现有边坡分析方法难以刻画多过程耦合下其变形破坏特性及演变,主要原因是破坏与变形分析割裂、研究多聚焦于单一因素影响等。为了揭示边坡的变形-破坏耦合机理及其对加载条件的依赖机制,提出了“变形-破坏过程一体化分析”的学术新思路,基于可准确测量的边坡变形定量追踪和刻画边坡破坏过程。研发了边坡多过程离心模型测试技术,有效模拟各类荷载和工程情景,实现边坡全场变形与破坏全过程的定量测定。结果表明,力-水-时等因素诱发了边坡潜在破坏面附近的“局部化区域”,该区域的发展演化集中体现了变形局部化过程与破坏面形成过程的耦合机理,并揭示了边坡潜在破坏面的位移协调规律。在此基础上,引入土的力-水-时耦合本构模型与边坡变形-破坏耦合机理、以潜在破坏面为核心建立了描述边坡变形-破坏特性的三大力学方程,提出了边坡变形-稳定性一体化分析方法,并将其在库区、矿山等边坡已开展工程应用。构建的边坡变形-破坏一体化理论,实现了基于变形监测对边坡稳定性的预报。

为科学认识和评价长江流域生活、生态、生产(“三生”)用水均衡性,从水土空间匹配和人均用水差异角度,采用基尼系数和洛伦兹不对称系数分析用水不均衡性及不均衡性来源,进一步采用匹配度指标分析用水量与区域面积、人口的匹配程度。研究结果表明:长江流域“三生”用水和总用水空间分布基尼系数分别为0.42、0.53、0.51和0.49,用水空间分布不均衡;人均用水基尼系数分别为0.10、0.37、0.25和0.21,人均用水比较均衡;长江流域用水量与区域面积、人口匹配度较高。研究结果可为水资源合理利用、实现人水和谐提供重要支撑。

滇西高原跨境河流水文演变研究对区域水资源管理具有重要意义。基于1956—2016年西南诸河三大水系(澜沧江、怒江、伊洛瓦底江)的降水与水资源数据,采用Mann-Kendall趋势检验、Morlet小波分析等方法,深入剖析研究区水文演变规律和多尺度周期特性。结果显示:①研究区产水模数达78.83×10⁴ m³/km²,水资源量均呈下降趋势,其中伊洛瓦底江衰减速率(-0.175×10⁸ m³/a)显著高于澜沧江(-0.024×10⁸ m³/a);②在区域尺度识别出24 a的水文变化主周期,2016年处于该周期低频末期,结合相位外推预测未来水量可能持续偏少;③发现澜沧江存在7~12 a的次周期振荡,区别于怒江和伊洛瓦底江的单周期主导模式;④降水量与水资源量相关性显著(R²>0.75),但澜沧江因特殊下垫面条件呈现不同步特征。系统分析量化了三江水系水文演变的空间分异特征,建立了基于多尺度周期分析的水量预测方法,为西南跨境河流水资源管理提供了新的科学依据。

重庆市集大城市、大农村、大山区、大库区于一体,水资源时空分布不均,城乡供水一体化发展难度大。为探讨如何在复杂地理与社会经济条件下实现城乡供水一体化发展,以城乡供水一体化的内涵为基础,结合重庆市城乡供水一体化不同发展模式特征,统筹考虑区域现状农村供水工程体系、自然地理条件、社会经济发展等因素,构建城乡供水一体化“工程—自然—经济”耦合协调评价指标体系与分区模型。通过对重庆市34个区县开展案例分析,得到具有不同区域特征的供水分区格局。结果表明:城市管网延伸模式分布于主城都市区,依托其高城镇化率实现供水全域覆盖;区域管网联通模式涵盖主城及渝东北地区,通过联通管网解决高程差异问题;区域整合块状模式分布在主城及渝东北地区,通过整合小型水源形成集约化供水单元;单村提标点状模式分布在渝东北和渝东南地区,通过分散式供水解决地形复杂区域饮水问题。研究成果可为重庆市城乡供水一体化建设提供技术支撑,对保障区域供水安全、促进成渝双城经济圈高质量发展具有重要意义。

为科学诊断水资源、生态系统与经济社会之间的协调状态,提出了一种基于三者状态的水平衡综合诊断方法,并以南水北调西线工程潜在水源区为研究对象开展实证分析。基于水平衡原理,构建了涵盖自然水收支、社会经济供需、河道内生态需水及社会-生态竞争关系的综合分析框架,对2005—2020年水源区水平衡状态进行量化评估。结果表明,研究期内南水北调西线工程水源区生态系统整体维持了较为稳定的水量平衡,水资源、社会经济与生态系统之间的协调性持续增强,耦合协调度稳步提升,水资源管理、生态保护与社会经济发展之间的协同效应日益显著。研究成果可为南水北调西线工程水源区水资源综合管理及调水工程相关政策制定提供科学参考。

水库水质预测是城市供水引水工程的关键。为提高水库水体溶解氧含量预测精度,提出一种基于奇异谱分析(SSA)、改进的蜣螂算法(IDBO)、优化门控循环单元(GRU)以及残差序列预测差值校正方法(DCM)的混合预测模型SSA-IDBO-GRU-DCM。该混合预测模型首先将溶解氧含量时间序列进行SSA后重构,将重构后的趋势、周期和残差的分量输入到 GRU进行预测,对于复杂的残差分量提出VMD-GRU预测差值校正模型以提高预测精度,采用IDBO优化网络模型中的超参数,最后将3个分量进行叠加得到预测结果。利用该混合预测模型对河北唐山大黑汀水库溶解氧含量进行预测。结果表明,提出的混合预测模型均方根误差为0.580 2 mg/L、平均绝对误差为0.329 2 mg/L、决定系数R²为0.918 8。相较其他模型,混合预测模型的预测精度更高。

新污染物“微塑料”在我国水库环境中广泛存在,严重威胁着水库的水质安全和生态功能稳定。我国水库微塑料污染现状的研究主要集中在长江及其支流地区,不同区域和时期下微塑料污染水平差异较大,其中水体微塑料丰度范围在120~156 667个/m³,沉积物微塑料丰度在75.6~63 081个/kg。水库的调度运行通过大坝拦截和水库水文水动力条件改变等作用会显著影响微塑料在水库中的环境行为和输移过程,间接影响微塑料的生态环境效应。结合近年来国内外相关研究进展,系统梳理了我国水库微塑料的污染现状,分析了水库调度运行对微塑料输移过程的影响,并探讨了微塑料对水库生态环境的潜在风险。此外,还从微塑料的过程阻断和末端处理环节具体地提出了水库微塑料的防治对策建议,以期为保障我国水库水质安全与生态环境保护提供科学依据和决策参考。

为探讨不同植物与复合基质对污水厂尾水中氮磷的去除效果,选用水菖蒲、黄花鸢尾和水葱3种挺水植物,结合天然锰砂、沸石和陶粒组成的复合基质,构建人工湿地系统,模拟污水厂尾水处理过程。试验结果表明,水葱和水菖蒲组合(Gp3组)在总磷、总氮、氨氮和硝态氮的去除效果上表现最佳,总磷去除率达93.2%,总氮去除率为77.7%,氨氮去除率为91.7%,硝态氮去除率为70.6%。污染物浓度在前30天快速下降,之后趋于平缓。微生物群落分析显示,Gp3组的微生物多样性最高,优势菌门为变形菌门和拟杆菌门,其中γ-变形菌纲在反硝化过程中起关键作用。结果表明,植物组合及其根系微生物群落的协同作用对氮磷去除效果显著,锰砂作为基质材料具有潜在的应用价值。

丹江口水库是南水北调中线工程水源地,亟需研究库区水温时空分布规律。开展了为期1 a的丹江口水库水温原型观测,研究分析了库区水温时空变化特征及其影响因素。结果表明:丹江口水库为典型的水温分层型水库,其垂向水温分布具有明显季节变化特征,汛期和平水期稳定分层,且平水期出现双温跃层,枯水期则分层不明显;水库表层水温与气温相关性较高,相关性系数为0.976;丹库和汉库呈现不同的水体交换特征,其中汉库水体滞留时间长达257 d、径流-库容比数为1.417,主要呈现河道型水库特征,丹库为湖泊型水库,丹库水体滞留时间长达336 d、径流-库容比数为1.084,水温垂向分层时间较汉库更持久。研究成果可为丹江口水库氮磷等迁移转化以及水质季节变化等相关研究提供重要参考。

为探索平原区乡村沟渠生态景观系统的优化布局方法,提升生态单元空间配置方案的科学性,选取淮北平原车辙沟流域典型乡村沟渠为对象,开展了沟渠生态单元空间优化配置案例研究,结合生态单元与污染物削减关系代理函数,以固定建设总成本下污染物削减量最多为目标,采用双层粒子群优化算法获得了4种成本限制场景下13种乡村沟渠生态单元的最优空间布局。结果表明:建设生态景观系统可以有效降低乡村沟渠中污染物总量,并且增加景观建设成本可有效增强污染物削减效果,但单位成本的削减效率会有所降低。该研究验证了采用双层粒子群优化算法结合代理函数进行沟渠生态单元空间优化配置的有效性,有助于改进以往乡村沟渠生态景观设计中主观性强、缺少理论和数据支撑的缺点。

超大城市由于要素高度聚集、资源快速流动、空间功能异质而存在更多的安全风险,也面临着更高的生态风险。对超大城市生态质量进行科学、客观的动态评估可以有效监测城市生态问题,为超大城市智慧化治理提供数据基础。以武汉市为例,运用遥感生态指数对城市生态环境质量进行时空信息提取及动态评估,运用Moran’s I指数定量识别生态环境变化的热点区域,并耦合土地利用变化数据发掘出生态质量变化与土地利用转化之间的定量关系。结果表明:①2014—2023年间武汉市生态质量稳中有升,生态质量变化在空间上呈聚集性分布,建设区域外围环状区域生态质量由于城市扩张存在明显的下降;②武汉市两江交汇处的中心城区以及河湖湿地周边是生态质量上升的热点区域,表明武汉市城市人居环境以及河湖湿地的生态环境在不断改善;③武汉市人工环境内部的生态质量差异逐渐增大,耕地向建设用地转化的生态成本越来越高。研究成果可以为武汉市生态环境保护提供科学依据,为超大城市生态环境质量评估提供理论参考。

针对现有海绵城市灰绿基础设施评价中碳足迹核算缺失及多目标协同不足的问题,研究提出了基于博弈论的水-碳-经济全生命周期协同优化评价方法。通过构建“水环境-碳减排-经济成本”三维指标体系,集成径流总量削减率、污染物削减率、全生命周期碳排放及成本等关键指标,采用熵权法与层次分析法结合博弈论模型进行权重优化,以纳什均衡平衡目标冲突,并基于TOPSIS法实现多方案综合评价。以河北水利电力学院主校区为例,设计7种灰绿设施组合方案。结果表明,博弈论模型均衡了主客观分析方法的偏差,提高了评价的科学性;方案5(蓄水池、下凹式绿地、雨水桶组合)综合性能最优,综合贴近度为0.760,径流削减率达到48.5%,污染物削减率达到48%以上,全生命周期成本仅为836.93万元,产生碳汇49 517.71 t。研究构建了较为科学的水-碳-经济全生命周期协同评价体系,解决了传统方法中“重技术轻协同”的局限,为海绵城市低碳化发展及“双碳”目标协同提供了理论支撑与实践路径。

目前国内有较多船闸改扩建,由于布置受限,常采用多线船闸共用引航道的布置格局,多座船闸充、泄水引起的引航道内的非恒定流更加复杂,对船舶航行安全造成了较大影响。以现状葛洲坝三江引航道双线船闸为例,基于二维N-S方程数学模型,系统地探讨了不同泄水组合运行条件下共用引航道内水流波动特性、流速变化及叠加规律。结果表明:错时泄水时,后泄水船闸产生的正向流与先泄水船闸产生的反向流在引航道相遭遇会引起共用引航道内反向流速减小;相较单线船闸,双线泄水时,共用引航道内水位波峰增值随错时时间先大后小至零不变,波谷差值先正后负再不变,且在错时12~22 min泄水时,引航道内波谷更小;错时泄水时,首周期内波峰呈线性相加特性,而波谷在特定错时时间内叠加效应与相加特性差异不大。研究结果可为优化改扩建后的双线或者多线船闸共用引航道的通航水流条件、保障通航安全以及葛洲坝航运扩能工程提供参考。

90°弯管在工程中应用十分广泛,试验研究表明弯管内二次流(迪恩涡)的非定常运动可致使管道出现热疲劳和机械疲劳,严重危害工业管道系统安全运行。早期研究仅关注弯管内时均水力特性,管内二次流非定常动力学特性研究较匮乏。迪恩涡摆动现象作为90°弯管湍流的基础流体力学问题近年来逐渐受到关注。笔者从上游进流条件、弯管处流动分离、流动结构、摆动特征频率、二次流影响范围和流动控制等方面出发,对以往迪恩涡摆动现象研究成果展开讨论。经对比分析现有研究成果指出,现阶段对迪恩涡摆动现象的认识仍不全面,其动力学特性和时空演化机理尚不明晰,且缺乏高精度三维流场数据,提出在迪恩涡摆动现象的触发机制、本征模态、摆动特征频率、空间结构和流动控制方法等方面仍值得进一步探索和研究。

为探究饱和红黏土剪切波速特性,制备不同干密度的三轴饱和试样,采用改装三轴弯曲元系统进行红黏土固结不排水三轴试验,分析红黏土试样的剪切波速变化规律,最终建立饱和红黏土的剪切波速评价模型。结果表明:饱和红黏土剪切波速总体上随围压、干密度、有效应力的增大呈增大趋势,随孔隙比的增大呈减小趋势,其中剪切波速与围压、有效应力之间呈幂函数关系;采用4种不同拟合方式(线性、二次多项式、幂函数和指数函数)分析不同干密度饱和红黏土剪切模量与有效应力的相关性,拟合精度依次为幂函数拟合>指数拟合>二项式拟合>线性拟合,从而获得剪切模量与有效应力的量化关系;根据土体剪切波速与剪切模量相关性,以相对密度、孔隙比和有效应力为变量,建立了饱和红黏土剪切波速模型,经检验该模型实测值与计算值较为吻合,可为饱和红黏土有效应力的评价提供评价指标。该模型通过剪切波速能有效反映固结不排水条件下饱和红黏土的应力状态变化,可为红黏土滑坡的监测预警深入研究提供参考。

高压旋喷桩在处理黄土地区帮宽段地基时会产生挤土效应,为满足线路几何形位控制的严格性,需明确高压旋喷桩施工对既有线路的影响。基于某黄土地区实际工程的监测数据,结合圆柱孔扩张理论,研究高压旋喷桩单桩及群桩施工下土体侧向位移变化,分析高压旋喷桩施工阶段既有线沉降变化规律,探究高压旋喷桩施工对既有线服役状态的影响。结果表明:高压旋喷桩施工引起的土体侧向位移沿桩深方向整体呈减小趋势且与周围土体距桩心距离呈负相关;在0~4d₀(d₀为成桩直径)范围内,土体侧向位移随归一化径向距离增加呈明显减小趋势,而后逐渐变化缓慢;高压旋喷桩施工影响范围约为11d₀;隆起量随群桩施工呈现“双峰”型分布,且影响幅值与施工距既有路基的距离呈反比,采用跳桩法施工可减弱对既有线路的影响。研究成果可为类似工程提供思路及建议。

在软土区或岩溶区,存在桩端持力层性质不良或难以入岩等问题,利用端承桩转化为中承桩的思想,提出一种新型非连续变截面的刺桩。通过自行研制的加载装置,开展了不同刺长、刺层数的室内模型试验,探究了刺桩在砂土条件下的抗压承载性状。试验表明:刺桩相比光面桩具有更优异的抗压和抗沉降性能;刺部结构的存在增加了刺土的嵌固作用和桩周土的有效应力,延缓了桩侧阻力软化,扩大了桩周土的影响范围。刺长和刺层数与桩基承载力均呈正相关,相比于刺长,刺层数对单桩极限承载力和桩侧阻力的影响更为敏感。当刺间距为桩长的1/8,刺长为1倍的桩径时,刺桩抗压承载性能最经济。创新性地引入了中承度的概念,量化了刺桩桩刺的中承程度,并提出了刺桩工程设计方法,为后续开展刺桩和其他类似变截面桩的试验和理论研究提供有效方法。

针对深部岩石工程中传统力学试验存在的取芯困难、数据离散性大等问题,提出一种基于循环加卸载压入试验测定岩石弹性模量的方法。通过在单个压点开展循环压入,获取多组载荷-位移曲线,采用Oliver-Pharr理论与Hertz接触模型耦合的方法计算弹性模量,并系统探究最大载荷、加载速率和保载时间对致密砂岩弹性模量测量结果的影响。试验结果表明:较大的压入载荷会导致计算结果偏大;加载速率对结果影响较小,低加载速率有助于降低测试误差;较长的保载时间可使计算结果更平稳。综合分析得出,采用最大载荷50 N、加载速率0.03 mm/min、保载时间10 s的试验条件时,压入弹性模量与单轴压缩基准值误差最小,数据稳定性最佳。与传统压痕试验相比,该方法试验流程简便高效,数据获取丰富,曲线平滑稳定,准确率更高,无需完整岩芯,可利用钻井岩屑快速测试,为深部岩石工程设计和施工提供准确的岩石力学参数,具有较高的工程应用价值。

在核废料深地处置和垃圾填埋场工程中,作为缓冲和防渗层的压实膨润土与地下水盐溶液及垃圾渗滤液相互作用可诱发膨润土层间阳离子发生改变,进而导致其膨胀性和密封性能演变。为了分析层间阳离子对压实膨润土宏观膨胀特性的影响规律和机制,对不同阳离子基膨润土开展膨胀变形和膨胀力试验,并进行X射线衍射和扫描电镜观测。膨胀试验结果表明:不同阳离子基膨润土的膨胀力呈现出Mg基土>Ca基土>Na基土>K基土的规律,而膨胀变形则表现为Na基土>K基土>Ca基土≈Mg基土;不同阳离子基膨润土的膨胀力与膨胀应变的发展速率与浸水时间之间呈现良好的线性变化规律。在体积受限的膨胀力试验中,Ca基与Mg基膨润土的层间膨胀(层间距)更大,而在无约束的膨胀变形过程,Na基膨润土的渗透膨胀更强烈。层间阳离子的水化能及其与晶层间的相互作用控制着压实膨润土吸水膨胀过程中微观结构演变和宏观膨胀势的显现。试验研究结果可为相关工程设计及安全评估提供参考。

北天山海西中期花岗岩蚀变普遍发育,其深部区域蚀变主要受热液交代与构造动力双重作用控制,传统量化分级方法因其局限性导致等级划分过于粗放、各等级间岩石劣化差异较大。通过薄片鉴定、XRD、XRF的全岩分析,提出了基于精细化修正CaO组分的蚀变分级指数AIG,探讨了花岗岩蚀变机理及其化学分级标准。经对比校验,AIG指数与CIA、CIW的总体相关性相较于次优指数WIG分别提升了65%和160%,蚀变量化灵敏度相对于CIA提升了50%。全岩分析表明,区内蚀变类型主要为低温热液蚀变,构造动力蚀变弱,蚀变产物主要为绿泥石与黏土矿物,分别造成K和Mg的富集与Na和Ca的流失。在此基础上构建了基于AIG指数与岩石蚀变特征的5级蚀变分级标准,从而对蚀变花岗岩进行量化评价。

酸性砾石骨料水工沥青混凝土是一种新型的水工建筑材料,可用于水利工程中的沥青混凝土心墙坝、沥青混凝土面板坝和渠道防渗等。为推广酸性砾石骨料在西部严寒地区沥青混凝土心墙中的应用,通过试验研究和理论分析,探讨了酸性砾石骨料对水工沥青混凝土性能的影响。研究结果表明,酸性砾石骨料采用水泥填料或者掺非胺类抗剥落剂,能够显著提高沥青混凝土的力学性能、抗水损害和耐久性。研究成果为酸性砾石骨料水工沥青混凝土的工程应用提供了理论依据和技术支持。

为明确混凝土高趾墙复式结构对特高面板坝力学性能的改善效果,依托国内在建的某250 m级特高面板坝工程,分别采用二维和三维非线性有限元方法,比较了采用混凝土高趾墙复式结构和常规结构2种设计方案时大坝应力变形的差异性。结果表明:混凝土高趾墙显著抑制了堆石体顺河向变形,堆石体上游向变形最大减幅为23%,面板挠曲变形明显降低,挠度极值降低10%;大坝施工分层填筑及多级蓄水过程堆石体内部应力分布平整,应力水平较低,无应力集中与塑性极限状态区域;面板、混凝土高趾墙所受压应力均在混凝土抗压容许值范围内,变形值在工程合理范围内。研究结果进一步论证了特高面板坝采用复式结构方案的合理性与安全性,为同类高坝工程的结构优化设计提供了理论依据与技术参考。

为研究温压同步循环加载作用下混凝土的力学性能及损伤本构关系,进行了温压同步循环加载试验、单轴压缩试验与扫描电镜(SEM)测试,分析了循环次数、循环温度与循环应力对混凝土抗压性能与微观结构的影响。结果表明:在温压同步循环加载作用下,随着循环次数、循环温度与循环应力的增加,混凝土的抗压强度逐渐下降。温压同步循环加载作用加剧了混凝土力学性能的劣化,使其抗压强度较单一荷载作用下明显降低。在温压同步循环加载作用下,混凝土骨料与水泥砂浆之间界面过渡区微裂纹的扩展连通,是力学性能下降的主要因素。基于等效应变假定,建立了温压同步循环加载作用下混凝土的损伤本构模型。损伤演化曲线表明,温压同步循环加载作用使混凝土的损伤速率加快,峰值应力处的损伤程度增加。研究成果可为压缩空气储能(CAES)地下储气硐室衬砌混凝土结构的设计提供试验与理论依据。

自生体积变形是影响大坝混凝土抗裂能力的重要因素。针对现有全级配大坝混凝土细观建模效率低、网格质量差的问题,提出随机骨料批投放建模方法建立全级配大坝混凝土二维细观分析模型,研究不同自生体积变形、约束条件下混凝土界面过渡区、砂浆基体的应力分布及其演变规律。结果表明:在收缩和膨胀变形作用下,大坝混凝土应力主要集中在砂浆与骨料尖角临近部位和界面过渡区转角区域,四边约束条件下收缩拉应力较单边约束大0.8~1.2 MPa;以最大拉应力作为开裂控制条件时,高抗裂大坝混凝土的自生体积变形应控制为低收缩或微膨胀,变形宜为(-9~11)×10^-6。

针对当前已有河湖数字孪生体大多存在的三维虚拟场景精度不够高、河湖水体动态化效果欠佳及动力过程不够精确等问题,使用虚幻引擎5(UE5)作为研究平台,对河湖环境下三维虚拟场景构建与水动力过程模拟方法进行了研究。首先将地形高度图、三维环境模型等作为输入数据构建高精度河湖三维虚拟场景,再对引擎中水体模拟插件进行改进,添加摩擦源项,实现河湖水体动力过程模拟,水文参量和数据读取与计算。然后设计了验证与对比试验场景,最终形成一个具备河湖三维场景与水动力过程模拟功能的数字孪生体框架。该方法实现了河湖三维场景构建、可视化水动力过程模拟与水文参量动态获取,提高了其作为数字孪生体的模拟能力,可为河湖流域数字孪生体技术在场景构建、动态模拟及交互设计的开发提供技术参考。

在全球气候变暖的背景下,长江流域干旱灾害风险持续增加,流域抗旱管理面临着旱情监测预警精度不高、抗旱调度预演预判能力不足等瓶颈问题,亟待深入研究。从抗旱业务管理和“四预”应用需求出发,构建了抗旱补水调度数字孪生平台,选择长江流域2022年特大干旱为典型案例,围绕“当前旱情诊断-未来趋势研判-抗旱调度推演-预案会商决策”全链条全过程开展了情景推演,构建了干旱网络舆情监测分析、旱警水位超限告警预警、抗旱调度方案知识库和场景匹配等关键技术,实现了抗旱“四预”目标,切实提升了流域抗旱管理智能化、精细化水平,为推进干旱防御数字孪生建设提供了技术示范。