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  • 水利学报
  • 2018年 第49卷 第6期
  • 出刊日期:2018-6-28
《水利学报》创刊于1956年,是中国水利学会、中国大坝协会主办的综合性学术刊物,是水利行业创刊最早、国内外最具影响的学术期刊,在水利工程类核心期刊中排第一位,被国内外多家检索系统收录。《水利学报》刊登反映水利、水电、水运领域较高水平的学术论文、专题综述和工程技术总结,开展学术论文的讨论和评论,介绍国内外科技动态和消息。主要专业范围包括:水文及水资源、防洪减灾、灌溉排水、水力学、泥沙、河港水运、岩土工程、水工结构及材料、水利水电施工及监理、水力机电、水利经济、水环境、水利史研究等。

2018年第49卷第6期

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  • 基于可行域搜索映射的并行动态规划
    纪昌明,马皓宇,李传刚,李宁宁,俞洪杰
    为解决传统动态规划在处理水库群联合优化调度时面临的约束处理机制选择和计算时间长的问题,引入映射思想,基于映射和集合论知识构建可行域搜索映射模型,并结合动态规划的并行性,提出基于可行域搜索映射的并行动态规划。该算法通过构建时段可行搜索空间和并行模式,以规避无效状态组合计算并充分发挥计算机多核优势,提高计算效率。以李仙江流域三库联合调度为实例进行研究,从年发电量、计算耗时等方面将改进算法与传统动态规划以及逐步优化算法(POA)进行详细的对比分析。结果表明,该算法能在保证解全局收敛性的前提下减少计算耗时,制定梯级水库最优调度策略。
    2018  Vol.  49(6):    649-661    [摘要](111)    [PDF](77)
  • 乌梁素海湖冰单轴压缩强度特征试验研究
    李志军,徐梓竣,王庆凯,李国玉
    为积累有关纯热力生长淡水柱状冰单轴压缩强度的实际资料,选择黄河河迹湖-乌梁素海的柱状冰制备试样。利用具有严格恒温控温和位移速度控制的电子万能试验机,对垂直冰面加载和平行冰面加载的二类试样进行-2℃、-5℃、-7℃、-10℃和-15℃下不同恒位移速度的试验,研究了应变速率、加载方向及温度对单轴压缩强度的影响。试验结果得到:相应温度下试样的单轴压缩强度随着应变速率的增加,存在先增高到峰值,之后再降低,最后趋于平稳的特征;冰样存在3种破坏形式:鼓胀破坏、剪切破坏和劈裂破坏;在试验温度范围内,冰强度随温度降低有着明显提高;试样单轴压缩强度随温度和应变速率的影响由一个二元统计关系表达;垂直冰面方向加载的试样强度比平行冰面方向加载试样强度大。对于乌梁素海的柱状冰,垂直冰面方向加载的试样峰值单轴压缩强度是平行冰面加载试样的2.1倍;出现峰值强度的应变速率随温度升高而增加;峰值强度随温度的变化能够采用对数函数表达。
    2018  Vol.  49(6):    662-669    [摘要](69)    [PDF](54)
  • 纳米改性对再生混凝土双K断裂参数的影响
    罗素蓉,白俊杰
    再生骨料与天然骨料相比,表观密度低,吸水率大,压碎指标大,导致再生混凝土的性能较差。本文采用纳米SiO2溶液对再生混凝土进行改性处理,通过三点弯曲梁法对再生骨料取代率不同(0,50%,70%,100%)的试件、取代率50%和100%下不同纳米SiO2掺量的试件共12组60根试件进行断裂实验,用双K断裂参数评价再生混凝土的断裂性能,研究再生骨料取代率和纳米SiO2掺量对再生混凝土断裂性能的影响。结果表明,再生混凝土的起裂韧度和失稳韧度整体随着再生骨料取代率的增加而降低;适量纳米SiO2的掺入能提高再生混凝土的断裂韧度,再生骨料取代率50%和100%、纳米SiO2掺量1.0%时再生混凝土的起裂韧度和失稳韧度提升程度最大,分别达到0.6929 MPa·m1/2、1.3073 MPa·m1/2和0.5552 MPa·m1/2、1.2410 MPa·m1/2
    2018  Vol.  49(6):    670-677    [摘要](51)    [PDF](51)
  • 泵站有压输水系统启动过程中蝶阀非定常流场研究
    邹志超,王福军,王玲
    蝶阀广泛应用于有压输水系统,其开启过程是输水系统启动运行的必经阶段。在开启过程中,阀板需按预定的规律在流场中做旋转运动,具有变压差变截面的特点。本文针对泵站加压输水系统,采用一维/三维耦合计算思路,对蝶阀上下游的管路段按准恒定假设基于伯努利方程、对蝶阀所在的三维流体域基于动网格策略,构建了蝶阀开启过程数值分析方法,提出了模拟计算的动态边界条件及数据更新方式,对蝶阀开启过程非定常特性进行了三维数值模拟。研究结果表明,当阀板转角由0°匀速增大至90°,管道流量在阀板转角0~45°范围内快速增长,在45°时达到额定流量的90%,之后流量增长速度变缓。阀板水力转矩呈先快增后慢减的变化趋势,最大水力转矩出现在阀板转角20°时。从蝶阀前后流场可以看出,在阀板下游具有从两个主涡到流线平顺的演化特征。该研究揭示了蝶阀开启过程中水力瞬变演化机理,为优化蝶阀设计和输水系统稳定运行提供了参考。
    2018  Vol.  49(6):    678-686    [摘要](52)    [PDF](46)
  • 基于Copula函数的水文随机变量和概率分布计算
    宋松柏,王小军
    水文随机变量和分布计算是推求设计洪水地区组成、梯级水库下游设计洪水等的重要内容,对于水库下游水利水电工程规划设计与管理、城市防洪风险评估等至关重要。传统的水文随机变量和分布是根据二维变量函数分布推导而来,边际分布必须为同一类型分布,其应用受到限制。本文根据二维随机变量和概率分布定义,运用条件Copula函数和积分变换原理,严格地推导了二维相依随机变量和概率分布计算公式,以及Gamma分布、P-Ⅲ分布两类常用边际分布下变量和的分布概率计算公式,该计算公式仅为条件Copula函数的一维积分,避免了概率组合离散求和法数据转换的信息失真,克服了传统多变量分布要求边际分布为同一类型分布。以清江流域水布垭水库至隔河岩水库3h洪量组成为例,给出了水文随机变量和分布的计算方法。文中模型与计算方法以期为我国设计洪水地区组成和梯级水库下游设计洪水计算提供理论支撑。
    2018  Vol.  49(6):    687-693    [摘要](109)    [PDF](72)
  • 悬移质泥沙输移扩散方程适用条件的讨论
    张磊,关见朝,王友胜,胡智丹,王协康
    悬移质泥沙的输移扩散是泥沙运动力学的基础问题之一,学者们基于不同理论对其运动规律开展了深入研究。基于已有研究,本文主要讨论了不同理论下扩散方程的适用条件。研究结果表明,传统的Rouse扩散方程及其修正式仅适用于泥沙浓度较低、颗粒惯性小至可忽略的条件;两相流理论下的扩散方程由于未考虑颗粒惯性效应,同样只适用于浓度较低、颗粒较小的条件;近期Snehasis Kundul和Koeli Ghoshal基于漂移速度建立的扩散方程由于考虑了升力、颗粒惯性等因素对悬移质分布的影响,使其适用范围相应变大,但在确定泥沙扩散系数上仍然采用的是经验公式,应用上会受到实验资料的限制。基于动理学理论的扩散模型包括基于PDF方程的扩散方程和弥散方程。两个模型中,除了重力沉降和紊流扩散作用外,由于考虑了升力、颗粒紊动、颗粒惯性等影响因素,其在浓度较高、颗粒惯性较大时仍适用,具有普适性。尤其是弥散方程,能够反映颗粒浓度、颗粒紊动、颗粒碰撞等不同机制对泥沙悬浮的影响,全面阐释了悬移质泥沙扩散背后的力学机理。
    2018  Vol.  49(6):    694-702    [摘要](66)    [PDF](51)
  • 基于Copula函数的新型综合干旱指数构建与应用
    张迎,黄生志,黄强,李沛,马岚
    干旱指数是研究干旱的重要工具,构建综合干旱指数是目前干旱监测、风险评估的前沿和趋势。本文基于阿基米德Copula函数,联合降雨(气象)、径流(水文)两种要素,构建了一种能够综合表征气象干旱和水文干旱的新型综合干旱指数MSDIp,并用其表征渭河流域的干旱演变特征,且进一步对其背后的驱动力进行了探究。结果表明:(1)MSDIp指数既能像标准化降水指数(SPI)一样敏锐地捕捉干旱的发生,也能像标准化径流指数(SRI)一样很好地刻画干旱的持续时间和结束,同时具备气象和水文两种干旱指数表征不同类型干旱的优势,能综合表征干旱演变特征;(2)受气候变化和人类活动影响,渭河流域过去50余年综合干旱呈显著增强趋势;(3)渭河流域综合干旱指数序列存在变异点(1994年),且未来流域干旱情势有加剧趋势;(4)太阳黑子和大气环流异常因子等对渭河流域综合干旱的发生有较大影响,其中太阳黑子活动的影响最强。且除直接影响外,太阳黑子还能通过影响大气环流异常因子进而对综合干旱的发生造成间接影响。
    2018  Vol.  49(6):    703-714    [摘要](100)    [PDF](77)
  • 两变量设计洪水估计的不确定性及其对水库防洪安全的影响
    尹家波,郭生练,吴旭树,刘章君,熊丰
    在两变量水文频率分析中,样本系列容量一般较小,使得水文设计值估计具有不确定性。本文基于Copula函数和Parametric Bootstrap方法,并考虑联合设计值的最可能组合模式,建立可描述两变量设计洪水估计不确定性的C-PBU (Copula-based Parametric Bootstrap Uncertainty)模型,同时提出了定量评价两变量不确定性的度量指标,分析了联合设计值估计不确定性对水库最高调洪水位的影响,并对比了不同典型洪水选取模式下的水位不确定性。以隔河岩水库为例,推求了两变量设计值估计的95%置信区域;比较了不同样本容量对不确定性的影响。结果表明:设计洪水估计和典型洪水选择具有较大的不确定性,可采用C-PBU模型推求置信区间,来考虑设计洪水估计不确定性对水库防洪安全的影响。
    2018  Vol.  49(6):    715-724    [摘要](55)    [PDF](57)
  • 复杂函数边界控制下的潜水非稳定流模型及解的应用
    吴丹,陶月赞,林飞
    为解决复杂河渠水位边界影响下的潜水非稳定流模型难以求解的问题,建立不依赖边界函数的变换过程的Fourier变换方法,利用卷积定义和卷积的微分性质,给出模型的理论解;对实际河渠水位过程采用Lagrange线性插值,将插值函数代入理论解,可简便地获得问题的实际解。研究表明:(1)该方法求解过程比较简明,且解是由形式较简单的常用函数组成;(2)依据潜水位变动速度的时间过程计算模型参数的配线法,方法简便;(3)边界水位变化过程,对河渠与潜水之间的水量交换作用,有2倍于边界水位变幅的累积效应。
    2018  Vol.  49(6):    725-731    [摘要](40)    [PDF](31)
  • 基于传递熵的水电站厂房振动传递路径识别
    王海军,王宁,练继建
    水电站厂房空间结构复杂,同时振动测试信号中常混杂各种噪声,使得水电站厂房结构振源传递路径的分析难度增大;论文将传递熵方法与基于EMD分解的小波熵阈值去噪方法相结合,实现水电站厂房振动传递路径的识别。首先采用EMD分解和小波熵方法自适应地根据信号能量特征确定对应尺度的去噪阈值,对振动测试信号去噪;然后采用传递熵的方法识别厂房结构振源的传递路径。通过模拟信号的分析证明了该方法在判断信号传递方向方面的合理性。将该方法应用到一大型水电站厂房,结合现场实测振动数据对尾水涡带的垂向传递路径进行了识别,并计算了测点之间的信息传递率。结果表明尾水涡带引起的垂向振动主要传递路径为:尾水管→机墩(定子基础、下机架基础)→厂房上部结构楼板。
    2018  Vol.  49(6):    732-740    [摘要](71)    [PDF](39)
  • 边坡稳定极限分析斜条分上限法的全局优化方法
    孙平,陈玺,王玉杰
    边坡稳定极限分析斜条分上限法需要寻求最小安全系数对应的临界滑动模式。由于待优化变量中包含了滑裂面位置与条块界面倾角,问题的自由度与非线性程度明显增加,寻找安全系数的整体极值变得十分困难。本文建立了任意形状滑裂面通过与不通过软弱夹层两种情况下斜条分上限法滑动模式优化的数学模型。为保证在随机搜索过程中生成合理的滑动模式,引入一系列约束条件,将临界滑动模式的搜索问题转化为一个有界约束的数学极小值问题,并结合遗传算法和粒子群算法两种全局优化方法,对多个典型算例进行对比分析。研究表明,提出的模型可以解决优化过程中生成不合理滑动模式的问题,不仅极大地提高了优化效率,而且可以避免数值计算不收敛的麻烦;将模型与全局优化算法相结合,在大多数情况下能够得到一个合理的、与极限平衡解十分接近的上限解,具有较好的全局收敛性。
    2018  Vol.  49(6):    741-748,756    [摘要](67)    [PDF](49)
  • 高聚物锚固体与土体黏结特征试验与数值模拟
    刘恒,王复明,石明生
    针对高聚物锚固体与土体相互作用机理认识不足、黏结强度参数不完善的问题,采用中心拉拔的大比尺模型试验,测试了低密度(0.11~0.13 g/cm3)高聚物锚固体与土体间的黏结特性,获得了锚杆加载端的荷载-位移曲线以及锚杆轴力、界面黏结力的分布规律,得出了低密度高聚物锚固体与不同状态土体的黏结强度值;从细观力学角度出发,采用颗粒流软件(PFC2d),建立了锚杆杆体-高聚物锚固体-土体的三相锚固体系数值模型,对拉拔荷载作用下高聚物锚固机理进行分析,通过和模型试验结果的对比,验证了数值模型的合理性,并重点探讨了土体应力和孔隙率的变化规律。试验结果为高聚物锚固注浆设计及应用提供了参数依据,颗粒流模型为高聚物锚固机理的细观尺度研究提供了一种可行的手段。
    2018  Vol.  49(6):    749-756    [摘要](44)    [PDF](33)
  • 大型灌区骨干水库分期旱限水位研究
    张礼兵,伍露露,金菊良,吴成国,周玉良,朱文礼
    水库作为常见的重要水利工程设施,在区域水资源承载力水量、水质、水生态和水流更新等要素调控中具有举足轻重的地位和作用,在降水径流减少的枯水季节显得尤其重要。旱限水位是水库在低水位调度运行的控制性特征水位,其合理设置与科学运用对区域水资源高效利用意义重大。为此以淠史杭灌区梅山水库的来水特性和用户需水特性为基础,首先采用Hausdorff维数分形方法划分了梅山水库入库径流干旱预警时段,进而通过不同水平年各预警期内来水、供水调节计算了初始旱限水位:旱警水位和旱枯水位,并以水库灌区水资源系统长系列模拟模型及优化模型为依托,优化确定了梅山水库不同预警期的旱限水位,最后分别从水库运行、灌区灌溉、生产生活供水、生态用水以及水力发电等多角度评估了旱限水位的合理性,为水利部门指导水库灌区抗旱运行,制订相应抗旱预案提供技术参考。
    2018  Vol.  49(6):    757-766    [摘要](48)    [PDF](44)
  • 壁面微结构流动控制技术的减阻机理研究
    李恩田,吉庆丰,庞明军
    为了研究壁面微结构流动控制技术的减阻效应及其产生的原因,利用循环管路系统的方形管道进行了压降测定试验,并利用粒子成像测速仪测量了边界层内部结构和对应的参数。试验采用了沟槽和肋条两种不同类型的微结构壁面,每种形状的微结构各有3种不同的结构尺寸。试验研究结果表明:在一定的无量纲宽度s+范围内,6种不同的微结构壁面都具有减阻效果;减阻率随着s+的增大,呈现先增大后减小的趋势,其中沟槽壁面2的减阻效果最好,最大减阻率为9.90%;壁面微结构通过影响流场内部的涡结构、湍流脉动、雷诺切应力和平均流速等使得不同壁面微结构具有减阻效果。
    2018  Vol.  49(6):    767-774    [摘要](47)    [PDF](33)

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