水力发电学报
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2022年 41卷 8期
刊出日期：2022-08-25
1
荆江段抛石护岸稳定性计算及其影响因素分析
夏军强, 周悦瑶, 邓珊珊, 周美蓉
DOI: 10.11660/slfdxb.20220801
针对长江中游荆江段已护岸段的工程水毁问题，本文考虑单个块石起动及整体滑移破坏两种水毁模式，提出了基于力学过程的抛石护岸工程稳定性计算模型。以荆江北门口河段的两个典型断面为例，采用该模型计算了2017年8月—2018年10月水下抛石护岸工程的水毁破坏过程，定量分析了近岸流速、床面冲淤幅度、块石粒径及水下岸坡坡度对抛石护岸坍塌比的影响。结果表明：计算时段内抛石护岸工程总体上处于较稳定的状态，坍塌比均值仅为5%；坍塌比随近岸流速的增加而增加，当平均流速超过一定临界值时，坍塌比急剧增加，且块石团休止角越大，该临界值越大；坍塌比也随河床冲刷深度的增大而增大，且同样在特定冲刷深度下会出现急剧增加的变化趋势；随着块石粒径的增加和水下自然坡度变缓，抛石的坍塌比逐渐减小，且水下坡度缓于1:2.0的抛石护岸工程稳定性较高。
2022 Vol. 41 (8): 1-11 [
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12
偏流条件下潮流能水轮机的熵产特性评估
宋科, 杨邦成, 段维华
DOI: 10.11660/slfdxb.20220802
部署在开阔水域的潮流能水平轴水轮机经常不可避免处于偏流中并造成一定的负面影响，为了研究其在偏流条件下的熵产及水力特点，通过求解雷诺平均（RANS）方程并结合熵产理论对一水平轴潮流能水轮机进行了三维数值模拟研究。结果表明，随着偏流角的增大，涡轮机的输出功率及推力逐渐减小，最高点所对应的尖速比（TSR）逐渐向低位移动，同时输出功率及推力的波动幅度变大。在相同的偏流角下，熵产随TSR的增大而增大。在不同的偏流角下，熵产在较低的TSR下随偏流角的增大而减小，而在较高的TSR下随偏流角的增大而增大。增加偏流角同样也会导致熵产波动幅度的变大。此外，流场分析表明偏流角决定了下游尾迹的偏转方向并显著改变了尾迹形状。大部分的熵产出现在水轮机的叶尖和轮毂后方，这是因为此处形成了较大范围的流动分离和涡流，这也是导致水轮机出现高熵产的主要诱因。研究结果揭示了水平轴水轮机在偏流条件下的熵产和水力特点并准确定位了熵产集中区域，为水平轴水轮机的优化设计提供了一定的参考依据。
2022 Vol. 41 (8): 12-19 [
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20
典型半潜式平台结构的微振子捕能特性研究
房志杰, 刘延俊, 薛钢
DOI: 10.11660/slfdxb.20220803
半潜式平台在海洋资源开发领域应用前景广阔，但存在平台设备能源供给不足的问题。本研究把常见的半潜式平台简化为三种典型的浮式基础，将波浪能发电装置集成至浮式基础，建立浮式基础与浮子耦合的运动方程，利用水动力仿真软件AQWA开展数值模拟和参数化分析，获得了波浪方向、浮式基础的截面形状、浮子直径以及浮子与浮式基础间距等因素对浮子捕能特性的影响规律。结果表明，四棱柱浮式基础在特定波浪方向下能够增强微阵列浮子的捕能效果，三棱柱浮式基础使微阵列浮子更好地适应各个方向的波浪激励，圆柱浮式基础以遮蔽效应为主，较大程度上减弱了浮子的捕能特性；不同波浪方向对四棱柱浮式基础、三棱柱浮式基础周围的浮子影响较大，而对基于圆柱浮式基础的微阵列浮子影响不大；通过增加浮子的直径以及浮子距圆柱浮式基础的距离，能够有效提高微阵列浮子平均输出功率。本研究可为半潜式平台与波浪能发电装置的集成提供参考。
2022 Vol. 41 (8): 20-29 [
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30
移动网格下黄河下游游荡段二维水沙数值模拟
张志鸿, 彭杨, 罗诗琦, 姚礼双
DOI: 10.11660/slfdxb.20220804
本文针对游荡型河道水沙数值模拟中岸滩崩塌引起的网格移动问题，采用任意拉格朗日-欧拉方法，在正交贴体坐标系中建立了移动网格下的黄河下游游荡段平面二维非恒定水沙数学模型，同时为使移动网格情况下水沙运动控制方程满足几何守恒律，推导了正交贴体坐标系下网格运动项的计算公式，并采用基于弧长的超限插值法，提出了一种能追踪河岸边界变化的网格移动计算方法。最后采用黄河下游花园口至高村河段2013年实测水沙资料对模型进行验证，结果表明，本模型能较好地模拟出计算河段的水沙输移、滩槽冲淤分布和岸滩冲刷后退过程，所建模型可用于黄河下游游荡型河道水沙运动和滩槽演变模拟。
2022 Vol. 41 (8): 30-41 [
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42
水风光互补适应性调度的集合卡尔曼滤波方法
刘哲源, 刘攀, 李赫
DOI: 10.11660/slfdxb.20220805
水风光互补是实现能源转型、助力碳中和的重要途径。传统的水风光互补中长期调度模型，忽略了气候变化和人类活动引起的水风光资源变异，得到的静态调度规则难以适应变化环境。为此，本研究采用集合卡尔曼滤波技术开展适应性调度研究。首先进行确定性优化调度，得到最优运行轨迹；其次识别调度函数的决策变量与自变量，构建线性调度函数；最后采用集合卡尔曼滤波动态更新调度函数的参数，形成适应性调度规则。以锦屏一级水电站及周边风、光电站为实例，研究表明适应性调度规则较常规调度和静态调度，在检验期年均发电量分别提高6.45亿kW·h和0.53亿kW·h，说明论文所提方法可有效追踪最优轨迹的变化来适应变化环境。
2022 Vol. 41 (8): 42-53 [
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54
数据挖掘技术在洪水预报实时校正中的应用
陈鑫, 刘艳丽, 张建云, 曹孟, 贺瑞敏, 金君良, 王国庆, 鲍振鑫
DOI: 10.11660/slfdxb.20220806
实时校正作为提升洪水预报精度的最后一道屏障，是洪水预报的重要组成部分。针对洪水过程与洪水要素校正效果较差的问题，以横江屯溪以上流域为例，在对流域历史洪水数据的降雨径流序列与洪水特征值遴选的基础上，构建了暴雨洪水特征库，提出了一种结合卡尔曼滤波和K最邻近结点算法的联合实时校正方法。结果表明：相较于模型未校正及单一校正方法，联合实时校正方法在减少洪水预报过程中的洪峰预报误差、洪量预报误差及峰现时间误差上更为有效，预见期在6 h及以下时仍可以保持较好的稳定性与准确性。此方法对于提高中小河流洪水预报精度、有效预警和防灾减灾等方面都具有重要作用，同时对研究区域洪水特征具有一定参考价值。
2022 Vol. 41 (8): 54-62 [
摘要
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63
日降水场分解的典型解集模型及应用
李新, 金凌, 陈元芳
DOI: 10.11660/slfdxb.20220807
高时空分辨率的降水数据对汇流时间短的城市流域及小流域的连续水文模拟而言至关重要。本文采用单站点、区域及多站点三种典型解集模型对南京及其周边地区9个气象站1983—2012年汛期（5—9月）日降水量进行分解，构建南京地区小时随机降水场；在此基础上，基于多种评估指标（包括统计分布特征、极值分布、空间相关性、日内干湿统计特征等）对三种典型解集模型的模拟性能进行综合评估。结果表明：三种典型解集模型均能很好地模拟南京地区小时降水场的统计分布特征、降水极值及日内干湿统计特征。三种模型中，仅有多站点联合解集模型能重建观测小时降水场的空间相关性，更适合分布式水文模拟。本文的研究成果可为城市地区的降水径流模拟提供参考。
2022 Vol. 41 (8): 63-76 [
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77
滦河流域遥感降水降尺度多时间特性分析
董甲平, 冶运涛, 顾晶晶, 曹引, 段浩, 赵红莉, 蒋云钟
DOI: 10.11660/slfdxb.20220808
为提高卫星降水产品空间分辨率以满足精细水文研究需要，以滦河流域为研究对象，针对在中国区域精度较高的全球降水观测计划多卫星降水产品（IMERG），使用NDVI、DEM、坡度、坡向、经纬度和降水关系，构建了一种基于卷积神经网络的降水降尺度模型，探讨了模型在年、季、月和旬的表现及模型参数的变化情况。结果表明：降尺度结果与原始数据相比，年、季、月降尺度结果的相似指数分别超过0.94、0.89和0.69，旬尺度也能有效表征降水情况；与中国日降水站点分析产品（CGDPA）相比，年、季、月和旬降尺度结果的平均相似指数分别为0.58、0.78、0.68、0.47；模型参数的相似度会随着模型层数的深入逐渐增大。证明该模型具有良好的收敛性，在流域范围的降尺度应用方面具有良好的潜力。
2022 Vol. 41 (8): 77-91 [
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92
砾石土心墙摊铺CA-BINN动态路径规划模型研究
孙加恩, 王佳俊, 余佳, 王晓玲, 李其虎, 林威伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20220809
现有砾石土心墙摊铺作业路径多采用静态规划，未能考虑推土机、自卸汽车等复杂作业环境障碍物的动态变化。针对上述问题，本文提出了一种考虑复杂动态作业环境的砾石土心墙摊铺CA-BINN动态路径规划模型。该模型基于元胞自动机（cellular automata，CA）建模理论，将实时感知的复杂作业环境数据抽象为动态障碍物、摊铺厚度等元胞状态以实时重构动态施工环境；并以元胞状态信息作为生物激励神经网络（biological inspired neural network，BINN）算法的外部输入，同时重构CA框架下BINN算法的神经活性值计算分流方程，实现多料堆整体摊铺作业动态路径规划。其中，单料堆摊铺作业采用以摊铺平整度、无效路径比等指标为目标函数，并结合现场三刀法（三次推移料堆）施工工艺提出的三刀法CA规则实现动态路径规划。工程应用结果表明：所提模型不仅能够在复杂动态作业环境下表现出高安全性、高适应性，而且相较于静态规划模型，路径长度、转折次数和无效路径比分别降低1.9%、42.9%和48%，摊铺平整度提高7%；相较于人工作业，摊铺平整度提高28%，无效路径比降低47%，有效改善了摊铺质量和摊铺效率。
2022 Vol. 41 (8): 92-103 [
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104
温度对水工沥青混凝土弯曲性能影响的试验
韩群柱, 宋戈, 张应波, 宋洪林, 宋庆象
DOI: 10.11660/slfdxb.20220810
本文针对-30℃~ 25℃温度条件下的水工沥青混凝土开展了小梁弯曲试验，重点分析温度对水工沥青混凝土面板的各项力学性能指标的影响。试验结果表明：（1）温度对水工沥青混凝土的应力-应变特性有着密切关系。在-30℃~ 0℃温度区间，应力-应变曲线近似成线性关系，试件的应力达到峰值后发生断崖式下跌，呈脆性破坏；在0℃~ 25℃温度区间，试件应力达到峰值后经历一定程度的塑性变形后断裂，呈延性破坏。（2）水工沥青混凝土随着温度升高，其抗弯强度、弯曲模量逐渐降低，变形能力提高；随着温度的降低，峰值应变减小。（3）研究提出的经验公式较好反映了水工沥青混凝土在不同温度条件下弯曲性能的变化特性，与试验结果吻合较好。
2022 Vol. 41 (8): 104-112 [
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土石坝掺砾心墙料的击实特性研究
丁飞, 张延亿, 杨剑, 樊恒辉, 邓刚, 张茵琪
DOI: 10.11660/slfdxb.20220811
心墙土料的击实特性能够反映实际工程建设时的压实效果。本文选择一种风积土料和花岗岩砾石料，开展不同含水率、不同掺砾比例及不同击实功等条件下的击实特性试验研究，探索掺砾土料击实干密度与含水率、掺砾比例及击实功之间的关系。试验结果表明：随着含水率的增加，掺砾土料的击实曲线呈先增后减的抛物线型关系；随掺砾含量增大，重型击实功条件下掺砾土料的击实干密度呈现先增后减的变化规律；随掺砾含量增大，轻型击实功条件下掺砾土料的击实干密度近似成比例线性增加；对相同掺砾比例的掺砾土料，随击实功能的增大，其击实干密度逐渐增大，并最终趋于收敛。
2022 Vol. 41 (8): 113-120 [
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大坝混凝土凝结过程的超声波联合测定方法
崔博, 王梓钧, 刘长欣, 任炳昱
DOI: 10.11660/slfdxb.20220812
新拌混凝土的凝结状态测定对大坝混凝土施工质量控制至关重要。传统的混凝土凝结时间测定方法是贯入阻力法，该方法为有损监测且难以实现对混凝土凝结过程的连续、实时监测。新兴的超声波无损监测主要采用单一的透射法或反射法，然而，反射法受入射角度影响较大、透射法存在波速的计算需要人工精准确定首波出现时间的问题。针对上述问题，本文提出了超声波透射-反射联合测定方法，并以此开展混凝土凝结状态的监测试验研究，构建基于L-M（Levenberg-Marquaredt）算法的神经网络模型，并以能量指标确定的时间点数据集进行训练，用以精确计算大坝混凝土凝结时间。将该方法用于C25大坝混凝土的凝结试验中，并同基于能量分析的反射法、透射法和基于波速分析的透射法进行了对比。结果表明：本文所提的方法相比上述方法计算所得凝结时间的最大相对误差降低了2.5% ~ 18.7%，且计算所得初凝时间和终凝时间与真实值的相关系数分别为0.89和0.96，验证了超声波透射-反射联合法的准确性。本文提出的“透射-反射”联合法能够准确监测大坝混凝土凝结过程，可为大坝混凝土施工质量控制提供新的有效手段，具有重要的理论意义与实用价值。
2022 Vol. 41 (8): 121-133 [
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面向混凝土裂缝检测的级联神经网络算法研究
张辉霖, 李登华, 丁勇
DOI: 10.11660/slfdxb.20220813
针对传统深度学习的裂缝检测方法在复杂环境下鲁棒性低、边缘区域识别精度差、损伤量化结果误差大的问题，本文提出一种复杂环境下基于级联神经网络的混凝土裂缝检测方法。该方法分为三步：第一步利用改进的语义分割模型对复杂环度参数获取算法计算裂缝宽度。试验结果表明，相较于传统裂缝识别方法，本文方法在精确率、召回率、准确率、F1分数和交并比五项评价指标上均有提升，且总体检测准确率在95%以上，能实现复杂环境下境下的裂缝进行初步识别，判断图像中裂缝的大致感兴趣区域；第二步采用本文所提基于金字塔池化的掩膜优化方法对粗分割图像进行优化，精确捕获裂缝边缘上下文信息；第三步采用二维码靶标的图像像素解析度和裂缝宽混凝土裂缝的检测与定量分析。
2022 Vol. 41 (8): 134-143 [
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渡槽在复合随机作用下的输水功能可靠性研究
张威, 王博, 徐建国, 黄亮
DOI: 10.11660/slfdxb.20220814
钢筋混凝土渡槽结构在各类随机因素影响下的可靠性对调水工程的安全运行至关重要。本文基于结构随机动力学与损伤破坏分析领域的最新成果，提出了渡槽结构的复合随机动力分析方法，能够将来自渡槽结构参数的随机性和地震激励的随机性进行合理统一考虑。进一步提出渡槽输水功能可靠性指标，建立其在复合随机作用下的输水功能可靠性计算方法。以运行中的关帝庙渡槽为例，系统开展了渡槽在考虑不同随机因素影响下的输水功能可靠性研究。结果表明，钢筋混凝土渡槽在复合随机作用下的随机动力响应与仅考虑地震激励随机性的计算结果相比具有更显著的变异性，同时钢筋混凝土渡槽可靠性水平分析结果也有所降低；地震激励随机性对渡槽结构响应和可靠性的影响明显大于材料参数随机性的相应影响；在计算渡槽结构输水功能可靠性时全面考虑以上两种随机因素的复合影响是十分必要的。
2022 Vol. 41 (8): 144-152 [
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