2023年, 第40卷, 第9期　
刊出日期：2023-09-01

  

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封面与目次
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  第40卷第9期封面与目次

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 0-0.

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专家特约稿
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  长江下游镇扬河段历史变迁与河道演变分析

  渠庚, 郝婕妤

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 1-7. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230546

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  镇扬河段位于长江下游感潮段,为典型的分汊河道,长期以来其河道演变复杂多变。基于历史文献、古地图、近现代地形测图及水文资料等资料,分析了镇扬河段长期演变规律。研究表明:西汉之前镇扬河段为长江河口,泥沙在古河口逐渐落淤,北岸边滩发育,河道总体南移、河宽缩窄,江中泥沙落淤并逐渐发育为稳定沙洲,形成世业洲汊道与和畅洲汊道。历史时期,河道水力和输沙特性是河道形成和演变的主要因素,南北两岸节点为控制河势的关键;20世纪50年代后,镇扬河段河道形态相对稳定,近期演变主要表现为汊道段河势格局的调整,河道内各类工程的建设等人类活动成为影响河床演变的重要外因。
水资源
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  长江中游城市群水资源绿色效率测度与影响因素分析

  肖宜, 慈晓虎, 杨冰, 张利平, 夏军

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 8-16. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230206

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  推动长江经济带高质量发展是关系国家发展的重大战略,提升城市群水资源绿色效率是保障生态优先绿色发展的基础性问题。在传统水资源利用效率研究中引入“绿色发展”概念,构建了水资源绿色效率评价指标方法体系,通过利用超效率EBM-DEA模型和面板Tobit模型对长江中游城市群水资源绿色效率进行了测算和影响因素分析。结果表明:①水资源经济效率受GDP变化影响较大,水资源环境效率和绿色效率的测度结果更符合实际情况;2009—2020年间,通过各城市圈对比发现,武汉城市圈的水资源绿色效率始终高于环鄱阳湖城市群与环长株潭城市群。②经济水平发达的城市水资源利用效率也高;长江中游城市群水资源充沛地区用水效率略低于水资源贫乏地区;高速的城镇化发展对水资源绿色效率具有抑制作用,因此长江中游城市群需坚持走绿色、新型的城镇化发展道路。
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  供需变化情景下破产理论在流域水资源配置中的应用

  孙冬营, 余梦玲, 马剑锋, 王慧敏

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 17-23. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220642

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  随着人口持续增长、经济快速发展,水资源需求不断增加,同时环境变化引起用水需求和供水总量的不确定性增加,导致水资源供需错位态势加剧。基于水资源短缺且供需变化的客观实际,研究破产理论在流域水资源配置问题中的应用。采用比例准则(PRO)、同等收益准则(CEA)、同等损失准则(CEL)和调整比例准则(AP)解决不同供需情景下流域水资源配置问题,并评估破产准则应用稳定性,运用Fallback bargaining方法选择出一致满意的水资源配置结果。研究结果表明,每种情景下,AP准则的稳定性最优,PRO准则次之;而Fallback bargaining方法表明,PRO准则结果能达到一致满意。综合考虑2种方法的差异后,认为PRO准则结果为一致满意的结果。因此,分析不同供需情景下流域水资源配置问题,并提出破产准则与Fallback bargaining相结合的分析框架,能够为变化环境下流域水资源管理提供科学决策依据。
水环境与水生态
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  微电流电解产H₂O₂抑制铜绿微囊藻生长研究

  张雨婷, 林莉, 贾迪, 董磊, 潘雄, 刘敏, 赵良元

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 24-31. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220306

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  为了探究微电流电解过程对铜绿微囊藻生长的影响,以铂钛作为阳极,碳黑聚四氟乙烯(C/PTFE)气体扩散电极为阴极,在微电流电解体系中可产生对铜绿微囊藻生长具有选择性抑制作用的活性物质H₂O₂。探究不同电解时间、电流密度和气体流量对藻细胞生长的影响,结果表明:微电流电解的最佳条件为100 mL细胞密度为5×10⁵个/mL 的藻液在10 mA/cm²的电流密度下以0.4 L/min的气体流量电解60 min。藻细胞光密度OD₆₈₀从0.035降至0.003,表明藻细胞的生长完全受到抑制。测定电解处理前后藻细胞的叶绿素荧光参数F_v/F_m、Y(Ⅱ)、Y(NO)等可知,电解处理后藻细胞的光合作用机制已遭到完全破坏。测定电解过程中产生H₂O₂的质量浓度为79 mg/L,并且经过6次循环实验后,C/PTFE气体扩散电极产生H₂O₂质量浓度仍为首次使用产生H₂O₂质量浓度的66%(52 mg/L),说明C/PTFE气体扩散电极的稳定性良好,具有较大的应用前景。该研究可为微电流电解抑制蓝藻水华提供新手段。
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  基于B-IBI的东江下游河流生态健康评价

  马卓荦, 胡和平, 王赛

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 32-38. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220331

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  底栖动物群落变化能敏感地反映出河流生态系统受损情况,常用于水生态健康评价。本研究调查了东江下游地区河流的底栖动物,首次构建了该地区受损河流底栖动物完整性(B-IBI)评价体系,并探究影响河流水生态健康的主要因素。结果表明参照位点B-IBI在2.23~3.53之间,处于优或良状态;受损河流B-IBI在0.04~2.61之间,大部分健康状态不佳,其中较差和很差状态的占比为45%。B-IBI与溶解氧、COD_Cr、BOD₅、氨氮、总磷、阴离子表面活性剂密切相关,水体受污染是导致河流生态系统不健康的主要原因。河流周边高强度开发建设也会给底栖动物尤其是水生昆虫类群造成负面影响。在感潮河段进行B-IBI评价时,建议选择有针对性的候选参数构建评价体系以及确定评价标准。
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  湘江航电梯级开发对四大家鱼繁殖适宜流速水域的影响

  曹艳敏, 乾东岳, 王崇宇

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 39-46. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221308

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  流速是影响家鱼繁殖的重要因素。以家鱼产卵场产卵适宜流速及加速度、受精适宜流速水域面积为研究内容,开展梯级开发前后典型非恒定高、低流量过程的模拟及对比。结果表明:梯级开发后四大家鱼繁殖流速水域面积变化特征显著;产卵最佳流速、产卵触发流速、产卵适宜流速、鱼卵最大受精流速和最高受精率流速水域面积在梯级开发后均大幅度缩减。梯级开发对四大家鱼繁殖流速水域面积影响不利于四大家鱼繁衍;在四大家鱼产卵适宜加速度方面,梯级开发对低流量的调控作用趋于有利(益)。本研究对以流量调控为基础开展的湘江干流航电梯级枢纽群生态联合运行调度工作提出了进一步的科学要求。
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  基于改进的当量因子法的生态服务价值时空变化研究——以长江流域为例

  申梦姝, 郑航, 刘悦忆, 陈进, 尹正杰

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 47-54. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220264

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  生态服务价值评估是对区域生态系统价值的总体估测,是生态保护和管理的决策依据。长江流域地域广阔、生态和社会经济系统非常复杂,现有的生态服务价值评估方法较难在大空间尺度上反映流域生态系统的整体情况。基于当量因子法计算量小、实用性强的特点,对该方法进行改进,评估了长江流域 2010年、2015年、2018年的生态服务价值变化。结果表明:①当量因子法能够在大空间尺度上便捷的计算流域生态资产,在管理实践中的适用性较强;② 2010年、2015年、2018年长江流域生态服务价值分别为58 893.47亿、58 865.02亿、59 506.27亿 元;③ 2010—2018年流域上游地区的生态服务价值增加较多,四川盆地和长江中下游平原地区的生态服务价值总体上有所减少。④ 近年来受长江大保护的影响,中下游部分沿江临湖地区的生态服务价值明显增加。研究成果为探讨当量因子法在长江流域生态服务价值评估中的适用性提供了借鉴,为进一步摸清长江流域生态资产的存量及其变化趋势提供了一定参考。
水土保持与生态修复
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  城市水土保持区划及水土流失防控策略——以深圳市为例

  张文杰, 黄金权, 许文盛, 温夏伟, 张志华, 聂文婷, 高阳

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 55-60. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220283

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  新型城镇化是我国新时期社会经济发展的重大战略,城镇化进程带来的资源与环境需求对新时期水土保持工作提出了高质量发展的要求。深圳市作为高度城镇化地区,长期引领城市水土保持工作,但并未形成适合自身高密度经济单元、高科技产业类型、高质量环境要求的水土保持区划。以深圳市为研究对象,通过数理统计方法构建了水土保持区划指标体系;基于层次聚类分析和地理信息系统(GIS)空间叠加分析等定量手段和定性修正,划定了以最低行政层级的街道为基本单元的水土保持区划方案,并针对各分区水土流失特征与经济社会发展定位,提出了区域化水土流失防控重点和策略。区划方案与城市空间扩张、内部功能调整形成的格局一致,充分体现了深圳市城市水土保持特色,可用于指导深圳市水土保持分区审批、分类管理、分级防控,进而为实现深圳新时代的历史使命提供支撑。
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  典型红壤区输变电工程堆积体边坡细沟侵蚀特征

  李熙, 刘强, 江世雄, 孙宝洋, 钱峰, 陈垚

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 61-67. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220399

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  为科学治理典型红壤区输变电工程堆积体水土流失问题,采用室内人工模拟降雨试验,设计了雨强(2、2.5、3 mm/min)和坡度(10°、15°)2个处理方式,研究了红壤堆积体坡面土壤侵蚀过程,分析了雨强、坡度、侵蚀产沙特征以及细沟形态特征参数(密度、割裂度、复杂度和宽深比)之间的关系。结果表明:不同雨强红壤堆积体坡面产流量随降雨历时的增加而增大,入渗率和输沙量随降雨历时的增加呈减小趋势;细沟密度、细沟割裂度、细沟复杂度和细沟宽深比分别为0.77~1.35 m/m²、0.04~0.08、0.93~1.40、1.01~2.39;细沟宽深比随着雨强和坡度的增大而减小,细沟密度、割裂度以及复杂度的变化与之相反。细沟形态特性指标与坡面侵蚀速率之间的相关性排序为:细沟复杂度>细沟割裂度>细沟密度>细沟宽深比。研究成果可为典型红壤区输变电工程水土流失防治提供技术参数和依据。
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  自然生态空间占用补偿平衡机制构建——以湖北省为例

  贾宝杰, 曾文浩, 张亚全, 孟汉龙, 黄茁, 陈进

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 68-72. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220582

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  构建自然生态空间占用补偿平衡机制,确保自然生态空间损失与补偿的平衡是解决经济社会发展与环境保护之间失衡的一种重要手段。在分析自然生态空间占用补偿现状和问题、自然生态空间特征及占用行为分类的基础上,提出了原地补偿、异地补偿和资金补偿3种自然生态空间占用补偿模式,在湖北省政策体制上提出实现路径与程序,开展自然生态空间占补平衡时应结合占用行为的不同选择差异化的补偿方案,同时应按照“规避、最小化、修复、补偿”4个层级进行管控。此外,应建立生态占补储备资源库、监测与信息共享系统、公众参与机制等保障占补制度的顺利实施。
水灾害
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  面向历史洪水的三峡水库削峰能力量化分析

  王锁平, 马伊洋, 朱迪, 姚华明, 王现勋

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 73-77. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220545

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  为了量化分析三峡水库防洪库容的削峰能力,采用一种优化-拟合框架,对三峡水库历史入库洪水进行分析计算。通过设置三峡水库调度期内不同的最高水位方案,采用动态规划算法,对不同类型的入库洪水进行优化求解,得出三峡水库不同防洪库容方案下的洪峰削减流量,再用回归分析,量化三峡水库防洪库容的削峰能力。结果表明:对于多年场次洪水,三峡水库动用的防洪库容与其削减洪峰流量的相关关系可划分为3种类型:“先增后平”型、“分段递增”型和“线性递增”型。前2种类型存在拐点,建议动用在阈值以下的防洪库容,以充分发挥其高效削峰能力;最后1种类型可以结合洪峰削减目标,合理规划防洪库容进行调度。分析结果可为三峡水库科学合理有效分配防洪库容提供参考。
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  基于云模型的城市内涝治理评价

  胡灿灿, 周兰庭, 邓思源

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 78-84. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20221162

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  为了评估城市内涝治理的总体状况,结合现代化城市特性,从防涝工程建设、防涝管理工作、防涝智慧化和生态空间治理4个方面选取17个指标,构建城市内涝治理评价指标体系;将江苏省地势较低洼的城市——盐城市盐都区作为研究对象,利用云模型,评价其城市内涝治理的总体状况。结果表明:盐城市盐都区城市内涝治理综合评分为85.11,说明其城市内涝治理的综合评价等级为良好;该方法可有效地评估城市内涝治理的整体情况,评价结果可为消除薄弱环节提供参考依据。
水力学
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  基于数值模拟的盲三通流场计算与局部阻力系数影响因素初探

  吴森林, 王秋良, 甘杜芬, 李恩, 王一帆, 刘云

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 85-92. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220526

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  盲三通作为管网输配系统不可或缺的核心部件,对管道稳定运行具有重要的意义。利用Solidworks 2019软件、Fluent软件建立模型并进行三维流场计算,结合正交分析试验、SPSS软件讨论盲三通局部阻力系数各影响因子的显著性强弱,构建各影响因子与局部阻力系数经验公式,提出最佳流道结构模型。结果表明,局部阻力损失系数ζ随着雷诺数Re、支管直径d的增大呈二次多项式减小,随着支管夹角θ的增大呈二次多项式增大,随着盲端长度L₃的增大呈线性减小;利用多元非线性回归总结了盲三通局部阻力系数拟合关联式;支管近右壁处流体流速增大,分岔口及支管处湍动能分布较为剧烈;在模拟范围内,各影响因素对局部阻力损失系数ζ的影响显著性强弱为:雷诺数>夹角>支管管径>盲端长度;雷诺数为6.4×10⁵、夹角为π/6、盲端长度为4.0D、支管直径为0.9D,局部阻力损失系数最小,研究结果可为盲三通结构设计以及工程应用提供理论依据。
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  非对称河道窄缝挑流轨迹及冲刷规律试验研究

  徐礼哲, 袁浩, 何小泷

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 93-97. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220488

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  基于某水电站模型试验,系统探究了非对称河道内不同收缩比窄缝消能工的挑流轨迹和冲刷规律。研究表明窄缝挑坎出口的收缩比对冲刷坑的形态影响明显,随着收缩比的减小,挑坎两边的侧墙将水流向中间挤压,同时出射水舌在空气中充分扩散,进一步掺气消能,导致冲刷坑的深度降低、范围增大。对于非对称河床,相同流量下河床冲深会随着β增大而加大,但其冲刷横向扩散范围会显著减小。对水舌外缘挑距的公式开展了对比研究,当收缩比β>0.2时,陈忠儒公式的计算结果与试验值吻合;当β=0.2时挑流轨迹计算应采用修正后的水工计算手册公式。
岩土工程
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  部分落底式止水帷幕在基坑降水中的应用

  阎波, 太俊, 胡科, 徐伟, 韩帅

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 98-105. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220477

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  针对超大型基坑降水设计中采用的部分悬挂、部分落底式止水帷幕,利用数值模拟对比分析了不同落底率R_c下深基坑降水的地下水控制效果及其对邻近地铁隧道的影响。研究结果表明:相同落底率R_c下,随着悬挂止水帷幕的插入比L/M的增大,降水对周边环境的影响逐渐降低,存在明显转折点,可根据承压水位降深变化曲线选择相对经济合理的插入比范围;止水帷幕中的悬挂帷幕部分插入比L/M对基坑单位面积抽水量q的影响较小,而落底率R_c对q的影响更为显著,且落底率R_c在0~80%范围内时,R_c与q具有较好的线性相关关系。通过计算结果与现场监测数据对比分析,落底式帷幕一侧的坑内外水头差要明显大于悬挂式帷幕一侧的坑内外水头差,故部分落底式止水帷幕也可有效阻隔环境敏感一侧的地下水渗流;根据不同落底率R_c下地铁隧道的变形计算结果,可以得到满足变形要求的最低落底率R_c。对类似基坑工程的降水及止水帷幕设计,可根据周边环境的敏感程度灵活使用部分落底式止水帷幕。
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  草本植物根系类型和分布对根土复合体无侧限抗压强度的影响

  刘向峰, 张强, 郝国亮, 王逸腾, 孙颖聪, 王来贵

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 106-111. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220407

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  为了探究草本植物根系类型和分布对根土复合体无侧限抗压强度的影响,采用图片像素转换法确定轴根型紫花地丁、根蘖型苦荬菜和根茎型水麦冬在不同土壤深度的根系分布特征;并利用无侧限抗压试验获取3种草本植物根土复合体的应力-应变曲线,量化根土复合体的抗压强度,探究根土复合体破坏面根系参数与黏聚力增量的关系。研究结果表明,在0~8 cm土壤深度范围内,随土壤深度的增加,轴根型紫花地丁和根茎型水麦冬的根长密度RLD、根表面积密度RASD、根面积比RAR逐渐减小,而根蘖型苦荬菜的RLD、RASD、RAR出现了先增大后减小的趋势。3种草本植物根系分布特征参数的量化结果均表现为紫花地丁>水麦冬>苦荬菜。根茎型水麦冬提升土体抗压强度的能力最优,其根土复合体黏聚力增量分别是紫花地丁和苦荬菜黏聚力增量的1.42、2.6倍。3种草本植物破坏面的RLD、RASD和RAR均表现为水麦冬最大,苦荬菜最小,紫花地丁居中。苦荬菜破坏面根系参数与黏聚力增量无相关性。对于轴根型和根茎型草本植物,根土复合体破坏面的3个根系分布参数中,RAR与黏聚力增量的相关性明显高于RLD和RASD。因此,RAR可以作为预测根茎型和轴根型草本植物提高土体抗压强度能力的重要参数。
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  裂隙及强降雨入渗对堆积体滑坡渗流场及稳定性的影响

  付敬, 艾凯, 施华堂, 高阳阳, 谭海, 吴勇进

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 112-117. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220564

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  降雨入渗导致滑坡地下水位以上的非饱和区水压力暂时升高,坡体基质吸力减小,抗剪强度降低;同时,滑坡内的裂缝又为雨水下渗提供快速通道,雨季强降雨将在坡体裂隙较发育的部位汇集形成暂态水源,连续补给产生高孔隙动水压力,并导致深层滑坡的地下水位上升。这种瞬态的地下水运动及暂态附加水荷载成为非饱和边坡在雨季失稳的控制因素。以某大型堆积体滑坡为研究对象,采用土体饱和—非饱和渗流理论和有限差分方法,研究强降雨在坡体的裂缝末端形成的暂态水源对滑坡渗流场和地下水位的影响机制,通过强度折减方法计算暂态补给水对滑坡稳定性带来的不利影响。这些研究可为堆积体滑坡的预防和排水治理设计提供科学依据。
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  水平偏心荷载作用下斜桩承载特性模型试验

  曹卫平, 李清源, 陶鹏, 赵敏

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 118-125. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220430

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  斜桩周围的土体自重应力场不对称于斜桩轴线,其承载变形特性比较复杂。在砂土地基中开展了斜桩模型试验,研究了斜桩在垂直于其倾斜方向的水平偏心荷载作用下的承载变形特性,分析了桩身表面粗糙程度、桩身倾角对斜桩承载变形特性及桩身内力分布规律的影响。试验结果表明,在垂直于斜桩倾斜方向的水平偏心荷载作用下,斜桩桩顶水平位移很小,而扭转变形较大,其承载力取决于扭转变形。垂直于斜桩倾斜方向的水平偏心荷载不仅会使斜桩弯曲,还会使斜桩沿其纵向轴线拉伸。斜桩桩身最大弯矩超过作用于桩顶的扭矩约10%~30%,斜桩全长受拉,但桩身轴力很小,最大轴力约为桩顶水平荷载的5%。斜桩桩身表面作用有纵向摩阻力及环向摩阻力。斜桩桩身上部纵向摩阻力为正摩阻力,下部则为负摩阻力,中性点的位置约在相对深度Z/L=0.3处,纵向平均摩阻力远小于相同深度处的环向平均摩阻力。
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  红层平推式滑坡滑带土自愈合效应试验研究

  周航, 郑达, 张文

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 126-132. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220450

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  滑带土力学特性是复活型滑坡是否会再次启滑的关键因素之一,以往研究认为滑带土的残余强度是一个静态参数,但近年来不少研究发现滑带土强度在稳定期会产生自愈合现象,导致剪切强度的提高。对于可能发生复活启滑的平推式滑坡,自愈合效应在滑坡稳定性分析中应予以考虑。通过对红层平推式滑坡滑带土进行“剪切-固结-剪切”试验,研究滑带土的残余强度在不同法向应力与不同固结时间下的愈合情况,并进行相应的分析与讨论。试验结果表明:平推式滑坡滑带土存在自愈合效应,滑坡复活启动强度介于其峰值强度和残余强度之间;滑带土的强度恢复率与固结时间成正比,与法向应力成反比;平推式滑坡滑带土的触变性是其强度愈合机制的主要因素,矿物特征则对该机制起了某种程度的强化作用。以此提出,滑带土的强度愈合机制对平推式滑坡的复活启滑具有重要影响。
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  软岩堆石料试验前后级配变化规律

  孙向军, 潘家军, 丁立鸿, 周跃峰, 卢一为, 左永振

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 133-138. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220355

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  为研究试验前后软岩堆石料级配变化规律,开展了两座水库筑坝软岩堆石料的系列大型试验,采用Marsal颗粒破碎率和级配方程参数进行了量化分析。结果表明:①击实试验在最优含水率附近,Marsal颗粒破碎率最大;②随围压增大,三轴试验的Marsal颗粒破碎率增大,且在达到某一围压后,增加不再明显;③超大击实试验的Marsal破碎率比大型击实试验大,湿化和蠕变试验后的Marsal颗粒破碎率小于饱和三轴试验的颗粒破碎率,大型侧限压缩试验的Marsal颗粒破碎率比三轴试验的颗粒破碎率小;④试验前后级配方程的参数呈单调变化,且有统一收敛于某一定值的趋势。上述研究结论可为级配优化设计提供科学依据。
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  动荷载对微型桩深基坑开挖稳定性的影响

  王春景, 卜一鸣, 王金星, 梁斌

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 139-146. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220334

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  为研究动荷载对临近桥梁微型桩深基坑开挖稳定性的影响,以中国“一带一路”重点贡献项目格鲁吉亚E60高速公路Ubisa-Shorapani(F3)标段工程为主要依托,通过数值模拟分析列车荷载对基坑土体、支护结构内力及变形影响,并将数值计算结果与现场监测数据对比分析。结果表明:相对于无列车荷载,考虑列车荷载作用下近侧桩体最大位移和土体最大沉降分别增大14.5%、20%,基坑整体安全系数减小0.1,在开挖过程中应充分考虑列车荷载对基坑稳定性的影响。不同列车荷载施加方式下,首道支撑所受影响显著,各道支撑轴力变化幅度随开挖从上到下逐渐减小。列车荷载距离基坑边界5 m时近列车侧土体最大沉降比20 m条件下增大3.61 mm,且当距离为20 m时土体沉降几乎不受列车荷载影响,基坑稳定性较好。动荷载时速为120 km/h、距离为5 m情况下桩体内力受荷载影响较大,弯矩及最大弯矩位置深度随荷载距离减小逐渐增大,最大弯矩相比无列车荷载时增大210 kN·m。
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  土工袋垫层不同结构形式的振动台模型试验研究

  陈爽, 方斌昕, 刘斯宏, 鲁洋, 李博文, 赵同乐, 顾一鸣

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 147-154. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220397

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  为了研究土工袋垫层不同结构形式对减隔震特性的影响,考虑输入振动波峰值加速度、土工袋垫层铺设形式、支挡结构、袋间缝隙等因素对垫层减隔震特性的影响,开展了一系列小型振动台模型试验。试验结果表明:随着输入峰值加速度的增大,3种常见铺设形式(直立式、扩散式、交错式)的土工袋垫层模型均表现出一致的规律,即输入峰值加速度越大垫层模型整体表现出的减隔震效果越好。通过对3种不同铺设形式土工袋垫层模型沿高度方向的加速度响应情况进行对比,发现交错式土工袋垫层对振动波的衰减作用最显著;通过进一步开展在垫层周围设置支挡结构工况的模型试验,发现在设置支挡结构不仅可以有效提高垫层整体的减隔震效果,还能有效防止周围土体流入到袋间缝隙中;土工袋袋间缝隙可以对振动波的传递起到一定的阻隔作用,通过在土工袋袋间设置缝隙的方式能够进一步提高土工袋垫层整体的减隔震作用。
工程安全与灾害防治
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  基于DCGAN的水下结构物表面缺陷图像生成

  程风雯, 甘进, 李星, 吴卫国

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 155-161. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220421

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  为提升水下结构物表面缺陷图像数据集的质量和规模,促进深度学习相关方法在水下检测领域中的应用,开展数据增强方法研究,提出一种基于深度卷积生成对抗网络(DCGAN)的水下结构物表面缺陷图像生成方法。首先,设计了一种水下结构物表面缺陷图像采集装置,通过改变拍摄距离和补充光照强度,探究出一种保证水下图像质量的采集方式;其次,通过改进损失函数优化DCGAN,建立水下结构物表面裂缝图像生成模型,实现了水下结构物表面缺陷图像的生成;最后,利用YOLOv5检测网络验证生成图像的有效性。结果表明:生成的水下结构物表面裂缝图像平均峰值信噪比为25.142 6 dB,平均结构相似性为0.716 8,将生成图像和真实图像共同输入检测模型可有效提高检测精度。研究成果为大坝和引水隧洞等水工结构物的健康检测提供技术支撑。
水工结构与材料
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  基于交叉全局人工蜂群算法的拱坝热学参数反演分析

  茆大炜, 张傲, 王峰, 周宜红, 谭天龙

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 162-169. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220456

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  拱坝施工期温度受到气温、冷却通水、表面保温等因素影响,热学参数实际值与室内试验测值之间存在较大误差。通过分布式光纤测温技术获取的温度数据和人工蜂群智能优化算法对混凝土热学参数进行识别,实时获取混凝土热学参数变化规律。对于在寻找函数最优值时传统的人工蜂群算法存在求解速度慢、容易陷入局部最优等问题,通过引入全局最优解,并与遗传算法中的交叉操作相结合建立了引入交叉算子的全局人工蜂群优化算法。考虑冷却水管多档通水和外界气温等因素,将改进的全局人工蜂群算法应用于白鹤滩拱坝热学参数反演,分析结果表明基于改进全局人工蜂群算法反演计算的混凝土温度与实测值吻合较好,改进全局人工蜂群算法在拱坝热学参数反演中具有较好的适应性。
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  PVA纤维-纳米SiO₂对混凝土抗疲劳性能的影响及机理分析

  孔政宇, 逯静洲, 王建伟, 王维良, 韩文宇, 肖瑛

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 170-175. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220356

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  为研究PVA纤维和纳米SiO₂的掺入对混凝土抗疲劳性能的影响,设计了单掺PVA纤维(P组)、单掺纳米SiO₂(S组)和混掺PVA纤维与纳米SiO₂(SP组)3组试件,对其展开疲劳后的单轴压缩试验,以经历疲劳荷载后混凝土试件的相对动弹性模量和抗压强度,作为分析评价不同掺料方式对混凝土疲劳性能影响的评价指标,并利用SEM电镜扫描试验研究了掺合料的微观作用机理。结果表明:3组混凝土较普通混凝土在抗疲劳性能上都有明显的提升,S组在提高混凝土强度方面表现最为明显;而SP组能够更有效地抑制混凝土内部劣化损伤的发展。从作用机理上来讲,PVA纤维是通过提高混凝土各单元间的抗拉能力,有效降低了混凝土在疲劳荷载作用下的损伤破坏,相当于延长了混凝土的破坏过程;而纳米SiO₂则是通过参与反应生成C-S-H(水化硅酸钙)凝胶填充混凝土薄弱区,提高了混凝土的抗压强度,相当于提高了混凝土在疲劳荷载作用下的破坏起点。研究成果对混凝土结构抗疲劳设计有参考价值。
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  α-半水石膏对掺铁尾砂水泥砂浆综合性能的影响

  皇甫婧琪, 何强

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 176-180. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220322

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  为了提高铁尾砂改性水泥砂浆的性能,将一定比例的α-半水石膏掺入砂浆中制备试件。开展试验分析了α-半水石膏与铁尾砂掺量对砂浆流动性、干燥收缩率、力学性能和与耐久性等技术指标的影响规律,并采用矿物成分与微观图像结果探讨了水化机理。结果表明:在α-半水石膏掺入砂浆后, 坍落度指标得到了大幅提升,干燥收缩率明显降低;当取代率为15%时,α-半水石膏改性砂浆的抗压、抗折强度和耐久性指标达到最优;利用α-半水石膏的化学活性能够促进水泥的二次水化作用,同时增加了砂浆致密程度,使得水泥砂浆各项指标得以提升。研究成果可为环保、低碳与高性能水泥砂浆的研制提供参考依据。
水利信息化
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  基于Sentinel2-L1C的江汉平原水产养殖区水质参数反演

  邹志科, 余蕾, 张煜, 王文娟, 赵永立, 孙建东, 程青雷

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 181-187. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220515

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  遥感技术已成为监测内陆水域水质的一种有效手段,为研究江汉平原水产养殖区域内水体总磷、总氮和化学需氧量浓度的变化规律,基于Sentinel2-L1C遥感数据建立水体透明度、悬浮物浓度、叶绿素a浓度3种光学活性物质浓度的反演模型,结合推算出的水体透明度、悬浮物浓度和叶绿素a浓度与拟合点水体实测总磷、总氮和化学需氧量浓度分别建立关联,构建江汉平原拟合点水体总磷、总氮和化学需氧量浓度3种非光学活性物质浓度的间接反演模型并进行模型的率定验证。结果表明:水体透明度与水体总磷浓度具有较好相关性,水体透明度越高,水质越好,水体总磷浓度越低;水体悬浮物浓度与水体总氮浓度具有较高相关性,水体悬浮物浓度越高,水质越差,对应水体总氮浓度越高;水体叶绿素a浓度越高,对应水体化学需氧量浓度越高。构建水体总磷浓度、总氮浓度和化学需氧量浓度的间接反演模型,确定性系数均>0.6,并对江汉平原监测点水体的总磷、总氮和化学需氧量浓度进行了模拟和分析,结论与水产养殖区内饲料投喂主要时期的影响规律基本保持一致。研究结果对于探测江汉平原水产养殖区大尺度范围水质参数的时空演变具有一定的实用价值。
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  基于机载LiDAR及无人机影像的高位危岩体调查和成因分析

  夏雄彬, 谯立家, 许万忠

  长江科学院院报. 2023, 40(9): 188-194. https://doi.org/10.11988/ckyyb.20220394

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  在水利水电工程中,危岩体常发育在高陡边坡的危险隐蔽地带,传统勘察测量方法存在精度低、勘察难度高等缺点,快速、便捷地识别高陡边坡危岩体具有重要的工程意义。以黄登水电站重要建筑物边坡开口线外危岩体隐患排查结果为研究基础,利用无人机倾斜摄影构建1∶500的三维实景模型,结合机载激光雷达(LiDAR)遥感测量技术获取研究区内高精度的LiDAR点云数据及光学影像数据等成果,搭载三维可视化遥感解译平台,建立危岩体解译标志,获取危岩体的结构面产状特征并开展野外详细调查及解译成果复核工作,复核工作证明前期遥感测量技术准确率强,解译成果可信度高。同时根据地理空间数据分析方法研究危岩体的发育分布规律及成因机制,得出研究区内危岩体主要发育在1 609～1 963 m高程,多数危岩体所在的边坡坡度为40°～70°,危岩体发育以正南向为主,并且河流水系与人类工程活动对危岩灾害的发生也具有一定影响。研究结果对水电库区高位危岩体的隐患识别及成因分析有重要参考价值。