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长江科学院院报
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2014年, 第31卷, 第9期
刊出日期:2014-09-01
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江湖泥沙与治理
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180°弯曲水槽内床面冲淤演化过程数值模拟
赵丹禄,邢岩,艾丛芳
长江科学院院报. 2014, 31(9): 1-5.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.001
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为准确掌握180°弯曲水槽内床面冲淤特征及其演化过程,采用基于非结构化三角形网格的三维流动和地形冲淤数值模型对180°弯曲水槽内床面的冲淤演化过程进行复演。运用标准
k-ε
紊流模型和显式2步投影方法求解RANS方程,推移质输沙率选取VanRijn输沙公式计算,对于二次流强度较强、横向坡度对输沙方向影响较大的强弯曲水槽,采用方便实用的Engelund方法计算横向底坡所引起的输沙方向的偏移,同时对河床变形所引起的河床临界起动切应力变化进行修正及对流动和地形冲淤相同时间步模拟非恒定的河床冲淤演化过程。与试验测量结果对比显示数值模型对强弯曲水槽冲淤特征有较好的模拟效果;Engelund方法对计算输沙方向偏移角度具有明显的改进;模型同样也具备复演内床面非恒定冲淤演化过程的能力。
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杭州湾滩涂管理的区划方法与应用
陈甫源,周光明,穆锦斌,倪勇强,谢东风
长江科学院院报. 2014, 31(9): 6-10.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.002
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杭州湾滩涂资源丰富,开发利用需求强烈。为规范资源开发利用秩序,形成科学、合理、可持续的开发利用局面,开展滩涂资源管理的区划工作,划定保护区、保留区、控制利用区和开发利用区,既保证滩涂资源有序开发利用,又保护河口自然环境、涌潮景观,以维持重要基础工程安全运行。阐述杭州湾滩涂资源管理区划的具体方法、考虑因素和区划成果,为其它水域的滩涂资源管理和保护提供有益借鉴。
水资源与环境
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基于主成分分析的吉林西部地区农业水资源承载力评价
桓颖,张文静,王楠
长江科学院院报. 2014, 31(9): 11-16.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.003
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农业是吉林省西部地区经济发展的主要支柱之一。面临着吉林省西部地区农业发展的规划前景,正确评估农业水资源承载力已成为该区农业可持续发展所面临的重要因素。在收集相关资料及借鉴前人已有研究的基础上,运用主成分分析法,选取9个影响指标作为评价因素对吉林西部地区农业水资源承载力进行分析和评价。结果表明①影响吉林西部农业水资源承载力的主成分包括社会经济、水资源利用程度、耕地情况和人口数量;随着社会经济的发展,人口数量和耕地面积的增大,水资源的供需矛盾将越来越突出;②依据评价结果,将研究区划分为农业水资源承载力较好、一般和较差3个部分,农业水资源承载力较大的地区在研究区北部偏多,而农业水资源承载力较小的地区都在研究区南部,反映出研究区北部的水资源供需矛盾较研究区南部小;③前郭县和白城市区的农业水资源承载力较其他地区大,这与该两地区的水资源量较其他地区丰富有关,同时,前郭县和白城市的节水措施以及用水方式都比其他几个地区先进,其他农业水资源承载力较弱的地区可以借鉴这2个地区的用水方式,以期提高本地的农业水资源承载力。作为以农业为主要经济发展支柱的地区,为了加快当地的经济发展速度,应加强当地的水资源管理与利用,提高水资源利用率,如充分利用客水和雨洪资源等,同时,也要加强水资源用户的节水意识,并考虑适当采取一定的经济措施。
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基于香农熵的地表水体空间分布指数及其适用性分析
康孝岩,王艳慧,段福洲
长江科学院院报. 2014, 31(9): 17-20.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.004
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结合MSHDAI(空间分布面积指数)和地表水呈网状分布的特征,提出了MSHDLI(空间分布长度指数)的概念和模型,并选取河南省中部沙颍河流域部分地区,分析了其地表水空间分布状况,及其空间分布指数MSHDAI和MSHDLI分别与PLAND(面积比例)和RD(水网密度)的相关性随网格粒度变化的情况。研究表明MSHDLI与RD具有显著的相关关系(
>0.9,
<0.01),而MSHDAI与PLAND的内在联系则较为复杂;MSHDLI在描述区域地表水空间分布多样性和广度特征方面,较之MSHDAI有更高的表征性和稳定性;两者均随网格粒度的增加而增大,MSHDAI的适宜粒度域为(100m,200m),而MSHDLI适用于各种网格粒度;MSHDAI对于含有大型水库(湖泊)的区域缺乏表征性,而MSHDLI则能适应含多种水域的地区。
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基于AHP-Fuzzy法的汉江流域水资源承载力评价与预测
高超,梅亚东,吕孙云,王越,员江斌
长江科学院院报. 2014, 31(9): 21-28.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.005
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水资源承载力作为评价地区水资源安全与否的一个基本度量,其理论与应用研究意义重大。根据DPSIR框架展开水资源承载力因子分析,得到一个4层递阶结构的指标初选框架,并构建了一套全面的水资源承载力指标体系。以汉江流域为例,采用层次分析-模糊综合评价法(AHP-Fuzzy)展开水资源承载力评价与预测。分析结果表明不调水情况下,江汉流域3级分区中,丹江口以上分区水资源承载力优于其他2分区;实施调水后,各分区水资源承载力受跨流域调水的影响而发生变化,均可认为已达到基本可承载状态。
工程安全与灾害防治
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基于周期外延法的监测效应量灰色时序组合预测模型
王振双,施玉群,何金平
长江科学院院报. 2014, 31(9): 29-32.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.006
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针对单一模型在大坝效应量监测数据序列拟合和预测方面存在的不足,采用Verhulst模型拟合监测数据序列中的趋势性成分,采用周期外延模型拟合监测数据序列中的周期性成分,采用自回归AR(
p
)模型拟合监测数据序列中的随机性成分,得到一种新的组合模型,并给出了一个工程实例。该组合模型丰富了监测效应量预测方法,可提高监测效应量的整体预测精度,深化对监测效应量变化规律的认识。
岩土工程
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三峡二期围堰创新及其对我国高围堰建设的意义
包承纲
长江科学院院报. 2014, 31(9): 33-42.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.007
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三峡二期围堰是三峡土建工程中最具挑战性的两个建筑物之一,它不仅对整个三峡工程十分重要,而且难度在国内外围堰建设史上也是空前的。科技工作者围绕该建筑物的难题,跟踪工程的进展,进行了长达20余年的试验研究工作,采用新理论、新方法、新技术、新材料高质量地完成了建设任务,围堰在4年的运行期状态良好,并且在拆除过程中又安排了专门的试验和资料收集工作,厘清了一些长期不清楚的疑虑,取得了一套系统的经验,并且取得了许多创新的研究成果,对高围堰和土石坝的建设极具参考意义。这些成果正在大西南水电开发中发挥作用,并促进我国水利水电技术迈上新的台阶。
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堆载预压技术在潮汕机场大面积深厚软土地基处理中的应用
朱森林
长江科学院院报. 2014, 31(9): 43-46.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.008
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为解决潮汕机场大面积深厚软土地基处理的问题,系统地研究了以塑料排水板和砂井作为竖向排水通道的堆载预压技术并应用于该工程中。首先通过地质条件的分析确定采用堆载预压方案,然后详细论述了砂垫层铺设、砂井和塑料排水板施工以及工程中出现的问题及处理对策,最后通过监测结果对处理效果进行验证。结果表明,本方案技术可靠,加固效果良好,适用于对深厚软土地基的处理。
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水力作用下缓倾顺层岩质边坡滑移破坏机制分析
谭龙金,张海娜,盛韩微,夏开宗
长江科学院院报. 2014, 31(9): 47-53.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.009
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顺层岩质边坡的稳定性主要取决于滑动面的物理力学性质和地下水对边坡岩体的水压力。通过对缓倾顺层岩质边坡中的地下水力作用进行分析,在建立出流缝未被堵塞和出流缝被堵塞2种情况下的边坡水力学分析模型的基础上,推导出了边坡稳定系数和张裂隙临界充水高度的表达式,从而建立了边坡滑移破坏判据,认为当张裂隙充水高度或临界降雨强度达到临界值后,边坡在水力作用下将发生滑移破坏。选取实际边坡进行计算和分析,验证了公式的合理性,结果表明顺层边坡滑移破坏的实现取决于外界水力作用的触发,边坡稳定性系数的降低主要与张裂缝中的静水压力和滑动面上的静水压力有关,而动水压力的影响很小。其成果对设计和施工有重要的指导意义。
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基于波速变化的膨胀土疲劳损伤规律研究
韦秉旭,黄震,周海波,向富荣
长江科学院院报. 2014, 31(9): 54-58.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.010
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采用TH204型非金属声波检测仪,测试等幅干湿循环条件下膨胀土试件的纵波波速,提出了用纵波波速定义膨胀土疲劳损伤的损伤变量,探索了干湿循环作用下膨胀土的疲劳损伤变化规律。研究表明随着循环次数的增加,不同控制含水率下膨胀土损伤变量呈非线性增长,且增长幅度趋于平缓;控制含水率越大,损伤变量越小;循环幅度越大,损伤变量越大;控制含水率对第1次干湿循环的损伤变化起重要作用,对2~6次循环的损伤变化不具有规律性。本文建立的损伤演化公式,可用来判断膨胀土的损伤程度大小。
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粗粒土组构二维模型试验研究
姜景山,程展林,左永振,丁红顺
长江科学院院报. 2014, 31(9): 59-64.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.011
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粗粒土的宏观力学性质取决于粗粒土的初始组构及剪切过程中的组构变化。为研究组构对粗粒土应力应变关系的影响,通过制取不同初始组构的试样,进行了粗粒土二维模型平行试验。应用计算机图像测量系统,对颗粒的运动进行量测,从而获得受力变形过程中组构的变化。通过分析组构与应力应变的关系,得到如下认识①平行试验的粗粒土的应力应变曲线有一定差异,说明组构对应力应变起决定作用;②在试样破坏之前,枝向量和颗粒长轴的定向性随着应力的增长逐渐增强;③峰值偏应力随着枝向量初始组构主值比的增大而增大;④平均枝长随体变的增大而略有减小;⑤平均配位数并未随着孔隙比的减小而增大,可能与模型试验中采用多边形颗粒及颗粒偏少偏大有关。
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EPS用于膨胀土渠坡稳定的压缩与蠕变特性试验研究
葛春兰,邹维列,夏熙临,陈丛丛,李志勇
长江科学院院报. 2014, 31(9): 65-68.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.012
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聚苯乙烯塑料泡沫(EPS)用于膨胀土渠道水下坡面的混凝土衬砌板下,发挥其减载、防水和保温功能,可减小作用于衬砌板上的膨胀压力,同时能保持膨胀土的基质吸力,从而对维护渠坡稳定起到十分积极的作用。为了更深入地研究EPS在受压时的力学特性,开展了3种密度EPS无侧限的单轴压缩与蠕变试验。结果表明EPS单轴压缩的应力-应变关系呈明显的非线性特征,据此提出了能完整描述其受压过程的本构模型;3种EPS即使在较小压缩应力的长期作用下,也会发生明显的蠕变。进一步指出了在寒区膨胀土渠坡衬砌结构应用的EPS选择中,应综合考虑EPS密度对其减载、防水和保温特性的不同影响;同时也应考虑EPS的压缩蠕变效应对于衬砌结构的影响。
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接头形式对框格式地下连续墙应力变形影响的有限元分析
孔科,王小波,徐远杰,潘家军
长江科学院院报. 2014, 31(9): 69-73.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.013
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在水电工程中采用地下连续墙处理复杂地质条件的地基时,在施工过程中不可避免地产生施工接头,接头的存在对地下连续墙的整体受力性能存在一定的影响,成为困扰工程界的一个难题。根据桐子林水电站末段框格式地下连续墙地质条件,在连续墙上分别设置刚性接头、铰接头及半自由接头,模拟地下连续墙在工程上常采用的各种接头形式,建立了不同接头形式的3组框格式地下连续墙槽段有限元模型。基于ABAQUS软件对框格式地下连续墙在不同接头形式下的施工过程进行了非线性有限元数值模拟,详细分析比较了3种接头形式的地下连续墙在最危险施工工况下的应力与变形,得到了不同的施工接头对框格式地下连续墙应力变形的影响情况,研究成果可为类似工程提供借鉴。
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某隧道断层带疏水降压设计研究
吴锐,许婷婷,方堃,张腾飞
长江科学院院报. 2014, 31(9): 74-78.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.014
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以某隧道工程为背景,结合断层F场区工程地质及水文地质条件,通过深孔抽水、压水及水位恢复试验综合确定断层带渗透系数,分析了该断层的水文地质特征。基于此,建立非完整潜水水平坑道位于无限含水体计算模型,对采用3种不同的排水洞布置方式及井点降水这4种方案进行了理论降水计算分析。最后,综合以上方案理论计算结果对比分析得出采用两侧设置排水洞方案能够有效降低水位,达到设计要求;实践也表明降水方案合理可行,可为该地区其他类似隧道排水工程提供参考。
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石膏质岩毛细吸水特性与孔隙特征研究
李科,贾志刚,余宏明,师华鹏
长江科学院院报. 2014, 31(9): 79-83.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.015
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以巴东十字垭隧道石膏质岩作为研究对象,采用一维吸水方法得到石膏质岩累计吸水量随时间的变化曲线。岩石吸水曲线可分为快速吸水段和恒速吸水段,吸水量主要集中在快速吸水段,不同试件的快速吸水时间不同。随着时间增加,各试件吸水速率逐渐减小,减小速度变慢。吸水0.4h、吸水4h和快速吸水段均可以采用二次函数进行曲线拟合。干湿循环后,岩石累计吸水量增加,平均吸水速率提高,前期吸水比例增大,快速吸水时间变短。利用压汞实验,根据数据分析表明石膏质岩孔隙率较低,平均最大连通孔径2.85μm,平均孔隙直径0.88μm,孔隙分选性较差。干湿循环之后孔隙最大连通孔径及平均孔径增大,分选性提高。最后根据岩石毛细吸水量和饱和吸水量,结合压汞数据提出求取毛细吸水孔径范围的一种简单方法。
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单元体弹性模量分布对岩石单轴抗压强度影响数值模拟
杨蔚为,郑永来,邓树新
长江科学院院报. 2014, 31(9): 84-87.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.016
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利用FLAC
3D
建立单轴压缩试验数值模型并与实际情况比较以验证模型可靠性。控制其它材料参数,改变单元体弹性模量分析岩体抗压强度的影响。岩体模型各单元体弹性模量在一定区间内分别按均匀变化规律取值、随机取值以及按正态分布规律取值,研究单元体弹性模量分布规律对岩石单轴抗压强度的影响。结果表明弹性模量分布的均匀性越好,岩石抗压强度越大,最大值等于整个岩体模型弹性模量取相同参考值时的计算结果;单元体弹性模量在一定区间内随机取值时,岩石抗压强度将减小,且弹性模量随机取值区间越大,岩石抗压强度越小;在相同的取值区间上,弹性模量按正态分布规律取值时岩石抗压强度大于弹性模量随机取值时的抗压强度。两者都小于整个岩体模型弹性模量取相同参考值时岩石的抗压强度,即
σ
1
≥σ
E正态分布
≥σ
E随机分布
。
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冬瓜山铜矿隔离矿柱开采的地压危害分析
汪令辉
长江科学院院报. 2014, 31(9): 88-92.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.017
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针对冬瓜山铜矿厚大矿体盘区隔离矿柱开采过程中的地压危害问题,应用数值模拟方法并采取微震监测等手段进行分析研究。结果表明开采过程中发生岩爆的可能性很低;由于隔离矿柱开采的技术条件劣化很多,位移和塑性区域明显增大,应该对单个开挖单元的空间体量加以控制。对模拟的54
#
隔离矿柱而言,开挖空间高度不宜超过50m,长度不宜超过48m,采用间隔开挖顺序能够降低工程岩体的应力集中度,对工程稳定有利。
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深卸荷成因机理物理模拟试验相似材料研究
陈子扬,赵其华,彭社琴,韩刚
长江科学院院报. 2014, 31(9): 93-98.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.018
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某工程边坡深卸荷形成机理的物理模拟试验要求模型材料的重度与原型一致,强度是原型的0.002倍。该材料具有相对较高重度、低强度的特征。如何研制和试配出该特性的相似材料是物理模拟试验成败的关键环节。从材料选择、模具设计、试样制作、配合比试验等方面系统开展了模型相似材料的试验研究,最终获得满足试验要求的材料组成、配比及工艺。该材料由铁粉、重晶石粉、石英砂、松香酒精溶液按规定配比均匀拌合击实而成。材料物理力学参数可调整的范围较大,对于类似研究可通过调整组成材料的含量而达到相应的目标参数。因此,研究不仅为该物理模拟试验提供了技术保证,而且可对类似研究提供借鉴和参考。
水工结构与材料
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混凝土试件四点加载剪切断裂试验研究
胡少伟,胡亮
长江科学院院报. 2014, 31(9): 99-104.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.019
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有关混凝土Ⅱ型断裂的试验研究是混凝土断裂问题中的热点和难点问题。通过6组24个四点剪切试件对裂缝的剪切扩展过程以及断裂韧度
K
Ⅱc
进行试验研究,由试件的荷载-应变(
P-ε
)曲线、荷载-时间(
P-t
)曲线和荷载-裂缝尖端滑移位移(
P
-CTSD)曲线,确定试件的破坏荷载、裂缝尖端混凝土应变以及裂尖滑移位移。试验中可见,试件裂缝扩展方向并不平行于剪力方向,而是从裂缝尖端扩展至近加载点附近,表现为倾斜裂缝。试验结果表明,混凝土试件的Ⅱ型断裂韧度
K
Ⅱc
变化范围为0.5~1.1(MPa·m
0.5
)。
K
Ⅱc
随近加载点与预制缝之间的距离减小而增大;
K
Ⅱc
随初始缝高比的增大而增大。经分析可知,试验过程中形成加载的高窄剪力区容易引起混凝土的剪切断裂。
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基于变密度法的实体重力坝拓扑优化
何成龙,周丹,涂兴怀
长江科学院院报. 2014, 31(9): 105-109.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.020
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以ABAQUS为优化平台,基于变密度法,采用SIMP插值和RAMP插值2种模型对实体重力坝进行断面优化,结果表明应用SIMP插值模型优化的坝体断面出现大量空洞且迭代次数多为50;RAMP插值模型优化的坝体断面符合实体重力坝坝形且迭代次数较少,证明RAMP插值模型更适用于实体重力坝优化。进一步对最优模型的下游进行直线和曲线拟合,并进行静力分析,结果表明优化模型符合实体重力坝的各项应力和稳定性指标,且坝体下游设计为曲线形比直线形更能缓和应力集中区,在实际应用中更优。
信息技术应用
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云计算在水利科研信息化中的地位与作用
周力峰,刘文,张治中
长江科学院院报. 2014, 31(9): 110-114.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.021
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《长江科学院信息化规划(2013—2017年)》确定了今后5a信息化建设目标与3项建设任务,并确认云计算平台在科研条件建设中的基础地位和对科研业务能力提升的直接推动作用。简述了《规划》主要内容和基于虚拟化、资源池化技术的云计算平台的建设思路;介绍了综合数据中心的体系架构与数据类别;重点论述了基于云计算平台开展的管理信息化、科研信息化和智慧流域前期研究的技术路线、方法与手段;给出了科研信息化的云框架,并说明了智慧流域与物联网、大数据之间的内在关系。以云计算为核心的新技术应用将会对提高水利科研核心竞争力起到有效的推动作用。
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西南大型水库库岸滑坡灾害三维地理信息系统研究
黄海峰,李会中,叶圣生,王世梅,周火明
长江科学院院报. 2014, 31(9): 115-120.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.022
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水库滑坡灾害三维地理信息系统(3DGIS)的建设已成为水库地质灾害防治的重要需求。以西南大型水库库岸滑坡灾害为对象,在设计系统总体框架基础上,通过对滑坡灾害相关数据分析,提出以GIS空间数据库为核心、结合关系型数据库和多媒体文档库的滑坡数据集成管理和建设方案;同时详细论述了基于Skyline的滑坡灾害3DGIS系统的技术架构,以及包括库区三维场景浏览及漫游、滑坡查询及空间定位、滑坡基础信息浏览、数据动态更新管理维护等在内的主要功能。总体来看,西南大型水库库岸滑坡3DGIS系统既搭建起了有效集成管理库区滑坡灾害相关信息的数据平台和框架,也实现了以数据管理及展示功能为主的三维空间信息系统,具有很强的实用参考价值。
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浙江省水政执法网上办案系统的设计与实现
邬杨明,吕斌,沈文忠,严云杰,郑毅
长江科学院院报. 2014, 31(9): 121-125.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.023
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当前浙江省水政执法过程中,由于水事违法案件案情的多样性与复杂性,各地执法流程并未标准化,法律文书并未规范化。水政执法网上办案系统采用办案流程流转与控制、可配置审批流程、异步流程控制等关键技术,实现了网上办案、案件查询、预先办理、法律查询等功能。该系统为进一步规范水政执法行为、提高水政执法工作效率、统一水政执法办案工作流程、规范处罚标准、减少人工干预起到了很好的促进作用。系统在浙江省15个县完成试点应用,在试点县使用效果很好,目前开始在全省范围推广使用。
水利工程建设与管理
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基于可靠性分析的工程项目群FAHP风险评价模型
江新,李琦,赵静
长江科学院院报. 2014, 31(9): 126-131.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.024
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针对工程项目群风险评价时评价者主观估计的可靠性问题,在工程项目群风险评价中引入可靠性分析,对风险评价中常用的模糊层次综合评价法进行改进。用评价者的区间估计代替点估计,并根据集值统计原理对评价者给出的估计区间予以量化,得到评价者主观估计的可靠性程度,再将其与模糊层次综合评价法结合应用,从而构建了基于可靠性分析的工程项目群FAHP风险评价模型。将此模型运用于某水电站库周公路网工程项目群,计算结果表明,该工程项目群风险的等级为0.363,属于风险较轻。
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高地应力软岩隧道施工工法数值分析与研究
潘飞,程圣国,林姗
长江科学院院报. 2014, 31(9): 132-139.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-5485.2014.09.025
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以宜巴高速公路峡口隧道为工程实例,针对高地应力软岩隧道施工大变形控制问题,运用数值分析分别采用环形开挖留核心土法、三台阶法、双侧壁导洞法和CRD法对峡口隧道大变形段典型断面进行开挖模拟,获得了4种不同施工工法下洞身变形、塑性区分布情况;并以此判断围岩的稳定情况,对4种施工工法的优劣进行分析与研究。研究结果表明CRD法对控制围岩稳定效果最好。最后结合工程实际,通过支护结构受力监测,洞周累计变形量与变形速率量测,验证了选用的施工工法及工艺的合理性,对我国高地应力软岩隧道的建设进行了有益的探索。
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1984年
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