2020年, 第37卷, 第11期　
刊出日期：2020-11-01

  

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  长江科学院院报. 2020, 37(11): 0-0.

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专家特约稿
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  水电开发条件下自然保护区管理的实践创新——以长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区为例

  孙志禹, 王殿常

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 1-7. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20201065

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  为协调金沙江下游的水电开发与鱼类生态保护,国家设立了长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区。系统介绍了自2005年以来,各级政府主管部门、相关科研设计机构和中国长江三峡集团有限公司在金沙江下游共同开展的保护区管理工作,工作内容包括保护区机构与基础设施建设、渔民安置、鱼类增殖放流、水生态监测与生态保护相关科研等多个方面。在保护区建设与管理中,参与各方首次构建了规划策划-实施运行-监测评估-管理改进(Plan-Do-Check-Act,PDCA)的适应性管理机制,开创了“企-政-地-研”多方共同参与的保护区工作格局。该管理机制的实践创新有效协调了水电开发与鱼类生态保护,秉持“生态优先”原则,贯彻“自然恢复”理念,为自然保护区管理中各方良好协作、高效实时调整提供了新的思路。
江湖泥沙与治理
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  鄱阳湖五河入湖水沙通量及典型断面形态变化特性分析

  刘同宦, 安智伟, 柴朝晖, 黄志文, 胡呈维

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 8-13. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200307

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  五河入湖水沙通量及河道形态变化对五河尾闾演变、湖区低枯水位、江湖关系等研究有重要意义。以1956—2018年实测资料为基础,利用Mann-Kendall 检验法和河道特征对五河入湖水沙通量、典型断面形态变化特性及其影响因素进行了研究。结果表明:①五河入湖径流量总体呈小幅度减小态势,2003—2018年五河入湖平均径流量较1956—2002年减小5.3%;②除饶河外,入湖泥沙通量均有不同幅度的减小,其中赣江和信江大幅度减小,2003年后分别减少约72.3%和52.6%;③五河典型断面形态2014年前变化较大,断面多呈锯齿状;随后逐渐恢复正常;④水利枢纽工程、水土保持工程和人工采砂是影响五河入湖泥沙通量和河道形态的主要人为因素。
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  离子型表面活性剂对细颗粒泥沙起动的影响

  谢玲娴, 刘玥晓, 黄茁, 林莉, 曹慧群

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 14-19. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190964

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  表面活性剂是天然水体中常见污染物。泥沙吸附表面活性剂后,泥沙表面性质发生变化,从而影响泥沙起动规律。以长江武汉段细颗粒泥沙为研究对象,通过循环水槽装置模拟泥沙起动过程的试验,从定性和定量两方面研究了离子型表面活性剂对泥沙起动的影响机理。结果表明:①泥沙的起动过程可细分为7个阶段,当流速为15.0~20.0 cm/s时,水明显浑浊,泥沙起动;②由于表面活性剂的存在,泥沙悬浮相对减少,平衡含沙量明显降低,只达到初始含沙量的50%左右;③随着阴离子表面活性剂浓度升高,泥沙临界起动流速从19.37 cm/s增加到23.05 cm/s,而完全起动流速略微减小,从37.06 cm/s降至36.15 cm/s;④随着阳离子表面活性剂浓度升高,泥沙临界起动流速从19.37 cm/s增加到23.32 cm/s,完全起动流速从37.06 cm/s降至32.12 cm/s。电子显微镜观测结果表明,表面活性剂促进了泥沙絮凝,从而显著影响了泥沙的起动规律,且阳离子表面活性剂对泥沙的影响较阴离子表面活性剂大。研究结果不仅具有现实意义,而且为进一步完善泥沙运动体系提供了理论依据。
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  基于典型次洪泥沙动力学过程的岔巴沟流域水沙关系分析

  余魏競, 丁文峰, 刘宇轩, 康靖羚, 郭宜薇

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 20-26. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20191110

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  为准确把握岔巴沟流域径流泥沙变化趋势并分析其原因,以岔巴沟流域1970—2016年98场洪水输沙过程为研究对象,通过分析不同年代次洪输沙量,阐明了次洪水输沙动力学过程。结果表明:岔巴沟流域近50 a来次洪输沙滞回曲线模式主要表现为顺时针型、逆时针型、8字型、复杂型4种,4种模式中逆时针型所占比例和次洪输沙量最大,顺时针型所占比例最小,但平均洪峰流量和平均输沙峰值最高,复杂型洪水平均持续时间最长。不同年代次洪输沙频率表现为1980—1989年间洪水输沙滞回曲线以逆时针型为主,其次为复杂型洪水,2006年以来逆时针型和复杂型洪水数量大幅减少,8字型洪水数量增多; 出现这种现象可能是由于岔巴沟流域自20世纪70年代以来开展小流域综合治理,各种水土保持措施在1970—1989年间产生较强的作用,但2000年后,由于长期使用后产生淤满和损坏等状况,效力逐渐降低,对岔巴沟流域整体的水沙输移模式产生影响。
水资源与环境
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  基于CMADS驱动下SWAT模型的敖江流域径流模拟

  田扬, 肖桂荣

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 27-32. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190902

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  目前针对气象、水文资料不足的小尺度流域进行径流模拟的研究相对较少。选取敖江流域为研究区,利用中国大气同化驱动数据集(CMADS)驱动SWAT模型对该流域2008—2016年进行逐月径流模拟,并使用水文比拟法结合邻近的2个传统气象站计算出模拟时段的观测数据以完成模型参数的率定与验证。结果表明:模拟结果与观测值较吻合,率定期(2010—2013年)评价指标决定系数R²和Nash-Suttcliffe系数NS分别为0.84和0.76,验证期(2014—2016年)两者分别为0.85和0.74,均达到了模型的评价要求。研究成果表明CMADS驱动下的SWAT模型适用敖江流域的径流模拟,采用水文比拟法适合在水文资料不足的地区进行径流计算,可为缺少气象与水文资料的小尺度流域进行径流模拟提供参考。
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  基于滑动Copula函数的金沟河流域径流-气温关系变异诊断

  李艺珍, 岳春芳, 曹伟

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 33-39. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190932

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  为探究变化环境下金沟河流域径流和气象因素的关系变异情况,根据八家户水文站1964—2016年的水文气象数据,采用极点对称模态分解(ESMD)方法、Spearman相关分析和滑动Copula函数对流域内水文气象要素进行了分析。结果表明:金沟河流域的径流序列整体上呈微弱的减小趋势,降水和气温序列呈增加趋势,ESMD趋势项反映出金沟河流域的径流、降水和气温序列均呈非线性趋势变化;降水和气温序列的突变时间分别为1983年和1997年,径流序列的突变时间为2002年和2015年;滑动Copula函数不同窗口下的相关系数显示径流-气温关系变异时间为1997年,联合序列的最佳Copula函数由1964—1997年阶段的Gauss-Copula函数变异为1998—2016年阶段的Gumbel-Copula函数。气候变化和人类活动是造成金沟河流域径流-气温关系变异的主要原因。研究结果有助于了解金沟河流域内水文气象要素的变化特征及径流气象要素的关系变异时间,可为流域内的其他水文计算提供参考依据。
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  小岭村改造项目对济南泉域小岭强渗漏带的影响

  刘彩虹, 陈学群, 田婵娟, 辛光明, 管清花, 李成光

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 40-45. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190872

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  为了解小岭强渗漏带特征及小岭城中村改造项目对强渗漏带的影响,采用野外试验、遥感解译及电法勘探等方法,分析了小岭强渗漏带地形地质、植被覆盖度等,并计算了项目建设前后的地下水入渗量,结果表明:小岭强渗漏带东部地势高于西部地势;第四系覆盖层厚度较薄,在0~2.5 m,下部为基岩界面,地下水补给能力较强;植被覆盖情况较好,以中覆盖度和中低覆盖度植被覆盖为主,占整个流域面积的65.82%;按照多年平均降雨量计算,完全自然条件下,小流域地下水入渗量为95.13万m³/a,现状开发利用条件下地下水入渗量为85.92万m³/a,现状条件下地下水入渗量减少9.21 万m³/a,减少量占自然条件下地下水入渗量的9.68%;小岭村改造项目建设前后硬化面积减少0.026 km²,地下水入渗量增加0.62万m³/a,表明该项目有利于泉域补给区地下水入渗量的增加。研究结果对济南泉域保护和实现济南地下水资源保护与可持续利用具有重要的实际价值和意义。
水土保持与生态建设
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  不同耕作措施及玉米生育期对黄壤坡耕地土壤团聚体稳定性的影响

  马瑞, 杨帅, 秦鑫, 郑子成, 李廷轩

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 46-51. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20191014

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  为探讨耕作措施和玉米季对黄壤坡耕地土壤团聚体稳定性的影响,以横坡垄作坡面为研究对象,顺坡垄作坡面为对照,研究野外自然降雨条件下玉米季黄壤坡耕地土壤团聚体组成及其稳定性的变化特征,以期为山地黄壤区土壤抗蚀性研究提供理论依据。结果表明:①不同耕作措施对玉米种植土壤团聚体组成和稳定性影响显著,横坡垄作坡面较顺坡垄作含有更多大粒级团聚体;以(10,0.25]mm水稳性团聚体(WSA_>0.25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、结构体破坏率(PAD)、水稳性团聚体分形维数(D)、团聚体稳定性系数(ASI)为指标进行分析,得出横坡垄作坡面土壤团聚体稳定性较顺坡垄作坡面好。②随玉米生育期的推进,土壤大粒级团聚体含量及团聚体稳定性均呈现出显著升高的趋势,且在成熟期达极大值,表明玉米生育期也显著影响土壤团聚体组成及稳定性。③相关性分析得出,团聚体稳定性与根系密度、根表面积、根体积呈极显著正相关关系,根系的发育对增强研究区土壤团聚体稳定性具有重要的贡献。适宜的耕作措施和合理的种植模式均有助于研究区水土流失的有效防控。
防洪减灾
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  基于MCMC参数优化的融雪洪水联合设计分析

  何朝飞, 陈伏龙, 张志君, 杨宽, 何新林, 龙爱华

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 52-58. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190961

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  洪水的发生是由多种特征属性所推动的,由于其具有多个并发或连续驱动因素的内在影响,从而大大加剧了其发生的不可估计性。在许多风险评估和设计应用中,极端情况和复合事件的多危险情往往被忽略。针对单变量洪水的设计缺陷性,以玛纳斯河出山口控制流域为研究区,选用GEV(Generalized Extreme Value)分布和GPD(Generalized Pareto Distribution)分别构建峰量边际分布,利用MCMC(Markov Chain Monte Carlo)参数优化的Gaussian Copula函数构建极端情况下的联合概率分布,并以500 a一遇设计洪水为例,推求其设计洪水过程线。结果表明:基于MCMC优化参数的Gaussian Copula函数的联合分布拟合效果均大于相关性指标法和局部优化算法;变量间相互影响下的设计值均相应大于以某一单变量控制下的洪水设计值,其中在设计洪水过程线90 h的设计增长率为24.19%。因此,以参数优化下的联合分布所建立的防洪新标准,可为玛纳斯河流域水库汛期防洪减灾安全设计提供更加科学合理的依据。
工程安全与灾害防治
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  大坝变形的小波-云预测模型

  何杨杨, 苏怀智

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 59-63. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20191018

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  大坝变形原始观测信号可视为真实信号与白噪声的叠加。为实现对大坝变形的有效预测,将小波去噪与云模型相结合,提出一种大坝变形时间序列分析的小波-云预测模型。首先利用小波多分辨分析特点,分解出大坝原始变形时间序列中的真实信号项及噪声项;其次,创建变形预测的云模型语言规则,利用最大隶属度原则,确定被预测变形所属的规则前件及相应的历史云,结合历史云与被预测变形所在的当前云生成预测云;最后,以对某实际大坝进行变形预测为例,比较了传统统计模型、云模型和小波-云模型的预测精度。结果表明:所提出的小波-云预测模型能够提供更准确的预测结果,能够为大坝的安全运行提供有效依据。
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  超前半闭合双导洞台阶法在富水大断面隧道中的应用

  朱佳华, 原华, 李吉杨芙, 陈文

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 64-69. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200244

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  为解决用传统工法在富水大断面隧道不良地质段施工时出现的涌水、塌方等灾害,以云南省光山1号隧道为工程背景,通过工程地质调查和涌水、塌方机制分析,提出“超前半闭合双导洞台阶法”(简称“ASDP台阶法”)。用有限差分软件FLAC^3D对新工法的施工过程进行数值模拟。结合现场监测数据,发现右、左导洞开挖对拱顶、拱底竖向变形的“贡献”甚微,即使该工法提前开挖了导洞仰拱,但通过迅速施作工字钢形成半闭合结构,能够很好地控制土体卸荷带来的拱底隆起和隧道整体变形。采用ASDP台阶法后,光山1号隧道不良地质段最终得以顺利完成。ASDP台阶法工序衔接合理,进尺效率高,排水效果良好,造价低,可作为不良地质下富水大断面隧道施工的首选工法。
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  基于EEMD-ELM的大坝变形预测模型

  鄢涛, 陈波, 曹恩华, 刘永涛

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 70-73. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190892

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  建立合理可信的大坝变形监控模型对科学有效地分析大坝变形监测数据和准确可靠地评估大坝工作运行状况意义重大。通过EEMD算法分解大坝变形量,得到代表不同特征尺度的本征模函数(IMF)分量,针对不同IMF分量选择不同影响因素,将各IMF分量作为极限学习机(ELM)的训练样本对大坝变形分量进行分析、拟合、预测,最后累加各IMF分量的预测结果得到大坝变形预测值。以某碾压混凝土重力坝为例,利用EEMD-ELM模型对大坝变形量进行预测,同时与BPNN模型和ELM模型的预测结果进行对比分析,其中EEMD-ELM模型的平均相对误差为0.566,较BPNN模型、ELM模型分别降低54%和14.8%,表明EEMD-ELM模型预测精度更高,具备一定的应用价值。
岩土工程
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  基于Mohr-Coulomb的强盐沼泽区桩基承载特性探讨

  冯忠居, 李铁, 冯凯, 董芸秀, 陈慧芸, 胡海波

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 74-80. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190904

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  为了探究强盐沼泽区桥梁桩基的极限承载特性,采用桩基混凝土试件现场试验以及室内实验测得了桩基混凝土水养强度以及腐蚀强度,采用能谱仪(EDS)分析以及元素分析测得了桩基混凝土内部氯离子含量,采用室内电镜试验测得了桩基混凝土内部氯离子对流深度。将腐蚀性盐离子环境中的桩基混凝土试件划分为剥蚀区、腐蚀区和未蚀区,运用公式计算的方法得到现场暴露1 a桩基混凝土的腐蚀厚度与腐蚀后强度的关系。通过桩基混凝土强度与黏聚力c、内摩擦角φ之间的转换,建立了基于Mohr-Coulomb的强盐沼泽区桥梁桩基弹塑性本构模型,对强盐沼泽区桩基极限承载特性进行分析。结果表明:随着蚀径比的增大,单桩横轴向极限承载力逐渐降低,但降幅逐渐变缓;桩长增加对单桩横轴向极限承载力提升较小;随着蚀径比的增大,单桩竖向极限承载力逐渐降低,但降幅逐渐变缓;桩长不变,相同腐蚀厚度变化范围内,大直径单桩竖向极限承载力降幅大于小直径单桩竖向极限承载力降幅。
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  地下连续墙与止水帷幕共同作用下富水砂层深基坑变形性状

  邱明明, 杨果林, 申权, 段君义, 张沛然

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 81-88. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190905

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  研究富水砂层地下连续墙深基坑变形特性对深基坑工程实践具有重要指导意义。以某车站地下连续墙深基坑工程为依托,通过数值模拟和现场实测方法研究降水渗流作用下富水砂层地下连续墙深基坑施工变形性状及其影响因素。研究结果表明:地下连续墙水平位移曲线分布随开挖深度加深由“斜线”形—“弓”形—倒“V”形演变,墙体最大水平位移U_x,max及其位置深度H_x,max与开挖深度h_e符合线性关系,最大水平位移约为(0.048%～0.082%)h_e,其深度位置约为(0.60～1.20)h_e;地表竖向位移曲线分布沿横向水平距离呈凹槽形,沉降槽随开挖深度增加而变宽、加深,沉降变形显著影响区为(1.0~1.5)h_e,距坑边(1/3~1/2)h_e处地表沉降最大;考虑地下连续墙与止水帷幕共同作用的富水砂层深基坑变形与实测结果更为吻合,且帷幕隔水和挡土作用对基坑变形影响显著;地下水位上升、砂层厚度加深均引起墙体水平位移和地表竖向位移增大,当风化砂岩层渗透系数较大时,渗透系数增加对坑外地表竖向位移的影响较墙体水平位移显著,合理的止水帷幕深度及间距参数有利于控制基坑变形和保持稳定性。
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  酸性环境下砂岩溶质运移的数学模型及其解析解

  丁凡, 霍润科, 李曙光, 秋添, 钱美婷, 韩 飞

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 89-95. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190791

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  酸性环境下,溶液中的离子在浓度差的作用下向砂岩内部扩散、传输,并与其组分发生化学反应。基于非稳态扩散理论,推导出砂岩受酸腐蚀溶质运移过程的反应-扩散控制方程,得出其解析解,编制相应的MatLab计算程序,并用室内砂岩的酸腐蚀试验结果进行初步验证。建立砂岩单轴抗压强度与酸性溶液浓度时空分布关系,可为量化分析酸性污染物对水利工程的影响提供分析方法与手段。
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  移动列车作用下大直径顶管群和路基的动力变形和应力

  朱庆华, 张峰, 邵勇, 何勇, 秦忠国

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 96-101. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190815

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  大直径顶管下穿重要铁路干线时,路基的承载力和动力特性必将发生改变,铁路部门要求列车运行时顶管上方竖向动位移与顶管施工前相比变化量≤5 mm。对列车驶过顶管群上方铁路的过程进行了数值模拟,给出路基瞬时竖向位移和顶管附加动应力等结果。采用三维有限元Newmark动力时程分析法和seed等效线性法模拟路基的振动软化,按照实际工程考虑6根直径4.7 m的顶管群下穿京沪铁路,计算列车速度分别为100,200 km/h。计算结果表明,在管道埋深12 m时,路基最大竖向动位移增加1.3 mm,顶管受到的附加拉(压)动应力为0.14 MPa左右,顶管群对铁路运行的影响在容许范围内。
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  基于最小势能原理的三维边坡稳定矢量和法

  孙加平, 魏星, 宋保保

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 102-106. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190829

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  确定滑面应力状态以及坡体滑动方向,是运用矢量和法进行边坡稳定性分析的关键。针对任意形状的滑移面,基于最小势能原理获取滑面上的应力,通过使得系统势能最小的虚位移求解滑面上的法向力以及剪切力。同时,将边坡整体运动趋势视为微面抗滑力矢量和的相反方向,构建了一种抗滑力方向的计算方法。将滑体上的所有力在滑动方向上进行投影得到抗滑力与下滑力,二者的比值定义为边坡的安全系数。相比以往的研究,文中方法无需假定主滑面,同时避免了初始滑动方向的确定。为验证该方法的可行性,用其计算了2个经典算例的安全系数、滑动方向以及法向应力,并将其应用于某实际工程。结果表明:该方法在2个经典算例中得到的结果与其余算法结果较为接近,验证了其合理性;在实际工程中,文中方法与其他算法的计算所得安全系数较为接近。研究成果为边坡稳定计算提供了新的思路。
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  刚性挡墙非极限被动土压力计算方法

  陈建旭, 郭宁, 虞佳颖, 余明东

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 107-113. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190918

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  现有非极限被动土压力理论大多是基于墙背铅直的情况而得到的,公式的适用范围有限,并且在推导过程中也忽略了土层间剪应力的作用。针对平动模式下墙背倾斜的刚性挡土墙,在已有理论基础上,进一步考虑土层间剪应力的作用,基于水平层分析法,推导了非极限被动土压力的理论公式,扩大了公式的适用范围。研究结果表明:与不考虑剪应力的理论成果相比,本文解与试验值更加吻合,从而验证了公式的可靠性;是否考虑土层间剪应力并不影响土压力合力,但影响土压力的分布,且在墙体上部土压力大于未考虑剪应力的分布解,下部则相反;非极限被动土压力和土层间平均剪应力均随着墙体位移比、填土内摩擦角、填土外摩擦角的增大而增大;随着墙背倾角的增大,土压力强度在墙体上半部分几乎无变化,下半部分减小较为明显;土层间平均剪应力在墙体上部分减小,墙底处增大。同时考虑土拱效应与剪应力的合力作用点位置高于仅考虑土拱效应的解,而低于库伦解。研究结果可为挡土墙设计提供参考。
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  川东褶皱带明月峡背斜区地下岩溶发育规律

  成胜, 许模, 杨艳娜, 张贵铜, 黄思霜

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 114-120. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190832

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  川东隔挡式褶皱带一直是四川、重庆东西向交通通道的天然屏障,隧道可快速穿越褶皱山区,但其在建设时却常常遭遇岩溶涌突水等地质灾害,威胁着施工人员安全与生态地质环境。通过分析川东明月峡背斜区各类排泄基准面控制的地下水循环模式,研究了明月山及所在的川东地区地下岩溶发育规律及岩溶发育深度。结果表明:川东及明月峡背斜区主要可分为贯穿河谷型、横向深切沟谷型、横向浅切沟谷型3类排泄基准面控制的地下水循环模式;在贯穿河谷控制的地区,岩溶向深发育;横向深切沟谷控制的地带,岩溶也具有一定向深发育的能力,岩溶发育深度一般在沟谷之下200~500 m;横向浅切沟谷密集发育的地带地下岩溶发育深度大致在200 m以内。研究结果对于预测与规避川东地区隧道建设时面临的岩溶涌突水灾害及减小其对地质环境的影响有参考价值。
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  基于RVM-CS的工程区地层渗透系数反演分析

  李雅琦, 杨杰, 程琳, 马春辉

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 121-127. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190825

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  为了准确确定工程区各地层渗透系数,基于相关向量机(RVM)与布谷鸟算法(CS)建立反演分析模型,对研究区域内各地层的渗透系数进行反演分析。首先,基于均匀设计法构造渗透系数组合,利用有限元计算测点水位值并生成RVM学习样本;随后,通过训练RVM构建渗透系数与水头之间的映射关系,使其能够代替有限元方法快速地完成渗流计算;最后,根据工程区钻孔的实测水位值,利用CS算法搜索确定区域内各地层的渗透系数。将建立的渗流反演模型应用于某大型抽水蓄能电站工程区的初始渗流场中,结果表明:所建立的渗流反演模型能够考虑多地层渗透系数和钻孔水头间的非线性,RVM能代替有限元模型,可快速、精确地确定渗透系数;此渗流反演模型在大型抽水蓄能电站工程区反演结果合理,精度满足工程要求。
水工结构与材料
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  功能性渗蓄生态建筑材料的制备及性能研究

  胡明玉, 蔡国俊, 徐旺敏, 胡彪

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 128-135. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190833

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  为促进海绵城市建设及固体废弃物资源化,利用铜尾矿、膨润土为填充料,再生烧结砖作骨料,以水泥为胶凝材料,制备同时具有“吸、蓄、渗、净”等功能的渗蓄生态建筑材料。采用正交试验对材料配合比进行优化设计,并研究在最优配合比基础上该材料的植物生长及水质净化效果。试验结果表明:铜尾矿、膨润土用量分别为15.0%和7.5%,水灰比W/C取0.90时,材料28 d抗压强度＞4.0 MPa,渗透系数＞4.0 cm/s,吸水率＞21.0%;采用泥浆覆盖法培养出的碱茅和四季青效果较好,可分别作为水利工程和海绵城市建设的最优选择;经材料净化后,悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、总磷(TP)和氨氮(NH₃-N)等杂质浓度分别降低约53.3%,29.6%,51.9%,25.6%,且培养植被后对水溶性杂质的净化效果更强,经材料吸附的磷、氨氮等部分物质对植被生长更有利。
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  科氏芽孢杆菌对再生粗骨料混凝土抗压强度的影响

  孙冰, 黄婷婷, 吴婷婷, 黄雨微, 靳轲, 兰旺, 段晓云

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 136-140. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190800

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  将实验室废弃的强度等级为C30混凝土试块经人工破碎后通过筛选得到粒径为20～50 mm的再生粗骨料。为探究科氏芽孢杆菌矿化沉积对再生粗骨料的影响,研制了不同pH条件科氏芽孢杆菌菌液浸泡处理的再生粗骨料。利用科氏芽孢杆菌菌液浸泡处理后的再生粗骨料(取代率选用20%)制备再生骨料混凝土,开展了再生骨料混凝土试件的单轴抗压强度和声发射损伤特征试验,分析了不同pH条件的科氏芽孢杆菌矿化沉积再生粗骨料对浸泡液残余Ca²⁺浓度、混凝土峰值抗压强度和损伤演化的影响。试验结果表明:科氏芽孢杆菌菌液浸泡处理再生粗骨料后,残余Ca²⁺浓度随浸泡液pH值的减小而减少,科氏芽孢杆菌菌液浸泡能有效改善再生粗骨料的密实性,且酸性条件下效果最好;再生粗骨料经酸性环境的科氏芽孢杆菌菌液浸泡处理后制备的再生骨料混凝土的峰值强度有明显的提高;在抗压过程中,损伤演化减缓,损伤劣化程度降低,当浸泡液从pH=8到pH=5时,再生骨料混凝土损伤变量逐渐减小且累积损伤明显降低。研究成果可为微生物改良再生骨料的实际应用提供参考。
信息技术应用
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  基于高光谱数据的汉江中下游典型河段水体悬浮物遥感反演

  肖潇, 徐坚, 赵登忠, 程学军, 李国忠, 赵保成, 徐健

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 141-148. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20191003

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  选择汉江中下游典型河段作为研究区域,利用2012—2013年实测水质数据及高光谱数据,基于有效信息变量筛选和神经网络算法构建研究区水体悬浮物浓度高光谱反演模型,分析评价了模型性能与估测效果,讨论了研究区水体悬浮物浓度分布特征。研究结果表明:基于变量投影重要性指数和神经网络优势构建的高光谱反演模型在反演精度、稳定性和适应性方面表现出优异的性能;而对于基于简单相关性分析构建的单波段模型和比值模型而言,建模样本选择对模型精度有较大影响,导致模型反演精度、稳定性和适用性较差;汉江中下游典型河段水体总悬浮物浓度整体上在18.8~187.0 mg/L之间变化,季节性差异明显,即春、夏两季悬浮物浓度低于秋季。
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  基于BIM技术的水工隧洞施工进度仿真研究

  王天兴, 张继勋, 任旭华, 张玉贤

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 149-155. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190946

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  针对目前水工隧洞施工仿真模型与三维软件结合不足和未实现完整的仿真模拟2个问题,基于BIM技术开展水工隧洞施工进度仿真理论与施工进度4D化技术的研究。首先基于CATIA建立水工隧洞的三维参数化模型;再结合水工隧洞施工特点和仿真原理,建立水工隧洞施工仿真模型;最后提出水工隧洞4D实现框架。通过以上方法实现了水工隧洞施工进度的查询和施工信息的展示。实践证明,基于BIM的水工隧洞施工进度仿真模型可以实现施工进度的计算和施工强度的查询,以提高工程建设过程中的管理水平。
科技简报
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  应用Excel实现重力坝坝基多滑面抗滑稳定自动计算

  彭文明, 唐志丹, 王方亮, 闫勇

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 156-163. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20190802

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  根据重力坝多滑面抗滑稳定计算的特点,编制Excel抗滑稳定计算工具。介绍了计算工具的编制思路,重点解析了荷载计算时的Excel函数嵌套应用以及方程单变量求解要点。应用该工具,用户仅需输入基本数据,就可快速完成多滑面抗滑稳定计算,而且计算过程全透明,便于检查和统一设计标准。通过考题和工程实例,证明了Excel抗滑稳定计算工具的准确性和实用性。该方法有利于坝基多滑面抗滑稳定自动计算的推广应用,也可供类似设计计算参考。
丰宁抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定性研究专栏
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  地下洞室围岩喷钢纤维混凝土抗弯细观机理的三维离散元分析

  何军, 黄书岭, 丁秀丽, 张雨霆, 刘登学

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 164-171. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200883

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  喷混凝土的抗弯性能是其支护地下洞室围岩强度的重要反映。针对丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群的钢纤维混凝土喷层,采用三维离散元分析了其抗弯细观机理。在数值分析过程中,提出了基于Voronoi随机多边形的三角分割建模方法;引入了Monte-Carlo法,建立了钢纤维随机分布模型。数值模拟采用了库伦摩擦节理本构模型来表征混凝土材料介质之间的粘结-开裂效应,采用Cable单元来模拟钢纤维作用。结果表明:数值模拟曲线与室内试验曲线基本一致;钢纤维混凝土的弯曲破坏由拉破裂主导,拉破裂路径总体铅直向上,但会受钢纤维作用的影响;在钢纤维混凝土弯曲破坏过程中,钢纤维的屈服大多是由于其与混凝土之间的粘结力达到屈服值,这与室内试验中有较多钢纤维被拔出的现象结论一致。研究结果为丰宁抽水蓄能地下厂房支护结构稳定性提供了重要理论支撑,同时也是室内试验的重要补充内容。
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  大型抽水蓄能电站地下厂房围岩变形时效特征和反馈分析

  何一纯, 丁秀丽, 吕风英, 王兰普, 石艳龙, 张雨霆

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 172-179. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200289

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  丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群的施工期围岩变形具有量值大、时效特征明显、不同深度围岩均可能发生变形的特点。为研究该地下厂房围岩变形时效特征,基于工程地质条件和监测数据,开展围岩变形机制研究。分析结果表明:地下厂房围岩变形的分布特征和时效特性,既与围岩在开挖卸荷后所出现的岩体质量下降、围岩强度减小、岩体蚀变现象有关,也与围岩内存在节理裂隙或断层等不连续地质结构在开挖卸荷作用下易发生张开或错动有关。采用由伯格斯流变模型与带拉伸截止限的摩尔-库伦塑性屈服准则组合而成的复合黏弹塑性模型,进行围岩流变力学参数反演,获得了与监测值吻合较好的围岩变形和变形时程曲线计算结果。根据洞室群围岩开挖支护稳定性分析结果,可知截至主厂房第V层开挖支护完毕,洞周围岩局部变形和塑性区深度均较大,且塑性区贯穿主厂房和主变室洞间岩柱,围岩稳定性总体较差。因此,主厂房在第V层开挖完毕后暂停继续下挖,专门进行洞室群的系统性加强支护是必要的。
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  地下洞室喷射混凝土与围岩粘结强度试验的钻芯优化和试样修复技术

  刘双华, 石妍, 吕风英, 王兰普, 李斌, 刘登学

  长江科学院院报. 2020, 37(11): 180-186. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200291

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  喷射混凝土与围岩之间的粘结强度是喷射混凝土最重要的性能指标之一,也是地下洞室工程建设中一项重要的检测内容。以丰宁抽水蓄能电站地下厂房为依托工程,基于钻芯取样方法,开展了地下洞室喷射混凝土与围岩粘结特性现场试验研究。首先针对钻孔取芯过程中芯样频繁发生断裂的现象,介绍了提高取样效率而进行的现场改进尝试和实际效果;然后,提出将钻芯直接制取试样的单一步骤调整为现场取样、室内加工制样2步,并通过修复试样使其符合试验尺寸要求;最后,进行试件的性能测试。结果表明:采用室内修复加工方法获得的试件能够用于混凝土-基岩粘结力测试,试验结果可靠,反映了喷射混凝土-基岩的实际粘结性能。测试数据显示,主厂房与主变室内的喷射混凝土-围岩粘结强度平均值分别为0.74 MPa与0.83 MPa,即主变室喷射混凝土-围岩粘结强度略高于主厂房的喷射混凝土-围岩粘结强度。