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  • 水利学报
  • 2019年 第50卷 第7期
  • 出刊日期:2019-7-28
《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。

2019年第50卷第7期

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  • 混凝土劈拉开裂和裂缝自愈合机理
    王立成,武少赟
    采用混凝土圆盘试件,研究了劈拉加载下混凝土的开裂过程和裂缝形态,分析了试件劈拉应力-裂缝口张开位移曲线的特征,探讨了不同卸载位移下曲线的变化规律;对劈拉开裂后混凝土在不同环境中(海水、淡水和标准养护)的性能恢复规律和自愈合机理开展了试验研究。结果表明:混凝土劈拉开裂导致自身刚度降低,并且裂缝口张开位移越大,刚度降低越明显;自愈合产物与混凝土基体黏结强度较低,再次劈拉加载下试件刚度虽有恢复,但恢复值相对于初始刚度较小;裂缝自愈合是各种物理和化学过程综合作用的结果,愈合机理主要包括水泥的再水化作用、结晶作用、水泥水化产物的分解作用和颗粒杂质等的堵塞作用。
    2019  Vol.  50(7):    787-797    [摘要](227)    [PDF](194)
  • 15度斜式轴流泵装置水动力特性实验研究
    谢丽华,王福军,何成连,苏胜利,张树存,汪宝罗
    15度斜式轴流泵装置是我国近年在低扬程、大流量泵站引入的一种新型泵装置,由于出水流道前端呈S形弯曲,流道内的二次流导致某些工况下压力脉动和振动较大,这一问题尚有待深入研究。本文针对浙江盐官泵站技术改造所研制的新型15度斜式轴流泵装置进行了水动力学特性的实验研究。研究发现,与泵段相比,斜式轴流泵装置的最优工况点向负叶片角度和小流量区偏移。泵装置在较小叶片角度下的空化特性优于大叶片角度;当装置空化余量低到使泵装置效率下降1%时,叶片背面出现占据近1/3叶道区域的空化区。斜式轴流泵的飞逸转速在较大负叶片角度时可达额定转速的1.73倍。斜式轴流泵压力脉动在导叶出口、出水弯管和出水流道内明显高于常规立式轴流泵;从水泵进口方向看,当叶轮逆时针方向旋转时,斜式轴流泵装置出水流道隔墩左侧流量大于右侧。本文研究成果为大型斜式轴流泵站优化设计和稳定运行提供了新的科学依据。
    2019  Vol.  50(7):    798-805    [摘要](132)    [PDF](113)
  • 拱坝沿建基面抗滑稳定的体安全系数及其工程应用
    孙平,汪小刚,王玉杰,段庆伟
    对于坝基岩体发育有顺坡向结构面等复杂地质条件的拱坝,通常需要核算大坝沿建基面单滑面或多个平面组成的复合滑裂面的抗滑稳定性,但目前尚无为工程界公认的计算方法,现行拱坝设计规范也未作出明确规定。本文采用非线性有限元与传统的刚体极限平衡法相结合的分析方法,将滑裂面、坝基面、临空面与结构面相互切割、组合形成的潜在滑体作为研究对象,以坝基岩体内部发育的陡倾角结构面为分界面,将滑体离散为多个按串联或并联方式排列的块体,利用各块体的静力平衡条件与相邻块体间的变形协调条件,分析滑体在拱推力等外力作用下的抗滑稳定安全系数,即体安全系数。结合小湾拱坝工程,开展大坝沿坝基岩体发育的浅层卸荷裂隙抗滑稳定性的分析计算,通过实例分析表明本文方法的合理性与工程实用性。
    2019  Vol.  50(7):    806-814    [摘要](185)    [PDF](123)
  • 库区滑坡涌浪传播及其与大坝相互作用机理研究
    邓成进,党发宁,陈兴周
    库区滑坡涌浪可能危及大坝及下游安全,基于流体动力学的滑坡涌浪数值模拟可获得完整的分析数据,将成为研究滑坡涌浪与大坝作用过程的重要手段。本文以某大坝上游约1300 m的3#变形体滑坡涌浪为研究对象,建立库区三维滑坡涌浪数值模型,并通过水工物理模型试验对其模拟精度和有效性进行了验证。研究结果表明,数值模拟得出的涌浪高度变化、水面起伏过程与水工物理模型试验结果基本一致,数值模拟能反映滑坡涌浪传播及其与大坝相互作用的整个过程。最后基于数值模拟获得的数据,分析了滑坡涌浪与大坝作用过程,以及坝面动水头与坝前涌浪高度的变化关系。分析认为,库区水体反复震荡、叠加而形成的涌浪对下游沿岸安全危害可能更大,大坝坝顶及下游有必要采取避险措施;最大动水头小于涌浪高度,若采用静力方法计算分析坝体稳定应力,其结果偏于安全。
    2019  Vol.  50(7):    815-823    [摘要](148)    [PDF](115)
  • 溶质运移中多孔介质弥散度影响因素的SPH模拟研究
    饶登宇,白冰
    借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,本文从流体质点运动和溶质扩散的物理本质出发,设计并进行孔隙尺度下多孔介质中溶质运移的仿真实验,进而分析多孔介质弥散度影响因素,并讨论弥散度与多孔介质结构参数的关系。通过离散化N-S方程和Fick扩散方程,建立描述孔隙水流动的SPH水动力模型和描述溶质分子扩散的扩散模型,求解出在低Pe数下对流扩散方程的一维定解问题,检验了模型的准确性。在高Pe数流场中,进行了恒定流速的黏性流体穿透多孔介质薄层的仿真实验,计算结果可准确模拟出过水断面上各流体质点的流速差异、流体质点在多孔介质中的弥散过程以及流体质点的迂曲绕流过程;通过建立三段理想化的孔隙通道模型,发现在迂曲路径相同时,速度差对机械弥散度仍有显著影响。最后,为探究弥散度与多孔介质结构参数的关系,生成了多组随机粒径的二维多孔介质进行溶质穿透仿真实验。计算结果表明,弥散度与流速变异系数、迂曲度、迂曲路径差以及不均匀系数大致呈正相关,与孔隙率呈负相关。
    2019  Vol.  50(7):    824-834    [摘要](142)    [PDF](118)
  • 典型盐碱地改良区农田排水沟水体与底泥界面氧通量研究
    潘延鑫,冯绍元,罗纨,贾忠华,井思媛
    农田排水沟水体与底泥中的氧含量决定了底泥中各种生源要素的最终归趋,对维持农田排水沟的水环境至关重要。本论文以陕西富平县卤泊滩盐碱地改良区农田排水沟水体与底泥为研究对象,从环境微界面角度出发,根据多年监测数据构建室内试验,采用高分辨率微环境固液剖面传感系统(丹麦Unisense微电极系统),探究了研究区农田排水沟水体与底泥界面氧通量变化规律。研究结果表明:底泥中的溶解氧随深度的增加逐渐减小,直至溶解氧浓度为零,到达厌氧层;溶解氧剖面浓度的实测值与Profile模型模拟值的相关系数均在0.995以上,表明该模型能客观地描述溶解氧在农田排水沟水体与底泥扩散边界层和底泥中的分布;农田排水沟上游不同监测点位的底泥含氧层厚度在3.5~6 mm之间,而下游监测点位的底泥含氧层厚度约为1.5 mm,差异显著;通过氧浓度线性分布、剖面拐点法得到氧气扩散边界厚度,上游监测点位的氧气扩散边界层厚度基本在1 mm,而下游监测点位的氧气扩散边界层厚度减少至0.2 mm。农田排水沟水体与底泥界面氧通量的测定,对于认识农田排水沟底泥的地球化学过程及水环境作用机理具有重要意义,可为农田排水沟水环境治理提供参考依据。
    2019  Vol.  50(7):    835-843    [摘要](378)    [PDF](246)
  • 预应力钢筒混凝土管体外预应力加固试验研究
    赵丽君,窦铁生,程冰清,夏世法,张弢,毕然
    预应力钢筒混凝土管(PCCP)断丝后,管芯混凝土在荷载作用下会发生开裂,影响PCCP的承载能力。目前针对PCCP断丝管的加固有多种方法。其中利用钢绞线施加体外预应力加固PCCP断丝管的方法能够主动补偿由于断丝导致的预应力损失,同时做到整个管线减压不停水。本文通过PCCP加载-断丝-管体管芯混凝土开裂-减压-施加体外预应力-加载到设计荷载的全过程原型试验,研究了PCCP体外预应力加固效果。并针对试验过程中各阶段PCCP管体的力学特性和变形特点进行分析。试验结果表明,通过钢绞线对PCCP断丝管施加体外预应力进行加固,管体裂缝闭合,承载能力恢复至设计内压0.9 MPa,钢绞线仍处于弹性阶段,管体水密性良好,加固效果明显。
    2019  Vol.  50(7):    844-853    [摘要](115)    [PDF](101)
  • 基于GF-1卫星数据监测灌区灌溉面积方法研究——以东雷二期抽黄灌区为例
    宋文龙,李萌,路京选,卢奕竹,史杨军,贺海川
    由于田块破碎、灌区信息化水平不高、土壤墒情反演困难等原因,在我国开展较高精度灌溉面积遥感监测依然面临很多困难。基于GF-1较高空间分辨率卫星数据,通过光谱匹配方法像元尺度应用,并引入OTSU自适应阈值算法,构建了高分辨率灌溉面积遥感监测新方法。选择我国西北干旱半干旱区典型渠灌灌区即东雷二期抽黄灌区为研究区,对其2018年的主要粮食作物种植强度及其灌溉面积开展了遥感识别提取研究。结果表明,东雷二期抽黄灌区灌溉面积为81 571.58 hm2,其中双季轮作(小麦与玉米轮作)灌溉面积为40 335.88 hm2,单季小麦灌溉面积为15 276.94 hm2,单季玉米灌溉面积为14 059.14 hm2;各灌溉子系统灌溉面积由大到小排序依次是流曲、孙镇、兴镇、荆姚、刘集、蒲城和大荔;通过野外采样精度验证,结果总体精度为88.27%(Kappa系数为0.8308),与国际水管理研究所灌溉数据产品相比,能更有效识别小田块灌溉分布及建设用地信息,在作物种植强度及其灌溉面积分布方面更符合我国实际情况,可为干旱监测预警、灌溉面积监测、灌溉用水效益评估等提供技术保障。
    2019  Vol.  50(7):    854-863    [摘要](112)    [PDF](96)
  • 非对称尾部形状水翼水力阻尼识别方法研究
    曾永顺,姚志峰,杨正军,王福军
    水力阻尼是影响流激振动幅值预测精度的关键参数,是水力机械流激振动领域研究的热点问题。非对称尾部形状水翼在涡激振动和升力的联合作用下,振动响应的平衡位置具有时变特性,采用传统自由振动衰减法获得的水力阻尼比误差大幅度增加,甚至失效。为了克服传统自由振动衰减法应用局限,本文借助双向流固耦合数值模拟方法获得流激振动响应位移,通过带通滤波结合平衡位置校准,研究了动水环境中对称和非对称尾部形状水翼水力阻尼的识别方法。结果表明,数值模拟可较准确获取低阶结构模态和尾部旋涡脱落频率,相比实验结果,低阶弯曲模态频率、低阶扭曲模态频率和15 m/s流速下脱落涡频率最大偏差分别为7.58%、2.90%和1.42%;带通滤波可消除周期性涡激振动对响应信号的影响,水力阻尼比识别偏差度从7.51%下降到1.92%;平衡位置校准方法可采用多项式拟合法、线性插值法和光滑样条曲线法,所对应的水力阻尼比识别偏差度分别为34.93%、3.53%和0.16%。工程上,可优先推荐滤波结合线性插值法,在需要高精度水力阻尼比的场合,则必须采用滤波结合光滑样条曲线法。
    2019  Vol.  50(7):    864-873    [摘要](102)    [PDF](95)
  • 异参离散广义Nash汇流模型及应用
    闫宝伟,李正坤,霍磊,张俊,杨文发
    在广义Nash汇流理论基础上发展而来的离散广义Nash汇流模型,概念明确,结构简单,便于应用,但模型中各线性水库的调蓄参数K是相同的,致使其在河道地形(坡降和断面形状)变化较大河段应用时有其局限性。通过引入异参瞬时单位线及其S曲线,在离散广义Nash汇流模型概念解析的基础上,推导得出了异参离散广义Nash汇流模型,从而丰富了现有广义Nash汇流理论,扩大了离散广义Nash汇流模型的适用范围。实例分析表明,由于考虑了参数K的空间异质性,异参离散广义Nash汇流模型可以进一步提高河道洪水的模拟精度。
    2019  Vol.  50(7):    874-880    [摘要](108)    [PDF](81)
  • 基于全微分法的多主体梯级水电站群联合调度增益归因及分配
    马昱斐,钟平安,徐斌,芦璐,李昆朋
    公平、高效、合理的增益分配是开展多主体水库群联合优化调度的机制保障。以往基于水库库容、装机容量、发电量等单一指标或综合指标构建的按比例分摊方法,未能反映联合增益形成机制和径流变化对增益结果的影响。针对上述不足,本文将联合调度增益依照独立调度和联合调度情景下的效益差异进行逐项定量分解,提出基于全微分法的增益归因-分配模型:建立联合调度增益与时段弃水量、时段蓄量差、累积蓄量差的关系,采用全微分公式定量分解各水库增益贡献。实例结果表明:(1)全微分法可定量解构各水库各时段增益贡献及其物理成因机制,可得到满足增益分配基本原则的分配结果。(2)该方法综合考虑来水条件、水库参数、库群拓扑结构等因素对联合增益的综合影响,弥补了单一指标评价片面性的缺陷,避免了综合指标法中权重系数的确定问题及难以反映增益形成机理的问题。研究为多利益主体梯级水电站群增量效益分配问题提供了一种新的解决途径。
    2019  Vol.  50(7):    881-893    [摘要](111)    [PDF](82)
  • 湿陷性黄土地区一种雨水收集装置——埋深对变形影响的试验研究
    陶虎,张少英,万冰清,石喜,于清高
    黄土地区城市建设,地面雨水集中补充地下的过程中极易诱发黄土湿陷,产生局部不均匀沉降,引起地面塌陷并威胁周边建筑物安全。针对湿陷性黄土地区城市建设,设计了一种路面雨水收集补充地下水系统,采用透水混凝土转移雨水,利用土工膜和三七灰土的弱透水性阻止雨水与湿陷性土层接触,通过蓄水结构收集、存储雨水,多余水量过滤后经砂井导入地下,以削弱雨洪峰值,避免湿陷和土壤干化等问题。根据现场试验,研究了砂井埋深与变形的关系,得出较大埋深可以减缓水分到达土体的时间,同时减少变形的结论,从而服务于黄土地区海绵城市建设。
    2019  Vol.  50(7):    894-902    [摘要](100)    [PDF](83)
  • 基于环形旋转射流的预掺混扩散器水力特性试验研究
    彭莘仔,贺益英,赵懿珺,罗奇蔚
    预掺混扩散器在污水出流前掺入其周围的水进行预先稀释,可增强初始稀释度,减小混合区范围。为进一步提高扩散器的稀释水平,本文提出了一种基于环形旋转射流的新型预掺混扩散器,在进流方式以及排放形式方面另辟蹊径,并系统地研究了该扩散器射流的温度场、流场和内部压力分布。研究结果表明:该预掺混扩散器稀释性能稳定,流量放大倍比约为2.5,排口处温升极值可降低约50%,1.2倍排口直径处可降低约80%;排口后环形旋转射流无速度核心区,存在内掺混机制,极值温升及流速沿喷距呈幂函数衰减规律,具有更短的射程和更强的掺混稀释能力,对迅速缩减污染带十分有利;水头损失系数较小,约为2.4。采用该预掺混扩散器,可在离岸较近的浅水区域获得较常规扩散器深排的稀释效果,进而缩短排污输水管道、降低工程投资。
    2019  Vol.  50(7):    903-911    [摘要](105)    [PDF](77)

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