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航道水沙要素移动测量技术研究综述
初秀民, 聂梓熠, 刘怀汉, 蒋仲廉
, doi: 10.12170/20210223001
摘要:
航道水沙要素具有强时变、非线性、随机性等特征,大范围时空数据的快速获取是航道运行观测的难点。随着传感器、物联网、移动计算等技术的发展,基于船载传感器的航道水沙要素观测技术已经成为当前航道测量领域的重要研究方向。介绍了水上水下一体化船载测量系统研究现状,综合波浪、水流、泥沙等要素移动观测技术需求,分析了船载航道水沙要素传感器信息处理技术原理与特点,综述了航道水沙信息多源图像处理智能方法研究成果,展望了航道水沙要素测量核心传感器、智能学习、实时计算等关键技术方法。研究表明:结合新一代人工智能技术、开发新型高分辨率的水沙观测传感器,研制集成船载传感器的航道水沙要素移动测量系统在原理与技术上具有可行性。
基于不同信息程度攻击下的长距离输水系统抗毁性研究
杨元媛, 李港, 黄廷杰
, doi: 10.12170/20210626001
摘要:
综合运用图论和复杂网络理论,构建了长距离输水系统网络拓扑结构图,选取破坏效率较高的节点攻击,分别在输水系统网络拓扑结构信息未知、部分已知和全部已知的情况下展开随机攻击、条件攻击和蓄意攻击,进行了3种攻击策略下输水系统抗毁性的仿真试验,并在网络拓扑结构信息完全获取的情况下采用度、介数和接近中心性3种特征参数量化节点重要性,分析了输水系统对不同节点重要度参数的抗毁性响应。研究结果表明:不同攻击策略下的破坏效率呈现为蓄意攻击>条件攻击>随机攻击,对拓扑网络结构的信息获取程度越大,攻击效率越高;完全信息攻击下的输水系统抗毁性受节点的介数影响较大,受节点的度影响较小。本研究可为长距离输水系统的重要设施识别及保护提供理论支撑。
变化环境下的径流演变与影响研究:回顾与展望
徐宗学, 姜瑶
, doi: 10.12170/20210105008
摘要:
气候变化和人类活动影响下的流域水循环过程发生了深刻的变化,认识和把握变化环境下的流域径流变化规律及演变机理成为当前水文科学研究领域的热点和难点问题。本文归纳和总结了近十几年来的相关研究成果,从流域径流演变特征识别、流域径流变化归因分析、变化环境下流域径流模拟、未来气候变化背景下的径流响应规律及其预估4个方面梳理了流域径流演变相关研究的主要内容、方法及其进展,并就当前研究中的难点和不足,提出今后在径流演变特征的认识、径流影响因素定量化、径流模拟及其不确定性度量等方面亟待深入开展相关研究工作。
1965—2013年中国用水量的时空演变
张之颖, 张辉, 章静, 缪丽娟
, doi: 10.12170/20210428002
摘要:
气候变暖、人口增加、经济增长过快共同加剧了我国水资源短缺问题。对我国大陆341个行政区综合运用BFAST趋势检验法和空间自相关分析法,探究了1965—2013年中国用水量的时空演变规律。结果表明:中国用水量不断增加,用水量趋势变化的突变点主要在1990年后,突变后增加与减少并存,导致中国用水量增速减小。中国用水量的分布存在空间集聚特征,基本以胡焕庸线为界,用水量的集聚度东高西低(新疆除外)。中国用水量的集聚区域在1985年前与灌溉用水量相对一致,集聚度高的地区分布在新疆和长三角区域;1995年后与工业用水量较为相近。工业和城乡用水量集聚度高的地区分布在东北、华北和南方,集聚度低的地区分布在西部,其中农村用水量分布的集聚效应最为明显。探究我国用水变化的时空特征可为水资源保护及用水效率的提升提供科学依据。
考虑封闭气体影响的边坡稳定系数计算
何玲丽, 田东方
, doi: 10.12170/20201209001
摘要:
强降雨导致边坡封闭气体压力的产生,对边坡稳定产生不利影响。现有研究主要考虑封闭气体对入渗的影响,以及当边坡沿湿润锋面滑动时气压对稳定系数的影响。基于封闭气压理论和Green-Ampt模型,建立了同时考虑坡角和气压影响的边坡入渗模型;然后,基于Mohr-Coulomb强度准则和刚体极限平衡法,考虑气压对潜水面之下土体有效应力的降低效应,构建了无限边坡沿潜水面之下的直线滑面滑动时的稳定系数计算模型。最后,通过算例研究了气压力对边坡稳定系数的影响及当滑面位于不同位置时边坡稳定系数的变化规律。结果表明:气压力可显著降低边坡稳定系数;当粘聚力越小,摩擦角越大,滑面深度越小,坡角越小时,气压力影响越大;降雨入渗过程中,边坡最危险滑面可能位于潜水面之下的直线滑面。
混凝土坝坝体渗漏水下修复处理及效果评价
李铮, 李宏恩, 张安富, 刘定忠
, doi: 10.12170/20210202003
摘要:
混凝土坝坝体渗漏会影响大坝的安全性和耐久性,以云南龙江水电站大坝坝体渗漏水下修复处理为背景,介绍其修复处理过程并对处理效果进行了评述。为探明坝体入渗点部位,首先采用温度测试法初步查找渗漏范围,再采取水下扩大检查的方式明确渗漏点具体位置。通过水下检查最终确定9#坝段832.00 m和816.00 m、10#坝段830.00 m和808.00 m层间缝混凝土存在质量缺陷,为坝体渗漏通道的主要入渗点。然后,采用水下处理的方式进行坝体修复,从源头对入渗点进行封堵,坝体经修复处理后,渗漏量由近年来最大值74.85 L/s降低至正常蓄水位下渗漏量仅6.04 L/s,处理效果较好。从坝体渗漏水下检查情况来看,层间缝是混凝土坝坝体渗漏的主要通道。层间缝是贯穿于坝体浇筑全过程的施工缝,应在施工过程中加强质量控制,以保证各层混凝土之间的充分结合。所采用的渗漏水下修复处理技术可有效解决坝体局部渗漏缺陷问题,可供类似工程借鉴。
冻融循环对膨胀土变形和力学特性的影响研究
陈永, 黄英豪, 朱洵, 吴敏, 王硕, 朱锐
, doi: 10.12170/20210116001
摘要:
为探究季冻区恶劣气候对不同含水率下渠基膨胀土的胀缩变形和物理力学性质的影响,以北疆阿勒泰地区膨胀土为研究对象,室内模拟了北疆地区实际气候条件的冻融循环试验。基于此,对含水率为12%、16%和20%的膨胀土进行体积变形试验、无侧限抗压强度试验和SEM电镜扫描试验,着重分析了冻融循环作用对膨胀土体积变形和力学特性的影响规律。结果表明:冻融循环过程中,随含水率的增加,试样的体积变形由冻缩融胀向冻胀融缩转变。应力-应变曲线特性与冻融循环次数和含水率都有较大的关系。试样的无侧限抗压强度随着含水率和冻融循环次数的增加而降低,其中以第1次冻融循环最为明显,3次后趋于稳定。函数拟合发现,试样的无侧限抗压强度与冻融循环次数呈明显的自然指数关系。含水率越大,冻融循环作用对土体微观结构的影响越大;土体的孔隙度随冻融循环次数的增加逐渐增大,第1次冻融循环作用最为明显,宏观上表现为冻融循环作用对土体力学性质的劣化影响。
基于传感光纤技术的堤坝分布式变形监测
何斌, 何宁, 张中流, 汪璋淳, 胡德新, 智月荣
, doi: 10.12170/20200828001
摘要:
堤坝变形是分析评价堤坝工作特性和安全的重要指标。设计了堤坝内部二维分布式变形一体化监测的分布式光纤监测技术的辅助结构型式与传感光纤布设方法,基于原型堤坝,通过系统试验测试验证了堤坝内部变形分布式监测新技术测量精度并论证其可行性,测试结果与实测结果吻合,二维变形测量的绝对误差最大为4.3 mm,堤坝内部二维变形测量精度达到毫米级,且实现了堤坝全断面内部二维变形分布式监测,证明了基于分布式光纤技术的土质堤坝内部二维分布式变形一体化监测新技术的适用性和先进性。
负压桶基础沉贯试验研究与分析
富坤, 刘占国, 尹燎原, 李森
, doi: 10.12170/20200710001
摘要:
作为新型基础,负压桶基础具有较好的技术经济性。针对负压桶施工关键控制指标土塞隆起率的控制,通过开展粉质黏土中的负压桶沉贯模型试验,研究不同负压加载模式对施工效率及土塞隆起率的影响。试验加载负压均位于DNV规范方法获得的所需负压和临界负压之间。相同贯入深度条件下,消散模式施加的负压值大于持荷模式,且较大单级荷载下的负压消散模式在保持一定施工效率的同时,对土塞隆起率的控制效果较优。理论分析表明,深度变化率越大内侧摩阻力越大,土塞越难以形成,并从超孔隙水压力结果解释了负压消散模式下的土塞隆起率降低机理。土压力分析结果表明:负压消散模式下桶内土体对桶壁的有效应力高于负压保持加载模式,前者的侧摩阻力也更大。
窄深河谷近坝库岸滑坡涌浪特性及传播规律
马斌, 刘永玺, 李会平, 刘东明, 姚烨
, doi: 10.12170/20210416001
摘要:
大比尺水工模型试验可获得更接近原型的相似现象,对窄深河谷近坝库区可能发生的整体大体积滑坡工况进行试验研究,结合三维数值模型分析滑坡次生涌浪的产生、传播和消散特性。研究结果表明:数值模型计算的浪高、相位与试验结果基本一致,库区涌浪类型属于有限水深波,波能沿水深方向均有分布;涌浪产生区附近非线性较强,受窄深地形影响,波高在传播过程中快速衰减,坝肩处涌浪叠加出现瞬时越浪;试验中涌浪近场波形只观测到弱非线性振荡波;试验范围内块体模型冲击动能转化率为2%~19%,滑块动能转化率与相对体积、相对厚度呈正相关,与滑块入水弗劳德数呈负相关;低频波受地形影响较大,在岸坡浅水区域出现波能的暂时集中,谱峰值增大,随时间推移库区水域高频波增多。对于窄深河谷中的大体积滑坡次生涌浪,尽管首浪波能受高陡边坡影响,传播至坝前时波高已明显削减,但坝前最大浪高往往由涌浪反射叠加形成,在首浪到达之后仍存在翻坝风险。
2000—2018年中国水库溃坝规律分析与对策
李宏恩, 马桂珍, 王芳, 戎文杰, 何勇军
, doi: 10.12170/20201119001
摘要:
截至2018年底,我国已建成各类水库98 822座,总库容8 953亿m3。水库工程不仅是我国防洪体系的重要组成部分,更是优化水资源配置的关键工程措施。水库大坝一旦溃决将严重危及公共安全,从历史溃坝事件中吸取教训并分析溃坝特征规律,对提高水库安全管理和防灾减灾水平具有重要意义。在收集我国1954—2018年发生的3 541起溃坝事件的基础上,重点针对2000—2018年发生的84起溃坝事件,从空间分布、水库规模、坝高、坝型、溃坝原因、溃坝率等方面进行了详细统计分析,系统梳理了21世纪以来我国溃坝事件的规律趋势特征,主要包括:(1)气候变化背景下超标准洪水成为水库漫顶溃决的主因;(2)水库因工程质量导致的溃坝问题突出;(3)水库运行管理不当成为溃坝事件重要诱因;(4)西部地区溃坝率较其他地区仍然偏高。为进一步加强我国水库大坝安全管理,提出必须重视气候变化对水库大坝安全运行风险的影响、完善工程建设与运行安全监管体系、改善中西部地区大坝安全管理运行条件、兼顾水库安全管理工程措施与非工程措施等对策建议。
城市道路横截沟泄流效率试验研究
陈岚, 郭帅, 马文滢, 徐灵华, 陈国芬, 吴众华
, doi: 10.12170/20201201003
摘要:
横截沟常设置于停车场入口、城市下穿隧道、机场停机坪等无适宜横坡或纵坡坡度过大的场所对道路径流进行截流,其泄流效率决定了降雨期间地下管网系统的泄流量,提高横截沟泄流效率对预防城市内涝的发生具有重要意义。利用长12 m、宽3 m、高0.5 m的试验平台,研究了在不同的入流径流量和纵坡坡度组合下8种横截沟雨水篦子对径流的截流情况,重点分析了上游水流水力参数及横截沟雨水篦子几何参数对泄流效率的影响。试验结果表明:不同篦子泄流效率与径流弗劳德数间的关系不一致;增大篦子开孔长度对提高泄流效率比增大开孔面积更有效;在篦子面积、开孔率、开孔面积相同时,开孔交错分布的圆形开孔篦子比开孔对称分布的矩形开孔篦子更有利于泄流。在曼宁公式及孔口出流公式的基础上提出了计算试验篦子泄流效率的经验公式,预测值与试验值之间的相对误差小于15%。
往复剪切作用下砂泥岩混合料力学特性分析
吴晓
, doi: 10.12170/20210126002
摘要:
土体在往复剪切作用下的力学性质对研究周期性荷载响应有重要意义。通过改进往复剪切直剪仪,设定4种法向应力进行32次循环剪切,研究了砂泥岩混合料应力应变曲线性态、滞回圈面积和阻尼比变化规律;通过分析剪切刚度随法向应力及往复剪次数的分布规律,建立了砂泥岩混合料剪切刚度经验计算方法;概化了颗粒间接触模式,揭示了砂泥岩混合料强度与变形微观机制。试验结果与理论分析表明:应力应变曲线随法向应力增大由应变软化逐渐转为应变硬化;滞回圈面积随往复剪次数增大而逐渐减小,阻尼比随往复剪次数增加而缓慢增大,且与法向应力无关。初始剪切刚度随法向应力呈线性分布,归一化剪切刚度与往复剪次数呈对数函数关系,据此建立了考虑法向应力与往复剪次数的砂泥岩混合料剪切刚度经验计算方法。
含缓倾软弱夹层矿山高边坡降雨渗流特性研究
刘杨, 胡斌, 盛建龙, 李京, 崔凯
, doi: 10.12170/20201101001
摘要:
为探究缓倾软弱夹层对矿山高边坡降雨渗流特性的影响,以西南地区典型的石灰石矿山高边坡为例,结合现场实际的工程地质与水文地质条件,建立了含缓倾软弱夹层矿山高边坡的降雨渗流模型。基于饱和-非饱和渗流理论,模拟了边坡在最大降雨量条件下降雨和雨后两个时间段雨水的浸润过程,揭示了边坡孔隙水压力的动态变化规律。研究结果表明:软弱夹层作为一种隔水层,改变了雨水浸润曲线的形态及降雨的渗流路径,浸润曲线呈现V字型结构,渗流路径由垂直入渗改为沿软弱夹层上表面渗流;在降雨和雨后两个时间段,上部裂隙风化岩体的孔隙水压力先增后减,但始终为负值;软弱夹层上表面会产生雨水积聚,孔隙水压力先增大到正值随后逐渐减小,孔压减小的时间相对于降雨时长具有滞后性,即孔压在雨停后一段时间才开始降低;坡脚处的孔隙水压力在降雨和雨后两个时间段始终呈增大之势;由于软弱夹层良好的隔水性,软弱夹层内部及边坡底部灰岩的孔隙水压力并无太大变化。研究结果可为揭示类似地质条件下边坡的降雨渗流规律提供有益参考。
河道堰塞生命损失评估方法研究
胡亮, 钱亚俊, 傅中志, 魏迎奇, 钟启明
, doi: 10.12170/20200827002
摘要:
河道堰塞是一种由地震、降雨等因素导致山体滑坡造成河道堰塞的自然灾害。在河道堰塞灾害造成的众多损失中,风险人口的生命损失最为严重。根据河道堰塞生命损失的致灾机理构建了风险人口、警报时间、理解程度、湖区水位上升速度、风险人口高程、淹没水深等参数在内的评价指标体系,并确立各参数的定量评估方法。同时通过各因素间的作用关系建立由应急疏散网络、淹没水深网络、生命损失定量评估网络3个子网络系统组成的贝叶斯网络模型对河道堰塞生命损失进行评估,并采用牛栏江河道堰塞案例验证了评估方法的合理性。
滨海城市非常规水源供水规模优选
谈丽婷, 王宗志, 叶爱玲, 刘克琳
, doi: 10.12170/20201208002
摘要:
滨海地区河流源短流急、地表水资源开发难度大,将再生水、淡化海水等非常规水纳入滨海城市水资源统一配置是缓解水资源短缺矛盾的有效途径。考虑地表水等常规水资源丰枯不确定性,科学确定非常规水源工程建设规模,是实现常规与非常规水资源统一配置的关键。以威海市区为例,建立了考虑水库来水不确定性的海水淡化与再生水厂建设规模优选模型,采用多目标遗传算法进行求解,以可靠性、弹性和脆弱性为指标,评价整个供水系统的性能,并进行多方案比较。结果表明:2030规划水平年威海市区适宜的再生水和海水淡化规模分别为23和15万m3/d;在此规模下,威海市区的供水保证率可由63.8%提高到95.2%,多年平均供水成本为6.6亿元。研究结果可为区域供水规划提供决策参考。
PCCP管内环向预应力碳纤维板加固数值分析
吕康伟, 鲁文妍, 刘海祥, 柯敏勇, 许珉凡
, doi: 10.12170/20210112001
摘要:
碳纤维板因抗拉强度好、质量轻、耐久性好、施工方便等特性已成为重要的加固材料。为充分发挥碳纤维板的抗拉性能,提出了预应力钢筒混凝土管(PCCP)管内预应力碳纤维板加固方法,具有施工周期短、环境影响小、非开挖、易操作的特点。拉梅公式的力学模型计算结果与有限元计算结果基本相符,两者结果最大仅相差9.3%。PCCP钢丝断丝率相同情况下,对不同断丝分布进行了计算研究,断丝率相同情况下断丝在同一位置时最不利。断丝发生时,在断丝处从管内到管外的混凝土损伤由小变大。重点对断丝率为10%时预应力CFRP加固前后性能进行了比较,结果表明,正常工作水压下,断丝处PCCP混凝土、钢筒的应力应变显著减小,说明CFRP起到了很好的加固效果,断丝率越高,在混凝土内壁没有损坏前,CFRP的作用越大。
两种水面边界条件下两层流体中内波传播的数值模拟
张周昊, 张洪生, 王宇鑫, 马婷婷
, doi: 10.12170/20210307003
摘要:
基于FLUENT计算流体力学软件以及其二次开发功能,采用VOF(Volume of Fluid)多相流模型,在\begin{document}$k{\text{ - }}\varepsilon $\end{document}湍流模型下建立了模拟内波的分层数值水槽。设置两层稳定分层,以上下层不同密度差和水深比作为工况,利用平板拍击法造波。在刚盖和自由表面两种上边界条件下进行数值模拟并与各自的理论解进行比较,分析了两者之间的异同。发现密度差的改变不会明显地影响理论解与数值解的一致程度;上下两层流体深度差值的改变会明显地影响数值计算结果。在上层水深很小时,在自由表面假定下水气交界面处出现了较为明显的垂向速度;在两种假定下,数值模拟的水平速度都体现了非线性的影响。而当下层水深很小时,非线性的影响微弱。鉴于在实际海洋中上层水深远小于下层水深,尤其是当计算运动幅值更大的内孤立波时,采用更为真实的自由表面假定更为合理。
山区河流河床形态对推移质输沙率影响的试验研究
张利国, 程金香, 骆文广, 田荣洁
, doi: 10.12170/20201208003
摘要:
为探索山区卵砾石河流推移质运动受水流条件和河床形态的影响规律,开展了大比降浅水流动条件下卵砾石输移的室内水槽试验,获得了两组泥沙组成的19个流量条件下的水流、泥沙及河床三维地形场数据。结合室内水槽试验及文献中的天然河流输沙观测数据,分析了不同水沙输移阶段水流阻力、河床形态与推移质运动之间的关系。试验结果表明:河床阻力系数随着河床形态强度参数增大而增大,形态阻力与河床形态强度参数相关性更强。在泥沙补给充分阶段,推移质输沙率与床面阻力、形态阻力及河床形态强度参数均呈正相关关系;在泥沙补给不充分的水流冲刷阶段,推移质输沙率随河床形态强度参数增大而减小。
南科院主持完成的“高寒区长距离供水渠道高效运行与安全保障技术”荣获中国大坝工程学会科技进步特等奖
摘要:
多次加-卸载条件下考虑颗粒破碎的钙质砂一维压缩特性研究
龙蛟, 顾琳琳, 王振, CHENGChen
, doi: 10.12170/20210225002
摘要:
南沙群岛附近海域钙质砂多为珊瑚礁碎屑,是一种未胶结的疏松松散颗粒聚集体,颗粒极易产生破碎。为研究钙质砂颗粒破碎特性对其压缩特性的影响,对钙质砂开展多次加-卸载条件下的一维压缩试验,采用相对破碎率为度量指标,评价钙质砂在多次加-卸载过程中颗粒破碎情况;根据试验数据得到反复加-卸载过程中砂样的塑性功,通过建立塑性功与相对破碎率的关系,探讨颗粒破碎对钙质砂一维压缩特性的影响。研究表明:颗粒破碎率随压力的增大而显著增大,颗粒破碎过程具有明显的应力历史依赖性,随着反复的加-卸载,颗粒破碎率的增幅越来越小;同时钙质砂的颗粒破碎率与塑性功呈幂函数关系,且随着塑性功的增加,颗粒破碎率的变化率逐渐减小。
层结环境下刚性植被群对异重流影响的数值模拟
谢晓云, 韩东睿, 林颖典
, doi: 10.12170/20210129003
摘要:
利用FLUENT软件模拟了层结环境下开闸式异重流通过刚性植被群的演变特性,使用二维大涡模拟,并结合用户自定义函数加入植被阻力效应,对异重流的头部速度、瞬时掺混系数、势能转变,动能剖面变化等与环境水体层结度、植被群高度的关系进行相关分析。结果表明:层结环境会使异重流头部后期产生中性层入侵,但植被的存在会抑制此现象;在运动初期,异重流在低层结度环境时的头部速度比在高层结度环境大,经过一个转变点,此趋势相反,而植被的存在会延迟这个转变点的出现,且转变点的出现随植被高度的增加而滞后;层结环境和植被都会抑制异重流的卷吸,但当这两种因素同时存在时,植被对异重流掺混抑制的影响起主要作用。异重流运动过程中,势能早期主要用于维持异重流前进,经过一个转变点后,大部分势能主要被不可逆掺混消耗,且植被和层结环境会将这个转变点提前。相同层结环境下,植被越高,异重流与环境流体间不可逆掺混引起的背景势能越不占优。层结环境会抑制断面处动能的多次波峰现象,但植被会促进该现象的发生。
崔家营枢纽下游流场模拟与鱼类水力特性偏好研究
张铭, 谢红, 杨宇, 王晓刚, 赵建平
, doi: 10.12170/20201128001
摘要:
采用原型观测试验、鱼类分布水声学探测调查与流场数值模拟相结合的方法,分析鱼类洄游对流场特性的偏好特征。构建崔家营枢纽坝下流场数值模拟模型,对洄游季枢纽不同运行条件下的下游流场进行计算,统计水深、流速等水力要素分布特征;结合同期下游鱼类集群分布探测,通过对鱼类聚集分布与流场分布特征的综合比对分析,揭示鱼类集群对流场的响应关系,提出鱼类对流场特征的偏好性曲线,为科学制定崔家营枢纽生态调度方案和其他类似生态调度工程建设提供参考和借鉴。
粗、巨颗粒富集位置对堆积体降雨入渗的影响
张雨林, 石惊涛, 涂国祥, 万畅, 邱潇, 钱昭宇
, doi: 10.12170/20201118002
摘要:
针对某堆积体局部粗、巨颗粒于坡中、坡脚不同发育位置富集现象展开室内降雨模型试验,通过孔隙水压力、基质吸力、体积含水率及湿润锋迁移形态的变化情况,探讨粗、巨颗粒于堆积体坡中、坡脚位置局部富集在降雨入渗过程中的差异性影响。研究表明:(1)坡中(A组)、坡脚(B组)局部粗、巨颗粒富集导致的架空现象致使降雨过程中形成雨水优势入渗通道,富集区下方的入渗速率明显快于周围均质土体;(2)B组堆积体右侧入渗速率比A组堆积体更快,而左侧入渗速率不及A组堆积体;(3)B组堆积体的整体渗流特性更强,其湿润锋运移率先触底,比A组堆积体提前72 h;(4)A组堆积体湿润锋迁移形态先期中部呈平缓凹形下渗,较B组右侧凹形下渗范围更宽;后期均呈平滑弧形入渗,而B组堆积体浸润面积较A组更小。(5)A、B组堆积体降雨入渗可划分为竖向入渗阶段和侧向入渗阶段,但存在明显差异,A组堆积体竖向入渗快于侧渗,而B组堆积体竖向入渗慢于侧渗。
基于改进层次分析法的航道生态性评价研究
陈建, 傅学诚, 李昕, 张会杰, 汪越
, doi: 10.12170/20210207001
摘要:
针对传统层次分析法中存在繁琐计算的可能性及容易出现严重的不一致性这两个问题,综合考虑了最优传递矩阵和“三标度法”的优点,形成改进的层次分析法。参考现有研究的基础,构建航道生态性评价体系,评价体系由1个目标、6个准则和17个指标构成。以长江中游荆江航道为例,对荆江航道整治工程前后的2011年和2015年进行评价与对比,并得出结论:荆江航道的健康程度(Channel Health Index,ICH)由2011年的“良好”(ICH=3.432)上升为2015年的“优秀”(ICH=4.187),整治工程前后荆江航道生态性有了显著改善,并按照健康指数提升的成因划分,将准则层下的6个功能归为4类影响因素;采用改进层次分析法与用传统层次分析法计算得出的结果相对偏差为0.94%(2011年)和0.40%(2015年),在简化构造比较矩阵的评判标度和优化矩阵一致性的同时确保了计算结果的准确性。
永定河三家店以上流域径流减少归因分析
彭弢, 贾仰文, 牛存稳, 刘欢, KHUSoon-Thiam
, doi: 10.12170/20210115002
摘要:
20世纪70年代以来,永定河流域径流特征发生了巨大变化,下游常年处于断流状态。根据1956—1991年及2006—2018年永定河三家店以上流域各站的气象与水文数据,利用M-K检验和小波分析方法分析了永定河流域的气象要素及径流变化趋势,利用双累积曲线和基于Budyko假设的弹性系数法进行了径流减少归因分析,结果表明:①1956—2018年间永定河流域的降雨无明显增加或减少趋势,气温有显著上升趋势,蒸发能力略有下降,径流减少非常明显,达到99.9%置信水平。②永定河流域大部分站点的降雨和径流变化存在大概12或24 a的波动周期。③永定河10个水文站的降雨-径流双累积曲线均发生了2~4次较为明显的偏移,在20世纪的60年代中期、70年代初期、80年中期和90年代初期都发生了偏向径流的偏移,这表明在降雨量水平未发生明显变化的情况下,径流减少了。④永定河流域是强人类活动区域,弹性系数绝对值依次为:降水>下垫面参数>蒸发能力,人类活动对径流减少的平均贡献率约为95%。
“踩脚印”工况下自升式钻井平台桩靴结构优化
贺林林, 杨柳, 冯楚杰, 梁越
, doi: 10.12170/20201228001
摘要:
为了降低自升式钻井平台在旧桩坑附近插桩时可能产生的工程风险,开展了一系列桩靴结构型式的优化研究和对比分析,提出六孔莲蓬形桩靴、平底桩靴、内凹形桩靴3种新型桩靴结构型式。首先借助CEL分析方法研究了上述桩靴结构在偏心距为0.5D的“踩脚印”贯入过程中桩靴-地基土体相互作用机制、受扰动土体的塑性变形水平范围及桩靴倾斜角和桩腿偏移距等与传统桩靴结构的差异,并采用有限元法及规范计算法对比分析了桩靴结构承载特性,最后评估了上述桩靴结构在成层土地基插桩过程中发生穿刺事故的风险。结果表明,相同“踩脚印”工况下,提出的3种新型桩靴结构产生的水平滑动力、桩腿顶部弯矩峰值相较于传统纺锤形桩靴结构降低值依次分别为32.59%、22.47%、28.18%和26.32%、12.88%、18.02%。可见,3种新型桩靴结构型式均能较好地降低桩靴“踩脚印”过程中产生的不利影响,其中六孔莲蓬形桩靴降低效果最好,内凹形桩靴次之,但后者结构型式更为简单,制作方便。其次,若考虑降低桩靴贯入对邻近导管架平台的影响,六孔莲蓬形桩靴结构因对周围土体扰动影响最小而效果最佳。若考虑桩靴在成层土或不连续贯入插桩作业时发生穿刺事故的可能性,当施加相同的稳定荷载并插桩到相同深度时,平底桩靴发生穿刺事故的可能性更小。
非淹没刚性挺水植被对弯道水流特性的影响
赵瑜琪, 彭清娥, 史学伟, 杨克君
, doi: 10.12170/20200829002
摘要:
广泛分布于天然河道浅滩的植被能够改变河流局部的水力特性和泥沙运移过程,为了解植被对弯道水流特性的影响,针对特定流量下凸岸侧含有刚性挺水植被的弯道,对植被密度、位置不同时水流特性的沿程分布规律开展试验探究。通过建立弯道水流概化模型,利用ADV采集三维流速数据,对比无植被和有植被(植被密度分别为0、2.2%和4.5%)条件下的流速分布,定性分析不同工况下植被对弯道水流紊动特性的作用,确定弯道环流的结构及强度。结果表明,凸岸侧植被的存在(在0°~90°弯段,1/4河宽区间内均匀分布)能有效削弱弯道环流强度,但对凸岸区的消减效果并不随植被密度的增大而加强。非植被区上下不同流向水层的分界点位置随植被密度变化而变化,且植被分布对弯道各断面不同水深处的环流结构也有影响。
土体强度的空间分布形式对单桩承载力的影响
杨剑, 黎冰, 鲍安琪, 陈宁
, doi: 10.12170/20210129002
摘要:
土体参数可能服从不同类型的分布,而在考虑土性空间变异性的桩基础承载特性的研究中一般将随机变量假定为服从对数正态分布。以土体的不排水强度为随机变量,考虑不同的变异系数和相关距离,采用随机有限元法分别模拟了竖向和水平向荷载作用下单桩基础的承载性状,对比分析了土体不排水强度分别服从对数正态分布、Beta分布和Gamma分布条件下单桩的承载力均值和标准差。结果表明,土体强度的分布形式对单桩竖向承载力的均值没有影响,而服从对数正态分布的随机场中单桩水平承载力均值最大,服从Beta分布的随机场中单桩水平承载力均值最小;竖向荷载和水平荷载作用下Beta分布得到的承载力标准差均为最大。当地基土强度空间分布形式未知时,建议采用Beta分布确定单桩承载力。
考虑转动阻抗作用的砂土模拟直剪试验
王壮, 段志波, 廖新超, 刘一鸣
, doi: 10.12170/20210124001
摘要:
基于离散单元法进行一系列砂土直剪数值模拟试验,探究存在转动阻抗作用时颗粒抗转能力与砂土相互作用间宏细观力学的内在联系。通过抗转动线性接触模型模拟砂颗粒间的接触本构关系,得出的宏观应力-应变特性、强度指标和剪切带变形规律与前人研究相类似,验证了砂土直剪数值模拟试验的可行性。细观层面,试样内平均力学配位数及强接触比例均随着抗转动系数的增大而减小。结合玫瑰图、偏组构和第二不变量表征的张量研究各向异性的演化规律发现:在剪切过程中,法向接触力和切向接触力的各向异性均随抗转动系数的增大而增大,其中强接触偏组构均大于整体接触偏组构,法向接触力张量均大于组构张量且与宏观抗剪强度变化规律具有一致性,这表明转动阻抗主要通过增大颗粒间强接触力的数值及其组构的各向异性程度提高抗剪强度,法向接触力各向异性对抗剪强度具有关键作用。
基于DPSO-ANFIS的大坝变形预测模型
马广臣, 杨杰, 程琳, 宋锦焘
, doi: 10.12170/20201213001
摘要:
变形预测模型是大坝结构安全性态分析的关键技术支撑。针对现有大坝变形预测模型在精确度、泛化性等方面的不足,将自适应模糊神经网络引入到大坝变形预测模型中,利用动态权重粒子群算法对自适应模糊神经网络中模糊层的适应度值进行参数寻优,形成可以寻找最优适应度值的自适应模糊神经网络,进而建立基于DPSO-ANFIS的大坝变形预测模型。根据大坝原型监测数据,代入训练好的模型得到输出值,并将其与实际监测数据进行对比分析。工程实例应用表明,基于DPSO-ANFIS的大坝变形预测模型输出值与实测值偏差最大为0.0516 mm,均方根误差为0.0351 mm,平均绝对误差为0.0320 mm,各项精度指标均优于基于PSO-ANFIS、ANFIS和BP神经网络的大坝变形预测模型。针对不同位置测点、预测时间段,基于DPSO-ANFIS的大坝变形预测模型输出值接近实测值,预测趋势符合真实值走向,整体预测性能稳定。该模型具有较高的精确度、良好的泛化性与可靠的稳定性,工程实用综合性能较优。
铝酸盐水泥对粉煤灰基地聚合物性能影响探究
王亚民, 胡少伟, 范向前, 娄本星, 姚丽琴, 胡登兴
, doi: 10.12170/20210104001
摘要:
为探讨铝酸盐水泥对粉煤灰基地聚合物性能的影响规律,用掺量分别为0%、2%、4%、8%和12%铝酸盐水泥代替粉煤灰。运用SEM、XRD、FTIR与TG等测试方法,对复掺铝酸盐水泥的地聚合物进行微观机理探究;开展流动度试验、凝结时间与抗压强度试验,对复掺铝酸盐水泥的地聚合物进行宏观性能分析。结果表明,当铝酸盐水泥掺量从0%增长到12%,C-S-H凝胶含量从2.16%增长到8.1%,富铝凝胶含量从55.22%增长到74.6%。增大铝酸盐水泥掺量,流动度从22.4 cm降低到21.5 cm,初凝时间从622 min减小到106 min,终凝时间从740 min到125 min,抗压强度从27.7 MPa增长到70.78 MPa。因此,复掺铝酸盐水泥有利于生成更多的C-S-H凝胶和富铝凝胶,C-S-H凝胶具有更大的生成速率,降低了地聚合物工作性能,增大了地聚合物抗压强度,丰富了提高地聚合物性能的方法。
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。
考虑损伤的软弱夹层剪切流变模型及程序实现
祝鑫, 胡斌, 李京, 崔凯, 魏二剑, 刘杨
, doi: 10.12170/20201228002
摘要:
自然界中岩体破坏的主要形式是沿着滑面的剪切破坏,且主要表现为剪切流变损伤特征。根据软弱夹层不同剪切应力水平下的试验数据分析,引入可以表征其流变过程中参数损伤的变量D,提出了一个基于D的可以反映软弱夹层加速流变特性的黏弹塑性非线性流变模型,与伯格斯模型串联构成了一个能全面反映3个流变阶段的新的软弱夹层剪切流变损伤模型,基于FLAC3D使用C++语言对该流变损伤模型进行了二次开发,与室内流变试验进行了对比验证。结果表明:(1)每级剪应力下,其瞬时应变都较为接近,且经过相同时间的应力加载后,无论是稳定后的应变值还是加速阶段的应变值都较为接近。(2)数值模拟试验中当施加的剪切荷载未达到屈服应力时,其减速阶段历时较室内试验的历时短,即更快地达到稳定流变阶段,而当施加的剪切荷载超过屈服应力阈值时,其加速流变阶段位移变化速率大于较室内试验的,且最终的位移比室内试验位移稍大。
漂流河段水动力数值模拟研究
张晔, 侯精明, 张玉蓉, 张兆安, 马勇勇, 毛拥政, 程汉鼎, 周伟
, doi: 10.12170/20210120005
摘要:
为了对水利枢纽下游进行河道整治规划提供技术支撑并提出漂流供水方案,采用二维全水动力模型,对水利枢纽下游河道整治前后不同泄水工况下进行模拟。以三河口水利枢纽下游河道为例,河道两侧风景优美且暗礁险滩较少,河床高程为514~526 m,河床砂卵石层厚度5~10 m,为实施漂流项目提供了保证,结合上游水利枢纽调度运行情况,计算了各个泄水工况下不同断面的水力要素及相关统计信息,并根据计算结果提出河道整治及漂流供水方案。结果表明,该二维水动力模型能高效高精度对水利枢纽下游河道进行不同泄水工况下的模拟,为河道水上娱乐设施规划提供了有效的技术支撑,并从节约水资源以及减少工程施工量的角度建议对河道进行6 m疏浚,在此工况下上游水利枢纽仅需泄水4 m3/s,此时河床断面最大水深最小值为0.50 m,断面水面最小宽度为4 m,断面最小流速为1.02 m/s。
基于Unity3D的水库大坝巡视检查培训系统
葛从兵, 陈剑, 严吉皞
, doi: 10.12170/20201117003
摘要:
针对水库大坝巡视检查网络培训需求,研究严肃游戏,提出水库大坝巡视检查培训系统架构,探讨大坝BIM建模、巡检点和缺陷三维建模、水库枢纽场景仿真等关键技术,分析水库大坝巡视检查要求、方法、设备、内容,研发了基于Unity3D的水库大坝巡视检查培训系统。水库大坝巡视检查培训系统由数据层、模型层和应用层组成,具有巡视检查知识、巡视检查训练、巡视检查考核和系统管理等功能。水库大坝巡视检查培训系统解决了传统培训方式中覆盖面窄、成本高、时间长等问题,可用于水库管理人员的培训,特别是没有监测设施或监测设施损坏的中小型水库管理人员的培训,促进水库大坝巡视检查工作规范化,提高水库管理人员巡视检查能力,保障水库大坝安全运行。
长江航道建设对长江经济带经济增长的影响研究
肖金龙, 黄苗, 蒋惠园
, doi: 10.12170/20210208002
摘要:
长江航道是长江航运的物流主通道,是区域经济协调的重要纽带。目前对于交通基础设施与经济增长之间关系的研究很多,但少有文献以长江航道为研究对象探究其对经济增长的影响。绘制因果关系图定性分析长江航道与长江经济带的互动关系,明晰航道建设促进区域经济增长的作用机理。选取2005—2019年的时间序列数据,运用拓展的柯布-道格拉斯生产函数模型定量测算长江航道建设投入对长江经济带的经济贡献度,经济贡献度在整体上呈逐年上升的趋势,每增加1%的长江航道建设投入,长江经济带的经济产出增加1.74%。表明长江航道建设对长江经济带有显著的经济支撑作用。为更好地助力长江经济带发展,未来应加大长江航道建设投入,提高航道承载力,同时注重科技创新和生态保护。
水工程安全监测智能化面临的挑战、目标与实现路径
卢正超, 杨宁, 韦耀国, 黎利兵, 聂鼎, 姜云辉
, doi: 10.12170/20201210003
摘要:
近年来我国的水利信息化已取得长足进步,智慧水利建设即将步入高潮,但各应用系统的具体建设目标、标准与技术路线等仍在探索中。水工程安全监测智能化是智慧水利的重要组成部分,其现实目标的边界取决于人工智能技术的成熟度。考虑到人工智能技术的现状并基于我们数十年大坝安全监测实践的经验,本文系统分析了水工程安全监测智能化面临的挑战,提出了水工程安全监测智能化的“三度”理念,合理的近期目标及“四化”路线。首先,我们需要从哲学的高度来把握 “应该做什么”和“能够做什么”,从理性的角度即技术、经济、安全诸方面来衡量其合理的范围和程度,并自始至终秉承真诚的态度将其做好做实。其次,水工程安全监测智能化应聚焦于工程风险与结构抗力及安全相关信息的需求与有效供给两大矛盾,其智能化的标准是对工程既有缺陷隐患看得见、说得清,未来安全风险想得透、管得住。第三,在监测自动化的基础上实现全信息化、可视化和模型化,是超越常规信息化,实现水工程安全监测智能化的关键。贯彻落实好这些理念,将为智慧水利的成功实施打下坚实的基础。
基于GWO-LSTM的丹江口水库入库径流预测
王立辉, 杨辉斌, 王银堂, 刘勇, 胡庆芳
, doi: 10.12170/20201103002
摘要:
入库径流预测对丹江口水库调度及水资源利用具有重要的指示意义。基于灰狼优化算法(GWO)构建不同的预测模型,开展丹江口水库月入库径流预测研究,并探讨网络结构超参数的选取及验证GWO全局遍历性、收敛快的特点。结果表明:灰狼优化的长短期记忆模型(GWO-LSTM)的预测精度和泛化性能优于灰狼优化的人工神经网络模型(GWO-BP)和逐步回归模型,其验证期的纳什效率系数平均达到0.969,整体趋势预测较好,峰值捕捉略有不足,可适用于丹江口水库月入库径流预测;模型超参数依据经验取值时,其预测结果不如GWO优化,验证期的纳什效率系数不足0.5,未达到可接受范围,而且带有一定的偶然性,建议选用具有全局优化特性的优化算法进行超参数选取;验证了GWO算法全局遍历性和收敛快的特点,平均在3次迭代后可达到收敛状态。
我国水库大坝安全监测现状深度剖析与对策研究
江超, 肖传成
, doi: 10.12170/20210301001
摘要:
当前我国水库大坝安全监测工作存在监测项目不完善、施工安装不规范、运行管护能力不足等问题,导致部分安全监测系统建成后不能正常运行,造成建设资金浪费甚至影响大坝安全管理工作。结合全国水库大坝安全监测系统建设与运行现状调研成果及工作经历,系统梳理大坝安全监测在规划、设计、审查、招标、施工、验收及运行管理等环节存在的一系列问题,并深度剖析水库大坝安全监测现状原因。针对性提出了改进水库大坝安全监测工作的对策和建议,包括提高对大坝安全监测工作重要性的认识,加大安全监测培训力度,研究出台大坝安全监测管理办法,组建大坝安全监测专家库,加强大坝安全监测专项督查,建设期间引入安全监测仪器检测与第三方鉴定环节等。本研究对促进我国水库大坝安全监测水平提升具有一定的指导意义。
长江经济带生态系统健康评估及时空变化特征
喻志强, 曹浩, 程卫帅, 王正勇
, doi: 10.12170/20200519001
摘要:
长江经济带生态系统的健康是支撑我国经济社会可持续发展的重要基础。基于“活力-组织力-恢复力-贡献力”评价指标体系,构建长江经济带生态系统健康评估模型,对2000年和2015年各县市的生态系统健康状况进行评估。结果表明:①长江经济带生态系统健康空间分异格局总体呈现北部高南部低、上游高下游低的特点,生态系统健康指数的高值区主要位于云南省,低值区主要位于安徽省和江苏省;②与2000年相比,2015年生态系统健康指数整体增加,局部降低,其中,生态系统健康指数下降的区域主要位于长三角沿海地区;③2015年长江经济带生态系统健康以四因子主导为主,四因子主导区占研究区县市总数的41.2%,且大部分四因子主导区是由原组织力-恢复力-贡献力主导区转化而来。总体而言,研究时段内长江经济带生态系统健康状况有所恢复,但在人类干扰较大的地区有所下降。
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。
长江大保护专题
近40年来长江口沉积物粒度变化及其对底床冲淤的响应
陈雅望, 盛辉, 许庆华, 曲玉冰, 邢飞, 李占海, 汪亚平
, doi: 10.12170/20210628002
摘要:
在全球变化和人类活动的双重驱动下,长江口的沉积物来源、输运和河床冲淤正在经历持续性调整。为了探索近40年长江口沉积物输运和海底冲淤时空变化趋势,基于1980—2020年长江口海底沉积物粒度和水下地形数据,采用沉积物粒径趋势模型和多种空间分辨率网格统计分析方法开展研究。结果表明,长江口北支沉积物总体向河道中下部汇聚,南支则在南、北港分流处靠近崇明岛区域形成沉积中心;该结果与基于2012—2020年地形计算的冲淤变化基本相符,沉积中心具有较大的淤积幅度。多年统计结果表明:1980—2003年为高强度输沙时期,整个河口区处于淤积状态,沉积物粒径变细但整体变幅较小;2003—2012年河流输沙量快速降低背景下,2009年前河口区整体依然处于淤积状态,粒径变化不显著;2009—2012年是由淤积转为冲刷的过渡期,口外区域首先出现了小范围侵蚀和沉积物粗化现象;2012—2020年,河口区整体出现大面侵蚀和粒径粗化现象,粒径与侵蚀变化间呈显著相关。研究发现,高分辨统计网格可以更有效地捕捉到小范围地貌由淤转冲的信号。总体而言,近40年来,长江口已经由显著淤积转为局部侵蚀,未来可能面临持续性的海岸侵蚀灾害。
新水沙条件与整治工程下和畅洲汊道演变分析
范红霞, 王建中, 朱立俊
, doi: 10.12170/20210208004
摘要:
和畅洲汊道是长江下游典型的江心洲分汊型河道,也是长江下游历史上演变最剧烈的河段之一。三峡水库蓄水后河段来沙大幅减少,和畅洲汊道演变与航道条件随之改变,为了抑制左汊发展、改善右汊航道条件,水利、交通部门先后在左汊口门、上中段修建了三道水下潜坝。在大量实测资料的基础上,分析了新水沙条件和整治工程双重作用下和畅洲汊道及其上游六圩弯道河床演变特征。分析结果表明:2009年后六圩弯道河床持续下切,伴随着局部岸线崩退和心滩发育等不利变化;三道潜坝限流作用显著,2019年左汊实测分流比约为64%,较2002年最高76%时下降12%;右汊河床经历了缓慢淤积到由淤转冲再到普遍冲刷的阶段性变化,航道条件得到改善;但左汊潜坝下游河床产生明显的局部冲刷,且发生两次崩岸事件,应引起重视。
径流量变化对长江口北槽最大浑浊带影响分析
万远扬, 吴华林
, doi: 10.12170/20210422001
摘要:
长江口属巨型多级分汊河口,由于受中等强度潮汐及季节性变化明显的径流共同作用,其动力-地貌物理过程十分复杂。研究了长江口北槽最大浑浊带水沙动力与大通径流量的响应特征。聚焦于径流变化对河口最大浑浊带的三重作用:一是水流起悬能力增强;二是泥沙输运能力增大;三是在河口最大浑浊带这个特殊区域,由于河流效应,还会引起河口环流增强及底部向陆方向的输运能力增加。实测资料和数学模拟结果表明:对于长江口而言,径流越大,小流速的滩地由于动力增加而含沙量会越大;但主流区由于流量增加的三重作用,最大浑浊带含沙量并非单向增大,而是最大浑浊带含沙量在上游流量为30 000~40 000 m3/s时达到最大。本研究定量分析了不同径流条件下河口泥沙悬浮状态,可为长江口水域相关水土资源开发利用、生态环境保护及航道疏浚维护等工作提供参考。