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  • 水利学报
  • 2020年 第51卷 第8期
  • 出刊日期:2020-08-30
《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。

2020年第51卷第8期

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  • 三峡水库消落带斜坡岩体劣化过程地质强度指标研究
    殷跃平,闫国强,黄波林,代贞伟,秦臻
    三峡库区消落带岩体劣化研究多针对室内岩样,难以应用到现场岸坡稳定性分析评价中。本文开展了水库实际运行状态下原位跨孔声波测试和井下电视,获取了不同深度下岩体物理力学参数,改进了GSI系统对岸坡劣化带岩体的描述,拓展了广义Hoek-Brown(H-B)准则在劣化带岩体强度动态评价中的应用,得出主要结论如下:广义H-B准则可以评估、描述原位岸坡岩体强度,结合水位循环消落原位跨孔声波测速,改进并构建了GSI量化取值方法;GSI结合广义H-B准则得到的特征深度强度包线表明,三轴受压应力状态可以提高岩体强度,且可明显抑制岩体劣化;脆-延转换线σ1=4σ3计算的H-B准则适用范围表明GSI系统对岩体劣化评价有宽泛的适用性,且随着GSI下降适用范围下降;通过指数回归构建了考虑劣化过程的GSIt)、Ermt)时效曲线,并基于GSIt)解得不同深度结构面处二、三维强度劣化包线。强度劣化包线显示表层结构面的劣化敏感性高于深层,且表层受劣化影响H-B准则适用范围下降最明显;结合多层面GSIt)曲线可得三维结构面GSIt,h)时空函数。这种基于消落带原位跨孔声波的GSIt)时效函数以及二、三维结构面强度劣化包线分析方法为岸坡岩体劣化评估、稳定性分析和工程治理提供了更加科学合理的新途径。
    2020  Vol.  51(8):    883-896    [摘要](274)    [PDF](213)
  • 黄河水沙关系协调度与骨干水库的调节作用
    张金良,练继建,张远生,罗秋实
    提出了水沙关系协调度的概念,认为黄河协调的水沙关系是指长时段内维持下游河道(主槽)不淤或微淤的水沙搭配过程。黄河下游冲淤平衡临界来沙系数是0.01 kg·s/m6,采用来沙系数和冲淤平衡临界来沙系数相对关系建立了黄河水沙关系协调度表达式。当水沙关系协调度大于1,说明某断面来沙系数大于河道冲淤平衡临界来沙系数,河道呈现淤积状态,水沙关系不协调;反之,当水沙关系协调度小于1,说明水沙关系协调,且数值越小说明协调程度越高。小浪底水库拦沙和调水调沙提高了水沙关系协调程度,减轻了下游河道淤积,但是小浪底水库拦沙库容淤满后,黄河下游的水沙关系会变为不协调,河道仍将处于淤积状态。
    2020  Vol.  51(8):    897-905    [摘要](262)    [PDF](140)
  • 基于多级闸门联合挡水的高坝大库快速深度放空技术研究
    杨家修,杜帅群,湛正刚,李晓彬
    目前高坝枢纽放空系统存在放空深度有限、放空速度慢、放空时段单一以及放空能力不满足应对突发险情要求的技术难题。本文基于反向水推力和分层流道接力泄水的原理,提出了连续多级闸门联合挡水的新型放空系统解决方案。该方案的创新之处在于,只采用常规工程经验范围内的水动力学、结构力学、电气设备等方面设计指标,即可实现高坝大库工程超深度、汛季及枯季全时段快速放空。此方案满足了高坝大库工程安全、梯级联合运行管理、健康诊断、升级改造、工程事故抢险、防灾应急等放空需求,可有效提升高坝大库工程运行检修的安全性和各类重大自然灾害及突发事件下的抗风险能力。工程设计案例表明,此深度放空技术具有可行性,并可以为国内外高坝工程的设计和改造提供借鉴和参考。
    2020  Vol.  51(8):    906-914    [摘要](129)    [PDF](91)
  • 冻融过程对膨胀土渠道边坡劣化模式的影响
    蔡正银,朱锐,黄英豪,张晨,郭万里,陈皓
    干湿作用和冻融作用是季冻土地区复杂环境的两种基本形式,深刻影响着输水渠道的长期稳定性。以北疆膨胀土渠道边坡为研究对象,开展了湿干循环及湿干冻融耦合循环作用下膨胀土渠道边坡劣化过程离心模型试验,探讨了湿干冻融耦合循环作用中的冻融过程对膨胀土渠道边坡劣化模式的影响。试验结果表明:湿干循环作用下膨胀土渠道边坡的劣化模式主要为浅层土体强度衰减和表面裂隙发育,同时伴随着显著的土体崩解剥落特征;湿干冻融耦合循环作用下膨胀土渠道边坡劣化过程中则未出现明显的土体崩解剥落现象,主要劣化模式为渠顶区域土体裂隙拓展、连通;湿干冻融耦合循环作用中的冻融过程使得渠顶处的渠水入渗量大幅增长,造成渠顶土体的干湿循环幅度增大,诱使膨胀土渠道边坡的劣化过程由浅层土体往深层土体发展,在宏观上表现为渠顶及渠坡水位线以上区域内裂隙的连通程度增高、拓展宽度及深度增大,并最终发展为贯穿渠顶的横向张拉裂隙。膨胀土渠道边坡在湿干冻融耦合循环作用下有着自贯穿渠顶的横向裂隙发生失稳破坏的趋势。
    2020  Vol.  51(8):    915-923    [摘要](154)    [PDF](79)
  • 南水北调中线受水区保定平原地下水质量演变预测研究
    曹文庚,杨会峰,高媛媛,南天,王哲,徐素娟
    由于多年大规模过度开采地下水,南水北调受水区保定平原地下水严重超采,部分含水层疏干,进而引发地下水降落漏斗、地面沉降及地裂缝等环境地质问题。随着南水北调工程通水,地下水压采工作持续推进,河湖生态补水工作的全面展开,华北平原局部地区地下水位已呈现回升趋势。本文针对华北平原典型区域——南水北调受水区保定平原开展地下水位回升条件下的水质演化预测研究,采用电位分布-多点位络合模型(CD-MUSIC)预测2030年浅层地下水位上升后,水岩相互作用过程中的表面络合作用、铁锰氧化物及氢氧化物的吸附作用、离子的竞争与协同吸附效应,以及不同矿物的溶解平衡反应。结果表明:至2030年保定平原浅层地下水位整体上升后,水质逐渐向盐化方向发展,HCO3-SO4型水代替HCO3型水成为保定平原主要的阴离子水化学类型,平原东部高阳-蠡县地区出现了Cl型水,Na-Ca型水成为保定平原中东部地区主要的阳离子水化学类型;地层中岩盐及石膏的矿物溶解造成平原西部的山前冲洪积扇地区TDS含量显著上升,平原东部浅层地下水漏斗区域受到强烈的阳离子交替吸附作用影响,Ca、Mg含量显著下降,TDS及硬度下降明显,水位恢复对地下水漏斗区域水质改善具有一定的积极作用。
    2020  Vol.  51(8):    924-935    [摘要](156)    [PDF](89)
  • 长江中游典型河段底栖动物的物理栖息地模型构建与应用
    班璇,郭舟,熊兴基,刘学勤,马雅雪,王洪铸
    考虑水生生物生境需求的物理栖息地模型被认为是评估河流流量变化对水生态系统影响的最可信的方法之一。本研究选取长江干流含有河漫滩的监利江段为实例,建立底栖动物各类群的物理栖息地模型,计算变化流量下栖息地适宜面积的时间序列,并据此进行生态流量决策。结果显示长江中游底栖动物最敏感的环境参数是流速,适宜范围为0~0.2 m/s;其次是水深,适宜范围为0~6 m。在考虑敏感环境参数的前提下,得出监利江段底栖动物的最佳生态流量为20 000 m3/s。三峡大坝蓄水后枯水期和平水期底栖动物适宜面积的低值部分减小,丰水期适宜面积增加。为了保护底栖动物栖息地,建议三峡大坝在防洪蓄水的同时能兼顾底栖动物的生态流量需求,调节枯水期和平水期的流量,让监利江段接近4000 m3/s,丰水期接近20 000 m3/s。在枯水年增大枯水期和平水期的流量,平水年增大枯水期的流量,丰水年减少丰水期的流量。本研究方法可以供长江其他河段目标物种的生态流量决策和生态修复方案设计参考。
    2020  Vol.  51(8):    936-946    [摘要](179)    [PDF](106)
  • 混凝土类材料弹塑性损伤问题的全隐式迭代法
    张立,李广凯,马怀发
    弹塑性全隐式迭代法将联立隐式迭代求解屈服条件、塑性流动方程和平衡方程。为了提高算法的收敛性,本文在迭代过程中引入了屈服应力的局部回映迭代。考虑到混凝土弹塑性损伤模型既可反映其塑性(不可恢复)变形又可反映其材料刚度的损伤弱化,因此可将混凝土类材料弹塑性损伤问题分解为弹塑性问题和损伤问题,应用弹塑性全隐式迭代法在有效应力空间计算弹塑性变形,再基于应变等效的原则,并通过损伤参数将有效应力转换为物理空间的实际应力。由此形成了混凝土类材料弹塑性损伤问题的全隐式迭代法。通过混凝土试件弯拉损伤破坏过程的数值模拟验证了该算法。数值计算表明,在有效应力空间的塑性变形处于强化状态下,损伤参数的大小只会影响实际应力,而不会影响塑性变形迭代求解的稳定性。另外,本文提出的全隐式迭代法可用于求解混凝土坝及其坝基岩体的弹塑性损伤问题。由于隐式迭代格式以全量的形式给出,在分析高混凝土坝非线性地震响应时,也可以全量的形式输入地震动荷载。
    2020  Vol.  51(8):    947-956    [摘要](112)    [PDF](74)
  • 混凝土坝健康状态态势诊断方法
    顾昊,朱延涛,顾冲时,黄潇霏,曹文翰
    混凝土坝受到水文、地质、环境及不可控因素的累积影响,易出现不同程度的老化、服役性能衰减甚至恶化等问题。这些问题若不及时被发现并有效解决,将严重影响混凝土坝的健康,因此亟待开展混凝土坝健康状态诊断方法的研究。以往常基于统计分析的方法,通过拟定监测效应量诊断指标来诊断大坝健康状态,但方法存在人为假定及物理意义不明确问题,影响了诊断的质量和客观性。针对上述问题,本文提出态势诊断方法,该方法从表征混凝土坝健康状态监测效应量时空变化维度出发,构建大坝状态转异面板数据分析模型,用于确定健康状态可能恶化的不利工况及发生的时间,并基于灰色关联理论和最大熵理论,建立混凝土坝健康状态影响因素与不利工况间的灰色投影关系,提出识别疑似存在健康问题的阈值确定方法,据此实现混凝土坝健康状态诊断。
    2020  Vol.  51(8):    957-966    [摘要](150)    [PDF](123)
  • 有压输沙管道脉动压强特性试验研究
    李岩,张金良,白玉川,万占伟,罗秋实,胡文励
    壁面脉动压强是工程上重要的研究对象,脉动强度直接影响泄洪排沙洞、输水隧洞(管道)等建筑物的稳定性和运行安全。为研究不同含沙浓度对壁面脉动压强特性的影响,以黄河细沙(d50=107μm)为研究对象,在直径80 mm的水平管道中进行模型试验,测量出每种工况下的流量、含沙浓度和脉动压强。采用统计方法对测量数据进行多方面分析,并结合快速傅里叶变换(FFT)方法研究了脉动压强的功率谱密度。试验结果表明,时均压强的沿程幅值和瞬时峰值压强均随含沙浓度增加而增大,相对脉动强度随着含沙浓度增大总趋势是减小的;脉动压强概率密度为脉动压强均值接近于零的正太分布,随着含沙浓度增加分布形态从瘦高型发展成矮胖型,压强振幅变大;脉动压强功率谱密度中低频分量随着含沙浓度变大有明显的增加。
    2020  Vol.  51(8):    967-978    [摘要](139)    [PDF](80)
  • 不同干密度压实黄土的非饱和渗透性曲线特征及其与孔隙分布的关系
    李华,李同录,张亚国,李萍,范江文
    压实黄土在水分入渗条件下容易产生湿陷、不均匀沉降等工程地质问题,因此有必要对其渗透特性进行研究。本文采用基于滤纸法的竖直土柱试验测试了3种不同干密度压实黄土全吸力范围的渗透性曲线。试验结果表明,压实黄土的渗透性曲线随着基质吸力减小分为缓升段、陡升段和饱和段三个阶段,且干密度越小的土三段特征越明显。压实黄土干密度的差异主要影响低吸力段渗透系数,干密度越大,渗透系数越小;基本不影响高吸力段渗透系数。由于渗透系数与孔隙分布密切相关,孔隙越多渗透性越强。因此本文用压汞试验测得了3种土样的孔隙分布曲线。试验表明不同干密度的压实黄土,微孔数量基本相同,对应吸力范围的渗透系数也相同;孔径为1.3 μm < d < 8 μm的小孔数量随干密度增大而减小,对应吸力范围的渗透系数也相应地减小;中孔、大孔数量很少,其对土样的渗透性的影响甚微。这反映了渗透性受孔隙分布控制的内在机理。
    2020  Vol.  51(8):    979-986    [摘要](126)    [PDF](84)
  • 基于高速摄像技术的推移质床面沙条带结构试验研究
    王浩,范洁铃,钟强,陈槐,陈铭,彭国平
    本文开展推移质平衡输沙试验,基于图像处理、PTV方法和卡尔曼滤波算法,分析床面推移质泥沙颗粒运动规律。在此基础上使用SFM方法重构床面三维地形并与颗粒运动对比,以研究推移质运动与紊流相干结构相互作用机理。结果表明:(1)通过本文方法,可从颗粒尺度较好识别推移质运动轨迹,为推移质运动机理研究提供新思路。(2)一定水流强度条件下(Θ=0.048,0.06),推移质运动强度在床面沿横向方向存在高低间隔的带状结构,水槽中间区域明显,至水槽两侧结构逐渐消失。(3)床面形成交替间隔的沙脊和沙垄结构时,沙垄区域推移质运动强度大,沙脊区域推移质运动强度小。(4)流向涡模型能够很好地解释推移质运动强度及床面沙脊沙垄结构沿横向间隔分布的特征。推移质床面沙条带结构和大尺度流向涡结构相互耦合,形成稳定的时间平均尺度床面结构。
    2020  Vol.  51(8):    987-996    [摘要](197)    [PDF](97)
  • 台阶式溢洪道滑行流相对水力特性规律研究
    马朋辉,胡亚瑾,刘韩生
    台阶式溢洪道消能效果显著、能大大减小下游消力池的尺寸、节省工程量和投资,但其水流规律复杂。本文对比研究了台阶式溢洪道和同体型的光滑溢洪道,并引入台阶式溢洪道相对流速、相对弗劳德数、相对消能率等3个相对水力参数。通过模型试验,分析了台阶式溢洪道流速、弗劳德数、消能率等常规水力参数及3个相对水力参数沿程变化规律、相对临界水深及溢洪道坡度对常规及相对水力参数的影响。分析结果表明:台阶式溢洪道常规水力参数沿程呈复杂的曲线变化规律,相对临界水深及坡度对常规水力参数的影响亦较为复杂,不便应用;台阶式溢洪道相对水力参数沿程表现出良好的线性相关关系,相关系数平均值为0.9887~0.9944;相对水力参数均随相对临界水深的增大而减小,随溢洪道坡度的增大而增大。通过对台阶式溢洪道相对水力参数沿程线性规律的定量分析,并结合光滑溢洪道成熟的水力计算理论,可为台阶式溢洪道复杂水力特性计算提供新方法。
    2020  Vol.  51(8):    997-1007    [摘要](102)    [PDF](76)

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