墙背土压力分布及大小是装配式挡土墙设计的关键依据。设计并开展新型装配式混凝土挡土墙现场试验,研究挡土墙在加载条件下的位移模式和土压力分布规律。以现场试验为原型,建立无黏性填土、墙背倾斜且粗糙的挡土墙理论计算模型,同时考虑挡土墙位移模式与大小、土拱效应和土层间剪应力的影响,采用水平层分析法推导了绕墙底转动(RB)模式下挡土墙的土压力计算公式。结果表明:①该装配式挡土墙整体性能良好,绕墙底刚性转动。在RB模式下,墙顶处土体最先达到主动极限状态,土体从上至下逐渐达到极限状态;任意深度处的土体位移Sc达到7 mm时将达到极限状态,即Sc=0.16%H(H为墙高)。②本文理论解与试验值吻合较好,计算公式可用于求解挡土墙绕墙底转动过程中的土压力分布及大小。③随着挡土墙转动幅度的增大,土压力分布曲线凹向逐渐明显,土压力合力作用点高度呈现先降低后回升的现象;挡土墙转动角度η=0.007 rad为挡土墙达到主动状态的临界值。
生态补偿是改善、维护和恢复生态系统服务功能的一种经济手段,也是落实科学发展观、促进区域协调发展的重要举措。近年来,湖北省在建立横向生态补偿机制方面探索颇多、特点突出。在首次全面梳理湖北省流域生态补偿制度建设与实践的基础上,对补偿机制的探索历程、实践案例与效益进行研究,分析湖北省在流域生态补偿机制建设中存在的问题,并从加快开展跨省际流域生态补偿实践、建立完善南水北调水源地生态补偿机制、优化管理协调机制、健全资金保障体系、探索科学考核评估标准等方面提出针对性政策建议。
冲积性弯曲河道独特的几何边界特征,使得弯曲河道的水沙运动特性和河床演变特性与其他类型河道显著不同。为模拟自然条件下的冲积性弯曲河道河床冲淤演变特性,采用自然模型法的理念在试验水槽中塑造出近似的弯曲河道,探究不同水沙条件对弯曲河道形成和发育过程的影响。试验表明:进口水沙循环周期长、来水来沙强度较小时,弯曲河道达到动态平衡状态所需的时间相对较短,河道形成稳定河宽也较小。弯曲河道在形成和发育过程中,河道的形态要素主要由水沙作用条件决定,在一定变化范围内,当水沙作用循环变换周期较短、来流流量较小、含沙量较大时,有利于形成弯曲度较大的河道;而当来流量较大、水位漫滩冲刷浅滩时,所塑造的弯曲河道会偏向于宽浅形断面形态。在河道弯曲程度和河道横断面形态的调整中,水沙作用变化对横断面形态塑造的作用相对较强。
随着长江航道建设的快速发展,维护管理好在役的航道整治建筑物成为一项重要工作。目前国内针对长江中常见的航道整治建筑物——护滩服役状态的相关研究较少。基于考虑指标模糊性的可拓云理论,建立护滩服役状态评价模型。依据监测信息、护滩历年维护经验和相关规范,构建了评价指标体系,并结合序关系法和熵权法,综合确定指标权重,经模型计算可以得到护滩所隶属的服役状态等级。将该模型应用于长江中游新九水道护滩服役状态评估,评价结果与工程实际情况吻合。验证表明,本文所建立的护滩服役状态评价模型可以正确识别护滩服役状态,指导护滩日常维护工作,推进长江航道养护智能化。
入、出湖总磷负荷变化是影响鄱阳湖富营养化状态的关键性要素。基于2009—2018年水质水量监测资料,计算环鄱阳湖区的入、出湖总磷负荷,并采用算术平均法和加权平均法分别计算总磷年平均浓度,探明其时空变化规律;运用双累积曲线法、回归分析法,分析入湖水量和入湖总磷浓度与入湖总磷负荷之间的相关关系,揭示污染负荷的主要控制因素。结果表明:①加权平均法比算术平均法更能反映环鄱阳湖区入、出湖水量、水质时空差异性,入湖总磷多年平均浓度高低排序依次为饶河区(0.123 mg/L)>信江区(0.091 mg/L)>抚河区(0.069 mg/L)>赣江区(0.063 mg/L)>修水区(0.045 mg/L)。②环鄱阳湖区各水资源分区入湖总磷负荷多年平均值为98 514 t,低于湖口出湖总磷负荷年均值108 442 t,这主要是由于鄱阳湖滨湖区输入、湖体内源释放以及干湿沉降等均未进行计算。③赣江区和饶河区入湖总磷年负荷多年平均值分别为45 208 t和19 320 t,占五河(赣江、抚河、信江、饶河、修水)总入湖负荷的比重位居前二,其中赣江区的占比达46%。④各水资源分区月入湖总磷负荷与入湖水量存在显著的相关关系,说明各分区入湖总磷负荷在很大程度上受水量控制。
建立了一种识别山区铁路工程水土流失关键要素的模型。首先确定易引发水土流失的铁路重点专业,分析“铁路工程-水土流失”的交互影响关系,识别“铁路工程-水土流失”要素,并构建其指标体系。然后基于复杂网络模型,结合熵权法、层次分析法(IGAHP)法、DWNodeRank算法构建一种多层网络关键要素识别模型。最后以山区某铁路工程为例,该山区铁路工程关键要素有弃渣处置、路基边坡防护、路基截排水沟布设等,水土保持性能关键要素有大型临时土地扰动、渣土弃置等,水土流失关键要素有水文、地表植被、流失物质。在山区铁路工程水土流失控制时需重点针对以上关键要素进行水土保持措施和工程结构的设计,以期有效地控制区域水土流失,改善和恢复破坏的生态环境。
湿地生态系统是碳密度最大的生态系统之一,摸清湿地植被生物量及其动态变化对于实现“双碳”目标具有重要意义。基于Landsat遥感影像对鄱阳湖湿地2000—2020年间春秋季的植被地上生物量进行了反演和估算,分析了植被生物量随时间的变化趋势以及空间热点区域。结果表明:①近20年间鄱阳湖湿地春季和秋季植被地上生物量分别为0.85×109~4.20×109 g和0.68×109~6.69×109 g,春季植被地上生物量随时间变化不明显,秋季植被地上生物量随时间呈上升趋势。②鄱阳湖湿地春季植被地上生物量分布热点区域面积为754.15 km2,秋季为1 085.49 km2,分别占鄱阳湖湿地总面积的21.58%和30.66%。③鄱阳湖湿地春季和秋季植被地上生物量与月均温度呈显著正相关关系。鄱阳湖湿地植被碳汇功能较强,且呈平稳甚至上升趋势,有利于碳中和目标的实现。
为解决我国北方土石山区薄土坡耕地水土流失问题,通过布设标准径流小区来研究石坎反坡阶措施的水土保持综合效果。结果表明:石坎反坡阶措施对于坡耕地水土流失调控效果显著,该措施相较于等高耕作措施,坡面径流削减率和泥沙削减率分别达到68.57%和94.29%;石坎反坡阶措施在提高坡面土壤水分含量、提高坡面水分分布均匀度方面能够发挥出良好的作用,该措施相较于等高耕作措施,坡面总体土壤水分含量提高了7.78%;石坎反坡阶措施能够显著提高坡耕地的农作物产量,相较于常规等高耕作措施,玉米产量提高了12.69%。石坎反坡阶的设计及作用效果研究,丰富了我国北方土石山区薄土坡耕地的水土流失治理途径。
气候变暖背景下,极端干旱、极端湿润事件频发对作物生长带来极大威胁,研究极端干湿事件(干旱/湿润)对农业生产的影响对于地区粮食安全和水资源管理有重要意义。以湖北省水稻种植区为研究区,利用归一化植被指数(NDVI)刻画水稻生长状况,基于1990—2020年32个气象站的气象资料和标准化降水蒸散发指数(SPEI),分析极端干湿事件时空变化规律,基于2000—2020年NDVI分析水稻长势变化及其对极端干湿事件的响应。结果表明: 1990—1999年极端干旱事件7次,2000—2009年4次,2010—2020年后2次,频次有所减少;极端湿润事件1990—1999年5次,2000—2009年2次,2010—2020年5次,频次无明显变化但面积有所增加;重要生长期(6—8月份)总NDVI呈现出显著增加趋势(p=0.012),增速为0.007 8/a,生长情况变化呈良好态势;整体上极端干旱、极端湿润事件对水稻长势都有负效应,NDVI与SPEI相关系数最高分别达0.418、-0.358。为应对极端干湿事件,相关部门应加强水稻重要生长期内的气象监测,提高抗旱涝能力,确保农业高产稳产。
为揭示不同水文年型下水肥调控对水稻生长及需水规律的影响,于2020—2022年在江西省灌溉试验中心站开展田间小区水肥调控试验。结果表明:①不同水文年型下间歇灌溉下的稻田灌水量、排水量、渗漏量、蒸散发量总体小于淹水灌溉,平均分别减少20.82%、3.93%、16.68%、6.77%;分蘖后期和拔节孕穗期蒸散发较大,占全生育期蒸散发的40.2%。②不同水文年型下水稻株高、分蘖数、叶面积指数(LAI)、干物质累积动态变化规律一致,施肥处理均大于不施肥处理,且施肥水平对产量有显著影响。③干旱年间歇灌溉下的水稻产量小于淹水灌溉,且水稻株高、分蘖数、LAI、干物质累积、水稻产量和蒸散发均受到了抑制。④干旱年平均灌水量大于丰水年和平水年,平均排水量、渗漏量、株高都小于丰水年和平水年,平均蒸散发量表现为2020年>2022年>2021年,平均分蘖数、叶面积指数、干物质累积、产量表现为2021年>2022年>2020年。
为研究静水环境下幼鱼摆尾-滑行时的推、阻力形成过程和鱼体周身流体作用机理,以草鱼幼鱼(Ctenopharyngodon idella)为研究对象,利用粒子图像测速技术(PIV)测量了草鱼幼鱼周身流场,计算了草鱼幼鱼周身由流体正压和流体负压产生的作用力,比较了草鱼幼鱼头、中、尾部产生的推、阻力占比和游泳效率。结果表明:摆尾阶段的幼鱼推力主要来源于流体负压;滑行阶段的幼鱼则主要依靠鱼体周身流体正压形成的推力推动自身前进。整个摆尾-滑行周期内,草鱼幼鱼尾部流体形成的推力占总推力的48.81%,是推力的主要产生部位,且尾部的平均游泳效率(77.28%±16.87%)要明显高于头部和中部;草鱼幼鱼中部集中的阻力最多,占总阻力的67.82%,是幼鱼的主要阻力形成部位。
针对颗粒在动水中的流体作用力问题,采用高速摄像技术对颗粒的运动过程进行观测,通过求解圆球及天然泥沙跃移运动过程中的力学方程,得到拖曳力系数及上举力系数。试验结果表明:①动水中颗粒非匀速运动时的拖曳力系数、静水中颗粒非匀速运动时的拖曳力系数与匀速运动时的拖曳力系数均随着雷诺数的增加而减小,颗粒与水流之间的相对运动速度越接近于颗粒沉速,三者间的差异越小;当颗粒与水流之间的相对运动速度等于颗粒沉速时,三者近似相等。②形状对上举力系数的影响较对拖曳力系数的影响更明显,天然泥沙的拖曳力系数大于圆球的拖曳力系数,天然泥沙的上举力系数小于圆球的上举力系数。最后,构建了圆球及天然泥沙的拖曳力系数及上举力系数公式,公式计算值与实测值符合较好。
为了解干湿循环作用下压实黄土裂隙演化规律,通过自制装置开展考虑不同干密度和干湿循环路径的干湿循环裂隙试验,获取土样表面裂隙发育图像。采用PCAS软件对土样裂隙进行定量化分析,获得裂隙形态特征参数,并结合数字图像相关(DIC)法获得土样应变场。结果表明:①压实黄土裂隙发育随干湿循环次数的增长可划分为裂隙缓慢发展、快速增长和裂隙缓滞发展3个阶段;②裂隙发育程度受干密度、干湿循环路径共同影响,干密度越大,裂隙越难发育,干湿循环幅度越大、下限含水量越低,裂隙发育越充分;③裂隙中心线部位第一主应变随距起裂点距离的增大呈线性减小趋势,裂隙尖端、裂隙临近区块土体所受挤压作用随远离裂隙程度增大而减弱。研究成果可为压实黄土裂隙演化特征分析提供参考。
粗粒料的剪胀性是其强度和变形研究的重要问题之一,它取决于颗粒排列、粒间压力等细微观作用;在宏观层面,受相对密度与应力状态的影响。围绕复杂应力条件下粗粒料的剪胀问题,从粗粒料力学特性的试验研究、粗粒料的剪胀性强度准则以及临界状态与剪胀性方面,对国内外的研究进展进行了系统论述。在此基础上,提出该领域呈现如下发展态势:①通过大型真三轴试验开展粗粒料剪胀率的试验研究与理论分析,能够促进粗粒料本构理论的发展进步;②结合应力路径试验中的应力变形规律研究,可实现从常规三轴条件下向复杂应力条件下的剪胀方程的进一步发展,从而体现强度与变形问题的统一;③采用状态参量去评价土体的松密状态与剪胀性,能够耦合应力状态与孔隙比,尽量避免“一种材料,多组参数”。研究结果表明状态参量和应力路径相结合的方法,使得粗粒料的力学特性研究更加具有科学性和系统性。
高压压水试验过程中岩体易发生水力劈裂产生裂隙,岩体内部孔隙、裂隙双重导水,渗流场和应力场相互作用,导致岩体渗透参数的时空变异性。基于高压压水试验反演渗透参数需考虑双重介质渗流-应力耦合作用下产生裂隙前后渗透系数的变化规律,利用渗流-应力耦合数值模型结合工程现场高压压水试验数据进行参数反演,计算得到不同压力阶段下灰岩岩体渗透率。主要结论如下:发生水力劈裂前,随着注液压力的增大,渗透率及孔隙水压力在不同压力阶段之间分界明显,渗透率反演值与规程公式计算值相近;发生水力劈裂后,岩体渗透率增大约2倍,孔隙介质渗透率和通过的流量出现陡减现象。
根系形态显著影响根土复合体强度,然而现有研究局限于草本根系根土复合体和室内常规直剪试验。为探究多年生灌木根系形态及空间分布对固土效果的影响,采用大型直剪试验装置(直径400 mm),对原状根土复合体进行了剪切试验。试验中测量了根系形态参数(根面积比RAR、根长密度、根体积密度和根表面积密度)、根土复合体抗剪强度和剪胀特性,探讨了根系沿深度的分布特征、根土复合体剪胀性以及根系形态参数与根土复合体抗剪强度的相关关系。结果表明,根系加剧了根土复合体的剪胀;在4个根系形态参数中,剪切带上的RAR和根表面积密度与根系对剪切强度的贡献之间相关性较好;Wu模型能反映根系固土的本质,却存在强度被高估或低估的问题。研究成果有助于推动植物根系在固土领域的应用。
研究非饱和土的水力特性对分析工程建设活动中黄土的渗流和变形问题具有重要意义。以西安市南郊黄土为研究对象,采用滤纸法和饱和盐溶液法测得3种干密度下的黄土增减湿土-水特征曲线,并通过Childs & Collis-George模型预测试验黄土的非饱和渗透系数,探究干密度和增减湿对非饱和渗透特性的影响。结果表明:经历增减湿的土样的非饱和渗透系数曲线应结合土样的含水状态和对应的土-水特征曲线来预测;土体非饱和渗透系数随体积含水率的增大而增大,随基质吸力的增大而减小,在0~5 MPa范围快速衰减4~5个数量级;受瓶颈效应和减湿收缩的影响,土体增湿阶段渗透系数变化幅度小于减湿阶段的变化幅度;渗透系数随干密度增大而减小,干密度从1.719 g/cm3增大到1.834 g/cm3,渗透系数减小2个数量级;压实黄土在增减湿阶段的非饱和渗透系数最大可相差3~4倍。
城市深基坑工程施工不可避免会引起周围地层变形尤其是坑外地表沉降,而过大的地表沉降会对周围建(构)筑物造成严重威胁,因此有必要开展基坑地表沉降方面的研究。针对目前在基坑地表沉降变形表征函数和表征指标方面研究的不足,利用偏态分布函数描述坑外地表沉降规律,并对沉降曲线的变形表征指标进行研究,形成一套适用于地表偏态沉降形式的变形表征指标体系,继而提出坑外地表沉降的偏态分布函数预测方法。在此基础上,依托2个工程实例,验证偏态分布函数及其指标体系和预测公式的适用性,主要得到了以下结论:利用偏态分布函数来描述坑外地表沉降曲线更为合理;结合沉降曲线包络面积、最大地表沉降及其位置等指标,提出以显性表征指标和隐性表征指标为核心的坑外地表沉降曲线表征指标体系;利用偏态分布函数展开回归分析和预测研究,发现地表沉降曲线与实测数据总体上较为接近,说明偏态分布函数在基坑地表沉降研究中的合理性和适用性。
为了完善水泥固化土抗冲刷性能方面的研究,使水泥固化土在水下结构防护中得到应用,在砂土和黏土中分别掺入水泥和与液体固化剂,采用土体冲刷函数测定仪(EFA)对水泥固化土开展了抗冲刷性能试验。在分析砂土和黏土的固化作用机理基础上,研究了固化剂和固化时间对水泥固化土抗冲刷性能的影响。研究结果表明:水泥固化土的强度随固化时间的增长而增大,黏土的强度快速增长阶段要早于砂土;固化剂可以有效提高土体的起动切应力,同时可以大幅减小土体的冲刷速率,明显提高了土体的抗冲刷强度;起动切应力的增长速率随固化时间增长逐渐减缓,存在临界最大值。根据起动切应力的变化特征提出了水泥固化土起动切应力预测模型,经试验数据对比,该模型可以较好地预测水泥固化土的起动切应力随固化时间的变化规律。
我国西南地区某重力坝工程的左岸非溢流坝段采用独特的方形基座设计,考虑到该地区面临较高强震风险,评估底部基座对重力坝强震破坏模式和极限承载能力的影响十分必要。采用声学单元模拟库水,以弹塑性损伤模型模拟混凝土非线性特征,构建声固耦合-损伤模拟方法,并以Koyna重力坝为算例验证其可行性。随后以带基座坝段和常规坝段为对象,研究基座对重力坝强震破坏过程的影响。结果显示,带基座坝段与常规坝段均在上游折坡、坝踵、下游坝面区域出现破坏。底部基座对重力坝破坏过程的影响有:带基座坝段出现新的破坏区;底部基座有效减弱了坝踵破坏区的深度和面积;带基座坝段在下游坝面的破坏区出现2个发展方向。在抗震极限承载能力方面,常规坝段破坏区贯通对应地震动峰值加速度为0.50g~0.55g,带基座坝段提升至0.55g~0.60g,故底部基座设计提升了非溢流坝段的极限抗震承载能力。
河流仿真技术是流域数字孪生的重要组成部分,当前实现物理河流向虚拟流域保真建模还有不足。以实测地形、遥感影像与水文数据为基础,基于水文模型计算的沿程水面线,通过UE5与Fluid Flux插件渲染,重构、编译蓝图、训练数据资产,克服坐标系统差异,完成从二维水动力计算到三维模型的转换,最终实现与虎渡河真实场景有较高相似度的仿真效果。校验结果表明模型误差较小,可以反映真实情况。构建的仿真模型能展现不同时期的水流状态、水位与堤防相对高差、人工爆破分洪、水下情景等,通过参数调整,能进行不同预演方案之间的比较,为防洪决策提供可视化支撑。
鄱阳湖水体面积受气候变化的影响呈现季节性变化,为了更好地探究其变化规律,提出了一种结合多时相雷达影像和光学数据的水体信息提取方法。以Sentinel-1A雷达影像和Sentinel-2光学影像为研究数据,首先对遥感影像集进行一系列数据预处理,利用Sentinel-1双极化水体指数(SDWI)和改进的归一化差异水体指数(MNDWI)分别提取出雷达影像和光学数据中湖区边界,并根据湖区范围计算出水体面积,从精度、时序和变化检测3个方面评价水体提取结果的准确性,对比分析湖区面积变化趋势,为鄱阳湖管理与保护提供科学的灾害预警。结果表明:①利用雷达影像和光学遥感数据提取鄱阳湖的水体结果基本一致,在提取农田、细小水体及有云区域时,雷达影像提取效果优于光学影像提取效果,说明借助雷达影像提取完整水体信息更具优势。②鄱阳湖平水期、丰水期和枯水期水体面积的均值分别为3 686.49、4 077.73、2 612.81 km2,其中丰水期水量是枯水期水量的1.56倍。③雷达影像时序水体提取结果与星子站、都昌站、湖口站和康山站共4个水文站水位数据变化趋势具有较高的一致性,Pearson相关系数分别为0.89、0.87、0.90、0.81。
围绕数字孪生水利工程建设过程中的新一代信息技术应用深度不够、水利专业模型存在业务缺项等问题和差距,结合数字孪生江垭皂市工程建设实际需求,深入开展数据底板、智能模拟计算模型等关键技术研究与应用。首先,开展了卫星遥感、无人机倾斜摄影测量等技术支撑下的空天地立体监测体系在高精度数据底板构建中的应用研究。然后,基于数字模拟技术和传统水利专业的深度融合,深入开展洪水演进、工程安全等数字水利专业模型的研究,并结合物理工程的同步直观表达进行高保真虚拟建模。最后,通过江垭皂市工程实例对关键技术进行应用分析。研究结果表明构建的数字孪生水利模型与平台能够数字赋能江垭皂市水利工程智慧化管理。
在全球气候变化的背景下,长江流域发生了多次严重的高温干旱灾害,流域抗旱管理面临着旱情监测告警效率较低、旱灾预报预警精度不高、抗旱预案推演能力不足等瓶颈,迫切需要开展数字化转型。从长江流域抗旱减灾业务管理和“四预”应用需求出发,基于智慧水利和数字孪生建设的总体要求,综合运用WebGL、GIS等技术,建立了干旱防御数字孪生平台,研发了遥感干旱监测评估、干旱专业模型动态加载、旱警水位超限预警、抗旱预案可视化等关键技术,初步实现了“预报-预警-预演-预案”全链条贯通业务应用,切实提升了长江流域抗旱管理智能化、精细化水平,为流域干旱防灾减灾提供了技术支撑。
针对现有可视化方法难以直观动态呈现三维水质的推演过程的普遍性问题,研究了三维水质模型计算结果与数字孪生场景的集成模式,提出了面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法,实现了三维水质推演过程的直观、准确、流畅、动态呈现。以南水北调中线工程丹江口水库2021年秋汛总磷浓度分布推演为例,采用三维水质模型开展复演分析,将分析结果在数字孪生场景中集成,模拟有机污染物的转移和扩散过程。应用结果表明该方法相较于传统二维平面展示方法具有效果更加直观、信息承载更加丰富的优势,可以在数字孪生场景中动态呈现分层水质指标的推演过程。
数字孪生技术正在水利行业快速应用发展。对水利数字孪生建设中水动力学模型的支撑作用进行了梳理分析,提出了水利数字孪生对水动力学模型的需求及解决方法。介绍了水利数字孪生中典型一维无压/有压水动力学模型模拟能力提升关键技术和大范围高精度二维水动力学模型计算效率提升关键技术。详细介绍了发展前沿中的坝堤溃决过程、暴雨山洪等特殊水动力学模型的数值挑战、关键技术、应用场景等方面内容。最后,从水动力学模型维度和功能、预测结果评估与实时校正技术、机理模型和数据驱动模型融合、虚拟计算与物理实体互馈模型等方面对水动力学模型发展方向进行了展望。研究成果可更好地支撑智慧水利建设。
