2020年, 第37卷, 第1期　
刊出日期：2020-01-01

  

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  长江科学院院报. 2020, 37(1): 0-0.

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专家特约稿
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  2016洪水⁺长江中下游防洪与治河问题再探

  董耀华

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 1-6. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190539

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  基于2016—2019年长江防汛与河道查勘新实践、长江中下游洪水与河势的新变化与新形势,以及以往研究基础与成果,总结提出了2016洪水⁺长江中下游防洪与治河10大新问题,即流域水沙变化、河流情势变化、水文节律改变、河道洲滩演变、干流槽蓄变化、江湖关系影响、水位流量关系、防洪布局调整、河湖治理技术,以及河流管护研究。采用“原因Ⅰ-响应Ⅱ-影响Ⅲ-对策Ⅳ”4级体系,对10大新问题进行了体系分类、关系构建、课题分解与研究探讨,构建了“之字形层次驱动”和“田字形关联影响”2组关系。研究增进了三峡工程对长江中下游洪水与河势影响的辨识,强化了对变化条件下长江中下游防洪与治河问题的“层次化”与“系统化”梳理。
江湖泥沙与治理
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  三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用方式计算研究

  黄仁勇, 王敏, 张细兵, 周曼, 任实, 刘亮

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 7-12. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180814

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  在入库沙量大幅减少的背景下,三峡水库持续开展汛期中小洪水调度,增大了汛期库区泥沙淤积和防洪风险,减少了水库下泄大流量的机会。在三峡水库汛期,开展“蓄清排浑”泥沙调度方式动态运用研究有助于进一步优化三峡水库汛期调度方式。利用三峡水库干支流河道一维非恒定流数学模型,探索开展了三峡水库汛期 “蓄清排浑”动态运用方式计算研究,并提出了汛期“蓄清排浑”动态运用方案。计算结果表明:三峡水库汛期“蓄清排浑”动态运用方式可以同时兼顾排沙、发电和防洪,“蓄清”水位150 m要优于155 m,“蓄清”运行期间库水位可选择在145~150 m之间浮动运行;建议将寸滩含沙量达到2.0 kg/m³且当日寸滩站入库流量≥25 000 m³/s的时间作为水库增泄“排浑”的起始时间,将出库含沙量降至约0.1 kg/m³作为“排浑”调度结束重新进入“蓄清”调度的泥沙参考因素。研究成果可为三峡水库汛期优化调度提供参考。
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  河湖淤泥絮凝沉降特性试验研究

  王茜, 朱勇辉, 柴朝晖, 李凌云

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 13-17. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180972

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  絮凝沉降性能是河湖疏浚淤泥资源化处理中重要且未完善的研究课题。以武汉沙湖、官桥湖及南湖3种淤泥为研究对象,通过沉降筒试验,利用清浑交界面沉降速度和上清液浊度研究了粒径分布、初始含沙量及高分子聚合物对河湖淤泥絮凝沉降特性的影响规律,并探讨了沉降筒尺寸对试验结果的影响。试验结果表明:河湖淤泥粒径越小,淤泥絮凝沉降越慢,上清液浊度越小;随初始含沙量的增加,河湖淤泥整体沉降速度变小,但当初始含沙量增加到一定值后,初始含沙量的影响作用开始变弱;高分子聚合物会促进河湖淤泥絮凝沉降;沉降筒尺寸虽然对试验结果略有影响,但对于分析河湖淤泥絮凝沉降特性无较大影响。研究河湖淤泥絮凝沉降特性对于河湖通航、蓄洪、水质修复、疏浚淤泥的处理均有重要意义。
水资源与环境
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  基于Box-Cox变换的水位流量关系拟合

  李应求, 周姬, 周学忠

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 18-21. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180812

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  在水位流量关系曲线拟合中,非线性最小二乘法(Non-linear Least Square,NLS)是广泛运用的方法。但NLS中采用的对数变换有时不能起到稳定方差的作用,且没有考虑异方差会导致水位流量关系中的参数和流量估计值不可靠的问题。为了克服这个局限性,采用Box-Cox变换进行改进,并利用极大似然估计法(Maximum Likelihood Estimation,MLE)对变换后的模型进行参数估计。结果表明:相比于NLS中的对数变换模型,基于Box-Cox变换模型能更好地得到稳定方差,更倾向产生正态分布。并且发现对数变换模型是Box-Cox变换模型的一个特例,因此Box-Cox变换模型能够更合理地推断水位流量关系,在实际应用中的适用范围更广。
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  水量调度下西江下游枯季径流演变特征

  陈立华, 刘为福, 滕翔, 王焰

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 22-29. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180751

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  对西江枯季水量调度下径流演变特征及极端枯水特征进行分析,为西江流域枯季水量统一调度和水资源高效利用提供参考。选取梧州水文站1950—2015年逐日流量资料,采用Mann-Kendall法、滑动T检验、R/S法等多种方法对西江下游枯季水量调度前后枯水年月流量序列进行趋势性对比分析,并详细探讨其变异性及未来变化特征。结果表明:西江下游枯季流量呈不显著上升趋势,呈正持续性,且变异可能性较小;水量调度后枯季11月份,次年1月份和2月份流量呈显著上升趋势,而10月份流量明显下降,即呈现拦蓄汛末洪水补给枯水月份特点,但作为枯水关键期的12月份流量呈微弱上升趋势值得关注;枯季各月流量的Hurst指数和相关系数C(t)表明,未来西江下游枯季各月流量仍与过去趋势相一致,且无显著变异。PPCC检验表明,LP-Ⅲ型分布描述西江枯水年月流量频率分布最优,以该分布频率P=90%为极端枯水标准,显示枯季径流前期随着指标流量尺度变小,极端枯水发生变多,但后期变少,可见枯季水量调度一定程度上有助于减少极端枯水事件的发生。
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  湖北鄂州城市湖泊底泥重金属空间分布特征与污染评价

  栾约生, 张为, 石纲, 吴敏, 林莉

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 30-36. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20181371

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  以湖北省鄂州市某湖泊底泥重金属为研究对象,在调查和分析的基础上,采用地质累积指数和潜在生态危害指数对底泥中的重金属分布以及污染状况进行评价。结果表明:从柱状底泥纵向分布来看,该湖底泥重金属含量整体上呈现从上到下递减的变化趋势,上层底泥重金属含量最高;从空间分布上看,3个湖区重金属污染程度排序是西湖区域＞东湖区域＞中湖区域。地质累积指数评价结果显示该湖底泥重金属主要以无污染—中度污染为主,底泥中重金属污染程度的大小排序为Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Hg＞As;潜在生态危害指数法的评价结果显示底泥中As、Ni、Cu、Pb、Cr和Zn生态风险水平较低,Cd和Hg存在着不同程度的潜在生态风险,Cd的潜在生态风险最高。研究成果为该湖泊的污染调查和评价分析提供参考,并为湖泊后续的保护和水环境系统的可持续发展提供科学依据。
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  基于广义互补原理的嘉陵江流域实际蒸散发时空分布特征及影响因素

  赵宇铭, 邱新法, 徐金勤, 化环环

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 37-43. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180799

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  为深入了解嘉陵江流域实际蒸散发特征及其变化原因,基于1956—2000年嘉陵江流域13个气象站点逐日观测资料以及流域逐年径流数据,运用广义互补相关原理模型,分析嘉陵江流域实际蒸散发量E_Ta时空分布特征,通过分析Pearson相关系数研究实际蒸散发量和气象因子的相关性,探讨其变化原因。结果表明:①广义互补相关原理理论模型适用于嘉陵江流域,且E_Ta估算精度高,平均绝对误差为6.79 mm,平均相对误差仅为1.42%;②1961—2000年嘉陵江流域实际蒸散发量时间分布上呈现缓慢降低趋势,下降速率达-5.3 mm/(10 a),空间分布表现为北高南低、东高西低,最大值649.86 mm,出现在甘肃省迭部县;最低值188.26 mm,位于四川省松潘县;③1961—2000年嘉陵江流域日照时数和日较差的下降导致辐射能量项的降低,致使实际蒸散发量减少,日最高温、日最低温、实际水汽压的增加以及2 m风速的下降造成空气动力学项的减少,缓解了实际蒸散发量的减弱。首次将广义互补相关原理理论模型运用到嘉陵江流域E_Ta的计算,取得了较好的估算精度,为嘉陵江流域的水资源评价、制定正确的水资源规划及未来实现水资源持续发展提供科学依据。
防洪减灾
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  改进的集对分析法在溃坝社会影响评价中的应用

  葛巍, 李宗坤, 李娟娟, 张青玉

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 44-49. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180796

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  针对传统集对分析法存在着评价语过粗、集对势无法处理c=0、判定准则判定评价等级时会损失大量有用信息等不足,采用联系度可展性、广义集对势、置信度准则对其进行优化改进。在分析溃坝社会影响的主要因素、建立评价指标体系的基础上,构建了基于改进集对分析法的溃坝社会影响评价模型。将该模型应用于刘家台水库溃坝社会影响评价,并与其他评价方法进行对比分析。结果表明刘家台水库溃坝社会影响评价等级为“严重”,与实际情况更为贴近。该改进方法具有较好的可靠性与合理性,为溃坝社会影响评价提供了一种新方法。
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  基于水流与地质双因素的险工险段成因调查研究

  贾恺, 杨光华

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 50-55. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180881

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  在河势水流对险工险段成因研究成果的基础上,重点分析了堤基地质条件的影响。对广东省省管河道范围内的历史险工险段进行调研,梳理出了不同成因险段占比。以此为基础,选取江新联围进行水流与地质双因素的险工险段成因调查研究,通过水文测试、河床质取样以及室内试验,分析了各历史险段的成因。结果表明除水流条件较差外,各险段堤基也多以软土为主。基于此,增选了3个河势条件较差的非险段作为参照对比组,结果显示若地质条件较好,即使水流条件较差也不会形成险段。调查分析表明,河道险工险段的成因与河势水流和地质因素均密切相关,尤其是分布于软土地基区域的堤段,地质因素更是不可忽视。
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  十三围防洪保护区洪水风险分析

  牛帅, 刘永志, 崔信民

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 56-60. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180872

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  十三围防洪保护区位于珠江河网区域的西江和北江交汇后的西江右岸,西江洪水峰高量大,洪水威胁严重,进行洪水风险分析十分必要。考虑到珠江河网区域水流运动复杂,基于一维水动力学模型构建了珠江河网一维模型,并根据历史洪水资料验证了模型的可靠性。为了反映保护区内的河道、堤防、道路等对洪水传播的影响,采用精细化的非结构网格构建了十三围保护区二维水动力学模型进行洪水演进模拟。通过一、二维耦合模型,分别对江根段、西头窦段溃口进行了西江50,100,200 a一遇设计洪水下的洪水淹没方案计算,并对计算成果进行了合理性分析,包括水量平衡分析、局部流场分析、溃口流量水位过程分析等。结合社会经济数据进行了受淹面积、受影响人口、淹没损失等方面的洪水影响分析,可为防汛抢险、避洪转移等提供重要信息参考。
工程安全与灾害防治
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  基于云模型的水闸安全性态评价研究

  张志辉, 曹邱林

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 61-66. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20181314

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  为对水闸安全评价方法作进一步研究,首先建立安全评价指标体系;接着采用改进群组G1法和基尼系数赋权法计算指标权重,并通过理想点法进行权重融合;然后构建水闸安全性态评价云模型;最后,将评价结果与实际安全鉴定结论对比以佐证评价结果的准确性。利用该模型对水闸的总体安全性态作出评价,分析水闸评价分项存在的问题,并基于该模型评价结果对水闸安全性态作出预测,对水闸的运行管理和日常维护提出建议。通过实例计算发现评价结果与该水闸的安全鉴定结论一致。该模型给出了水闸与其各评价分项的安全等级,并通过MatLab生成云图,直观地反映了水闸评价结果。
水力学
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  增设收缩墩后的跌坎消力池三维流场研究

  龙建, 牛争鸣, 李奇龙

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 67-72. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180613

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  当消力池池长和池宽受到限制时,跌坎底流消能工在大单宽流量、低Fr来流条件下引起的振荡水跃对消力池具有较大的破坏力;模型试验研究发现,在跌坎消力池前采用收缩墩后的联合消能工可有效解决上述问题。选取RNG k-ε模型和流体体积函数法(Volume of Fluid,VOF)自由液面追踪法,构建有无收缩墩2种跌坎消力池并进行数值模拟,得到流场内的水力特性,并结合试验数据对有无收缩墩的2种跌坎消力池方案进行对比分析。结果表明:跌坎消力池池内紊动能不足和大尺度漩涡的不稳定性是引起振荡水跃的主要原因;设置收缩墩后水流经收缩墩横向收缩和纵向拉伸后形成收缩射流,在消力池内形成2条细长的强紊动区,形成了更多三维漩涡,漩涡尺度变小,紊动剪切加剧,破坏了不设收缩墩时的水跃旋滚,有效地消除了振荡水跃。这种消能工对工程条件限制下的低Fr数、大单宽流量底流消能具有较高的推广应用价值。
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  趾墩悬栅联合消能紊动及荷载特性数值模拟

  孙文博, 牧振伟, 高尚

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 73-78. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180836

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  基于Navier-Stokes方程和RNG k-ε湍流模型,采用流体体积函数法(Volume of Fluid,VOF)追踪非线性自由界面,对比趾墩悬栅联合消能与单一悬栅消能2种方式的水力特性差异,模拟水跃过程产生的大尺度紊动及水汽两相的强烈掺混作用。获得消力池内精细流场结构及边壁所受压力变化,以此对紊动特性及压力分布规律进行研究。结果表明:趾墩悬栅联合消能结构显著增加了渥奇段内水体紊动强度与规模,其中0.4＜h^*＜0.8(h^*为相对水深)范围内紊动强度相较单一悬栅显著增加,沿程衰减显著;消力池底板动水压力呈现明显波动,其平均动水压力相比单一悬栅略有降低;压力脉动峰值位于0.3＜x_p＜0.4(x_p为沿程相对位置),其动压力系数为消力池底板最大动水压力系数的2.0~2.4倍。研究成果可为消能机理的研究提供可靠依据。
岩土工程
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  碱激发地聚物固化盐渍土微观结构研究

  吕擎峰, 王子帅, 何俊峰, 王生新, 周刚

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 79-83. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180792

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  碱激发地聚物胶凝材料能够有效固化硫酸盐渍土的根本机理在于改善固化土的微观结构。通过对比试验研究水玻璃、石灰粉煤灰和水玻璃石灰粉煤灰固化盐渍土的无侧限抗压强度和微观结构,阐述了水玻璃碱激发粉煤灰地聚物固化盐渍土微观结构效应。试验结果表明:石灰粉煤灰能够改善盐渍土颗粒级配,缩小孔径范围,降低孔隙体积,进而提高抗压强度;水玻璃能够胶结土颗粒成为团聚体,减小孔隙率和孔隙体积,其抗压强度受浓度影响较大;水玻璃石灰粉煤灰的孔隙特征不是最佳,但由于碱激发地聚物生成的水化凝胶物质填充了粒间孔隙,改善了颗粒胶结状况,抗压强度最高;碱激发地聚物固化盐渍土效果受碱激发反应程度的影响,反应程度越高,固化效果越好。
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  聚合氯化铝(PAC)改性膨胀土的胀缩特性试验研究

  武雷杰, 杨秀娟, 张路, 樊恒辉, 严武庆

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 84-89. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180770

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  膨胀土具有吸水膨胀和失水收缩的特性,容易引起上覆构筑物的破坏。通过颗粒分析试验、界限含水率试验、自由膨胀率试验、膨胀率试验、收缩试验和扫描电镜试验,对聚合氯化铝(PAC)改性膨胀土的物理与胀缩特性进行了研究,并与硅酸钠改性土对比。结果表明:掺入PAC的膨胀土,黏粒含量降低,亲水性减弱,液限降低,塑性指数显著下降;在一定掺量范围内,PAC改性后膨胀土的自由膨胀率、无荷膨胀率、有荷膨胀率、线缩率、体缩率等胀缩性指标降低;大量的絮状物通过填充土体中的孔隙与胶结土颗粒,使土体结构性得以改善。PAC改性膨胀土的机理在于其在水介质中可电离产生大量高价[Al]^m+和[Al_m(OH)_n]^3m-n絮凝物,这些生成物通过离子交换、电中和、架桥吸附和絮凝网捕作用,降低表面电荷,使黏土颗粒相互聚集,降低膨胀土的胀缩性。
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  饱水-风干循环作用下砂岩力学性质劣化规律

  郭慧敏

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 90-94. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180841

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  水库在建成运营过程中,水库内水位反复升降对库岸边坡安全性产生影响。为探究饱水-风干循环作用下水库边坡岩体力学性质的劣化规律,以某水库边坡水位变幅带砂岩为试验对象,进行岩石三轴压缩试验。引入劣化率概念探究水岩作用对砂岩力学性质的影响,并借助电镜扫描技术分析了砂岩在水岩作用下的劣化机理。研究表明:水岩作用程度相同时,砂岩峰值抗压强度随围压增大而变大;相同围压条件下,随饱水-风干/循环次数增多,砂岩峰值抗压强度、黏聚力、内摩擦角变小,且三者数值与循环次数N之间的变化规律符合指数分布。当水岩作用增强时,峰值抗压强度劣化率最小值为31.35%,黏聚力、内摩擦角劣化率分别为30.61%和15.37%;水库水位升降对砂岩峰值抗压强度、黏聚力影响较内摩擦角大,三者劣化率与循环次数N之间的变化规律同样符合指数分布。在砂岩三轴压缩试验基础上,对水岩作用下岩石劣化机理进行了研究。研究成果对于受水位反复升降影响的水库边坡安全性治理具有一定参考价值。
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  细菌对红黏土抗剪强度的影响

  施鹏超, 陈筠, 王麒, 张瑶丹, 邬忠虎

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 95-99. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180642

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  为了探究土壤原生细菌对红黏土强度的影响,通过对红黏土中天然赋存的原生细菌进行富集培养,并在红黏土重塑试样中添加培养后的细菌菌液,通过土工试验和电镜试验分析红黏土物理力学性质和微观结构的变化。结果表明:随着细菌的掺入,三轴试样的破坏峰值和压缩模量都有所提高,并且随时间的增长,呈现先增大后减小的趋势;同时从电镜图像上来看,细菌的掺入使得红黏土中粉粒含量有所增加,相应的黏粒含量下降。研究结果可为进一步研究单一的细菌种类对红黏土物理力学性质和微观结构的影响提供参考。
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  击实状态下膨润土加砂混合物膨胀特性及影响因素

  胡桂阳, 刘清秉, 许振浩, 谢辉辉

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 100-107. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180958

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  膨润土加砂混合物是进行核废料深埋处置的理想缓冲回填材料,其膨胀变形特性是评价处置库屏障体系的重要参数。以不同掺砂率下的高庙子钠基膨润土为研究对象,在室内分别开展了击实试验、有荷膨胀率试验、膨胀力试验,重点研究其膨胀变形,并通过微观电镜扫描分析其膨胀特性的影响因素。试验结果表明:随着掺砂率的增加,膨润土加砂混合物的最大干密度也会增大,且击实曲线从相对平缓、开阔逐渐向陡立和狭窄发展,即当掺砂率增加时,混合物干密度梯度变化值受含水率的影响显著;混合物的膨胀过程大致分为3个阶段,即快速膨胀阶段、减速膨胀阶段和缓慢膨胀阶段,有荷膨胀率δ_ep与时间的关系可采用双曲线关系拟合,而最大膨胀力与掺砂率的关系可采用指数关系拟合;基于不同初始状态下的微观结构,综合分析得出单位体积的蒙脱石含量和颗粒结构是影响其膨胀特性的根本因素。
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  边界约束对弯曲-伸展元三轴波速试验的影响

  黄林, 王勇, 李剑, 何维, 李显琴

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 108-112. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180860

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  利用弯曲-伸展元开展干砂小应变剪切波试验和除气水压缩波试验,研究了三轴试样的不同约束边界对弯曲-伸展元量测剪切波速和压缩波速的影响,并对波速试验结果进行分析。研究结果表明:以干砂为试验对象的剪切波速试验结果介于砂土中剪切波速与边界材料的剪切波速之间,受到约束边界的材质、长度和壁厚的显著影响;而以除气水为试验对象的压缩波速试验结果受样品约束边界的影响较小。在不同约束材质下,剪切波在干砂中的传播速度与约束材料的刚度有关,材料的刚度越小对干砂剪切波速测试结果影响越小。弯曲-伸展元激发频率的相关性与边界约束无关,只与测试材料有关。研究成果有助于获取准确的弯曲-伸展元波速试验结果。
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  沉积方向对饱和密砂力学特性的影响

  罗强, 汤振, 马可栓, 王奎阳

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 113-118. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180968

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  沉积方向对土体强度的影响对于研究初始各向异性而言具有重要意义。基于砂土颗粒的毛细效应提出一种试样制备方法,制备若干组具有不同沉积方向的密砂试样。通过系列三轴固结排水剪切试验研究沉积方向对强度、体变的影响,并拟合得到沉积方向和峰值强度的关系公式。研究表明:沉积方向夹角在0°~90°范围内对峰值强度和体变的影响比较显著,当沉积方向夹角与试样破坏面方向(45°+_φ/2)接近时,剪切带形成得更早,试样更容易达到破坏,所对应的峰值强度更低,达到峰值和残余状态更早。依据试验结果拟合得到沉积方向夹角和峰值强度的关系公式,公式预测结果与试验结果吻合度在不同围压条件下均较高。研究结果为研究砂土的初始各向异性力学特性提供了有益的方法。
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  正弦波下砂岩ms级损伤预测模型

  刘杰, 谢晓康, 兰俊, 高素芳, 高进, 王飞

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 119-129. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20181007

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  为获得毫秒(ms)级正弦波损伤变量预测模型,对岩样在不破坏情况下进行了不同波形不同频率的轴向力加卸载试验。提出了不同步时间段的定义,进而获得不同峰值荷载下不考虑不同步时间条件下的动态泊松比分别与即时荷载、即时横向长度、即时轴向高度之间的线性关系,从而得到线性关系中系数与峰值荷载间的拟合公式,即可联立不同已知条件,通过少量几个加载力峰值下的试验数据,对任意峰值荷载下动态泊松比与相关参数间的线性关系进行预测。以此为基础研究得到,在误差允许的范围内,采用动态泊松比与即时横向长度的线性关系,推导出体积应变、损伤变量的计算公式和方法,可以很好地对加卸载过程中岩样的体积应变、损伤的变化做出ms级的精确预测,也为在已知少量循环试验下获得岩石动态参数,即可对ms级的损伤进行精确预测的模型提供了方法。
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  含裂隙大理岩的破碎演化和能量耗散研究

  黄丹, 李小青, 邹锦洲, 宋文超

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 130-136. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180911

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  岩石中裂隙分布对岩石的宏-微观力学性质和微裂纹的发育演化规律具有重要的影响。通过离散元方法(DEM),采用光滑节理模型建立不同裂隙倾角的模型进行单轴压缩试验,详细研究了大理岩在压缩过程中应力-应变特征、微裂纹发育演化过程、微观尺度上的能量耗散分配机制。结果表明:裂隙倾角与模型的应力-应变具有相关性,也影响微裂纹的发育演化过程;当裂隙倾角较小时,在达到峰值强度之前就产生了可见的拉裂纹,达到峰值强度之后拉裂纹继续增长并出现其他宏观裂缝;裂隙倾角较大时,达到峰值强度之前所产生的微裂纹大多零星分布,达到峰值强度之后微裂纹快速增加,形成多条裂缝。能量耗散研究表明:岩石的能量主要通过颗粒黏结存储于弹性势能中;在压缩过程中,弹性势能会缓慢降低并转变为摩擦耗能、阻尼耗能及破裂耗能,而破坏时4种能量占比大致相当。研究成果可为揭示裂隙岩石在压缩作用下裂纹扩展的细观力学响应机制提供参考。
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  基于畸变能理论的岩石损伤本构模型研究

  刘之喜, 罗吉安

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 137-141. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180775

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  加-卸载岩石损伤本构模型是预测压气储能硐室长期稳定性的关键,气压对围岩的作用力是反复变化的,目前能适用的本构模型较少,因此,提出一种能够描述分等级加-卸载的岩石损伤本构模型。根据岩石微元强度服从畸变能理论和Weibull 随机分布,建立了一种能够描述分等级加-卸载的岩石损伤本构模型。 通过试验对本构模型进行验证,并结合岩石单轴分等级加-卸载试验数据, 对分等级加-卸载的岩石损伤本构参数进行敏感性分析,确定参数的具体物理意义及参数演化与分等级加-卸载的关系。分等级加-卸载的岩石损伤本构模型参数物理意义明确,便于拟合,能够较好地符合工程实际情况。
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  基于弹塑性颗粒流本构模型的Lac du Bonnet花岗岩破坏细观机理模拟

  彭述权, 刘芹, 包卓冉, 樊玲

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 142-148. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180319

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  考虑理想弹塑性弯扭-Mohr-Coulomb-最大拉应力破坏准则,以及拉伸失效、压剪失效、转动屈服和扭转屈服4种失效模式,提出一种新的离散元弹塑性本构模型。该模型植入二次开发的三维颗粒流程序,通过数值试验研究宏细观参数关系,模拟Lac du Bonnet(LDB)花岗岩试样压剪和拉伸强度试验。研究表明:颗粒转动弹塑性弯扭矩对宏观内摩擦角和黏聚力具有显著影响;宏观黏聚力随细观黏聚力和屈服弯扭矩增加而趋于恒定;宏观内摩擦角随屈服弯扭矩和细观摩擦系数增加而增加;岩石宏观单轴抗拉强度随细观极限拉应力的增加而趋于恒定;宏观弹性模量和泊松比主要受细观弹性模量和刚度比影响。弹塑性颗粒流本构模型模拟的LDB花岗岩的强度参数和变形参数,以及压拉强度比和裂缝分布与室内试验结果吻合较好。LDB花岗岩单轴压剪模拟试验在达到峰值应力前,试样内部裂缝以细观拉伸裂缝为主,从试样端部向中部发展成近似X状;在接近或超过峰值应力后,试样内部开始出现压剪裂缝、转动屈服裂缝和扭转屈服裂缝,从试样一端向另一端发展成单斜状,其倾角与宏观破坏倾角接近,发展成宏观压剪破坏面,从而揭示了宏观裂缝形成的细观机理。
水工结构与材料
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  含白云石粗骨料超高性能混凝土的性能试验研究

  王永霞

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 149-155. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180748

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  为了降低超高性能混凝土(UHPC)中水泥等胶凝材料的用量,掺入白云石粗骨料(CDA),制备了含CDA的UHPC,并探讨了粗骨料含量和钢纤维体积掺量对UHPC抗压强度、弯曲强度、弹性模量、单轴拉伸性能以及耐磨性能的影响。结果表明:随着CDA含量的增加,UHPC弹性模量的显著提升,而抗压强度和弯曲强度则先上升后下降;钢纤维体积掺量的增加,增大了含CDA的UHPC的抗压强度、初裂强度、峰值强度和断裂耗能,降低了试件历经磨损后的质量损失和磨损深度,优化了其单轴拉伸性能和耐磨性能;当CDA含量为200 kg/m³、钢纤维体积掺量为1.5%时,制备的UHPC各项性能综合最佳。研究成果可供超高性能混凝土研究人员参考。
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  激发剂对风积沙微粉强度的影响

  杭美艳, 马刚, 吕学涛

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 156-160. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20181313

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  为了更好地将风积沙用作辅助胶凝材料,采用激发剂与风积沙一体化磨粉的方式,对风积沙进行活化试验。试验结果表明:风积沙微粉等质量替代30%水泥时,碱类与醇胺类激发剂对风积沙微粉的活化效果好于硫酸盐类激发剂;通过正交试验确定的复合激发剂能显著提高风积沙微粉胶砂的后期抗压强度,7 d抗压强度比提高了11%,28 d提高了13%;对风积沙微粉28 d的水化产物进行SEM试验,发现掺复合激发剂风积沙微粉胶砂试件生成物中存在丰富的纤维团簇状C-S-H凝胶与细长柱状AFt晶体相互交织,形成空间网状结构,填充在孔隙中,使胶砂试件结构致密。研究成果可为以后风积沙微粉的工程应用提供技术理论依据。
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  考虑接触行为的U型渠道冻胀数值模拟

  高凤, 娄宗科, 肖旻

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 161-165. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20181019

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  U型衬砌渠道具有良好的整体性和冻胀适应性,但在冬季仍极易因土体冻胀而导致破坏。考虑渠基冻土与衬砌接触面冻结的非线性特性和冻土、混凝土材料的塑性特征,建立能分析渠道基土与衬砌间挤压、脱开及滑移等接触力学行为的渠道冻胀破坏热力耦合数值模型。以宝鸡峡灌区塬下北干渠为原型渠道,按照模型是否考虑接触分别进行冻胀数值模拟,并对模拟结果进行对比分析。结果表明:考虑接触的模型模拟结果与原型实测值更相符,更能合理地解释U型渠道冻胀在渠底与阴坡衔接处冻胀量最小;考虑接触的混凝土塑性应变最大值是不考虑接触时的3.76倍;考虑接触的法向冻胀力和切向冻结力更均匀,最大值均减少1.5~3.0倍,应力集中现象减弱,更能反映混凝土衬砌板与渠基土之间的滑移变形与破坏准则的相互作用。研究结果为U型衬砌渠道冻胀破坏规律提供了分析方法。
信息技术应用
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  基于主成分变换的滑坡识别方法及其在2015年尼泊尔地震中的应用

  陈文龙, 候勇, 李楠, 钟成, 阿木拉堵, 陈晨, 孙技星, 李卉

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 166-171. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20180715

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  2015年尼泊尔地震以其强大的破坏力诱发了许多滑坡,对居民生命安全、道路房屋等造成极大的威胁,更准确快速的震后滑坡制图对救灾行动起着至关重要的作用。为了解决遥感传统像素级的变化检测方法的结果中大量过度识别,以尼泊尔首都加德满都为研究区,首先利用震前震后两期Landsat-8影像进行主成分变换,然后对变换后包含丰富特征信息的第一主成分(PC1)影像作变化检测,最后利用震后影像的第3主成分、NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)、坡度等特征去除变化检测结果中的非滑坡地物。目视解译成果验证表明:基于主成分变换的滑坡识别方法能将研究区93.0%的滑坡识别出来,识别效果较好;滑坡主要发生在研究区东北方向的Sun Koshi河谷一带,主要地形坡度为[20°,50°)。提出的方法能较好地应用于地震引起的大范围滑坡识别,为震后救援和重建工作提供有力帮助。
仪器设备与测试技术
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  某300 MW机组水轮机调节系统参数实测及建模分析

  冯雁敏, 张雪源, 李明, 黄琢

  长江科学院院报. 2020, 37(1): 172-178. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20181005

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  为提高电力系统稳定分析计算的准确性和电网调度对试验机组生产调度的科学性,对某300 MW混流式水电机组进行水轮机调节系统控制参数测试和建模分析。以试验机组水力机械特性和调速系统实际控制逻辑为依据,兼顾调节控制的死区、限幅、延时、非线性函数等因素导致的非线性特性和仿真计算的方便简约性,在MatLab/Simulink中对水轮机调节系统的电气控制、液压系统和原动机3个环节进行建模;针对原动机环节分别建立了电力系统分析综合程序通用模型和自定义模型;对模型参数进行了现场实测和仿真辨识,并对电力系统分析综合程序通用模型和自定义模型进行比较分析。结果表明自定义模型参数能更好地反映机组设备本身的动态响应特性。该模型的建立为水电机组电力稳定计算分析领域的完善和发展提供了参考。