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2022年 第3期

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2022 年 3 期封面
2022, (3): 0-0.
摘要:
2022 年 3 期目录
2022, (3): 0-0.
摘要:
植被对河道水流及岸滩形态演变影响研究进展
郝由之, 假冬冬, 张幸农, 吴磊, 陈长英
2022, (3): 1-11. doi: 10.12170/20210309003
摘要:
植被作为河流系统重要的阻力因素,在河道形态演变方面发挥着至关重要的作用。植被地表结构改变了河道水流阻力、河床切应力、流速分布及水流紊动特性,植被根系增强了岸滩土体强度和稳定性。从植被地表茎干结构对水流特性影响和植被地下根系加筋作用对岸滩稳固影响两个方面的研究进行了回顾和综述,并指出今后在植被水流研究方面,可进一步考虑植被枝、叶对水流特性的影响,加强对柔性植被变形、摆动引起的动边界问题的研究,以及全面考虑河道形态边界条件的影响,特别是含植被的分汊河道水流特性还需深入研究;在植被根系固土护岸方面,可同时考虑岸滩土体非均质性、河道水流对岸滩的侵蚀冲刷作用及水体渗流对岸滩土体力学特性的影响;在植被河道形态演变预测方面,可以综合考虑含植被河道的水动力学及土力学问题,以及两者间的互馈响应机制。
黄淮海流域实际蒸散发时空演变规律分析
杨晓甜, 张建云, 鲍振鑫, 王国庆, 管晓祥, 刘翠善, 金君良
2022, (3): 12-22. doi: 10.12170/20210530002
摘要:
蒸散发是气候系统能量循环和水分循环的关键要素,探究黄淮海流域实际蒸散发的演变规律及其影响因素对深入理解该区域水循环对气候变化的响应具有重要意义。基于1980—2018年黄淮海流域的GLEAM蒸散发产品数据、气象数据和NDVI数据,采用线性回归法、Mann-Kendall检验及相关性分析等方法,分析了实际蒸散发的时空演变规律及其影响因素。结果表明:GLEAM产品的计算值在黄淮海流域的验证精度较好,流域内多年平均实际蒸散发量为474 mm,呈显著上升趋势。实际蒸散发的空间变化范围是183~708 mm,空间差异显著,呈现从东南向西北方向递减的趋势,季节的空间分布与年际分布特征基本一致。实际蒸散发与NDVI均呈显著正相关关系,与降水和气温以正相关关系为主。黄淮海流域降水变化不明显,气温显著升高,NDVI增加是流域内实际蒸散发量显著上升的主要原因。
云水资源利用对北三河流域农田灌溉需水影响分析
田雪莹, 王高旭, 吴永祥, 吴巍, 刘涛
2022, (3): 23-33. doi: 10.12170/20210727001
摘要:
为探究不同降水频率、不同增雨情景下的农田灌溉用水差异,采用Penman-Monteith公式构建农田灌溉需水预测模型,研究北三河流域11个计算分区在95%、75%、50%等3种降水频率,及未增雨、增雨5%、增雨10%、增雨15%等4种情景下的灌溉需水变化。研究结果表明:北三河流域云水资源丰富且降水效率不高,故存在巨大的开发潜力;4—9月作物需水量较大;作物种植结构与种植面积影响农田灌溉需水量;北三河流域农田灌溉需水量夏季最多,春秋次之,冬季最少。云水资源与农田灌溉结合应用,同时优化作物种植结构,效益可观;枯水年、特枯水年夏季适宜对北三河全流域增雨,春秋两季适宜对河北潮白河山区、河北蓟运河山区、唐山平原区、天津平原区等局部地区增雨。云水资源的利用为灌溉用水提供了新的来源渠道,同时也为水资源的优化配置提供了新思路。
基于北斗卫星导航系统的大坝静动力变形监测
范明杰, 李卓
2022, (3): 34-40. doi: 10.12170/20220115001
摘要:
常规水库大坝表面变形观测方法无法实现自动观测,精度易受通视和气候条件等影响,且一般采集频率低,仅能进行静力变形监测。通过光学方法与北斗卫星导航系统表面变形监测技术的比较分析,结合某水库大坝实际工程,开展了水库大坝表面静力、动力变形监测的可行性研究。工程应用表明,北斗卫星导航系统可以实现毫米级大坝表面静力变形的监测,同时能进行地震作用下1 Hz采集频率的大坝表面动力变形观测,且大坝表面变形的北斗卫星导航系统观测值与人工观测结果一致,精度可靠,满足规范要求。这为实现地震活跃区水库大坝的静动力变形统一监测提供了有效的技术方案,可用于震后大坝安全评估或应急处置。
黄河巴彦高勒-头道拐河段泥沙冲淤调整特点
张晓华, 郑艳爽, 尚红霞, 丰青
2022, (3): 41-49. doi: 10.12170/20211214002
摘要:
通过实测资料分析,阐明黄河上游宁蒙河道巴彦高勒-头道拐河段不同粒径泥沙来源及冲淤调整特点:长时期(1952—2012 年)河段来沙组成以细泥沙为主,占总沙量的52.7%,且来源与中泥沙和较粗泥沙相同,主要来自巴彦高勒以上;特粗泥沙是淤积的主体,占总淤积量的56.2%,且来源比例在巴彦高勒以上、十大孔兑和沿河沙漠三个地区比较相近。不同粒径泥沙的普遍冲淤调整规律为:细泥沙、中泥沙和较粗泥沙随来水来沙发生冲淤调整,特粗泥沙持续累积淤积。因此,不同粒径泥沙在不同时期的年内调整特点有较大差别,汛期1986 年以前特粗泥沙是淤积的主体,细泥沙和中泥沙冲刷;1986 年后细泥沙和中泥沙转冲为淤,细泥沙成为淤积的主体。非汛期泥沙由1986 年前的冲刷转为1986 年后的淤积,主要在于细泥沙和中泥沙由冲转淤及较粗泥沙的增淤。初步分析表明,河段各时期泥沙的冲淤调整取决于干流来水来沙量及水流过程,十大孔兑的来沙量也有较大影响。研究结果可为宁蒙河道悬河治理提供基础支撑。
基于多孔介质土体分形特征的渗透系数研究
王宇, 谷艳昌, 王士军, 段祥宝
2022, (3): 50-58. doi: 10.12170/20210629001
摘要:
堤坝工程渗流计算中确定土体渗透系数尤为重要。利用分形维数不同尺度域,分析渗透破坏试验土样无标度区,指出土体细颗粒含量是决定土体分形维数的主要因素。基于多孔介质毛管束模型,推导了渗透系数和孔隙率与分形维数之间分形关系解析式,阐释了多孔介质土体渗透系数影响因子包括分形系数、孔径大小、分形维数及流体黏滞系数。利用土体渗透破坏试验结果,进一步论证了渗透系数和孔隙率与分形维数之间的非线性关系。结果表明:当分形维数大于2.83时,孔隙率随着分形维数的增大而减小,但在颗粒吸着水和薄膜水形成的黏聚力影响下,渗透系数随着分形维数增大而减小的规律不明显。研究结果可为渗透破坏形成机制及发展过程分析提供理论依据,减少堤坝渗透破坏致灾隐患。
基于混合格式Richards方程的非均质土体渗流模拟
何玲丽, 田东方
2022, (3): 59-65. doi: 10.12170/20201209002
摘要:
基于混合格式Richards方程的数值模拟能保证质量守恒,可模拟饱和-非饱和渗流。采用有限元模拟时,需知节点处的体积含水率,但由于体积含水率在材料分界面不连续,模拟非均质土体渗流时存在一定困难。为实现基于混合格式Richards方程的非均质土体饱和-非饱和渗流有限元模拟,将材料分界面的节点赋予两个编号,从而分界面上节点的体积含水率分别根据不同材料参数按压力水头泰勒展开;同时应用拉格朗日乘子法保证总水头在材料分界面的连续性。根据所建模型的有限元格式,编制了Matlab数值模拟程序,并用于模拟一维层状土入渗和脱湿过程及二维层状土入渗过程。所得结果与一维解析解、二维其他学者研究结果吻合较好,同时所建模型满足质量守恒。
真空脱水工艺下的混凝土性能
欧阳幼玲, 傅勇明, 钱文勋, 陈迅捷, 陈思兴
2022, (3): 66-73. doi: 10.12170/20210618001
摘要:
为提高混凝土保护层的抗渗透性能并避免表面裂缝的产生,从而提升钢筋混凝土的耐久性,采用真空脱水工艺,通过宏观性能试验结合微观孔结构分析,研究了真空脱水混凝土的性能及其性能改善机理。试验结果表明:(1)真空脱水混凝土的配合比在试验设计范围内取较低的初始水胶比、较少的单位用水量和比非真空混凝土增加约20 %以上的适宜砂率,可以提高真空混凝土的真空脱水率和混凝土性能;(2)采用真空脱水工艺后,混凝土28 d抗压强度的提高值随着水胶比的增大而增加;混凝土72 h抗冲磨强度的提高值随着水胶比的增大而减小,低水胶比混凝土的抗冲磨性能的提高效果尤为显著;(3)与非真空混凝土相比,真空混凝土的干缩变形减小,抗渗透性能显著提高。孔结构分析结果表明:真空脱水主要增加了混凝土中20~50 nm这一孔级的体积含量,混凝土总孔隙率明显降低、最可几孔径减小、临界孔径和平均孔径均明显减小,从而优化和细化了混凝土孔结构。真空脱水工艺可以作为提高钢筋混凝土保护层性能的有效措施,供设计和施工参考。
面板堆石坝长效服役状态下微幅变形监测及其分析
丁玉堂, 周王俊, 陈章仑, 陈洪丰, 王超逸, 陆阳洋
2022, (3): 74-81. doi: 10.12170/20210523001
摘要:
受堆石料自身流变特性及外部因素影响,混凝土面板堆石坝在服役后较长一段时间内仍有持续的微幅变形增长,微幅变形的不断累积可对面板等防渗结构产生不利影响。针对传统监测手段精度低、频次少、测量结果难以反映大坝真实的后期变形特征这一缺陷,尝试将静力水准系统与引张线系统应用到面板堆石坝表面沉降与水平位移监测中。利用上述系统,对泽雅水库大坝开展持续5年的坝体表面变形监测。分析监测数据发现:(1)上述监测系统的精度与稳定性可满足堆石坝长效服役状态下微幅变形的观测需求。(2)泽雅水库大坝在运行近20年后,堆石体的流变仍未停止,近5年最大平均变形速率可达4.33 mm/a(沉降)和3.50 mm/a(水平位移)。(3)各测点位移发展速率总体上逐年降低,变形趋于稳定。研究结果可为同类型工程监测设计及堆石料流变研究提供参考。
特高拱坝施工期谷幅变形演化规律
王文娟, 纪丁愈, 李云祯
2022, (3): 82-89. doi: 10.12170/20210426001
摘要:
跟踪分析高坝施工期谷幅变形,对确保高边坡稳定与大坝安全具有重要意义。基于某特高拱坝工程环境与地质结构,跟踪分析坝区两岸岩体变形监测数据,采用有限差分法,模拟分析谷幅变形演化规律,探讨了坝区施工期的谷幅变形演化规律与驱动因素。研究表明,坝后水垫塘谷幅变形规律表现为不同高程谷幅变化规律相似,收缩变形量与高程具有很好的正相关性,高程高的部位变形量相对较大;两岸均朝向河谷变形,与高程呈现正相关性,左岸变形速率略大于右岸;变形数值仿真结果与现场实测变形量值较接近。研究结果可为大坝后期正常蓄水提供参考依据。
含水率和温度影响下的高原土体力学特性试验研究
王瑞, 郭聚坤, 魏道凯, 卞贵建, 雷胜友, 琼吉, 张庆鑫
2022, (3): 90-99. doi: 10.12170/20210822002
摘要:
利用自主研制的土体冻融循环剪切试验仪,开展了温度和含水率影响下的青藏高原土体力学特性正交试验,从压缩特性、冻结和冻胀、剪切特性3个方面对土体进行分析。结果表明:土样压缩过程的法向位移随含水率的增大而增加,压缩量与法向应力关系可用双曲线模型进行描述。不同含水率的土体从0 ℃降至−12 ℃过程中均产生了土体冻结现象,含水率12%的土体发生冻胀时的温度集中在−3~−2 ℃范围内。温度越低,土体的应力软化特性越明显,且峰值剪切应力和残余剪切应力越大,土体在最佳含水率附近时峰值剪切应力最大。−12 ℃土体的法向位移变化规律在不同试验条件下均表现出剪胀特性,而12 ℃和0 ℃土体随着含水率的增加由胀缩特性并逐渐变化至完全以剪缩特性为主。内摩擦角随含水率和温度的增大而减小,黏聚力随温度的升高而减小,在最佳含水率附近最大。
基于有限元法的船舶抛锚贯入深度探讨
余博闻, 陈立, 刘睿
2022, (3): 100-107. doi: 10.12170/20210430001
摘要:
船舶抛锚贯入深度的准确计算,对穿越锚地与航道河床以下管线工程的安全性至关重要。依据投锚试验结果,对比分析了现有的计算抛锚贯入深度的经验法、标准法、理论公式法的计算精度。以霍尔锚为例,基于有限元软件,提出了一种能够考虑复杂土层、触底水平速度及触底姿态等多因素的抛锚贯入深度数值模拟方法,并通过几何形态分析,研究了拖锚对贯入深度的影响。计算结果表明,触底水平速度、触底夹角和拖锚均影响贯入深度,其中拖锚的影响程度最大,触底夹角次之,触底水平速度的影响程度最小。考虑触底水平速度、触底夹角及拖锚影响的贯入深度更有利于保障工程安全。
基于集对分析与三角模糊数耦合的溃坝环境影响评价
葛巍, 秦玉盼, 李宗坤, 王特, 焦余铁, 王建有, 赵凤遥
2022, (3): 108-114. doi: 10.12170/20210619001
摘要:
针对溃坝环境影响因素众多且存在不确定性问题,综合考虑河道形态、水环境等7个溃坝环境影响因素,建立溃坝环境评价指标体系和等级划分标准。运用集对分析方法处理溃坝环境影响评价过程中的确定性和不确定性问题,为更全面表达集合间的同、异、反关系,将原有的三元联系数扩展为五元联系数,进一步结合三角模糊数理论描述其差异度分量系数,构建集对分析与三角模糊数耦合溃坝环境评价模型。选取沙河集水库为典型案例,运用模型对溃坝环境影响程度进行评价,并与集对分析和模糊数学法评价结果对比,验证了所构建的耦合评价模型的合理性和有效性,为溃坝环境影响评价提供了一种新的途径。
粗颗粒煤浆管道输送级配降级及其影响研究
赵利安, 王铁力
2022, (3): 115-121. doi: 10.12170/20210805003
摘要:
针对粗颗粒煤浆输送中颗粒级配降级预测研究不足的问题,采用试验研究和理论分析法,给出了输送30、40、50和60 min时煤浆中各颗粒粒级的质量百分数、黏度和水力坡度值,提出用磨矿理论研究粗颗粒煤浆管道输煤过程的构想, 据此给出了破碎率函数和磨矿平衡方程的求解方法。研究表明,煤浆输送30和50 min时颗粒级配的预测值与实测值最大偏差不大于12.53%。随着粗煤浆体输送时间的延长,煤浆相对黏度逐渐增大,主要原因是由于2.0 mm以上粗颗粒的颗粒细化,增加了0.074 mm以下的细颗粒含量。颗粒级配降级导致水力坡度降低主要是由于粗颗粒细化导致沉降速度降低及与管道底部接触的粗颗粒有所减少的原因。
PCCP管内环向预应力加固验证试验研究
鲁文妍, 刘海祥, 柯敏勇, 许珉凡, 吕康伟, 洪欣
2022, (3): 122-126. doi: 10.12170/20210513003
摘要:
为快速有效修复难以开挖区域破损的预应力钢筒混凝土管(PCCP),减少甚至避免PCCP爆裂事故的发生,研究提出PCCP管内环向预应力加固技术。该技术对管内碳纤维板材施加环向预应力,再利用高性能结构胶粘贴至PCCP管道内壁,达到加固目的。通过设计混凝土内环、外环相结合的试验,验证该加固方法的可行性,并调整优化施工工艺。试验结果表明,碳纤维板经预张拉后成功粘贴至外环混凝土,混凝土表层经过凿毛、基底处理后形成的混凝土-结构胶-预应力碳纤维板体系是可靠的,可提供不低于0.8 MPa的黏结力。基础试验方案(即内环、外环设计)及加固方案可行,依此提出PCCP加固二期试验方案,即首尾搭接的碳纤维板管内环向预应力加固试验。
内部充水钢围堰的结构安全稳定分析
张羽, 赵集云, 刘明潇, 孙东坡
2022, (3): 127-135. doi: 10.12170/20211002003
摘要:
大型输水干渠边坡修复专用钢围堰是一种外动内静的水中钢构筑物,钢围堰在工作状况下结构稳定性十分重要。根据钢围堰的设计结构条件,考虑其在水中的动静荷载,进行流固耦合(FSI)系统的力学分析。首先分析钢围堰的荷载特征,将钢围堰绕流流场的复杂荷载条件简化为作用在结构上的流体压力;然后建立围堰结构的有限元模型。利用ANSYS数值模拟软件,研究各构件的受力状况及整体结构特性。结果表明:上游支撑杆件轴向应力大于欧拉临界应力,且导槽和面板变形量过大,需作结构调整,而中游和下游稳定性满足要求。通过结构优化调整,提出了结构改进方法,成功应用于工程实际,为钢围堰的优化设计提供理论支撑。
低活性矿渣内养护水泥砂浆自收缩与孔结构分析
杜玉会, 李双喜
2022, (3): 136-144. doi: 10.12170/20210628001
摘要:
采用预吸水饱和状态的低活性矿渣作为内养护材料部分替代砂,研究不同低活性矿渣掺量内养护砂浆的力学性能与自收缩变化规律,并通过MIP、SEM和XRD测试结果探讨了低活性矿渣内养护砂浆的微观机理。结果表明:不同低活性矿渣掺量砂浆试样在标准养护与密封养护条件下抗压强度发展规律相似,即随着低活性矿渣掺量的增加,砂浆早期强度下降幅度较大,但随着龄期的延长,砂浆后期强度降低幅度小于早期降低幅度;并且低活性矿渣能有效抑制浆体各阶段的自收缩,尤其在快速收缩阶段和短暂膨胀阶段作用最为明显;低活性矿渣内养护作用下,虽增加了浆体的孔隙率,但有效降低了平均孔径,改善了各类型孔的分布比例,细化孔隙结构;内养护作用使浆体水化产物C-S-H凝胶增多,Ca(OH)2被消耗,界面过渡区薄弱结构得到显著改善。
混凝土梁四点弯曲试验的并发多尺度区域分解法模拟
邱莉婷, 马福恒, 沈振中, 张湛, 霍吉祥
2022, (3): 145-152. doi: 10.12170/20210405001
摘要:
损伤在准脆性混凝土材料的非线性力学特性中占有重要地位。但有限单元法计算采用局部损伤模型时存在网格敏感性和零能耗问题。同时,传统单一网格有限元模型难以对构件的线弹性区域和非线性区域进行区别处理,无法将有限的计算资源集中在重点关注区域。通过局部子区域预设高精度有限元网格和引入尺度间线性多点约束法,实现并发多尺度方法和整体有限元撕裂对接法的结合,采用隐式梯度损伤模型描述混凝土材料的非线性本构关系,运用双重组装并行直接求解法进行模型的大型线性方程组求解,完成了混凝土损伤失效分析的并发多尺度区域分解模型构建。将该模型用于混凝土单边切口梁的四点弯曲试验模拟,并对可能损伤的纯弯拉区域分别采用了3种不同尺寸的有限元网格计算。算例分析表明,模型合理可靠且不具网格敏感性,能够重现混凝土的损伤失效全过程,可为混凝土构件开展损伤失效全过程分析提供多尺度数值模拟技术支持。