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  • 水利学报
  • 2022年 第53卷 第4期
  • 出刊日期:2022-04-28
《水利学报》创刊于1956年,是中国水利学会、中国水利水电科学研究院、中国大坝工程学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。

2022年第53卷第4期

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  • 三峡库区高陡岸坡溃屈失稳机理及防治研究
    殷跃平,王鲁琦,赵鹏,张枝华,黄波林,王雪冰
    本文对三峡工程蓄水运行期间岩体损伤劣化导致高陡岸坡失稳机理进行了研究。三峡峡谷地段岩体具有上硬下弱的二元易滑地质结构,位于水库消落区的相对脆弱岩体易于出现损伤劣化并导致强度下降。在现场调查及监测基础上,本文建立了水位下降干燥状态、水位上升饱和状态及过渡状态下消落区劣化岩体的损伤本构模型,提出了采用水位周期涨落后劣化带的峰值应力与劣化带有效应力之比作为高陡岸坡危岩溃屈失稳稳定系数的定量评价方法。对巫峡段箭穿洞危岩进行了应用研究,结果表明,本文所提出的稳定性评价方法可以很好地表征高陡岸坡宏观塌落、变形和基座应力非线性增加等演化状态,弥补了常规极限平衡稳定性分析方法不能准确刻画溃屈失稳演化过程的缺陷。针对高陡岸坡的溃屈失稳破坏模式,提出了基座劣化岩体补强加固的防护方案,为三峡库区高陡危岩的风险管控提供了支撑。
    2022  Vol.  53(4):    379-391    [摘要](236)    [PDF](212)
  • 重力坝加高的应力和稳定计算方法及控制标准研究
    张国新,钮新强,雒翔宇,颜天佑
    后帮式重力坝加高存在新老混凝土结合面和新老坝块分载的问题,结合面有限结合部分传力时传统的材料力学法和整体刚体极限平衡法不再适用于应力和稳定计算。本文介绍了重力坝加高模拟的有限单元法,提出了新老坝块应力和稳定计算的有限元等效法,以丹江口7#坝段为例进行了不同结合面状态的多工况计算,与弹塑性有限元强度折减法进行了比较。结果表明:(1)有限元等效内力法可以考虑结合面脱开、新老坝块材料差异、基础非均质性等复杂条件,同时可消除坝踵、新老混凝土结合处的应力集中,具有有限单元法和材料力学法两者的优势,其等效内力计算可通过应力积分法和直接反力法实现,直接反力法得到的等效内力精度更高;(2)采用有限元等效法计算坝基应力和整体及新老坝块局部稳定安全系数时,应力和稳定的控制标准应满足现行规范要求;(3)新老混凝土界面有限结合部分传力时,应力不利工况是贴坡段下部张开,而稳定不利工况是结合面上部张开、下部粘结;(4)丹江口7#坝段斜坡段中下部粘结面积20%以上时应力和温度均满足规范要求,该结论与“后帮有限结合”理论一致;(5)弹塑性有限元法是分析重力坝加高的有效方法,当采用与材料力学及刚体极限平衡法相同的计算模型及屈服准则时,可以得到相同的结果,可采用相同的控制标准,但当采用不同模型及准则时控制标准需要另行研究。
    2022  Vol.  53(4):    392-402    [摘要](136)    [PDF](107)
  • 耦合ALO-LSTM和特征注意力机制的土石坝渗压预测模型
    王晓玲,李克,张宗亮,余红玲,孔令学,陈文龙
    现有土石坝渗压预测模型缺乏对渗压效应量中各影响因子影响程度的定量分析,难以探究渗压效应量变化的内在影响机制。针对此问题,本文从时间维度和特征维度两个层面出发,提出一种耦合ALO-LSTM和特征注意力机制的土石坝渗压预测模型。该模型首先采用主成分分析方法对各个影响因子进行降维处理;然后,提出基于蚁狮优化算法(Ant Lion Optimizer,ALO)的长短时记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM),利用ALO中的随机游走以及轮盘赌等策略优化LSTM中的神经元数量,以捕捉渗压数据在时间维度上的深层信息;进一步地,在特征维度上引入特征注意力机制计算各影响因子对渗压效应量的贡献率,以自适应挖掘渗压效应量变化的内在原因。案例分析表明,本文所提模型具有较高的精度,其在测试样本上的MAPE、RMSE和MAE分别为0.28%、0.022 m和0.17 m;此外,水位分量对渗压效应量的贡献率最大,为47.9%;其次是降雨、温度和时效分量,其贡献率分别为33.5%、9.8%和8.8%。
    2022  Vol.  53(4):    403-412    [摘要](119)    [PDF](106)
  • 先导式泄压阀水力瞬变的仿真
    杨开林
    先导式泄压阀是一种先进的防水击危害的智能水力装置,具有根据管道水压的变化自动做出开启或者关闭的功能。本文建立泄压阀水力瞬变流量、水压与泄压阀开度的函数关系,提出泄压阀主阀开度响应水压变化的递进模型,并设计出计算机数值仿真先导式泄压阀响应水压变化的动作过程的方法和程序。最后,以实际工程为例,研究了管道承受负压的能力,以及先导式泄压阀口径和线性启闭时间对水力瞬变的影响。结果表明:泄压阀在水击过程中并不总是能完全开启,只是部分开启,甚至仅开启很小的开度,从而影响对后续突然升高冲击水压的消减效果,这在今后水击危害防护分析中应引起重视。
    2022  Vol.  53(4):    413-420    [摘要](88)    [PDF](73)
  • 干湿循环作用下原状黄土宏-微观参数关系研究
    刘禹阳,王耕,来弘鹏,谢门东,安驰
    为探明不同干湿循环条件对原状Q2黄土宏观力学性能与微观结构的影响,明确宏观力学参数与微观结构参数的定量关系,开展了干湿循环试验、三轴压缩试验和扫描电镜试验,分析了干湿循环过程中原状黄土宏观强度和微观结构的变化规律,基于综合结构势思想,利用宏观力学参数定义了原状黄土可变性参数表达式,推导了用以描述黄土微观孔隙结构特征的孔隙特征参数,建立了原状黄土宏-微观参数关系表达式。结果表明:干湿循环作用下,原状黄土孔隙面积比和分形维数呈增长趋势,黄土峰值偏应力和黏聚力持续减小,干湿循环幅度越大,下限含水率越高,黄土孔隙结构的扩张和宏观强度的衰减越快,但内摩擦角变化不大;原状黄土的可变性可用宏观峰值偏应力与土体黏聚力的比值表征,即可变性参数,随着干湿循环次数的增加,原状黄土可变性参数整体呈非单调增长趋势变化;原状黄土的微观孔隙结构特征可用孔隙面积比和孔隙分形维数的乘积表征,即孔隙特征参数,其与可变性参数的变化关系和三角函数接近;原状黄土峰值偏应力与孔隙特征参数的比值随黏聚力的变化规律服从指数函数关系,经验证,该函数关系可较为合理地描述原状黄土宏观和微观参数间的数量关系。
    2022  Vol.  53(4):    421-432    [摘要](92)    [PDF](81)
  • 基于多源数据与多模型集成的流域人为蒸散发变异评估
    韦林,段凯,刘效东,林玉茹,陈晓宏,王小辣
    人类活动对流域蒸散发的干扰日益显著,然而实测蒸散发数据稀少,且尺度差异与空间异质性等问题限制了大尺度陆面模型与遥感产品在人为蒸散发评估中的适用性与可靠性。本文提出了一种基于多源数据与贝叶斯模型平均的人为蒸散发变异评估框架,并应用于珠江流域。结果表明,通过综合利用地面观测(降水、径流、潜热通量)、社会统计(水资源开发利用)、卫星遥感(GRACE卫星)、与陆面模型(Noah、CLSM、VIC、ERA-Interim)等数据集,并以概率方式集成多个优选模型的模拟结果,可有效提高评估结果的可靠性。2003—2016年,人类活动导致珠江流域蒸散发增大21%(137 mm/a),人为变异的年内最大值与最小值分别出现在5月(+38 mm/月)和7月(-27 mm/月),月际振荡可能主要受灌溉耗水、水库调蓄等因素影响。
    2022  Vol.  53(4):    433-444    [摘要](125)    [PDF](85)
  • 冰上石笼自然沉排的冰热力学和力学理论及应用
    李春江,李志军,杨宇,王庆凯,张宝森,邓宇
    为了有效实施冰上石笼的自然沉排,2020—2021年冬季在黄河什四份子弯道开展了现场试验。综合该冬季气象资料、石笼沉排周边冰面变形观测资料、实测冰厚资料以及以往冰力学成果,得到黄河什四份子石笼自然沉排试验期间的冰-水界面热通量9.06 W/m2和冰层长期载荷下承载力衰减系数0.08,构建包含冰厚、冰温和衰减时间的冰层承载力表达式。在此基础上,按照黄河冰上石笼自然沉排施工时间120 h计算,给出黄河宁蒙段无缺陷冰层和有缺陷冰层实施冰上石笼自然沉排的冰厚、气温组合安全分界条件,并建议含有气泡、泥沙和细小裂缝的小缺陷冰层,施工安全冰厚增加10%;当冰内裂缝深度超过冰厚50%或裂缝内有水流的大缺陷冰层,施工安全冰厚增加40%。
    2022  Vol.  53(4):    445-455    [摘要](75)    [PDF](56)
  • 基于水循环的分布式水资源调配模型开发与应用
    杨明智,许继军,桑连海,刘强
    自以水循环为基础的水资源动态配置模式提出以来,一批基于耦合分布式水文模型的水资源配置模型被先后提出,但其采用的耦合方法往往忽视了经济社会用水过程与天然水文过程之间的动态反馈作用。本文通过改进SWAT模型,并嵌合水资源配置模块,开发了基于水循环的分布式水资源调配模型(Water resources allocation andregulation model based on the SWAT,SWAT-WARM),从模型结构、耦合方法、配置规则等方面系统描述了模型的双向耦合原理。以唐河流域为例开展模型的构建与应用研究,采用包含河道流量过程、特征频率径流总量、国民经济用水量和水资源开发利用量的多指标校验方法验证模型的性能,在此基础上,分析了不同时空尺度的水资源配置结果以及全流域年度水循环转化情况。分析结果表明,该模型通过分布式水文模拟和水资源配置模拟的动态结合,能够描述“自然-社会”水资源复杂系统的实时互馈过程,可为流域水资源精细化管理提供技术支撑。
    2022  Vol.  53(4):    456-470    [摘要](188)    [PDF](137)
  • 多级串联明渠调水工程多目标水位预测控制模型研究
    孔令仲,雷晓辉,张召,朱杰,王浩
    针对传统的明渠水位预测控制模型无法考虑闸门调控次数限制的问题,本文在以往的预测控制目标中加入了流量调整惩罚量,构造了多目标渠池水位预测控制模型;并采用带有精英排序策略的遗传算法来进行复杂优化问题的求解。将此模型应用于南水北调中线干线工程最后6级渠池的虚拟仿真模型中对模型可靠性进行分析,结果表明在两种测试工况中,本文的多目标预测控制模型相比于传统预测控制模型,能在保持相似的水位控制效果同时使得闸控次数降低43%和52%;而且采用遗传算法求解能考虑闸门死区带来的流量最小变幅约束问题,在需要提前进行流量微调的情况下生成更加合理的调控方案。本文结果也表明,基于水位状态预测模型构造多目标预测控制模型,并采用启发式算法进行优化问题求解,这一思路具有一定可行性。
    2022  Vol.  53(4):    471-482    [摘要](123)    [PDF](73)
  • 刺激鱼类自然繁殖的生态调度和适应性管理研究进展
    林俊强,李游坤,刘毅,彭期冬,张迪,靳甜甜
    水库调控下的水文情势、河道环境与鱼类行为之间如何驱动响应,促进生态良性循环的反馈调节机制如何科学建立,现有水库生态调度方案如何优化调整,是近年来我国试验性生态调度工作中面临的一连串新问题,也是我国马上步入后水电时代水库可持续运行与适应性管理迫切需要考虑的问题。通过系统调研和梳理总结,综述了水库调度环境下的鱼类生态响应与生态调度方面的研究进展,认为适应性管理闭环的顶层设计、人工调度环境下的鱼类行为响应机理、刺激鱼类行为响应的水文过程反馈调节机制,以及生态调度实践初期面临的小样本问题,是当前研究的难点和下一步亟待攻克的科学问题。在此基础上,提出了从“驱动力—状态—响应”这一逻辑链条有机串联和系统研究“水文过程—河道环境—鱼类行为”之间复杂响应与互馈关系的设想,并对未来生态水文学、生态水力学和鱼类生态学等多学科的贯通发展,以及新一代计算机和信息技术在本领域的尝试应用进行了展望。
    2022  Vol.  53(4):    483-495    [摘要](82)    [PDF](60)
  • 以降低洪水位为目标的河道疏浚规模与效果研究
    郭庆超,陆琴
    疏浚作为一种清淤工程措施在河道治理、水库库容恢复、航道和港池维护、河湖污染物移除等方面得到广泛应用。由于担心疏浚后发生回淤,疏浚效果不能长期维持,疏浚很少作为一种工程措施在河道防洪治理得到应用。然而,在流域来沙大幅减少的背景下,对河道实施一定规模的疏浚以扩大行洪能力,不仅是可能的,而且不会发生严重回淤,疏浚效果可以长期保留。本文针对如何论证疏浚对提高防洪能力的效果、如何确定合理疏浚规模等科学技术问题开展了研究。建立了主要水力和断面因子与流量或水深的单因子关系,简化了计算公式,提高了解决实际问题的能力。推导了疏浚对降低洪水位和增加行洪能力的计算公式,提出了确定河道合理疏浚规模的技术方法。以松花江和淮河的基本资料为参考,给出了论证疏浚对降低洪水位效果和确定河道合理疏浚规模的计算案例。研究成果可为以降低洪水位为目标的河道疏浚规模确定和效果论证提供理论依据。
    2022  Vol.  53(4):    496-503    [摘要](108)    [PDF](59)

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