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2021年, 第38卷, 第5期 
刊出日期:2021-05-01
  

  • 全选
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    封面与目次
  • 长江科学院院报. 2021, 38(5): 0-0.
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  • 专家特约稿
  • 程展林, 潘家军
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 1-10. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20201226
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    我国高土石坝数量居世界之首,保证高坝大库建设与长期运行安全是国家经济和公共安全保障的重大需求。系统总结了长江科学院近年来在土石坝工程领域的若干创新与发展。提出了基于“旁压模量当量密度法”的粗粒料级配相似理论试验方法;介绍了研发的系列CT三轴仪,实现了粗粒料组构要素的定量测量;提出了三轴试验中加载板与试样之间由滑动摩擦变为滚动摩擦、整体式接触变为分散式接触的减摩新方法,研发了相关减摩装置;研制了大尺寸、高压力、微摩擦、刚柔复合加载的土工真三轴仪;揭示了粗粒料真实三维应力条件下的强度与变形变化规律、湿化与蠕变变形特性;构建了粗粒料三参量非线性K-K-G剪胀模型、六参数湿化模型、九参数蠕变数学模型及相应的参数确定方法;基于当量密度法的原创思想,提出了利用旁压试验间接确定超百米级深厚覆盖层现场密度的试验方法。上述研究成果可为高土石坝工程建设提供重要科技支撑。
  • 江湖泥沙与治理
  • 吕庆标, 岳红艳, 朱勇辉, 李凌云
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 11-16. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200252
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    针对天然河道崩岸现象,采用概化模型试验和数值计算相结合的方法,初步分析了不同水位变化速率对河道崩岸的影响。研究结果表明:水位变化对崩岸有明显影响,尤其在水位降落阶段,水位降落速率越大,崩岸越明显。岸坡稳定性计算结果显示涨水时稳定系数随水位上升而增大,至高水位后稳定系数先减小后保持稳定,水位降落阶段稳定系数减小,且与降落速率密切相关。研究成果可为分析不同水位变化速率下岸坡稳定性的演化特征并采取相应的河道整治措施提供理论依据。
  • 水资源与环境
  • 梁栩, 朱丽蓉, 叶长青
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 17-24. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200246
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    水资源安全影响区域社会经济的健康发展,全球气候变化与人类活动已对流域水资源安全造成巨大压力。建立水资源、水环境及社会经济系统动力学(SD)模型,以层次分析法构建水资源脆弱性评价指标体系与评价标准,设置常规、技术革新型、经济优先型以及综合发展4种模式,采用综合指数加权法对2010—2035年南渡江流域水资源脆弱性进行评价预测并探究水资源脆弱性成因及机理。结果表明:各产业生产用水、城乡用水、GDP增长率与流域水资源脆弱度呈正相关,污水处理率、三产/工业比例与其呈负相关;4种情景都经历中等、轻微和不脆弱3个阶段,整体脆弱度呈现下降趋势,且情景3、情景1、情景2、情景4下降幅度依次增加;情景3整体脆弱度最高,均值为43.81,情景4整体脆弱度最低,均值为33.48;综合发展模式最适合南渡江流域健康发展。
  • 陈良, 杨银科, 刘宇, 王天尧, 焦怡雯
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 25-33. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200843
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    辨析区域用水结构特征,对于优化区域水资源配置、社会经济与生态环境协同发展具有重要意义。利用洛伦兹曲线、基尼系数、洛伦兹不对称系数等方法,对甘肃省各区域近10 a来用水结构时空分布特征、均衡差异性、主要用水指标(万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、人均综合用水量和净灌溉用水量)进行研究,并对研究结果进行定量分析。结果表明:甘肃省用水结构存在显著差异,工业用水、城镇公共用水、居民生活用水基尼系数均>40%,超过了“警戒线”,空间分布极不均匀;生态环境用水、农业用水空间分布相对合理,但仍未达到“空间均衡”的治水目标;工业用水、城镇公共用水、居民生活用水具有明显的空间分布不均匀性,总体呈现出由类型用水量较大区域主导的非对称性特征。研究结果与实际情况基本吻合,表明该研究思路和研究方法可为区域水资源优化配置、用水结构分析提供一定的参考。
  • 孙正兰, 司存友, 华骏, 王江
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 34-39. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200156
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    为了探究江都水利枢纽下游潮水位变化规律及其影响,根据输水口门三江营站逐日资料, 应用趋势分析和周期分析的方法,分析1957—2019年长系列的特征潮位、潮差、潮历时、周期等典型要素的变化规律以及对工程运用的影响。结果表明:多年潮位呈显著增大变化,涨落潮最大潮差呈不显著增大趋势、涨落潮最大历时呈不显著减小趋势,但最大潮差和潮历时在夏季呈现与年趋势相反、在枯水期呈现与年趋势相同的变化。特征潮位、潮差、潮历时均呈周期性变化,特征潮位和最大潮差主周期均约为28 a,涨落潮最大历时主周期约为22 a;根据主周期特征时间长度,特征潮位、潮差、潮历时目前均处于增大阶段,将于2020—2021年进入为期约7~9 a的减小期。该研究对南水北调东线源头充分调引长江水源以及淮河洪水安全下泄具有重要的现实意义,也为更好地掌握长江河口潮流界末端潮流的运动规律提供参考。
  • 水土保持与生态修复
  • 宋立旺, 邓健, 王伟民, 戚德辉
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 40-46. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200285
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    以浙江省为研究区,基于2009—2018年MODIS_NDVI数据,采用MVC最大值合成法获取逐月NDVI值,利用改进的像元二分模型估算2009—2018年植被覆盖度,结合DEM数据及《浙江省林地保护利用规划》(2010—2020年)中的林地分区,分析浙江省植被覆盖度的时空变化情况。结果表明:①2009—2018年浙江省植被覆盖度总体处于高盖度级别,存在缓慢降低的趋势。②2009年和2018年的植被覆盖度空间格局基本一致,即浙南山地区、浙西山地丘陵区>浙中丘陵盆地区、浙东沿海丘陵海岛区>浙北平原区;植被覆盖度变化以稳定为主,占总面积的62.79%,退化区域面积大于改善区域面积,退化趋势以浙北平原区最为严重,占总面积的6.73%,改善趋势以浙南山地区最为明显,占总面积的4.87%。③各地形因子范围内的植被覆盖度变化均相对稳定;不同高程范围内,明显退化区域在高程100 m以下,明显改善区域在高程200 m以上;不同坡度范围内,退化最明显区域为坡度[0°,5°)范围,明显改善区域为坡度15°以上;不同坡向间,植被变化的差异并不明显。研究成果可为该地区的生态环境建设和水土流失防治提供理论依据。
  • 工程安全与灾害防治
  • 马佳佳, 苏怀智, 王颖慧
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 47-54. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200705
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    大坝变形监测数据序列具有非平稳、非线性特征,是水压、温度和时效综合作用的结果。引入集合经验模态分解(EEMD)方法处理变形数据,在得到多尺度大坝变形分量的基础上,对于其变化复杂的高频分量,采取长短期记忆神经网络(LSTM)以获得较优预测结果;对于周期性变化的低频分量,借助多元线性回归(MLR)实现快捷且有效的预测;最终通过分量重构,得到大坝变形的预测结果。工程实例分析表明:EEMD方法避免了模态混叠现象,可以得到更为合理的多尺度变形分量;LSTM和MLR分别对高、低频分量具有良好的预测能力。将分量叠加重构的最终结果分别与多种单一预测算法、基于EMD的组合算法以及传统模型等预测效果比较表明,基于EEMD-LSTM-MLR的组合预测模型的平均绝对误差(MAE)、平均绝对百分误差(MAPE)及均方根误差(RMSE)均低于上述对比模型,有着更高的预测精度,为大坝变形预测提供了新的思路。
  • 李东明, 杜蔚琼, 毋新房
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 55-60. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200204
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    基于ANSYS Workbench断裂分析模块,根据某小型水电站压力钢管部分管段纵焊缝未焊透的情况,建立含未焊透缺陷钢管段有限元模型,求解管壁的环向应力,并确定16Mn钢的临界应力强度因子。按照焊缝缺陷特征在管壁建立裂纹的有限元网格,再次计算并提取正常发电工况及水锤工况下钢管缺陷尖点的Ⅰ型应力强度因子。根据临界应力强度因子判断准则,其未焊透缺陷不影响钢管的安全性,在后续检测中未发现缺陷有扩展趋势。
  • 水力学
  • 辜晋德, 徐建荣, 彭育, 薛阳, 赵建钧, 颜志庆
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 61-65. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200220
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    白鹤滩水电工程具有窄河谷、大泄量的特点,泄洪消能问题突出。为了避免有限空间内的水舌重叠,采用泄洪表孔3组非对称排布的泄洪消能布置方式。模型试验表明,原布置方案中在坝身泄洪孔口表、深孔单独泄洪时能有效分散水舌,但在坝身表、深孔联合泄洪时,水垫塘内冲击压力峰值超过常规标准,可能影响水垫塘安全运行。通过分析表、深孔水舌的空中碰撞特点,调整表孔俯角后,改善了水舌空中碰撞效果,同时改变深孔平面偏转角后,坦化了大功率泄洪时水垫塘动水冲击压力分布。优化后的非对称布置方案在高效消能的同时保证了水垫塘的安全。
  • 於思瀚, 黄卫, 韩继斌, 黄明海
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 66-74. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200193
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    大型水库建成后由于库区水动力学特性、光混特性、热量特性等发生了改变,水库垂向水温将呈现出明显的分层现象,对库区及其下游河道的生态环境造成显著影响,常通过采用分层取水措施加以改善。针对控制幕分层取水方法,通过温分层水槽试验,研究了分层水体中设置水温控制幕后,控制幕前水温、流速分布特征以及下泄水温的变化情况。试验考虑了不同热冷水流量比、控制幕距取水口距离、取水口位置和控制幕遮挡率等因素的影响。试验结果表明:控制幕设置后,控制幕上游近幕布区域温跃层厚度减小,温跃层强度增大,水体掺混受到抑制;控制幕下游温跃层厚度增大明显,控制幕促进了控制幕下游水体的垂向扩散,破坏了原水体分层现象;控制幕上游近幕布区域,热冷水流量比越小取水口位置越低,控制幕遮挡率越小温跃层厚度越厚,温跃层强度越小。热冷水流量比增大,取水口位置提高以及控制幕遮挡率增加均会使下泄水温升高。
  • 岩土工程
  • 石明生, 李禄禄, 夏洋洋, 陈永利
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 75-81. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200077
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    高聚物布袋注浆桩是针对既有建筑物地基加固工程而开发的一种新型地基加固技术。为探讨该新技术对既有建筑物地基加固工程的适用性,通过不同密度及不同分层情况土体中的注浆成桩试验,研究了高聚物布袋注浆桩的施工工艺、成桩规律和加固效果等内容。试验结果表明:高聚物布袋桩挤密土体效果明显,成桩后桩径可达到2~3倍预钻孔直径;在相同注浆量的条件下,桩径随着土体密度的增大而减小,桩体密度随着土体密度的增大而增大;同时,高聚物布袋注浆桩能很好地通过硬质夹层,形成哑铃形桩体,对软土地基起到明显的加固作用。现场轻型动力触探试验结果表明,经高聚物布袋注浆桩加固处理后的土体,轻型动力触探试验的锤击数平均增加2~3次,提高了30%~50%,加固效果显著,充分论证了高聚物布袋注浆桩用于加固软弱地基的可行性。
  • 梁瑞, 包娟, 周文海
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 82-87. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200335
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    为研究岩体爆破载荷作用下炮孔及边坡潜在滑动面近区的损伤特性,利用有限元强度折减法确定静载下边坡的折减滑动面,并基于此建立边坡的弹塑性本构模型进行数值模拟。将数值模拟结果与经典判据进行比较分析,确定不同损伤速度阈值下对应的爆心距及岩体破碎状态。同时基于边坡爆破数值模拟结果,探究有潜在滑动面的边坡岩体爆破时损伤、爆心距、质点峰值振动速度(vPP)及岩石动态抗拉强度之间的关系,并分别通过经典判据、最大拉应力准则的vPP判据和拉应力峰值与vPP统计关系得到3个vPP阈值,发现最大拉应力准则的vPP判据获得的损伤阈值误差最大。此关系在实际工程中可对已有的基于最大拉应力准则的vPP判据作出修正。
  • 王家辉, 江洎洧, 饶锡保, 黄帅, 周欣华
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 88-93. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200279
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    对取自某渣场边坡坡顶和坡底的2种松散碎石土试样,开展了4组大型三轴固结排水剪切试验,研究了松散碎石土剪切破坏过程中的应力与应变、体应变与轴向应变、实测泊松比随应力水平变化的关系以及邓肯-张E-νE-B模型的适用性。研究结果表明:①渣场松散碎石土应力-应变曲线基本呈硬化型、无显著峰值、强度参数φ与选取的应变标准关系密切且随应变标准的增加而变大;②松散碎石土在剪切破坏过程中基本呈单调剪缩,表明剪切过程中试样内部以颗粒平动引起的结构压缩为主,而由颗粒转动和力链调整引起的剪胀基本可忽略;③松散碎石土实测泊松比与应力水平基本呈线性关系,且坡顶与坡底料有较明显的差异。从实测泊松比与邓肯-张模型比较结果来看,邓肯-张E-B模型对坡顶料有较好的适用性,而坡底料比较适用于邓肯-张E-ν模型。
  • 姜景山, 左永振, 程展林, 潘家军, 张超, 韦有信
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 94-102. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200194
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    粗粒料的力学特性不仅取决于有效围压,还与密实程度密切相关。通过4组不同初始干密度粗粒料的大型三轴固结排水剪切试验,研究了围压和密度对粗粒料临界状态力学特性的影响。试验结果表明:软化型应力应变曲线破坏状态偏应力大于相变状态偏应力,而相变状态偏应力与临界状态偏应力较为接近;不同围压、不同密度的试验,随着剪切的进行,偏应力与平均正应力的应力比逐渐趋向于临界应力比,软化型试验应力比曲线呈单驼峰型形态,硬化型试验应力比曲线呈爬升型形态;临界孔隙比随临界平均正应力的增大而减小,随初始孔隙比的增大基本呈线性增大。研究成果可为特征状态参数研究和临界状态本构模型的建立提供依据。
  • 余梦, 张家铭, 周杨, 孙狂飙
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 103-108. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200096
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    为了探究膨胀土新型改良技术,引进微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)新型环保的土体加固技术,利用巴氏芽孢八叠球菌开展MICP压力灌浆改性膨胀土室内试验,研究了胶结液浓度对膨胀土力学性能、微观结构及水理特性的影响,揭示了MICP技术改性膨胀土的作用机理,评价了MICP压力灌浆改性膨胀土试验的效果。试验结果表明:灌浆处理后试样的无侧限抗压强度最大增加了379.4%,土体刚度也有所提高;试样的膨胀性、渗透性均有明显改善,膨胀力最高可减少25.3 kPa,渗透系数最大减少3个数量级;试验改性效果随着胶结液浓度的增大而提高,但当胶结液浓度增大到一定程度后,改性效果不再显著。研究成果验证了MICP技术用于改性膨胀土的有效性和可行性。
  • 吕捷, 樊秀峰, 吴振祥
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 109-114. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200147
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    实际边坡土体内部存在大孔隙等优势通道,坡体内的水分运动常表现出优势流特性。为探究降雨作用下天然边坡土体内大孔隙的发育特征及优势流的空间响应规律,开展原状土柱的降雨染色示踪试验。通过染色信息标定水分浸润面积,根据“水分浸润面积比”这一参数评价土柱内部不同大孔隙的发育特征对优势流发展及水分入渗通量的影响。研究结果表明:原状土柱中优势通道的发育程度与空间变异性较强,优势通道类型以大孔隙为主,连通性与开启程度好的大孔隙,优势流快速通过,与周围基质交换能力弱,可快速多量地补给地下水;分布不规则、方向各异的大孔隙,优势流现象被削弱,与基质交换能力强,但随深度逐渐减弱;个别死端大孔隙,滞留水分较多,增强了与周围基质的水分交换能力,对优势流的运移作用不大。染色评价结果与土柱实测水分通量所得规律完全一致,准确揭示了原状土中大孔隙流的典型空间分布特征。
  • 付佳佳, 王炼, 尤苏南, 王旭东
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 115-122. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200390
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    黏-砂混合土在吹填土地基中广泛应用,混合土地基变形与微观结构息息相关。为探讨黏-砂混合土压缩变形的微观机制,以黏土与砂不同配比的混合土为研究对象,利用压缩、扫描电镜(SEM)试验和图像处理技术(IPP)对固结前后试样的颗粒排列、孔隙分布进行定性和定量分析,从微观层面探讨了混合土微观结构随固结压力变化的演变机制。结果表明:随着含砂量的增大,混合土孔隙比呈先减小后增大的趋势,压缩系数不断减小;大、中孔隙随着含砂量增大明显增多,颗粒间接触方式从以边-面、面-面接触为主向点-点、点-面接触过渡;固结作用提高了颗粒排列的密实性和有序性,孔径分布向小孔径范围移动,大孔隙面积占比最大降幅达31.39%,中孔隙面积显著增加,对微、小孔隙影响不明显;土体颗粒的定向概率熵与和含砂量呈正线性相关,与压缩系数a1-2呈负线性相关,含砂量越大,混合土颗粒排列越混乱,定向概率熵越大,其压缩性越低。由此可见,固结压力和配比不同引起的颗粒、孔隙微观结构参数变化是导致混合土压缩特性差异的内在原因。
  • 张杰, 张常亮, 李萍, 李同录, 乔志甜, 李强
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 123-130. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200506
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    黄土的结构性与其形成过程密切相关,并对其物理力学性质产生重要影响。针对结构性黄土的大孔隙和胶结特性,对DDA算法进行了扩展,将结构性黄土中起主要胶结作用的黏粒胶结嵌入已有的DDA算法中;使用Monte Carlo法和DDA模拟黄土的沉积过程,该方法能够模拟颗粒下落过程中的相互碰撞及摩擦,分析结构性黄土在压缩过程中颗粒的平动和转动规律,由此构建与原状黄土孔隙比接近的微观结构模型;进一步使用扩展DDA对所生成的黄土结构模型进行不同压力下的一维压缩试验模拟,并与室内压缩试验进行对比。发现胶结试样颗粒位移比不含胶结试样颗粒位移小,但整体规律相似;每个颗粒位移的大小和方向不尽相同,但主要以竖向位移为主;在压缩过程中,不同区域的颗粒位移存在较大差异,上部颗粒位移大,越往下部颗粒的位移越小。该研究成果可为从微观认识黄土力学行为提供一条途径。
  • 姚晨辉, 夏玉云, 吴学林, 刘艺, 陈铁飞, 门青波
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 131-136. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200202
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    依托巴基斯坦塔尔矿区风积砂土湿陷性研究课题,基于前期勘察成果和相关湿陷性试验结果,对塔尔沙漠风积砂土的湿陷性特征及其基本物理指标与湿陷性的相关性进行分析研究。结果表明:风积砂土的湿陷性主要分布在①、②层,湿陷性系数平均值为0.039,湿陷性程度属于轻微-中等;风积砂土的颗粒组成和易溶盐特征是湿陷变形的主要内在基础;风积砂土湿陷性系数与含水率之间离散性较强,与孔隙比基本呈正相关关系,与干密度之间基本呈线性负相关,当孔隙比<0.65或干密度>1.60 g/cm3时,风积砂土不具有湿陷性。
  • 水工结构与材料
  • 李宗坤, 王特, 葛巍, 郑艳
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 137-143. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200137
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    针对混凝土坝运行期风险因素多、不确定性大,且风险因素状态随时间呈动态变化的问题,分析并归纳了导致混凝土坝失事的主要风险源,引入时间因素建立了动态贝叶斯网络模型,研究混凝土坝失事概率随时间变化的动态特性。结合Leaky Noisy-or gate扩展模型,阐述了条件概率的确定方法。由实例分析得到了某混凝土坝失事概率和各风险因素发生概率的时序变化曲线。结果表明该动态贝叶斯网络评估模型合理可行且优于静态贝叶斯网络模型。研究成果可为类似工程的动态风险分析及评价体系的构建提供借鉴和参考。
  • 沈恒祥, 孔云, 庞建勇
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 144-148. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200071
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    为了解决目前轻质混凝土力学性能不足的问题,开展了向轻质混凝土中掺入多种纤维以提高其力学性能的试验。采用正交试验方法分析了陶粒、玄武岩纤维和聚丙烯纤维这3种添加物对于混凝土抗压强度和最大抗剪荷载的影响。结果表明:陶粒替代部分粗骨料能够有效降低混凝土的自重并大幅度降低混凝土的抗压强度,但陶粒可以提升混凝土的最大抗剪荷载,最大提升幅度为13.7%;玄武岩纤维与聚丙烯纤维的掺入可以有效地提高混凝土的抗压强度和最大抗剪荷载,对混凝土抗压强度的最大提升幅度分别为9.7%和5.7%,对混凝土最大抗剪荷载的最大提升幅度分别为36.2%和13.1%。建立的混杂纤维混凝土抗压强度和最大抗剪荷载的预测模型能够精确地预测其抗压强度以及最大抗剪荷载。研究成果对混杂纤维混凝土的力学性能研究具有一定的参考价值。
  • 信息技术应用
  • 娄连惠, 刘强, 谭玉敏
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 149-152. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20201088
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    通过利用2017—2019年间53景Sentinel-1A数据,采用SBAS方法完成了巴东地区长江沿岸区域年平均形变速率图的绘制。结果表明:该区域地表形变速率维持在-5~5 mm/a之间;考虑了水位在时间和空间上的影响,分析了水位变化与江边不同距离区域内时间序列形变间的关联关系,认为该区域形变整体受水位变化影响很小。研究成果为评估三峡库区地表形变状况及对三峡库区沿岸区域地质灾害监测预防、工程建设以及水库安全运行等有重要意义。
  • 水利工程建设与管理
  • 郭辉, 李林, 兰道银, 石正国, 郭文康
    长江科学院院报. 2021, 38(5): 153-158. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20200235
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    黄登大坝最大坝高202 m,是在建的世界第一高碾压混凝土重力坝。受地质条件及其他因素的影响,在建设过程中出现原材料质量波动、新版检测标准与旧版设计指标不匹配、粗骨料裹粉等一系列工程问题。介绍了第三方检测机构牵头解决上述工程问题的全过程,剖析了水利水电工程第三方检测如何发挥技术能力优势为工程提供优质附加服务,揭示了工程问题解决过程中第三方检测发挥的关键作用,为同类型工程建设提供有益的参考。