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2021-04期封面
2021, (4): 1-1.
摘要:
2021-04期目录
2021, (4): 1-2.
摘要:
深挖方膨胀土渠道边坡变形特征分析与预测
胡江, 张吉康, 余梦雪, 马福恒, 肖文素
2021, (4): 1-9. doi: 10.12170/20201201001
摘要:
膨胀土边坡滑坡具有长期性和反复性特点,加固处理后渠坡的长期稳定性仍值得关注。某长距离调水工程一膨胀土渠段渠坡虽采取了表层换填措施,但仍未阻断膨胀土与外界水汽交换,在通水运行两年后发生了较严重变形,采取了伞形锚加固和排水孔增设等处理措施。基于加固处理后的监测数据,通过主成分聚类分析法对渠坡变形测点分区,进而分析渠坡时空变形特征;在此基础上,选取典型测点,应用指数平滑法、自回归移动平均模型和多因素非线性回归模型对变形进行了分析和预测。结果表明:伞形锚加固处理后的渠坡变形经过近2个月调整后趋于平稳,现阶段主要表现为受外界环境影响下的波动;渠坡变形存在空间不均衡性,以原变形体为中心向两侧减小;渠坡变形主要受时效影响,降雨、地下水位和温度也有一定的影响。鉴于膨胀土变形滑坡的长期反复等特点,后续应继续加强巡查。
基于PCA和CS-KELM的重力坝变形预测模型
王仁超, 马钰明
2021, (4): 10-18. doi: 10.12170/20200610001
摘要:
重力坝的变形与环境量之间存在复杂的非线性关系、使变形预测模型的输入自变量具有高维性,在一定程度上影响预测模型的精度和泛化能力。因此,提出一种将主成分分析、布谷鸟搜索算法和核极限学习机网络相结合的变形预测模型。该模型通过主成分分析法对与变形相关的水位、温度、时效影响因子进行主成分信息提取,优化网络模型的变量输入,同时采用优化性能更好的布谷鸟搜索算法确定核极限学习机网络的核参数和正则化系数。利用某重力坝的实测资料,对坝体沿坝轴方向和上下游方向的变形位移进行预测,与多种模型预测结果进行对比,并采用不同量化指标进行评价。结果表明,所提模型在两个方向的变形预测中,确定性系数R2分别为0.943和0.931,均高于传统的神经网络和逐步回归模型;在不同测点的上下游方向变形预测中,预测的精度和模型的泛化能力均优于对比模型,从而验证了该模型的可行性和优势。
含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究
鲍如意, 赵程, 周依盟, 王文东
2021, (4): 19-28. doi: 10.12170/20200825004
摘要:
当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:(1)伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;(2)在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;(3)在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;(4)在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。
土石坝渗压水位极值预测
何露, 王士军, 谷艳昌, 庞琼, 吴云星
2021, (4): 29-35. doi: 10.12170/20200824002
摘要:
渗压水位极值预测是监控土石坝安全的主要途径之一,目前用于渗压水位极值预测方法需给出正确的自变量。渗压水位极值最主要的影响因素是上游水位,当渗压水位极值与上游水位相关性弱时,预测模型准确度低。提出一种仅考虑测值序列、不考虑自变量的渗压水位极值预测及评价方法。该方法基于最大Lyapunov指数建立预测模型,利用马氏链的遍历性和平稳分布对该无自变量模型进行评价。算例表明:对于与自变量相关性弱的渗压水位极值,预测模型的预测效果优于常规方法,误差评估模型评价合理。基于混沌理论和随机过程的预测模型及评价方法能形成一套精度较高、实用性强的序列预测及评价方法,覆盖常规预测方法的弱能力区域,可用于建立自变量不明确的测值序列预测模型。
考虑非饱和渗流的谷幅变形对高拱坝影响分析
辛长虹, 赵引
2021, (4): 36-45. doi: 10.12170/20210114003
摘要:
蓄水初期谷幅变形对拱坝当前工作性态和长期安全状况的影响是坝工界和学术界面临的新课题。针对我国锦屏一级拱坝蓄水期间出现的谷幅收缩问题,基于非饱和渗流分析理论,采用非线性有限元数值分析方法,通过对裂隙岩体吸湿曲线进行敏感性分析,研究了非饱和渗流过程中的谷幅变形规律,并分析了谷幅变形对大坝位移和应力的影响。结果表明:在非饱和渗流场作用下,两岸边坡向河谷中心变形,且上游比下游的谷幅变形值大。随着水位的升高,谷幅变形值不断增大,当渗流场达到饱和时谷幅收缩值最大。在非饱和渗流过程中坝体位移和应力的分布规律基本保持不变,但随水位的升高坝体最大顺河向位移和最大主压应力略有减小,最大主拉应力略有增加。谷幅收缩对坝体产生挤压作用,导致坝体最大顺河向位移减小,最大主拉应力由坝踵向坝肩上游侧转移,下游面高压应力区向拱冠梁中部扩展,且饱和渗流场对拱坝位移和应力的影响比非饱和渗流场明显,但渗流场作用的谷幅变形对坝体位移和应力的改变有限,不会影响坝体的整体稳定性。
含缺陷岩样三轴压缩变形破坏过程颗粒流模拟
王浩然, 王志亮, 王星辰
2021, (4): 46-53. doi: 10.12170/20200912001
摘要:
为了研究岩桥倾角α对岩石力学行为和裂纹扩展机制的影响,采用PFC3D程序中的颗粒平行黏结模型,通过“试错法”获得一组能够反映完整花岗岩宏观力学特性的细观参数,并建立不同α下微孔洞与平行裂隙①、②组合的数值模型,对三轴压缩中岩样变形破坏过程进行了模拟分析。结果表明:α对起裂强度与峰值强度的比值未见显著的影响;当α=0°和75°时,裂纹扩展模式相似,裂隙①、②内外尖端均产生翼型裂纹,随后与微孔洞贯通;当α=15°、30°和90°时,裂纹的扩展模式比较接近,裂隙①、②内外尖端也可见翼型裂纹;当α=45°、60°时,裂纹呈类似方式扩展,裂隙①、②与微孔洞之间在剪切面上出现裂纹贯通,且在裂隙①、②外尖端有剪切裂纹,此时平行裂隙和微孔洞在剪切面上;剪切裂纹远多于拉伸裂纹,且微裂纹是从初始损伤部位开始扩展的。
由抽水试验计算砂卵石含水层渗透系数的方法对比
范丹丹, 陈群, 亓立成, 王琛
2021, (4): 54-60. doi: 10.12170/20200829001
摘要:
含水层的渗透系数是基坑降水设计中的重要参数,不同计算方法得出的渗透系数也不同,应取最适合的计算方法,以免产生较大误差。基于砂卵石潜水含水层现场单井抽水试验结果,分别利用Dupuit-Kusargent法、Thiem法、直线斜率法及水位恢复法等四种方法来计算潜水含水层渗透系数,对比各方法计算的渗透系数所模拟的水位值与现场实测值的偏差,讨论了造成这种偏差的原因,指出了各种方法的优缺点和适用性。研究结果表明,Dupuit-Kusargent法误差最大,直线斜率法次之,水位恢复法和Thiem法误差较小。同时Dupuit-Kusargent法计算结果受流量影响较大,一致性较差,其他方法结果的一致性较好。在计算砂卵石含水层的渗透系数时,如有2个以上观测井,应优先选用Thiem法;无观测井的情况下选用水位恢复法;有1个观测井且其降深-时间对数关系直线段明显时可选用直线斜率法。
砾石土粗粒含量对高土石坝稳定渗流的影响
常利营, 叶发明, 陈群
2021, (4): 61-67. doi: 10.12170/20200826002
摘要:
高心墙堆石坝心墙防渗料多采用砾石土,当砾石土的粗粒含量(指质量分数,下同)超过50%时,渗透系数很可能超过规范要求,不利于坝体渗透稳定。通过对粗粒含量超标单元赋予不同的渗透系数,采用三维有限元法分析了心墙局部砾石土粗粒含量超标时对坝体渗流的影响。结果表明:心墙局部砾石土粗粒含量超标对坝体的渗流场分布和单宽渗流量影响都较小,对心墙内渗透坡降影响较大,最大渗透坡降都出现在未超标单元处。对于超标区域在中下部的情况,当超标单元粗粒含量小于55%时,渗透坡降最大增幅为36.4%;超标单元粗粒含量大于55%时,最大渗透坡降显著增大,且会超过允许坡降,不利于坝体渗透稳定。因此,在实际工程中应结合砾石土料的级配和细粒含量情况,做好下游反滤层的设计,并严格控制砾石土的施工压实度,以保证坝体安全。
砂雨模型制备PFC3D的数值模拟
王浩然, 王永志, 王海, 汤兆光, 王体强
2021, (4): 68-74. doi: 10.12170/20200909002
摘要:
伴随土工离心试验的应用拓展与量化需求的提升,试验模型孔隙率、均匀性的精确控制与影响因素,成为目前土工离心试验技术发展的重要课题。砂雨法作为土工离心试验常用制模方法,因其制备过程与天然粗粒土地基形成过程相似、颗粒不易破碎、制样密实度范围较宽等特点被广泛应用。为认识砂雨法制备模型孔隙率的控制因素与影响规律,基于PFC3D离散元分析软件,建立了砂雨法成型过程数值模拟方法,通过探讨落距、筛孔粒径比、环境介质等因素影响规律及与已有认识进行对比,论证了数值模拟分析方法的可行性。结果表明:制备模型孔隙率与落距呈负相关性,孔隙率随落距增大而减小且趋势逐渐变缓;孔隙率与筛孔粒径比呈正相关性,孔隙率随筛孔粒径比增大而增大;孔隙率与环境介质密度呈负相关性且影响显著,模型表面水层对孔隙率起主导控制作用。
泥石流的数值模拟及危险性评价
康永德, 侯精明, 石宝山, 郭敏鹏, 潘占鹏, 于国强, 洪增林
2021, (4): 75-84. doi: 10.12170/20201029001
摘要:
泥石流具有突发性、速度快、破坏力强的特点,其运动规律研究和危险性预测,具有重要的现实意义和理论价值。基于GPU(图形处理单元)加速技术的二维水动力模型,采用二阶Godunov格式有限体积法求解方程,以确保计算精度,并使用GPU加速技术提高了计算效率。以溃坝型水槽泥石流运动特征及贵州省普洒村滑坡泥石流危险范围预测作为模拟参照,利用所构建的GAST (GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model) 二维水动力模型完成泥石流理想水槽试验模拟和危险范围预测。结果表明:数值模拟与实测结果吻合度较高;GPU加速技术的应用有效解决了泥石流模拟过程中计算量大的问题,在PC机上模型运行快速高效。此模型为泥石流运动规律模拟与预测提供了新方法,为防灾减灾提供了技术支撑。
基于分布式光纤监测技术的板桩码头试验研究
何宁, 马桂珍, 何斌, 张中流, 汪璋淳, 钱亚俊, 邵翰林
2021, (4): 85-91. doi: 10.12170/20201106002
摘要:
板桩码头桩体结构受力变形状态是评价其安全运行的重要指标。基于分布式光纤模型试验,提出了一种新型桩体受力和变形分布式监测技术,并成功应用于板桩码头钢筋混凝土灌注桩原型试验研究中。结果表明该方法能够准确反映港池开挖过程中板桩码头桩体结构变形、弯矩和受力等分布变化规律,并能及时对板桩码头的运行及施工情况进行有效监测评估,可以为板桩码头的持续稳定运行提供安全保障及施工指导。该监测技术能够克服传统点式监测方法分辨率及准确度不足的缺点,实现桩长范围内全深度及施工过程全周期的实时监测,具有一定的工程实用价值。
船闸末级闸首超长输水廊道泄水水力特性数值模拟
王彪, 王晓刚, 安建峰, 何飞飞
2021, (4): 92-98. doi: 10.12170/20200728003
摘要:
拟建的三峡枢纽水运新通道船闸末级闸室超长输水廊道运行水头高、输水量大、输水时间短、输水距离长,水流具有强非恒定性,保障其安全运行非常重要,故对高水头船闸末级闸首超长输水廊道的阀门开启过程的非恒定水动力特性进行数值模拟,研究不同输水廊道长度、不同阀门开启时间下,闸室流量过程、闸室水位过程、阀门井水位过程等水力要素的变化规律和影响因素。研究表明:船闸末级闸首输水廊道长度加长会增加惯性超降值、增长惯性超降波动周期、延长泄水时长、降低闸室水位升降速度,同时减少阀门开启过程中阀门井水位降落值;加快阀门开启速率会减少泄水时长、增加闸室水位升降速度、减少阀门开启过程中阀门井水位降落值。研究结果可供三峡枢纽水运新通道末级闸首超长泄水廊道设计参考。
大型输水渠道改扩建关键技术及设备的研发与应用
陈勃文, 黄英豪
2021, (4): 99-106. doi: 10.12170/20200830001
摘要:
北疆长距离输水渠道改扩建工程,事关北疆地区的供水效益和工程安全。针对北疆供水工程渠道改扩建施工存在的渠基膨胀土、新老防渗膜连接、排水软管易变形、人工劳动力短缺等工程问题,研发了多功能混凝土制缝机、表面成型机等渠道一体化施工设备,极大提升了工程施工效率、确保了工程质量。通过室内试验和现场示范开发了KS热熔胶粘接和套管内旋固膜技术,保障了新老防渗膜的高效连接。研发了深埋地下软管的变形复位装置,通过该装置可以无创伤地将渠基排水体的淤堵进行快速疏通,避免了大开挖,为渠道的长期安全运行提供了支撑。本系列设备和技术在北疆供水工程中得到示范应用,对类似大型渠道工程的改扩建具有参考指导价值。
窝崩治理新型结构—布帘石的理论分析和试验研究
应强, 张幸农, 假冬冬, 陈长英
2021, (4): 107-113. doi: 10.12170/20201026001
摘要:
长江江苏段窝崩大多选用树头石作为窝塘内的促淤结构型式,但树木的砍伐对绿化和生态产生一定的不良影响。提出了一种由浮块、布匹(或土工布)和石块组成的布帘石,该种新型结构在窝塘内可起到阻流和促淤的效果,但目前对此鲜有研究。通过对置于水流中处于平衡状态时的布帘石进行受力分析,建立作用在布帘石微元上各力平衡时的微分方程,进而解得布帘石沿水深方向分布曲线(面),由试验数据确定相关系数。采用此计算式可以确定布帘石的水平投影长度和浮力,也可解释浮块浮于水面或没入水中、布帘浮于水中或沉入河底等状态的力学机制。基于长江扬中河段指南村窝崩段的局部模型,就窝塘中布帘石、树头石的阻水效果进行了对比试验,结果表明两者阻水效果相当。同时,布帘石的利用可减少对生态的影响。
通州湾规划港区对台风暴潮的冲淤响应研究
罗广胜, 潘毅, 李琳
2021, (4): 114-121. doi: 10.12170/20200805001
摘要:
基于ADCIRC+SWAN模式和Delft3D+SWAN模式建立双层嵌套的通州湾及周边海域的水沙动力数学模型。根据路径特征将影响通州湾的所有台风分为5类,选取每类的代表性台风驱动模型,模拟不同类型台风期间通州湾规划港区及周边水道沙洲系统的泥沙冲淤情况,剖析水道沙洲系统对台风暴潮的响应。结果表明:台风造成的通州湾规划港区及周边水道沙洲冲淤变化总体不大,在±0.40 m以内;北侧掠过型和东侧掠过型台风引起的海域冲淤相对较大;从空间分布上看,三港池口门附近及口外航道内容易淤积,腰沙、冷家沙浅滩区容易侵蚀。风暴期间港区北部冷家沙外侧水道出现严重淤积,原冷家沙浅滩区出现显著侵蚀,虽然一场风暴过程的冲淤量不足以影响港口运营及通航,但需注意长期时间尺度上对总体冲淤趋势的影响。
泾河柔远川与合水川流域降水强度趋势变化特征
张翠萍, 李小平, 陈真, 蒙雅雯
2021, (4): 122-130. doi: 10.12170/20200904002
摘要:
开展降水强度趋势变化研究对提高防洪减灾和水资源管理水平具有重要意义。基于柔远川1980—2017年9个雨量站与合水川1981—2017年10个雨量站的日降水量和小时降水量实测资料,采用MK趋势检验法,分析了最大1 h降水强度(\begin{document}$ {I}_{\mathrm{h}} $\end{document})、最大1 d降水强度(\begin{document}$ {I}_{\mathrm{d}} $\end{document})及分级降水强度趋势变化特征。空间上,柔远川与合水川各站\begin{document}$ {I}_{\mathrm{h}} $\end{document}\begin{document}$ {I}_{\mathrm{d}} $\end{document}空间分布差异均较大,\begin{document}$ {I}_{\mathrm{h}} $\end{document}的空间变差系数均大于\begin{document}$ {I}_{\mathrm{d}} $\end{document},但合水川\begin{document}$ {I}_{\mathrm{h}} $\end{document}\begin{document}$ {I}_{\mathrm{d}} $\end{document}的空间变差系数均大于柔远川;时间上,柔远川、合水川\begin{document}$ {I}_{\mathrm{d}} $\end{document}的空间变差系数分别呈显著增大与减小趋势(\begin{document}$ \mathrm{\alpha }=0.05 $\end{document}),增大与减小幅度分别为0.018/10 a与0.039/10 a;柔远川\begin{document}$ {I}_{\mathrm{d}} $\end{document}极值呈显著性增大趋势,增大幅度为7.68 mm/(d·10 a);柔远川分级降水强度变化不显著,合水川中雨与大雨的降水强度呈显著增加趋势,增加幅度为0.61 mm/(d·10 a)和1.29 mm/(d·10 a)。
跨海桥梁基础冲刷特征研究
杨元平, 张芝永, 李最森, 曾剑, 韩佳楠, 陈刚
2021, (4): 131-137. doi: 10.12170/20210105002
摘要:
在我国近海海域,跨海桥梁基础冲刷是影响大桥安全的重要因素之一。基于金塘大桥2014、2015和2017年桥墩基础冲刷实测资料,并结合建桥前地形测验资料进行了案例分析,解析出了往复潮流条件下桥墩基础的一般冲刷及局部冲刷深度,金塘大桥中引桥桥墩一般冲刷深度为3.3~3.6 m,平均局部冲刷深度约8.3 m。往复潮流条件下桥墩基础局部冲刷坑受双向潮流影响向上下游延伸,形状呈椭圆形,各墩冲刷坑纵向长度与最大局部冲刷深度呈近似线性关系,长度约为局部冲刷深度的10~12倍,而各墩冲刷坑横向宽度则基本一致,约为桥墩基础宽度的4~5倍,与最大局部冲刷深度无明显相关性。跨海桥梁基础冲刷深度计算方法及冲刷坑形态特征的研究成果可供跨海大桥基础设计、运行维护及基础冲刷防护参考。
钢筋混凝土电渗除氯防腐性能研究
李浩然, 邹友泉, 高培伟, 徐少云, 赵哲辉, 李景松
2021, (4): 138-144. doi: 10.12170/20201014001
摘要:
海洋工程因长期经受海水侵蚀,含有腐蚀介质的水分子渗入混凝土中,使钢筋易发生氯盐腐蚀,引起结构膨胀开裂,极大地降低了海洋工程的使用寿命。随着海洋工程建设的加快,采用水泥基导电复合材料除氯防腐逐渐得到重视。通过在水泥基材料中掺加导电材料制作导电复合材料,在材料力学性能和导电性能的研究基础上,探究了不同掺量的聚合物乳液和导电填料及灰砂比对材料除氯性能的影响,并通过SEM扫描分析等手段分析了导电填料和聚合物乳液对材料性能的影响机制,探究了材料除氯防腐的作用机理。研究表明,掺适宜的导电填料和聚合物乳液,经过60 V直流电压电渗180 min后,可明显降低材料中氯离子含量,除氯效率较未掺导电填料试件提升84.24%。研究成果对降低海工混凝土中钢筋锈蚀、提升使用寿命提供了借鉴。