水力发电学报
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2021年 40卷 1期
刊出日期：2021-01-25
1
特约论文：水电工程设计施工一体化精益建造技术研究进展 ——数字孪生应用模式探索
Hot!
张社荣, 姜佩奇, 吴正桥
DOI: 10.11660/slfdxb.20210101
随着工程总承包模式在水利水电行业的普及应用，以设计为龙头的设计施工一体化模式已成为降本增效、统一管理、科学决策的有效手段。本文全面评述了国内外及水利水电行业总承包模式、设计模式、建造模式和设计施工协同模式的发展现状，明确了水电工程设计施工一体化目前的行业痛点及主要发展瓶颈，提出立足于信息化技术前沿，深化技术创新与实践，以正向设计和精益建造模式为基础，解决设计施工一体化过程中设计优化效率低、设计施工信息互馈过程烦琐、智能化建造水平不高等问题。针对这一理念，本文以数字孪生技术为未来的基础应用架构，详细阐述了未来的重点研究方向，为提高水电工程设计施工一体化水平，弥补水利信息化短板提供技术指引。
2021 Vol. 40 (1): 1-12 [
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13
实时监控下砾石土料掺配质量IBAS-BP动态评价
乔天诚, 吴斌平, 王佳俊, 余佳, 崔博, 刘明辉
DOI: 10.11660/slfdxb.20210102
传统的砾石土料掺配质量评价主要以旁站监理方式控制掺配施工参数，并以随机取样点的P5含量作为掺配质量评价指标。该方法不仅在掺配施工参数控制上易受人为因素干扰，而且在掺配质量评价过程中时效性差、随机性大，缺乏对掺配均匀性和其他粒径颗粒含量的考虑。针对上述问题，本文提出基于IBAS-BP神经网络的砾石土料掺配质量动态评价方法。首先，通过综合考虑砾石土料掺配过程涉及的各粒径颗粒含量，提出砾石土料掺配均匀性评价指标（blending uniformity value，BUV），用以反映掺配质量；其次，基于GPS定位、无线传输等技术提出一种砾石土料掺配实时监控方法，实现砾石土料掺配施工参数的实时监测与采集；最后，利用基于回溯思想和非线性步长调整函数改进的天牛须搜索（improved beetle antennae search，IBAS）算法优化的BP神经网络实现全仓面砾石土料掺配质量的动态评价。工程应用结果表明：掺配实时监控方法能有效监测掺配施工参数、保障施工质量，且BUV对掺配质量的评价结果与掺配后取样检测结果一致。此外，模型预测值与实测值相关系数达0.953，预测值与实测值的平均值误差和标准差误差分别为0.23%和6.17%，与常用回归模型相比，本文模型表现出一致性、代表性和优越性。
2021 Vol. 40 (1): 13-23 [
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24
水利工程流道混凝土结构修复材料及应用
崔懂文, 张贵金, 范明, 赵雪瑜
DOI: 10.11660/slfdxb.20210103
水工流道混凝土冲蚀破坏十分常见，现有修复材料难以获得耐久性良好的修复结构。为达到更好的修复效果，通过室内试验对研发的组合修复材料进行水工环境下的力学性能、抗冲磨性能及热相容性测试；进行修复结构力学分析，最后在工程引水流道和溢流面进行了现场修复试验。结果表明：环氧界面剂与原混凝土之间的湿黏结强度达3.95 MPa，水下抗冲磨砂浆抗压强度达85.99 MPa，在柔性纳米陶瓷涂料保护下抗冲磨强度可达2545.2 h/(kg/m2)，优于国内已有其他同类修复材料；与混凝土相容性好，可在高低温环境中适应混凝土的变形；该组合材料修复结构在-20℃ ~ 40℃环境下不会发生开裂或剥离破坏，结构整体性良好；现场修复效果良好，经过多次泄洪后，表面未出现任何明显损伤，可推广应用于同类工程。
2021 Vol. 40 (1): 24-31 [
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32
钢筋钢纤维混凝土梁弯矩-裂缝宽度计算方法
毕继红, 王照耀, 霍琳颖, 赵云
DOI: 10.11660/slfdxb.20210104
为了建立能够预测钢筋钢纤维混凝土梁受力过程中裂缝宽度的力学模型，首先考虑裂缝有效宽度和纤维有效拔出角度确定钢纤维混凝土拉应力-裂缝宽度本构关系，引入断裂力学概念建立了钢纤维混凝土梁截面弯矩-裂缝宽度的计算方法，在其基础上考虑钢筋作用提出一种分析钢筋钢纤维混凝土梁截面弯矩-裂缝宽度的计算方法，它可以模拟梁受弯破坏过程。采用本文方法、CECS 38—2004和RILEM TC 162-TDF中的最大裂缝宽度计算公式对收集到的12根钢筋钢纤维混凝土梁在正常使用条件下的裂缝宽度进行验算，结果表明：CECS 38—2004和RILEM TC 162-TDF的计算结果偏于保守且离散性较大，本文方法能够有效预测梁受力全过程裂缝宽度，计算精度高且变异系数小，为钢纤维混凝土结构裂缝控制提供理论依据。
2021 Vol. 40 (1): 32-42 [
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43
两河口水库三种年末消落水位控制方式研究
蒋志强, 廖想, 纪昌明, 覃晖
DOI: 10.11660/slfdxb.20210105
为分析不同消落水位控制方式及流域来水年际差异性对梯级系统中多年调节水库调度结果的影响，本文以雅砻江流域中下游梯级水库群为例，基于多维动态规划的最优化计算结果，对比分析了三种针对两河口水库的多年调节水库年末消落水库控制方法，即固定消落水位控制方式、函数形式控制方式和基于动态控制阈的动态控制方式，提出了一套新的梯级系统中多年调节水库年末最佳消落水位优化控制方法，实现了多年水库年末消落水位的优选问题与来水频率差异性相耦合。研究成果可用于指导含多年调节水库的梯级水库联合优化调度，具有显著的社会效益和经济效益。
2021 Vol. 40 (1): 43-53 [
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54
计及电量分解的高比例水电电网短期调度方法
谢蒙飞, 贾泽斌, 张帆, 马高权, 和珮珊, 申建建
DOI: 10.11660/slfdxb.20210106
中长期交易电量与短期发电计划衔接不当是引发结构性弃水或缺电的关键问题之一，如何分解交易电量96点曲线对于高比例水电电网发电计划编制至关重要。本文依托云南电网实际工程，提出计及电量曲线分解的短期发电调度方法，引入电站分类策略以贯序确定标准负荷曲线，兼顾公平性提出耦合标准负荷曲线的日电量分解方法，并以交易电量完成度相对偏差最大值最小为目标，集成水电站限制区和电网输电断面校核处理策略，迭代优化初始分解曲线以快速获得可行的电站群发电出力过程。通过电网短期调度实例验证，结果表明该方法能够减少交易电量执行偏差，且满足高比例水电电网发电计划编制的实用性和时效性要求。
2021 Vol. 40 (1): 54-64 [
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黑龙江流域分布式水文模型研究
李明亮, 杨大文, 侯杰, 肖鹏, 邢西刚
DOI: 10.11660/slfdxb.20210107
黑龙江是高纬度寒区界河，防洪问题突出，模型研究较少。本文建立黑龙江流域空间信息库，构建了基于物理机制的黑龙江流域分布式水文模型GBHM-HLJ。其中引入冻土导水率随冻融期温度指数型变化的概化模型，模拟土壤冻融循环对水分运移的影响。率定期和验证期10个主要站点日均流量模拟的Nash-Sutcliffe效率系数均在0.73以上，月均流量模拟的决定系数在0.82以上。模拟的流域平均雪水当量逐月数据与2014—2019年FY-3C卫星遥感反演数据进行对比，决定系数为0.83。干流控制站哈巴罗夫斯克站1960—1990年日均流量模拟的Nash-Sutcliffe效率系数为0.90，历年最大日均流量模拟的决定系数为0.72。黑龙江流域分布式水文模型为研究流域水文规律和干支流洪水特征提供了基础。
2021 Vol. 40 (1): 65-75 [
摘要
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基于多模型随机组合的水文集合预报方法研究
赵泽谦, 黄强, 明波, 陈晶, 刘登峰, 陈玺
DOI: 10.11660/slfdxb.20210108
准确、可靠的水文预报是水资源开发利用的基础。集合预报以概率或区间的形式表征预报的不确定性，是未来水文预报研究的重点发展方向。本文提出了一种基于多模型随机组合的水文集合预报方法。首先通过加权形式将多种预报模型进行组合；再采用多目标优化算法率定各成员模型权重的上、下限；最后在优化的上、下限内随机生成权重以构建集合预报。以汉江黄金峡水库中长期径流预报为研究对象，考虑月、旬两种预见期，构建了六种单一预报模型，采用非支配排序遗传算法对权重进行优化后得到集合预报样本。结果表明：所提方法能更好地反映预报的不确定性，且均值预报结果明显优于贝叶斯模型平均法和单一确定性预报模型，具有一定竞争力。
2021 Vol. 40 (1): 76-87 [
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水电站变出力系数的神经网络估计方法
贾本军, 周建中, 陈潇, 何中政, 张勇传, 田梦琦
DOI: 10.11660/slfdxb.20210109
围绕如何提高水电站中长期发电调度出力系数估计和出力过程计算精度的问题，引入神经网络数据挖掘技术，综合考虑水电站水头、发电流量等水电站关键状态信息对综合出力系数K的影响，建立了以水头、发电流量和入库流量为备选输入、以综合出力系数K为输出的三种神经网络模型，进而提出了三种水电站发电调度出力计算变K值的神经网络估计方法。结合三峡水电站多年实际运行资料，将本文提出的变K值估计方法与多种传统K值确定方法进行了综合对比。结果表明，本文提出的变K值估计模型或方法具有更高的K值估计、出力和发电量计算精度，为实现水电站中长期发电调度精细化出力计算提供了新途径，具有显著的工程应用价值。
2021 Vol. 40 (1): 88-96 [
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基于边际替代率的水库多目标调度方案决策
吴月秋, 王丽萍, 张验科, 吴嘉杰, 张培
DOI: 10.11660/slfdxb.20210110
为得到入库径流不确定条件下的水库多目标优化调度方案，本文以防洪和发电具有结合库容的三峡水库为研究对象，在对入库径流过程预报误差进行量化估计的条件下，以耦合微观经济学中的等产量和等成本线获取最大效益的原理，将边际替代率应用于水库多目标优化调度方案决策，寻求防洪和发电矛盾对立转化的最佳均衡点。应用于三峡水库的算例分析结果表明，模型不仅可以直观描述丰平枯不同来水情景下的防洪效益和发电效益之间的互馈转化关系，而且能够得到考虑入库径流过程预报误差时的汛前期水库优化运行水位，对于在保障防洪安全的基础下充分发挥水库兴利效益具有重要的理论意义和实际应用价值。
2021 Vol. 40 (1): 97-106 [
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偏负荷工况混流式水轮机转轮结构稳定性研究
冯金海, 凌祖光, 赵子文, 李欢欢, 陈帝伊
DOI: 10.11660/slfdxb.20210111
为探究偏负荷运行工况下混流式水轮机转轮结构稳定性，本文基于单向流固耦合方法，对三种典型偏负荷工况下转轮结构进行了静力学分析和模态分析。结果表明：受不稳定水流影响，80%、60%和40%负荷工况下，较大变形分别位于转轮下环、叶片出水边中部以及叶片迎水刃处中部。预应力对转轮结构影响较少，其导致固有频率增加1 Hz左右；而水介质对转轮结构影响较大，导致固有频率降低15% ~ 36%，且得到转轮固有频率更符合工程实际。受导叶出口处水流扰动影响，转轮结构极有可能发生共振，其振型主要表现为径向、弯曲、弯扭及绕轴旋转变形，其中弯扭变形影响最大，极可能导致叶片断裂。该研究成果可为混流式水轮机柔性运行稳定性，提供一定理论参考。
2021 Vol. 40 (1): 107-114 [
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115
工况变化对贯流式水轮机叶顶间隙流态的影响
朱国俊, 刘佳敏, 冯建军, 李晨昊, 吴广宽, 罗兴锜
DOI: 10.11660/slfdxb.20210112
贯流式水轮机是低水头水能资源开发的主力机型之一，而转轮叶片叶顶间隙流动特性是影响其空化、稳定性能的关键因素。基于数值模拟的方法，本文研究了工况变化引发转轮叶片叶顶间隙泄漏涡初生位置、形态变化的机理，分析了间隙泄漏涡形态改变对水轮机空化、稳定性的影响规律，主要结果表明：工况变化必然伴随导叶开度变化，导叶开度的改变使得转轮叶片外缘头部冲角改变，进而对间隙泄漏涡的初生位置及三维形态产生影响；间隙泄漏涡初生位置及形态的变化是转轮叶片外缘空化特性改变的根源之一；间隙泄漏涡会提高其扫略区域内测点的压力脉动幅值，泄漏涡的影响可导致测点的压力脉动幅值提高一倍以上。
2021 Vol. 40 (1): 115-122 [
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