岩体工程中分形理论应用初探

分形理论从确立至今已有20多年的时间,将分形理论应用于解决岩土工程问题已逐渐完善起来。介绍了分形几何的发展历程以及分形理论研究中的数学理论基础,归纳了分形理论研究的几种常用方法,总结了前人在相关领域的研究成果,并对其在岩土工程问题研究中的土的微结构分形、节理表面的分维、分维和岩石质量系数(RQD)间的关系、分形损伤以及分形断裂等方面的应用作了较为详细的阐述。     

关联维数在机械设备故障诊断中的应用研究

研究了混沌与分形的特征参数———关联维数的计算方法和参数的选择。以滚动轴承在正常、外圈故障、滚动体故障、内圈故障4种状态下的信号特征为标准样本,以其运行的实测信号为例,对时域信号进行了频谱分析,并进一步进行了关联维数分析。通过对滚动轴承振动信号的关联维数分析,证明了该轴承在4种不同标准状态下具有明显不同的关联维数特征。因此,按照相关性的大小,就可诊断出实测信号属于外圈故障状态信号。研究结果表明,关联维数分析方法在设备状态监测与故障诊断中,尤其是在非线性系统的故障诊断中显示出其独特的优势,具有较为广阔的应用前景。     

改性天然高分子絮凝剂和聚合氯化铝复合沉降与絮体分形

在改性天然高分子絮凝剂(CMS)和聚合氯化铝(PAC)复合处理有机废水絮体沉降速度的实验中,用显微镜和电镜观察到絮凝物是有自相似特征的不规则形状,具有分形特征.在pH值为6.86、聚合氯化铝(PAC)加入量为80mg/L条件下,天然改性高分子药剂加入量为1.5mg/L时沉降效果最好,与单独加入PAC相比20min时平均沉降速度分别为2.6mm/min和1.7mm/min.并计算出此时复合处理形成絮凝体的分维数为1.70.     

一种异养生物膜(heterogeneous biofilms)活细胞生物量的空间变化

根据文献数据研究了一种正常发育的异养生物膜中活细胞生物量的空间变化特征,运用双自然对数相关分析和分形几何学分析方法发现：异养生物膜中活细胞生物量与生物膜的表面积或面积之间具有显著的双自然对数正相关关系;活细胞生物量在空间上呈现异速生长特性和分形几何学生长特征;活细胞生物量的分维值（D）指示了活细胞生物量在生物膜中空间分布的非均匀程度,并因随生物膜发育阶段变化而能够指示生物膜系统的发育演化进程,将生物膜活细胞生物量和分形几何学结合起来,提供了一种相对目前流行的像素分析法更为简便的认识生物膜空间结构及其变化的新方法。     

安徽省雷电灾害特征分析及区域灾情评估

利用安徽省雷电灾害资料和闪电定位资料,对1998~2012年的雷电灾害特征进行了统计分析,选取年平均雷灾次数N、年平均伤亡人数M和年平均经济损失E作为基本评价指标,利用熵权综合评价模型对安徽省78个县级行政单位的区域雷电灾情进行评估,对雷电灾害强度空间分布做了等级划分。结果表明:2002~2009年为安徽省雷电灾害高发年份;全省雷电灾害主要集中发生在6、7、8月份;雷电灾害发生于城市(县城)的频次要多于乡村;乡村地区的雷电灾害损失类型主要为人身伤亡,城市的雷电灾害损失类型主要为电子设备的物理损害和经济损失;民用、电力和通信为全省主要雷电灾害损失行业。综合灾情指数G分布反映了不同地区受雷电灾害的严重程度,其中南陵县、阜阳市区、马鞍山市区、淮北市区和宣城市区为受灾较重的地区。灾情评估结果可为区域性的雷电防护和风险评估工作提供科学依据。     

岩石可钻性与分形性关系研究

通过钻井中破碎岩石的能耗分析,应用分形性岩石力学理论,并利用不同种类岩石的可钻性与其在钻井过程中钻头破碎岩屑的粒度分布,建立了钻井中钻头不同可钻性岩石破碎的分形模型,并详细分析了影响钻进的因素.该模型显示出,同一种类、同一种可钻性的岩石,在钻压、转速等钻井参数一定的条件下,破碎出来的岩屑的粒度分布成比例的变化.该模型的建立不仅可以用来优选钻头和钻井参数,并且可以在钻井过程中识别地层的岩性,是一种较为有效的随钻测量方法.该模型的优点在于,测量数据较为精准,并且测量过程中不要求停钻,起下钻和下放工具.此外钻井过程中产生的钻屑等固体废弃物的处理也愈发受到重视.     

酒石酸钾钠对重金属絮凝剂MAMPAM除Cu2+性能的影响

镀铜废水中由于存在酒石酸钾钠可与Cu2+形成酒石酸钾钠铜配合物使Cu2+的处理变得困难,为提高镀铜废水中Cu2+的处理效果,文章以聚丙烯酰胺(PAM)、甲醛、氢氧化钠、巯基乙酸(TGA)为原料,经羟甲基化反应和酰胺化反应制备出重金属絮凝剂巯基乙酰化羟甲基聚丙烯酰胺(MAMPAM).分别以单一含Cu2+水样以及含Cu2+、酒石酸钾钠的混合水样为考察对象,研究MAMPAM对水样中Cu2+的去除性能.通过正交实验得出絮凝最优水力条件:快搅时间1.0 min,快搅速度160 r/rmin,慢搅时间20 min,慢搅速度30 r/min.MAMPAM对Cu2+有较好的去除效果,对于单一含Cu2+水样中,当水样pH值为3.0～6.0时,Cu2+的去除率随着pH值的增加而升高,Cu2+的最高去除率为92.12％.酒石酸钾钠的存在对MAMPAM除Cu2+具有促进作用,当混合水样初始pH值为4.0～6.0时,随着pH值的增加,促进作用增强,MAMPAM对混合水样中Cu2+的最高去除率可达98.84％.絮体分形维数结果表明,单一水样和混合水样中螯合絮体MAMPAM-Cu的分形维数与Cu2+的去除率之间均呈正相关性.     

丹江口水库水源区农业面源污染物流失量估算

丹江口水库是南水北调中线工程的水源地,也是我国规模最大的饮用水水源保护区,农业面源污染是影响其水质的首要因素,合理估算其水源区农业面源污染物的流失量对确保该水库水质有着重大意义.在实地调研的基础上,采用分形理论估算了丹江口水库水源区河南省所在区域2013年TN、TP的流失量,并与输出系数法的结果进行比较.结果表明:两种方法都显示该区域污染物的流失以氮为主,其中分形理论结果显示TN流失量是TP流失量的7.156倍（输出系数法为6.773）;禽畜养殖产生的污染物流失量最多,占总流失量的69.93%（输出系数法为70.28%）,农田化肥产生的污染物流失量占总流失量的21.99%（输出系数法为21.74%）;无论是TN、TP的流失总量,还是二者的总流失量,两种算法配对t检验的P值（双侧）均小于0.05,具有统计学意义;分形方法考虑了下垫面对污染物流失的影响,而输出系数法只是简单地将各区域的流失率平均化,故分形方法所得结果比输出系数法更为可靠.研究显示,运用分形方法来研究区域面源污染是适宜的,同时也拓展了流域尺度面源污染的计算方法.      

基于象限法和灰色关联法的水灾灾情等级评估

水灾严重威胁着人类的财产与生活,水灾灾情等级的合理评估可以为防灾、减灾以及备灾工作提供科学的依据。通过改进象限法的临界指标,并用灰色关联法进行约束,提出基于象限法和灰色关联法的灾情等级评估方法。首先应用象限法对中国(除港、澳、台地区)的水灾灾情按省进行分级,再应用灰色关联法计算出代表各地区灾情大小的关联度,最后用各省的关联度对象限法的分级结果进行微调,得到中国一些地区水灾灾情等级评估的最终结果。结果表明:湖北、湖南、安徽为大灾地区;四川等19个地区为中灾地区;甘肃、海南、青海和新疆为小灾地区;北京、上海、天津、宁夏、西藏为微灾地区。     

甘家湖湿地边缘带土地荒漠化演变中土壤颗粒分形特征

采用分形理论,研究了甘家湖湿地边缘带不同景观变化类型土壤颗粒体积分形维数的特征。结果表明,（1）从芦苇湿地边缘、胡杨林土、梭梭灌木林土、芦苇湿地、耕地周边、耕地到盐化草甸土的土壤粒径变化可以看出：湿地边缘带土壤荒漠化演变中砂粒含量在逐渐上升,粉粒、粘粒含量逐渐下降。这表明湿地边缘带人为的放牧、开垦、牛羊践踏对土壤产生了...