长江源作为青藏高原辫状河群分布区,以宽浅多汊道、沙洲冲淤与切割频繁为主要特征。而且,长江源受冰川消融与冻土退化驱动,水沙通量显著增加,加剧了辫状河道的横向不稳定性,对区域生态健康和交通能源基础设施构成潜在威胁。系统梳理和总结了长江源辫状河流的时空多尺度形态动力学研究进展,基于空间尺度重构“全域-区段-单元”三级形态表征体系,整合遥感影像、数值模拟与野外观测等研究手段,揭示了气候变化驱动的差异化响应模式,阐明了高寒环境下水沙动力与形态演变的非线性影响机制。当前长江源辫状河流研究仍面临不规则平面形态的定量表征困难、时空多尺度形态对水文过程的响应机理不明、气候变化下水沙通量短期激增与远期趋势不定等挑战。通过系统梳理研究进展与关键挑战,凝练未来研究方向,为长江源辫状河流形态动力学的深入研究和高原河流生态保护提供了科学指引。
通过三峡水库调度方式优化减少坝下游河道冲刷是一项非常有益的研究工作。在实测资料统计分析基础上,通过数学模型计算,对有利于减少坝下游河道冲刷的三峡水库调度方式进行了初步研究,提出了“以减冲为目标进行调沙,以调沙为目标进行调水,以调水为手段实现调沙”的泥沙调度思想,研究结果表明:长江中下游各河段代表性水文站输沙量均与流量有着较好的幂指数关系,建库后不同时期枝城、沙市、监利站水流输沙能力显著降低,枯水期小流量对应输沙量减小程度大于大流量。2008年以来,螺山、汉口、九江站大流量与小流量下输沙量的差距减小;汛期采用不同中小洪水调度方式时,对坝下游河道的冲刷有一定的影响,控泄流量相对较大时,可一定程度上减少河道的冲刷,预测了优化调度条件下坝下游河道冲刷长期演变趋势。研究成果可为三峡水库优化调度提供参考。
入海河口水体密度受盐水和淡水共同影响,形成不同水域密度梯度,进而产生斜压作用,对河口水沙结构存在明显影响。为探究密度梯度产生的斜压作用对长江口北槽水沙结构影响,构建了三维水沙盐耦合数学模型,研究了长江口北槽不同水层流速和含沙量对斜压作用的响应。研究结果表明,北槽水体密度斜压作用主要由盐度引起,斜压会增大底层涨潮流速,中下段水域尤为显著,对表层涨潮流速影响相对较小,对不同水层的落潮流速均呈现出减弱作用;斜压对航槽和两侧边滩水体的流速影响趋势一致,但航槽内水体流速影响更为明显。斜压作用会明显减小底层落潮平均含沙量,增大底层涨潮平均含沙量,使涨潮平均含沙量垂向梯度增大,落潮减小。
梅雨和华西秋雨是长江流域重要的气象特征,与洪水的季节性变化规律及汛期划分密切相关。采用丹江口水库1961—2023年的日入库流量系列,通过数理统计方法(均值变点、矢量统计等)初步确定丹江口水库的汛期分期时间。长江中下游梅雨在湖北省域最晚结束日期为8月8日,出梅后汉江中下游的防洪压力减轻,丹江口水库可逐步释放预留的防洪库容;华西秋雨8月下旬从四川开始逐步东移至秦岭山脉,具有显著的时序和周期性特征。综合分析考虑各种汛期分期结果的合理性,最终确定丹江口水库流域夏汛期为6月21日—8月10日,过渡期为8月11日—8月31日,秋汛期为9月1日—10月10日。依据气象部门预报的出梅日期和华西秋雨信息,可逐步将夏汛期的汛限水位抬高至秋汛期的汛限水位,把握提前蓄水时机,提高水资源利用效率和水库蓄满率。研究成果可为丹江口水库运行调度决策提供理论依据。
针对复杂洪水地区组成下三峡与清江梯级水库协同防洪问题,选取三峡与清江流域的不同洪水地区组成作为调度模型输入,以上游防洪安全和下游防洪安全为目标,建立了三峡和清江梯级水库群多目标联合防洪优化调度模型,并采用NSGA-II算法进行求解。研究结果表明:1969年、1981年、1998年典型年设计洪水调度结果显示,相较三峡大洪水和清江大洪水情景,流域性大洪水情景下清江防洪库容投入时机更早;与实际调度方案相比,2020典型年的协调调度方案中,三峡调洪高水位降低了5.0 m,超额洪量减少了56.2亿m3,枝城、城陵矶的洪峰流量分别提高了2 603、1 035 m3/s,三峡水库末水位降低了4.2 m,协同调度的防洪效益显著。
大量基坑工程实践及研究表明,非对称开挖基坑的深挖侧支护结构弯矩与水平位移明显大于浅挖侧,与对称开挖基坑两侧支护结构均向坑内变形的情况显著不同。采用现行规范的支撑不动点调整系数法进行计算时,存在不动点调整系数λ取值范围大和难以进行量化等不足;且当非对称开挖显著导致内支撑上不存在位移不动点时,不动点调整系数法计算结果与实际相差较大。采用支护结构土压力-水平位移双曲线模型,考虑基坑开挖与支撑施工过程,建立基坑支护结构受力与变形的增量迭代法计算流程。基于该计算流程,根据内支撑支护结构支撑左右端点处的受力平衡条件和变形协调关系,提出了非对称开挖基坑内支撑支护结构受力与变形的计算方法,并在MATLAB平台上实现了其数值化求解,克服了现行规范计算方法中不动点调整系数λ无法量化的难题。工程实例计算结果表明:本文计算方法得到的深挖侧支护结构的最大水平位移为23.15 mm,实测值为25.83 mm,两者相差10.4%;浅挖侧支护结构的最大水平位移计算值为8.75 mm,实测值为8.99 mm,两者相差仅2.67%;采用传统弹性支点法计算深挖侧支护结构的最大水平位移仅为12.93 mm,与实测值相差接近50%。采用传统弹性支点法易高估深挖侧的支撑刚度、低估深挖侧的水平位移,本文计算方法得到的深挖侧、浅挖侧地下连续墙的水平位移曲线与工程实测曲线分布规律及数值大小基本一致,可供类似基坑设计计算参考。
为研究钢塑型土工格栅-黄土界面摩擦特性,利用自主研发的土工合成材料拉伸拉拔试验系统,在不同法向应力、拉拔速率、含水率下开展一系列钢塑型土工格栅-重塑黄土室内拉拔试验。试验结果表明:筋材的拉拔力峰值随着法向应力增大而增大,随含水率的增大而减小,最大值为18.143 kN;最大剪应力随含水率增大而减小,随法向应力增大而增大;界面黏聚力在最佳含水率时,最大为11.043 kPa;似摩擦系数随含水率增大而减小,随法向应力增大而减小,在法向应力为105 kPa时,似摩擦系数约为规范建议值的1/3~1/2。拉拔特性试验表明,在进行工程设计时,应充分考虑含水率、上覆荷载等工程应用条件。研究结果可为黄土高边坡结构设计提供参考。
为实现红砂岩渣土在工程中低碳循环利用的目标,提出了采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术制备轻质红砂岩固化土的方法,开展了对轻质红砂岩固化土固化机理的研究,分析了发泡聚苯乙烯(EPS)质量掺量和胶结液浓度对轻质红砂岩固化土强度的影响,并在此基础上探究了轻质红砂岩固化土压缩破坏特征,从强度分析与破坏特征两方面验证了轻质红砂岩固化土的胶结机理。研究结果表明:轻质红砂岩固化土中的CaCO3晶体在EPS颗粒上沉积较少,在土颗粒间形成的大范围胶结起到支撑轻质红砂岩固化土强度的主要作用;当EPS颗粒质量掺量为0.375%、胶结液浓度为1.5 mol/L时,轻质红砂岩固化土重度为14.3 kN/m3,抗压强度达到0.76 MPa,满足泡沫轻质土工程规范;EPS质量掺量的增加使轻质红砂岩固化土破坏特征从剪切破坏转化为鼓胀破坏。
三峡电站是世界上唯一采用3种蜗壳埋设方式的巨型电站,不同蜗壳埋设方式机组的运行状况及差异备受关注。结合真机性能试验监测资料,选择右岸电站3种蜗壳埋设方式的机组为研究对象,采用三维有限元法对相关监测参数进行反馈对比分析,总结不同埋设方式的结构承载规律及差异,综合评价结构的安全状态。研究表明:计算结果与实测数据规律一致,数值接近,验证了监测结果的可信度、设计研究及计算方法的合理性;直埋方案的混凝土承载比明显高于另两种方案,保压方案和垫层方案的混凝土及钢蜗壳应力总体处于同一水平;流道钢部件应力、钢筋应力及下机架基础相对上抬位移都在设计允许范围内;3种埋设方式下的结构混凝土及钢部件在运行期处于材料弹性阶段。综合分析认为,在运行期,3种蜗壳埋设方式的机组都在设计所预见的正常运行状况。
全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机螺母柱传力系统,具有边界条件非线性和材料应力-应变关系非线性的特点,易导致有限元结构计算繁琐且不收敛。基于螺母柱传力系统的结构组成、物理特性和受力条件,建立螺母柱和调整梁内力分析的半无限长双弹性耦合地基梁模型,提出螺母柱传力系统轴向力传递的分布函数假定,推导了螺母柱和调整梁的挠度、内力和强度的计算公式,并成功应用于三峡升船机螺母柱传力系统的结构内力与应力计算,揭示了基于轴向界面分布力假定螺母柱和调整梁的结构内力、最大正应力及剪应力的分布规律。研究成果对传力系统初始设计阶段的快捷计算具有重要指导意义。
针对现有规范关于大体积混凝土上下层温差的定义不便于计算和现场监控的问题,基于计算方式和监控指标相配套的原则,首先设计了4种上下层温差的计算方式,然后结合不同间歇期大体积混凝土温度场和徐变应力场仿真计算结果,获得不同计算方式下混凝土上下层最大温差和最大拉应力样本,进而确定最大拉应力样本的概率密度函数,并基于混凝土容许拉应力计算获得最大拉应力失效概率,最后通过确定上下层最大温差样本的概率密度函数,提出一种上下层容许温差拟定方法。结合某大型船闸工程进行了上下层温差分析,拟定了4种不同计算方式下的上下层容许温差,建议采取便于现场监控的上下层温差计算方式,现场上下层温差试验验证了提出方法的可行性。
水利水电工程中,灌浆是保障水工挡水建筑物稳定和防渗的关键施工环节,但传统灌浆监控设备在精确性、智能化和效率方面存在不足。研究旨在通过创新设计新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备,实现灌浆过程的全自动化运行及预警反馈控制,提高工程管理效率、施工质量和安全。设计了智能集中制浆站、智能压力调节与冲洗装置、智能灌浆控制协调中心及数字化灌浆记录单元,并将其融合成新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备;同时,开发了基于多重触控的多通道人机交互易用界面,以实现灌浆过程的配浆、送浆、调压、灌浆的全自动化运行管理,并通过实验与工程应用验证了该装备功能的可行性。与传统灌浆监控设备相比,施工质量显著提升,施工效率提高了30%以上。新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备在水利水电工程灌浆施工中效果显著,实现了灌浆过程的自动化、智能化和高效化,为工程的高质量建设提供了有力支持,具有广阔的应用前景。
针对灌区水资源调度管理实时感知能力不足、智慧化程度不高的问题,研究数字孪生灌区水资源调度管理平台设计与实现,将物联网、数字孪生、水利专业模型与灌区水资源调度管理相结合,研究灌区水利实时感控体系与数字孪生可视化表达方法,设计数字孪生灌区水资源调度管理平台,实现数字孪生灌区水资源调度预演与决策。以数字孪生都江堰(渠首枢纽)工程为应用示范的实践证明,通过对灌区物理流域全要素与水资源管理活动进行数字化映射和智能化模拟,数字孪生灌区水资源调度管理平台能够及时感知水资源供应异常和设备故障,为管理者提供基于调度模拟结果的预测和优化建议,实现水资源精细化管理和调度智慧化决策。
DeepSeek作为先进的人工智能技术平台,给水利领域带来新的变革。基于工程水文的专业特点,分析了DeepSeek模型与工程水文分析计算的适配性,并选择水位频率分析作为评估DeepSeek在工程水文中应用前景的案例。结果表明通过采用结构化提问、合理拆分任务等技巧,DeepSeek能够准确地识别用户需求,其代码生成、解释、纠错、调优、改写功能极大地提升了工作效率,减小了学习成本,具有变革性潜力,未来结合洪水预测、水资源优化调度等相关专业技术将进一步拓展DeepSeek的应用场景与应用深度。
为解决滇中引水工程取水枢纽的引水防沙问题,通过物理模型试验分析了工程兴建对河段水流泥沙运动的影响及引水渠泥沙淤积问题。研究发现,渠道流速、流态受进流条件和渠道的形态阻力等因素影响,较高的隔流墙可以完全分离左右槽水流,并控制左右槽泵站的流量,使渠道水流相对平顺,渠道沉沙效果较好。中枯水流量下,长隔流墙方案的泵站量更易控制进口流,且回流范围小,断面流速分布更均匀。丰水丰沙来流条件下,泥沙在进流段开始沿程淤积,水流含沙量沿程减小。长隔流墙和短隔流墙方案进入泵站的含沙量差别不大。引水渠口门处的泥沙粒径较粗,经过引水渠淤积,进入泵站的泥沙粒径较细。虽然长隔流墙方案的淤积总量略大于短隔流墙方案,但其渠道检修以及清淤更为方便,可作为推荐方案。研究成果可为低水头引水工程取水枢纽的工程设计提供技术支撑。
长距离输水管道在运行初期管线糙率一般较小,运行一定年限后糙率逐渐增大,糙率大小直接影响工程输水能力和运行安全,开展糙率对稳定运行工况和过渡过程中管线水力特性的影响研究,并提出应对糙率变化的措施是保证工程长久高效运行的必要条件。以引绰济辽工程有压管线段206 km长的PCCP管为例,采用一维特征线法分析糙率变化对管线输水能力和过渡过程中水力特性的影响。研究表明:在稳定运行工况下当管线糙率偏大,管线引用流量减小,管线沿程水头损失增加,阀前管道压力减小,而阀后管道压力增大;在过渡过程中随糙率增大,水锤波传播的摩阻增大,管线压力与调压室水位极值均发生一定变化,工程设计时需考虑一定压力富裕度;采用改变管线阀门开度的方式应对管线糙率变化带来的风险,既能保证工程引用流量,又能将管线压力控制在安全范围之内。研究成果可为长距离输水管线糙率变化应对措施提供参考。
