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  • 水利学报
  • 2016年 第47卷 第12期
  • 出刊日期:2016-12-28
《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。

2016年第47卷第12期

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  • 无黏性土中筒型基础静压下沉模型试验研究
    刘润,祁越,练继建
    筒型基础是海洋结构物特别是海上风力机的重要基础型式之一,其下沉阻力的研究是该种基础型式成功应用的关键。以往下沉阻力计算多以静力触探的锥尖阻力为基础,考虑渗流对土体有效应力的影响,通过试验确定筒侧壁与端部阻力系数得到最终的下沉阻力,但对于下沉过程中筒-土间的挤压特性及摩擦系数研究较少。本文开展了3种不同厚径比的筒型基础静压下沉模型试验,测量了下沉过程中筒内外侧壁及端部土压力与总的下沉阻力;基于孔穴扩张理论及土塞效应建立了筒内外土压力的计算方法;以地基承载力公式为基础推导了筒端土体阻力的计算方法。研究表明筒型基础下沉过程中筒土间摩擦系数约为0.4,DNV规范推荐的kf=0.001~0.003仅适用于计算筒外壁摩阻力,实测的筒内壁摩阻力远大于计算值,端阻力系数kp与土体的有效内摩擦角相关,kp=1.8时计算值与实测值吻合较好。
    2016  Vol.  47(12):    1473-1483    [摘要](3)    [PDF](2)
  • K+/Na+摩尔比对高碱含量水泥基材料早期开裂敏感性的影响
    何真,曹更新,李洋,胡玲玲
    利用椭圆环开裂仪、比长仪、等温量热仪、压汞仪(MIP)及扫描电子显微镜(SEM),重点研究了在高碱含量水泥基材料中,K+/Na+摩尔比对其早期开裂敏感性的影响及机制,并探究了粉煤灰对不同K+/Na+摩尔比高碱水泥基材料早期开裂敏感性的影响。结果表明:K+/Na+摩尔比每增加1倍,水泥基材料初始开裂时间缩短3%左右,主要作用机制在于,更高的K+/Na+摩尔比增加了水泥基材料水化速率和对收缩影响较大的孔径小于50 nm的孔分布,导致浆体内部毛细孔水含量降低,孔隙压力增加,早期收缩率增加,收缩应力增大同时水泥基材料抗拉强度和结晶度的下降,降低了水泥基材料基体抵抗拉应力的能力,使水泥基材料开裂敏感性增加;粉煤灰并不能改变水泥基材料早期开裂随K+/Na+摩尔比的增加而增加这种规律,但能有效降低水泥材料开裂敏感性,其作用机制在于粉煤灰延缓了水泥早期水化,在一定程度上降低了孔压力,早期收缩率降低,同时增加了水泥基材料基体抵抗拉应力的能力,使水泥基材料具有良好抵抗早期开裂能力。
    2016  Vol.  47(12):    1484-1492    [摘要](5)    [PDF](4)
  • 考虑水平薄弱层的碾压混凝土拱坝振动台试验研究
    冯新,张宇,范哲,朱彤,周晶
    由于碾压混凝土坝的施工工艺特点及特殊情况的出现,局部易形成薄弱层。为探究水平薄弱层的存在对拱坝地震超载能力与失效模式的影响,在振动台上进行了大坝模型动力破坏试验。模型的建立基于弹性力-重力准则,在相似关系设计时考虑了原型与模型材料力学特性的率敏感性,同时在动态加载条件下进行了含薄弱层的模型材料劈拉试验。选择模型基频对应的谐波逐级加载研究拱坝在超载作用下的反应。试验表明,拱端横缝的张开以及拱冠附近诱导缝的开裂释放了拱向约束,使得拱冠梁水平薄弱层处的梁向作用增强,易发生破坏。通过本次试验结果与不考虑薄弱层的研究结果对比,得出结论:水平薄弱层的存在并没有显著降低坝体整体超载能力,主要影响拱向约束减弱后,梁向位置进入悬臂梁加载模式后的失效模式。本文研究结果可为评估水平薄弱层的存在对拱坝超载能力与失效模式的影响提供试验依据。
    2016  Vol.  47(12):    1493-1501    [摘要](4)    [PDF](3)
  • 调水工程中相邻梯级泵站的开启时间差研究
    高学平,聂晓东,孙博闻,张晨
    为缓解水资源时空分布不均的供需矛盾,我国修建了许多梯级泵站调水工程。但对相邻梯级泵站开启时间的控制不当,会导致泵站站下水位低于最低运行水位,危及泵站的运行安全。为解决这一问题,本文通过建立梯级泵站级间区段的一维二维耦合数学模型,模拟不同调水工况下站下水位的变化,确定了科学合理的相邻梯级泵站开启时间差。应用此方法对南水北调东线下级湖段进行了研究,提出了不同工况下泵站开启的临界时间差和临界水位。基于年调水量和起调水位两个变量,利用Levenberg-Marquardt算法和Universal Global Optimization算法提出了临界时间差和临界水位的定量关系式,并以此作为梯级泵站开启的判定条件。研究成果可为南水北调东线工程的运行控制提供技术支持,对其他类似工程也有指导意义。
    2016  Vol.  47(12):    1502-1509    [摘要](4)    [PDF](4)
  • 沼蛤幼虫管道湍流灭杀试验研究Ⅱ:灭杀效果
    张晨笛,徐梦珍,王兆印,刘玮,于丹丹,王大强
    沼蛤(Limnoperna fortunei)作为典型入侵性底栖动物,可造成管道严重堵塞,威胁技术供水系统正常运转。前期试验研究了致紊材料对管道水力特性的改变,为验证致紊材料对管道沼蛤幼虫灭杀效果,本研究选用水力学试验推荐的4种致紊材料并采用普通和加密两种方式布置在管道中。分别进行了脉动灭杀试验(试验系统流量=0.018 m3/s)和死循环(系统补给流量≈0 m3/s)灭杀试验,采样和显微观测统计不同发育阶段幼虫的密度及死亡率。结果表明试验期间沼蛤幼虫基本处于前期壳顶阶段,经过脉动管后死亡方式主要为组织流出、组织脱落和壳体破碎。脉动试验中6 mm孔板对沼蛤幼虫灭杀效果最好,加密布置可以提升大孔径孔板和筛网的灭杀效果。采用幼虫相对体长d*(幼虫体长与Kolmogorov长度尺度之比)衡量致紊材料的灭杀效果,当下游主流区(d*max>0.7时灭杀效果明显。死循环在5 min内可以迅速提高沼蛤幼虫死亡率,之后死亡率基本稳定,所以如能保证幼虫在脉动场中被作用达一定时间,即能对其进行有效灭杀。
    2016  Vol.  47(12):    1510-1518    [摘要](4)    [PDF](4)
  • 均质土坝漫顶溃坝过程数学模型研究及应用
    钟启明,陈生水,邓曌
    国内外大量模型试验表明,“陡坎”式冲蚀是均质土坝漫顶溃决的重要机理。近年来,各国学者开发了一系列的考虑“陡坎”式冲蚀的溃坝过程数学模型,但模型均采用了“陡坎”出现在下游坡脚的假设。通过大比尺均质土坝漫顶溃决模型试验发现,对于坝高较大的均质土坝,“陡坎”出现的位置与漫顶水头和下游坝坡坡比存在内在联系,且“陡坎”的移动速率与坝料的物理力学指标相关,因此初始冲坑的位置和“陡坎”移动参数的选取对于溃坝过程模拟结果的合理性具有重要意义。本文借鉴国内外的漫顶溃坝过程数学模型,提出一个可考虑均质土坝漫顶溃决过程中“陡坎”移动的数学模型。该模型通过漫顶水流特征和坝体形状参数确定下游坡初始冲坑的位置,采用能量分析方法模拟“陡坎”移动,并通过室内与现场模型试验提出可考虑坝料黏粒含量、含水率、干密度等指标的“陡坎”移动参数;利用基于水流剪应力原理的冲蚀速率公式模拟溃口纵向下切与横向扩展;采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,通过极限平衡法分析溃坝过程中溃口边坡的稳定性,采用迭代的数值计算方法模拟整个溃坝过程。选择国内外典型的大比尺均质土坝漫顶溃坝试验和有实测资料的溃坝案例对模型进行验证,并研究了是否考虑“陡坎”冲蚀对溃坝模拟结果的影响;通过模型计算分析可以得出,本文提出的数学模型可合理模拟均质土坝的漫顶溃坝过程。
    2016  Vol.  47(12):    1519-1527    [摘要](4)    [PDF](2)
  • 无测站流域径流预测区域化方法研究进展
    于瑞宏,张宇瑾,张笑欣,刘廷玺
    无测站流域径流预测是地表水文研究的难题与挑战,而区域化方法,即将水文信息从有测站流域移植至无测站或缺测站流域估算径流量的过程,则为该问题提供了有效的解决办法。由于不同流域地文属性及气候特征各不相同,目前并无通用的方法,回归法、空间近似法及物理相似法是径流预测区域化研究中最常用的三种方法。基于此,本文阐明了三种方法的基本理论,综述了其研究进展、适用性及局限性,分析了区域化研究中常用水文模型及流域特征因子遴选的依据,总结了误差检验及不确定性分析的方法,并展望了径流预测区域化研究的未来发展方向。本文可为无测站流域区域化方法的选择提供基本依据与科学参考。
    2016  Vol.  47(12):    1528-1539    [摘要](3)    [PDF](3)
  • 黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究
    柴朝晖,方红卫,姚仕明,王茜
    黏性泥沙运动特性是河流海洋泥沙动力学研究热点之一。为研究紊动水体中黏性泥沙运动过程及其机理,以絮凝动力学方程为基础,通过设置不同粒径级别的泥沙絮团再悬浮量为下边界条件来反映黏性泥沙絮团的再悬浮,建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮动态过程数学模型。模型验证结果表明,新建模型可用于描述黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程,且具有一定的精度。最后以泥沙絮团体积分布为指标,探讨了强紊动水体中絮凝、沉降和紊动扩散在这一动态过程中的作用。研究结果表明,强紊动水体中,上层区域泥沙絮团分布的决定因素是沉降和紊动扩散;中部区域是絮凝;下层区域是絮凝和紊动扩散。
    2016  Vol.  47(12):    1540-1547    [摘要](2)    [PDF](2)
  • 深水水库下泄低温水治理挡水幕布受力研究
    盛传明,练继建,刘昉,徐宝
    挡水幕布是一种提高深水水库下泄低温水温度的结构,其受力研究对工程实施具有至关重要的作用。根据深水水库地形和总体布置,建立挡水幕布数值计算模型,应用FLUENT软件对流场、温度场及幕布受力进行数值模拟,并与模型试验进行对比。研究结果表明:挡水幕布实施后可提高下泄水温,流量越大,流态越不稳定,且幕布背流面负压区偏向电站一侧。距离电站越远、流量越大、过水高度越小,则幕布受力越大,水位变化对幕布受力影响不大,洪水时下放幕布是一种有效减小受力的方法。
    2016  Vol.  47(12):    1548-1557    [摘要](2)    [PDF](3)
  • 梯级泵站输水系统日优化调度及经济运行研究
    郑和震,张召,吴辉明,雷晓辉
    南水北调来水调入密云水库调蓄工程是北京南水北调配套工程的重要内容,前半段从团城湖通过6级泵站提升输水至怀柔水库。为实现工程高效经济运行,基于分时电价规则,建立大系统分解协调模型求解该工程日优化调度及经济运行问题。将大系统分解成3个子系统,先采用动态规划法实现各子系统的最优化,然后根据大系统的总体目标,依据各子系统之间的关联,实现大系统的全局优化。结果表明,模型实用性强,优化调度运行方案中低电价时段所分配流量较大,对于实现工程高效经济运行具有指导意义。
    2016  Vol.  47(12):    1558-1565    [摘要](3)    [PDF](2)
  • 干湿循环和化学腐蚀共同作用下单裂隙非贯通试样力学特征的试验研究
    韩铁林,师俊平,陈蕴生
    以水库库岸边坡消落带节理岩体的实际赋存环境为背景,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法来模拟节理岩体,通过干湿循环试验的方法,研究了裂隙试样在酸性Na2SO4溶液、中性Na2SO4溶液和碱性NaOH溶液中浸泡并经历干湿循环作用后的力学特性和破坏特征,分析了浸泡在不同化学溶液中的裂隙试样在经历不同干湿循环作用后其力学特征的变化规律。研究结果表明:自然及不同化学溶液下裂隙试样的峰值强度和弹性模量随着裂隙倾角的增加均呈现出先减小后增大的变化规律。不同化学溶液和干湿循环共同作用下裂隙试样的劣化程度逐渐加剧,其峰值强度和弹性模量随干湿循环次数的劣化规律基本一致,但不同裂隙倾角下其劣化程度却存在一定的差异,其中裂隙倾角为45°时,试样的劣化程度最大,90°和30°时居中,而60°和0°时最小。酸性化学溶液加剧了裂隙试样的干湿损伤劣化程度,而碱性化学溶液对裂隙试样却存在一定的抑制作用。完整试样和裂隙倾角为90°试样的破坏特征基本相似,为张拉破坏模式;0°时裂隙试样呈现为“H”型的张拉破坏模式;在30°和45°时其呈现出张剪混合破坏;60°时为剪切破坏。
    2016  Vol.  47(12):    1566-1576    [摘要](2)    [PDF](2)
  • 尾枪开闭对圆形喷灌机变量喷灌施肥均匀性的影响与改进
    马静,严海军,王春晔
    为了增加方形地块四角的灌溉面积,工程应用时经常在圆形喷灌机末端安装尾枪,而尾枪周期性地关闭和打开会改变喷灌机入机流量,导致喷灌施肥均匀性降低。为此本文设计了基于北斗技术控制尾枪开闭的圆形喷灌机变量施肥系统,并以安装D3000低压喷头和P85A摇臂式喷头为尾枪的圆形喷灌机为对象,研究了在尾枪关闭和打开两种工况下变量喷灌施肥均匀性。结果表明,圆形喷灌机行走状态下,尾枪关闭和打开两种工况时喷灌施肥均匀CUH*系数为66.1%~68.4%,电导率变异系数CV为0.9%~3.7%;圆形喷灌机停止状态下,尾枪关闭和打开两种工况时克里斯琴森均匀系数CU为98.2%~99.2%,电导率变异系数CV为0.9%~2.1%。试验过程中尾枪定位和开闭切换由变量施肥系统自动控制,表明研发的变量施肥系统运行稳定可靠。
    2016  Vol.  47(12):    1577-1584    [摘要](3)    [PDF](3)
  • 水库冰表层形变的现场观测与分析
    黄文峰,李志军,贾青,王妮
    冰层应变是决定静冰压力的主导因素。以红旗泡水库冰为例,开展不同方向上冰表形变的原位观测,改进现有冰温度应力计算模型来预测表层应力和评价边界约束、冰裂缝、风等环境因素对冰应力的影响。分析发现:冰层在边界约束下仍随冰温改变而伸长或收缩,日收缩量与膨胀量不等导致冰面产生残余形变,且呈各向异性;冰表层实际应变应由温度应变与环境调整应变组成,且第一主应变方向受寒潮和强风共同作用会发生偏转;冰应力模型表明环境调整应变可释放少量温度应力,但在冰温快速升高时,环境调整应变致使主应力明显高于温度应力。因此,静冰力计算模型不考虑因边界位移、冰层裂缝发展等引起的冰层形变(即环境调整应变)会产生较大误差。
    2016  Vol.  47(12):    1585-1592    [摘要](2)    [PDF](2)

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