水力发电学报
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2023年 42卷 1期
刊出日期：2023-01-25
1
编辑部推荐论文：内掺微生物水工混凝土的抗渗性能试验研究
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孟永东, 何竹青, 蔡征龙, 田斌, 徐晓蔚, 王定杰, 丁毅
DOI: 10.11660/slfdxb.20230101
有效改善水工混凝土防渗体的抗渗性能是提高其耐久性的关键。本文通过开展内掺科氏芽孢杆菌的水工混凝土抗渗试验，分析内掺不同浓度科氏芽孢杆菌对水工混凝土抗渗性能的影响规律；通过氮吸附试验，分析水工混凝土试样的微观孔隙特征，揭示内掺科氏芽孢杆菌对水工混凝土抗渗性能的影响机制。结果表明：内掺矿化微生物可显著提升水工混凝土的抗渗性能；随着内掺微生物浓度的增大，混凝土28 d水渗透性系数降幅呈先大后小的趋势，当内掺微生物浓度为9.8×107 cells/mL时，混凝土的水渗透性系数降幅最大，28 d混凝土水渗透性系数减小了92%；氮吸附微观分析可知，混凝土内掺微生物可减少中大孔数量、细化孔隙，最可几孔径峰值降幅达47.65%，有效改善了混凝土内部的孔隙结构，降低了孔隙连通性，致使水工混凝土的抗渗性能有效提高。
2023 Vol. 42 (1): 1-8 [
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9
变形分离法与数据驱动下的拱坝工作性态评价
郭锦华, 刘晓青, 李同春, 高林钢
DOI: 10.11660/slfdxb.20230102
基于有限测点位移监测数据推求大坝空间位移场变化规律是评价大坝工作性态的有效手段之一。拱坝受水荷载、温度等作用下产生的变形，不仅与坝体自身弹性模量有关，更取决于地基的变形特性。由于地基存在不均匀性等复杂问题，致使通过数值模拟的方法精准预测大坝的变形存在一定困难。本文将拱坝坝体的监测位移分解为坝体受荷载产生的位移及坝基约束变形产生的位移两部分，以其监测值与预测值系统误差最小为目标函数，基于坝体有限元模型建立了包含基础约束变形及坝体弹性模量为未知量的求解方程，通过大量位移监测资料结合人工智能粒子群算法寻优实现数据驱动，可同时求解坝基约束变形及坝体分区弹性模量。根据算例研究成果，针对复杂地基，采用本文方法推求得到的大坝空间位移场，除靠近坝体与坝基交界面附近节点位移预测值与有限元计算值相对误差稍大（约为3%）外，其余节点相对误差均在1.5%范围内，证明了本文方法的合理性；从本文方法在白鹤滩拱坝工程中的应用研究成果可知，其空间位移场相对误差分布合理且变形分离结果与实际情况相符，从而证明了方法的可行性。
2023 Vol. 42 (1): 9-18 [
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19
硫酸盐干湿-盐蚀下混凝土冷缝面损伤分析
覃源, 姬文哲, 梁达, 关科, 周恒
DOI: 10.11660/slfdxb.20230103
我国西部地区地下水和土壤中富含硫酸盐，危害混凝土结构、减少服役寿命。在浇筑过程中，两层混凝土之间产生冷缝，冷缝面微裂纹多、孔隙大是离子流通的主要通道，是结构盐蚀破坏的薄弱面。通过浇筑间隔为0.25 d、0.5 d、7 d和28 d的带冷缝混凝土试件，经历0次、30次、90次和150次硫酸盐干湿-盐蚀循环，结合压剪试验探究浇筑间隔和干湿-盐蚀周期双因素影响下，混凝土冷缝面的黏结退化规律。结果表明：浇筑间隔越久冷缝面黏附力越低；浇筑间隔越短，冷缝面黏附力变化越明显，呈对数函数关系；干湿-盐蚀循环30次内，浇筑间隔对耐蚀性的影响不显著，干湿-盐蚀循环90次后，浇筑间隔对耐蚀性的影响差异逐渐增大；在浇筑间隔增大和干湿-盐蚀循环次数增加的双重影响下，会加速冷缝面的黏结失效。
2023 Vol. 42 (1): 19-29 [
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高堆石坝面板随机动力分析和抗震效果研究
徐斌, 荣卓, 庞锐, 周扬
DOI: 10.11660/slfdxb.20230104
强震作用下，高面板堆石坝面板中上部会产生较大顺坡向拉应力，可能导致面板开裂。已有研究表明，针对顺坡向拉应力较大的区域设置永久水平缝可有效降低该应力，而以往对于其抗震措施效果的研究多采用单一地震动进行确定性分析，缺乏考虑地震动过程不确定性对抗震措施效果的影响。本文以300 m高坝为例，基于随机动力方法，确定了面板顺坡向高拉应力区，并对水平缝设置长度进行讨论。联合广义概率密度演化方法，分别选择特定方向和典型单元对水平缝影响区域和顺坡向拉应力的降低作用进行研究，结果相互验证。从概率角度表明了水平缝抗震效果，并为其他抗震措施效果的研究提供新的思路。
2023 Vol. 42 (1): 30-39 [
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40
基于并行机器学习的风功率超短期预测
李金龙, 王义民, 畅建霞, 姜雯曦, 王学斌
DOI: 10.11660/slfdxb.20230105
针对风功率存在间歇性、随机性和波动性的特征及组合预测模型耗时长的问题，提出一种并行解决方案，建立集合经验模态分解（EEMD）与双向长短期记忆（BiLSTM）神经网络相结合的风功率并行组合预测模型。首先，利用EEMD将原始风功率序列分解为一系列本征模态函数；其次，借助多进程信息传递接口为本征模态函数构建并行BiLSTM神经网络子模型阵列，并采用贝叶斯优化算法率定各子模型超参数；最后，将并行子模型预测序列合成后便得到风功率预测结果。实例验证表明，所建模型在单步预测、多步预测和执行效率方面较五组对照模型均具备一定的优势。研究成果可为电网发电计划的制定及电力系统经济运行提供数据支撑和参考价值。
2023 Vol. 42 (1): 40-51 [
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52
不同土壤湿度和雨强下径流曲线模型的改进
梁峰铭, 王洁, 蒿萌, 陈家栋, 李姣, 胡晓东
DOI: 10.11660/slfdxb.20230106
前期土壤湿度条件和降雨强度是影响径流曲线（SCS-CN）模型径流量预测精度的重要因素。分析不同流域下二者对SCS-CN模型性能的影响，对提高模型预测精度至关重要。基于5个半干旱半湿润和湿润流域的降雨径流资料，利用偏相关分析和K-均值聚类改进SCS-CN模型。结果表明：在重新划分前期土壤湿度条件区间后，模型预测能力大幅度提升，有效降低模型平均偏差，纳什效率系数平均提高42.8%。基于最大10 min雨强对SCS-CN模型改进后，纳什效率系数得到一定提高，且半干旱半湿润流域的提升幅度略大于湿润流域。改进的模型在研究流域都取得较好的效果，平均偏差均低于7 mm；除呈村流域非汛期外纳什效率系数均达到0.93，平均提升89%；均方根误差平均降低29.2 mm。
2023 Vol. 42 (1): 52-64 [
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65
联系数-图论耦合的城市河网水系连通性评价
门宝辉, 刘菁苹
DOI: 10.11660/slfdxb.20230107
为分析城市化背景下洛阳市河网水系的连通性，根据其主要河流和人工河渠构建了河网图模型，应用五元联系数对河道连通性进行评价，利用集对分析与图论法耦合模型计算连通度，计算得到洛阳河网水系的连通度为1.34。在图模型中分别去掉6条人工河渠连通通道，构建新的图模型作为6个连通方案。6个方案连通度值分别为1.06、1.25、1.23、1.29、1.19、1.27。结果表明6条人工河渠对洛阳市河网水系格局连通性影响程度大小为：引黄入洛>伊洛连通>引黄济瀍>引畛济涧>中州渠>引洛济伊。该耦合模型实现了功能连通性与结构连通性的综合评价，并利用五元减法集对势分析影响连通性的因素，提出从水量、水库调度能力、河岸生态、水质等改善水系连通性。
2023 Vol. 42 (1): 65-76 [
摘要
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基于高效高精度栖息地模型的生态流量研究
杨露, 侯精明, 王盼, 王添, 程龙, 马轶, 高徐军, 刘园
DOI: 10.11660/slfdxb.20230108
为实现水电开发和生态保护的和谐发展，科学、定量、高效地分析水电站运行对河流生态的影响，已成为当前水利科学研究的热点。本文将基于Godunov格式有限体积法求解的水动力模型与栖息地适宜模型相耦合，并引入GPU加速技术，建立高效高精度栖息地适宜模型。以野狐峡下游为研究河段，花斑裸鲤为目标鱼类，对不同流量下河段产卵生境进行模拟，以确定电站建成后适宜目标鱼类产卵的生态流量。结果表明：流量在87.5 ~ 139 m3/s和338 ~ 562.5 m3/s时，适宜花斑裸鲤繁殖的有效栖息地面积占其最大值的90.0%以上。为保障产卵栖息地状态良好，建议生态流量在499.2 m3/s附近。该成果对保护黄河上游土著鱼类栖息地具有重要的生态意义，也可为评价水利工程对水生生物的影响提供科学支持。
2023 Vol. 42 (1): 77-85 [
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86
凹槽长度对后台阶湍流特性影响研究
张维乐, 王芳芳, 吴时强, 吴修锋, 徐准, 孙晨光
DOI: 10.11660/slfdxb.20230109
为探究上游凹槽长度对后台阶流动影响，采用数值模拟方法对雷诺数6500、9000下后台阶流动进行研究，得到不同凹槽长度下，凹槽内、后台阶流道内流速及湍动能分布和后台阶时均再附距离的变化规律。结果表明：①凹槽可以减小后台阶时均再附距离，但当凹槽长度大于等于7倍台阶高度时，时均再附距离受凹槽长度影响较小，并趋于定值，相比无凹槽情况，时均再附距离平均减小12%。②凹槽长度可以改变后台阶分离点断处湍动能分布，增大分离点处湍流度。当凹槽长度大于等于7倍台阶高度时，断面湍动能呈现出S型分布，极大值出现在0.3倍流道高度附近；当凹槽长度小于7时，湍动能分首先在0.05倍流道高度附近达到极大值，而后0.6倍流道高度附近达到极小值。③通过缩放尺度因子，得到后台阶流动近似再附距离，解释了湍流度对后台阶流场的作用机理。时均再附距离与近似再附距离有着良好的线性关系，湍流度增大促进自由剪切层的下沉，缩短剪切层再附到下游壁面的时间，进而缩短了时均再附距离。
2023 Vol. 42 (1): 86-94 [
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流场动态可视化平台关键技术与应用
李文达, 张尚弘, 侯君, 杨玺艳
DOI: 10.11660/slfdxb.20230110
流场模拟是计算机仿真模拟的热点和难点，是展现水流动态变化过程、辅助寻求水流运动变化规律的重要手段。流场可视化技术的应用可以有效提高水流信息表达的直观性与综合性。本文以北江航道水流可视化为例，开发了浏览器/服务器结构的航道水流可视化平台，重点研究了平台中基于图像的流场可视化技术，采用渲染到纹理技术和通用图形处理器计算中的乒乓技术实现了流场可视化的融合，采用基于视点动态渲染的方式有效解决了水流细节层次的表现问题。在北江航道水流可视化应用中流场动态显示效果流畅，运行帧率达60帧左右。该流场可视化实现方法可以为网页端流场可视化实现与应用提供参考。
2023 Vol. 42 (1): 95-103 [
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鄱阳湖出湖流量时序变化特征与驱动因子分析
毛劲乔, 彭吉荣, 蔡海滨, 张培培
DOI: 10.11660/slfdxb.20230111
长江中游与鄱阳湖及五河构成复杂的“江-湖”系统，研究阐明鄱阳湖出湖流量的时序变化特征与驱动因子，是调控改善江湖关系的关键所在。本文在初步选取12个潜在的出湖流量驱动因子基础上，有机结合相关系数判别和主成分分析方法，揭示了不同潜在驱动因子间的多重共线性；进而通过构建出湖流量数学模型，量化了不同潜在驱动因子对出湖流量的相对重要性排序及其影响程度。研究结果表明：（1）赣江、抚河、饶河、修水的入湖流量，湖区星子站水位，三峡出库流量等6个驱动因子间不存在多重共线性，可完整表征五河来流、湖区水位、长江干流的多重驱动作用；（2）运用基于随机森林回归方法的出湖流量数学模型，揭示了湖区水位、长江干流来流、赣江入湖流量是最为重要的驱动因子，并且其对出湖流量的影响呈现复杂的非线性特征。研究表明：影响出湖流量的众多驱动因子之间关系复杂但影响程度有所差异。这为科学调控典型通江湖泊江湖关系提供了重要参考依据。
2023 Vol. 42 (1): 104-113 [
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114
考虑死区的水轮机调节系统非线性自抗扰控制
周东东, 王斌, 艾博, 张文静, 高园晨
DOI: 10.11660/slfdxb.20230112
针对含死区环节和机械时滞的水轮机调节系统，提出了一种改进状态误差反馈控制律的自抗扰控制方法。首先，考虑电液随动系统传动过程中存在的间隙特性，建立含非线性死区环节和机械时滞的水轮机调节系统数学模型。其次，通过坐标变换将具有死区和时延特性的状态空间方程转化为可控标准化数学模型。然后，引入PID积分环节，设计新型的自抗扰控制器，消除状态误差反馈控制律处理误差信号过程中出现的抖振现象。最终，基于Lyapunov稳定性定理，分析系统误差方程，证明了扩张状态观测器的收敛性。仿真结果表明，所提控制器在不同运行工况下的控制效果均优于PID控制和传统自抗扰控制，验证了所设计控制器的有效性和优越性，具有良好的参考价值。
2023 Vol. 42 (1): 114-127 [
摘要
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128
水扑翼枢轴位置优化及实验验证
华尔天, 苏忠鑫, 谢荣盛, 陈万前, 汤守伟, 罗海涛
DOI: 10.11660/slfdxb.20230113
为解决平原河网水动力不足的问题，利用复合谐波运动的仿生水翼在超低扬程工况下进行推水作业，并基于有限体积法（FVM）和重叠动网格技术，通过数值仿真与实验相结合的方法，确定了扑动水翼推水作业时的最佳枢轴位置。结果表明：扑动水翼尾迹流场结构呈现反卡门涡街状态，其尾迹涡街偏斜程度、前缘涡的强度以及每个时刻前缘涡的状态变化均受枢轴位置影响；当枢轴位置向水翼尾部移动时，推水效率先增后减，L = 0.2c时效率最佳，相较枢轴位于水翼前缘时，效率可提升2% ~ 5%；扑动水翼的水力特性曲线与传统水泵相似，其最大扬程小于1 m，且随着枢轴位置向水翼尾部移动，其最大扬程呈现减小的趋势，进一步满足了超低扬程工况需求。
2023 Vol. 42 (1): 128-138 [
摘要
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阻力型水平轴水轮机水动力及尾流特性分析
宋科, 康宇驰
DOI: 10.11660/slfdxb.20230114
水轮机是水能利用与水力发电的核心技术装备。传统的升力型水平轴水轮机需满足一定流速条件才可获得既定的效率，因此该型水轮机并不适用于流速较低的区域。为了拓展水平轴水轮机的适用范围，依据阿基米德螺旋线原理，设计了两种具有不同旋叶倾角的新型阻力型水平轴水轮机，并采用计算流体力学方法对二者的水动力及尾流特性进行了三维数值模拟研究。结果表明，变角水轮机在尖速比为0.5 ~ 2.0的范围内具有更高的功率系数，且其峰值功率系数相比定角水轮机提升了16%。此外，与一些文献中所报道的升力型水轮机在尖速比为0.5 ~ 2.0的范围内相比，变角水轮机也具有较高的功率系数。以尖速比为1.5为例，其功率系数相比至少提升了60%以上。与此同时，变角水轮机在全尖速比范围内具有更低的推力系数，但其性能波动比定角水轮机要明显。流场分析显示，两种阻力型水平轴水轮机的后方均出现了呈环状螺旋形的叶尖涡带和呈条状的毂涡带，而变角水轮机的叶尖涡带和毂涡带的连续性更强，向下游发展的轨迹也更长。此外，变角水轮机的尾流恢复比定角水轮机更快。研究结果揭示了阻力型水平轴水轮机的水动力及尾流特性，为其优化设计和推广应用提供了一定的参考依据。
2023 Vol. 42 (1): 139-147 [
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水面光伏电站环境载荷数值预报方法研究
席凯, 黄国珍, 冯榆坤, 陈熹, 陈长馥, 陈作钢
DOI: 10.11660/slfdxb.20230115
环境载荷评估的准确性直接关系到水面光伏电站锚固系统设计的安全性和经济性。光伏漂浮方阵组件多、支架结构及排布方式各异、规模日趋庞大，现有相近规范均不能给出令人信服的环境载荷估算结果。本文提出了一套基于多尺度分析的数值计算方法，对风载荷、流载荷和波浪载荷进行了预报。在数值考察验证的基础上对方阵几何模型进行适当简化，将网格单元数控制在2.5亿以内，使大规模数值计算成为可能；从漂浮方阵中摘选不同行列数的子区域，通过彼此对比确认，分析各组件环境载荷随方阵行列的变化规律，完成整体方阵环境载荷的预报。研究结果表明：上游组件对下游组件存在着明显的遮蔽效应，迎风第5行会形成风载荷次峰；方阵内部载荷基本趋于稳定；风、流载荷沿列的分布规律存在明显差异。本研究解决了水面光伏电站多尺度、大规模、无法直接进行建模计算的问题，为水面光伏电站的锚泊设计提供了数据支持。
2023 Vol. 42 (1): 148-158 [
摘要
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159
设平衡孔时气液混输泵内部流动及轴向力分析
耿晨, 韩佳伟, 卢金玲, 罗兴锜, 闫思娜
DOI: 10.11660/slfdxb.20230116
本文采用两相混合模型进行数值模拟计算，探究了不同进口含气率条件下，设置平衡孔对气液混输泵外特性、内部流动及轴向力的影响。研究发现：各工况条件下，设置平衡孔后该混输泵的轴向力均明显减小；从平衡系统回流的高压流体对转轮内部流动状态产生扰动，同时能破坏和夹带转轮流道内聚集的气泡；综合考虑对混输泵的性能和轴向力的影响，在较低进口含气率时采用平衡孔方法平衡混输泵轴向力的方法是可行的；平衡系统进出口压力系数随比面积系数增大而非线性减小，平衡孔的直径过大会导致混输泵的容积损失问题，因此平衡孔直径设计存在最佳值；对比发现平衡孔设在转轮叶片吸力面时转轮的轴向力幅值和脉动相对较小。研究结论可为后期多级气液混输泵平衡孔平衡轴向力系统的设计和优化提供思路和借鉴。
2023 Vol. 42 (1): 159-168 [
摘要
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