水力发电学报
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2022年 41卷 12期
刊出日期：2022-12-25
1
筒型基础风机结构振动特性及减振研究
练继建, 周欢, 董霄峰, 江琦, 姜军倪
DOI: 10.11660/slfdxb.20221201
筒型基础在我国海上风电工程中已推广应用，探究其在实际工程中的表现，是保证风机安全的关键。本文针对筒型基础风机结构的振动位移进行原型监测，并以单桩基础风机作为对照。首先基于风机实测自振频率，采用遗传算法拟合基础刚度，然后统计并对比两种基础风机的振动水平。结果表明：两种基础的水平刚度相差7%，筒型基础的旋转刚度是单桩的10倍；风速小于6 m/s时，筒型基础风机位移大，大于6 m/s时，单桩基础位移大；3P共振导致小风速下筒型基础位移较大，通过优化运行策略，减小振动位移最大达54.4%。筒型基础在抗倾稳定性和振动响应控制方面具有优势。
2022 Vol. 41 (12): 1-9 [
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10
土石坝掺砾心墙料的压缩特性研究
张延亿, 丁飞, 李建, 樊恒辉, 邓刚, 陈含
DOI: 10.11660/slfdxb.20221202
土石坝施工完成后的坝体沉降变形是工程上重要的关注点。本文选用一种风积土料和一种花岗岩砾石料，对掺砾土料的压缩特性开展试验研究，探讨掺砾比例、应力等级以及压实度对掺砾土料压缩特性的影响规律。试验结果表明：心墙土料掺砾后压缩性有着明显的改善，土料压缩模量随竖向应力的增大而提高，但随着竖向应力的持续增大，压缩模量的增加速度逐渐减小；掺砾比例和压实度均对土料压缩模量有较为明显的影响，随着掺砾比例和压实度的增加，压缩模量基本呈现随之提高的变化规律，但也发现过高的掺砾比例将会因砾石受到竖向应力产生颗粒破碎而使压缩模量降低；掺砾土料的孔隙比随竖向应力的增大而减小，低应力条件下孔隙比减小的速率较快，高应力条件下孔隙比减小速率下降并趋于稳定；结合掺砾后压缩模量的变化规律，对坝体不同高度处心墙掺砾比例的优化调整进行了探讨。
2022 Vol. 41 (12): 10-18 [
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19
水利工程建设监理激励机制
张惠聪, 刘扬, 张继英, 熊谦, 康延领, 唐文哲
DOI: 10.11660/slfdxb.20221203
激励机制是促进水利工程项目管理的重要手段，业主如何提升对水利工程建设监理的激励效果，从而更好地监控项目实施，值得重视。现有文献主要聚焦于激励资源或激励措施某单一激励因素对监理激励成效的影响，系统性不足并缺乏实证支持。本文基于宁夏水利工程实证研究数据，针对现阶段我国水利工程建设监理激励机制存在的普遍问题和主要影响因素，构建并验证了水利工程建设监理激励模型，揭示了激励资源、激励措施、激励实施和激励成效间的作用机理，以促进我国水利建设监理水平提升。提出了水利工程建设监理绩效评价与激励实施体系，激励资源和激励措施需要充分与监理学习创新、项目过程和项目结果相结合，从而使激励更好地指导建设监理工作、调动监理工作积极性以及提升项目绩效。为提升水利工程建设监理激励成效，应采取以下措施：完善监理绩效评价体系；丰富激励资源；发挥激励措施对监理工作的指导作用。
2022 Vol. 41 (12): 19-26 [
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27
动态扰动下高心墙堆石坝无人碾压BOA-PID循迹控制
时梦楠, 王晓玲, 王佳俊, 崔博, 关世伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20221204
无人碾压机精准循迹控制对确保压实质量意义重大。然而，高心墙堆石坝具有坝料粒径分布广且松铺厚度不均匀等特征，导致坝面不平整且异质性强，对无人碾压机循迹控制造成动态扰动。传统的比例积分微分（proportion integral derivative，PID）控制算法采用固定参数进行纠偏控制，难以快速纠正动态扰动导致的循迹偏差。针对上述问题，本文以蝴蝶优化算法（butterfly optimization algorithm, BOA）动态优化PID控制参数，提出BOA-PID无人碾压机循迹控制方法。首先，构建车身倾斜模型以修正坝面不平整条件下无人碾压机的定位误差；其次，基于运动学模型动态预测无人碾压机的纠偏距离；再者，以最小化纠偏距离为目标函数，采用BOA动态优化PID算法的比例、积分和微分参数；最后，以参数优化的PID计算无人碾压机的转向控制量，从而克服动态扰动，实现高心墙堆石坝复杂条件下的快速纠偏。本文结合中国西南两河口大型水利水电工程开展仿真与实地实验，以验证所提出方法的有效性和先进性。结果表明，BOA-PID的纠偏能力优于GA-PID（genetic algorithm）、PSO-PID（particle swarm optimization）、DA-PID（dragonfly algorithm）和传统PID，且所提出方法能够实现高心墙堆石坝复杂条件下无人碾压机的精准循迹控制，堆石料（4.44 cm）和心墙料（3.32 cm）碾压的平均循迹误差均小于5 cm。
2022 Vol. 41 (12): 27-37 [
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38
硫酸盐干湿循环下带冷缝混凝土能量演化研究
门博, 覃源, 寇佳亮, 党发宁, 梁达, 时乐, 周恒
DOI: 10.11660/slfdxb.20221205
为探究硫酸盐干湿循环作用下带冷缝混凝土受荷作用时的能量演化规律，制作了整浇和浇筑间隔0.25 d、0.5 d、1 d、7 d和28 d的带冷缝混凝土，基于单轴压缩实验及能量计算原理，研究了硫酸盐干湿循环对带冷缝混凝土强度和能量演化规律的影响。结果表明：带冷缝混凝土强度及损伤应力和峰值应力处弹性应变能与耗散能均随干湿循环呈先增大后减小的趋势，随着新混凝土与母体浇筑间隔的增加呈现减小的趋势；随着干湿循环次数的增加，损伤应力处储能水平Kad先减小后增加，说明损伤应力处储能水平越高，带冷缝混凝土越容易产生损伤，Kad可以作为混凝土破坏的预警指标。
2022 Vol. 41 (12): 38-49 [
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50
谷幅收缩与库水对溪洛渡动力响应的影响
袁瑞, 邱奕翔, 王进廷, 时洪涛
DOI: 10.11660/slfdxb.20221206
溪洛渡水电站位于地震多发的西南地区，对其进行抗震分析评价具有重要的意义。本文采用拱坝-库水-地基系统非线性损伤分析模型，分析了不同库水位条件下谷幅收缩对溪洛渡拱坝的动力响应的影响。结果表明：库岸谷幅收缩会增大拱坝坝肩处、大坝中部靠近坝肩处及孔口附近的塑性损伤，而水位的抬升能缓解谷幅收缩的不利影响。
2022 Vol. 41 (12): 50-58 [
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59
纤维与水泥基体黏结性能及影响因素研究
覃源, 刘巾歌, 徐程勇, 党发宁, 周恒, 时乐
DOI: 10.11660/slfdxb.20221207
纤维混凝土的韧性来源于纤维的桥接作用，而桥接作用的核心问题是纤维与水泥基体的黏结性能。为了探究纤维对混凝土的增韧机理，本文开展了不同养护龄期（0 ~ 28 d）、拔出速率（1 ~ 30 mm/min）、纤维锚固长度（10 ~ 60 mm）以及粉煤灰掺量（0 ~ 30%）下聚丙烯纤维水泥基砂浆的单根纤维拔出试验（single fiber pull-out test，SFPT），基于能量耗散原理和试验数据，建立了聚丙烯纤维水泥基砂浆韧性指数与纤维拔出过程中吸能指数的数学关系，提出了基于广义灰色关联理论的界面黏结强度影响因素计算分析方法。研究结果表明：随着养护龄期、拔出速率和纤维锚固长度的增加，聚丙烯纤维水泥基体界面黏结强度均逐渐增大，但纤维的韧性指数在养护18 h时较佳，拔出速率6 mm/min、锚固长度20 mm时最佳。当粉煤灰掺量为20%左右，纤维-水泥基体界面黏结性能最佳。并基于广义灰色关联分析法，阐明了四种因素与界面黏结强度的数学关联，研究成果可以为纤维水泥基砂浆的设计与应用提供理论支撑。
2022 Vol. 41 (12): 59-68 [
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西南地区干旱风险传递特征及驱动因素分析
许筱乐, 彭涛, 林青霞, 董晓华, 王佑鑫, 刘冀, 常文娟, 王高旭
DOI: 10.11660/slfdxb.20221208
研究干旱风险传递规律及驱动因素，对干旱预警和水资源管理具有重要意义。选用标准化降水指数分析不同时间尺度下的西南地区干旱特征，采用脆弱性、暴露度和恢复力3种风险因子评估区域综合干旱风险，基于马尔科夫链和随机森林算法探究干旱风险传递特征及驱动因素。结果表明：不同时间尺度下，干旱历时与干旱烈度的空间格局基本一致；西南地区干旱风险从高到低依次为四川、重庆、云南、广西和贵州；一个区域若与风险低的区域为邻，干旱风险等级大概率下降，反之亦然；东亚夏季风指数和北大西洋多年代际涛动是影响重庆、四川、云南和广西干旱的主导因素，北大西洋多年代际涛动和太平洋年代际振荡是影响贵州干旱的主要因子。
2022 Vol. 41 (12): 69-79 [
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80
沮河流域径流变化特征及归因分析
慕全鹏, 鲁克新, 杨光, 张译心, 董敬兵, 李合方, 吴庆良
DOI: 10.11660/slfdxb.20221209
径流变化的特征及归因分析对区域水资源规划和合理开发利用具有重要意义。本文以沮河流域为研究区域，利用线性回归法、五年滑动平均法及重标极差（R/S）分析法阐述水文要素的变化规律，通过Mann-Kendall突变检验和有序聚类法确定沮河黄陵站径流序列突变年份，利用基于Budyko假设的互补关系法及累积量斜率变化率比较法（SCRAQ法）对径流变化进行归因分析。结果表明，1967—2019年期间沮河流域年降水量呈上升趋势，年潜在蒸发量和年径流深呈下降趋势，且径流序列在1985年发生突变；两种方法计算得到的气候变化对径流减小贡献率分别为24.04%和11.71%，人类活动的贡献率分别为75.96%和88.29%，水利水保措施及煤矿开采等剧烈的人类活动是沮河流域径流减小的主要驱动因子。
2022 Vol. 41 (12): 80-89 [
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长距离输水系统停泵水锤防护多目标优化研究
王眺, 詹航, 万五一
DOI: 10.11660/slfdxb.20221210
长距离有压输水系统中的水锤现象会导致管道系统振动或破裂，通常需增设水锤防护措施。为保障安全的同时降低水锤防护成本，针对长距离输水系统泵站停泵水锤过程中的水锤防护措施优化问题，提出基于随机森林（RF）算法与快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）协同的多目标优化方法。采用特征线法建立水力瞬变模型，构造期望样本集，利用RF算法拟合优化变量与优化目标间的映射关联。以最大水锤压力值、最大无量纲反转转速和水锤防护成本最小作为构建多目标优化模型目标函数，迭代搜索最优参数集。研究表明，该方法能在短时间内获得各目标均匀分布的停泵水锤防护优化方案集，所得方案满足规范中水锤防护要求，可为长距离输水系统停泵水锤的优化设计提供参考。
2022 Vol. 41 (12): 90-99 [
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一维水沙耦合模型参数敏感性分析——以2020年黄河下游洪水演进为例
程亦菲, 夏军强, 周美蓉, 娄书建, 李东阳
DOI: 10.11660/slfdxb.20221211
一维水沙输移及河床冲淤模型中有较多理论上尚未解决的参数，而这些参数对一维模型精度的影响缺少定量分析。本文首先介绍了一维水沙耦合动力学模型，并将其应用于2020年汛期黄河下游的水沙过程模拟。计算结果表明：该模型能准确模拟水位和流量的变化，纳什效率系数基本大于0.85，均方根误差比相应的实测特征值小一个量级；计算沙峰虽然偏大，但计算的含沙量过程与实测过程整体符合，且模型计算的分河段冲淤量与断面地形法实测值较为接近。为分析模型中经验参数对模型计算结果的影响，以水文断面特征水沙参数的纳什效率系数作为目标函数，采用Sobol全局敏感性分析方法计算了各经验参数的敏感度指标。计算结果表明：糙率的总敏感度指标较高，是模型的高敏感参数；目标函数的选取对参数敏感度分析有一定影响，以含沙量纳什效率系数为目标函数时，挟沙力公式的系数及淤积时恢复饱和系数公式中指数的一阶敏感度和总敏感度指标较高；各参数组合对不同目标函数的影响差别较大，但对于同一目标函数存在影响作用相似的参数组合。全局敏感性分析方法刻画了模型参数的敏感性特征，有助于优化水沙数学模型参数取值。
2022 Vol. 41 (12): 100-110 [
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移动式表面流场测量技术及应用研究
王浩, 孔祥聚, 龚玉敏, 杨飞奇, 傅大宝, 吴伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20221212
本文开展明渠水槽桥墩绕流和推移质输沙试验，沿水槽方向使用高速相机进行移动拍摄，通过智能识别边壁控制点坐标对图像进行裁剪。通过形态学方法提取表面示踪粒子后，使用粒子追踪测速（PTV）技术和图像特征点识别测速（FMV）计算瞬时表面流场，根据流场位置对所测表面流场区域网格化后进行插值计算，以获得较大范围的表面流场。结果表明：本文使用的移动式表面流场测量方法可提高表面流场的精度和测量范围，此方法拓宽了表面流场测量的应用工况；FMV方法在圆柱绕流试验中可更准确识别圆柱侧方及后方旋转强度较大的区域，所求断面平均流速分布曲线更符合水流特性；推移质运动过程发现紊流表面时均流速仍存在高低速流带结构现象，同时高流速条带对应沙垄而低流速条带对应沙脊处，这表明水流地形相互固定形成了稳定时均结构，也验证了大尺度流向涡模型的合理性。
2022 Vol. 41 (12): 111-121 [
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余压发电贯流式水轮机飞逸特性研究
王鹏, 高嘉伟, 罗兴锜, 卢金玲, 薛起耀, 朱国俊
DOI: 10.11660/slfdxb.20221213
随着贯流式水轮机发电技术的日益成熟，利用其回收循环水系统余压能的工业应用越来越多。本文将一维特征线（MOC）方法与三维计算流体力学（CFD）方法相结合，开发了一维管网和三维贯流式水轮机耦合模拟方法，模拟了真实系统中贯流式水轮机飞逸过程，探究了该过程中故障水轮机流动特性及转轮受力特性。主要结果表明：由稳态工况到飞逸状态所需的时间随着转动惯量减小而变短；转轮和尾水管域的监测点压力脉动振幅高值均发生在转轮叶频及其高次谐波；飞逸过程中，转轮所受轴向力大幅下降，而径向力表现出大幅增加且剧烈振荡特性；转轮叶片表面压力出现明显的交变规律，负压区位于进水侧叶缘处；尾水管内逐渐形成较大旋涡，并沿着流动方向逐渐向管道壁面发展。
2022 Vol. 41 (12): 122-134 [
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135
基于机器学习的水电机组劣化趋势预测模型
兰家法, 周玉辉, 高泽良, 姜奔, 李超顺
DOI: 10.11660/slfdxb.20221214
水电机组的劣化影响着水电站乃至电力系统的安全稳定运行。为了准确解析水电机组运行状态，获取机组的劣化趋势并对其进行准确预测，本文提出了一种基于极限梯度提升算法、变分模态分解算法、双向门控循环单元神经网络和注意力机制的水电机组劣化趋势预测混合模型。该方法首先用极限梯度提升算法建立考虑工作水头、有功功率和导叶开度影响的水电机组健康状态模型；其次，根据健康状态模型，推导出数年后的水电机组劣化趋势；再次，通过变分模态分解算法对水电机组劣化趋势进行分解，得到多个相对平稳的固有模态函数分量，并对每个模态分量建立双向门控循环单元神经网络和注意力机制的组合模型进行预测；最后，将预测模型的结果进行叠加，得到最终的趋势预测结果。实例分析结果表明，所提方法能准确地表达水电机组的劣化趋势，并且能有效地提高机组劣化趋势的预测精度。
2022 Vol. 41 (12): 135-144 [
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145
水轮机空化声发射信号的联合降噪与特征提取
刘忠, 王文豪, 邹淑云, 李显伟, 周泽华
DOI: 10.11660/slfdxb.20221215
探究水轮机空化诱导的声发射信号随空化状态的变化规律对监测空化具有重要意义。为解决声发射信号携带噪声和特征提取困难的问题，本文建立一种基于自适应迭代滤波分解-奇异谱分析联合降噪和固有时间尺度分解结合特征参数的特征提取方法。首先，采用自适应迭代滤波分解结合相关系数对声发射信号初步降噪，滤除明显噪声分量，重构剩余分量并通过奇异谱分析进一步降噪，将所得信号与趋势分量相加，完成整个降噪过程。然后，对降噪后信号进行固有时间尺度分解，筛选出有效分量，计算其绝对能量和相对能量熵。最后，分析它们随空化系数变化的规律。研究结果表明，绝对能量和相对能量熵随空化系数的变化具有明显的规律性，均能反映水轮机空化的发展状况。
2022 Vol. 41 (12): 145-152 [
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153
水电机组复杂工况振动信号多尺度清洗
刘燚, 刘伟, 时有松, 周建中, 张勇传
DOI: 10.11660/slfdxb.20221216
水电机组振动监测信号常包含大量异常数据，严重影响机组健康状态评估与预测。为此，本文深入研究机组振动与工况的映射关系，提出了一种基于高斯混合模型和基于密度的噪点空间聚类算法（GMM-DBSCAN）的机组振动信号多尺度清洗方法。首先，采用DBSCAN初步清洗全工况内振动异常点，进一步采用高斯混合模型计算机组工况概率，并进行工况区间划分；在此基础上，以工况概率密度计算出各工况区内振动信号的DBSCAN密度聚类清洗的阈值，并清洗各工况区内振动异常数据。最后，基于瀑布沟水电站1年内运行工况和振动监测数据进行实例分析，异常数据清洗率达6.3‰。同时，通过人工模拟异常数据进行验证，结果表明，所提方法能够有效清洗出机组振动孤立离群点和密集异常点，为水电机组健康状态评估与预测奠定数据基础。
2022 Vol. 41 (12): 153-162 [
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