水力发电学报
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2021年 40卷 8期
刊出日期：2021-08-25
1
特约论文：水电现货竞价关键技术研究进展
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马光文, 张永锋
DOI: 10.11660/slfdxb.20210801
电力现货市场是现代电力体系的重要组成部分，对还原电力商品属性、发现价格和优化资源配置起着关键作用。水电受径流随机性影响，丰枯矛盾突出，出力不确定性大；水库受综合利用限制多，梯级电站联系紧，多主体上下游电站信息共享难；加上外送通道不足、断面阻塞严重等现状，水电参与电力现货市场面临诸多挑战。本文针对水电参与电力现货市场“量价”申报涉及的关键科学技术问题，包括市场出清价预测、发电能力优化、竞价策略、水电现货报价决策支持系统等，对国内外研究现状进行总结，对提出的数学模型和算法进行归纳，评述了现有方法的优缺点，对未来发展趋势进行展望，旨在为丰富我国电力现货市场理论和方法及水电企业生产经营提供参考。
2021 Vol. 40 (8): 1-11 [
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12
考虑不同需水过程的三河口水库调度风险研究
白涛, 喻佳, 魏健, 黄强, 武连洲, 麻蓉
DOI: 10.11660/slfdxb.20210802
针对受水区需水过程的不确定性对水库实际调度运行带来的风险问题，开展水库供水调度风险研究。以引汉济渭工程三河口水库供水调度为例，建立年均缺水量最小调度模型并采用改进花粉算法求解；通过构建风险指标体系，采用四维坐标系分析不同方案的风险变化。结果表明，改进的花粉算法在求解长系列调度模型时具有较强的寻优能力和稳定性；径流丰枯遭遇分析获得的方案3需水过程对水库调度风险影响最大，其年时间尺度可靠性只有0.64，缺水指数为2.35，表示出现连续年缺水过程；不同的时间尺度显著影响了风险指标的大小，时间尺度越小，风险越大，对调度结果越不利。研究成果为水库供水调度风险研究提供新的思路，也为水库管理规划部门提供重要借鉴。
2021 Vol. 40 (8): 12-22 [
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23
侧式进/出水口及邻近围堰环流消除优化研究
高学平, 徐天浩, 朱洪涛, 孙博闻, 陈思宇
DOI: 10.11660/slfdxb.20210803
抽水蓄能电站侧式进/出水口施工完成后，往往对其施工围堰采用不完全拆除方式，从而形成残留围堰。当水库运行水位较低时，进/出水口前方水面在残留围堰和地形的影响下，很可能出现不利环流现象。这种不利环流，在出流工况下易造成进/出水口前方水面波动较大，在进流工况下易诱导进/出水口上方形成有害漩涡。本文以潍坊抽水蓄能电站下水库侧式进/出水口为例，采用数值模拟方法，探寻改善围堰附近水流流态的有效措施。为消除围堰附近的环流，对围堰平台的坡底线进行优化，比较各体型优化效果并进行物理模型试验验证。研究表明：侧式进/出水口前存在残留围堰时，进流工况库区水面流态平稳，出流工况围堰附近容易形成不利环流；对称的残留围堰不会避免环流的产生；当残留围堰平台坡底线角度与明渠扩散角度保持一致，可以降低环流强度，水流可平顺均匀地向库区扩散，水流条件有较大改善。本文研究成果可为同类型抽水蓄能电站侧式进/出水口围堰设计提供参考。
2021 Vol. 40 (8): 23-33 [
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34
城市街道分水口对洪水流态转换过程影响研究
江春波, 周琦, 申言霞, 柳高飞, 段艳华
DOI: 10.11660/slfdxb.20210804
随着城市化进程加快和全球气候变化加剧，城市洪涝灾害频发。研究城市街道的行洪特征，掌握城市建筑物对洪水流动的影响机理，对城市洪涝灾害治理具有重要的理论意义和应用价值。本文开展了城市建筑物对洪水运动影响的物理模型试验，在街道两侧布设分水口模拟建筑物不连续的分流效果，分析分水口位置及流量变化对洪水流态转化及水跃形态的影响。观测上游来流量变化、分水口位置等因素对洪水从急流向缓流过渡时的动力特征的影响，包括水跃发生位置、水跃形态转变、水跃漩滚长度、跃前和跃后水深比及分流比等。
2021 Vol. 40 (8): 34-42 [
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43
入湖三角洲阶段性沉积演变过程实验研究
辛玮琰, 白玉川, 刘万利, 张明进
DOI: 10.11660/slfdxb.20210805
三角洲的形成演化过程是河流演变和河流地貌发展的重要组成部分。为探究入湖三角洲在阶段性水沙供给条件下其沉积演变过程的阶段性特点，本文采用物理实验的方法，以赣江三角洲年内上下游水沙阶段性变化特点为研究背景，考虑了水沙运动相似，通过控制实验三角洲上游来水来沙和下游湖水位条件，呈现了实验室尺度的入湖三角洲阶段性沉积演变过程，反映了三角洲及其水道系统对变动水沙条件的响应过程。实验过程中三角洲的阶段性沉积特点与天然三角洲年内演变特点相似，表明实验尺度下分阶段控制水沙和湖水位条件以探究入湖三角洲在自然条件下的演化规律是合理可行的。
2021 Vol. 40 (8): 43-56 [
摘要
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可变速抽水蓄能机组大波动工况转速上升规律
周喜军, 丁景焕, 黄一凡, 杨威嘉, 杨桀彬, 杨建东
DOI: 10.11660/slfdxb.20210806
可变速抽水蓄能技术已经成为近年来抽水蓄能行业新兴的发展与研究方向，可变速抽水蓄能电站运行的动态特性研究意义显著。本文利用可变速抽水蓄能电站的非线性数学模型，重点对其中的水力-机械子系统进行了研究。通过将模型在事故甩负荷工况下的计算仿真结果与真实电站的实测结果对比，验证了模型的准确性。本文对可变速抽水蓄能机组在事故甩负荷工况时不同起始转速下的动态响应进行了仿真分析，研究了机组转速上升规律，并分析了该规律产生的原因在于机组的力矩特性与机组的动量转换关系。结果表明：对于可变速抽水蓄能机组的事故甩负荷工况，起始转速在一定范围内增加时，机组最大转速并不会显著增加。
2021 Vol. 40 (8): 57-64 [
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65
双转轮对旋式鱼类友好水轮机：概念及转轮优化
张鹏程, 胡栋樑, 程永光, 泰荣
DOI: 10.11660/slfdxb.20210807
水电工程在产生巨大正效益的同时，也存在影响鱼类洄游的生态负效应；鱼类友好型水轮机因能助鱼下行过坝，近年备受关注。针对河床式水电站，以减小鱼类损伤为主要目标，通过加长流道减小压力梯度，提出一种新型转轮：螺旋叶片，流道长、叶片少，降低鱼类撞击概率；双转轮对旋，既加长流道，又提高效率；叶片进出口均满足最优速度三角形条件。CFD模拟优化结果表明，最高发电效率达80.4 %，压力梯度小于鱼类友好水轮机的国际推荐标准，兼顾了发电效率和过鱼特性。
2021 Vol. 40 (8): 65-72 [
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泵站水锤的波追踪计算方法
张润强, 董加新, 曾宗耀, 王玉川, 杨建国
DOI: 10.11660/slfdxb.20210808
推导了波追踪法求解水泵-管道系统水锤和断流弥合水锤的方程，讨论了波追踪法和特征线法在理论、求解过程和计算精度上的异同。经计算得到的水泵过渡过程参数和断流弥合处参数的变化规律表明，两种算法的理论本质上是一致的，但波追踪法直接计算压力波（与初始值的水头差值）；不考虑管道摩阻损失时，两者的计算结果完全一致，表明文中提出的针对泵站和断流弥合处的方程和边界条件是正确的；而考虑摩阻时，由于对摩阻项处理方法的差异，导致两者计算结果略有差异，两者相对差值小于0.3%，两种算法具有相同计算精度；计算断流弥合处的瞬变参数变化时，得到的最大值和最小值相同。对于复杂管路或管网系统，波追踪法可直接依据泵站管道的边界条件计算管道内的水力过渡过程，无须采用数值算法，计算效率相较于特征线法提高。
2021 Vol. 40 (8): 73-83 [
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粗粒料三轴试验橡皮膜嵌入量数值模拟
潘洪武, 王伟, 李娜, 张丙印
DOI: 10.11660/slfdxb.20210809
在粗粒料三轴试验中，橡皮膜嵌入量可造成显著的体积变形量测误差。本文针对颗粒材料的接触特点，利用Nagata Patch方法重建颗粒表面，基于重建曲面进行接触状态的判断和接触几何信息的计算，开发了高效的颗粒接触算法。该法采用dual mortar有限元方法处理颗粒与橡皮膜间的接触模拟，针对橡皮膜变形较大的特点，采用更新坐标的大变形计算格式，并根据重建的颗粒表面对颗粒-橡皮膜的距离进行几何修正，实现了颗粒-橡皮膜接触的精细化模拟，可较好地模拟计算“柔性”橡皮膜嵌入颗粒孔隙的过程。进行了Kramer钢球试验以及粗颗粒料和标准粗砂三轴试验橡皮膜嵌入过程的模拟计算，计算结果符合一般规律，与相应的试验结果吻合较好，验证了本文方法对于粗粒料膜嵌入问题的适用性。
2021 Vol. 40 (8): 84-92 [
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内掺微生物水工混凝土的早期强度和微观特征
孟永东, 王定杰, 蔡征龙, 田斌, 丁毅, 何竹青
DOI: 10.11660/slfdxb.20210810
混凝土裂缝的微生物自修复是近年来国内外研究的热点之一。为研究内掺矿化微生物对水工混凝土早期抗压强度和微观孔隙特征的影响，以科氏芽孢杆菌为矿化微生物，乳酸钙为营养物质，进行不同内掺微生物浓度的水工混凝土抗压试验，分析内掺微生物浓度对水工混凝土抗压强度的影响规律，通过氮吸附和扫描电镜分析测试，从微观角度研究内掺微生物对水工混凝土微孔结构及微观形貌的影响。试验结果表明：内掺微生物对水工混凝土抗压强度有明显改善，随着内掺微生物浓度的增大，混凝土抗压强度增幅呈先大后小的趋势，当微生物浓度为9.8×107 cells/cm3时，混凝土的抗压强度增幅最大，28 d抗压强度增加13.1%；微观测试发现，内掺微生物能有效提高水工混凝土胶凝材料浆体的均匀致密程度，改善了混凝土的内部结构，进而使内掺矿化微生物的水工混凝土抗压强度显著提高。
2021 Vol. 40 (8): 93-99 [
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混凝土拱坝温度应力与横缝性态智能控制方法
马睿, 张庆龙, 胡昱, 安再展, 尹韬, 李庆斌, 黄达海, 马金刚, 皇甫泽华
DOI: 10.11660/slfdxb.20210811
温控防裂与横缝工作性态调控是混凝土拱坝施工期面临的两大难题，而冷却通水策略是控制拱坝混凝土安全、横缝开合的关键因素。为此，本文提出了混凝土拱坝温度应力与横缝性态智能控制方法，并综合应用智能化控制理念、仿真分析工具、自动控制技术构建了混凝土拱坝温度应力与横缝性态智能控制系统。分析表明，该系统有效调控了坝体应力与横缝工作性态、充分发挥了混凝土材料性能、大幅提升了温控施工效率，实现了拱坝温控防裂与横缝性态调控的多目标智能优化。
2021 Vol. 40 (8): 100-111 [
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地下洞室群施工进度纠偏的SD-DES模型
赵梦琦, 余佳, 任炳昱, 王晓玲, 吕菲, 佟大威
DOI: 10.11660/slfdxb.20210812
施工进度纠偏是保证地下洞室群在受到突发干扰后仍能平稳有序施工的有效手段。系统动力学（system dynamics，SD）模型能够有效模拟纠偏过程。现有研究缺乏对地下洞室群施工中采取的纠偏策略的综合考虑；相关SD模型未能考虑人员懈怠等纠偏参数的影响。针对上述问题，建立地下洞室群施工进度纠偏SD-DES（discrete event simulation）模型，其中，纠偏策略SD模型包含加班、增加设备、增派人员、重调度等四个子模型，并且考虑了纠偏参数的影响；同时，兼顾SD模型和DES模型的优势，对“进度偏差估计-纠偏策略制定-策略实施效果”进行模拟与分析。结合实际地下洞室群工程进行了施工进度纠偏应用研究，结果表明：相比于传统SD模型，本文方法得到的策略与实际更吻合，证明本文方法的优越性。
2021 Vol. 40 (8): 112-123 [
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124
隧洞砂岩的温度-围压耦合时效性蠕变模型
张明珠, 李慧芹, 晏祥智
DOI: 10.11660/slfdxb.20210813
为了研究高温和围压耦合作用下深部围岩的蠕变特性，采用MTS815.02岩石试验系统对砂岩进行不同温度作用下三轴蠕变试验。考虑在岩石蠕变过程中温度、围压和时间对岩石蠕变特性的影响，假定温度、围压和时间与损伤变量之间的关系满足负指数形式，进而将改进西原模型中蠕变参数进行非定常化，得到一种新型的岩石温度-围压耦合的时效性蠕变模型。结果表明：在不同温度作用下温度-围压耦合的时效性蠕变模型曲线与试验曲线有良好的吻合度，该模型不仅较好地描述岩石的衰减蠕变变形和稳定蠕变变形，也较好地反映了岩石在加速蠕变阶段的变形特性。同时，该模型很好地验证了温度、围压和时间对岩石蠕变特性的影响，进而也证明了所建立模型的正确性与合理性。
2021 Vol. 40 (8): 124-131 [
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132
脉冲型地震作用下重力坝整体损伤破坏研究
翟亚飞, 张燎军, 崔丙会, 毕仲辉, 张汉云
DOI: 10.11660/slfdxb.20210814
已有研究表明，脉冲型地震动对结构抗震安全具有显著影响。目前，对脉冲型地震动作用下混凝土重力坝整体损伤特性则缺乏研究。基于Koyna重力坝工程实例，建立了能够合理反映坝体混凝土、坝基岩体动态损伤演化过程的多耦合仿真模型；从NGA-West2强震数据库中选取脉冲型和非脉冲型地震动记录，并比较分析了其反应谱特征；研究了脉冲型地震动作用下重力坝整体损伤演化规律，包括损伤区域、耗能特征和位移响应等。结果表明：脉冲型地震动对混凝土重力坝坝体和地基的整体损伤破坏有显著影响，能够引起重力坝体系较大的能量耗散和位移响应；地震动结束后，经受脉冲型地震动作用的重力坝坝头部分残余变形明显大于非脉冲型地震动，对坝体下部残余变形影响较小。
2021 Vol. 40 (8): 132-140 [
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