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2020-03期封面

2020, (3): 1-128.
摘要:

2020-03期目录

2020, (3): 1-2.
摘要:
冰温度膨胀力室内模拟及影响因素试验研究
汪恩良, 冷玉鹏, 韩红卫, 肖尧, 富翔
2020, (3): 1-10. doi: 10.12170/20191009001
摘要:
东北地区冬季气候寒冷,河渠、水库等水工建筑物在冬季由于结冰形成的冰盖会产生作用于水工建筑物上的静冰荷载。随着温度升高,冰盖板产生冰温度膨胀力,会对野外水工建筑物造成破坏。由于野外观测周期长,且多种条件限制野外实地观测,因此,为了研究冰盖的冰温度膨胀力及其相关影响因素,在低温环境模拟实验池内进行了冰温度膨胀力室内模拟试验,并对冰温、冰厚等相关影响因素进行了分析。结果表明:冰温度膨胀力产生于气温升高阶段,且随着温度的升高,冰温度膨胀力呈增大趋势。冰温度膨胀力发展到峰值时,对应冰温为−1.9 ℃,环境温度接近0 ℃,与野外实际观测结果相符。室内试验的最大冰温度膨胀力为118.7 kPa,试验的最大冰厚为10.65 cm,冰温度膨胀力的最大峰值出现在冰盖板的3.5 cm处,表明冰温度膨胀力的作用点在最大冰厚的1/3处,且冰温度膨胀力沿冰厚呈先增大后减小的分布。
破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析
刘璐, 胡冰, 季顺迎
2020, (3): 11-18. doi: 10.12170/20200305001
摘要:
采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元,同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程,从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用,并分析船舶结构上的冰载荷。根据“雪龙号”船体结构模型,采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载,通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明,扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近,对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载,分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析,其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。
基于卫星遥感图像的丰满水库冰情演变规律研究
李楠, 曹蕊, 脱友才, 邓云
2020, (3): 19-28. doi: 10.12170/20200227004
摘要:
基于ENVI 5.1软件平台,采用Landsat-7和Landsat-8卫星遥感图像,对吉林市丰满水库的卫星遥感图像进行冰情解译和库表温度反演,探究丰满水库的整体冰情演变规律及其与库区水体热力演变的关系。结果表明:在整个冰期,丰满水库入流条件稳定,库区冰情受水体热力学影响显著;在结冰期,库区表层水温呈库中低、坝前和库尾高的分布规律,结冰过程从库区中部开始,逐渐向坝前和库尾发展,坝前最后封冻;在稳封期,库区冰盖下水温呈垂向逆温分布,冰盖厚度沿程分布不均匀,库尾存在10~30 km的明流段;在开河期,库区表层水温自库尾至坝前呈沿程降温分布,水库以文开河的形式自库尾向坝前逐渐开河。
利用水位变化的黑龙江开河方式和开河日期预报
路锦枝, 王涛, 郭新蕾, 邹德昊
2020, (3): 29-36. doi: 10.12170/20200318003
摘要:
天然河道发生武开河时容易产生冰塞冰坝,造成凌汛灾害。在分析破冰水位和实测日水位的基础上,提前准确预报开河方式和开河日期并及时采取相应防范技术,是防凌减灾的一项重要非工程措施。基于冰盖挠度破坏原理,在利用水位变化判断开河模式的研究基础上将一维冰厚模型的度日法进行优化,计算河道冰厚变化,预报2015—2018年黑龙江开河方式及开河日期。结果表明:开河日期预报除2017年预报值和实测值误差1天,其余年份均完全相同;开河方式预报除因2018年开河水位过低导致水动力不足影响到预报的准确度外,其余年份预报值和实测值相同。
基于父子型窝塘地形变化探讨窝崩机理
应强, 张幸农, 罗龙洪, 苏长城, 假冬冬
2020, (3): 37-42. doi: 10.12170/20190425002
摘要:
窝崩涉及水与土的交互作用,因其发展速度快,且位于水下难以观测,故其发展过程和运移规律很难掌握,对窝崩的成因机理也存在不同观点。选择长江下游和畅洲左汊洲头进口侧2012年发生的窝崩(子窝崩)作为研究对象,此窝崩是在原已发生窝崩(父窝崩)的窝塘湾腰上的继发性窝崩,比较了父窝塘及口门附近长江深槽窝崩前4年的地形变化,发现窝崩口门外长江地形呈淤积状态,这与已往认为窝崩是由深槽冲蚀引起的概念不相符。父窝塘上湾腰地形2010年11月至2012年2月间淤积,2012年2月至2012年10月窝崩前无地形资料比较,根据水文资料分析,推测为冲刷,说明在较浅槽一个水文年内的河床冲刷可引发窝崩。子窝崩发生前后,父窝塘下部区域地形变化不大,说明窝崩产生的泥沙在近底层向较低处输移,对周边相对较高河床地形影响不大。
太湖流域湖西区暴雨时空分布特性分析
陶雨薇, 王远坤, 王栋, 倪玲玲
2020, (3): 43-50. doi: 10.12170/20190430002
摘要:
全球气候变暖和快速城市化进程影响降水结构,导致极端水文气象事件频发。为研究变化环境下太湖流域湖西区暴雨时空分布特性,选取1961—2015年湖西区多个雨量站的降水资料,分析了暴雨指标(年暴雨日数、年暴雨量、年暴雨强度、年暴雨贡献率)变化特征,并计算出给定重现期下的年最大日降水量值。结果表明,湖西区年降水量自北往南逐渐增加,年暴雨日数和年暴雨量均呈现中部较低、南北两侧较高的分布,年暴雨强度自西南往东北先增大后减小,年暴雨贡献率在西南地区偏小;湖西区宜兴站近55年年暴雨日数、年暴雨量、年暴雨贡献率呈显著上升趋势;自2005年起湖西区各暴雨指标表现出显著上升趋势;金坛站和丹阳站年均最大一日降水量高于溧阳站和宜兴站,并且各雨量站5年一遇的年最大日降水量均超过了100 mm,达到了大暴雨水平,其中金坛站和丹阳站较易发生极端降水事件。
辐射沙洲海域潮汐不对称对岸线变化的响应
钱沛, 冯曦, 冯卫兵, 张蔚
2020, (3): 51-60. doi: 10.12170/20190901002
摘要:
基于Delft3D建立辐射沙洲海域平面二维潮流数值模型,并与实测潮位流速进行验证,保证了计算精度。分别对1984年和2014年岸线条件下辐射沙洲海域的潮汐不对称性进行了研究。结果表明,辐射沙洲海域潮波变形显著,大部分区域涨潮历时小于落潮历时。近岸地区潮波变形在岸线变化后明显减弱。浅滩和深槽处涨落潮流速相对大小不同。岸线变化使得该海域涨潮占优的特性越发显著。通过分析烂沙洋水道及西洋水道的潮汐不对称性,分别探讨了岸线变化对两个潮波系统的影响特征。岸线变化对传入辐射沙洲南部水域的东海前进波的影响为:大潮期涨落潮潮高不对称性在岸线变化前后差别大,偏度在岸线变化后略微增加。岸线变化对传入辐射沙洲北部水域的黄海旋转潮波的影响为:偏度在岸线变化后增加明显,造成潮汐不对称的主要分潮组合可能发生改变。
单排三角锥透空圆孔礁坝保滩促淤的试验研究
张志涛, 拾兵, 王俊杰
2020, (3): 61-67. doi: 10.12170/20190416001
摘要:
借助波浪水槽断面模型试验,开展了不同设计水位下的单排三角锥透空圆孔礁坝对波浪的消减作用及对砂质岸滩地形演变和底层水质点运动轨迹影响的研究。由试验资料分析可知:人工礁坝对波高消减、波面形态及波浪爬高有较大影响;人工礁坝会削弱掩护区的水动力强度,减弱波浪挟沙能力,促使超饱和悬沙在礁后落淤,且通过对水质点水平运动离岸流速的阻减,防止底层泥沙产生离岸亏损。本试验研究在一定程度上揭示了人工礁坝的消浪阻流特征及砂质岸滩地形的响应规律,可为人工礁坝在砂质海滩防护中的应用提供依据。
长江南京以下深水航道工程绩效评价指标体系初探
谢亿秦, 孔庄, 廖鹏, 岳巧红
2020, (3): 68-74. doi: 10.12170/20190610003
摘要:
为全面衡量长江南京以下12.5 m深水航道工程建设成效,以该工程的价值取向和内在逻辑为基本原则,基于“价值-目的-目标-指标和标准”关系链,以深水航道项目价值取向为核心,通过正反推演分析出一套切实遵循项目目标、紧密联系项目内容的绩效评价指标体系,并通过专家问卷调查进行验证分析。相较于现有的航道工程指导类绩效评价指标体系,该指标体系不仅是对工程本身的实施以及成绩的评价,更注重对当下国家重大战略决策落实程度的评价,以期反映该工程与国民经济、社会发展、资源环境之间的关系。
砂土中钻井船插桩对邻近群桩影响的模型试验
杨喜涛, 王建华, 范怡飞
2020, (3): 75-81. doi: 10.12170/20190316001
摘要:
为研究钻井船作业过程中桩靴贯入对邻近群桩的影响,在砂土层中开展了1g条件下的1×2型群桩模型试验,邻近桩桩头条件为固定桩头,桩间距为2.5倍桩径。通过对桩靴贯入土层前和桩靴贯入土层过程中邻近群桩中近桩靴桩的弯矩的测量,得出沿桩身弯矩随桩靴贯入土层深度的变化规律,并与相同净间距单桩桩身响应情况对比。将同一时刻群桩桩身最大弯矩相对于单桩桩身最大弯矩的增长率定义为弯矩增大系数,通过弯矩增大系数的变化研究插桩对邻近群桩效应的影响及插桩对邻近群桩效应的影响随净间距的变化。研究表明:与桩靴贯入土层前相比,桩靴的贯入使邻近群桩效应减弱,且随着净间距的增加,插桩对邻近群桩效应的影响越来越小,净间距超过1倍桩靴最大直径时,建议可以不考虑插桩对邻近群桩的影响。
直剪试验下砂土剪切带形成的细观变形机制
潘远阳, 魏玉峰, 李远征, 杨豪, 雷壮
2020, (3): 82-91. doi: 10.12170/20190520002
摘要:
剪切带的形成与发展是影响土体变形破坏的关键因素。利用数值模拟试验方法,对砂土直剪试验中剪切带的形成和演化机制进行研究。试验中采用条块法对试样进行标记,以观测其变形及发展过程;并记录剪应力及剪切位移的变化,分析试样的应力应变特征;最后从细观角度对颗粒试样的平均转动量、配位数及孔隙变化率等参数进行统计分析,以揭示试样的细观变形规律。研究表明:砂土剪切带的形成是一个渐进的过程,呈现出累进破坏的特征;且剪切过程中颗粒试样会发生局部变形并形成狭长的剪切带,剪切带的厚度受平均粒径及颗粒摩擦系数的直接影响,当颗粒粒径为1.25倍平均粒径且颗粒摩擦系数为0.5时,剪切带厚度达到最大值;此外,剪切带区域的强力链较为密集,通过对强力链进行光密度及面积占比分析发现峰值时刻最为显著(平均光密度约为1.4,强力链面积占比约为52%),这表明力链网络的结构变化与剪切带的形成及演化具有同步性;同时发现剪切带内、外颗粒体系的平均转动量、平均配位数及孔隙变化率等细观参数存在显著差异,说明剪切带对外荷载的响应较为强烈。
膨胀复合浆液的物理力学性能试验研究
马波, 雷进生, 涂保林, 戴康, 程爽
2020, (3): 92-98. doi: 10.12170/20190227002
摘要:
目前普通硅酸盐水泥浆液是水利工程中最常用的注浆加固材料,针对其存在流动性差、析水率高、结石率低、结石体强度低、抗渗性能差等问题,采用单因素控制变量法和正交试验法,对制备的不同配合比的水泥基膨胀复合浆液进行黏度、密度以及结石体力学性能试验。试验结果表明:掺加粉煤灰可以增加浆液的和易性和流动性;掺加膨润土可以提高浆液的结石率和稳定性,同时降低浆液的析水率;掺加粉煤灰和膨润土的浆液流动性和结石率性能都有所改善,但是前期结石体强度较低,而后期强度主要靠粉煤灰的水化作用进行补充;水泥浆液掺加适量的膨胀剂对结石体的膨胀影响较大,并且可以提高结石体的抗渗性能。合理选择和控制粉煤灰、膨润土和膨胀剂掺量,可以明显改善和提高注浆效果。
增湿重塑非饱和黄土时水-热运移规律研究
李仁杰, 王旭, 张延杰, 李建东, 李泽源, 任军楠
2020, (3): 99-105. doi: 10.12170/20190415001
摘要:
为研究非饱和黄土中水蒸气的吸附与运移规律,采用水蒸气对非饱和黄土进行增湿,分析蒸汽压梯度、温度梯度和含水率梯度共同作用下非饱和黄土中水-热运移规律。研究结果表明:在非饱和黄土中,水蒸气和温度的扩散范围近似于一个椭球体。水蒸气在土体中运移时,蒸汽压力沿径向逐渐消散,蒸汽运移速率减缓,土体含水率和温度也逐步降低;当蒸汽气压为0.1 MPa,温度为145 ℃,通气6.5 h后,水蒸气最大增湿半径为80 cm,横向、纵向有效增湿半径分别为60和70 cm;在以通气点为圆心,横向40 cm,纵向50 cm的椭球体内,含水率在12%~17%间变化,接近土体的最优含水率17.08%,增湿效果较好;延长通气时间,增湿范围和增湿程度均将增大;水蒸气增湿时,液态水和气态水迁移共存,但在有效增湿范围内以气态水迁移为主。受到土颗粒的阻碍,沿径向水分运移速率逐渐减小,但温度传导系数在两阶段内接近一个定值。水蒸气增湿法作为土体增湿的新技术与新方法,具有诸多优点,在对土体增湿的工程实践和试验中有着广泛的应用前景。
基于能量法的水环境混凝土疲劳裂缝扩展模型
张秋宇, 王立成
2020, (3): 106-113. doi: 10.12170/20190303001
摘要:
针对低频疲劳荷载与孔隙水压力的耦合作用,将混凝土疲劳裂缝扩展所消耗的能量分为两部分,一部分由低频疲劳荷载提供,另一部分由孔隙水压力提供,并给出了两部分能量的计算方法。基于能量的可叠加原理,结合混凝土断裂过程中能量释放率的概念,建立了低频疲劳荷载与孔隙水压力耦合作用下混凝土的裂缝扩展模型,并通过试验数据对模型进行了验证。结果表明:当孔隙水压力为0时,模拟曲线与试验数据吻合较好;当孔隙水压力与低频疲劳荷载共同作用时,水压作用会提供闭合裂缝张开时消耗的能量,促进裂缝的扩展,导致裂缝扩展速率增大,且随着孔隙水压力的增大,裂缝扩展速率增加,混凝土疲劳寿命降低。
基于边界面的多隔舱筒形基础动力分析
吴诗阳, 曹永勇
2020, (3): 114-121. doi: 10.12170/20190523001
摘要:
多隔舱筒形基础作为近几年发展起来的海上风电基础结构,其稳定性能极大影响了风机的安全性。为研究在极端风荷载作用下筒形基础的稳定性,通过AR自回归线性滤波法,模拟脉动风速谱,采用边界面弹塑性动力本构模型,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维动力数值分析,研究了该结构在随机风荷载作用下的沉降发展、动力响应和周围土体的孔压变化情况。研究表明:随着加载持续,筒体的水平位移、转角和竖向位移均呈缓慢增长趋势,同时筒体顶部水平位移远大于端部位移;基础内部土体孔压受分舱板影响,发展缓慢且小于基础外侧土体孔压,沿筒径方向,越靠近筒壁孔压越大;基础外侧,土体孔压随埋深的增加逐渐减小,最后趋于稳定;土体的应力路径逐渐向临界状态线靠近,但并未达到破坏标准。
进博会区域河网水环境提升与效果评估
陈庆江, 丁瑞, 王维维
2020, (3): 122-128. doi: 10.12170/20200325001
摘要:
首届中国国际进口博览会于2018年11月在上海市国家会展中心举办,区域河网动力弱、入河污染负荷强,周边河道小涞港于2017年刚脱离黑臭,亟需提升区域水环境。采用数值模拟与现场试验运行相结合的方法,开展水环境提升方案研究。针对进博会及周边区域水质差、水体浑浊、水动力弱等问题,采用控源截污、生态修复、活水畅流等措施,新建3座装配式溢流堰,形成三级水位和活水循环的水网动力格局,促进了进博会区域循环净水-生态修复的良性循环。运行监测结果表明,核心区小涞港透明度大于1.5 m,重点区大于1.2 m,主要水质指标由Ⅴ~劣Ⅴ类提升至Ⅱ~Ⅲ类。运行评估结果表明,控源截污对水质提升起主要作用,贡献占比73%;活水畅流与生态修复对水质提升贡献占比分别为15%和12%。