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  • 水利学报
  • 2018年 第49卷 第4期
  • 出刊日期:2018-4-28
《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4期

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  • 明渠漂浮植被水流内部能量损失和传递规律研究
    槐文信,钟娅,杨中华
    明渠漂浮植被会对河道过流能力造成不利影响。本文针对明渠漂浮植被均匀流,基于前人的过流断面能量平衡理论,研究明渠漂浮植被水流过水断面上的能量传递规律和能量平衡机理,推导出了断面上能量提供、能量损失和能量传递的表达式和相应能量累积的表达式,基于Plew的实测流速和切应力得到沿水深方向上的能量累积分布。结果表明在任意点和任意平面上,能量提供均等于能量损失与能量传递之和,断面上的能量损失主要集中在漂浮植被区,并且在植被区和非植被区的交界面达到最大。断面内总的能量传递为零,植被区和河床底部产生的能量提供不能弥补其能量损失,需要其他流区的能量不断地向这两个流区传递。在近壁流区,紊动动能累积值与能量传递累积值几乎相等,说明近壁流区内的绝大部分能量转化为紊动动能,非常小的一部分因抵抗近壁流区中的阻力而在该区内转化为热能损耗掉。
    2018  Vol.  49(4):    397-403,418    [摘要](165)    [PDF](130)
  • 异重流潜入现象探讨Ⅰ:水槽实验与理论分析成果回顾
    范家骅,祁伟,戴清
    本文对异重流潜入现象中各种潜入点水槽实验、理论分析和数值计算成果进行回顾,并探讨不同进口水沙条件下异重流潜入点的水沙特性、潜入点与其下游异重流水沙因子的关系,全文以两篇分述。本篇介绍各家用浑水、盐水和冷水进行实验,在已知进口水沙(盐水或冷水)条件下,获得潜入点断面的密度Froude数Fp,且Fp为某一定值;水库壅水区Fp值在0.5~0.8之间,引航道口门处Fp在0.25左右。在潜入点理论分析、模型数值计算方面,探讨了潜入点Fp值同掺混系数、阻力系数以及潜入点下游异重流深度hd与潜入点水深Fp之比的关系;各家建立不同概化图形并应用能量、动量方程进行分析,求得不同形式的Fp表达式;有学者利用紊流水沙模型进行数值计算与水槽实验的Fp值或hp进行对比,获得基本符合实际的结果。
    2018  Vol.  49(4):    404-418    [摘要](98)    [PDF](64)
  • 干湿循环下改性混凝土硫酸盐腐蚀的断裂性能试验研究
    郭进军,杨梦,陈红莉,韩菊红
    分别掺入粉煤灰、矿渣粉、硅灰和聚酯纤维对普通混凝土进行改性,通过切口梁三点弯曲断裂试验研究干湿循环方式下受5% Na2SO4溶液腐蚀混凝土的抗裂阻裂性能。计算分析了腐蚀后改性混凝土的荷载-裂缝口张开位移P-CMOD曲线特性、断裂韧度与断裂能,给出抗腐蚀增韧系数的定义,并研究了硫酸盐腐蚀环境下改性混凝土相对于普通混凝土的增韧效果,探讨了不同腐蚀时期改性混凝土的劣化机理。结果表明:腐蚀后改性混凝土的P-CMOD曲线经历了损伤初弯段、比例弹性段、稳定扩展段和软化段4个阶段;随干湿循环次数的增加,改性混凝土的抗腐蚀增韧系数总体呈先增大后减小趋势;掺加25%粉煤灰可显著增强腐蚀早期混凝土的断裂韧度,掺入聚酯纤维、矿渣有利于混凝土腐蚀后期失稳韧度的提升和断裂能的增加,而掺入硅灰对腐蚀混凝土的增韧效果不明显。
    2018  Vol.  49(4):    419-427    [摘要](77)    [PDF](59)
  • 基于Bayes理论的田间层状土壤水分运动参数识别及不确定性分析
    林青,徐绍辉
    土壤水分运动参数是非饱和带水分及污染物运移研究的核心参数,根据点尺度土壤样本的室内稳态试验得到的水分运动参数往往不能准确反映天然条件下田间尺度土壤水分运动特征。本文基于为时2年的田间土壤含水量观测数据(2013年为率定期,2014年为验证期),通过土壤转换函数得到了VGM (van Genuchten-Mualem)模型水力参数的先验分布,建立了反演层状土壤持水和导水特征的贝叶斯模型,采用自适应差分演化(DREAMZS)的采样方法,结合Hydrus_1d模型,对田间尺度土壤水分含量预测模型进行优化及不确定性分析,获得了水分特征参数的后验分布,分析了最优参数组的模拟效果及模型预测的95%的置信区间。结果表明,基于DREAMZS采样的Bayes方法可以实现田间尺度层状土壤水分特征参数的率定及土壤水分动态的模拟预测。率定结果显示饱和导水率Ks最不敏感,饱和含水量θs最为敏感,可识别性较高,室内试验反演得到θs可用于田间土壤水分运动的模拟。随着土壤含水量模拟深度的增加,PUCI(单位平均相对宽度所包含的实测点数据比例)值越大,模型预测的性能越高。模拟结果的不确定性主要由模型结构所引起,所以对模型结构的修改完善是未来提高模型预测的关键。
    2018  Vol.  49(4):    428-438    [摘要](91)    [PDF](82)
  • 地埋式自升起喷灌装置设计原理分析
    谢崇宝,张国华,彭文启,王伟杰
    地埋式自升起喷灌装置能够解决固定管道式喷灌妨碍耕作、影响收获和拆装费工等问题。基于湿润土壤抗剪强度降低的原理,系统分析了装置破土过程中所需克服的最大阻力和有效推动力,推导形成了多类型土壤条件下的最小进水压强公式,研究了管径大小对破土的影响。研究结果表明,输水压强需达到0.7 MPa才能保证无出流的灌溉设备在所有类型土壤中实现破土,远大于喷灌的实际工作压力;灌溉设备顶部有出流的情况下,输水压强仅需达到0.15 MPa就可以顺利破土而出;当管径在0.01~0.09 m范围变化时,破土所需的最小进水压强随着伸缩管管径的增大而减小,当管径超过0.09 m,破土所需的压强基本不变。由此可知,本文针对地埋式自升起喷灌装置提出的设计原理分析方法,可为水力驱动自升降灌溉设备的结构优化与设计提供依据。
    2018  Vol.  49(4):    439-445    [摘要](79)    [PDF](51)
  • 水力式新型升船机关键技术研究
    马洪琪,曹学兴
    水力式升船机是我国具有自主知识产权的新型升船机。采用理论研究、物理模型试验、数学模型计算和现场试验与原型观测等研究手段,依托世界首座景洪水力式升船机的建设,针对水力式升船机的设计理论和方法、水力驱动同步技术及流量均衡和液面稳定技术、多重耦合作用下船厢倾斜机理与抗倾理论与技术、非恒定变速条件下船厢运行控制技术、高水头工业阀门防空化技术、微间隙机械同步系统制造安装技术等重大技术难题进行了全面系统研究,取得多项突破性研究成果,实现了70 m级水力式升船机平稳运行,为景洪升船机的建设和水力式新型升船机的推广应用奠定了坚实的基础。
    2018  Vol.  49(4):    446-455,463    [摘要](95)    [PDF](86)
  • 变化环境下七里山水域高洪水位研究
    周柏林,栾震宇,刘晓群,陈莫非,金秋
    七里山水域是洞庭湖汇入长江的江湖交汇区,受三峡工程及上游溪洛渡、向家坝水库运用清水下泄影响,江湖水沙输运、河道冲淤及河势演变、河段蓄泄关系、洪水位和泄流能力等出现诸多新变化,对长江中游特别是洞庭湖区的防洪蓄洪格局产生影响。在长江中下游水沙整体宏观数学模型的基础上建立了七里山水域二维水沙局部细致模拟数值模型,模拟研究了水库群运用后,在不同控制水位、不同蓄滞洪区启用条件下,针对各种典型洪水的防洪蓄洪问题。对于1998年型洪水,通过三峡等上游水库调节并抬高七里山控制水位0.5 m时,可不分蓄洪;对于1954年目标洪水,则需利用洞庭湖区24蓄洪垸和洪湖对等承担分蓄洪任务。
    2018  Vol.  49(4):    456-463    [摘要](81)    [PDF](58)
  • 考虑材料层次尺寸效应影响的混凝土力学性能理论预测方法
    李冬,金浏,杜修力,刘晶波
    大坝混凝土粗骨料粒径范围为5~150 mm,混凝土材料的宏观力学性能易随骨料级配等发生变化。本文从细观角度出发,提出了一种能够考虑材料层次尺寸效应影响的预测混凝土宏观力学性能的理论分析方法。结合混凝土材料内部细观结构形式,将其看作由粗骨料颗粒、砂浆基质以及界面过渡区组成的三相复合材料。假定骨料颗粒在混凝土受力过程中不发生破坏,采用双线性本构模型描述砂浆基质和界面过渡区的材料力学行为,基于断裂力学基本理论框架,推导得到了混凝土细观裂缝长度、宏观断裂能、单轴拉伸强度、特征长度以及脆性指数等力学参数的理论公式。基于本文提出的理论预测方法,分析了界面过渡区力学性能以及粗骨料级配、含量对混凝土宏观力学性能的影响。
    2018  Vol.  49(4):    464-473    [摘要](67)    [PDF](72)
  • 改进的圆形紧凑拉伸法研究混凝土双G断裂参数
    李庆华,种法澄,张麒,徐世烺
    双G断裂模型是双K断裂模型的延伸和补充。采用改进的圆形紧凑拉伸法进行试验,首先验证这种新型断裂力学试验方法能否获得稳定的双G断裂参数,并将公式K=√EG得到的双K断裂韧度与直接计算得到的结果相比较,进一步验证双G断裂模型和双K断裂模型在描述断裂性能方面的等效性。同时研究了两种断裂模型参数的尺寸效应。试验试件直径从150 mm到300 mm变化,共计分为4组。试验结果表明,采用改进的圆形紧凑拉伸法测得双G参数的数值较为稳定,离散性较小。双G断裂模型和双K断裂模型在描述断裂性能方面具有很高的等效性。在本文的尺寸范围内,当试件直径大于200 mm时,起裂断裂参数KIciniGIcini没有明显的尺寸效应,失稳断裂参数KIcunGIcun随着试件尺寸的增大而增大,但增长幅度不大。
    2018  Vol.  49(4):    474-482    [摘要](62)    [PDF](61)
  • 河流生态修复的顶层设计思考
    林俊强,陈凯麒,曹晓红,祁昌军,樊博,彭期冬
    我国河流生态修复工作发展迅速,近年来已在全国范围内大力推行,但从宏观战略方面,仍然缺乏河流生态修复方面的专项顶层设计来指导具体工作。针对这一问题,本文通过文献梳理和分析,提出了河流生态修复顶层设计思路,包括生态现状评价与胁迫因子识别、生态修复基点和修复目标确定、生态修复规划制定、生态修复措施实施、修复后适宜性管理与技术推广等关键技术流程,并结合国内外研究成果和实践经验详细阐述了其中的技术要点和实施建议。该成果可为今后河流生态修复规划、修复工程实践以及修复后管理等工作提供理论指导和参考借鉴。
    2018  Vol.  49(4):    483-491    [摘要](119)    [PDF](108)
  • 水泵水轮机增减负荷过程三维流动特性大涡模拟分析
    胡秀成,张立翔
    采用大涡模拟(LES)对水泵水轮机增减负荷过渡过程进行三维非定常数值模拟,捕捉到了不同开度下叶道中多种涡系结构,展示了叶道涡涡量分布,分析了水轮机工况及水泵工况小流量运行区的流动结构变化特性,揭示了水流进口攻角与叶道涡涡系结构关系,对各类叶道涡不同形态进行了研究并提出了马蹄涡识别变量,并对比分析了水轮机工况及水泵工况涡结构变化特性。计算表明水泵水轮机的水力稳定性与机组运行工况改变时的流动结构特性密切相关,在增减负荷过渡过程中,叶道涡结构的尺度及分布范围均随时间发生较大变化,是影响流态发生巨变的主要因素。
    2018  Vol.  49(4):    492-500    [摘要](86)    [PDF](91)
  • 应用PTV粒子追踪测速技术的鱼卵运动试验研究
    刘雪飞,林俊强,彭期冬,余康,陈永灿,庄江波
    鱼卵运动研究是了解自然河流中鱼卵漂流散布规律的力学基础,对鱼类早期资源估算、产卵场位置推算和鱼类栖息地修复等具有重要意义。本文应用PTV粒子追踪测速技术,通过20组不同水深、不同流速工况的水槽试验和200组鱼卵粒子群(直径为4 mm,比重为1.01)运动视频的图像处理,并结合理论推导解析鱼卵运动方程,系统分析了恒定均匀流条件下的鱼卵运动特性、主要影响因素及其作用机理。结果表明,鱼卵运动的主要影响因素为水流速度、鱼卵比重、鱼卵粒径和鱼卵初始速度。鱼卵纵向速度随水流纵向速度线性增大,其试验拟合结果为水流纵向速度的0.73倍;鱼卵垂向速度(沉速)主要受鱼卵比重和粒径的影响,与水流纵向速度无直接显著关系;鱼卵运动轨迹在小流速情况下近似线性下降,且轨迹斜率随流速增大而趋缓;当流速增大到0.93 m/s,鱼卵轨迹受水流紊动效应影响转变为伴随着个别鱼卵猝发跃移的波浪翻滚式下沉;水深对鱼卵运动速度和运动轨迹的影响相对微弱;鱼卵初始速度对其运动的影响仅在初始极为短暂的时间内。
    2018  Vol.  49(4):    501-511    [摘要](63)    [PDF](55)
  • 异齿裂腹鱼通过鱼道内流速障碍能力及行为
    金志军,马卫忠,张袁宁,陈明曦,谭均军,石小涛
    鱼类通过流速障碍能力是鱼道设计的主要生态指标,目前国内外主要使用封闭游泳水槽进行鱼类各种游泳速度指标及游泳行为研究,其水流流态及鱼类游泳行为与鱼类通过鱼道的实际状态有较大的差距,有必要结合鱼类游泳速度指标来探索能够更加准确量化鱼类通过鱼道流场的游泳能力测试方法。首先,在封闭游泳水槽中通过速度递增法测得异齿裂腹鱼临界游泳速度(101.01±20.86 cm/s)和突进游泳速度(196.94±21.80 cm/s);然后,以临界游泳速度和藏木水电站鱼道竖缝流速(110.00 cm/s)为参考,通过在开放游泳水槽内加不同束窄梯形体,形成类竖缝式鱼道的鱼类自主游泳能力测试水槽,开展两种底坡条件下4级短竖缝(工况1和工况2竖缝流速为101.55±14.87 cm/s、114.63±24.28 cm/s,竖缝顺水流长度均为40 cm)和单级长竖缝(工况3竖缝流速为137.45±17.63 cm/s、竖缝顺水流长度为160 cm)下试验鱼通过流速障碍能力和行为研究。试验结果表明:工况1、工况2下试验鱼通过4级竖缝成功率分别为82.05%、84.62%,通过流速大于临界游泳速度的竖缝时,持续爆发游泳时间为0.52±0.34 s;工况3下93.33%试验鱼以209.43±21.76 cm/s游泳速度成功通过单级长竖缝;3种工况下试验鱼通过流速大于临界游泳速度的竖缝时,以与突进游泳速度无显著性差异(P > 0.05)的恒定游泳速度(214.01±30.64 cm/s)上溯。鱼类游泳轨迹与流场耦合分析表明:鱼类上溯所需时间及路径长度与其选择的游泳路径密切相关,试验鱼通过借助回流区同向水流推动,增加上溯效率。本文研究方法及研究结论可为鱼道设计、改造、评价提供依据。
    2018  Vol.  49(4):    512-522    [摘要](77)    [PDF](64)

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