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基于雷诺数的砂砾石管涌过程判别
王宇, 谷艳昌, 王士军, 段祥宝
, doi: 10.12170/20211014001
摘要:
管涌破坏是发生堤坝险情乃至溃决的主要原因之一。传统渗流力学涉及管涌机理、发展过程及控制措施,而管涌过程定量判别及非线性特征研究尚显不足。开展不同级配砂砾石管涌试验,指出细颗粒含量及均匀程度是影响砂砾石管涌破坏的主要因素;分析管涌破坏过程中水流状态变化规律,提出了基于雷诺数Re的管涌过程判别方法。试验结果表明:砂砾石管涌过程可定量地分为孕育阶段(Re<0.85)、形成阶段(0.85≤Re≤5.00)、发展阶段(5.00<Re≤50.00)和破坏阶段(Re>50.00)。孕育和形成阶段,可动细颗粒启动并缓慢调整,水力坡降与渗流速度呈线性关系,黏阻力占主控作用,渗流运动符合达西定律;发展和破坏阶段,渗流通道形成并逐步扩展,可动细颗粒快速流失,渗流速度变化较大,惯性力占主控作用,水力坡降与渗流速度呈远离平衡态的非线性关系,层流逐渐向紊流过渡,可用二次方程描述。研究结果可为管涌险情科学预报和应急处置提供决策依据。
基于时空聚类挖掘的库岸边坡位移监测数据约简
陈波, 詹明强, 黄梓莘
, doi: 10.12170/20210728002
摘要:
库岸边坡失稳会对工程自身效益和周边安全造成巨大损失,而位移监测数据可以直接表征库岸边坡安全状况。传统变形位移分析一般仅考虑单个监测点,不同监测点之间位移的相似性和关联性有待挖掘。基于时空数据挖掘领域的聚类方法,综合考虑测点属性和空间特征,采用K-means算法度量测点间的相似程度,实现变形区域划分;在变形区域划分基础上,采用遗传算法优化的投影聚类算法,将高维数据向低维空间映射,通过提取测点数据特征,筛选得到重点关注的测点和压缩数据量。结合实例工程数据表明,时空聚类挖掘方法便捷、有效,逐步实现了边坡位移监测数据约简,可用于类似库岸边坡的监测数据挖掘。
甘肃省水资源-经济社会-生态环境耦合协调驱动因素研究
张恬姿, 王小军, 齐广平, 康燕霞, 银敏华, 马彦麟, 贾琼, 张向宁
, doi: 10.12170/20220719003
摘要:
揭示水资源-经济社会-生态环境耦合协调的主要影响因素,对加强自然资源与经济社会系统宏观管理,推动区域可持续发展具有重要意义。基于内源动力和外向动力两个维度选取指标,在区域水资源-经济社会-生态环境耦合协调演变分析的基础上,引入固定效应模型测度2010—2019年甘肃省水资源-经济社会-生态环境耦合协调的驱动因素。结果表明:(1)经济发展水平、科技水平对甘肃省水资源-经济社会-生态环境耦合协调水平的提升具有正向作用,回归系数分别为0.029和0.021,且通过了1%的显著性检验;(2)分区影响因素差异显著,环境保护水平和经济发展水平的提高对各分区耦合协调度的提高具有促进作用。据此,在加快甘肃省经济社会发展的背景下,应协同相关政策及驱动因素的激励措施,推动水资源-经济社会-生态环境系统耦合演进。
振冲法加固堰塞体材料的室内模型试验研究
占鑫杰, 李文炜, 杨守华, 朱群峰, 许小龙, 黄慧兴
, doi: 10.12170/20211207002
摘要:
为丰富堰塞坝开发利用理论,探究其改良加固的可行性,对易贡大滑坡残存的天然堰塞体进行取样,设计了不同频率的室内振冲模型试验,研究了振冲法对堰塞体材料的加固效果和密实机理。模型试验采用砂雨法制样,综合测试了振冲后地基的孔压累计消散规律、土压力发展规律,加固效果和复振效应等。试验结果表明:在振冲器的贯入过程中,松散堰塞料中的土压力和超静孔压迅速上升,在振冲器的上拔和分段留振作用下,堰塞料的超静孔压表现为小幅上升和消散、逐渐稳定的总体趋势。随着振冲次数的增加(2~3次复振后),堰塞料地基的土压力逐渐稳定,超静孔压峰值逐渐下降并趋于稳定。因此振冲对松散堰塞体材料的加固效果明显,振冲后堰塞体材料的锥尖阻力大幅提升,但堰塞料密实后,进一步提高复振次数不能有效改善加固效果。满足易贡堰塞体材料的振冲设计方案为:采用125 Hz振动频率进行4~5次振冲,或采用150 Hz频率进行2~3遍振冲。研究结果可为堰塞坝料地基的振冲加固提供理论依据。
重力坝失稳破坏变形表征指标警戒值的拟定
李家田, 苏怀智
, doi: 10.12170/20211021002
摘要:
抗滑稳定是重力坝设计与运行中关注的最基本要求,其宏观层面一定程度上可表征为重力坝变形性状的转异行为。大坝变形安全警戒值的确定,传统上多基于各种确定的结构参数和数学模型,缺乏对相关影响因素不确定性的考虑。因此,从不确定性分析理论入手,在对重力坝抗滑稳定可靠度、变形与坝前水深相关性剖析的基础上,引入响应面法,通过对大坝变形水压分量与抗滑稳定可靠度之间函数关系的合理拟合,依据现行可靠度设计规范,提出了一种基于抗滑稳定可靠度的重力坝变形安全警戒值拟定方法,并进行了实际工程案例验证。通过与传统典型小概率法拟定结果的比较,得出了总体合理、可行的结论。文中方法是传统方法的有益补充,可作为传统方法计算结果的有效验证手段。
膨润土石灰改良黄土强度及微观结构试验研究
高梦娜, 王旭, 李建东, 张延杰, 蒋代军
, doi: 10.12170/20210818003
摘要:
黄土工程性能较差,必须经过处理才能作为路基填料使用。为了提高黄土路基的承载力,更好地解决黄土路基的工程病害问题,在黄土路基填料中加入膨润土和石灰,通过不同组合掺量的膨润土-石灰-黄土的无侧限抗压强度试验与核磁共振试验,分别从土体强度和孔隙结构的角度出发,研究各掺量膨润土-石灰对黄土路基填料强度及孔隙结构的改良效果。试验结果表明:膨润土可以有效填充黄土的孔隙,石灰能使土体内分散的颗粒连成整体,并使土体无侧限抗压强度提高4.01倍;改良黄土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增大而增大;与素黄土相比,改良黄土的孔隙度降低,大孔隙占比显著减少。通过微观电镜扫描发现土颗粒之间连成整体,且颗粒间的大孔隙也基本被填充。因此,膨润土和石灰对黄土填料的改良效果较为显著。
进占方式对戗堤局部冲刷影响的三维数值模拟
李登松, 唐金波, 金鑫, 漆力健, 戴光清, 龚月婷
, doi: 10.12170/20210309004
摘要:
在实施土石堤坝溃口快速封堵、河道截流等水利和防洪减灾工程时,口门或龙口处存在较强的局部冲刷。基于已有的经圆柱、丁坝局部冲刷试验结果验证的三维数值模型,模拟了单向、双向进占方式下龙口宽度B/H = 4.3、5.8时堤头和河床的局部冲刷发展。根据水流特性与冲刷发展的关系,分析了加剧局部冲刷的水流结构和进占方式对局部冲刷发展的影响规律。研究结果表明:单向进占时,戗堤对水流和冲刷发展存在偏移效应;冲刷在初始阶段均表现为沿堤头上游、裹头下游形成的斜向轴线冲刷趋势,堤头上游绕流后的边界冲刷在整个冲刷过程中始终剧烈;进占长度对水流冲刷偏移效应产生影响,在B/H = 5.8时剧烈淘刷区位于戗堤堤头上游的底部堤脚,但是在B/H = 4.3时则位于裹头下游。双向进占时,水流沿龙口轴线对称分布;进占长度影响戗堤局部冲刷的剧烈程度。下潜水流和涡旋是造成戗堤局部冲刷的主要原因。
太湖流域典型洪水的降水和水位要素解析
胡庆芳, 朱荣进, 王银堂, 李伶杰, 李曦亭
, doi: 10.12170/20210914001
摘要:
为加深对流域洪水运动规律的认识,开展了太湖流域2020年洪水与2016年、1999年和1991年3场历史洪水的对比分析,全面剖析了4场流域性洪水对应的降水、水位要素的异同。结果表明:在降水时程分布上,1991年、1999年和2016年致洪降水过程比较集中但存在间歇期,而2020年致洪降水可视为一次连续降水过程,累积雨量大但时程分布较均匀;在降水空间分布上,1991年与2016年洪水期降水为“北部型”降水,北部水利分区致洪降水明显高于其他分区,1999年为“南部型”降水,南部水利分区致洪降水明显高于其他分区,而2020年则为“全流域型”降水,各水利分区致洪降水差异相对较小。受降水过程影响,1991年、1999年和2016年洪水期太湖水位上涨过程中存在一定回落或平稳期,但2020年洪水期太湖水位表现为持续性上涨过程。2020年洪水期南部浙西区代表站最高水位明显超过了1991年和2016年,但北部湖西区和武澄锡虞区水位情势不及1991年、1999年和2016年严峻。总体上,2020年太湖流域洪水规模与强度低于1999年等年份,其灾害损失也较小,但对流域及区域设计暴雨、洪水计算和洪水调度仍具有重要参考价值。
不同渗透系数的非均质黏土劈裂注浆数值模拟
申时钊, 涂小兵, 雷进生, 周珂, 刘金鑫, 唐亚周
, doi: 10.12170/20210826002
摘要:
针对地下工程中软弱黏土地层病害治理问题,考虑黏土材料的非均质性与低渗透性,对黏土进行劈裂注浆加固特性分析。基于Weibull分布函数理论构建非均质黏土地层模型,对黏土进行劈裂注浆加固模拟;基于注浆模拟计算结果,分析不同均质度与渗透系数对黏土劈裂注浆效果的影响。结果表明:土体劈裂注浆难度随均质度的增大而增加,均质度较高的土体劈裂后产生的裂缝较为单一,裂缝分布范围较小;均质度较低的土体劈裂产生的裂缝宽度较大,裂缝影响范围更广。浆脉扩展的长度及增长幅度随土体渗透系数的增大而减小,高渗透系数土体的劈裂浆脉宽度要大于低渗透系数的土体,渗透系数较小的土体浆脉长度始终比较大,浆脉距注浆孔越远,其宽度越小。研究可为软弱黏土地层劈裂注浆的工程应用提供指导。
皖北平原不同土壤水分养分差异性研究
杜明成, 张建云, 王振龙, 刘猛, 刘翠善, 王国庆
, doi: 10.12170/20211128001
摘要:
黄潮土和砂姜黑土面积占皖北平原总面积的87%。砂姜黑土内部含有钙质结核,严重影响土壤性质进而降低作物产量。从土壤理化性质、土壤水力学参数和土壤水分等方面探讨两种土壤差异性,并结合水文气象因素分析影响黄潮土和砂姜黑土土壤水分变异的驱动因素。结果表明:黄潮土和砂姜黑土的pH值和密度存在显著差异,全氮、全磷、碱解氮含量差异不大;黄潮土0~50 cm的有效持水量显著大于砂姜黑土,保水性更好。黄潮土土壤含水率随深度增加逐渐降低,砂姜黑土土壤含水率随深度增加逐渐增加。影响黄潮土土壤含水率变化的驱动因素是地下水埋深和降水量;影响砂姜黑土土壤含水率变化的驱动因素是地温、地下水埋深和相对湿度。该研究可为进一步改善砂姜黑土土壤性质,提高作物产量提供参考。
基于埋置梁广义位移法的桩基拱式渡槽受力分析
胡荣金, 皮家骏, 潘世洋, 黄永涛, 刘晓青
, doi: 10.12170/20210929002
摘要:
桩基拱式渡槽包含梁柱与块体结构,采用有限元分析时应分别采用梁单元与等参单元离散,存在梁单元与等参单元之间转角位移协调问题。从梁单元节点作为主节点的广义位移公式出发,建立了梁单元节点作为从节点时其转动位移与所埋置等参单元节点位移之间的埋置梁广义位移表达式。通过设置不同的网格尺寸和单元刚度,研究了梁单元与等参单元之间采用主从或从主广义位移模式对桩基上拱式渡槽结构分析的适用性,并将分析结论应用于某拱式渡槽的受力分析。研究结果表明,在保证计算精度的前提下,埋置梁广义位移法有效提高了计算效率,可用于梁板柱与块体结构的相互作用分析。
基于图像识别技术的测压管群水深智能获取方法
樊顾飞, 高昂, 王芳芳, 罗洁
, doi: 10.12170/20210830001
摘要:
为在水工模型试验中准确同步获取过水建筑物不同部位水压力,提出并设计了基于图像识别技术的测压管群水深智能获取方法与系统。该系统采用非接触式(侧拍)影像采集方式,实时拍摄多个测压管内水面浮标的运动影像(反映水深变化过程),将影像资料导入计算机;利用软件识别系统,采用灰度化、二值化及开操作等对图像进行预处理,然后使用findContours获取各个测压管水面浮标质心坐标,通过标定系数转换为实际水位数据,最终得到各个测压管内水深同步变化的时间序列。通过水工模型试验验证,该方法较传统人工测量方法获得的数据误差在±1.5%内,且获取方式更快捷、数据更丰富,可为水工模型试验中测压管群水深测量提供新的思路。
常州市主城区畅流活水方案模拟比选及现场试验研究
穆守胜, 柳杨, 乌景秀, 范子武, 刘国庆, 谢忱
, doi: 10.12170/20210416002
摘要:
为了改善常州市主城区水环境,通过数值模拟计算与现场试验相结合的方法,开展畅流活水水环境提升方案研究。利用优质丰富的长江水作为引水水源,通过魏村枢纽和澡港水利枢纽引水,围绕新建工程大运河西枢纽及与4座活动堰工程的调度组合,设置了5组模拟方案,通过水动力数学模型,模拟各方案下城区内部河道流量分配情况,并结合现场试验论证了推荐活水方案的效果。结果表明:推荐方案形成了3级水位差、水位调控精准、流量分配合理的畅流活水格局,河网水环境改善显著,同时大部分水质指标在引水结束后16 d内均仍处于较好的状态,但部分河道的水质反弹明显。通过数学模型开展水动力调控是改善平原河网城市水环境的有效手段;但需要强化日常监测,根据水质变化情况合理确定活水周期,同时对部分水质异常点位开展污染源解析工作,保障河网水环境的长效久治。
模拟履带-软黏土相互作用的环形触探仪研发
黄伟健, 廖晨聪, 刘世奥, 叶冠林
, doi: 10.12170/20210728006
摘要:
海底履带机器人在软黏土海床上行走时会压陷并剪切土体。压陷反映了履带贯入深度与土体强度,剪切则决定了土体能够提供的驱动力。传统地面力学中的贝式仪将压陷和剪切过程剥离测试,忽略了两者之间的相互作用关系。提出了新的环形触探形式与工作方法,将床面行走的压陷和剪切过程统一到触探仪的压陷贯入和扭转剪切中,通过与前人室内模型试验的对比,验证了环形触探概念的有效性和可行性。针对海床常见的正常固结软黏土,采用修正剑桥模型结合有限元方法,基于环形触探仪对履齿结构参数齿高、齿距进行了敏感性分析,探究了履齿结构参数对软黏土强度发挥的影响。研究结果表明,齿高、齿距对软黏土的强度发挥影响显著,适当增大齿高、缩小齿距有助于软黏土强度的充分发挥。
黄河流域水资源与产业升级互动关系研究
刘建华, 唐琦
, doi: 10.12170/20210906002
摘要:
构建黄河流域水资源与产业升级综合评价指标体系,根据计算所得指数进行时空分析,运用面板向量自回归(PVAR)模型,通过格兰杰因果关系检验、脉冲响应与方差分解等方法,对黄河流域八省区2010—2019年水资源与产业升级的互动关系进行实证分析,提出相应对策建议。结果表明:(1)黄河流域八省区通过优化水资源利用方式难以促进产业结构调整,需要寻找新的发展驱动力,提高产业链附加值,构建现代化产业体系;(2)黄河流域八省区优化水资源利用对提高产业环境友好程度产生促进效应,应着力推动黄河流域水资源可持续利用,建立黄河流域生态补偿机制;(3)黄河流域八省区提高产业环境友好程度对改善水资源状态起积极作用,应大力发展可再生能源,提升产业绿色化水平,恢复水体状态。
珠江三角洲地区极端降水时空演变特征
邹贤菊, 宋晓猛, 刘翠善
, doi: 10.12170/20210714002
摘要:
研究区域极端降水演变对科学应对变化环境下区域水资源利用及防灾减灾具有重要意义。选取气候变化检测指数专家组(ETCCDI)定义的6个极端降水指数(最大持续干旱日数、最大持续降水日数、极端降水日数、极端降水总量、最大日降水量和日降水强度),采用线性趋势法和克里金插值法对珠江三角洲地区极端降水变化进行时空演变分析,并采用交叉小波识别大气环流异常因子(厄尔尼诺-南方涛动、北大西洋涛动、太平洋年代际振荡和印度洋偶极子)与极端降水的相关关系。结果显示:(1)除最大持续降水日数外,各极端降水指数均有不同程度增加,表明珠江三角洲地区极端降水正在增加,但变化不显著;(2)极端降水增加的站点主要集中在区域中部和北部,其中变化显著站点主要位于珠江口北部和区域北部;(3)不同气候态下各极端降水指数总体空间分布相似,但变化趋势空间差异较大,且变化幅度有所增加,表明随着年代际的推移极端降水越来越明显;(4)印度洋偶极子对最大持续干旱日数的影响最显著,而厄尔尼诺-南方涛动对其他极端降水指标的影响最显著。
超高水头大型船闸闸室明沟消能特性研究
陈明, 陈沿吉, 苗健康, 黄海津
, doi: 10.12170/20210805008
摘要:
为研究超高水头、大尺度船闸闸底廊道侧支孔输水系统闸室明沟消能特性,以单级水头60 m、有效尺度为280 m×40 m(长×宽)的闸室为研究对象,采用三维紊流数值模拟方法,针对流速、紊动能、剩余比能及流速分布均匀度等参数进行分析,阐明了双层侧支孔单明沟和单层侧支孔双明沟的消能特性,并对比了两种明沟消能工的消能效果。结果表明:对于双层侧支孔单明沟布置型式,垂向间距d与支孔面积平方根D之比由d/D=2.29增加至5.71的过程中,消能效果先变优后变差,当d/D=3.43时可达到较佳的消能效果;双明沟型式考虑合理的宽度(单个明沟宽度b与支孔面积平方根D之比b/D=2.71)后,相比双层侧支孔单明沟型式,消能效果更佳。研究结果可为类似船闸的消能工设计提供技术支撑。
考虑鱼类生态需水过程的漓江并联水库群生态调度
杨培思, 王丽, 莫康乐, 陈求稳, 李婷, 曾晨军, 唐磊, 张辉
, doi: 10.12170/20210715002
摘要:
水库群联合运行带来巨大的经济和社会效益,同时也对河流生态造成诸多影响。为提升漓江流域水库群联合运行的发电、通航、生态保护和青狮潭水库蓄水综合效益,构建了考虑鱼类生态需水过程的并联水库群多目标调度模型,采用第三代非支配遗传算法(NSGA-Ⅲ)对模型优化求解。结果表明:(1)与常规调度相比,优化调度在保障发电工程效益的同时,实现了通航与生态效益的提升;(2)构建的并联水库群多目标生态调度模型,在枯、平、丰水年的生态流量满足率都维持在47%之上,尤其保障了鱼类越冬、产卵和繁殖期的生态需求;(3)实施漓江并联水库群联合生态调度,青狮潭水库在枯水年和丰水年蓄水量分别增加22.26×106 m3和 24.55×106 m3,缓解了青狮潭水库供水压力。研究可为并联水库群多目标生态调度提供相关参考。
协整和集对分析法在降雨资料短缺地区的插补移用
王秀杰, 齐喜玲, 滕振敏, 李丹丹
, doi: 10.12170/20210721001
摘要:
针对中小流域降雨资料短缺,洪水精确预报难度大的问题,提出利用线性协整和集对分析(SPA)方法分别对台风雨和非台风雨下的观测降雨数据进行插补移用,以驼英水库为例,进行洪水预报研究。研究得出:(1)基于台风雨协整计算结果发现雨量站之间存在协整关系,协整模拟结果与实测降雨的纳什系数均在0.85以上,相关系数达到0.90,主雨峰和场次降雨误差均较小,说明协整理论可用于降雨资料短缺时的数据插补。(2)非台风雨降雨序列经补充集合经验模态分解(CEEMD)和集对分析(SPA),根据综合联系度拟定数据移用最优方案,显著提高了降雨数据移用的有效性及准确性,提高了洪水预报精度。该方法可为其他同时存在台风雨和非台风雨地区降雨资料的插补移用提供新思路。
桩承式加筋路堤荷载分担计算改进模型
姜彦彬, 何宁, 钱亚俊, 张中流, 王艳芳
, doi: 10.12170/20211206001
摘要:
基于桩间的土拱效应与加筋效应开展融合分析,建立了桩承式加筋路堤荷载分担计算的改进Hewlett模型。首先,根据土拱是否处于塑性状态,结合桩-土竖向受力平衡条件,分别求解球形拱和平面拱控制方程,并对路堤荷载进行初分配。然后,假定加筋带上覆荷载为更符合实际工况的倒三角形分布,并使用文克勒地基模型考虑加筋带影响范围内的桩间土反力,无需预设土工加筋挠度形式,即可构建并求解土工加筋受力平衡控制微分方程,进而由加筋效应对路堤荷载进行再分配。综合工程实例验证与讨论,并通过多模型对比分析,表明改进模型能够合理预测荷载分担与土工加筋受力结果。参数分析表明,改进模型能够合理地预测几何、材料参数变化对桩承式加筋路堤荷载分担的影响。
立式轴流泵装置外特性试验研究
周铭瑞, 周秉南, 刘健峰, 陆伟刚
, doi: 10.12170/20220410003
摘要:
为进一步了解具有蜗壳式出水流道轴流泵装置的外特性,确保泵站完建后的安全稳定运行,以涧沟泵站泵装置模型试验结果为基础,研究了涧沟泵站泵装置的水力性能,并根据试验结果优选该泵站运行方案。试验结果表明:该泵站以叶片角度−2°运行时,流量和扬程均满足设计要求,泵装置可以达到最高效率71.4%;随着扬程逐步增大,流量降幅较小,这符合排涝泵站需长时间大流量排涝的经济性要求;该泵装置汽蚀性能符合设计要求,叶片角度为−4°时,飞逸转速达到最高值,最高值小于2倍的额定转速,飞逸特性优良。此试验泵装置作为排涝泵装置时各项性能较为优异,具备深入研究开发的价值,可为扬程相近、流量较大的排涝工程设计提供参考。
基于速度与加速度准则的泄水闸裂缝工作性态诊断
徐世媚, 黄耀英, 徐小枫, 殷晓慧, 郝丹, 陈飞
, doi: 10.12170/20210816001
摘要:
裂缝实测资料综合反映了现场复杂因素对水工混凝土结构宏观裂缝性态的影响,考虑时效分量是评价裂缝工作性态的重要依据,可基于速度与加速度准则对裂缝工作性态进行诊断。结合王甫洲水利工程泄水闸实际情况,选取水工混凝土结构裂缝典型位置安装裂缝计组,监测获得经历不利荷载工况下的裂缝实测资料,建立反映温度非线性效应的裂缝统计模型,分离获得时效分量,采用速度与加速度准则对时效分量进行诊断。裂缝实测资料的应用分析表明,考虑温度非线性效应的裂缝统计模型拟合效果较好,虽然王甫洲水利工程泄水闸检修门库裂缝部分测点时效分量表现不收敛,但均趋于闭合,诊断该泄水闸裂缝目前处于稳定状态。该方法能简便且可靠地反映裂缝的时变规律,可为水工混凝土结构的裂缝工作性态诊断提供参考。
输水隧洞灌浆式预应力衬砌结构承载机理研究
朱悦悦, 刘成
, doi: 10.12170/20220319001
摘要:
输水隧洞双层混凝土衬砌之间采用预应力灌浆可以提高结构的承载能力,但此类灌浆式预应力衬砌结构的承载机理尚未得到系统阐释。基于弹性理论,采用荷载结构法,建立了考虑变形协调关系的灌浆式预应力衬砌力学分析模型。通过对衬砌结构进行受力分析,揭示了预应力灌浆提高衬砌结构承载力的机理,推演了衬砌结构环向拉应力判定式,以及环向抗拉强度与灌浆预应力的关系式。利用有限元数值模拟验证了理论方法的合理性,针对工程案例分析了灌浆预应力对衬砌结构的定量影响规律。结果表明:结构能承担的最大内水压力与灌浆预应力及外部水土压力,均近似呈线性正相关,内衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力增大而减小,外衬结构的径向变形和环向应力随灌浆预应力增大而显著增大。这种考虑临界情况的分析和计算方法,揭示了灌浆式预应力衬砌结构的承载机理,可为该类型输水隧洞的力学分析和结构设计提供理论依据。
河南省典型枯水年水资源脆弱性评价及贡献因子识别
王利平, 张怡雯, 张建云, 刘翠善, 王国庆
, doi: 10.12170/20211015001
摘要:
水资源脆弱性是水安全的重要度量方式,水资源安全是区域可持续发展的基础。以河南省18个市区为研究单元,从自然条件、社会经济、供用耗水等3个子系统选取指标建立评价体系,运用熵权法、线性加权法求解其典型枯水年水资源脆弱性,从城市、区域、全省角度分析水资源子系统指数、脆弱性指数,并采用贡献度模型识别了水资源脆弱性主要贡献因子,以期为河南省水资源管理提供科学依据。结果表明:(1)整体上看,3个子系统水资源脆弱性指数大小排序为,自然条件>供用耗水>社会经济;城市和区域的水资源子系统指数、脆弱性指数存在一定的差异,且有自西南向东北逐渐增大的趋势;全省水资源为Ⅲ级中等脆弱性。(2)18个市区及全省水资源脆弱性3个子系统贡献度排序为,自然条件>供用耗水>社会经济;水资源脆弱性的主要贡献因子集中在自然条件子系统的4个指标。此外,社会经济子系统中的亩均化肥折纯量和供用耗水子系统中的人均综合用水量、亩均灌溉用水量也是主要贡献因子。最后,提出“多渠道供水,提高供水侧能力”、“合理扩张城镇、优化人口经济结构,提高城市水平”、“提高用水效率,节约用水”的差异化“降脆”策略,以实现水资源可持续发展。
黄河流域多尺度区域界定及其应用选择
左其亭, 吴青松, 姜龙, 张伟
, doi: 10.12170/20210923001
摘要:
黄河流域涉及区域广阔、问题复杂多样,相应的研究内容较为丰富,存在空间研究范围和分区不一致的问题。立足于黄河重大国家战略目标任务和不同研究需求,考虑流域与沿黄行政区在资源利用-经济发展-生态保护等方面的关联性,将黄河流域空间研究范围界定为黄河流域区、黄河干流流经区、黄河流域涉及区和黄河全行政区,并对其他研究范围及分区进行了说明;从空间范围、研究内容、行政管理3个方面对比分析4种区域界定方案,明确了不同方案之间的联系和区别;依据针对性和目的性等原则,系统梳理了不同研究内容对空间范围的选择情况,解决了什么情况下可以或应该选择某个特定空间范围的问题。研究成果可为后续黄河流域相关研究提供统一标准和参考依据。
中间渠道次生波发育长度数值模拟研究
郑飞东, 李云, 王晓刚
, doi: 10.12170/20210921001
摘要:
分散梯级船闸充、泄水会引起船闸中间渠道内水体振荡波动,严重时会增加船舶操控难度,甚至引发安全事故。国内外专家学者针对中间渠道非恒定波流特性的研究主要集中于长波的波动特性,对次生波的关注甚少。针对三峡水运新通道分散梯级船闸布置方案,建立了基于船闸输水基本方程和Boussinesq方程的船闸-中间渠道耦合数学模型,研究船闸充、泄水条件下中间渠道次生波发育长度的分布特性及其对相关水力参数的响应规律。结果表明,上级船闸泄水条件下,次生波发育长度与单宽峰值流量有关,而下级船闸充水时,次生波的发育长度取决于单宽峰值流量和船闸运行水头。基于数值计算结果,给出了船闸不同运行方式下次生波发育长度的预测方法,可为分散梯级船闸的设计和运行调度提供理论指导和技术支撑。
不同处理工艺下微生物对岩石裂缝加固效果影响
单治钢, 周楠, 侯王相, 陈琦, 寇海磊
, doi: 10.12170/20211111003
摘要:
随着微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术在岩石裂缝修复领域研究的深入,该技术在实际工程中的应用也日渐广泛。为深入研究不同处理工艺条件、胶结液浓度对MICP技术加固岩石裂缝效果的影响,采用蠕动泵注浆和浸泡灌浆两种不同工艺对岩石裂缝加固进行室内试验,确定最优微生物加固岩石裂缝工艺。经试验得出最优的处理工艺条件参数,并在此基础上开展不同胶结液浓度(0.5、0.7和1.0 mol/L)条件下微生物浸泡灌浆加固岩石裂缝试验,进行胶结液浓度对加固效果影响的量化分析。结果表明:相同胶结液浓度条件下,蠕动泵注浆工艺和浸泡灌浆工艺加固岩石裂缝后界面抗剪强度分别为0.28和0.89 kPa,后者约为前者的3.2倍;浸泡灌浆处理工艺条件下胶结液浓度对加固后岩石试样界面抗剪强度影响显著,随着胶结液浓度的增大,加固与未加固裂缝界面黏聚力的比值呈线性增长。不同形状岩样的试验结果表明,圆柱体岩样加固后裂缝界面黏聚力增长速度要明显高于长方体岩样。
北三河流域水资源供需平衡对降水变化的敏感性
刘涛, 赵泽锦, 刘利成, 王高旭, 吴永祥, 吴巍, 田雪莹, 张妮娜
, doi: 10.12170/20210926003
摘要:
分析不同区域水资源供需平衡对降水变化的敏感性,结合云水资源和降水效率的空间分布,有助于常态化人工增雨作业地点的确定,对实现空陆水资源的统筹利用具有重要意义。以北三河流域为研究区域,基于新安江模型和彭曼-蒙特斯公式分析了研究区需水量对降水变化的响应,并探讨了不同计算单元水资源供需平衡对降水变化的敏感性。结果表明:受降水变化影响,流域平水年产水量增加的比例大于枯水年与特枯年,农田灌溉需水量大致呈线性变化趋势;自然降雨情景下流域资源性缺水量分别为35.46亿m3(降水频率p=50%)、43.17亿m3p=75%)和46.30亿m3p=95%),缺水峰值分别出现在5月、7月和8月;各单元缺水量对降水变化的敏感性主要由产水变化主导,空间上呈由北向南逐渐递减的趋势,当平水年降水量增加20%时,北部地区相对减少率达到150%以上,中部介于30%~50%,南部则小于15%。
不同加载比时砂砾料动模量和阻尼比变化规律研究
王景
, doi: 10.12170/20211124003
摘要:
为探究加载比和围压对砂砾料动力特性的影响,通过大型动三轴试验,研究不同加载比和围压作用下砂砾料动模量和阻尼比的变化规律。研究结果表明:(1)随着加载比的增大,动应变显著增大,孔压明显上升,最大阻尼比增大;(2)试验数据更能反映出阻尼比随动剪应变发展的变化规律,综合考虑各动力参数的变化,建议砂砾料动模量和阻尼比试验加载比选择范围为1.5~2.0;(3)采用分段拟合法对动应变小于0.01%和大于0.01%的试验数据进行拟合,直线与试验点的拟合度均大于0.96,分段拟合不同试验条件下砂砾料本构关系更为合理;(4)不同试验条件下动剪切模量比与参考剪应变具有良好的归一性,通过二元线性回归得到砂砾料最大动剪切模量关于围压和加载比的经验公式。该方法可为砂砾料动三轴试验及数据处理提供参考。
钢板混凝土复合加固铁路重力式桥墩抗震性能研究
郝岩, 丁明波, 鲁锦华, 秦训才, 刘德安
, doi: 10.12170/20211116001
摘要:
为探究钢板混凝土复合加固震后铁路重力式桥墩的抗震性能,制作配筋率为0.5%的桥墩缩尺模型进行拟静力试验。将模型墩底破坏区域采用钢板混凝土复合加固,对加固后的桥墩模型通过周期往复荷载试验来研究桥墩破坏形态,从滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、刚度退化及位移延性等参数分析其抗震性能,并建立有限元模型进行验证。试验结果表明:(1)模型试件中钢板加固桥墩模型墩身部分作为过渡区,避免了加固面受集中力影响导致的破坏面转移;(2)采用钢板混凝土复合加固,可有效提高模型试件的刚度、耗能和承载能力,明显提升桥墩的抗震能力。该加固方案可用于震后铁路重力式桥墩的修复。
土壤稳定剂-聚丙烯纤维复合改良膨胀土的试验研究
王艳芳, 刘传新, 梁波, 徐永福, 孙大伟
, doi: 10.12170/20220221001
摘要:
针对常规单一方法改性膨胀土效果不佳的问题,利用土壤稳定剂及聚丙烯纤维复合改良膨胀土物理力学特性,抑制内部裂隙扩展。基于自由膨胀率、水稳试验、无侧限抗压强度试验获得单掺土壤稳定剂的最优稀释比及单掺聚丙烯纤维的最佳纤维掺量。同时在干湿循环条件下,基于宏观力学强度试验及细观裂隙、微观孔隙观察,分析土壤稳定剂-聚丙烯纤维复合改良膨胀土的效果。研究表明:土壤稳定剂可有效降低膨胀土的自由膨胀,增强膨胀土的水稳性,改性膨胀土的最优稀释比(体积比)为1∶150;聚丙烯纤维的加筋作用能有效提高膨胀土的无侧限抗压强度,且最佳纤维掺量为0.2%(质量比);聚丙烯纤维与土壤稳定剂共同发挥作用,能有效提高复合改良后膨胀土的无侧限抗压强度,且强度衰减速率得到抑制,膨胀土细、微观裂隙扩展速率得到有效控制。本研究可为土壤稳定剂及聚丙烯纤维复合改良膨胀土的工程应用提供参考。
含裂隙大理岩压缩破坏和能量特征颗粒流模拟
封陈晨, 王志亮, 王浩然, 王昊辰
, doi: 10.12170/20220112001
摘要:
为了研究不同裂隙组合下岩石变形破坏机理和能量演化规律,对锦屏大理岩开展了X射线衍射(XRD)和单轴压缩试验,基于XRD结果和颗粒流程序生成三维等效晶质模型,结合完整岩样的单轴压缩试验结果进行细观参数标定,并建立不同裂隙组合的数值模型,对岩样变形破坏和能量演化进行模拟分析。结果表明:(1)试样强度随预制裂隙倾角的增加先增后减,随裂隙长度和轴向偏移量的增加而降低,随裂隙径向偏移量的增加先减后增;(2)裂隙倾角和空间位置的影响程度均与裂隙长度有关,裂隙长度较大时,倾角会抑制轴向偏移的劣化作用甚至改变径向偏移的影响模式,裂隙倾角对试样强度的硬化效应在裂隙长度较大时愈加明显;(3)预制裂隙倾角、长度及其空间位置均可能会改变试样的破坏模式。研究结果对分析裂隙空间分布对岩石变形破坏的影响具有一定的参考价值。
大型船闸开挖预裂爆破累积损伤特性及隔振效果分析
胡浩然, 周海孝, 张玉柱, 李冬冬, 张宸
, doi: 10.12170/20211118003
摘要:
针对大型船闸预裂爆破开挖时中隔墩振动与损伤控制的问题,依托现场爆破试验,对比分析了不同段主爆孔诱发振动的峰值,采用数值模拟的方式,研究了不同段主爆孔的爆破累积损伤特性,分析了不同损伤范围下预裂缝的隔振效果,并对船闸爆破开挖方案进行了优化。研究结果表明:预裂爆破开挖中主爆孔爆破会对预裂缝附近岩体产生累积损伤,但会增强对后续主爆孔的隔振效果;随着预裂缝附近岩体累积损伤的增加,其隔振效果逐渐增强,并最终稳定在50%左右;爆破振动峰值(PPV)衰减幅度随着损伤宽度的增加而增加,当损伤宽度达到4 cm后,衰减幅度趋于平缓。大型船闸开挖中应综合考虑预裂爆破累积损伤特性及其隔振效果,可采用先拉槽增加侧向临空面与设置施工预裂缝的爆破开挖优化方案,进而保证开挖效果,并降低对保留岩体的扰动。
基于正交试验选优的湖底地形分区插值方法
龚懿, 陈再扬, 张维, 汪靓, 王玉琳, 杨小玲
, doi: 10.12170/20211103004
摘要:
为降低湖底高程采样点变异较大对插值计算的影响,获得精度较高的湖底地形,将高程采样点变异程度对插值的影响引入普通的反距离加权插值法中,提出了考虑高程采样点变异程度的湖泊地形分区插值方法。通过正交试验优化方法,得到各分区反距离最优幂值。以太湖为研究实例,对比了几种插值方法对太湖湖底地形的插值效果。结果表明分区域反距离加权插值法具有良好的适应性:在高程方面,经实测验证,其均方根误差最小;在库容方面,该方法与克里金法、反距离加权插值法、自然邻域法相比,平均相对误差分别减少0.97%、0.90%、1.37%,插值效果明显更优。因此,在湖泊地形起伏较大情况下,分区域反距离加权插值法能够获得较高精度的湖底形态,可用于不同类型的湖底地形插值计算。
重塑非饱和黄土浸水入渗规律的模型试验研究
徐硕昌, 刘德仁, 王旭, 安政山, 张转军, 金芯
, doi: 10.12170/20210903001
摘要:
为了研究非饱和黄土的浸水入渗规律,开展了重塑黄土的浸水入渗模型试验,分析了浸水过程中不同位置的体积含水率变化及湿润锋面发展过程,研究了入渗水分在水平和径向的发展变化规律,并通过考虑空气压力的Green-Ampt模型计算得到不同时间的入渗深度,与实测值进行对比分析。研究表明:不同测点的体积含水率变化趋势基本一致,都会经历稳定-快速增长-到达峰值-快速减小-再次增长-维持稳定6个阶段;浸水入渗过程受入渗深度、渗流路径、沿程黏滞阻力和空气压力的共同影响,入渗深度越深、距离中心轴位置越远、湿润锋发展越滞后,入渗速率越小。深度从0 cm增加至100 cm时,入渗率从14.93 cm/h减小至1.67 cm/h。对不同位置的竖向入渗速率与入渗深度的关系进行拟合发现:竖向入渗速率与入渗深度呈二次方关系,且拟合度达到0.9以上;径向水分运移是该深度水分径向扩散和上部水分竖向入渗综合作用的结果,故相比于竖向入渗较快;模型计算结果中湿润锋面发展趋势与实测竖向入渗情况一致,但入渗后期的入渗深度计算值比实测偏大。研究结果可为黄土地基浸水入渗研究提供参考。
冻融环境下水工碾压混凝土单轴动态抗压性能研究
孙超伟, 陈兴周, 柴军瑞, 卫田霖, 马斌
, doi: 10.12170/20211118005
摘要:
为研究冻融循环和加载应变率对水工碾压混凝土抗压力学性能的影响,通过室内模拟碾压混凝土坝工程配合比和施工工艺制备碾压混凝土试件,开展不同冻融循环次数(0、25、50、75次)下的冻融试验和不同加载应变率(10−5/s、10−4/s、10−3/s、10−2/s)下的单轴压缩试验,分析碾压混凝土冻融表观特征及加载破坏形态,研究冻融循环次数和加载应变率对抗压力学性能的影响规律;并基于多元回归分析方法,构建抗压强度、峰值应变、应力-应变曲线与冻融循环次数和加载应变率的相关关系。结果表明:碾压混凝土抗压强度与加载应变率呈线性增强关系,与冻融循环次数满足二次多项式的劣化关系;峰值应变与加载应变率满足二次多项式的降低关系,与冻融循环次数满足二次多项式的增长关系。通过全应力-应变拟合曲线与试验曲线的比较发现,在研究的应变率和冻融循环次数范围内,二者吻合较好。
岸边并联泄洪洞下游河道冲坑预测
徐建荣, 辜晋德, 颜志庆, 何明杰, 薛阳
, doi: 10.12170/20211031001
摘要:
挑流水舌对下游河道的冲刷关系到工程安全。根据动量方程推导了射流在下游水垫中的扩散规律,分析了下游水垫流速对射流扩散的影响,提出了动水垫下射流的临底流速计算方法。研究结果表明:动水流速增加了射流在水中的扩散距离,促进了射流扩散及射流流速衰减,降低了射流临底流速。将研究结果应用于白鹤滩岸边泄洪洞下游河道的冲坑深度预测。模型试验结果表明:在鼻坎水流参数相同的情况下,河道为动水时的冲坑深度较静水时冲坑深度减小约10%,且位于河道下游侧的挑流水舌形成的冲坑深度小于上游侧挑流水舌形成的冲坑。与常规预测公式相比,该方法能准确预测不同位置挑流水舌的冲坑深度,研究结果可为泄洪设施下游河道消能防冲设计提供依据。
非黏性沙级配对浊度法测量含沙量的影响
肖千璐, 张晓华, 郑艳爽, 尚红霞, 丰青
, doi: 10.12170/20211129001
摘要:
利用浊度仪测量水流含沙量时,泥沙颗粒级配和矿物成分是影响浊度仪标定结果的主要泥沙因素。采用黄河原型非黏性沙配制不同粒径、不同含沙量浑水水体,开展固定粒径、粗细沙、混合沙等多组次试验研究,对黄河天然沙粒径及级配对浊度仪输出浊度的影响进行定量分析和机制探讨。结果表明:固定含沙量条件下,非黏性泥沙粒径对水体浊度的影响特征符合Mie散射定律;含沙量变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10~102,泥沙颗粒粒径变化对浊度仪输出浊度的影响数量级为10−1~1;相同含沙量条件下,悬沙比表面积与浊度仪输出浊度符合线性分布。建立了考虑非黏性沙级配影响的含沙量与浊度关系模型,能够较准确地反映非黏性沙粒径及泥沙浓度对水体浊度的影响,可为浊度与含沙量关系的准确率定及测量结果的校准提供可靠依据。
基于模态柔度的软基水闸底板脱空范围识别
李火坤, 涂源, 龙思琪, 方静, 刘双平, 邬鹏贞
, doi: 10.12170/20211008001
摘要:
软土地基上的水闸极易出现地基不均匀沉降、渗透变形等问题,进而诱发水闸底板脱空等灾害,现有的软基水闸底板脱空动力学诊断方法虽能识别脱空范围,但由于采用的基本模态参数(固有频率和测点振型系数)对水闸底板脱空的敏感性还需进一步提高,因此探究不同模态参数及其衍生量对水闸底板脱空的影响规律,确定更为灵敏的水闸底板脱空动力学敏感特征量具有重要意义。以对结构损伤更敏感的模态柔度作为水闸底板脱空动力学敏感特征量,建立了水闸底板脱空描述数学模型,并以各测点前两阶模态柔度变化率,改进了水闸底板脱空控制参数与模态参数(模态柔度)之间的响应面数学代理模型,将水闸有限元模型相应工况下的模态参数(模态柔度)与响应面数学模型计算模态参数(模态柔度)的相对偏差作为目标函数,将水闸底板脱空参数反演转化为目标函数的求解。以3种典型水闸底板脱空工况为例进行了验证,脱空反演结果与实际脱空范围的相对误差显著减小。模型提高了水闸底板脱空反演的精度,为软基水闸底板脱空检测和诊断提供了一种可靠的方法。
基于模糊风险矩阵和联系数的区域旱灾风险评估
金菊良, 张诗懿, 崔毅, 周戎星, 周亮广, 李蔓, 周玉良
, doi: 10.12170/20211002004
摘要:
旱灾风险的精准、有效评估对提高区域抗旱能力和降低灾害风险具有重要意义。基于旱灾风险系统不确定性特征及旱灾风险链式传递性机理引入联系数,实现模糊风险矩阵中悲观矩阵和乐观矩阵的合成、风险等级值的计算,提出了一种基于模糊风险矩阵和联系数的区域旱灾风险评估方法。济南市1999—2005年风险评估应用结果表明:济南市旱灾综合风险等级从1999年的超3级水平改善到2005年的接近1级的水平,在2001—2002年出现小幅波动,旱灾风险整体降低。该评估方法考虑了子系统间的相互作用,根据样本指标变化特征合成等级,据此可反映各年旱灾风险的动态变化。相较于传统的风险评估方法,新方法对各子系统旱灾风险评价等级判别得更细致,为区域旱灾风险评估提供了一种新途径。
对雨洪资源利用的再认识
胡庆芳, 王银堂, 邓鹏鑫, 李伶杰, 王磊之, 云兆得
, doi: 10.12170/20220216004
摘要:
雨水和洪水是宝贵的自然资源,雨洪资源利用是具有悠久历史的重要水资源开发利用方式。近年来雨洪资源利用的实用性技术获得了蓬勃发展,但对其基本概念尚存在明显的认识误区,相关概念和术语的不规范使用给研究和实践带来了混乱。鉴于此,从有关历史和现实情况出发,根据水文学基本理论,对雨洪资源利用进行了再认识,明确了雨水、洪水的自然资源和水资源属性,阐明了雨水资源利用和洪水资源利用的基本内涵和定义,辨析了雨水资源利用和洪水资源利用之间的关系,并澄清了“雨水资源化”、“洪水资源化”等术语的规范性。对雨洪资源的思考和认识有助于夯实雨洪资源安全高效利用的理论基础,为科学开展雨洪资源利用评价、规划和技术创新及应用创造了条件。
甘肃省水资源—经济社会—生态环境耦合协调演变分析
张恬姿, 王小军, 齐广平, 康燕霞, 银敏华, 马彦麟, 贾琼, 张向宁
, doi: 10.12170/20220406001
摘要:
水资源、经济社会和生态环境之间存在复杂的耦合关系,推进三者耦合协调是实现区域可持续发展的重要前提。基于耦合协调度模型测算2010—2019年甘肃省14个市(州)水资源—经济社会—生态环境系统耦合协调度,并结合重心演化模型对耦合协调度演变特征进行分析。结果表明:(1)2010—2019年间,甘肃省水资源—经济社会—生态环境综合评价指数整体呈小幅上升趋势,空间分布与各市州水资源禀赋、经济社会发展和生态环境治理分布格局相一致。(2)考察期间甘肃省三系统耦合协调度处于[0.52,0.54]之间,属于基本协调类型;空间维度上各市(州)耦合协调类型或持续稳定或有所提升。(3)2010—2019年耦合协调度重心轨迹主要分布在兰州市,年均移动距离为7.19 km。应针对区域特点采取差异化策略以推动水资源—经济社会—生态环境向高级耦合协调方向演进。
现代混凝土自收缩及其调控研究进展
李景浩, 何小波, 胡少伟, 蒋建华, 赵海涛
, doi: 10.12170/20220111001
摘要:
混凝土是使用最为广泛的建筑材料。现代混凝土为实现高性能而趋于采用低水胶比和高含量胶凝材料,使得混凝土自收缩显著增大,在约束条件下往往形成较大的拉应力,因此现代混凝土结构开裂问题愈发严重,显著降低了混凝土耐久性和缩短服役期,这类问题在水工大体积及薄壁混凝土结构中尤为突出。对近些年国内外就混凝土自收缩及其调控研究进行了文献综述,比较分析了自收缩“零点”与变形测量方法及装置、自收缩预测模型和自收缩调控措施三个方面的最新成果和进展,总结了现有研究存在的不足,并提出了一些关键问题的未来研究方向,为实际工程裂缝控制和自收缩研究提供参考。
咀儿上淤地坝防渗改造渗流及坝坡稳定分析
陈彬鑫, 聂兴山, 田淳
, doi: 10.12170/20210509001
摘要:
为提高小流域地表水的利用率,解决山区灌溉用水问题,结合山西省偏关县咀儿上淤地坝开展淤地坝防渗改造的技术研究。针对该淤地坝上游坝坡,提出原土培厚、黏土斜墙、复合土工膜共3种改造措施5种改造方案,并考虑渗流场和应力场的耦合影响,对原坝体和各种改造方案的渗流和坝坡稳定性进行数值模拟计算。结果表明:原坝体受渗透水的影响较大,无法安全蓄水;仅对上游坝坡进行原土培厚并不能使坝体满足防渗要求;在上游坝坡铺设黏土斜墙或土工膜可以有效地降低浸润线、减少渗流量、提高下游坝坡的稳定性;土工膜方案相对于其他方案具有更好的安全性和可行性,可以在条件允许的前提下优先考虑。研究结果对类似淤地坝防渗改造工程具有一定的指导意义。
琴键堰泄流能力影响因素与计算分析研究
李艳富, 韩昌海, 李子祥, 韩康, 余凯文
, doi: 10.12170/20211111001
摘要:
近年来特大洪水和超标准洪水频繁发生,已建水利工程泄流能力不足问题日益突出。琴键堰在适当低水头条件下具有高效泄流效率。归纳了琴键堰主要结构参数对其泄流能力的影响及最佳取值,总结了琴键堰流态对泄流能力的影响,分析了琴键堰发生低水头行为的条件参数。通过对比现有琴键堰泄流能力估算公式,并结合国内外已有试验数据,采用遗传算法拟合推导了基于溢流堰轴线长度堰宽、堰长、堰高、进出水宫室宽度及上下游倒悬长度流量系数计算式,整体误差小于6%。该式计算简单,适用于琴键堰整体泄流能力估算,可根据实际需求选取合适的估算公式。琴键堰主要结构参数的最佳取值及泄流能力的计算方法可为超标准洪水条件下泄流建筑物设计或改建提供估算依据。
开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究
张文皎, 刘磊, 武彩萍, 吴腾, 罗立群, 胡能明
, doi: 10.12170/20210609001
摘要:
开敞式宽大单泄槽溢洪道与一般溢洪道相比易发生水流流态复杂、掺气效果差等工程安全问题。以马来西亚Baleh水电工程为例,采用VOF法与RNG k-ε双方程紊流模型对溢洪道流场进行三维数值模拟。计算分析了不同工况下溢洪道流态、流速、沿程压强等水力特性的分布规律。同时开展1∶50物理模型试验,经对比分析数值模拟结果与模型试验结果基本一致,验证了开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性数值模拟的准确性与可行性。进而利用紊流模型详细计算分析了溢洪道掺气坎的优化布置方案,结果表明:1#掺气坎抬高20 cm后,坎后掺气空腔长度由11.03 m增大至19.84 m,消能率增大约1倍;3#掺气坎沿泄槽陡坡上移15 m后,挑流水舌冲击位置上移,减轻了对挑流鼻坎段水流流态的影响。研究结果对同类工程的优化设计有一定的借鉴作用。
混凝土碱-骨料反应长期膨胀变形预测模型研究进展
王继敏, 白银, 丁建彤, 毛学工, 蔡跃波
, doi: 10.12170/20210805001
摘要:
碱-骨料反应被称为混凝土的“癌症”,是影响混凝土寿命的重要因素。对于已经使用活性骨料的混凝土结构,如何预测碱-骨料反应引起的混凝土长期变形,并合理评价结构的整体安全性,是工程密切关心的问题。回顾了混凝土碱-骨料反应长期变形预测模型的研究进展,将现有模型归为宏观膨胀的数学拟合模型、结构宏观变形的唯象学模型、基于骨料膨胀的模型、考虑碱-硅酸反应(ASR)凝胶的模型、考虑物质迁移的模型等五大类,并分析了各种模型的优缺点和适用范围。认为ASR长期膨胀变形预测模型需重点考虑碱离子向骨料内部的扩散、SiO2的溶解及凝胶的组成,且需根据岩相分析来选择 “反应环”模型或“凝胶袋”模型。
基于某水利枢纽工程混凝土力学性能对比研究
范向前, 刘决丁, 葛菲, 汤雷, 韩浩田
, doi: 10.12170/20211115001
摘要:
为探讨大坝混凝土的相关力学性能及断裂特性,基于某水利枢纽工程提供的两种不同混凝土配合比(根据含水率的不同分别命名为C0.48和C0.43)及现场粗细骨料,开展混凝土梁三点弯曲试验,测定其坍落度、抗压强度、劈裂强度等相关力学性能参数,并分析了不同配合比对断裂面、起裂荷载与失稳荷载、临界有效裂缝长度及双K断裂韧度等断裂参数的影响。结果表明,C0.48混凝土的坍落度大于C0.43混凝土的坍落度,C0.48混凝土的抗压强度和劈裂强度均小于C0.43混凝土的;C0.48混凝土断裂面的粗骨料较C0.43混凝土断裂面凸出不明显;C0.43混凝土的起裂荷载与失稳荷载、临界有效裂缝长度及断裂韧度均比C0.48混凝土的要大,表明C0.43混凝土强度高,延性和韧性好。
北疆某工程膨胀土的力学特性及微观机制试验研究
崔子晏, 张凌凯
, doi: 10.12170/20211220006
摘要:
北疆供水一期工程穿越膨胀土区域,自运行以来发生多次滑动破坏,为深入探讨其破坏机理,通过对膨胀土进行室内直剪、压缩、渗透及扫描电镜试验,从宏观角度分析其力学特性,微观上揭示其物理机制。结果表明:(1)随含水率增加,黏聚力降低,内摩擦角呈先增大后减小的趋势,在最优含水率时达到峰值;随干密度增加,黏聚力增加,内摩擦角呈逐步增大的趋势;(2)随含水率增加,稳定孔隙比呈下降趋势,表明土体的压缩性增强;随干密度增加,初始孔隙比减小,稳定孔隙比趋于定值。电镜扫描结果显示,随固结压力增加,土体的结构类型由絮凝结构逐渐向紊流和层流状结构演化,孔隙数量与大小均下降,颗粒聚集效应明显,膨胀土压缩性降低;(3)膨胀土在低固结压力下渗透性较强,在较高压力下(200~1 600 kPa)较小,量级为10−6~10−8,渗透系数与孔隙比呈正相关,可用幂函数的形式表达。电镜扫描结果显示,随固结压力增加,松散堆积结构转变为紧密结合的层流状结构,孔隙面积减少,渗透系数显著降低。
重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析
郑安兴, 潘国勇
, doi: 10.12170/20220110003
摘要:
重力坝坝踵裂缝在大坝运行期间通常承受较高水头作用,易发生水力劈裂破坏。建立扩展有限元方法框架下重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合数值模型,并采用扩展有限元法模拟水力劈裂耦合作用下重力坝坝踵裂缝扩展过程。计算结果表明:重力坝坝踵初始裂缝逐渐向坝基底部扩展,且裂缝扩展方向朝下游方向;无水力劈裂作用下的裂缝开裂角要大于水力劈裂作用下的,无水力劈裂耦合作用下的裂缝开裂角小于水力劈裂耦合作用下的;重力坝坝踵裂缝扩展前,裂缝内水压力基本与边界水压力相同,当裂缝开始扩展时,裂缝内水压会降低,而后裂缝张开宽度不断增大,裂缝内水压力又会变成边界全水头;裂缝水力劈裂导致裂尖Ⅰ型应力强度因子增大,降低了重力坝裂缝的稳定性。研究成果可为重力坝坝踵裂缝水力劈裂防治提供理论依据。
输水交叉建筑物进出口段渗漏成因综合分析
胡江, 王春红, 马福恒
, doi: 10.12170/20211022002
摘要:
输水交叉建筑物进出口段渗流异常成因存在不确定性。采用综合分析方法探讨某长距离调水工程一跨河渡槽出口段裹头渗漏的成因。在巡视检查和加固处理等资料分析的基础上,构建统计模型,定量分析渐变段渗透压力和底板扬压力与渠道水位、气温、降雨量等环境量的关系,判断渗流的主要影响因素;通过变形监测资料分析,结合工程地质和水文地质条件,判断引起裹头渗漏的原因;进而依据流场法、探地雷达和高密度电阻率法等地球物理探测方法揭示渗漏入口和通道等。综合分析认为,渗漏从渐变段末端结构缝进入,通过渐变段、闸室段和连接段的砂砾石层基础向裹头侧流出。考虑到该调水工程常年运行,渡槽难以停水检修,提出在闸室段增加灌浆帷幕截断渗流通道的防渗加固处置建议方案。采用的综合分析方法可为同类工程问题分析和处理提供参考。
海洋环境非金属材料航标技术的应用
孙红尧, 李红卫, 李维运
, doi: 10.12170/20210910005
摘要:
耐腐蚀新材料和新技术的研究一直是热点。总结了海洋环境下国内非金属材料航标技术的应用现状,分析了各材料航标的成本、性能差异。结果显示,钢筋混凝土灯桩正逐步被淘汰,钢制、玻璃钢聚脲弹性体复合材料和超高分子量聚乙烯灯桩是灯桩的主要结构形式。钢制浮标是目前浮标的主要结构形式,超高分子量聚乙烯浮标正在逐渐扩大应用,玻璃钢浮标的应用规模在缩小。最后提出了非金属材料航标的发展趋势,航标未来的发展方向为改进完善超高分子量聚乙烯非金属材料的性能,优化新非金属材料航标结构的设计,加大非金属材料航标尤其是低成本、耐腐蚀、防沾污、低吸水、轻质、高抗冲击性能非金属材料航标的研究开发投入,并及时制订相关技术规范和标准。
特高拱坝结构性态诊断与监控方法述评
赵二峰, 顾冲时
, doi: 10.12170/20211203005
摘要:
我国已建、在建多座特高拱坝工程,这些工程往往面临着高水头、高边坡和复杂地质条件等特殊服役环境,其设计、施工及安全监控等技术指标突破了现行规范适用范围和以往的工程认知。与一般大坝相比,特高拱坝工程复杂程度高,结构的力学行为具有独特特征,工程建设和运行安全控制要求更为严格。论述了坝体体型工程经验性评价参数、地质力学模型试验、数值模拟仿真分析等特高拱坝结构性态诊断关键技术,以及施工质量控制、温控防裂、跟踪监测反馈等安全监控技术;在此基础上,指出了特高拱坝长效服役健康诊断与安全控制的前沿热点问题,包括时空演化特征挖掘方法、服役风险率实时诊断模型、结构安全动态控制模式、智能感知与超前预警技术等,可指导特高拱坝的建设和运行管理。
近期我国土石坝溃决或出险事故及其启示
张士辰, 李宏恩
, doi: 10.12170/20211024002
摘要:
受极端气候影响,近年来溃坝和出险事故时有发生,一些规律性趋势逐渐清晰,一些启示有待深入挖掘。对超标准洪水影响、土石坝漫而不溃、应急响应机制等一些新问题新方向研究有待深入。基于最新溃坝和出险案例,从防洪标准、监测预警、应急响应、应急处置等方面总结经验教训,研究提出在水库大坝安全管理和防洪度汛方面的启示,进一步提出加强溃坝风险防控的思考和建议。快速降低库水位是应对超标准洪水的关键措施,土石坝可以做到漫而不溃,土石坝结构设计应充分考虑极端强降雨工况,流域梯级水库防洪能力亟待加强,管理设施对紧急情况下应急能力影响很大,低水平的管理会严重影响防洪安全。
洞庭湖区超标准洪水数值模拟研究
杨炳辉, 施勇, 栾震宇, 金秋
, doi: 10.12170/20211029002
摘要:
洞庭湖区是我国洪涝灾害频发的地区之一,随着近些年来极端天气越来越频繁,研究洞庭湖区在遭遇历史极端洪水下的防洪形势极具现实意义。以1870年、1935年、1954年长江洪水为研究对象,通过建立长江、洞庭湖及蓄滞洪区一二维耦合水动力模型,在现有地形及工程措施条件下,对洞庭湖区的水位及超额洪量进行模拟计算。 结果表明:三峡及上游水库群补偿调度条件下,若遭遇1870、1935、1954年洪水,荆江附近区及城陵矶附近区的超额洪量大幅下降,再结合荆江地区及城陵矶附近区蓄滞洪区的运用,洞庭湖区可安全度汛。三峡水库调蓄使枝城洪峰流量大幅下降,三口洪峰流量也随之下降,洞庭湖区各站水位有所降低;蓄滞洪区分洪运用降低了莲花塘水位,荆江水面比降加大,三口洪峰流量进一步下降,受上游来水减少及下游水位降低,湖区水位进一步下降。通过定量预测特大洪水长江中游及洞庭湖区防洪情势,为洞庭湖治理提供科学依据,对提升湖区防洪减灾管理能力奠定基础。
海河流域旱涝急转事件的时空演变特征
杨艳娟, 陈跃浩, 陈思宁, 熊明明
, doi: 10.12170/20210114001
摘要:
研究海河流域旱涝急转的发生规律,可为海河流域防汛抗旱提供科学参考依据。利用海河流域159个气象站1961—2019年逐日降水资料,计算出标准化前期降水指数(SAPI),基于该指数根据旱涝等级标准和旱涝急转条件筛选出1961年以来的旱涝急转事件,分析海河流域旱涝急转频次和强度特征。结果表明:海河流域年平均旱涝急转频次为33次,基本上逐年代增加,最近10年平均值达37次。旱涝急转强度也呈上升趋势,2000年后增加至平均值以上,尤其是近10年呈现出跳跃式的增加,达到最大值。旱涝急转多发生在5、6月及9月中旬,盛夏期间发生的次数较少。旱涝急转强度呈单峰型分布,最大值出现在6月中旬到7月上旬,该时段对应的旱涝急转频次也较多,增加了洪涝灾害的风险。从空间分布来看,旱涝急转频次和强度在滦河河系南部地区、北三河系西部及徒骇马颊河中部等地区均为大值区,即这些地区旱涝急转出现频次高、强度大,因此,发生旱涝急转的风险较高。
水压力环境中混凝土孔隙水压力变化规律研究
孙豹, 彭刚, 王乾峰, 梁辉
, doi: 10.12170/20190322001
摘要:
为研究水压力环境中混凝土的孔隙水压力变化规律,进行了不同水压力作用下混凝土的孔隙水压力变化试验,基于试验数据,采用有限元软件ANSYS对不同水压力作用下混凝土的孔隙水压力变化进行瞬态反演数值模拟,并与试验结果进行对比分析。结果表明:在水压力作用下,混凝土的孔隙水压力变化特征可分为快速增加、缓慢增加和稳定等3个阶段,当混凝土在0.875 MPa的水压力作用下,混凝土的孔隙水压力达到与所施加水压力相等的值需要9 h以上。采用有限元软件ANSYS数值模拟得到混凝土的孔隙水压力变化规律与试验数据吻合较好。