： 1) 聚合物强大的亲水基团致使其具有高吸水性，可以吸收砂土中的水分并填充在砂土体孔隙内，使得土体中的含水量降低，有效渗透面积减小，降低改良后砂土的渗透性。 2) 聚合物与砂土相互作用，形成团聚结构体，提高了砂土的黏聚力，使得砂土颗粒之间的束缚性增强胶结在一起，拉近了颗粒之间的间距，使得孔隙率减小，结合Kozeny-Carman方程可知，降低了砂土的渗透系数，提高了砂土的抗渗性，见图11。 图11. 聚合物改良砂土机制 3) 聚合物作为改良剂与砂土颗粒混合，由于其本身具有一定黏度，使得渗流过程中水的黏滞阻力增大，砂土的渗透系数降低，达到提高砂土抗渗性的作用。
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user: 5. 结语 本文通过三种改良剂的微观结构进行理论分析，分别从不同的角度分析其对砂土渗透性的改良机制，得到如下结论： 1) 泡沫充填在孔隙中，一定程度上阻断了渗流通道，大大降低了渗透系数，并推出泡沫改良砂土的整体渗透性表达式。且泡沫剂属于表面活性剂，液膜具有一定黏度，相比于液体在无泡沫剂的砂土中流动时，流动过程中的黏滞阻力便会增大，达到降低改良后砂土的渗透性的作用。 2) 膨润土改良后砂土的孔隙度会减小。渗透系数随着砂土孔隙度的减小而下降，从而提高了土体的抗渗性。且膨润土本身的吸水膨胀特性也会使得改良砂土的渗透性降低。 3) 高分子聚合物的吸水特性提高了改良砂土的粘聚力，降低了土体中的含水量，提高了水在改良砂土中的黏滞阻力，达到降低砂土渗透性的目的。
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user: 摘 要 以2013~2017年重庆地区山洪灾害调查评价成果大数据为分析背景，提出了重庆市微型流域概念与无资料地区设计洪水计算方法；综合叠加各要素图层，经聚类分析、碎片整合确定了重庆地区微型流域设计洪水的六个分区；通过该计算方法进行分区设计洪水计算、修正，并利用洪水调查资料进行验证，形成了一套完整的覆盖重庆市微型流域“六分区五频率”设计洪水查算图集和经验公式；弥补了重庆市微型流域缺乏水文资料的现状，补全和细化了重庆地区流域设计洪水成果。 关键词 :微型流域，设计洪水，洪水分区 Copyright © 2020 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 国内外对于无资料地区设计洪水计算研究较早，通常采用由雨量或流量资料推求 [ 1 ]，我国一般采用前者，英美两国更侧重于后者。英国地区考虑流域特征值法、超定量系列或移置法来计算年最大洪水中值，通过相似流域站点资料计算综合频率曲线参数，由此计算无资料地区设计洪峰流量。美国主要采用相似流域资料建立洪峰流量与流域部分特征值的回归关系，从而推算出无资料地区的设计洪峰流量，主要包括区域影响法、区域回归法 [ 2 ] [ 3 ]。国内一般采用查阅当地设计暴雨洪水图集，得到设计暴雨历时和对应雨量，利用降雨径流相关图、单位线或地区经验公式 [ 4 ] 等产汇流计算得到无资料地区小流域设计洪水，或者通过查阅当地水文手册，得到当地设计洪水经验公式参数，进一步计算得到设计洪峰流量 [ 5 ]。 山洪灾害调查与分析评价中设计洪水计算方式，主要是调查无实测降雨资料小流域的暴雨特性，查用相应暴雨图集，用于推求无实测资料小流域的设计洪水，实际分析中多采用瞬时单位线法、推理公式法、分布式流域水文模型计算等，这三种方法具备了良好的理论与应用基础 [ 6 ]。业内学者对三种方法开展的研究多是从理论角度对假定条件及不足做出分析与讨论，并选用对大中型流域的设计洪水计算的结果进行对照，探讨了上述三种方法的优缺点；缺乏山区微型流域设计洪水结果合理性的验证及适用范围的研究。 微型流域因其一般洪水影响范围有限，大洪水发生时间较为久远，很难获得相对较可靠的洪痕资料；部分地区通过调查历史洪痕所得的水面线明显不合理，无法对手册计算的设计洪水成果进行验证；重庆地区山地、丘陵遍布，受山洪灾害影响的村落较多且较为分散，可划分的微型流域很多，按照传统查手册、图集方式一一计算，耗费时间、人力。因此，需要研究一种适应于重庆山区微型流域设计洪水的简易、较为合理的计算方法。
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user: 2. 微型流域概述 《全国山洪灾害防治规划》研究的山洪对象指的是山丘区的小流域(原则上面积小于200 km 2 )，且由降水引起地表洪水，特征表现为突发性和陡涨陡落。然而通常情况下，我们将面积小于50 km 2 的流域称为小流域，而从山洪灾害调查评价实际工作中总结出的研究对象很多比一般意义上的小流域面积还小。重庆市由于受地理条件等因素影响，沿河村落较为零散，根据搜集到的2013~2017年重庆38个区县山洪灾害调查评价资料进行大数据统计，控制断面以上流域的集水面积一般很小，80%的设计流域面积在50 km 2 以下，接近50%的设计流域面积仅在10 km 2 以下，甚至超过10%的沿河村落设计流域面积小于1 km 2 ，统计不同流域集水面积的沿河村落数量占比结果见图1。结合重庆市当地实际情况，我们将流域面积小于10 km 2 的流域称之为微型流域。 图1. 重庆市不同流域集水面积的沿河村落数量占比
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user: 3. 基于双对数关系的微型流域设计洪水便捷计算探究 一般说来，同一个地区的各调查河段大洪水重现期比较接近，在Qm~F (洪峰流量与集水面积)相关图上点群的分布具有一定的规律。当在某一流域或水文情形相近的区域进行了许多河段的洪水调查和计算以后，纵坐标取洪峰流量，横坐标取流域集水面积，在双对数纸上分区点绘其同频率的Qm~F的关系点，另一方面，收集本流域或本地区已经审查过的水文计算成果点绘到同一图纸，判断是否有突出偏离的点据，以此可以很好地起到检查作用，如图2。彩色点据表示将重庆市部分区县山洪灾害调查中部分详查点 [ 7 ] 百年一遇洪峰流量与分析断面以上流域集水面积点绘在双对数图上，可以看出这些点据分布集中，没有系统偏差，以此复核山洪灾害调查评价成果；黑色点据为收集到的重庆市部分已经审查过的工程水文设计成果系列(一般控制断面以上集水面积较大)，与山洪灾害成果(集水面积多为200 km 2 以下)系列无系统偏离。通过趋势分析，可以看出点群在10 km 2 附近出现拐点。 图2. 洪峰流量与流域面积双对数模型 由此将10 km 2 下微型流域单独作为一个系列建立Qm~F (洪峰流量与集水面积)双对数关系模型，通过勾绘当地1:10，000地形图，或卫星地图分析计算得到微型流域集水面积，可查阅此流域所在分区的双对数图，得到当地设计洪水洪峰流量。因此，通过该“Qm~F双对数关系模型”，可实现无资料地区微型流域设计洪水的计算。
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user: 4. 重庆市设计洪水分区 4.1. 分区影响因素 设计暴雨推求设计洪水的主要影响因素有流域暴雨特征及流域下垫面条件 [ 8 ]，按照主次影响程度以及重要性，把分区的影响因素分为三个档次，第一档为重庆市暴雨径流关系；第二档：暴雨损失和入渗率参数、小流域产汇流参数、暴雨时面深关系和设计雨型；第三档：瞬时单位线汇流参数、综合无因次单位线因素。 把上述不同类的影响因素，分别在重庆市范围内进行分割，形成以单一影响因素为参数的多个图层，再叠加各个图层，合并为一个图层，通过聚类分析，从较大范围内的暴雨特性分布和自然地理景观、地形地貌条件、土壤植被等存在着的明显差异着手，考虑各个图层参数的影响程度和重要性，第一档影响因素重要性最高，即在聚类分析中，更多考虑暴雨与径流特性因素，再依次考虑第二、三档影响因子，将每个图层中比较近似的范围设置为一个分区，最终将重庆市划分为8个设计洪水计算初步分区(图3)。 图3. 重庆市设计洪水计算初步分区(8个) 4.2. 分区修正 收集2013~2017年重庆地区38个区县 [ 9 ] 微型流域山洪灾害调查分析计算成果，纵坐标取洪峰流量，横坐标取流域集水面积，在双对数纸上分区点绘其同频率下的Qm~F的关系点。点据分布集中，多数点据无系统偏离。个别点据出现了较大偏离，经验证，存在计算方法选择不合理、参数选取不合适、未考虑虚拟堤防、复式断面洪峰流量计算不准确、水位流量关系线不合理等多种原因，经分析，舍去不合理的点据。 将38个区县映射到上述8个初步分区(图3)中，为方便区县行政单位单独管理，运用矛盾分析方法，抓住主要因素，忽略次要因素，将分区边界的区县进行碎片整合，尽量归类到同一分区中，按照不同分区单独绘制Qm~F双对数图。同一分区内，以Qm~F双对数图能集中分布，无系统偏离为基本要求。部分区县被切分为两个分区，经验算，两个分区内的点据无系统偏离，可以合并到同一分区，如南川区、酉阳县、铜梁区、开州区、云阳县等。部分区县如江津区、涪陵区、丰都区，其在长江南北两岸的点据形成系统偏离的两个系列，分别归并到不同的分区中。经验算，VIII区(秀山县)可以归并到IV区再作综合。V区和VI区可以合并作综合。因此，重庆市微型流域设计洪水计算分区最终可概化修正为6个分区(图4)。 图4. 重庆市微型流域设计洪水计算六分区 应当指出，分区影响因素中诸如汇流参数等并不具有地理上的连续性，而区域之间常出现差异性，如在山区会有某个流域具有丘陵区甚至近乎平原区河流的汇流特性，反过来说也可能存在，对于微型流域来说洪水成因条件更复杂。因此，上述分区实质上是分区自然地理、暴雨特征等因素的反映和综合，分区是为了获得便捷的设计洪水计算成果，以及为无资料地区的微型流域在计算设计洪水时提供计算参数的区划。在使用分区综合成果时，需注意设计流域的特点是否与本区内一般流域特点相似，若显著不同，则考虑与设计流域更近似的临近分区成果。
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user: 5. 重庆市微型流域“六分区五频率”设计洪水成果 重庆市微型流域设计洪水I区主要在长江沿线，包括梁平、垫江、长寿、涪陵长江北岸、江北等区县；II区在渝东南地区，包括涪陵长江南岸、丰都长江南岸、石柱、武隆等区县；III区在渝西北地区，包括潼南等；IV区在渝西南和南部地区，包括南岸、江津长江南岸等；V区在渝东北地区，包括万州、开州等；VI区主要为城口。 重庆市微型流域设计洪水与流域面积关系可以统一用流量～面积双对数模型形式进行表示，其中Q为设计洪水洪峰流量，单位m 3 /s，A为流域集水面积，单位km 2 。举例二十年一遇设计洪水，双对数查算图见图5。 图5. 重庆市微型流域六个分区二十年一遇设计洪水查算图集与经验公式
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user: 6. 设计洪水成果验证 2016~2017年，我们对重庆市万州区、丰都县、城口县等区县实施了2013~2015年度山洪灾害详查点的预警指标复核，即运用近几年实际发生的较大洪水对预警指标进行检验与复核工作。采用上述“六分区五频率”设计洪水查算图集和经验公式计算详查点所在微型流域设计洪水，结合调查采集的实际发生的洪水水面线，分析并验证了前期设计洪水成果的合理性。 以2016年的万州“6.30”洪水、丰都“7.19”洪水、城口“5.31”洪水为例，此三场洪水分别为近几年较大的典型暴雨形成，多个乡镇涨水较大，部分村落成灾。针对万州区16个详查点进行预警指标的复核 [ 7 ]，仅有1个对象未通过，原因为上游河道较窄行洪不畅，加之该村所在地地势较陡，导致河水从上游公路沿路冲下来，形成坡面汇流，本次成灾并非溪河涨水；丰都县18个详查点通过查阅上述图集和经验公式计算得到的设计洪水与实际洪水相符；城口县22个需复核的详查点通过查阅上述图集和经验公式计算得到的设计洪水与实际洪水相符，其中2个详查点的预警指标未通过复核，原因为原水位流量关系不合理，现场对这2个详查点所在河道断面进行调查测量，重新修正了水位流量关系，再进行山洪灾害分析评价工作中的一系列计算，得到了合理的预警指标值。
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user: 7. 结语 本文研究针对重庆地区10 km 2 以下微型流域缺乏水文资料的现状，基于“面积–流量双对数模型”对微型流域设计洪水计算进行探究，绘制了一套完整的覆盖重庆市全境微型流域“六分区五频率”设计洪水查算图集和经验公式，弥补了重庆市山区微型流域缺水文资料的现状，补全和细化了重庆地区流域设计洪水成果；以行政区划作为分区，能实现各县级无资料地区微型流域洪水的独立管理；结合沿河村落防洪现状，以及雨洪同频的假定，为无资料地区微型流域山洪灾害预警指标计算和检验复核工作提供依据，为下一步预警工作提供依据。文中重点提出了微型流域分区设计洪水计算思路和查算图集、公式，重点验证了部分区域成果，今后可逐步收集典型暴雨洪水配套资料，进一步对公式合理性进行验证。
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user: 摘要 新意法的核心是通过对隧道掌子面前方核心岩体的预加固，控制掌子面水平挤出变形，确保掌子面的稳定，最终实现隧道的全断面开挖。玻璃纤维锚杆以其易于切削的优点成为新意法隧道的掌子面预加固主要方法之一。如何确定锚杆的加固密度、锚杆长度、锚杆的搭接长度和锚杆布置是设计和施工上的关键问题。针对浙江奇坑隧道的新意法施工，本文采用三维有限元数值模拟方法，针对新意法各施工工况进行计算分析，得到了锚杆密度、锚杆长度和锚杆搭接长度与掌子面挤出变形的关系；本文提出了采用隧道掌子面挤出变形的控制值作为隧道掌子面稳定性的评价依据，根据挤出变形的控制值来确定锚杆的相应设计参数；文章最后将现场监测结果和计算结果进行了比较分析，分析表明：计算和监测结果相当吻合，计算结果对施工具有实际指导意义。相信本文提出的论点和方法可供类似工程参考借鉴。
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user: 1. 引言 1970年代，意大利学者Pietro Lunardi创立了按岩土变形控制的隧道施工法(Analysis of Controlled Deformation-Rock or Soil， ADECO-RS)。自2006年被介绍到我国以来，在十数个隧道工程中得到了应用，这一方法在我国称为新意大利隧道施工法(New Italian Tunneling Method， NITM)。新意法的核心是对隧道掌子面超前岩土体进行预加固，使待挖岩土体的刚度和强度得以提高，达到控制掌子面变形的目的，确保掌子面的岩体稳定，进而实现软弱岩体隧道的全断面开挖之最终目标。其中采用玻璃纤维注浆锚杆对软弱地层隧道前方待挖岩土体进行预加固是最常用的措施之一。 玻璃纤维锚杆是一种玻璃纤维增强聚合物制成的锚杆，可以做成实心的和空心的形式，表面常加工成螺纹状。玻璃纤维锚杆的突出优点是：抗拉强度高，与浆体材料粘结强度高，可以提供和传统钢筋锚杆一样的锚固力，可保证岩土体预加固的效果；而且玻璃纤维锚杆的抗剪和抗扭强度低，经其加固的岩土体，方便机械挖除，尤其适合隧道不宜爆破地段的土方开挖。 玻璃纤维锚杆用于掌子面前方核心土体的预加固，国内外案例很多。Lunardi教授(2008)报道了意大利数条软弱破碎地层采用玻璃纤维注浆锚杆进行超前待挖岩土体的预加固案例 [ 1 ]。2008年武广客运专线浏阳河隧道施工中采用玻璃纤维锚杆对隧道掌子面前方岩体进行预加固，确保隧道成功穿越浏阳河，该隧道穿越的地层多为泥岩、泥质砂岩和砂质泥岩等IV~VI级软弱围岩 [ 2 ]。玻璃纤维锚杆还可以和其它辅助超前支护措施组合，解决软弱地层隧道掘进的相关难题。2015年浙江宁波野猪山隧道洞口段采用玻璃纤维锚杆和长管棚组合，形成组合超前支护措施解决了隧道大变形和冒顶的难题 [ 3 ]，最终实现了隧道全断面开挖。野猪山隧道洞口段处于全风化残积层和强风化凝灰岩地层，围岩等级为V级。2017年，兰渝铁路桃树坪隧道在穿越未成岩富水粉细砂层(即饱和含水粉细砂层)时遇到流砂和掌子面失稳事故，事故直接导致施工中断。事故后，采用水平旋喷桩和玻璃纤维锚杆组合，对掌子面前方土体进行超前预加固，最终成功地完成了隧道高风险段的掘进施工 [ 4 ]。2018年浙江温州大罗山隧道采用玻璃纤维锚杆和长管棚组合支护措施，对掌子面超前软弱土层进行预加固，完成了大断面(175 m 2 )卵形(椭圆形)隧道的成功掘进 [ 5 ]。 在新意法隧道设计和施工中，采用玻璃纤维锚杆进行掌子面前方岩体预加固的关键问题是如何确定锚杆的如下参数：锚杆的密度、锚杆的长度和锚杆的搭接长度。国内外的研究表明 [ 1 ] [ 3 ]，锚杆上述参数与掌子面的水平挤出变形密切相关。和在新奥法应用一样，三维有限元数值计算软件也可以有效地应用于新意法隧道开挖的模拟计算。通过对新意法施工各工况的数值模拟计算，可以得到锚杆相关参数和掌子面挤出变形的相互关系，通过对掌子面挤出变形和掌子面稳定性系数相关性，可以为设计参数的确定提供依据。 浙江省G25长(春)深(圳)高速德清至富阳段扩容杭州段工程的奇坑隧道穿越IV级围岩，采用新意法原理进行全断面开挖，其中掌子面超前岩体预加固采用玻璃纤维注浆锚杆。 针对玻璃纤维锚杆在奇坑隧道新意法的工程实践，本文作者采用三维有限元对玻璃纤维锚杆的加固效果进行计算分析，得到了相关设计参数和掌子面挤出变形的关系，同时将计算结果和现场量测结果进行了对比分析。
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user: 2. 工程概况 奇坑隧道左洞试验段的起讫桩号为ZK54 + 235~ZK54 + 255。隧道采用双洞单向三车道，拱墙断面为三心圆，隧道净高5 m，净宽14.75 m，毛洞开挖面积为154.5平方米。该地段隧道所处围岩为：自上而下为全风化凝灰岩，厚度约6 m；强风化凝灰岩，厚度约2米；中风化凝灰岩。由于处于山谷，节理较发育，岩体内含裂隙水，岩体破碎，完整性差，属于IV级—V级围岩。原设计采用新奥法预留核心土台阶法施工。 为了方便大型机械进洞施工，对原方案进行了优化，优化后为新意法施工。根据新意法施工要求，对掌子面超前核心岩体采用玻璃纤维锚杆进行加固，然后按全断面开挖，如图1所示。所用锚杆为GFRP中空注浆锚杆，外径22 mm，长度15 m，采用7 m和8 m两节接长，如图2所示。锚杆间距为4 m × 4 m，锚杆搭接长度为6 m。注浆材料为纯水泥浆，并掺早强剂。锚杆接长采用定制钢套筒，套筒外径32 mm，套筒长度200 mm。初始衬砌支护采用200 mm厚喷射混凝土 + 系统锚杆 + 钢拱架 + 超前管棚。 围岩的物理力学参数如表1所示。初始支护材料的物理力学参数如表2所示。玻璃纤维锚杆采用的物理力学参数如表3所示。 图1. 新意法施工示意图 图2. 玻璃纤维锚杆和钢套筒连接接头 Table 1 Properties of surrounding rock 围岩级别 重度(kN/m 3 ) 弹性模量E (GPa) 泊松比γ 内聚力(kPa) 内摩擦角(˚) IV 21.5 3.00 0.32 22 27 V 19.0 1.00 0.40 17 22 表1. 围岩物理力学参数 Table 2 Properties of the materials of primary linin 衬砌材料 重度(kN/m 3 ) 弹性模量E (GPa) 泊松比γ 抗压强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 喷射混凝土C20 22 21.00 0.2 10 1.1 系统锚杆、管棚、钢拱架 78.5 210 / 300 300 表2. 初始支护材料物理力学参数 Table 3 Properties of GFRP bol 外径/壁厚 (mm/mm) 螺距 (mm) 横截面积 (mm 2 ) 杆体极限 抗拉力(KN) 极限抗拉强度 (MPa) 扭矩 (N*m) 单位重量 (g/m) 弹性模量 (GPa) 弯曲强度 (MPa) 断裂伸长率(%) 22/8 10 280 17 >600 80 590 40 >400 2.5 表3. 玻璃纤维锚杆力学特性
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user: 3. 玻璃纤维锚杆全断面预加固机理分析 3.1. 隧道掌子面采用锚杆预加固的机理 按Horn [ 6 ] 在Janssen (1961)筒仓理论模型，隧道开挖后，要保持隧道掌子面的稳定，必须在掌子面上作用一定的压力p，如图3所示。对于坚硬围岩，岩体本身的强度可以提供这个压力，但对于软弱破碎岩体，岩体本身的刚度和强度不足以提供足够的压力 。如果不采取加固的话，掌子面将发生很大挤出变形，最终导致失稳。于是提出了在掌子面打设锚杆的方案，通过锚杆和岩体的锚固粘结，使掌子面前方的软弱地层得以预加固，从而给待挖岩体的掌子面提供足够的压力p，如图4所示。 图3. 掌子面隔离体受力示意图 图4. 掌子面前方核心岩体锚杆超前加固示意图 总括而言，锚杆对掌子面进行超前加固的机理主要表现在如下方面： 1) 通过与稳定土层的锚固作用，使掌子面区域的土体受到拉力，以维持掌子面平衡所需的压力，如图5所示； 2) 通过注浆，使得锚杆和周围土层产生粘结作用，使得土层变得密实，改善了土体的力学性能，提高了其力学参数；内聚力 c 和内摩擦角 φ 。设岩体的垂直应力为 σ v ，加固后超前核心土体的抗剪强度 R f 得 到 提 高 ： R f = c + σ v tan φ (1) 3) 锚杆通过和土体的相互粘结以及锚杆的锚固作用，对掌子面前方土体施加约束作用，使得隧道掌子面及其前方的挤出变形得到抑制，进而使得掌子面后方的隧道洞周收敛变形得以减少，提高了隧道稳定性和安全度。 事实上，掌子面上核心土体上的锚杆对其前方土体的加固抗滑作用和边坡上的土钉作用是相同的。如图5所示。 图5. 掌子面前方核心岩体锚杆超前加固机理与边坡土钉加固机理比较示意图 3.2. 采用玻璃纤维锚杆进行超前加固的优点 作为对掌子面加固的锚杆，只要它能达到稳定掌子面的目的，减少掌子面的挤出变形，在力学上，就算满足了强度和变形的要求。但是对于隧道开挖用的临时锚杆，它还应满足便于后续施工的要求，不能给后续开挖增加难度和不便。传统的钢筋锚杆，虽然也可以达到稳定掌子面的目的，但是钢筋韧性很高，不易断裂，导致后续爆破和出渣效率低。而玻璃纤维锚杆正好具有这些优良特性。 试验表明 [ 7 ]，玻璃纤维注浆锚杆具有以下特点：1) 抗剪和抗扭强度低，易于机械挖除。2) 杆体全段锚固，锚注结合，在为杆体提供锚固力的同时也加固了锚杆周围岩体。3) 强度高、重量轻，玻璃纤维锚杆的抗拉强度可达到钢质锚杆的1.5~2倍；而其重量只为同种规格钢质锚杆的1/4~1/5。
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user: 4. 玻璃纤维锚杆预加固的有限元计算分析 掌子面及其前方核心岩体的纵向挤出变形、掌子面前方的预收敛变形和掌子面后方的收敛变形是掌子面稳定的重要判断指标。在设计阶段，确定玻璃纤维锚杆超前加固的相关参数是其重要内容。这些设计参数包括：锚杆密度；锚杆长度和锚杆搭接长度。 许多研究表明，锚杆的设计参数与掌子面挤出变形密切相关。针对新意法施工的各工况，采用三维有限元数值模拟方法，对各工况下隧道在开挖和支护阶段的受力变形特性进行计算分析，可以得到掌子面稳定情况下，锚杆参数和掌子面变形的相互关系，其结果可以作为确定设计参数的依据。 4.1. 三维有限元数值建模 三维有限元数值分析的主要目的是确定锚杆密度、锚杆长度及锚杆的搭接长度，同时了解对应的隧道变形和围岩及衬砌支护的内力分布。针对本项目的计算分析，三维有限元计算软件采用Z-Soil软件。计算中，围岩采用莫尔–库伦模型，计算参数如表1所示；系统锚杆和超前锚杆、钢格栅钢架喷混凝土初始衬砌结构计算参数如表2所示。玻璃纤维锚杆采用杆单元，按线弹性模型，计算参数如表3所示。 莫尔–库伦模型的破坏准则表述为： τ = c + σ ⋅ tan φ (2) 式中， τ ——岩体抗剪强度(kPa)； c 、 φ ——岩体粘聚力(kPa)和内摩擦角(˚)； σ ——正应力(kPa)。 莫尔–库伦模型的屈服面函数表示为： F = 1 3 I 1 ⋅ sin φ + ( cos θ σ − 3 3 sin θ σ ⋅ sin φ ) ⋅ J 2 − c ⋅ cos φ = 0 (3) 式中， I 1 — — 应 力 张 量 第 一 不 变 量 ， J 2 — — 偏 应 力 张 量 第 二 不 变 量 ， θ σ — — 洛德角。 图6为玻璃纤维锚杆超前加固后进行全断面开挖时的三维有限元计算模型。 图6. 三维有限元计算模型 计算比较了如下情形下隧道变形情况：掌子面无玻璃纤维锚杆超前加固和有玻璃纤维锚杆超前加固的三种工况。玻璃纤维锚杆加固后的三种工况是：1) 工况1，毛洞开挖，即超前加固后但未安装初始支护；2) 工况2，锚杆超前加固后 + 初始衬砌支护；3) 工况3，初始衬砌后 + 玻璃纤维锚杆加固 + 下一循环超前核心岩体加固。 4.2. 隧道掌子面稳定性和对应的变形控制标准 强度折减法是有限元分析掌子面整体稳定性的常用方法。这种方法在分析隧道掌子面稳定性安全系数和临界失稳坍方形态时，采用假定的掌子面稳定安全系数F去折减抗剪强度参数c和φ，不断迭代计算直到其达到临界状态，此时的折减系数即1/F。 对于隧道开挖时的掌子面稳定性，将计算不收敛作为判别临界状态的标准。折减后抗剪参数为： { c ′ = c F φ ′ = actan ( φ F ) (3) 式中：F——为折减系数；c——为围岩黏聚力；φ——为围岩内摩擦角；c′——按F值折减后的黏聚力；φ′——按F值折减后的内摩擦角。 采用强度折减法计算隧道掌子面稳定性时，可以得到给定安全系数F时对应的掌子面水平挤出变形和隧道整体变形。 图7为采取强度折减系数法，计算得到的隧道开挖后隧道沿轴线方向的变形云图。该图表示整个隧道计算取安全系数为1.4时的轴向变形情况，此时掌子面中央的轴向变形最大，为43.12 mm。 图7. 安全系数为1.4时隧道的轴向变形云图，单位：m 计算还得到同条件下不同安全系数时对应的掌子面最大挤出变形，如表4。 Table 4 Safety factors vs. maximum extrusion of tunnel fac 安全系数 1.60 1.50 1.40 1.30 1.20 1.10 挤出变形(mm) 62.71 51.18 43.12 37.66 25.45 18.33 表4. 掌子面稳定性安全系数和对应最大挤出变形 从表4可以看到，掌子面的最大挤出变形随着安全系数增大而增大，原因是安全系数取得越大，围岩力学参数折减得越多，使得进入计算中的强度参数越低。参照现行《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)和《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2016)，施工期间的隧道围岩稳定性安全系数取1.30。经玻璃纤维锚杆预加固后，本隧道取得安全系数1.30时，对应的掌子面最大挤出变形为37.66 mm。 4.3. 锚杆加固效果与隧道变形控制的关系 计算得到无纤维锚杆加固和有玻璃纤维锚杆加固的三工况下隧道变形。图8为上述四种情况下掌子面挤出变形沿隧道高度分布情况。从图中可以看出采用纤维锚杆加固时，掌子面挤出变形比无纤维锚杆时减小达50%。同时还看到，随着纤维锚杆加固后的掌子面挤出变形随工况推进而有所发展。 图8. 不同工况下掌子面的挤出变形分布曲线 图9和图10分别为上述四种工况下地表沉降和拱顶沉降分布曲线。从图9可以看出，玻璃纤维锚杆超前加固后，地表沉降明显减少；从图9可以看出，玻璃纤维锚杆超前加固后，拱顶沉降明显减少，而且掌子面前方及后方的拱顶沉降均有明显减少。 图9. 不同工况下地表沉降分布曲线 图10. 不同工况下隧道拱顶沉降分布曲线 4.4. 锚杆加固密度与掌子面挤出变形的关系 计算表明，掌子面前方核心岩体采用玻璃纤维锚杆加固的密度与掌子面挤出变形控制有密切关系。图11为不同加固密度下掌子面挤出变形沿隧道高度的分布曲线。 图11. 不同玻璃纤维锚杆密度下掌子面的挤出变形分布曲线 从图11可以看出，玻璃纤维锚杆越密，掌子面挤出变形越小。当锚杆加固后掌子面岩体强度提高50%时，掌子面的最大挤出变形比无锚杆加固时减少近一半。 4.5. 锚杆长度与掌子面挤出变形的关系 锚杆长度关系到隧道土方开挖的施工组织。为了最大限度地减少锚杆打设次数，减少锚杆安装对隧道土方开挖的干扰，总是希望锚杆长度尽可能长，相邻循环的锚杆搭接长度尽可能短。因此需要了解锚杆长度与掌子面挤出变形的关系。图12为不同锚杆长度时，掌子面的挤出变形分布曲线。 图12. 玻璃纤维锚杆不同长度下掌子面的挤出变形分布曲线 从图12可以看出，锚杆长度为15 m时的掌子面挤出变形明显小于锚杆长度12 m时情况，而和锚杆长度为18 m及21 m时情况比较接近。这说明，锚杆长度大于15 m后，锚杆长度增加对隧道变形控制影响不大。因此奇坑隧道的锚杆长度采用15 m，这是符合锚杆受力特点的。 4.6. 前后循环的锚杆搭接长度的确定 前后循环的锚杆搭接长度必须确保上一循环打设的锚杆经开挖剩余长度仍具有足够的加固效果，可以满足掌子面变形控制的要求。图13为不同搭接长度下，掌子面的挤出变形分布曲线。 图13. 玻璃纤维锚杆不同搭接长度下掌子面的挤出变形分布曲线 从图13可以看出，不同搭接长度下掌子面变形是不同的，搭接长度越大，掌子面挤出变形越小，锚杆搭接长度为6 m时。掌子面挤出变形明显小于搭接长度为5 m时情况，但较为接近搭接长度为7 m的情况。奇坑隧道的锚杆搭接长度建议为6 m，同时建议根据现场监测信息实时调整。
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user: 5. 现场实测和有限元计算对比分析 奇坑隧道掌子面前方核心岩体采用玻璃纤维锚杆进行预加固后进行全断面开挖，加固参数如图1所示。掌子面及其前方核心岩体挤出变形测点布置图如图14所示。 图14. 掌子面挤出变形监测点布置图 5.1. 掌子面挤出变形的计算值和实测值比较分析 现场量测得到掌子面的挤出变形，各测点的实测结果和对应有限元计算结果如表5所示。 Table 5 Comparison of extrusion of workface between FEM calculation and measurement (mm 测点 SA SB SC S1 S2 计算值(mm) 17.3 17.5 17.3 16.6 18.1 实测值(mm) 15.7 17.8 17.0 15.1 17.9 表5. 掌子面挤出变形计算值和实测值比较(mm) 表5表明，无论计算值还是实测值，掌子面中央的挤出变形最大，然后逐渐向洞周衰减。从表4可以看出，计算值和实测值变化规律还是比较一致的。 5.2. 掌子面前方核心岩体挤出变形的计算值和实测值比较分析 针对掌子面前方核心岩体的挤出变形，在隧道中央位置埋设了深层水平位移测点，以量测隧道开挖阶段深层土体的水平挤出变形，实测结果和有限元计算结果如表6所示。 Table 6 Comparison ofextrusion of front rock between FEM calculation and measurement (mm 测点距离掌子面距离(m) 0 4 6 8 10 计算值 17.5 5.6 1.8 0.5 0 实测值 17.8 6.3 2.5 0 0 表6. 掌子面超前岩体挤出变形计算值和实测值(mm) 表6表明，无论计算值还是实测值，掌子面超前岩体的挤出变形随其距离掌子面增大而减小。通过玻璃纤维锚杆对超前岩体的超前加固，抑制了待挖岩体的挤出变形，使得其挤出变形的加速衰减。从表6可以看到，掌子面6 m以前的岩体几乎不受开挖面施工的影响，也就是说开挖面的影响半径为6 m，其后的岩体可以认为是稳定地层，可作为玻璃纤维锚杆的锚固区，锚杆的搭接长度可按6 m设计。
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user: 6. 结论 1) 三维有限元数值模拟计算表明，掌子面预加固的锚杆加固参数和掌子面挤出变形密切相关，锚杆布置越密、锚固长度越长，掌子面变形越小。锚杆搭接长度根据锚杆锚固长度确定。 2) 三维有限元数值模拟计算还表明，掌子面稳定性系数的设定和对应的最大挤出变形密切相关，安全系数越高，变形越小。通常安全系数设定为1.3可满足施工期间要求。 3) 实测结果和有限元计算结果比较分析表明，有限元计算的结果和实测结果反映的规律一致，数值接近，表明计算所选模型和参数是合理的。
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user: 摘要 足球文化缺失已经成为中国足球发展面临的现实瓶颈。从亚里士多德“四因说”哲学思想诠释中国足球文化的本质与内涵，具有重要的参考价值和现实意义。中国足球文化的四因分别为：现代足球运动是质料因、足球发展规划是形式因、足球参与群体是动力因、持续健康发展是目的因。为此，我们要客观尊重现代足球运动的发展规律，挖掘足球运动质料因的本体作用；对中国足球文化的本质内涵有一个整体的认识，加强足球发展规划形式因的工作落实；发挥足球不同群体动力因的主体创造性，共同形成群体行为的凝聚力；从个体的行为取向到群体的文化认同，全社会形成良好的足球文化氛围，共同推动中国足球的持续健康发展。