2023年, 第40卷, 第11期　
刊出日期：2023-11-01

  

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封面与目次
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  第40卷第11期封面与目次

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 0-0.

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专家特约稿
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  粗颗粒土缩尺方法及缩尺效应研究进展

  潘家军, 孙向军

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 1-8. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230661

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  粗颗粒土作为土石坝的主要填筑材料,最大颗粒尺寸达到米级,室内试验试样只能进行缩尺。如何缩尺保证室内试验成果反映大坝实际填料的力学特性,一直是土石坝研究的难题。近年来大量学者就粗粒土的缩尺方法及缩尺效应开展了一系列卓有成效的研究工作,但在某些方面仍存在分歧。对现有粗颗粒土缩尺方法、试样试验边界效应、缩尺效应规律研究进行了系统总结和分析。最后,为解决粗颗粒土缩尺方法难题,介绍了长江科学院提出的一种粗颗粒土缩尺方法“旁压模量当量密度法”,阐明了“旁压模量相等”与“力学性质一致”的关系,诠释了“旁压模量当量密度法”的理论基础,为深入研究粗颗粒土缩尺方法提供了技术支撑。
河湖保护与治理
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  汉江兴隆枢纽坝下枯水位下降成因浅析

  由星莹, 王祖卿, 彭翔鹏, 吴铮, 唐金武

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 9-15. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220840

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  汉江兴隆水利枢纽运行后,500～800 m³/s流量下,2021年较运行前坝下水位累计下降2.47～2.55 m,对工程安全及效益发挥带来不利影响。深入研究枯水位下降成因,发现南水北调中线调水及补偿工程实施后,汉江中下游水沙条件变异,“清水下泄”导致河床冲刷;枢纽建设致使坝下局部河势调整,深泓摆动频繁、主流线坐弯延长、过水面积及河槽容积增大;局部航道整治工程的实施促使原滩体萎缩、新主槽刷深;引江济汉补水工程增强了中枯期水流冲刷动力等,上述因素综合导致兴隆坝下枯水位显著降低。
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  江西省河长制效能分级分区评价体系构建

  张磊, 谢颂华, 莫明浩

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 16-22. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221219

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  为实现河长制分级分区评价,提出行政分级和地形地貌分区相结合的矩阵化效能评价模式,从河长制的六大任务和社会公众等7个方面分别构建市县(18个指标)、乡村(16个指标)2个级别的河长制效能评价指标体系,利用层次分析法得出山丘区、平原和滨湖区2个区域不同特性的指标权重,建立二级模糊综合评价模型对江西省赣州市、南昌市、上犹县、樟树市、梅水乡和张家山街道等典型区域进行评价,评价结果分别为好、中、好、好、中、好。结果表明:在山丘区,水资源保护是影响各级河长制效能的主要因素,水生态修复影响了赣州市、上犹县效能,水污染防治影响了上犹县、梅水乡效能,而在平原和滨湖区水污染防治是影响各级河长制效能的主要因素,此外水资源保护影响了南昌市、樟树市效能,水生态修复影响了樟树市效能。结果与实际情况基本一致,表明该评价体系适用于河长制效能分级分区评价。
水资源
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  基于数字滤波法的长江上游流域基流时空分布特征

  孙志伟, 梁越, 钮新强

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 23-28. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230043

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  基流是枯水期河川径流的重要补给来源。精确刻画长江上游流域基流的时空分布特征,对水资源合理的开发和利用有着重要的意义。将数字滤波法和SWAT模型相结合,开展了长江上游流域基流在时间特征上的研究,并利用克里金插值方法实现了长江上游流域基流空间分布的刻画。结果表明:1990—2000年长江上游流域多年年均基流量和多年年均基流模数的范围分别为:5~9 500 m³/s和0.36~28.00 L/(km²·s);年径流量、年基流量与年降水量均呈现出明显的正相关关系,而年基流指数与年降水量呈现出明显的负相关;基流指数(BFI)在年际变化上较为稳定,表明基流是河流的重要补给来源。基流指数在年内变化存在枯水期>丰水期的关系,基流量在年内变化规律为夏季>秋季>冬季>春季、丰水期>枯水期;此外,长江上游流域基流量随着产汇流面积的增加而逐渐增加。
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  不同时间尺度下的生态径流风险评价方法

  王飞龙, 郭晓明, 张松, 胡挺

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 29-35. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220846

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  生态盈余与生态赤字是评估河流生态水文状况的指标之一,但现有计算方法缺乏统一度量,无法据此判断河流生态水文状况在不同月、季、年之间的优劣。基于流量过程线提出了一种不同时间尺度下的生态盈余与生态赤字计算方法,年生态盈余为第75分位数流量过程线以上的年多余径流与年可能最大多余径流之比,年生态赤字为第25分位数流量过程线以下的年不足径流与年可能最大不足径流之比,月、季生态盈余与生态赤字类似定义,并基于生态赤字将径流减少带来的生态风险划分为4个等级:无风险、低风险、中风险、高风险。利用新方法对金沙江下游屏山站资料进行了分析。结果表明:新方法克服了现有方法的局限性,生成的生态风险图显示了屏山站1940—2012年中每个月、季和年的风险水平,可为今后设计生态径流调控措施提供评估手段。
水环境与水生态
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  武汉市后官湖藻类越冬及复苏过程

  贾迪, 许元钊, 贡丹丹, 潘雄, 董磊, 林莉

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 36-41. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220797

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  2021年10月—2022年4月通过现场调查开展了武汉市典型富营养化湖泊后官湖藻类越冬及复苏过程研究。结果表明:后官湖越冬期共检出浮游植物6门26属,其中以绿藻门(Chlorophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)、蓝藻门(Cyanophyta)为主;从时间尺度上看,水体中藻类丰度于11月初(秋季)开始下降,12月份—次年2月份(冬季)处于较低水平,3—4月份(春季)呈上升趋势;底泥藻类丰度从10—11月份则呈现先上升后下降的趋势,并于1月末2月初降至最低,随后上升,该变化较水体而言有所延迟,可能与藻类垂向迁移有关。相关性分析表明:水体和底泥中的藻细胞密度对水温均有较强的响应(p<0.01),水体和底泥中藻细胞密度的变化分别主要取决于绿藻和蓝藻的变化,说明越冬期大量蓝藻细胞沉降至湖底;冬季(11月份—次年2月份)后官湖水体与底泥藻类丰度的比值相对较低,说明大多数藻细胞在冬季沉降在底泥中。研究揭示了武汉市后官湖藻类越冬及复苏过程,为揭示水华发生机理,开展水华防治提供理论支撑。
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  青海湖沙柳河流域浅层地下水水化学组成空间分布特征

  王有财, 曹生奎, 曹广超, 康利刚

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 42-50. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220777

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  地下水水化学组成空间分布对地下水资源科学管理保护具有重要意义。基于青海湖沙柳河流域不同典型月份地下水水化学组分数据,利用GIS空间分析方法对该流域地下水主要阴阳离子浓度、pH值、TDS浓度等的空间分布及其来源的空间异同性进行了研究。结果显示:①不同月份阴阳离子空间分布差异较大,6月份离子空间分布差异比1月份和10月份较为明显。6月份比1月份流域地下水K⁺、Na⁺、F^-和SO^2-₄浓度的高值区范围缩小,Ca²⁺、Mg²⁺、HCO^-₃浓度的高值区范围扩大,NO^-₃浓度的高值区与低值区范围无明显变化。10月份比6月份Ca²⁺、Mg²⁺、NO^-₃和HCO^-₃浓度高值区缩小,K⁺、Na⁺、F^-和SO^2-₄浓度高值区扩大。研究期内地下水Cl^-浓度的空间分布无明显变化。②青海湖沙柳河流域地下水主要阳离子受碳酸盐风化作用影响,在流域下游存在一定硅酸盐风化作用。③青海湖沙柳河流域地下水多数离子空间分布特征大致呈流域中上游向河口汇聚,再向河口三角洲分散。
水土保持与生态修复
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  引黄灌渠生态护坡技术

  方琳, 孙红霞, 杨春景, 陈诚

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 51-55. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230521

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  生态护坡是促进边坡生态恢复和减少地质灾害的主要技术措施。基于生态环境学理论和地质灾害防治理论,分析当前常用生态护坡类型的适应性,综合不同类型生态护坡的“固、保、透、滤、柔”等优点,针对开封段引黄灌渠多为硬质护坡的现状和砂质土的特性,因地制宜地提出适合灌区渠道常水位以上使用的装配式PET网袋箱生态护坡。为了探讨该方案的可行性,设计了4种试验工况,通过试验对比验证PET网袋箱生态护坡的性能。试验结果表明:使用PET网袋箱生态护坡的土体与原生态护坡相比,抗剪强度增强较多,尤其是土体的黏聚力比原生态护坡增强约110%,同时PET网袋箱生态护坡相较于混凝土、浆砌石、六棱砖护坡在滤土排水、便于施工、工程造价、生态环保等方面优势明显,可为类似生态护坡工程提供参考依据,以期助力黄河流域生态保护和高质量发展。
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  长寿区长时序生态质量评价及影响因素分析

  林娜, 张迪, 潘建平, 冯珊珊, 潘鹏

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 56-62. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220860

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  分析长寿区生态质量时空演变过程和影响因素对三峡库区生态建设及恢复具有重要意义。选取长寿区为研究区,以2002—2021年多景Landsat-5 TM 影像和 Landsat-8 OLI 影像构建遥感生态指数(RSEI),从时间和空间两个维度研究生态质量演变过程,并通过随机森林模型分析生态质量和影响因子之间的关系。结果表明:①长寿区RSEI均值由2002年的0.642 7降低到2006年的0.566 5,2010年以后RSEI均值稳步增加,生态质量呈“先恶化后好转,整体向好发展”的趋势;②生态质量较好的区域集中在高程较高的区域,较差的区域集中在长江两岸的工业园区、化工园区、城镇居民居住区;③2002—2021年长寿区生态质量改善面积为628.838 km²,占比44.16%;退化面积为183.269 km²,占比12.87%,改善效果明显;④随机森林模型分析发现高程和人口密度是影响RSEI空间变化的主要因子,人类活动和地形因素对区域生态质量变化起主导作用。利用RSEI和随机森林模型可以对长寿区及三峡库区内其他相似区域进行生态质量评价。
水灾害
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  基于水文学模型的洞庭湖内部超额洪量分布

  宋雯, 王加虎, 卢金友, 赵文刚, 刘晓群

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 63-70. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220661

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  为了定量评估荆江三口、湘资沅澧四水以及区间来水洪水入湖时洞庭湖内部超额洪量分布情况,以长江干流螺山站、东洞庭湖七里山站、南洞庭湖鹿角站、西洞庭湖南咀站及小河咀站等分别作为区域出口控制断面,建立洞庭湖洪水水文模型,利用1996年、1998年、2017年典型洪水数据率定参数,计算三峡水库运行前后再现1954年洪水(长江防御目标洪水)时洞庭湖内部超额洪量分布情况。研究结果表明三峡水库调洪作用明显,但遭遇目标洪水时城陵矶附近仍有215亿m³超额洪量,且洞庭湖要承担143亿m³超额洪量,其中西洞庭湖、南洞庭湖、东洞庭湖分别承担26亿、62亿、55亿m³超额洪量,该结果与西、南、东洞庭湖区蓄洪垸蓄洪总量相当。本研究结果可为长江中游防洪布局优化提供技术参考。
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  基于降雨情景模拟的长江中下游流域淹没风险

  张洪云, 王永强, 王大胜, 王伟

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 71-78. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220764

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  针对长江中下游流域洪涝灾害频发的现状,基于泰森多边形法和河网密度法分别模拟流域降雨和构建子集水区,采用SCS模型和局部等体积法模拟不同降雨重现期下的淹没水深和范围,并以市为单位进行淹没风险的具体分析。结果表明长江中下游流域产流的高值中心集中在水体和城市用地区域,受淹区主要集中在江汉、两湖平原和长江三角洲等低洼区域;随着降雨重现期的增长,遭遇积水的淹没范围越广,陆域的洪涝程度加剧。降雨量与淹没面积近似呈线性关系,当降雨量<80 mm/d,降雨量每增加1 mm,流域的淹没范围增加947 km²;当降雨量>80 mm/d时,淹没范围增加644 km²。在以市为单位的具体分析中,武汉市、南京市、南昌市以及孝感市的淹没范围和风险均较高,因而需重点关注与防御。
农业水利
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  基于面板模型的农业信息化对产业结构的影响

  田甜, 熊玉江

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 79-84. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230385

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  智慧农业发展背景下,农业信息化是农业发展的重要动力,研究农业信息化对农业产业结构升级的影响作用,对推动农业结构调整、促进农业产业结构升级具有现实意义。以中国省际面板数据为基础,引入农业信息化发展水平的二次项,探究其与农业产业结构升级之间的非线性关系,进一步采用面板平滑回归模型分析农业信息化与农业产业结构升级之间的门槛效应。结果表明:农业信息化发展水平对农业产业结构升级呈现“倒U型”影响,且“倒U型”的拐点为门槛值;结合我国农业发展实际情况,研究发现农业信息化水平的提升,将促进农业产业结构升级的发展,但随着农业信息化水平的逐步上升,该推动作用将会边际递减。
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  基于云模型的云南参考作物蒸散量时空变化及影响因素分析

  杨蕊, 王龙

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 85-92. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220632

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  云模型可定量描述参考作物蒸散量(ET₀)的随机性和模糊性,基于云模型分析云南ET₀的时空变化,结果可为云南农业灌溉、水旱灾害等研究提供参考。以云南省31个气象站1958—2013年的逐日气象资料为基础计算ET₀,基于云模型并结合线性倾向、M-K趋势检验、偏相关分析等研究云南参考作物蒸散量及影响因素的变化特征。结果表明:1958—2013年,云南ET₀在时间和空间上分布不均匀,空间分布较时间变化更不均匀且不稳定。56 a间ET₀呈不显著增加趋势,2000年后ET₀显著大幅增加且分布极不均匀极不稳定;春季ET₀最大,冬季ET₀最小,冬春ET₀分散且不稳定;ET₀呈“中高东西低、南多北少”的空间分布和“西增中东减”的变化规律,滇中高值区ET₀变化不均匀且不稳定;湿度、日照时数和风速是影响ET₀的主要因素。
岩土工程
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  卡拉水电站地下洞室群稳定性分析及洞室间距优化研究

  方丹, 韩钢, 鄢江平, 邵兵, 张传庆, 周辉, 高阳

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 93-101. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220649

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  不利地质构造及软弱地层是卡拉水电站地下洞室群围岩稳定控制的关键性因素,鉴于此,采用离散元方法建立了包含不同级别结构面及软弱地层的节理岩体模型。在节理岩体模型的基础上,对处于优化设计阶段的卡拉水电站进行洞室群稳定性分析以及主副厂房洞和主变洞间距优化研究。数值计算结果表明:地下厂房洞室群整体稳定性较好,地下厂房区围岩具备成洞条件;但存在软弱地层T₃z^2-5区域围岩变形较大,局部区域节理相互切割易造成块体滑落等工程地质问题,需要对其重点关注;结合洞群开挖后围岩内场量的分布情况以及经济指标和力学指标,从定性和定量角度对洞室间距进行了优选,最终确定主副厂房洞和主变洞间距50 m为最优方案。相关研究成果对于卡拉水电站洞室优化、安全施工具有一定指导意义。
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  CAES储气库衬砌开裂对裂隙围岩两相渗流和传热特性的影响

  万发, 蒋中明, 李海峰, 梁贤浩

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 102-110. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220682

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  为研究压气储能(CAES)储气库衬砌密封层开裂对裂隙围岩的两相渗流和传热特性的影响,基于COMSOL平台,利用弱形式PDE二次开发了双重介质两相渗流计算程序,并进行了验证。以某CAES储气库为背景,建立了储气库裂隙岩体两相渗流传热数值模型,研究了充放气过程中衬砌开裂对裂隙围岩的两相渗流和传热特性的影响。结果表明:① 衬砌开裂会使围岩裂隙和孔隙内渗流压力升高,同时导致裂隙和孔隙之间的渗流压力差增大,最大压差增大1.5 MPa。② 运行210 d后,衬砌开裂将导致渗漏的气体水平扩散范围由无开裂的54 m扩大至66.7 m。③ 初次充放气条件下,衬砌内外侧温差大,有可能超过100 K;衬砌开裂和围岩裂隙对衬砌和围岩温度分布影响微弱。因此衬砌开裂会造成渗流压力扩散,但对温度分布影响微弱。
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  碎石桩复合地基抗剪特性物理模型试验与数值模拟

  江洎洧, 盛春花, 任佳丽, 王汉武

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 111-117. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230958

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  碎石桩法在软基处理中应用广泛,目前对该型复合地基抗剪特性定量研究较少,不能很好支撑实际工程需求。以物理模型试验和数值试验为主要手段,研究了碎石桩复合地基抗剪机制,得到以下结论:①以实际的碎石桩置换率19.6%为参照,对复合地基分别开展了无包裹常规碎石桩和透水橡皮膜包裹碎石桩的不固结剪切,以及无包裹碎石桩固结剪切单剪物理模型试验。3种方案复合地基反馈的抗剪能力较天然软基均提升显著,但前2种方案抗剪强度参数差异不大,而固结剪切方案较前两者有更进一步提升,表明桩周软土对散体状碎石桩的柔性约束能使其呈现整体均匀式剪切特征,碎石桩对软基渗透性能的显著改善是复合地基抗剪强化的关键。②将碎石桩置换率由19.6%提升至24.5%开展一组不固结剪切对比试验,与置换率19.6%的固结剪切状态相比,两者强度差异不大,表明在较低置换率区间,从发挥该类型复合地基抗剪强度的角度来看,促进地基固结更为经济有效。③以不同排水固结状态桩间土抗剪强度参数为主控因素,开展复合地基剪切数值模型试验,分析认为物理模型试验中桩间土反馈的抗剪强度较相应排水固结路径均有所提高,验证了碎石桩能显著改善软基渗透性的判断,进一步分析揭示了复合地基剪切变形及剪应力传递规律。
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  高温作用下砂岩声发射特征及破坏前兆

  王小林, 温仕轩, 王煜东, 张亮, 雷瑞德

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 118-124. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220606

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  为探究不同温度作用后砂岩声发射多重分形特征及破坏前兆信息,对不同温度加热后砂岩开展室内单轴加载试验,研究试样破坏过程中裂纹起裂应力、损伤应力、峰值应力及声发射特征等的演化规律。试验结果表明:借助声发射技术量化识别了加载过程中不同温度加热后砂岩的裂纹起裂应力和损伤应力门槛,随着温度的增加,不同裂纹应力门槛呈现出先增加后降低的演化规律,裂纹起裂扩展阶段占比逐渐降低。当应力水平由0~0.2σ_c增至峰后阶段时,多重分形谱宽度呈现出先降低后增加的趋势,该结论进一步证实了加载过程中砂岩内部结构产生的变化。声发射b值总体上呈现出先增加后降低的变化规律,试样失稳破断前声发射b值急剧下降,声发射b值急剧下降阶段可作为失稳突变前兆信息点。
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  基于RS-SSA-RF的帷幕灌浆施工质量预测

  宋铭明, 刘宗显

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 125-130. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230062

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  灌浆施工质量预测作为施工过程控制的重要抓手,为寻求具有高精度及低耗时性的灌浆施工质量预测方法,建立了基于粗糙集理论和樽海鞘群算法优化的随机森林的灌浆施工质量预测模型。通过工程应用,对帷幕灌浆施工质量进行了预测分析,并与支持向量机、BP神经网络对比,结果显示本文所提出的方法耗时仅为219.313 s,预测值与实测值的Pearson相关系数为0.936、平均绝对误差为0.140、均方误差为0.037、平均绝对百分比误差为0.059,与实际值具有一致性。研究表明,所建立的模型可为灌浆施工质量控制提供参考。
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  西南红层泥岩填料膨胀变形宏-微观响应机制

  邱恩喜, 陈秋玲, 孙希望, 张蕊, 万旭升, 渠孟飞, 王彬

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 131-139. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220692

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  为探究红层泥岩填料的宏观膨胀与微观特征的响应关系,通过有荷、无荷膨胀性试验分析了不同膨胀性泥岩填料的膨胀时程曲线;采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜试验(SEM)研究了泥岩填料的矿物组分和微观结构,从而建立以微观特征参数为中间变量的宏观变形与微观结构定量关系。结果表明:在无荷条件下,泥岩填料膨胀率为泥岩的28.3倍,且膨胀率随蒙脱石掺量呈指数增长;与无荷膨胀率相比,有荷膨胀率显著降低,蒙脱石掺量越高,膨胀率降低速率越慢。试验后黏土矿物含量增加了4.57%,随蒙脱石掺量增加,结晶度和平均晶粒尺寸分别降低18.1%和16.5 nm,几何特征参数与蒙脱石掺量呈线性关系,蒙脱石含量越高,孔径为1~2 μm的孔隙数量越多,且膨胀率与微观特征参数之间呈显著指数增长关系。
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  红黏土固结压缩过程中电阻率结构特性试验研究

  彭光灿, 徐兴倩, 屈新, 赵熹, 王海军, 蔡波

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 140-145. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220645

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  电阻率结构特性参数作为土体结构的量化参考指标,能有效地反映土体压缩固结过程中的结构变化特征。以云南红黏土为例,通过改进的固结压缩电阻率测试仪,测试固结压缩过程中红黏土的竖向和横向电阻率,探讨电阻率结构特性参数(结构因子、形状因子、各向异性系数)的变化规律,采用综合指数法和主成分分析法提出了红黏土压实度的电阻率结构特性参数综合评价指标。结果表明:随着竖向多级荷载连续施加,红黏土竖向电阻率、横向电阻率、平均结构因子和平均形状因子均呈现逐渐下降趋势,而各向异性系数呈现先下降,后缓慢上升至稳定趋势;电阻率结构特性参数能间接反映红黏土的结构强度和颗粒间胶结状态,红黏土结构特性综合评价指标E_R与压实度K之间存在定量化关系,拟合精度较高。采用该指标评价红黏土压实度具有可行性,可为红黏土碾压工程压实度的快速检测提供更为便捷的途径参考。
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  深埋水平层状围岩拱形隧洞顶板稳定性分析

  樊纯坛, 梁庆国, 岳建平, 李海宁, 周彩贵

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 146-153. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230075

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  为了探究深埋水平层状围岩小断面拱形隧洞顶板稳定性的计算理论。针对厚层水平层状岩体,通过对现有理论的总结分析,同时采用等效刚度法,分别研究了等截面层状顶板以及变截面层状顶板跨中(拱顶)竖向相对变形的计算方法。结果表明:水平层状围岩小断面隧洞的开挖施工过程中,层状顶板的主要受力模式为简支梁模型,采用简支梁模型对层状顶板位移稳定性进行预测是合适的;对层状顶板位移稳定性进行理论预测时,应根据层状顶板的实际情况选取等截面或变截面简支梁模型;通过工程算例以及数值模拟方法,验证了提出计算理论的合理性及适用性。最终表明提出的计算理论能够判定深埋水平层状围岩小断面拱形隧洞顶板的稳定性。
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  春融期根-土复合体边坡稳定性影响因素研究

  张小荣, 马艳霞, 张吾渝

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 154-159. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220653

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  春融期,受冻融影响,季冻区边坡极易出现浅层热融滑塌现象,为研究春融期生态边坡的稳定性,通过室内冻融界面直剪试验,将根系简化为主根型,对比分析了素土及根-土复合体冻融界面处土体的抗剪强度指标变化规律;结合数值模拟,对比分析有无冻融界面试样塑性区的剪切破坏情况,建立模型,计算植物根系穿过冻融界面土体时的边坡安全系数。结果表明:随冻融次数增加,素土冻融界面土体抗剪强度损伤程度大于根-土复合体,素土及根-土复合体冻融界面处土体黏聚力均降低,而摩擦角均增加;冻融界面试样的剪切塑性区主要于正融区土体内发展,且剪切塑性区体积明显大于无冻融界面试样;根系穿过冻融界面土体时,显著提高冻融界面土体的抗剪强度,增强春融期边坡的稳定性。研究成果可为季冻区生态边坡工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据。
工程安全与灾害防治
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  深挖方膨胀土渠道边坡运行期变形成因分析

  胡江, 李星, 马福恒

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 160-167. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220795

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  深挖方膨胀土渠坡运行期存在失稳风险。以一长距离调水工程中的膨胀土渠段为例开展研究,该段渠坡共6级、坡高超40 m。通过安全监测数据分析、隐患地球物理探测和稳定性数值模拟等手段,考虑工程与水文地质、降雨与地下水位等内外因素,综合分析渠坡运行期的变形机制,评判渠坡稳定性以及处置措施效果。得到如下结论:表层改性土未能隔绝膨胀土与大气的水汽交换,汛期降雨补给渠坡上层滞水导致地下水位上升,旱季少雨地下水位下降,多个干湿循环后,膨胀土体反复胀缩引起渠坡裂隙发育贯通,因裂隙面影响和过水断面抗滑桩作用,二—四级渠坡沿裂隙面蠕变变形,渠坡局部抗滑稳定性不满足规范要求;潜在滑动面表现出前缘缓倾角和后缘陡倾角折线组合滑动面特征,潜在剪出口在一级马道;为降低地下水位,提高渠坡的稳定性,采取的排水沟和排水井措施较为有效。研究成果可为类似工程运行管理和加固治理提供参考。
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  基于改进突变级数法的大坝运行安全等级评估方法

  魏博文, 周凌凯, 徐富刚

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 168-174. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220659

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  为减少大坝运行安全等级评估中不同监测效应量评价指标权重对评估结果客观性的影响,提出基于改进突变级数法的大坝运行安全等级评估方法。该方法将突变级数法不需要确定指标权重的优势应用于大坝运行安全等级评估中,在此基础上,采用熵值修正G2法对常规突变级数法中的指标重要性排序环节进行改进,基于G2法和熵值法的本质从主、客观角度综合考虑评价体系中各指标的相对重要性,使突变级数法中的指标排序更为科学,更好地发挥其优势。将改进的突变级数法应用于某大坝运行安全等级评估中,计算结果表明该方法评估过程简单、逻辑清晰、可靠性高,能切实判断大坝实际的运行安全状态,验证了该方法的有效性和实用性。
水工结构与材料
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  碳纳米管增强粉煤灰泡沫混凝土的制备及变形特性

  李永靖, 王松, 张淑坤, 冯佃芝

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 175-183. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220679

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  为满足泡沫混凝土作为隧道围岩支护预留变形层填充介质力学性能要求,研制了一种微量碳纳米管增强粉煤灰泡沫混凝土(CNTAFC)的新型变形层填充材料。基于单因素分析,利用Box-Behnken Design响应面法,建立CNTAFC抗压强度预测模型,对其制备参数进行优化。此外,联合单轴压缩试验与数字散斑采集技术,对CNTAFC试样的荷载变形特征进行研究。结果表明:CNTAFC抗压强度回归模型合理有效,当碳纳米管(CNTs)掺量0.13%,骨胶比24.75%,粉煤灰掺量70.57%时,其28 d抗压强度预测值最大为5.936 MPa,误差为2.54%;CNTAFC试样提高了峰值强度,延性增强,其平均峰后强度大于峰值强度的60%,峰后曲线应变范围占极限应变的30%以上,满足围岩卸压吸能材料的性能要求;CNTAFC变形局部化启动可分为应变条件和应力条件,且选择应变确定条件为宜;在变形局部化启动时,CNTAFC强度接近峰值强度,泊松比显著提升。
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  随机球形骨料再生混凝土氯离子扩散研究

  姚泽良, 令狐恬晶, 祁亚伦, 党发宁, 闻硕, 崔婷婷

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 184-188. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220593

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  基于Monte-Carlo原理及Fuller级配理论,依据PYTHON算法及COMSOL软件建立由天然骨料、老界面区、老砂浆、新界面区及新砂浆组成的再生混凝土三维球形细观模型,模拟计算了不同骨料体积分数、老砂浆扩散系数及老砂浆厚度的再生混凝土内氯离子扩散过程,对比研究了再生混凝土抗氯离子侵蚀影响规律。研究表明:以随机理论建立的再生混凝土三维球形随机骨料模型接近真实再生混凝土细观结构,满足一般工程需要;基于该模型的氯离子细观数值模拟结果同试验结果吻合;再生骨料体积分数从10%增至30%、50%时,再生混凝土表观扩散系数分别增加了6.56%和19.43%;老砂浆扩散系数增加4倍,表观氯离子扩散系数增加19.28%;老砂浆厚度增加2倍,表观氯离子扩散系数增加8.1%,增加老砂浆的厚度和扩散系数会弱化再生混凝土抗氯离子侵蚀的能力。
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  水溶性渗透结晶材料对混凝土性能的影响

  钟聚光, 耿必君, 任鑫, 李杨, 周世华, 石妍

  长江科学院院报. 2023, 40(11): 189-194. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220563

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  水溶性渗透结晶(WCCW)材料能够修复受损混凝土并提高耐久性能。研究了WCCW材料对混凝土早期抗裂性能、抗压强度和抗氯离子侵蚀性能的影响,并借助扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外(FTIR)和能谱分析(EDS)技术,研究了硬化水泥石微观结构的变化情况、水化硅酸钙(CSH)凝胶的聚合程度以及WCCW材料的渗透深度。结果表明:WCCW材料能够改善混凝土表观质量、提高早期抗裂性能、抗压强度和抗氯离子侵蚀性能,并增大CSH凝胶的聚合程度、增强微观结构的密实程度。WCCW材料渗透遵循Fick定律,最大渗透深度可达10~12 mm。混凝土强度等级和再养护龄期对作用效果有影响,再养护龄期超过14 d后的作用效果变化较小。