水力发电学报
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2018年 37卷 5期
刊出日期：2018-05-25
当期目录
当期目录
1
浇筑层面对砂浆力学及渗透性能的影响
钱鹏，徐千军
DOI: 10.11660/slfdxb.20180501
根据初终凝时间浇筑不同间隔时间的层面试件，分别采用劈裂抗拉强度、超声脉冲、直流电通量及压水渗透等试验研究浇筑层面的结合情况，并利用扫描电镜观测的层面微观结构特征，试验结果表明：随着层面间隔时间的延长，劈裂抗拉强度、超声首波波幅降低，初始电流、渗透系数增大；层面试件的渗流满足经典Darcy定律，而无层面的本体试件渗流存在启动压力梯度，服从非Darcy渗流规律；劈裂抗拉强度与超声首波波幅的相关系数达到0.98，可采用超声脉冲测试预测层面的黏结强度；层面结构在初凝前后呈现出较大的差别，水化产物结构与本体较为接近，而初凝后浇筑的层间附近会形成连通的多孔疏松区，形成薄弱带。
2018 Vol. 37 (5): 1-12 [
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13
隐伏断层作用下深厚覆盖层三维渗流分析
江浩源，孙新建，刘东康，周新杰
DOI: 10.11660/slfdxb.20180502
针对柴达木盆地深厚覆盖层及较大隐伏断层等不利地质条件严重影响坝基渗透稳定及大坝蓄水功能的问题，采用防渗墙来减少渗流量，并应用有限单元法对隐伏断层渗流特性、防渗措施及防渗墙渗控效果进行了分析。研究表明：哇沿水库采用70 m深悬挂式防渗墙可满足渗透稳定和大坝蓄水要求；若断层渗透系数较大，防渗墙需穿过透水断层，深入密实岩体内，插入深度需结合渗流量及岩体密实程度来综合确定；或对渗透系数较大的断层进行灌浆，减小其渗透系数，结合悬挂式防渗墙，减少渗流量；上述两种措施中防渗墙要避免将底端置于渗透性差异大的两种材料交界面处，以避免较大的防渗墙底部水力坡降导致的局部冲蚀，保证工程安全稳定的运行。研究成果可为柴达木盆地类似地质条件建坝提供技术支持和指导。
2018 Vol. 37 (5): 13-21 [
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22
考虑廊道出口段温度荷载的拱坝工作性态分析
王友乐，周宜红，赵春菊，王峰
DOI: 10.11660/slfdxb.20180503
为掌握廊道出口段温度荷载对拱坝工作性态的影响，首先根据热传导理论，建立廊道出口段温度、应力场稳态分析简化模型；然后根据夏、冬两季不利工况设计均匀试验，由敏感性分析筛选并确定敏感性因素，并针对敏感性可控因素提出工程建议；最后以西南某特高拱坝工程为例，通过三维有限元分析研究运行初期廊道出口段温度荷载对拱坝工作性态的综合影响。研究表明：廊道出口段温度荷载对拱坝工作性态影响明显，拱坝温度、应力场分布在孔口局部发生显著变化。入洞空气流速和保温层等效放热系数属敏感性可控因素，通过采取工程措施可有效削弱廊道出口段温度荷载对拱坝工作性态不利影响。
2018 Vol. 37 (5): 22-34 [
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35
荷载与氯盐作用下再生混凝土大偏压柱受力性能
罗素蓉，刘湖林
DOI: 10.11660/slfdxb.20180504
为研究再生混凝土柱在荷载与氯盐环境耦合作用下的受力性能，以再生骨料取代率、持荷大小、钢筋锈蚀率为变量，设计了10个钢筋再生混凝土大偏压柱构件，经过持续荷载作用状态下的通电锈蚀过程后进行承载力试验，以研究构件刚度、承载力、延性等特征，并取出钢筋测定实际锈蚀率。结果表明，随着再生骨料取代率、持荷的增大，构件锈胀裂缝数量增加、纵筋实际锈蚀率增大；构件刚度、承载力及延性均随再生骨料取代率增大而降低，但随持荷大小的变化规律各有不同；随着锈蚀率的增大，构件锈胀裂缝开展程度明显增加，构件刚度及承载力降低；锈蚀率超过3%时，构件延性随锈蚀率增大而降低，但当锈蚀率小于等于3%时，构件延性与未锈蚀构件相当。混凝土截面应变分布满足平截面假定，承载力试验结果与锈蚀钢筋混凝土柱承载力计算模型符合情况良好。研究结果可为再生混凝土柱在海洋环境中的应用提供参考。
2018 Vol. 37 (5): 35-46 [
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47
多主体水库群联合调度增益分配讨价还价模型
徐斌，马昱斐，储晨雪，钟平安
DOI: 10.11660/slfdxb.20180505
建立公平、高效、合理的增量效益分配机制是促进多利益主体水库群开展联合优化调度的关键。基于上述原则，提出基于讨价还价理论的增量效益分配模型。采用一阶最优性条件推导模型最优解，发现最优效益分配方案满足主体效用函数拟微增率相等的条件。与基于比例分配法、Shapley模型的分配方案比较，结果表明：（1）讨价还价模型分配方案与各主体的效益分配区间和子联盟约束力有关。若子联盟效益贡献低，约束力小，主体增量效益与其效益分配区间正相关；若子联盟效益贡献高，约束力大，子联盟内成员的分配效益将优先保证。（2）各分配方案的差异源于公平性定义方式的差别。（3）讨价还价模型分配的增量效益方案趋均化程度最高，保障了弱势主体既得利益。
2018 Vol. 37 (5): 47-57 [
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58
基于变化范围法的黄河头道拐站水沙变化分析
马超，崔冉昕
DOI: 10.11660/slfdxb.20180506
采用变化范围法（RVA法）对龙羊峡、刘家峡水库运行前后黄河头道拐水文站日均径流量和含沙量数据进行分析，量化评价水沙变化程度。在定量分析的成果上，结合Copula函数，进一步探讨了水库运行前后月水沙丰枯遭遇和同步频率的变化规律。研究结果表明，龙刘水库运行后，头道拐水文站径流量和含沙量减少，二者整体均发生中度改变，径流量整体改变度高于含沙量整体改变度；汛期内和极大值情况下水沙受影响程度较高；月水沙同步频率增加，非畅流期同步率变化显著，畅流期内同步频率大于异步频率。水库管理者可根据分析得出的水沙变化规律，针对性采取诸如桃汛期抬高库水位、汛期增加洪水脉冲等调度策略，在不增加淤积的前提下提高水库的综合效益。
2018 Vol. 37 (5): 58-68 [
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69
基于压缩感知图像分析的河流表面流速估计方法
王万良，邱虹，郑建炜
DOI: 10.11660/slfdxb.20180507
提出一种新的非接触式河流表面流速估计方法。以水流图像的特征识别为基本原理，通过图像采集和预处理、对应类别标签与流速关系映射表的建立及数据分析等技术方法的集成，建立一套河流表面流速估计方案。选择位于湖北省通山县境内九宫梯级水电站所在的宝石河二级支流——界牌河作为实验对象，利用所提特征约束组稀疏分类器（GSCFC）进行数据分析得到表面流速范围，实验验证了压缩感知图像分析方法用于河流表面流速估计的可行性。此外，将GSCFC与经典的稀疏表示分类器（SRC）和抗噪性正则化编码分类器（RRC）进行对比可得，GSCFC对于水流图像具有鲁棒的鉴别力，且其综合性能明显优于SRC和RRC。
2018 Vol. 37 (5): 69-79 [
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80
汛期香溪河库湾倒灌异重流变化及其成因分析
黄亚男，纪道斌，沈君坤，刘德富，吴庆，王雄
DOI: 10.11660/slfdxb.20180508
针对干流对香溪河库湾长期存在的倒灌异重流现象，运用CE-QUAL-W2模型模拟2012—2014年香溪河分层异重流特性，结合汛期干流庙河站的水温及流量分析汛期香溪河分层异重流形式变化及其成因，并分析其水华风险。结果表明：2012—2014年汛期7月中旬到7月底或8月初均发现香溪河库湾倒灌形式由中上层倒灌转变为中下层倒灌，再恢复到中上层倒灌的演变现象。主要原因为干流流量增大改变了干流水温的变化趋势，导致干支流水体密度差发生变化，使支流库湾的倒灌形式发生演变；干流流量增大影响倒灌形式具有滞后性，干流水温降低或升高影响倒灌形式需要一定的持续时间；汛期香溪河倒灌形式的演变有利于降低香溪河库湾的水华风险。
2018 Vol. 37 (5): 80-92 [
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93
跨河建筑物局部水沙动力数值模型开发与应用
陈祎祥，牛小静
DOI: 10.11660/slfdxb.20180509
局部河床冲刷是引发桥梁、渡槽等跨河建筑物水毁的重要因素，利用数值模拟方法能够对洪水过程中跨河建筑物的局部冲刷风险进行分析与预测。介绍了一套用于模拟跨河建筑物附近水沙动力过程的数值模型HydroCRS，可计算建筑物所在河流的流场分布、泥沙运动及河床冲淤情况。模型采用一、二维嵌套的方法，在提高计算效率的同时能够较好地对接水文预报模型，以形成从气象预报到水文预报、再到局部冲刷风险预测的完整模拟系统。将模型应用于南水北调中线一期工程总干渠双洎河渡槽段工程的水沙动力过程模拟中，模型能够反映实际复杂地形下河床冲刷特性，为工程实践及风险评估提供参考。
2018 Vol. 37 (5): 93-99 [
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100
斜坡上的推移质输沙率公式
王愉乐，张根广，周双，程烨，李林林
DOI: 10.11660/slfdxb.20180510
为了获得理论更全面、应用范围更广的推移质输沙率公式，基于数理统计方法及力学分析方法，借鉴Engelund推移质输沙率模型，研究了斜坡上推移质输沙率问题。在分析斜坡上泥沙颗粒受力的基础上，考虑了水流近底作用流速的随机性及床面上泥沙颗粒分布的随机性，推导出了斜坡上泥沙起动概率；探讨改进了单位床面上泥沙颗粒数和推移质运动速度的计算式，得到了文中推移质输沙率公式。采用不同坡度的实测资料进行验证，并与其他经典公式计较，结果表明，在不同坡度的情况下文中公式都有较好的适用性，且精度较高。
2018 Vol. 37 (5): 100-106 [
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107
山前平原型城市雨洪模拟与应用——以济南市为例
常晓栋，徐宗学，赵刚，李怀民
DOI: 10.11660/slfdxb.20180511
近年来，我国城市区域暴雨洪涝灾害频发，而山前平原型城市由于地形地貌特殊，其造成的人员伤亡和经济损失尤为严重。文章以济南市黄台桥排水片区为研究对象，基于SWMM模型构建了山前平原型城市雨洪模拟模型。根据研究区地形地貌及汇流规律的差异将子汇水区分为山区、平原区和主城区三类，通过控制模型汇流演算方式、模型演算面积比及河道糙率系数设置情景，并采用遗传算法对模型参数进行率定与验证，从而定量分析子汇水区不同汇流方式及河道糙率对模拟结果的影响。研究结果表明：当采用SWMM模型传统汇流方式时，难以考虑山前平原型城市地形差异，模型模拟结果整体表现较差（平均Nash系数仅为0.61）；当针对山前平原型城市不同地形特点设置相应的汇流演算方式、模型演算面积比及河段糙率系数时，模型模拟精度得到显著提高（平均Nash系数达0.86）。研究结果可为山前平原型城市雨洪灾害的模拟与研究提供科学基础，并为区域防洪减灾提供相应的技术支撑。
2018 Vol. 37 (5): 107-116 [
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117
偏工况下离心泵叶轮内失速特性研究
冯建军，王晨，罗兴锜，吴广宽，朱国俊
DOI: 10.11660/slfdxb.20180512
旋转失速是离心泵内部常见的一种不稳定流动现象，通常发生在小流量工况下，会引起水泵运行时的性能不稳定，严重时会引起整个泵系统的共振。采用CFD方法对某离心泵内的失速现象进行数值模拟，并从外特性曲线、内部流动状况及频域分析三个方面与已有的实验结果进行对比。采用阻塞系数来量化表达叶轮内部的失速状况。结果表明，在0.35倍最优流量（0.35Q0）下，在叶轮通道间存在着五个失速团，随着时间的推移，五个失速团在不同的通道之间以低于叶轮转频的转动频率在叶轮之间传播。对通道内部监测点的速度波动进行频域分析的结果表明，失速团的旋转频率约为叶轮转频的23.4%，即失速团的旋转角速度为叶轮转速的4.68%。而在0.41Q0工况下，由于此时造成失速的初始扰动还不足以使失速团相对于叶轮发生转动，离心泵内部出现了“固定失速”的现象。相比于旋转失速，在发生固定失速时，叶道中的阻塞系数波动较小，因此这是一种相对稳定的失速现象。同时，叶轮叶片数对失速的类型有着决定性的影响。
2018 Vol. 37 (5): 117-124 [
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125
水轮-风机组中水轮机工况特性的理论研究与实验
李士辉，李延频，张自超
DOI: 10.11660/slfdxb.20180513
冷却塔水轮机作为工业循环水系统余压利用的一种措施，已获得了比较广泛的应用。它与风机直连形成水轮-风机组，工作在串联有压环境中，属超低比转速水轮机。首先从理论上研究了水轮-风机组中水轮机的工作特性，发现：（1）水轮-风机组中风机转速与水轮机的流量成正比，即水轮-风机组具有自适应特性，表明水轮-风机组的转速随着冷却水量的增减成比例地增减，使风机输出的风量随着增减，这种规律正好符合冷却水量对风量的要求；（2）在系统压力及流量发生变化时，水轮机的单位转速和单位流量保持为常数，即水轮机始终保持工况自相似特性，表明只要设计时使水轮机处于较好的工况，就可以基本保持水轮-风机组工作在较好工况，无须与常规发电水轮组一样进行复杂的工况调节。最后，实验台实验和现场实验结果进一步验证了这些工作特性。因此，水轮-风机组无需调节系统，这可使水轮-风机组的建设成本和运行成本大大降低。这些特性对于余压回收用水轮机的设计和运行具有重要意义。
2018 Vol. 37 (5): 125-132 [
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133
不同岩性石粉细度评价方法的稳定性研究
何真，蒋睿，胡骏
DOI: 10.11660/slfdxb.20180514
以不同岩性、不同细度的石粉为研究对象，采用勃氏透气法、负压筛法、水筛法和激光粒度分析法表征其细度，借助统计学手段分析各测试方法的数据可靠性。结果表明，勃氏透气法试验结果稳定性较好，是一种快速而有效的石粉细度测试方法；筛分法测试操作简便、易实现，但由于受石粉母岩岩性、颗粒表面特性等影响较大，测试结果波动较大；激光粒度分析法的试验规律与勃氏透气法相一致，当需要精确的石粉粒度分布情况时，建议辅助采用激光粒度分析法进行表征。
2018 Vol. 37 (5): 133-141 [
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142
基于FVM和VOF的平面裂隙注浆数值模型
李晓龙，罗晓倩，钟燕辉，张蓓
DOI: 10.11660/slfdxb.20180515
为研究浆液在岩体裂隙中的运移机制，建立了基于有限体积法（FVM）和流体体积（VOF）原理的平板裂隙注浆数值模型。模型采用同位网格有限体法离散流动控制方程，为避免对振荡压强场求解失真问题，借助动量插值方法构造控制体界面流速，并考虑浆液扩散过程的两相流特征，利用VOF方法追踪两相移动界面，实现了同位网格架构下浆液流场的数值求解。选择无限大平板裂隙注浆算例对该模型进行了测试，结果表明，不同时刻浆液压强分布、流速、扩散范围等模拟结果与解析解吻合良好，显示了较高的求解精度，为研发裂隙注浆仿真系统奠定了基础。
2018 Vol. 37 (5): 142-150 [
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151
基于闭环反馈控制和RTK-GPS的自动碾压系统
张庆龙，刘天云，李庆斌，安再展，樊凛
DOI: 10.11660/slfdxb.20180516
有效控制坝体的填筑压实质量是保证土石坝安全的关键。为此提出了一种基于闭环反馈控制和RTK-GPS的自动碾压系统，可实现碾压机精确导航和自动碾压作业。该系统包括远程监控装置和机载自动导航控制装置，拥有自动碾压、遥控碾压和人工碾压三种工作模式，具有设备间无线通讯、自动点火启动、调速、转向、刹车功能。此外，该系统采用A*算法实现整体和避障局部路径规划，并结合RTK-GPS技术实现自动导航功能。通过工程实例研究表明，提出的自动碾压系统既能保证在特殊或紧急情况下碾压施工正常进行，又可解决相邻作业面间漏碾、交叉、重复碾压的问题，显著提高压实作业施工质量和效率。该系统具备较大的实际应用价值，可应用于水利、公路、铁路、机场、港口等土石方工程，尤其适用于危险环境或极限条件下的填筑碾压作业。
2018 Vol. 37 (5): 151-160 [
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