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  • 水利学报
  • 2016年 第47卷 第8期
  • 出刊日期:2016-8-28
《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8期

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  • 基于并行混沌量子粒子群算法的梯级水库群防洪优化调度研究
    邹强,王学敏,李安强,何小聪,罗斌
    梯级水库群防洪优化调度问题规模庞大、结构复杂,涉及大量的决策变量和复杂的约束条件,各水库、各时段之间的水位、流量存在复杂的耦合关系,呈现出高维度、非线性、强约束特性,传统的优化方法难以直接求解或者计算效率低,存在早熟收敛问题。研究工作试图将量子粒子群算法(QPSO)引入到水库群防洪优化调度问题中,为了提高算法的全局搜索能力和收敛性能,对标准QPSO做了改进,包括利用混沌思想初始化种群、自适应激活机制和精英粒子混沌局部搜索策略3个方面,并引入多核并行计算技术以降低计算时间,提出了并行混沌量子粒子群算法(PCQPSO),函数测试证明了PCQPSO的可行性、稳定性和高效性。将PCQPSO应用到水库群防洪优化调度问题中,与POA、QPSO进行对比分析,结果表明PCQPSO收敛效率快、求解精度高,为解决梯级水库群防洪优化调度问题提供了一种有效的新思路。
    2016  Vol.  47(8):    967-976    [摘要](49)    [PDF](8)
  • 考虑多层非饱和土降雨入渗的边坡稳定性分析
    石振明,沈丹祎,彭铭,张璐璐,张发旺,郑小站
    降雨是诱发滑坡的最主要因素之一,降雨入渗将显著降低非饱和土的基质吸力,从而降低边坡土体抗滑力。本文提出了考虑降雨入渗的多层非饱和土边坡稳定性分析方法。首先改进Green-Ampt入渗模型,提出适合多层非饱和土边坡降雨入渗的计算方法;然后得到各层土体在入渗各阶段的强度参数值;最后,采用强度折减法计算整个边坡在入渗条件下的安全系数。将本方法应用于广州大夫山滑坡案例发现滑动面和实际情况接近,为短期强降雨诱发的浅层滑坡。分析了不同降雨强度和历时对滑坡稳定性的影响,结果表明:降雨入渗导致边坡潜在最危险滑面的位置主要在浸润锋处或土体与基岩交界处。低强度长历时的降雨过程中,雨水入渗深度较大,易发生深层滑动;在高强度短历时的降雨过程中,雨水入渗深度较小,更易发生浅层滑动;随着降雨强度和降雨时间的增加,入渗深度增加,进而降低边坡的稳定性。
    2016  Vol.  47(8):    977-985    [摘要](25)    [PDF](5)
  • 干湿交替下开裂混凝土中水分传输的细观数值分析
    王立成,鲍玖文
    对于海洋浪溅区或潮汐区的混凝土结构,水分主要以气相和液相两种形式存在于混凝土内部孔隙结构中。基于混凝土毛细吸水的非饱和流体理论,建立了干湿交替下开裂混凝土中水分传输的一维非线性方程。考虑水分在干燥与湿润阶段传输的滞后性,分别建立了干燥和湿润两阶段单条裂缝处水分的传输速度模型。在细观层次上,将混凝土看作由粗骨料、砂浆、界面过渡区(ITZ)以及裂缝所构成的四相复合材料,利用含单条裂缝的二维格构网络模型,开展了干湿交替下开裂混凝土中水分传输的细观数值仿真分析。通过与已有文献中的试验数据对比,验证了所建立的干湿交替下开裂混凝土中水分传输模型的正确性。利用以上数值模型,进而分析了干湿循环机制(干湿循环时间比、循环次数)以及裂缝宽度对水分分布的影响规律。结果表明:对于给定裂缝宽度,干湿循环时间比和循环次数决定着裂缝处和垂直裂缝方向的水分含量分布;当裂缝宽度介于0.05~0.3 mm时,裂缝处和垂直裂缝方向的水分含量随着裂缝宽度的增大而减少。
    2016  Vol.  47(8):    986-995    [摘要](23)    [PDF](2)
  • 亚热带农业小流域暴雨过程硝态氮迁移特征及水文示踪研究
    王芮,唐家良,章熙锋,申东,翟龙波,朱波
    为揭示亚热带丘陵区农业小流域暴雨过程中硝态氮迁移规律及其主要水文输送途径,本研究通过对紫色土丘陵区典型农业小流域典型暴雨过程跨尺度(从3~1 236 hm2)连续监测,分析径流硝态氮迁移动态特征及其尺度效应,并对比δ18O和硝态氮作为示踪剂的端元混合分析(EMMA)解析结果,探讨硝态氮作为暴雨过程水文示踪剂的可行性。结果表明:(1)两场暴雨事件中源头小流域苏荣小流域(含集镇污水)径流中硝态氮浓度最高,而到达梯级小流域出口处(万安小流域)硝态氮浓度最低,林地来水的贡献是较大尺度小流域径流硝态氮浓度降低的主要原因,坡耕地壤中流补给可能是径流消退过程中硝态氮出现浓度峰值的主要原因。(2)EMMA模型解析结果显示:δ18O与硝态氮均能示踪农业小流域径流消退期间壤中流补给过程;但硝态氮在受人居活动强烈影响子流域的示踪应用需谨慎。以农业为主的亚热带丘陵区小流域中,硝态氮具有同时作为环境效应指示剂和水文示踪剂的潜力,但其应用效果仍有待于进一步验证。
    2016  Vol.  47(8):    996-1004,1016    [摘要](26)    [PDF]()
  • 芦苇占优势农田溪流营养盐滞留的水文和生物贡献分析
    李如忠,曹竟成,黄青飞,殷晓曦,严小三
    为解析大型水生植物大量生长情形的源头溪流营养盐滞留的水文、生物作用贡献,于2014年9月—2015年6月在南淝河流域某一芦苇占显著优势的农田源头溪流段,开展8次野外示踪实验,计算渠段雷诺数Re、弗劳德数Fr、曼宁糙率系数n等水动力学参数,估算NH4+、PO43-的总滞留率以及水文、生物过程的实际滞留贡献率和相对滞留贡献率。结果表明,整个研究期间溪流水体表现出显著的紊流特征,水流流态属于缓流类型,渠道曼宁糙率系数n变化范围为0.066~0.112,平均值为0.089;NH4+总滞留损失率变化范围为9.17%~28.27%,平均值为14.68%,水文作用和生物过程对NH4+实际滞留贡献率平均值分别为10.12%和4.57%,相对贡献率平均值分别为72.51%和27.49%,表明NH4+滞留损失主要来自水文过程的影响;PO43-总滞留损失率变化范围为5.75%~17.79%,平均值为12.53%,水文作用和生物过程对PO43-实际滞留贡献率平均值分别为10.12%和2.41%,相对贡献率平均值分别为81.42%和18.58%,表明PO43-滞留损失也主要来自水文因素的影响;nReFrQ均呈显著的幂函数关系,而实际滞留率ηNH4ηPO4nRe之间均没有表现出明显的相关关系。
    2016  Vol.  47(8):    1005-1016    [摘要](25)    [PDF](1)
  • 生物膜泥沙床面对水体紊动影响的实验研究
    程伟,方红卫,黄磊,赖豪杰,何国建
    泥沙床面生长生物膜后水流紊动特性将发生变化,进一步影响到泥沙的起动,悬浮和输移特性。本文采用d50<0.1 mm的天然沙,对相同水流条件下无生物膜生长和有生物膜生长床面以上的水流内部结构进行研究。实验中采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了垂向流速,对比分析了生物膜生长前后,时均流速、雷诺应力、紊动强度以及紊动猝发事件在垂向上的变化,并初步分析了这些变化对泥沙运动的影响。结果表明:生物膜生长后,同流量条件下的垂向平均流速增加,床面阻力减小;对比无膜沙床面,有膜沙床面在发生冲刷的水力条件下,雷诺应力、紊动强度均有所减小,从而会影响到悬沙的浓度分布;同时猝发事件发生率在垂向上的变化也使得生物膜泥沙床面的泥沙起动更加困难。
    2016  Vol.  47(8):    1017-1024    [摘要](23)    [PDF](6)
  • 基于不同生物类群的河流健康评价研究
    李艳利,李艳粉,赵丽,徐宗学,孙伟
    基于浑太河流域鱼类与大型底栖动物群落结构和功能层面上的指标,构建了多指标指数评价河流健康状况。首先,基于土地利用指数、水质和栖息地质量指数构建ILWHQ(Index of land use and water and habitat quality)指数定量筛选参照点位。然后,采用判别分析、逐步回归分析、相关分析筛选对不同压力响应敏感的核心参数。最后,采用比值法计算其多指标指数(MMI-HT)。结果表明:筛选了5个点位作为参照点,共确定8个(鲤科鱼类种类数、底栖鱼类比例、杂食性鱼类比例、耐受性鱼类个体比例、产沉性卵鱼类比例、产沉性卵鱼类个体比例、EPT、黏附者比例)核心参数构建多指标评价指数。底栖动物核心参数对底质中粗颗粒物、悬浮物和电导率变化响应更敏感,而鱼类核心参数对底质中细颗粒物、氮素、DO和Cl-浓度变化响应更敏感。二者对多重环境压力响应的敏感性不尽相同。太子河流域的35个点位中,9个为健康,6个为亚健康,7个为一般,7个为较差,6个为极差。浑河流域的19个点位中,没有点位属于健康状态,5个为亚健康,4个为一般,5个为较差,5个为极差。太子河流域较差和极差的点位共占37.14%,浑河流域较差和极差的点位共占52.63%。说明相比于太子河流域,浑河流域的健康状况较差。
    2016  Vol.  47(8):    1025-1034    [摘要](23)    [PDF](1)
  • 两相泥石流龙头的非恒定运动过程及能量特征
    吕立群,王兆印,崔鹏
    两相泥石流通常会出现高陡的龙头,其集中了大量的粗大卵石和砾石,呈现间歇性或波动性的运动。两相泥石流的运动除了取决于流体本身的流变特征外,液相和固相之间的能量传递也起到了重要作用,利用能量分析方法来研究两相泥石流固相、液相和龙头之间的能量转化机理是研究两相泥石流非恒定运动的有效途径。通过野外两相泥石流原型和水槽实验,研究其非恒定运动过程,结果表明,两相泥石流的龙头在泥石流起动初始阶段逐渐增长,当运动到一段距离后,趋于稳定。龙头高度和速度都有波动特征,通过能量分析建立了物理方程,分析证明两相泥石流龙头运动的平均速度正比于沟道的坡降和激发泥石流的洪水流量,反比于龙头的体积。
    2016  Vol.  47(8):    1035-1044    [摘要](17)    [PDF](2)
  • 尾水隧洞通气孔进排气瞬态过程研究
    俞晓东,张健
    基于一维瞬变流理论和特征线法,采用自由气体空穴模型,并考虑气体的热力学特性,建立了尾水通气孔的过渡过程数学模型。结合该类水电站实际工程的水道布置及机械特性,建立引水发电系统过渡过程整体数学模型,模拟过渡过程工况下通气孔进排气及局部气液两相流。结果表明:通气孔进气可以有效缓解隧洞中的负压,但空气排出时伴随较大的撞击压力,其来源于被空气分隔的液柱重新弥合,发生直接水锤现象。通气孔面积较大时,撞击压力随着面积的增加而减小;通气孔面积较小时,撞击压力随着面积的增加而增加。根据其特性,提出通气孔结构优化方案,即进气时孔口全部打开,排气时只有部分孔口排气,当排气面积占进气面积10%左右时,压力振荡得到较好的控制。
    2016  Vol.  47(8):    1045-1053    [摘要](16)    [PDF](2)
  • 用分形几何理论研究圆管糙率及其实用意义
    张兰丁
    在已有紊流阻力定律与试验研究基础上,分析了当量糙率KS在计算紊流沿程阻力损失中的重要作用,以及我国水利工程沿程阻力损失计算和工程应用现状。以圆管内壁糙率为例,用分形几何理论研究了圆管糙率的分形特征,给出了圆管糙率分数维的数学模型和算例。论证了圆管糙率分数维和当量糙率KS的关系,分别讨论了管道纵、横向糙率分数维的计算方法,提供了将前人所建立的紊流阻力定律与试验结果直接用于工程实际的途径。
    2016  Vol.  47(8):    1054-1061    [摘要](21)    [PDF](5)
  • 碳化与硫酸盐溶液干湿循环后混凝土断裂韧度
    张廷毅,汪自力,郑光和,朱海堂
    为研究劣化作用对混凝土断裂韧度的影响,通过碳化、硫酸盐溶液干湿循环单一及交替作用后混凝土切口梁三点弯曲试验,探讨了碳化时间、硫酸盐溶液干湿循环次数对混凝土断裂韧度的影响。结果表明:碳化和硫酸盐溶液干湿循环均会对混凝土断裂韧度造成一定程度的劣化,劣化程度因子小于1。随着碳化时间和硫酸盐溶液干湿循环次数的增加,断裂韧度呈减小趋势;单一劣化作用时,随着碳化时间和硫酸盐溶液干湿循环次数的增加,劣化程度因子减小显著,且碳化时间、硫酸盐溶液干湿循环次数与劣化程度因子之间分别满足近似指数关系;由于碳化和硫酸盐溶液干湿循环的交互影响,单一劣化作用对断裂韧度的劣化程度逐渐呈现大于交替劣化作用影响的趋势。在分析试验结果的基础上,建立了劣化作用后混凝土断裂韧度计算模式,该模式有助于分析劣化作用后混凝土裂缝扩展并预测其断裂韧度。
    2016  Vol.  47(8):    1062-1069    [摘要](17)    [PDF](1)
  • 考虑摩擦接触特性的钢衬钢筋混凝土管道承载机理研究
    苏凯,张伟,伍鹤皋,石长征
    采用库伦摩擦接触模型模拟钢衬与外包钢筋混凝土间摩擦接触特征,建立了李家峡水电站坝下游面钢衬钢筋混凝土管道结构模型,系统研究了内水压力作用下外包混凝土起裂荷载、裂缝扩展、管道变形、钢衬与钢筋应力分布特征等承载性能规律。结果表明:考虑钢衬与外包混凝土间的摩擦接触机制时,混凝土裂缝扩展规律与模型试验吻合更好,钢衬应力更为均匀,混凝土裂缝宽度普遍在0.3~0.4 mm,明显大于不考虑摩擦接触特性结果;随着钢衬与外包混凝土间摩擦系数的增加,管顶附近的变形不均匀程度逐渐增加,钢衬应力不均匀程度增加,不利于发挥钢衬的承载性能,但同时上半周裂缝处的钢筋应力峰值明显减小,应变不均匀程度减小,说明摩擦系数的增加有利于裂缝控制。
    2016  Vol.  47(8):    1070-1078    [摘要](15)    [PDF]()
  • 冲击荷载作用的离散-连续耦合数值模拟
    贾敏才,陈纯,吴邵海
    强夯、冲击碾压工法广泛应用于水库堤坝、港口等水利工程。目前,冲击荷载作用下,复杂的动力响应研究主要依据室内模型试验和工程经验,数值模拟研究较少。本文结合离散单元法和有限差分法的优点,建立了冲击荷载作用的离散-连续耦合数值模型。冲击荷载作用中心区域采用PFC2D中的滞回阻尼模型进行精细模拟,周围区域采用FLAC2D中的摩尔-库伦模型进行模拟。在离散模型中,得到离散颗粒作用于边界墙的合力与合弯矩,根据力的平衡原理,分配到连续模型边界节点上,同时考虑到耦合边界不能承受拉应力,进行二次调整,实现边界面应力的传递;并通过接收连续模型中边界节点的速度,来指定离散模型中边界墙的速度,实现边界面速度的传递。对比模型试验结果验证了冲击荷载耦合模拟的可行性,为今后堤坝、码头堆场等加固处理及动力稳定性分析提供一种新的研究手段。
    2016  Vol.  47(8):    1079-1086    [摘要](20)    [PDF](3)
  • 堤坝高聚物定向劈裂注浆试验与有限元模拟
    石明生,王复明,刘恒,郭成超
    利用自制的定向劈裂钻具,在土坝轴线方向布置若干定向劈裂孔,注入高聚物浆液,进行定向劈裂试验,结果显示:高聚物浆液能够沿预制裂缝扩散并劈裂土体,相互搭接形成2~3 cm厚的超薄防渗墙,墙体与周围土体结合紧密,形成复合防渗体系;采用黏结单元法对高聚物定向劈裂注浆进行数值模拟,计算得出的裂缝扩展长度和宽度与试验结果相近,为堤坝高聚物定向劈裂注浆方案的设计提出了一种有效方法。
    2016  Vol.  47(8):    1087-1092    [摘要](15)    [PDF](3)

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