长江科学院院报

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第40卷第5期封面与目次

长江科学院院报. 2023, 40(5): 0-0.

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堤坝漫溃机理、模型及溃决洪水模拟技术与应用

朱勇辉, 周建银

长江科学院院报. 2023, 40(5): 1-8. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220979

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为提升堤坝溃决险情处置和溃决灾害防御能力,多年来长江科学院河流研究所采用物理模型试验、水槽试验、理论分析、数值模拟等方法研究了堤坝漫溢溃决的机理、模型与模拟技术。其主要成果包括:揭示了堤坝漫溢溃决机理,解析了“溯源陡坎冲刷”在堤坝溃决过程中的作用,提出了溯源陡坎冲刷模式和堤坝漫溢溃决模式;基于物理机制,研发了溯源陡坎冲刷二维数学模型和堤坝漫溢溃决数学模型;发展了适应溃坝水流急变特征的一、二、三维溃坝洪水运动模拟技术及地形处理方法,并初步探索了溃坝水流的三维流场与动压特性;总结评述了相关领域的研究进展。研究成果成功应用于唐家山、白格等历次堰塞湖溃决险情的应急处置和决策制定,并为今后堤坝(含堰塞坝)溃决险情的科学应对提供了技术参考和经验借鉴。

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长江经济带流域横向生态补偿进展、困境与优化路径

任俊霖, 匡洋

长江科学院院报. 2023, 40(5): 9-14. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220325

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流域横向生态补偿是促进长江经济带高质量绿色发展的重要手段。目前长江经济带省内流域横向生态补偿实践进展较快,但长江干流和主要支流的省际横向补偿进展缓慢。为促进长江经济带流域横向生态补偿建设,优化省际流域横向生态补偿路径,系统梳理了长江经济流域带横向生态补偿进展、面临的学理和实践困境,发现存在流域居民认知程度低、补偿实施范围小、补偿方式单一、补偿标准模糊和监督考核体系不完善等问题。为此,应加强制度供给、政策宣传与引导、深化横向部门协作、构建多方参与的综合性补偿框架、探索市场化多元化补偿方式、完善补偿过程监测与事后评估体系,进一步促进长江经济带流域横向生态补偿制度建设。

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下荆江七弓岭弯道裁弯的水情效应研究

易放辉, 彭赤彬, 李觅, 卢翔, 郭小虎, 栾震宇, 李洪翔

长江科学院院报. 2023, 40(5): 15-21. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220844

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三峡水库蓄水运用以来,下荆江七弓岭弯道段出现凸岸侧冲刷、凹岸侧淤积的现象,八姓洲狭颈宽度因崩岸缩短,存在裁弯的风险。基于原型观测资料,分析七弓岭弯道裁弯具体位置,设计裁弯新河道,建立长江中游-洞庭湖一二维耦合非恒定流模型,评估典型工况下七弓岭弯道裁弯带来的水情效应。结果表明,七弓岭弯道裁弯将造成汛期高洪水位下城陵矶水位升高0.03~0.04 m,枯期藕池口分流比减少0.09%、断流天数增加5 d,监利站月均水位下降0.04~0.11 m、七里山站月均水位上升0.01~0.04 m等影响。研究成果可为判断城陵矶附近防洪形势及提出相关应急预案提供技术支撑,对保障区域防洪安全及江湖汇流段治理和防护具有参考价值。

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丹江口—王甫洲区间河道伊乐藻灾害原因与治理措施初探

郭超, 周银军, 姚仕明, 单敏尔, 颜剑, 陈花

长江科学院院报. 2023, 40(5): 22-28. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220403

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沉水植物的大规模生长会给河道、湖泊和水库发挥水利功能带来严重危害,伊乐藻便是其中一种在全球广泛传播,并给世界多国带来经济和生态等多种不利影响的沉水植物。2017年和2019年丹江口—王甫洲区间河道爆发伊乐藻“草灾”,严重影响了王甫洲水电站的发电、航运、供水等功能发挥,并对泄洪以及区域水质和水生态安全造成威胁。调查分析了伊乐藻生长时空特征、灾害原因及其影响,基于国内外沉水植物治理措施,结合丹江口—王甫洲区间河道伊乐藻生长特性以及水生态环境保护等方面的要求,提出了生态调度和局部地形改造的物理治理方法,塑造不适宜伊乐藻生长的地形和水动力环境,从而在根本上抑制伊乐藻的生长繁殖,破解伊乐藻“草灾”难题。

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三峡水库蓄水后库区典型江心洲的形态调整及时空演变特征

唐青青, 季永月, 严聆云, 曾思栋, 唐小娅, 李进林, 余勇, 陈吉龙

长江科学院院报. 2023, 40(5): 29-37. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220239

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三峡水库的运行显著改变了河流原有的水动力条件,引起江心洲形态冲淤调整。为进一步探究三峡水库蓄水对江心洲形态调整的影响,选取库区5个典型江心洲为研究对象,采用Landsat遥感影像以及三峡水库2003—2017年实测的地形和水沙资料,定量分析了不同阶段江心洲的形态调整及时空演变特征。研究表明:伴随三峡库区水位波动,江心洲出露面积逐渐减少,河床呈现累计淤积态势,加快了江心洲的冲淤变化,其中156 m蓄水高程(2006年10月—2008年10月)的淤积强度最大,而2012年后淤积显著变缓;在空间尺度上,距离大坝越远,江心洲淤积强度越小,变动回水区江心洲因受采砂影响,河床局部地形出现不规则变化;同时,受三峡回水影响,江心洲发育模式改变,洲尾顺水流朝下游发育淤长,洲头受清水冲刷垮塌。

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鄱阳湖湖泊与陆地水储量变化及相关分析

李晓英, 童泽淳, 王必磊, 雷声

长江科学院院报. 2023, 40(5): 38-43. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220914

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受人类活动和气候变化影响,鄱阳湖水文情势发生了改变,掌握鄱阳湖水储量变化对流域水资源综合利用具有重要意义。利用GEE平台分析2003—2020年长系列逐月湖泊面积变化趋势,结合实测水位计算鄱阳湖湖泊水储量变化;利用GRACE的Mascon产品数据计算湖区陆地水储量变化,分析湖泊水储量与陆地水储量的变化关系。结果表明:基于GEE平台提取的湖泊面积、利用GRACE数据反演的陆地水储量变化的长期趋势与星子站实测水位变化一致,遥感影像显示湖区南部水体面积变化较小,常年有水范围面积更大,GRACE数据也表明南部多年平均陆地水储量较北部略高;湖区陆地水储量变化与星子站水位突变检验表明二者突变点一致,小波分析表明体积法计算的湖泊水储量变化与陆地水储量变化相关性显著,鄱阳湖陆地水储量受湖泊水储量变化影响大。

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土地利用及气候变化对桐梓河流域水文要素空间分布的影响

郑婷婷, 蔡宏, 刘家威

长江科学院院报. 2023, 40(5): 44-50. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211405

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基于SWAT模型构建了桐梓河流域水文分布模型,通过设置4种情景模式,定量分析了土地利用和气候变化对流域各水文要素空间分布的影响。结果显示:①SWAT模型月径流模拟,率定期和验证期的R²和NS系数均达到0.83以上,表明SWAT模型在研究区的适用性较好。②桐梓河流域多年平均径流深最大、地下径流量大、产水量大的子流域都分布在流域南部,这与流域南部地表坡降大、降水集中有关;而径流深与地表径流、土壤含水量等水文要素的分布不一致,故不能用径流深来代替各水文要素的空间分布特征。③土地利用与气候共同变化情景下各水文要素空间分布变化趋势与气候变化情景下大体一致。研究结果可为桐梓河流域水资源的合理开发利用提供科学依据。

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利益相关者偏好的用水冲突协调方法

王发强, 付湘, 靳伟荣, 谢亨旺, 刘双郡

长江科学院院报. 2023, 40(5): 51-57. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220045

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为解决水资源供需矛盾和水环境恶化等问题,分析利益相关者目标间的冲突得到非劣解集,引入利益相关者的平等偏好、非合作偏好和合作偏好,在非劣解的基础上建立用水冲突协调模型,获得其偏好的协调解,并分析了利益相关者偏好对不同用水部门的影响。以赣抚平原灌区为研究区域,采用以上模型求解,结果表明:非劣解集上的模型解提升环境效用是以降低经济效用为代价的;平等偏好模型与非合作偏好模型得到的协调解与合作偏好模型的协调解近似,说明在利益相关者难以达成合作的情况下,在非劣解集上的平等偏好模型解与非合作偏好模型解可替代合作偏好模型解;相比于传统总效用最大的决策方法,3种偏好模型都更注重环境效用;赣抚平原灌区的缺水量主要由农业用水部门分担,原因在于农业用水部门用水量占比约为40%,排污量占比约为30%,为了减少总排污量,需要减少排污量较大的部门用水量,也是需要的节水量。研究成果为节水优先和环境保护提供了实用分析方法。

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丹江口水库消落带总氮和总磷变化特征及通量研究

金海洋, 王立, 赵良元, 秦赫, 陶晶祥

长江科学院院报. 2023, 40(5): 58-62. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220031

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开展丹江口水库消落带土壤总氮(TN)和总磷(TP)变化特征与通量研究,对明晰消落带污染输出特征、保护水库水质安全有着重要的实践作用。将丹江口水库划分为汉库和丹库两个区域,以不同区域内典型消落带为研究对象,监测分析了2020年9月—2021年9月不同时期不同区域消落带土壤TN和TP的变化特征,并通过收支平衡法构建模型,估算了丹江口水库消落带在不同时期的TN和TP通量。结果表明,2020年9—12月淹水期内,丹江口水库不同区域消落带TN、TP含量变化显著,汉库耕地和园地的TN、TP含量显著上升,其余区域消落带土壤均存在TN、TP流失现象。2021年3—6月落干期内,丹江口水库不同区域消落带TN、TP含量总体上呈现上升积累趋势。2020年9月—2021年9月,丹江口水库不同区域消落带TN、TP含量整体呈下降趋势。丹江口水库消落带在淹水期表现为氮和磷的释放源,TN通量834.66 t,TP通量10 422.12 t;在落干期表现为氮和磷的吸收汇,TN通量-8 623.69 t,TP通量-10 032.94 t。2020年9月—2021年9月,丹江口水库消落带总体上表现为氮和磷的释放源,TN通量20 122.22 t,TP通量1 509.52 t。丹江口水库消落带污染物释放对水库水质安全的风险不容忽视。

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乌梁素海入湖排水沟水质分析与污染评价

魏学敏, 温雅琴, 王志军, 勾芒芒

长江科学院院报. 2023, 40(5): 63-69. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211400

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乌梁素海是我国八大淡水湖之一,也是河套灌区的“自然之肾”,承纳着河套灌区90%的农田排水,不可避免地引起了地表水体污染问题。为了解当前乌梁素海入湖排水沟水质状况,以河套灌区入乌梁素海排水沟(总排干、八排干、九排干、十排干)尾口断面为研究对象。通过实地取样和室内测试分析,选取pH值、化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)、总氮(TN)等指标,从空间和季节两个角度出发,分析了2018—2020年短期时间尺度下入湖排水沟水质现状,采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法同时结合聚类分析进行了污染评价。结果表明:①乌梁素海入湖排水沟中以COD和TN污染为主,其次为NH₃-N和TP;②从各排水沟主要污染指标来看,总排干和八排干中TN污染严重,九排干和十排干中COD污染严重,其次为TN污染;③从各排水沟不同季节污染程度来看,冬、春季污染严重,夏、秋季次之;从全年来看,总排干、十排干为轻污染状态,八排干、九排干为清洁状态;④根据排水沟污染物负荷及聚类分析结果,总排干年均污染负荷占比最大,为81.82%,且影响各排水沟污染负荷的主要因素为有机污染因子COD及富营养化因子TN。因此,应对河套灌区加强农业过程管理,同时注意对冬、春季排水的监测和处理,特别是COD与TN指标。

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高寒沼泽草甸土壤重金属富集特征及潜在生态风险

许泰, 鄂崇毅

长江科学院院报. 2023, 40(5): 70-76. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211229

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为了解祁连山国家公园土壤重金属的污染程度、生态风险以及空间分布特征,选取祁连山南麓腹地高寒沼泽草甸土壤为研究对象,分析测定了沼泽草甸土壤0~10 cm与10~20 cm中的V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg共10种重金属元素的含量。采用污染系数和富集系数对重金属在不同部位的富集规律及污染特征进行研究,并辅以人为贡献率进行补充和验证,最后通过潜在生态风险指数量化评定风险状况。结果表明:① 在0~10 cm和10~20 cm沼泽草甸土壤中,Cr、Zn、Hg的平均含量高于青海湖土壤背景值,其中Cr与Zn呈略微富集,而Hg的富集最为显著且人为贡献率达到了30%;V、Mn、Ni、Cu、Cd、Pb、As的平均含量与自然值无异,人为贡献率均为负值,并随着深度增加呈增大趋势,需要注意的是在部分样点存在点源污染。② 重金属潜在生态风险值从大到小依次为Hg>Cd>As>Ni>Cu>Pb>Cr>V>Zn>Mn,单项潜在生态风险指数显示除Hg以外,其他9种重金属均处于1级轻微生态污染风险状态;沼泽草甸土壤重金属综合潜在生态风险指数(RI)在0~10 cm和10~20 cm都达到了2级中等生态污染等级,Hg对综合潜在生态风险的贡献率达到50%以上。总体来说,沼泽草甸土壤中重金属污染具有一定的潜在风险,在对沼泽湿地污染治理过程中应予以足够的重视,此研究可为祁连山南麓腹地生态环境的整治与改善提供基础性的数据资料。

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川西高原植被物候及其对气候变化的响应

王叶兰, 杨鑫, 郝利娜

长江科学院院报. 2023, 40(5): 77-84. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220041

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为探究2001—2020年川西高原植被物候时空变化及其对气候变化的响应,利用MODIS NDVI数据、植被区划数据、数字高程数据以及气象数据,通过Savitzky-Golay滤波以及动态阈值法,提取了川西高原2001—2020年植被生长季始期(SOS)、生长季末期(EOS)以及生长季长度(LOS), 结合月平均气温与降水量,探讨了植被物候与气候因子(月平均气温、降水量)之间的关系。结果表明:①川西高原植被SOS主要集中在第90—第130天, EOS主要集中在第260—第290天,LOS主要为130~190 d;随着海拔不断升高,植被SOS呈提前趋势、EOS呈推迟趋势、LOS呈延长趋势。②植被SOS呈提前趋势的面积占60.56%;植被EOS呈推迟趋势的面积占51.21%;植被LOS呈延长趋势的面积占60.75%,其中7.19%呈显著延长趋势。③川西高原植被SOS与春季2—4月份平均气温呈负相关, 且存在较大的时空差异性;植被EOS与10月份平均温度、11月份降水量呈显著正相关;6月份平均气温和8月份降水对LOS的正向影响较大。整体来说,川西高原植被物候在不同植被区划具有明显的分布规律。研究成果可为高原地区植被物候变化规律研究提供参考。

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冲击荷载下珊瑚礁灰岩动态力学特性及损伤特征

雷学文, 李浩明, 孟庆山, 洪胜男, 周皓然, 蒋雪

长江科学院院报. 2023, 40(5): 85-93. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211402

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为研究2种珊瑚礁灰岩在冲击荷载下的动态力学特性和损伤特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对珊瑚格架灰岩和珊瑚砂屑灰岩进行10~190 s^-1应变率范围内的冲击压缩试验,得到不同应变率下珊瑚礁灰岩的应力-应变曲线,分析试验中试样的动态峰值应力和弹性模量的应变率效应及能量耗散规律,并结合高分辨率CT扫描和图像处理技术,揭示试样的损伤破坏特征。结果表明:格架灰岩的动态应力-应变曲线具有明显的弹性变形阶段,而砂屑灰岩的压密阶段较为明显;动态峰值应力随应变率的增大呈幂函数增长,格架灰岩的应变率效应较明显,动态弹性模量与应变率满足负指数关系;格架灰岩对能量的吸收能力整体强于砂屑灰岩;珊瑚礁灰岩损伤裂纹多沿生物组分胶结差、贯通孔隙多的部位发生,中高应变率下格架灰岩的损伤裂纹以骨架扩展贯通为主,呈脆性劈裂破坏,而砂屑灰岩主要发生穿孔传播,呈压碎破坏模式,研究成果对岛礁工程建设中动力灾害的预防具有一定的指导意义。

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不同光照度下有纺织物孔径变化试验研究

唐晓武, 李柯毅, 赵文芳, 陈式华, 林维康, 梁家馨

长江科学院院报. 2023, 40(5): 94-99. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211327

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土工织物的孔径是反滤设计的重要参数,采用数字图像法进行测量是一种精准且重复性较高的方法。采用照度来衡量光源距离和光源亮度对织物图像的影响,在不同照度下采集图像,分析两种不同规格有纺织物的孔洞形态、孔径分布曲线、特征孔径变化,并将织物实际平均孔径与不同照度下平均孔径拟合直线对比。研究结果表明:随着光照度增加孔洞面积测量值会增大,测量得到的孔洞形态发生变化;孔径分布曲线向孔径增大方向移动;特征孔径(d₉₅、d₅₀、d₃₀)测量值均增大;平均孔径测量值均呈现增大趋势,可表示为线性回归方程。数字图像法得出的织物孔径测量值与实际孔径有一定差异,两种织物的最佳光照度在9 lx附近,应通过试验确定最佳光照度,从而减少误差。

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引江补汉工程输水线路工程地质选线研究

王吉亮, 向家菠, 颜慧明, 邓争荣, 贾建红, 许琦

长江科学院院报. 2023, 40(5): 100-105. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221280

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引江补汉工程是南水北调中线工程的后续工程,可行性研究阶段坝下方案输水隧洞初拟4条线路进行比选,比选线路区地形地质条件和工程地质问题复杂,具有线路长、埋深大,地层岩性复杂多样、可溶岩和软质岩分布较多,地质构造背景复杂、总体地应力水平高等地质特点,深埋长隧洞工程可能涉及的工程地质问题均有可能出现,有必要选择一条地质条件相对较优的线路。经分析研究,将线路比选考虑的地质因素分为关键地质因素、重要地质因素、一般地质因素,并建立多因子条件下的线路比选模型,经工程地质综合比选,龙安1线输水隧洞方案总体较优,地质选线成果为工程设计综合选线提供了重要依据,地质比选研究思路与方法可为同类工程提供借鉴。

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天然岩体结构面产状的动态聚类分组分析

艾纯明, 陆云, 孙萍萍

长江科学院院报. 2023, 40(5): 106-110. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211311

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天然结构面产状分组对于岩体工程有着至关重要的作用。鉴于传统的分组方法存在近直立或近水平产状的结构面分组不准的不足,提出了一种结构面动态聚类分组分析方法。该方法据结构面的倾角和倾向确定聚类中心,以结构面之间夹角大小为依据,经多次迭代计算得到分组结果。将该方法应用于白云鄂博东矿303条结构面分组,并与快速聚类分组法进行对比。结果表明:白云鄂博东矿303条结构面分组后得到了3组优势结构面,其结果与结构面产状等密度图十分吻合。动态聚类分析法不仅计算简便、易于操作,而且弥补了传统方法无法定量等缺点,使得结构面分组结果更加准确,具有较强的实际意义。

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基于模糊C均值聚类的振冲碎石桩加固地层识别

魏永新, 赵顾尧, 庹晓军, 赵宇飞, 刘彪

长江科学院院报. 2023, 40(5): 111-117. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211361

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精准掌握软弱地基的地质信息资料是确定振冲碎石桩施工工艺和控制成桩质量的重要依据。现有地质勘探技术确定地层地质信息的方法存在较大的随机性和离散性,不能获取所有加固区域的地质条件。为了克服传统方法存在的缺陷,依托拉哇水电站振冲碎石桩施工过程实时监控系统采集到的大量桩成孔过程中与地层分类属性相关的数据,通过对大数据进行清洗,选取与地层分类属性相关的进尺深度、速度和电流为特征属性,采用模糊C均值聚类算法对软弱地基进行地层识别研究。结果表明,与传统的K-means算法相比,本文方法对地层分类识别具有更高的准确性和优越性,可实现对地层地质条件的实时研判。研究成果对后续进行振冲碎石桩施工质量合理评价以及振冲碎石桩桩成过程智能化施工等都有重要的指导意义。

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粗粒含量对珊瑚礁砂混合体剪切特性的影响

潘剑锋, 雷学文, 孟庆山, 覃东来, 付金鑫

长江科学院院报. 2023, 40(5): 118-124. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211280

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珊瑚礁砂混合体是基础设施重要持力层,为了探究颗粒级配组成对珊瑚礁砂混合体的抗剪强度及剪胀性的影响,利用全自动中型叠环直剪仪,在相同密实度下,对不同P₅含量、不同含水率的试样,在50、100、200、400 kPa这4种不同法向应力下进行单剪试验。试验结果表明,珊瑚礁砂混合体的抗剪强度随着P₅含量的增加呈现先增大后减小的趋势,并在P₅含量为25%~50%时达到最大值;珊瑚礁砂混合体在剪切过程中,总体存在先减缩后剪胀的特点,P₅含量对剪胀性、内摩擦角、似黏聚力都有着显著影响;含水率对珊瑚礁砂混合体的抗剪强度有着减弱作用。

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考虑空间效应的基坑开挖对邻近管线的影响分析

李永焕, 刘志贺, 饶勤波, 过锦, 胡海波, 刘秋媛, 杨萤

长江科学院院报. 2023, 40(5): 125-130. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220423

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基坑开挖诱发的周边土体位移将会对邻近管线产生不利影响。考虑基坑开挖的空间效应及管线的空间分布,将邻近管线视为Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁,采用三维影像源法提出了预测基坑开挖引起邻近管线附加水平变形的解析方法,并利用已有案例验证了该方法的合理性。结果表明:①管线总的水平变形主要由邻近并平行于管线的围护墙变形诱发产生,两侧的围护墙变形对开挖范围外的管线水平变形有较大影响。②针对管线的不同空间分布,通过定义的管线水平变形安全系数可预测基坑开挖对管线水平变形的不利程度,同时通过安全系数等值线得到了基坑开挖对管线水平变形的影响区域。③当管线与围护墙距离在0.75H(H为基坑开挖深度)内时,安全系数随着管线埋深的增加先减小后增大,且当管线埋深约为1.0H时管线的安全系数最小;当管线与围护墙距离超过0.75H时,安全系数随管线埋深增加而增大。

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某大型散货码头堆场地基处理方案

徐妍彦, 刘均卫, 陈娜, 魏莱

长江科学院院报. 2023, 40(5): 131-138. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221536

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为优化码头陆域堆场地基加固处理方案,以长江中下游右岸某大型散货码头堆场地基加固处理为研究对象,根据工程区域地质条件、地坑皮带机廊道基础荷载、堆场承载力,以及地基处理沉降和位移的要求,参照《水运工程地基设计规范》(JTS147—2017),结合不同桩型特点,两条地坑皮带机廊道之间的散货堆料区(A区)的地基处理采用PHC管桩法与CFG桩法进行比选,其他散货堆料区(B区)地基处理采用水泥土搅拌桩法与碎石桩法进行比选。运用GEO5-岩土工程有限元软件,计算上述4种地基处理不同组合方案下不同运行工况条件(满载、偏载)的地基变形量(沉降量和水平位移),综合考虑工程经济性和施工工期等,确定A区的地基采用CFG桩、其他散货堆料区域地基采用碎石桩。计算结果表明:采用这一组合方案进行地基处理后,A区地基沉降<100 mm、水平位移<10 mm,满足《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)要求;B区最大地基沉降为458.6 mm,地基最大水平位移为102.6 mm,满足《港口道路与堆场设计规范》(JTS 168—2017)要求。研究成果可为优化大型散货码头陆域堆场地基处理设计方案提供可靠依据。

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胶体氧化物对红黏土微观结构和胀缩性的影响

张雪莲, 吴道勇, 叶雷, 袁滨伶

长江科学院院报. 2023, 40(5): 139-144. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211298

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红黏土中胶体氧化物与黏土矿物之间的交互作用是影响土体微观结构与胀缩性的主要因素。采用选择性化学溶解法除去原状红黏土中存在的胶体氧化物,通过胀缩性试验、粒度分析、压汞、SEM等方法,探讨了胶体氧化物对土体微观结构和胀缩性的影响。试验结果表明:胶体氧化物以包膜形式附着在黏土矿物表面;去除胶体氧化物后土体微观结构发生了显著变化,表现为包膜消失导致土体结构连结变差、团聚现象减弱,颗粒分散程度增大,微孔减小和小孔增加。此外,去除胶体氧化物后土体相对密度、最优含水率、最大干密度、液塑性、自由膨胀率、线缩率等物理参数皆有所减小。研究成果正确认识了红黏土特殊的物理特性,丰富了红黏土相关基础理论。

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一种考虑遮挡物的地铁隧道表面裂缝识别方法

黄远远, 彭潜, 徐兵

长江科学院院报. 2023, 40(5): 145-152. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211276

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为了提高地铁隧道表面裂缝识别的精度,基于深度学习和机器视觉技术,提出了一种考虑存在遮挡物情况下的地铁盾构隧道裂缝识别与特征提取算法,利用卷积神经网络实现了基于图像修复技术的裂缝特征提取,从而得到了更准确的裂缝信息。首先提出了一种基于U-net网络的地铁隧道管片表面的遮挡物分割方法,用标记出其位置信息;然后以VGG-16为特征提取网络,并搭建Faster R-CNN网络模型,对隧道管片图像中的裂缝进行定位和标记;最后结合二者识别结果可判断出裂缝与遮挡物之间的关系。针对裂缝被遮挡的情况并结合隧道管片图像的特点,提出了一种可修复被遮挡的裂缝信息的网络模型。结果表明采用该裂缝识别与特征提取方法,修复被遮挡的裂缝信息的准确率可达90%,在实际隧道病害检测与综合评估中具有应用价值。

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基于OWOA-RFWSVR-DLM的高寒区混凝土坝变形预测模型

葛盼猛, 陈波, 陈伟楠, 朱明远

长江科学院院报. 2023, 40(5): 153-159. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211348

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对于寒冷地区的混凝土大坝,由于表层保温层的影响,其内部温度往往滞后于气温变化。当内部温度计缺失时,使用水力-季节-时间(HST)模型进行大坝预测时存在较大的误差,且即使利用内部温度计进行多元回归(MR)模型的建模也无法反映温度与变形的非线性关系。因此,针对现阶段对高寒区变形预测精度低的问题,提出利用反向学习后的鲸群(OWOA)算法对RReliefF因子加权支持向量机(RFWSVR)与分布滞后线性模型(DLM)的温度因子的超参数进行寻优,以构建缺乏内部温度计的寒区混凝土大坝变形预测模型。结果表明:通过对所建立的变形预测模型与传统统计模型和其余常用机器学习算法的性能比较,证明所建立模型具有较高的预测精度,能更好地反映保温混凝土大坝的工作特点。

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凝灰岩石粉对水工泵送混凝土性能的影响

游秋森, 张显羽, 李新宇, 谢国帅

长江科学院院报. 2023, 40(5): 160-165. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211248

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为了确定凝灰岩机制砂中合适的石粉含量,依托厦门抽水蓄能电站,通过配制三种不同石粉含量的机制砂及其混凝土,系统研究了凝灰岩机制砂石粉对水工泵送混凝土流变性能、力学性能、早期抗裂及干燥收缩性能的影响规律。结果表明:当凝灰岩机制砂中石粉含量在8%~18%内变化时,随着石粉含量的增加,水工泵送混凝土单位用水量增加、屈服应力和塑性黏度增大、混凝土干缩变大、早期抗裂性明显变差,抗压强度和劈拉强度的变化幅度相对较小,但石粉含量仅8%时混凝土保水性和黏聚性较差;将凝灰岩机制砂石粉含量控制在13%时,水工泵送混凝土综合性能较好。研究成果可为控制凝灰岩机制砂石粉含量、优化水工泵送混凝土性能提供技术支撑。

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青海盐沼泽环境下混凝土现场腐蚀试验

冯忠居, 陈露, 孔元元, 王富春, 陈慧芸, 张聪

长江科学院院报. 2023, 40(5): 166-172. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211258

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为探明青海地区盐沼泽环境下混凝土的腐蚀情况,在该地区展开现场腐蚀试验,考虑混凝土不同埋置工况,观察其微观结构,并结合混凝土质量损失、抗侵蚀系数变化以及钢筋锈蚀率变化评价混凝土耐久性。试验结果表明:混凝土质量变化不能作为评价指标来描述混凝土的损伤破坏;对于放置在地面和埋置在水中的混凝土,当混凝土内掺有水泥基时,其抗侵蚀系数最高,而在埋深1.25 m工况下掺有粉煤灰-硅灰的混凝土抗侵蚀能力最强;混凝土的劣化是膨胀力、冻结应力、结晶应力等多重因素共同作用下的结果;放置在地面的混凝土锈蚀率最高,尤其是单掺水泥基的钢筋混凝土锈蚀率最高,而复掺粉煤灰-水泥基的混凝土锈蚀率最低。

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粉磨作用对火山灰凝灰岩性能的影响

李杨, 李明霞, 李家正, 石妍

长江科学院院报. 2023, 40(5): 173-177. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211202

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火山灰凝灰岩有作为掺合料应用于西部地区水利工程建设的前景。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)和X射线荧光分析(XRF)等手段,研究了粉磨作用对凝灰岩物理性能、化学成分和物相组成的影响,分析了凝灰岩活性指数与粉磨时间、养护龄期的相关关系。结果表明:凝灰岩细度随粉磨时间的延长而减小,但密度、烧失量和需水量比则略有增加。粉磨过程伴随有机械力化学作用,可对凝灰岩发挥物理活化的效果,但对凝灰岩的化学成分、元素分布和物相组成没有影响。凝灰岩活性指数与粉磨时间、养护龄期之间均呈对数关系。建议掺用凝灰岩时复配粉煤灰、矿渣等其他掺合料。

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掺量和长度效应对矿渣纤维加筋水泥砂浆强度的影响

柴林杰, 郜帆, 王彦

长江科学院院报. 2023, 40(5): 178-182. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211267

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为了增强水泥砂浆材料的强度和变形性能,同时提高矿产资源利用率,将矿渣纤维掺入水泥砂浆进行改性。通过开展无侧限压缩试验,研究了矿渣纤维的掺量和长度效应对水泥砂浆强度与变形特性的影响规律。结果表明:随着矿渣纤维掺量的增加,水泥砂浆的无侧限抗压强度呈增长趋势,但增长幅度在掺量超过0.3%后明显降低;采用5 mm和10 mm两种长度的矿渣纤维进行水泥砂浆改性,在相同掺量条件下,长纤维对水泥砂浆强度的提升幅度约为短纤维的1.3~1.5倍;经过微观形态观察,一定掺量的矿渣纤维与水泥砂浆混合后,骨料颗粒间的黏结程度增强,形成了纤维的桥接效应,进而提高了水泥砂浆的强度和延性指标。

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基于CAN总线的双轴测斜系统设计

张锋, 彭思唯, 杜泽东

长江科学院院报. 2023, 40(5): 183-190. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211206

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传统使用RS-485通信的测斜仪器在面对当下现代化测控要求时体现出各种不足。为此,采用CAN总线技术重新设计了一套功能齐全的双轴测斜系统。该系统具备数据测量、数据采集、数据通信、数据处理、人工交互、自动预警等一系列相关功能,为对大坝、边坡等滑坡监测有需求的项目提供了一套完整的解决方案。同时对其他类似设计所忽略的双轴正交问题进行了处理,使用二元回归算法提高了测量结果的精度。测试试验通过分度仪对样机进行了测量结果标定,将量程内测量误差缩小到0.2%F.S以内。

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2023年, 第40卷, 第5期　
刊出日期：2023-05-01

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