2022年, 第39卷, 第9期　
刊出日期：2022-09-01

  

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  长江科学院院报. 2022, 39(9): 0-0.

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专家特约稿
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  基于气温链的南水北调中线工程冬季气温等级评价

  段文刚, 郝泽嘉

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 1-8. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220187

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  寒冷区明渠冬季输水结冰是常见的自然现象。南水北调中线工程水面一旦形成冰盖其安全输水流量仅为设计流量的30%~50%,而气温是驱动冰盖形成的主要因子,如何科学评价冬季气温等级是冰期输水面临的关键问题之一。分析了沿线8座气象站1951—2021年冬季日平均气温和日最低气温数据,揭示了总干渠气温沿程和年际变化规律。基于拉格朗日质点跟踪法,结合沿线气温-水温-冰盖生成物理过程,提出了气温链概念并给出通用数学表达式。分别采用国标法、一月平均气温法和气温链法评价冬季气温等级,构建了71 a冬季气温位次。结果表明:①总干渠自南向北气温逐级下降速率为0.48 ℃/(100 km),保定站呈加速下降趋势,对冰盖生成贡献最大。②沿线冬季气温总体呈波动上升趋势,升温速率为0.37 ℃/(10 a),强暖冬出现在最近30 a,强冷冬出现在前30 a,气温的总体上升有利于减缓大范围冰盖生成。③对于冰盖生成预测,气温链法优于一月平均气温法,更优于国标法;不同时间尺度组合评价可获得更优的结果;全球持续变暖背景下,可采用一月平均气温法和北方2站6 d气温链法联合评价。④给出了北方2站6 d气温链法冬季等级的分界阈值,即强暖冬T_C≥-4.0 ℃,弱暖冬-5.7 ℃≤T_C<-4.0 ℃,正常-7.4 ℃<T_C<-5.7 ℃,弱冷冬-9.1 ℃<T_C≤-7.4 ℃,强冷冬T_C≤-9.1 ℃,长系列均值为-6.5 ℃。研究成果可更好地为南水北调中线工程总干渠冰盖生成提供新的参考基准。
流域综合管理
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  长江水问题基本态势及耦合关系分析

  张翔, 刘浩源, 吴志广, 张鹏, 欧阳硕, 李建, 王骏

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 9-14. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210562

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  受到不断增强的人类活动与日益频繁的气候变化的叠加扰动,长江新老水问题纷繁交织。结合“十四五”规划和长江大保护的新要求,从宏观层面分析了当前长江面临局部地区缺水、涉水管理水平不足等水资源问题,沿江总磷排放超标、持久性有机污染物污染特征尚不明确等水环境问题,生态容量下降、生物资源锐减等水生态问题,以及极端洪涝干旱事件频发等水灾害问题的基本态势。最后从水系统角度揭示了温度升高等气候变化因素和水电开发、航运、农业活动、城市化进程等人为因素对长江“四水”(水资源、水环境、水生态、水灾害)问题发展变化的外在驱动影响,深入剖析了长江“四水”问题之间的内在关联反馈机制,以期能够增加人们对长江水问题耦合关系的了解,提高系统治理长江水问题的能力。
河湖保护与治理
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  长江通江湖泊演变及其影响效应研究进展

  姚仕明, 胡呈维, 渠庚, 柴朝晖, 栾华龙

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 15-23. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220304

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  在广泛查阅国内外相关文献的基础上,对长江中下游两大通江湖泊洞庭湖与鄱阳湖水沙输移规律、冲淤演变规律及对洪枯调控功能的影响这3个方面的研究进展进行了总结分析,并对当前研究中存在的不足提出了今后应加强的内容,主要包括:①自然和人为影响下两湖演变机制量化揭示,包括资料匮乏时期两湖的演变过程、各种自然因素对两湖冲淤演变的影响的识别、人类活动加剧时期两湖的自然冲淤过程等;②两湖未来长历时、大范围冲淤情势变化趋势预测,实现从两湖泥沙淤积总量预测到淤积时空分布格局变化预测转变;③两湖演变对洪枯调控功能影响的指标化评估,包括表征湖泊洪枯调控功能的指标研究及其与两湖未来不同冲淤情景的响应关系等方面。
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  三峡水库汛期水沙异步特性及沙峰输移时间研究

  王玉璇, 金中武, 陈鹏, 许全喜, 任实

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 24-29. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210510

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  以三峡水库运用以来2003—2018年库区主要测站的水沙数据为基础,对上游来沙入库时刻水沙异步特性进行了统计分析,讨论了不同水位级情况下典型场次洪水过程中沙峰输移时间与不同影响因素之间的关系,并利用回归分析法得到了拟合程度较好的沙峰输移时间回归公式。结果表明:洪峰流量>30 000 m³/s的40场典型洪水过程,入库时刻沙峰超前、同步、滞后洪峰的场次比例分别为42.5%、42.5%、15%;金沙江下游向家坝等梯级水库蓄水运用后,沙峰在三峡库区的传播时间明显增长。由于水库不同运用时期汛期坝前水位变化范围不同,采用了分水位级的方式对库区沙峰输移时间与不同影响因素的相关性进行讨论,进而使用逐步回归的方法分别建立了拟合效果较好的沙峰传播时间公式,可为水库沙峰调度提供技术支撑。
水资源
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  雅砻江和金沙江中下游梯级水库联合优化调度建模及应用Ⅰ——联合优化调度潜力分析

  张海荣, 姚华明, 鲍正风, 汤正阳, 华小军, 张东杰

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 30-37. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210532

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  梯级水库群优化调度涉及联合建模、高效求解、规则提取、效益评估等多方面内容。以雅砻江和金沙江中下游梯级水库联合优化调度为主要目标,在水库群联合调度建模的基础上,引入大系统分解协调与离散微分动态规划方法进行优化求解,并设计多种方案进行效益分析。研究表明,联合优化调度相较于各水库单独调度发电量均有所增加,发电总量平均增大2.8%,尤其在来水偏丰年份,水库群联合优化对发电量提升效果显著。其中,金沙江下游梯级增发电量平均占总体增发电量的70%以上,在发电总量较低的年份,金沙江下游梯级增发电量基本等于三流域总体增发电量,展现了金沙江下游梯级库容大、水头高、调蓄能力强的巨大优势。同时,金沙江中游和金沙江下游联合优化发电量大于雅砻江和金沙江下游联合优化发电量,若能通过投资并购、调度补偿等多种形式,探索形成金沙江下游梯级与金沙江中游梯级联合优化调度模式具有重要意义。
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  雅砻江和金沙江中下游梯级水库联合优化调度建模及应用Ⅱ——联合优化调度规则分析

  张海荣, 姚华明, 汤正阳, 吴碧琼, 信天旗

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 38-42. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210533

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  为提升长江上游水资源利用效率,在“雅砻江和金沙江中下游梯级水库联合优化调度建模及应用Ⅰ—联合优化调度潜力分析”的基础上,进一步探究了雅砻江和金沙江中下游梯级上下游水库间和不同梯级间的运行规律,绘制了联合优化调度图,并分析了相关电站的蓄放水次序。研究表明:汛前金中、雅砻江梯级水库与金下梯级各水库消落开始次序宜为两河口—龙盘—锦屏一级—二滩—向家坝—白鹤滩—溪洛渡—乌东德,总体消落思路为上游水库优先消落,尽可能的保持下游溪洛渡、乌东德等电站高水位运行,提高流域整体发电效益;汛末各水库蓄水开始次序宜为锦屏一级—龙盘/二滩—两河口—乌东德—白鹤滩/溪洛渡—向家坝,总体蓄水思路为上游水库优先释放防洪库容开始蓄水,减轻下游防洪压力,且来水偏丰年份的蓄水时间相应有所推迟。
水环境与水生态
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  基于水质目标的洞庭湖区堤垸生态需水量研究

  安秋香, 李洪翔, 黄兵, 黎昔春

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 43-48. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210578

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  洞庭湖区堤垸众多,垸内水体富营养化严重,水体流通不畅且水文观测资料匮乏,导致垸内生态需水量难以计算。以洞庭湖北部地区25个堤垸为研究对象,以垸内水体3 a后达到Ⅲ类水质为目标,在实地调研和勘查的基础上设置88个地表水水质采样点监测氨氮污染物浓度。基于环境稀释水量法建立了堤垸生态需水量计算模型,经与换水周期法对比分析,得到补水条件下洞庭湖北部地区堤垸生态需水量为32.161亿m³。研究成果对改善洞庭湖区垸内生态环境具有重要参考价值。
水土保持与生态修复
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  南水北调中线工程水源区植被时空演化特征

  李鹏傲, 姜永涛, 戚鹏程, 王丽美

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 49-55. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210505

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  研究南水北调中线水源区植被时空分布和演化特征,对水源区生态环境保护与社会经济长期稳定发展具有重要意义。利用2010—2019年南水北调中线水源区中分辨率成像光谱仪(MODIS)归一化植被指数(NDVI)数据,基于NDVI最大值合成和一元线性回归方法研究水源区植被时空演化特征,并结合水源区地表温度、降水与土壤湿度等数据探讨植被变化原因。结果表明:①水源区NDVI空间分布与地形强相关,2010—2019年,水源区NDVI均值为整体上升趋势;②2013—2015年水源区NDVI呈现显著的“下降-恢复”特征,可能与2014年水源区地表温度和降水异常导致的旱情、2015年水源区降水恢复以及丹江口水库蓄水水位上升有关;③2010—2019年,水源区植被发生显著变化的区域主要集中在低海拔的人口密集区,反映这些地区的植被更易受气候变化、城镇扩张和“退耕还林、植树造林”政策的影响。此外,南水北调中线工程通水后,丹江口水库水位上升是导致水库区域NDVI降低的原因。研究结果可为南水北调中线水源区生态环境保护提供科学依据。
工程安全与灾害防治
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  大华滑坡位移预测模型研究

  王伟, 邹丽芳, 周倩瑶, 姜宇航, 陈鸿杰, 徐卫亚

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 56-64. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210462

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  针对传统滑坡位移预测过程中的不足,提出了一种基于最小二乘支持向量机(LSSVM)的滑坡位移预测方法。以某流域大华滑坡为例,基于时序分析和集合经验模态分解法(EEMD)将原始序列重构为趋势项和波动项,趋势项位移受滑坡内部因素影响,采用最小二乘法与多项式方程进行拟合预测;波动项位移受库水位、降雨、地下水位等周期性因素影响,结合灰色关联度法和核主成分分析法(KPCA)对输入因子进行筛选与降维,并用粒子群算法-最小二乘支持向量机耦合模型(PSO-LSSVM)进行建模预测。最后将趋势项与周期项预测位移相加得到累计预测位移,并对模型预测精度进行定量分析。结果表明,建立的EEMD-KPCA-PSO-LSSVM组合模型预测效果良好,较传统BP神经网络、LSSVM等单一模型有着更高的预测精度,可为同类型滑坡位移预测提供新的思路。
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  高风险落石运动分析及边坡防护综合设计

  李源亮, 郭阿龙

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 65-70. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210557

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  中越边境某高速公路面临严峻的高位山体落石风险,常规防护方案难以奏效,为解决落石隐患,通过数值模拟方法分析落石运动规律,提出防护设计方案。研究得到以下认识:①对于落石冲击能远超工程措施防护能级的情况,应高度重视坡型设计,引导落石沿可控的轨迹运动、碰撞减速消能;落石与宽平台及落石槽碰撞后能量衰减率可达到80%以上;②坡顶挖方线与自然坡切线角度α越小,越有利于引导落石贴坡坠落;③内倾落石槽具有优越的落石滞留和能量衰减效果,但弹跳轨迹较复杂,可配合较高的低能级被动网使用;宽平台的优势在于运动轨迹规则、弹跳高度较小,可配合较矮的高能级被动网进行使用;④废弃土作为缓冲垫层能显著提高落石防护能力,还能缓解弃土造成的环境污染,种植绿化后尚有美化景观的作用。研究思路及成果可为落石防护提供借鉴和参考。
水力学
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  基于伪势模型的表面张力对空化泡溃灭的影响

  邹建锋, 何小泷, 袁浩, 汪凯迪, 周昔东

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 71-76. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210450

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  采用可调节表面张力的大密度比、大黏滞系数比格子玻尔兹曼伪势空化模型模拟了近壁区空化泡溃灭过程,并进一步分析了表面张力和初始空化泡内外压差对空化泡溃灭过程中流场分布的影响,探究了表面张力变化对空化泡溃灭时产生的微射流和溃灭压力演化的影响。结果表明:在近壁区空化泡溃灭过程中,随着表面张力减小,加剧了气液交界面的变形,导致微射流更为集中。同时空化泡在溃灭过程中蓄积的表面能减小,在溃灭时刻迅速释放后,减弱了空化泡溃灭强度,空化泡溃灭最大微射流流速和最大压力均随着表面张力的减小而减小,导致空化泡溃灭时间缩短,增加了壁面引起的Bjerknes力,加剧空化泡朝向壁面溃灭的趋势。
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  天然明渠减速流超大尺度湍流结构特性初步研究

  张鹏, 段炎冲, 王永强, 胡江, 杨胜发, 李文杰

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 77-83. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210617

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  为探究天然明渠减速流中超大尺度湍流结构特性,使用声学多普勒剖面流速仪(ADCP)和声学多普勒流速仪(ADV)对重庆河段开展了单条垂线以及水面区域固定点的三维瞬时流速测量,对紊动强度、超大尺度湍流结构波长以及湍动能占比等进行了分析。初步结果显示:在天然明渠减速流中仍然存在超大尺度湍流结构,其纵向尺度在沿水深方向上表现为先增大后减小的变化趋势;减速流中超大尺度湍流结构能够在水面区域维持自身结构且携带着大部分的湍动能。
岩土工程
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  含初始损伤冻结砂岩动态破坏机理及损伤本构关系

  王磊, 王远鹏, 秦越, 苏宏明

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 84-89. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210485

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  为掌握白垩系冻结砂岩动态压缩破坏机理,借助分离式霍普金森压杆对-30 ℃饱水砂岩开展不同应变率单轴冲击试验,结果表明:冻结砂岩动态损伤经历“线弹性变形、微裂纹演化、裂隙非稳定扩展、应变软化”4个阶段,损伤来源于初始宏细观缺陷与新生裂隙的交互演变,动态增长因子变化表明砂岩强度和变形的应变率强化效应显著;初始损伤由宏细观缺陷累加构成,不同尺度损伤缺陷耦合形成动态总损伤;单轴冲击压缩下岩石损伤演化呈正交异性,基于各向同性方程修正得到砂岩动态损伤本构关系,临界损伤是具备初始损伤、动弹性模量、动态抗压强度及峰值应变等指标特性的综合量;理论结果与试验曲线吻合良好,决定系数均＞0.910,能较好反映冻结砂岩峰前段强度特征。
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  基于水平集方法的原状土三维水气两相渗流特性数值研究

  蔡沛辰, 阙云

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 90-95. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210436

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  为揭示土体中水气两相动态渗流机理,基于计算机断层扫描(CT)与AVIZO-COMSOL交互对接技术,通过水平集(Level Set)方法来研究代表性体积单元(REV)尺度原状花岗岩残积土三维水气两相渗流特性。结果表明:孔隙残余气主要呈块状分布于孔隙边、死角和孔喉突变部位;REV模型孔隙中存在少数主渗流孔道,其普遍有着孔道宽且笔直的特征;两相渗流速度受孔道迂回程度控制,且存在明显的“优势通道”,其中主渗流通道平均流速比模型整体高47.26%;驱替阻力最大出现在孔隙壁面处,且孔道越窄,阻力越大。该研究成果可为进一步认识原状土孔隙渗流规律提供研究方法及理论基础。
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  两种植物根分布特征及其对露天矿边坡表层的加固效果

  刘向峰, 郝国亮, 于冰

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 96-101. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210402

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  为研究露天矿排土场边坡植物根的分布特征及加固效果,以海州露天矿西排土场为研究地点,以杠柳(灌木植物)和小蓬草(草本植物)为研究对象,每种植物选择5个样本,采用图片像素换算,确定不同深度(2、4、6、8、10、12和14 cm)土壤剖面上根面积比(RAR)分布;并采用拉力计测量两种植物根的抗拉力学特性;进一步通过纤维束模型计算,量化不同深度土壤剖面上根的附加黏聚力;并建立排土场理想边坡模型,研究两种植物根对边坡浅层稳定性的影响。研究结果表明,两种植物的RAR均值随着土壤剖面深度的增加而减小,每一个物种的RAR在不同深度土壤剖面存在显著性差异;两种植物根的抗拉力与根直径呈现幂律函数关系,且根直径相同时,小蓬草根的抗拉力高于杠柳;两种植物根附加黏聚力随深度的增加而减小,每一种植物根附加黏聚力在不同深度上存在显著性差异;RAR与根附加黏聚力随着根深度的增加,其数据离散性减小;两种植物根系对边坡起到明显的加固效果,杠柳和小蓬草根系加固后,安全系数分别提升了5.4%和9.0%。
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  考虑水文效应的不同植被根系护坡效果数值分析

  廖田婷, 蒋关鲁, 张崇磊, 单源椿, 叶雄威

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 102-108. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210439

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  为对比不同类型植被根系在降雨条件下对坡体内水分运移影响和浅层固土效果,基于FLAC^3D软件的FISH编程模块进行二次开发,对间隔降雨大暴雨工况下3种不同植被类型根系固土边坡和未加固边坡分别进行数值计算,并与离心模型试验结果进行对比。结果表明:植被根系能够很好地阻止水分渗透,起到固土作用。heart根型加固边坡与素坡(未加固边坡)的水分运移规律截然不同,素坡表现为近坡表侧水分渗透速率快于远坡表侧;heart根型蒸腾作用最好,但plate根型两翼宽大更能抵抗浅层雨水冲刷与渗透,总的来说,heart根型最能减少坡体内部水分;tap、plate和heart 3种根型加固边坡最大水平向位移百分比分别减小52.22%、73.68%和70.24%,综合来看,heart根型更能减小内部位移,固土效果最好;数值模拟结果与降雨离心模型试验结果拟合趋势较好,验证了开发程序的正确性与有效性。研究成果为考虑更多工况与更复杂根型的模拟奠定了基础。
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  自重湿陷性黄土地基预钻孔浸水处理的可靠度设计方法

  王小婵, 郅彬, 刘恩龙, 熊凯成, 王番

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 109-117. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210504

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  为解决传统预浸水法存在的浸水时间长、浸水处理范围难以确定等不足,基于土体中水分运移规律,依据可靠度理论、极限状态设计方法及复合 Poisson 过程原理,提出一种消除黄土湿陷性的处理浸水方法——预钻孔浸水法。给出了利用预钻孔浸水法对自重湿陷性黄土地基进行浸水时,水平向及竖直向浸水影响范围的确定模型;在此基础上结合达西定律给出了浸水孔设计参数如孔深、孔间距及浸水孔个数的确定方法。结合铜川某工程,设计进行了现场预钻孔浸水试验,对该方法的合理性进行了验证,并通过现场钻探、现场勘探、室内湿陷性试验等方法对该方法的处理效果进行了评价。该浸水方法具有浸水时间短、浸水影响范围可根据浸水孔布设进行控制等优点,且浸水处理效果良好,完全符合施工要求。
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  非饱和黄土弹性模量与饱和度关系模型研究

  郑洁, 郑红卫, 王菁莪

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 118-123. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210410

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  为研究非饱和黄土弹性模量与饱和度的相关性,采用一种基于吸应力理论与粒子图像测速技术相结合的方法对典型非饱和马兰黄土重塑样品的弹性模量随饱和度变化规律进行测试与分析。该方法通过自主研制的多功能摄影测量装置获取饼状土样从饱和状态至干燥过程中的高分辨率数码图像与含水率变化数据,同时使用压力板仪与单轴压缩仪分别测试试样的土水特征曲线与泊松比。结合吸应力理论与极坐标形式应力-应变关系理论计算土样在不同饱和度状态下的弹性模量。3种干密度重塑土样在自然风干过程中的弹性模量变化测试结果表明,马兰黄土的弹性模量随饱和度降低而呈指数增大,提出了拟合弹性模量与饱和度关系的数学模型。
水工结构与材料
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  K₂O/Na₂O对不同水泥基材料早期收缩及开裂的影响

  李洋, 张晖, 蒋科, 袁俊, 殷海波

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 124-130. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210585

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  通过外掺Na₂SO₄和K₂SO₄将低热硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥总碱含量调节至1.2%,并使K₂O/Na₂O (质量比)控制在0.4~13.7范围内,探讨了K₂O/Na₂O对3种水泥基材料收缩和开裂的影响。并基于微量热技术、电子显微镜技术和能谱技术,揭示了K₂O/Na₂O对不同水泥基材料收缩和开裂的影响机制。研究表明,随K₂O/Na₂O的增加,低热硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的自收缩和干燥收缩增加,中热硅酸盐水泥的自收缩和干燥收缩先降低后增加,而不同水泥基材料开裂敏感性始终表现为增加。K₂O/Na₂O引起不同收缩特性的主要原因与水泥基材料水化进程有关,而不同的开裂敏感性,除与收缩性能相关外,还受水泥基材料水化产物水化硅酸钙(C-S-H)、氢氧化钙(CH)形貌及界面过渡区(ITZ)元素富集的影响。
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  基于ABAQUS的再生混凝土塑性损伤性能

  姚泽良, 崔婷婷, 党发宁, 闻硕, 令狐恬晶, 祁亚伦

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 131-136. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210496

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  为了探究再生混凝土塑性损伤性能,结合Sidoroff能量等价原理,研究了CDP模型的塑性损伤因子、非弹性应变、开裂应变等关键参数,构建了基于随机多边形骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面、老-新砂浆界面、骨料-新砂浆界面的再生混凝土细观结构模型,研究了轴向压位移和拉位移作用下再生混凝土的损伤开展过程、各向应力水平、破坏形态、损伤值等关键力学性能,并将结果与试验结果进行了对比分析。研究表明:基于能量等价原理的损伤因子适用于ABAQUS建模,该方法简洁、收敛性好。再生混凝土受压损伤破坏云图呈“V”形,受拉损伤破坏云图呈“一”形,其受拉损伤和受压损伤均已达到0.956,模拟计算结果与试验结果吻合较好,表明基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型真实,计算方法合理。
信息技术应用
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  基于文献计量和可视化分析的中国水生态环境治理研究热点与趋势

  王越晗, 黄雨露, 夏煜, 郑家喜

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 137-143. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220218

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  为了解中国水生态环境治理研究趋势,以2004—2022年的Web of Science数据库中有关水生态环境治理的科学论文为研究对象,利用文献计量学工具Citespace对当前水生态环境治理研究文献进行可视化分析和论述。重点分析了中国该领域的核心研究力量、研究热点与研究趋势。结果表明未来在流域水生态环境演变、水工程生态环境影响、流域水污染防治、水环境模拟、水生态保护与修复、绿色可持续科技和生物多样性保护等方面的研究还会继续深入。高校和科研院所是水生态环境治理研究的核心力量,相互之间的合作有利于水资源、水生态、水环境等要素的协同治理。研究的核心是如何应对“污染”、“气候变化”和“植被动态”对水域的影响。高原、干旱地区水域的水污染治理评价体系构建、气候变化对水生态环境治理造成的困境,以及管理、政策上的创新与不足是该领域的研究前沿。利用Logistic回归分析、分类树等计算模型和实证方法进行水生态环境治理研究是当前的趋势。研究成果可为该领域的相关学者提供一定的参考和借鉴。
独立覆盖流形法专栏
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  精确几何薄曲梁曲壳分析的分区级数解

  苏海东, 韩陆超, 颉志强

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 144-151. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20210697

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  薄梁板壳的数值计算涉及关于挠度的4阶微分方程,其困难在于构造C₁连续的近似函数;同时,由于薄曲梁和曲壳控制方程的复杂性,通常用直梁或平板单元近似地模拟曲梁或曲壳,容易产生几何误差进而带来力学分析上的误差。前期研究采用独立覆盖流形法实现了基于厚梁板壳假设的精确几何曲梁和曲壳分析,本文在此基础上讨论了这种新型流形法的分区级数解的C₁连续性,完成了基于Euler-Bernoulli梁理论和Kirchhoff-Love板壳理论的精确几何薄曲梁和曲壳分析,并解决了几何公式推导复杂的问题。详细给出了薄曲梁的计算公式,简述了薄曲壳的计算过程,将前期文献中的算例在薄梁板壳假设下重新计算,验证了方法的有效性,相比厚梁板壳假设可节省约30%的自由度。研究成果同时展示了应用独立覆盖流形法求解4阶微分方程的潜力。
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  基于独立覆盖流形法的板壳与实体单元刚性连接研究

  苏海东, 韦玉霞, 韩陆超, 颉志强

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 152-158. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220404

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  有限元计算中,板壳单元与实体单元之间的连接需要进行特殊处理,且两者在连接处的网格必须匹配。前期基于独立覆盖流形法提出了梁板壳数值分析的分区级数解。在此基础上,研究了板壳与实体单元的刚性连接。由于板壳也采用了实体计算模式,因此与实体之间通过覆盖重叠区域自然连接。基于覆盖任意连接的特性,将板壳插入到实体中形成覆盖重叠区域。实体单元和板壳单元可以各自划分网格,在连接处不必要求网格匹配,有利于前处理工作,在网格划分达到一定密度的情况下能得到高精度的计算结果。通过变截面的悬臂梁算例、球面壳与实体基座连接算例,验证了方法的有效性,并初步展示了曲壳与实体相交曲线的精确几何。此外,还修正了新方法的三维弹性矩阵。
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  在固定的独立覆盖网格中求解几何非线性问题

  苏海东, 董鹏, 颉志强

  长江科学院院报. 2022, 39(9): 159-166. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20201111

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  采用独立覆盖流形法(基于流形思想的“分区级数解”),提出在空间固定的网格中求解几何非线性问题的新方法:在当前构形中关注经过各空间点的物质点,通过级数“逆向追踪”物质点在上一时步的位置及其应力、速度等物理量,并采用最小二乘法形成新级数作为当前时步的初值,就可以在固定网格中求解拉格朗日型的控制方程;每步计算后更新材料体构形,即更新固定网格(独立覆盖)中的积分区域,以得到准确的材料边界;以覆盖合并方式处理边界网格中的“小块”问题,并通过“小块”实现新网格的信息传递。给出弹性体大变形、刚体旋转算例验证方法的有效性。新方法集合了拉格朗日法的跟踪物质点、控制方程简单、边界描述准确以及欧拉法的网格无扭曲的优点,避免了2种方法各自的缺陷,为下一步在固定网格中进行几何非线性的自适应分析打下基础。