2023年, 第40卷, 第6期　
刊出日期：2023-06-01

  

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封面与目次
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  第40卷第6期封面与目次

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 0-0.

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专家特约稿
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  洪湖水质问题核心及水质综合提升途径思考

  林莉, 潘雄

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 1-6. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221630

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  作为长江中游重要的生态敏感区域和节点区,洪湖多年来一直承接江汉平原的调蓄与灌溉功能,剧烈的人类活动导致洪湖水体污染和生态系统退化加剧,洪湖水质的提升现已成为实施长江保护修复攻坚战行动的重点。通过系统剖析发现洪湖水质提升的关键问题在于入湖水质不达标、内源污染较重以及水生态受损严重3个方面。要解决洪湖的水污染问题,应坚持系统思维和流域视角,做好洪湖外源控污截污、底泥清淤、湖区和湖滨带生态修复以及水资源科学调度利用等工作,并推行包括洪湖及其支流流域河湖长制联防联控联治机制、生态补偿机制等在内的综合水质提升管理措施。
流域综合管理
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  长江流域跨省横向生态补偿机制实践反思与完善

  庄超, 尹正杰

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 7-13. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220433

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  建立流域横向生态补偿机制是协调流域治理与保护的重要途径。自2012年全国首个跨省流域新安江生态补偿机制试点实施以来,至今全国已有13个跨省流域建立了生态补偿机制。长江流域跨省横向生态补偿机制实施后,跨省流域治理水平明显提高,但跨省流域横向生态补偿机制建立和实践过程面临着激励功能发挥有限、流域协调不足、水质补偿基准局限等问题。从管理视角解析了跨省流域横向生态补偿的科学问题,明晰了跨省横向生态补偿机制的核心要义,从强化激励功能和促进协同角度,提出回归跨省流域横向生态补偿的应然激励功能、发挥长江流域协调机制功能、构建符合长江流域资源禀赋特点的补偿基准体系等建议。研究成果可为长江流域全流域横向生态补偿机制完善提供参考。
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  大湾区水安全治理策略探讨

  吉红香, 黄本胜, 邱静, 张之琳, 郑泳, 秦雁

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 14-20. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220336

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  美国纽约湾区、旧金山湾区和日本东京湾区发展迅速,已在水资源、供水、防洪和水生态保护等方面颁布了多项法律法规,实施了多项有效的工程措施,在保障湾区经济社会快速增长的同时又满足湾区水安全保障的需求,已成为公认的国际一流湾区。从水资源配置、节水、防洪和流域治理等方面分析了国际一流湾区水安全现状,探讨了其在破除资源约束、应对极端天气和生态环境保护等方面解决问题的方法和成功经验。结合粤港澳大湾区水资源特点,以及在面临水资源瓶颈、极端天气和生态环境保护中的问题,提出了推动水管理湾区协同与治理、强化水资源配置网、推进农田和家庭节水新产品和新技术的研究和应用、推动输水管道提升、推进洪水保险制度以及水生态环境系统治理等建议,为粤港澳大湾区水安全保障和高质量发展提供借鉴。
河湖保护与治理
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  基于大型底栖动物完整性指数的龙感湖健康评价

  章运超, 朱孔贤, 柴朝晖, 葛李灿, 闵凤阳, 彭增辉

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 21-28. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220439

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  龙感湖位于安徽省华阳河湖群自然保护区,生态价值突出,应用底栖动物完整性指数科学评价湖泊水生态健康可为湖泊保护和管理提供依据。根据2021年4月在安徽省龙感湖10个监测点的底栖动物数据,通过对20个候选生物指标进行分布范围、判别能力及相关性分析,筛选出总物种数、优势类群数量百分比、软体动物个体数百分比、敏感类群种类数、粘附者种类数共5个核心参数组成完整性指数评价体系,采用比值法统一生物参数的量纲,累加各生物参数分值得到B-IBI值,利用四等分法确定湖泊健康分级标准。结果表明;湖区10个监测点中的3个为健康、4个为亚健康、2个为一般、1个为较差,整体水生态健康状况不容乐观。龙感湖东南部为健康、鄂皖交界水域为亚健康、东北部为一般,龙感湖东北部健康状况差可能是因为该区域位于支流二郎河入湖口,二郎河水体携带的生活污水和磷矿污染物富集在底泥中,进而影响了底栖生物完整性。
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  长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化

  翟玮, 张蔚, 季小梅, 陈婷

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 29-34. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220717

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  余水位即潮周期内的平均水位,是河口径潮动力非线性作用的典型结果。为探究径流、潮汐及其相互作用对余水位的影响,对摩阻项进行分解,通过潮平均摩阻的各分量对余水位的变化展开研究。采用二维水动力数学模型,模拟得到长江口余水位时空变化特征;利用连续小波变换方法和摩阻计算公式,分析长江口潮平均摩阻的主要来源,建立线性回归模型,通过潮平均摩阻各分量的变化解释余水位的变化。研究结果表明:长江口余水位具有明显的洪枯季变化和大小潮变化特征,洪季余水位沿程增幅更大,大潮时余水位较小潮时更高;长江口潮平均摩阻以径流作用和径潮相互作用产生的摩阻为主,因径流量巨大,前者对潮平均摩阻的贡献始终更大;潮平均摩阻控制余水位,长江口余水位的变化由径流作用控制,在下游站点径潮相互作用的影响不可忽视。
水资源
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  基于长系列水文监测数据的台风对舟山岛降雨量的影响

  叶舟, 耿诚, 徐贝, 陈芳

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 35-42. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221401

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  以舟山长春岭雨量站作为参考点,利用长系列监测数据进行分析计算,对1980—2019年间发生在西北太平洋的台风对长春岭站降雨量的影响进行研究。分析结果显示长春岭站平均每年台风雨占台汛期降雨的72.55%,舟山登陆、浙江登陆、其他登陆及非登录台风平均每年给长春岭站带来降雨量29.45、126.23、364.68 mm,这3类台风的单个台风给长春岭站带来降雨量分别为300.65、157.78、71.28 mm。研究揭示了长春岭站总降雨量很大程度上取决于带来影响>50 mm降雨量的台风,特别是浙江省内登录的台风。除登陆点外,浙江登陆台风影响长春岭站降雨量最大因子是路径走向,其次是强度和移动速度。研究结果对进一步认识舟山岛水资源的形成具有一定的参考意义。
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  示踪试验在一把伞水库水文地质勘察中的应用

  罗锐恒, 刘天云, 胡顺强, 赵永宾, 潘晓东, 彭聪

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 43-48. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220321

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  一把伞水库是文山市马关县拥有11个溶洼库区的天然季节性水库,水库的封堵成库不仅可改善当地的生态环境,也可为当地居民提供水源以缓解生产生活用水困境。研究区岩溶发育,地下河管道错综分布,并串联了各岩溶洼地。为了探究库区地下河管道走向和分布规律,开展示踪试验,选用荧光素钠和罗丹明作为显色示踪剂,利用Qtracer2软件对各示踪路径的水文地质参数和地下管道规模参数进行估算。结果表明:主管道YBS01-YBS05和南支管道YBS03-YBS05储水丰富,分别为79 060 m³和72 546 m³。大马固水库北部地下河入口YBS01和YBS02具有水力联系,并证实了南支管道受到东北向压扭性断层F₃的阻挡与主管道无水力联系。研究成果为一把伞水库的堵洞成库提供了重要支撑,也可为一把伞水库库容计算提供基础资料。
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  时序分解和CNN-LSTM相融合的月径流预报模型

  雷庆文, 高培强, 李建林

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 49-54. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220004

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  针对常规模型无法充分提取径流序列复杂非线性特征信息的不足,提出一种基于局部加权回归周期趋势分解算法(STL)与卷积神经网络(CNN)和长短时记忆神经网络(LSTM)相融合的月径流预报模型。该模型首先利用STL将径流序列分解为趋势项、季节项和随机波动的余项,分解后的各分量序列输入CNN进行卷积运算和子采样层重采样,CNN输出的特征序列通过LSTM拟合时序关系后由全连接层输出径流预测值。以黑河流域讨赖河基准站的月径流数据为例,对比分析LSTM、STL-CNN、STL-CNN-LSTM三种模型的预测效果,验证结果表明:STL和CNN-LSTM相融合的模型预报误差最小、精度等级最高。该模型相较于直接对原始径流序列进行分析的常规模型,可以较为显著地提高月径流预测的能力。
水环境与水生态
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  梯度进水对好氧颗粒污泥特性及番茄酱废水去除性能的影响

  肖飞, 王维红

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 55-63. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220125

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  新疆番茄酱生产过程中产生的废水具有浓度高、处理难度大、易污染地表水等特点,研究降解该废水处理技术具有重要意义。在室温下接种絮体污泥于间歇式活性污泥反应器(SBR)R1和R2中,以人工配制番茄酱废水为进水基质,采用阶梯式进水COD浓度方式培养好氧颗粒污泥(AGS),探究进水COD浓度变化对AGS形态、污泥理化特性及除污效能的影响。结果表明:梯度进水COD浓度固定为350 mg/L,R1和R2中污泥完全颗粒化后,颗粒粒径分别为780 μm和1 060 μm;R1、R2对番茄酱废水中COD、NH₃-N、TN和PO^3-₄-P平均去除率分别为95.2%、96.03%、85%、92.07%和93%、89.54%、78%、89%。进水COD浓度为346~750、750~900、900~1 200 mg/L时,颗粒形态由丝状菌骨架、孔洞结构和块状聚集体构成。氨氧化菌(AOB)和硝化菌(NOB)主要存在于小粒径AGS的外层和次外层,聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)主要存在于反应器底部的大颗粒污泥中。在梯度进水COD浓度不变下,高浓度的进水COD有助于AGS的快速形成及富集脱氮除磷的微生物菌群,提高了系统脱氮除磷的性能。
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  基于长短期记忆网络的西丽水库水质预测

  王渤权, 金传鑫, 周论, 沈笛, 蒋志强

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 64-70. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220925

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  西丽水库是深圳重要饮水源之一,水库的水质影响着全市人民的供水安全。为及时准确预测西丽水库水质结果,以指导水库水厂供水计划的制定,在利用自适应噪声的完备集合经验模态分解方法进行数据分解的基础上,利用长短期记忆网络(LSTM)模型,建立了基于LSTM的西丽水库水质预测模型。通过模拟计算发现,模型模拟效果较好,其中水质预测模型中总氮、氨氮及总磷的预测结果与实测结果吻合度均较高,能够很好地模拟水库水质浓度变化过程;且对于总氮和氨氮,模型的相对预报误差能控制在10%以下,说明了所建模型的合理性。研究成果可为西丽水库的水质预测及供水计划的制定提供重要模型与技术支撑。
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  好氧颗粒污泥造粒过程中EPS及脱氮除碳性能

  曾天续, 马娇, 党鸿钟, 严渊, 吴新波, 李维维, 陈永志

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 71-76. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220102

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  为解决好氧颗粒污泥(AGS)在生活污水中造粒时间长、稳定性差的问题,采用在人工配水中逐渐添加生活污水的方式改变进水水质,研究AGS造粒过程及脱氮除碳的效果。在4个序批式反应器(SBR)中培养AGS,接种污泥均为污水厂A²/O工艺二沉池污泥。25 ℃ 时,R1进水1~17 d为人工配水,18 d后改为生活污水;R2进水分阶段改变人工配水比例,最终为生活污水;R3进水为人工配水。R4温度为15 ℃,进水为人工配水。结果表明,水质和温度导致R1、R4的胞外聚合物(EPS)中蛋白质(PN)和多糖(PS)波动增加,R2、R3的PN和PS呈上升趋势,且AGS的沉降速度随着PN增大而增大。25 ℃ 时,污泥沉降指数(SVI)与EPS呈负相关。两种温度下均可成功培养出AGS,25 ℃时,在人工配水中逐渐添加生活污水的进水方式可缩短AGS在实际生活污水中的造粒时间,且沉降性能更优。研究结果可为AGS处理生活污水提供参考。
水土保持与生态修复
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  全坡面水土流失时空分异规律及观测技术研究进展

  许文盛, 谷金钰, 孙宝洋, 张志华, 张文杰, 李力

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 77-85. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221131

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  全坡面是介于传统坡面和流域尺度之间,进行水土流失多尺度观测与转换的基本单元。在分析水土流失基本单元的基础上,界定了全坡面的范围,确定全坡面是位于分水岭之间从坡顶到坡脚表现为单一坡面的独立集水单元。坡长、坡度、坡位和土地利用分布格局等空间异质性是区别于传统研究坡面,影响全坡面水土流失空间分异规律的关键因素。径流、泥沙、碳、氮、磷等水土流失通量物质,是全坡面侵蚀规律研究的关键要素。全坡面关键要素迁移转化是一个复杂的物理化学过程,而目前的观测技术难以对各要素进行高效的识别、提取与定量分析,亟需建立全坡面观测技术体系。通过对全坡面水土流失时空分异规律及观测技术的研究,可为构建水土流失多尺度嵌套观测体系,模拟预测不同尺度下侵蚀产流产沙过程提供重要参考和依据。
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  基于PLUS模型的重庆市南川区土地利用多情景模拟

  谢向东, 林孝松, 王莹, 涂荣誉, 张吉祥

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 86-92. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221227

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  多情景模拟土地利用变化是未来土地利用规划的基本依据,对实现区域社会—经济—生态和谐稳定具有重要意义。基于南川区2000年、2010年和2020年土地利用数据,借助动态度、转移矩阵分析研究区2000—2020年近20 a土地利用时空特征,从社会经济、地理环境和交通路网3个方面选取15个驱动因子,设置经济发展、生态保护和耕地保护3种情景,利用PLUS模型模拟研究区2030年土地利用分布,对比分析各情景模拟差异。结果表明:①近20 a,研究区耕地减少明显,达63.56 km²;建设用地增幅显著,占比从0.3%增至2.8%,主要集中在研究区中部和西南部。②2020年模拟结果的Kappa系数和总体精度分别为0.938、0.957,均高于标准值,PLUS模型适用于研究区土地利用模拟。③综合比较不同情景模拟结果发现,耕地保护情景下耕地总量得以保障,同时生态用地得到保护、建设用地大幅蔓延受到一定限制,该模拟结果更符合研究区今后可持续发展,可为南川区合理规划土地资源以及打造高品质新城区提供参考。
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  基于遥感监测的2000—2020年三屯河流域植被覆盖时空演化分析

  张艳娇, 李巧, 宿彦鹏, 陶洪飞, 姜有为, 马合木江·艾合买提, 魏建群, 杨文新

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 93-99. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220308

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  为分析三屯河流域植被覆盖时空变化特征,基于Landsat卫星遥感数据、像元二分模型、图像差值法及变异系数等方法手段对2000—2020年20 a间植被覆盖时空分布特征、趋势及稳定性进行分析。三屯河流域植被覆盖度呈现逐年增长趋势,特别是2012—2015年的年均增长速度为4.93%/(10 a);植被覆盖分布在空间上表现出两端高、中间低的规律性;三屯河流域植被覆盖改善区域占比39.58%,整体呈现改善的趋势;三屯河流域内植被覆盖度较为稳定,区域绝大部分处于弱变异与中等变异。三屯河流域植被覆盖演化受到自然因素和人类因素影响,自然因素的影响主要体现在温度与降水量的改变,人类活动因素的影响主要体现在土地利用类型的改变上。研究成果可为促进三屯河流域生态恢复、经济发展提供科学依据。
水力学
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  适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙起动流速计算方法初探

  刘晓民, 杨耀天, 张红武, 王文娟

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 100-106. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211404

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  冰盖是北方高寒地区河流冬季常见的一种自然现象。冰盖的出现改变了河流的运动状态,由原来的明渠流变为覆盖流。受冰盖糙率影响,垂线流速分布相应变化,进而影响河床泥沙输移。为进一步探讨冰期河床泥沙输移演变规律,基于Einstein假定,采用滚动起动模型,考虑冰盖下糙率变化、黏性淤积物干重度、相对暴露度对泥沙起动的影响,从理论上推导出了适用于冰盖流的泥沙起动流速公式,并与已有试验数据对比,相对误差集中在1%~10%之间;同时,探讨了本文公式对于明渠泥沙起动的适用性,即当冰盖糙率为0时,可视为明渠流泥沙起动流速计算公式,与实验数据对比,相对误差范围为0%~0.86%,亦可满足计算精度要求。
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  城门洞型输水隧洞明满流计算与试验

  张婧镁, 向升, 汤荣才, 王群, 鞠小明

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 107-113. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220154

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  无压输水隧洞中受到闸门启闭而引起的明满交替流水力瞬变现象,通常会造成洞内的压力剧增,对工程安全运行造成威胁。为了探究城门洞型隧洞的明满交替流和明流过渡过程,实测了模型隧洞沿线断面水深或压力变化曲线,基于窄缝法原理,使用扩散法对实测工况进行数值模拟计算,将实测数据与计算结果进行了对比分析。研究表明:在下游初始水深逼近城门洞直墙高时,下游闸门突然关闭后,在大来流量下管路中出现压力瞬间陡增的完全明满流现象,水流向上游传播并伴随剧烈的掺气,在小来流量下表现为不掺气压力突升的临界明满交替流,回波造成二次压力剧增,断面压力达到峰值。窄缝扩散法对于从明流完全转化成满流的明满流过渡过程模拟效果较好,而对于临界明满流的模拟有较大的误差。无压流水力过渡过程数值模拟计算结果与实测值基本一致,反映了明渠水力过渡过程数学模型的合理性。研究成果可为深入研究这一复杂水力现象提供借鉴和参考。
岩土工程
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  超近接上跨既有隧道施工影响分区及加固措施效果

  崔光耀, 宋博涵, 何继华, 田宇航

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 114-118. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220121

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  为探明新建隧道施工的扰动影响范围以提出施工对策,从而保障既有隧道的安全运营,依托北京地铁新机场线上跨既有地铁10号线工程,采用FLAC^3D有限差分软件对不同埋深、净距下的既有隧道进行了施工仿真计算分析。基于既有隧道拱顶位移控制标准,即控制值2 mm和预警值1.4 mm,将扰动影响分域划分为强影响区、弱影响区和无影响区。根据施工影响分区及工程特点,提出了超前管幕和超前管幕+夹土注浆2种加固措施,并进行数值模拟分析。结果表明:超前管幕加固措施位移减小64.05%;超前管幕+夹土注浆加固措施位移减小70.23%。结合现场控制标准,近接施工采取超前管幕+夹土注浆加固措施能够保障新建隧道的施工安全性及既有隧道的运营安全。
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  考虑温度和井阻影响的竖井地基固结

  张玉国, 王闯, 杨文兵, 赵亚敏

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 119-125. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211378

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  为分析温度和井阻对竖井地基固结的影响,建立竖井地基固结计算模型,并运用解析解法求出考虑温度和井阻的竖井地基固结一般解。通过退化研究并与已有解进行对比分析,验证此解的正确性与合理性。通过算例计算,绘制出考虑温度和井阻等因素影响的竖井地基固结曲线。研究结果表明:温度效应和井阻变化均对竖井地基固结影响较大;温度越高,固结速率越快,但温度变化对固结的影响逐渐减弱;当井径比和温度不变时,井阻达到一定值,固结速率趋于0,固结度会趋于某一数值;随着井阻的增大,超静孔压消散的速率明显减慢;温度越高,超静孔压消散速率越快。
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  基于围岩分类HC评分的双护盾TBM施工速度预测模型

  杨继华, 闫长斌

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 126-132. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220059

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  针对双护盾TBM施工速度预测问题,以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,采用现场实测数据统计分析的方法,基于《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)的围岩分类HC评分值,研究了TBM净掘进速度、TBM利用率与围岩分类HC评分值的相关性,进而建立了双护盾TBM施工速度预测模型。结果表明:①TBM净掘进速度与HC值呈二次函数关系,相关性系数为0.84,随着HC值的降低,TBM净掘进速度呈现增加的趋势;②TBM利用率与围岩HC值呈二次函数关系,相关性系数为0.82,TBM利用率随着HC值的增加有先增大后减少的趋势;③围岩的HC值为41～46时,TBM的施工速度达到最高,日进尺可达到45 m以上,当HC值＜41时,TBM施工速度随着HC值的降低而降低,当HC值＞46时,TBM施工速度随着HC值的增加而降低;④预测施工速度与实际施工速度吻合较好,平均误差为5.2%,最大误差＜10%,说明预测模型可靠,可用于双护盾TBM施工速度预测。
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  盲沟泄水降压技术在地下构筑物抗浮中的应用探讨

  陶文涛, 湛海群, 孙毅, 谢俊, 罗会平, 董俊, 安旭文

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 133-138. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220390

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  根据武汉地区长江三级阶地的地层特点,分别从泄水降压技术在实际工程中的应用、盲沟泄水降压试验模型的理论分析和试验结果,以及盲沟的可靠性和耐久性等方面对盲沟泄水降压的可行性进行了分析探讨。结果表明:试验模型渗流量的计算结果和试验结果相差不大;当地下构筑物基底位于渗透性较弱的黏土层中,采用盲沟泄水降压技术不仅可有效降低地下构筑物的抗浮水位,且盲沟的渗流量较小,长期泄水对周边环境的影响也较小。因此,当地下构筑物基底位于武汉长江三级阶地的黏土层中,采用盲沟泄水降压技术可有效降低甚至完全消除地下构筑物的抗浮水位,尤其对上部结构自重较轻的地铁地下车站的抗浮有着广阔的应用前景。
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  考虑成层土阻水减渗效应的地表水入渗过程分析模型

  张兴毅, 曹文贵, 崔鹏陆, 李慧鑫

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 139-146. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220092

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  为完善地表水入渗过程分析的理论方法,抓住从高吸力土入渗到低吸力土,入渗会有停滞和入渗速率降低的特点,考虑湿润锋附近土体的非饱和特性,将土壤中水分运移划分为上层土入渗阶段、滞水入渗阶段和下层土入渗阶段,推导了可反映成层土入渗中阻水减渗作用的地表水入渗模型。通过与已有试验结果和现有同类型模型的对比分析,对模型参数进行敏感性分析。结果表明:本文模型比较准确地描述了层状土入渗中的滞水和减渗现象,更好地反映了入渗机理。当湿润锋行进发生停滞时,假设入渗速率呈线性下降是符合实际情况的。不同的土体性质对入渗有不同的影响:下层低吸力土的种类、埋深及积水深度对入渗特性有较大的影响;土体初始含水量仅对入渗时间影响较大;湿润锋过渡区占比对滞水作用有较大影响。
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  引江济淮白山船闸水泥土强度试验

  王志勇, 杜广印, 章定文, 宋涛, 杨泳

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 147-153. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211403

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  智能化双向搅拌桩技术在引江济淮白山船闸工程中得到了推广应用,为研究白山船闸水泥土的强度变化规律以及新技术应用效果,通过制备不同形状、水泥掺量和龄期的水泥土试样,进行无侧限抗压强度试验和三轴不固结不排水试验,获得水泥土的应力应变关系、抗压强度及抗剪强度参数。室内试验结果表明:水泥土应力-应变关系为应变软化型,无侧限抗压强度随水泥掺量、龄期的增长而增大,与龄期对数近似呈线性关系;90 d龄期的圆柱体试样强度比立方体试样高约13%;变形模量与无侧限抗压强度的比值在55.6~96.2之间,受龄期影响较大;黏聚力与无侧限抗压强度呈近似线性增长关系,内摩擦角范围为22°~33°。现场芯样强度达到室内水泥土强度的70%以上,智能化双向搅拌技术能够在一定程度上改善搅拌桩成桩质量,采用强度比值的拟合关系式有利于弥补室内与现场水泥土的强度差异。扫描电镜(SEM)结果从微观角度揭示了水泥土的强度增长机理。研究成果可为类似工程研究提供依据。
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  冻融-干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应

  雷过, 张卫兵, 李晓, 刘臻祥, 周鑫磊

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 154-159. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211396

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  冻融-干湿循环是引起硫酸盐渍土强度劣化的主要原因,而土体微观孔隙结构与强度之间有紧密的联系。通过无侧限抗压强度试验、压汞试验、电镜扫描(SEM)试验,采用全局优化法(UGO)分析数据,ImageJ2X处理SEM图像,探究了冻融-干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应关系。结果表明:①冻融-干湿循环作用下,无侧限抗压强度随含盐量呈现先增大后减小的变化趋势,当压实度较低时强度峰值对应的含盐量低;从孔隙分布得出,1~10 μm的孔隙占比为强度劣化的阈值,当其占比>50%时强度出现劣化,且劣化现象不可逆。②冻融-干湿作用下的无侧限抗压强度值与微观参数的歪度、结构优度间存在相关性,无侧限抗压强度与歪度呈现正相关,与结构优度呈负相关,且结构优度比歪度对强度影响更加显著。③影响无侧限抗压强度宏观指标劣化程度的微观参数依次为结构优度、歪度、分选系数、平均孔喉半径。本研究从定量分析的层面探究了硫酸盐渍土的宏微观响应关系,为进一步研究盐渍土工程性质提供参考。
工程安全与灾害防治
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  智能全站仪大坝自动化监测时的辅助水位测量

  周建国, 彭朵, 蒋卫国, 黎建洲

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 160-165. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220110

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  库水位是大坝安全监测的重要要素之一,提出了在智能全站仪进行大坝外观自动化监测的同时辅助水位测量的方法。首先将智能全站仪望远镜瞄准坝体水位线位置进行观测,利用三角高程原理计算水位线高程,同时通过其同轴相机拍摄进行人工学习得到水位线直线方程。在周期性监测阶段,基于卡尔曼滤波对库水位的预测结果调整望远镜的竖直角并拍照,进而通过图像处理技术根据直线斜率提取图像水位线,并调整拍摄使其居中再计算水位线高程。试验结果表明,此方法测量水位具有一定的工程应用前景,有助于扩展智能全站仪在大坝安全监测中的用途。
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  库水位变动下库岸滑坡变形失稳机制离心模型试验

  谷建永, 张强, 卢晓春, 胡晶, 朱军威

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 166-172. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220009

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  为研究滑坡在库水位变动下的变形演化机制,以车邑坪滑坡为原型,建立了1∶70滑坡概化模型,设计了一套库水位升降系统,开展了一次水位抬升及两次不同速率水位连续骤降的离心模型试验。研究结果表明:水位抬升阶段滑坡变形不明显;当水位首次骤降时,滑坡前缘拉裂缝迅速发展贯通形成断裂带,随后断裂带下错滑塌,中后部产生张拉裂缝;当水位二次骤降时,滑坡沿原断裂带继续下滑,但滑动程度明显减弱,中后部竖向压密行为导致裂缝扩展趋稳。水位抬升阶段孔压滞后性明显,随后各阶段逐渐减弱,前缘滑体土压各阶段变幅剧烈,而中后部在首次骤降时最剧烈。总体上来看,导致滑坡失稳的水位骤降速率区间为0.7~1.5 m/d,滑坡深部动水压力效应较浅层强烈,滑坡变形受库水位首次骤降影响强于二次骤降,变形破坏呈现由前缘到后部逐渐减弱的牵引式特征,各阶段依次呈现初始变形、加速变形及减速变形特征。
水工结构与材料
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  干湿循环与持续轴压荷载对水泥砂浆耐硫酸盐侵蚀性能的影响

  王帅, 胡少伟, 李文昊, 李景浩

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 173-179. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220032

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  为分析持续轴压荷载和干湿循环对水泥砂浆耐硫酸盐侵蚀性能的影响,通过宏-微观试验,对比不同工况下砂浆的表观现象、质量、膨胀率、强度的劣化特性并探究其侵蚀机理。结果表明:持续轴压荷载和干湿循环均显著加剧砂浆劣化,且应力越大影响越大;应力比0.4工况的砂浆线膨胀率最高增长0.67%,其抗压强度最大损失40.72%;干湿循环工况的砂浆线膨胀率最高增长0.43%,其抗压强度最大损失29.63%;较低持续轴压荷载前期减缓硫酸盐侵蚀而后期加剧,较高持续轴压荷载直接增多砂浆内部缺陷,加剧化学侵蚀,导致宏观性能大幅下降;干湿循环作用下硫酸盐结晶与钙矾石、石膏等腐蚀产物共同导致砂浆微观结构劣化和缺陷扩展,持续轴压荷载不改变硫酸盐的侵蚀机理,但显著影响侵蚀进程;二项式函数能够较好的描述砂浆硫酸盐抗压强度的劣化规律。研究成果可以为水工结构的耐久性评价与保护层设计提供指导和支撑。
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  聚甲醛纤维高强混凝土孔隙特征及动态力学特性

  秦楠, 李琼, 徐博

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 180-186. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220087

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  为探究聚甲醛(POM)纤维高强混凝土内部孔隙特征及在冲击荷载作用下的安全性,制备混凝土设计强度等级为C60、POM纤维长度为6 mm、体积掺量分别为0%、0.15%、0.3%、0.45%、0.6%的聚甲醛纤维高强混凝土,采用核磁共振(NMR)技术分析不同纤维掺量下试件T₂图谱分布规律,利用岩石力学试验机对不同纤维掺量下试件进行准静态压缩试验,利用霍普金森压杆(SHPB)装置对试件开展不同应变率下(64.8 s^-1、87.0 s^-1、116.4 s^-1、149.1 s^-1)的动态单轴压缩力学试验,分析不同纤维掺量下的POM纤维高强混凝土内部孔隙结构及在不同应变率下应力-应变曲线、峰值应力、韧性及能量耗散的变化规律。结果表明:POM纤维的掺入使T₂图谱峰值降低,图谱曲线向左偏移,试件内部孔隙数目减少,孔隙直径减小,孔隙率降低;试件存在明显的应变率效应,POM纤维的掺入增强了试件整体性能;不同应变率下试件峰值应力随纤维掺量的增加先增大后降低,当纤维掺量达到0.45%时试件动态压缩强度达到峰值,掺入过量纤维试件强度有所降低;纤维的掺入增强试件在抵抗外荷载时的韧性;试件耗散能随入射能的增大而增大,两者呈良好的线性关系;试件破碎耗能密度随纤维掺量的增加先增大后减小,掺量为0.45%时效果最佳,应变率的增大会使试件耗能密度变化幅值增大。
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  基于模糊数学的混凝土表观质量综合评价

  杨科, 陶铁军, 黄柯宇, 徐跃生, 游聚刚

  长江科学院院报. 2023, 40(6): 187-194. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220029

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  混凝土表面孔洞的检测和量化是混凝土表观质量评价的重要内容之一,仅依据孔洞尺寸不足以全面评价混凝土的表观质量。考虑孔洞个数对混凝土表观质量评价的影响,基于模糊数学方法,以孔洞最大直径、孔洞面积比和孔洞个数为因素集,采用灰色关联度分析法计算因素集权重建立评价模型,综合评估混凝土表观质量,并根据评价结果探究不同比例消泡剂和引气剂对混凝土表观质量的影响规律。结果表明:① CIB分级与孔洞个数的相关系数为0.929 74,通过回归分析提出了孔洞个数分级指标,因素集对模筑混凝土表观质量的影响程度不同,对孔洞最大直径影响最大,其次为孔洞个数,最后是孔洞面积比,因此需将孔洞个数纳为影响模筑混凝土表观质量的重要因素;② 消泡剂掺量<0.3‰时,孔洞尺寸和数量随消泡剂掺量增加而减小,随引气剂掺量增加而增大,消泡剂掺量>0.5‰时,相应的值反而随消泡剂掺量增加而增大,随引气剂掺量增加而减小,合适的外加剂比例能有效提高模筑混凝土表观质量;③ 基于模糊数学的分级方法能实现混凝土表观质量评价,依据综合评价结果,当消泡剂和引气剂掺量分别为0.5‰和0.15‰时,混凝土表观质量最好。研究结果可为模筑混凝土表观质量的优化提供参考。