水力发电学报
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2022年 41卷 10期
刊出日期：2022-10-25
1
金沙江下游水电站数字混凝土研究与应用
何殷鹏, 张梦溪, 李文伟, 闵巧玲, 田丹, 沈扬, 李明超
DOI: 10.11660/slfdxb.20221001
针对我国高混凝土坝建设“安全、高质、高效、经济、绿色”的目标，本文首先将数据驱动和机理驱动相结合，提出了融合信息与机理的数字混凝土技术，探讨了国内外已有数字混凝土理论的区别，建立了混凝土材料的数字孪生体；其次，根据数字混凝土架构从智能分析数据库、骨料生成与投放和水化动力特性赋能角度展开论述，诠释了数字混凝土构建与赋能过程，并回顾各种赋能技术的研究进展；随后，依托金沙江下游溪洛渡、向家坝和乌东德高混凝土坝，从数据抢救、高掺粉煤灰联合筑坝技术、低热水泥筑坝技术阐述数字混凝土的应用探索；最后对技术难点和应用前景进行总结。本文所提出的数字混凝土是混凝土材料另一个维度上的再现，能够联系纳-微-细-宏观角度结构性能演化机理进行跨尺度联动分析，从材料层次为大坝智能建设提供可靠的数据支撑和决策依据。
2022 Vol. 41 (10): 1-17 [
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18
帷幕灌浆量区间预测的Bootstrap-IGWO-SVM模型研究
李凯, 任炳昱, 关涛, 余佳, 王佳俊
DOI: 10.11660/slfdxb.20221002
由于帷幕灌浆注灰量预测过程中存在地质参数、预测模型和输入数据的不确定性，传统的点预测结果存在误差，并且难以对不确定性进行量化。针对上述问题，本研究提出基于Bootstrap方法和改进灰狼算法的支持向量机（Bootstrap-IGWO-SVM）的帷幕灌浆量区间预测模型，量化了预测模型的不确定性。首先通过Bootstrap算法对初始训练集抽样生成样本数据集；其次，通过灰狼优化算法对惩罚因子C、RBF核函数方差g和损失因子p进行参数寻优，提高SVM算法的预测精度；再次，利用非线性收敛因子、动态权重因子、概率混沌图谱和Levy飞行对灰狼算法进行改进，解决灰狼算法局部搜索和全局搜索的平衡问题；最后，对构建的数据集分别使用IGWO-SVM算法和随机森林方法分别预测得到系统误差和随机误差，并将两者累加得到总体误差，进而通过构建正态分布模型得到注灰量区间预测结果，实现了预测模型不确定性的量化。结果表明，改进的IGWO-SVM的预测精度为RMSE = 85.32，R2 = 0.53，MAE = 45.64，相比GWO-SVM方法（RMSE = 96.58，R2 = 0.40，MAE = 48.45）明显提升，相比BP神经网络算法（BPNN），极限学习机（ELM）存在明显精度优势；在置信度为99%下预测区间覆盖率（PICP）、预测区间宽度（MPIW）和宽度综合指标（CWC）分别为98.71%、363.59 kg/m、363.59 kg/m。
2022 Vol. 41 (10): 18-29 [
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30
白鹤滩坝肩边坡开挖爆破损伤预测研究
孙鹏昌, 卢文波, 杨招伟, 孟海利, 薛里
DOI: 10.11660/slfdxb.20221003
岩石高边坡开挖爆破损伤预测是爆破振动安全控制的重要基础。通过理论分析研究了岩体损伤与岩体固有频率之间的关系，提出了基于岩体固有频率变化的边坡开挖爆破损伤预测方法，基于现场爆破振动监测和声波测试开展了白鹤滩右岸坝肩边坡开挖爆破损伤预测研究。结果表明，岩体固有频率变化率与岩体损伤深度之间存在显著线性关系，边坡开挖爆破损伤预测模型随数据样本增加而动态调整并趋于稳健，白鹤滩水电站右岸坝肩边坡各梯段开挖爆破下岩体损伤深度的Bayesian LASSO预测结果低于实际观测值的概率均高于0.83，Bayesian LASSO预测结果以概率形式涵盖实际观测结果，能显示预测结果的不确定性，提出的预测方法应用效果良好。
2022 Vol. 41 (10): 30-41 [
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42
白鹤滩水电站蓄水过程左岸厂区渗控效果评价
邱钦焱, 荣冠, 谭尧升, 张胡琦, 徐李达
DOI: 10.11660/slfdxb.20221004
白鹤滩水电站左岸地质条件复杂，发育层间错动带、层内错动带和柱状节理玄武岩等软弱地质结构。左岸厂区布置大规模的防渗排水系统，合理有效地评价其渗控效果对水电站的安全运行有着重要的指导意义。结合2021年4月—2022年3月蓄水过程的监测成果分析白鹤滩水电站左岸厂区渗流规律，评价渗控效果。结果表明：左岸厂区最大渗流量为1249.14 L/min，总渗流量明显受上游水位变化影响，第3、7层排灌廊道渗流量占总渗流量的69.5%。防渗帷幕部位的压力水头随高程的降低而增加，C2位置压力水头明显增大。结构面C3、C3-1、C2和LS3152是渗透薄弱部位，其渗流量较大，渗压水位随上游水位变化明显，容易成为渗漏通道。从整体上看，厂区的排水孔幕能有效消减压力水头，总渗流量维持在合理范围内，总体渗控效果良好。
2022 Vol. 41 (10): 42-52 [
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53
溪洛渡拱坝内部温度预测的串并混联融合模型
刘畅, 李庆斌, 胡昱, 马睿
DOI: 10.11660/slfdxb.20221005
准确、可靠、高效地预测反映大坝工作性态的关键变量对大坝安全建设与运行具有重要作用。本文针对大坝全过程温度场分析预测问题，构建了机理与数据驱动的串、并混联式融合模型，以溪洛渡大坝工程为例对大坝内部温度进行了预测建模。在串联融合中，采用营地链方法及主成分分析的辅助技术对大坝材料的热传导系数进行反演分析，以获得经参数优化后的机理模型响应输出。在并联融合中，利用解释因子法以及线性-高斯模型，建立了从优化的机理模型到实际监测数据的预测模型。试验表明，解释因子串并混联融合模型受益于机理模型的解释能力及线性-高斯模型的预测优势，可对测试数据的波动做出较准确的预测，并具中长期预测优势。串联模型相对于原始机理模型的整体预测误差缩减了13%，串并混联模型相对于串联模型的预测误差缩减了81%。
2022 Vol. 41 (10): 53-63 [
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64
金沙江下游梯级库群为核心的综合交通系统——系统构建及其微观动力特征
刘可晶, 吴保生, 王永强, 钟德钰
DOI: 10.11660/slfdxb.20221006
为加强梯级水库的综合作用，追求运输利益的最大化做到不同交通体系之间的无缝连接，配合水库的综合调度，基于综合交通系统理论提出了一套以通航枢纽作为集散中心地、配合中心地服务范围内的道路交通网络的水陆耦合集散交通系统。以金沙江下游准备建设的四个梯级水库所在区域为对象进行了模型应用，在区域经济增长率保持在7%的假设下，得到2015—2050年这一地区的航运交通影响范围和货运量、货运经济效益区间，发现在这一地区梯级水库的在区域交通经济中能起到很大作用，且这种影响随着梯级的完建增强。集散交通系统货运量及扩散面积与梯级水库日调度之间存在关系，水库调度对整个系统有脉冲式作用，累计影响货运扩散。将扩散面积随日调度逐渐变化的过程作为系统的微观特征，以一个符合运行标准的调度方案作为金沙江下游水陆耦合集散交通系统分别在建成两库和四库完建时的日尺度变化情景，基于集散交通系统微观尺度特征的脉冲微分系统如可获得渐近稳定解，此时的控制策略（即调度方案）是系统的最优脉冲收获策略，也即最有利于集散交通系统物资扩散的相对交通最优调度方案。所采用的调度方案不能使系统获得渐进稳定解，因此该方案还不是交通最优调度方案。
2022 Vol. 41 (10): 64-85 [
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86
水电站运维本体知识库构建及应用
张彬桥, 杨文娟, 葛苏叶, 董晓英
DOI: 10.11660/slfdxb.20221007
针对水电站运行管理中大量多源异构的结构化和非结构化文本资料难以有效管理和复用难题，将基于本体的知识建模引入到水电站运维知识管理和知识服务中，定义了基于本体的知识表示模型并详细构建了水电站设备运维、故障预警、应急预案三大典型业务领域本体知识表示实例和本体知识库，提出本体综合相似度计算方法，并以该算法为基础实现了本体驱动的水电站知识检索、预测预警和应急演练可视化应用。通过实际工程案例展示验证了基于本体的水电站运维知识库构建方法及关键技术的可行和有效性，提升水电站知识管理和应用水平。
2022 Vol. 41 (10): 86-98 [
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高拱坝施工的SD-ABMS混合仿真建模研究
任炳昱, 李东, 关涛, 殷亮
DOI: 10.11660/slfdxb.20221008
针对现有的高拱坝施工仿真多采用离散事件仿真（discrete event simulation，DES）这一建模方法，难以从微观层面精细地描述大坝施工复杂系统中的个体行为，同时仿真模型缺乏对关键连续因素的复杂作用关系进行定量分析的问题，提出高拱坝施工的SD-ABMS混合仿真建模方法。首先采用基于多智能体的仿真与建模方法（agent-based modeling and simulation，ABMS），依据高拱坝施工流程，抽象出拌和楼、自卸汽车、缆机、施工仓面四种Agent和详细的混凝土转运过程，对各Agent的行为以及它们之间的相互作用进行建模；同时，对影响施工效率的各种连续因素，基于系统动力学方法（system dynamics，SD）进行建模，定量分析疲劳、熟练度等连续影响因素对施工效率的影响；最后，以工作时间、缆机循环时间等为接口变量，建立高拱坝施工的SD-ABMS混合仿真模型。工程应用表明，与传统DES模型以及单一ABMS模型相比，仿真结果与工程实际偏差率分别平均缩小了4.83%和3.5%，为高拱坝施工过程精细化仿真分析提供了新的思路。
2022 Vol. 41 (10): 99-111 [
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112
联合聚类方法和深度学习的混凝土坝变形预测
林川, 王翔宇, 苏燕, 张挺, 陈泽钦
DOI: 10.11660/slfdxb.20221009
混凝土大坝变形预测对其安全运行具有重要意义，针对传统分析方法难以捕捉长期序列时序特征从而导致预测精度较低的问题，本文采用麻雀优化算法（SSA）和K调和均值算法（KHM）相结合对监测值进行聚类以捕捉序列时序特征，然后采用自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）等方法对聚类结果进行降噪处理，最后采用长短期记忆（LSTM）模型对序列进行预测。分析结果表明，本文所提出的聚类方法具有较好的长序列特征识别能力，结合基于CEEMDAN分解方法去除序列中存在的冗余信息，从而使LSTM模型能够更好地捕捉变形值的时序特性，进而提高预测精度。所提模型具有较好的精度和适应性，可为大坝变形预测提供一种有效方法。
2022 Vol. 41 (10): 112-127 [
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沥青混凝土心墙砂砾石坝耐震时程法性能评估
张社荣, 杜敏, 王超, 佘磊, 李佳蓓, 王明
DOI: 10.11660/slfdxb.20221010
为研究耐震时程分析法在沥青混凝土心墙砂砾石坝抗震性能评估中的适用性，以典型百米级沥青混凝土心墙砂砾石坝为研究对象，基于目标反应谱优化合成的4条耐震加速度时程曲线作为地震动输入，同时选取10条实测地震动进行增量动力分析，对比研究该沥青混凝土心墙砂砾石坝在不同强度地震作用下的坝顶加速度、动位移、相对震陷率等动力响应指标。结果表明：耐震时程分析法能较好预测沥青混凝土心墙砂砾石坝在不同强度地震作用下的动力响应，其结果处于增量动力分析结果的包络线之内，有效避免了多次调幅计算，提高了计算效率，能为我国西部沥青混凝土心墙砂砾石坝的抗震性能评估提供更高效可行的新方法。
2022 Vol. 41 (10): 128-139 [
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土石坝坝基液化土层置换材料关键参数优化
陈莹波, 李明超, 任秋兵, 杨琳, 赵宇
DOI: 10.11660/slfdxb.20221011
土石坝地震液化可能会引起结构失稳、地基失效等问题，严重威胁工程安全，需要设计采用土层挖除置换的抗液化措施。现有土层置换方案往往根据工程经验进行设计，缺少置换材料的定量化优化分析。本文提出了考虑地震作用下土石坝坝基液化土层的置换材料关键参数优化分析方法，基于实际工程数据，通过数值仿真对土层置换材料进行了优化分析，揭示了置换材料孔隙率、密度、体积模量与剪切模量、黏聚力与内摩擦角四组参数变化对液化的影响规律。结果表明，在土体参数常见取值范围内，孔隙率与密度过小或过大的方案的抗液化效果均较差，模量、内摩擦角较大的方案抗液化效果更好；通过方案比选优化，获得了抗液化效果关键参数的优化数值。随后基于优化参数进行模拟分析，实际工程坝体竖向位移总体得到有效改善，下游坝坡坡率优化率达53.9%，动力计算末液化体积残余值优化率达69.6%。所提出的方法为土石坝置换材料的优化分析提出一种可行手段，对于提高土石坝抗液化性能具有参考意义。
2022 Vol. 41 (10): 140-151 [
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混凝土坝位移FEM-HST混合预测模型研究
刘昌伟, 周天宇, 费新峰, 孔庆梅, 王进廷, 潘坚文
DOI: 10.11660/slfdxb.20221012
开展大坝安全监控模型的研究可以对监测异常值进行预警，有助于监测大坝的运行状态，保障其安全运行。本文基于混凝土坝的监测数据，结合有限元（FEM）分析和传统的混凝土坝位移统计分析（HST），建立混凝土坝长期运行位移FEM-HST混合预测模型，其中水压分量通过有限元计算获得，有限元模型的材料参数根据实际测点监测数据反演得到；温度分量采用简谐温度模型；时效分量采用时间的线性函数和对数函数的线性组合统计模型。所建立的FEM-HST混合模型显著改进了HST模型的预测精度和稳定性，可反映大坝和地基的结构和材料特性，能够更好预测极端荷载工况下大坝的位移，这有助于监控大坝在极端工况下的工作性态。
2022 Vol. 41 (10): 152-159 [
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160
旋流排沙渠道体型优化的正交数值试验方法和应用
南军虎, 罗涵, 马康宁, 高欢, 汪超群
DOI: 10.11660/slfdxb.20221013
为优化多泥沙河流引水渠道内的泥沙级配，实现泥沙分选的效果，提出了一种新型旋流排沙渠道。基于数值模拟与模型试验结果，采用正交数值试验方法，以分流比与排沙洞典型断面的流速为目标函数，优化了旋流排沙渠道的关键体型参数，对比分析了体型优化前后旋流排沙渠道的水沙特性。结果表明，正交数值试验设计能有效提升结构的优化效率，获得具有良好性能的旋流排沙渠道。当渠道来流量为30 L?s-1时，优化体型的排沙耗水量较原体型减小21.5%，分流比减小4.6%，排沙洞出口断面最大流速增大10.8%，水流的挟沙能力增强，在排沙洞内形成更有利于泥沙运动的旋转水流条件；体型优化前后的旋流排沙渠道对粒径为0.075 ~ 3.0 mm泥沙的总体截沙率分别高达90%和88%，表明旋流排沙渠道具有良好的排沙特性，且优化体型排沙洞内的泥沙淤积量较原体型减小61.8%。本成果可为这种新型旋流排沙渠道体型优化和其在引水渠道等工程中的应用提供参考。
2022 Vol. 41 (10): 160-169 [
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