水力发电学报
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2023年 42卷 2期
刊出日期：2023-02-25
1
编辑部推荐论文：边坡稳定分析的相对失稳加速度方法
Hot!
介玉新
DOI: 10.11660/slfdxb.20230201
边坡稳定分析是土力学的经典课题，通过稳定分析能够得到边坡的安全系数。但最小安全系数对应的临界滑动面不一定是最先发生滑动的破坏面，失稳加速度临界滑动面则可能最先滑动。失稳加速度方法可以用统一的原理计算边坡和隧洞等所有具有临空面的结构的稳定性；可以利用常规极限平衡法的假定条件进行计算，也可以利用有限元等数值方法的应力计算成果；可以计算失稳加速度，也可以以失稳加速度的模最小来计算安全系数，此时也相当于一种特殊的模式识别方法。本文对失稳加速度方法的提出过程及主要原理进行系统总结，并将其推广到相对失稳加速度和相对安全系数，放松了约束条件，使得它可以具有更加广阔的应用前景。
2023 Vol. 42 (2): 1-11 [
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12
改进Harris-Susan算法下砾石土料掺配均匀度评价
崔博, 刘福坤, 关涛, 谭添文, 王佳俊
DOI: 10.11660/slfdxb.20230202
砾石土料掺配均匀程度对砾石土心墙坝的安全至关重要。数字图像处理方法被广泛应用于混合物识别领域，但在处理存在黏连特性的图像时易出现过分割与欠分割问题，导致评价结果精度不足。针对上述问题，本文提出改进Harris-Susan算法下砾石土料掺配均匀度评价方法。首先，改进Harris-Susan算法可分割欠分割区域并修复过分割区域，提高二值图像精度；其次，基于砾石邻域的概念，对图像进行单分位均匀度评价；最后，采用空间分布采样构建砾石土的空间均匀度评价指标。将该方法应用于大渡河双江口砾石土高心墙堆石坝工程建设中，本文方法相对统计准确率为0.935，较Otsu算法（0.353）和分水岭算法（-3.101）提升明显。结果表明，本文方法结果与筛分法高度一致，同时可有效节省人力、物力与时间成本，评价效率更高，具有很强的工程应用价值。
2023 Vol. 42 (2): 12-23 [
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24
大坝变形预测的最优因子长短期记忆网络模型
罗璐, 李志, 张启灵
DOI: 10.11660/slfdxb.20230203
面对海量的大坝安全监测数据，快速合理地确定大坝变形预测模型的变量因子能够有效提高模型预测的效率和精度。为此，本文提出一种基于最小绝对值收缩和选择算子（least absolute shrinkage and selection operation，LASSO）变量选择和长短期记忆（long short-term memory，LSTM）网络的大坝变形预测模型。首先，通过大坝变形机理分析确定影响大坝变形的相关影响因子集。然后，通过LASSO算法剔除不显著的因子，筛选出最优影响因子作为模型输入变量，并利用LSTM网络建立大坝变形预测模型。最后，以皂市水利枢纽工程的碾压混凝土重力坝为例，对本文方法进行了验证和讨论。结果表明，本文方法具有较高的预测精度，其平均绝对误差（MAE）、均方误差（MSE）与均方根误差（RMSE）均相对较小；与常规预测模型相比，基于LASSO算法的变量选择使模型建立过程更加简单高效，有利于海量监测数据的处理分析。
2023 Vol. 42 (2): 24-35 [
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36
水光互补组合等效电厂的短期调峰调度方法
李秀峰, 李刚, 张扬科
DOI: 10.11660/slfdxb.20230204
梯级水电站与区域光伏电站互补调度一直是研究的热点问题，为充分发挥不同调节类型水电站对光伏电互补作用，本文提出一种基于等效电厂的梯级水光短期互补调度方法。考虑到区域光伏电站发电特性各异，利用k-means聚类方法划分多个光伏汇聚区。将梯级各个水电站与汇聚区两两组合进行互补调度，通过3种调峰评价指标分析，找出汛平枯各时期较优的水光组合，形成等效电厂。在此基础上，将等效电厂与梯级其余水电厂作为调度对象，进行联合调峰优化调度。以云南省澜沧江流域5座梯级水电站和大理州7座光伏电站为背景，模拟计算结果验证了本文所提方法的可行性，通过几种模型对比分析，该方法可提升梯级水电站与光伏电的整体调峰效果。
2023 Vol. 42 (2): 36-44 [
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45
叶尔羌河下游河岸林草耗水分析
付翔永, 杨汉波, 谢艳玲, 余欣
DOI: 10.11660/slfdxb.20230205
叶尔羌河是塔里木河的主要源流之一，研究下游河道水量平衡与河岸林草耗水对于流域水资源配置具有重要意义。本研究从地下水与植被状态的关系出发，建立反映河道输水损失及水分转化规律的水量平衡模型，同时耦合潜水蒸发与地下水运移模型，构建河岸林草耗水模型，以此分析2000—2020年的叶尔羌河下游河岸林草耗水。结果表明：叶尔羌河下游河道水量损失主要是渗漏损失，占总损失量的95%；该区域林草耗水多年平均值为128 mm，其左岸多年平均耗水量为226 mm，大于右岸的93 mm。该模型能较好地计算叶尔羌河下游的河道水量平衡以及河岸林草耗水量，可应用于依赖于河道渗漏补给的西北内陆河流的河岸林草耗水分析。
2023 Vol. 42 (2): 45-55 [
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56
考虑风险与调峰性能的水光互补中长期调度
郭晓雅, 李庚达, 崔青汝, 江建华, 明波, 黄强
DOI: 10.11660/slfdxb.20230206
传统水光互补中长期调度模型未考虑日内运行风险以及系统的调峰特性，高估了系统的互补性能，由此制定的调度规则难以提升互补系统效能。为此，本文构建长短期决策响应函数，用以定量表征中长期水电出力与日内综合风险率、弃电率、调峰性能指标之间的关系；然后，将决策响应函数嵌套到中长期调度模型中，推求考虑日内风险以及调峰性能的水光互补中长期优化调度规则。以忠玉水光互补电站为实例，研究表明：嵌套决策响应函数的优化调度模型可显著提升系统发电量（增加2.61%）以及发电保证率（由46.7%提高到85.7%），降低系统剩余负荷标准差（降低10.0%）和综合风险率（由9.51%降低到5.43%），综合效能更优。
2023 Vol. 42 (2): 56-65 [
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66
剩余污泥改良生物滞留设施雨水径流控制效果
张炜, 韩成梅, 李橙, 刘晓萌, 代梦德, 张星辰, 贠茜, 李思敏
DOI: 10.11660/slfdxb.20230207
为应对城市面源污染控制及污水厂剩余污泥处置问题，用剩余污泥改良生物滞留设施基质，通过理化特性分析筛选适宜的掺泥比例范围，并考察剩余污泥基质生物滞留设施的雨水径流调控效果。结果表明：在上层15 cm基质掺入比例≤ 44.8%的剩余污泥可有效提升生物滞留设施雨水径流调控能力。基质中掺泥比例越大，生物滞留设施雨水径流总量调控效果越优，而出水污染物浓度则呈现略有上升的趋势。与砂土基质相比，40%剩余污泥基质生物滞留设施的次径流总量削减率可提高16.9%，出水COD、TN、NH4+-N和TP平均浓度分别为29.10 mg/L、3.25 mg/L、1.66 mg/L和0.093 mg/L，可满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》ΙⅤ类、Ⅴ类、Ⅴ类和Ⅱ类水质标准。
2023 Vol. 42 (2): 66-73 [
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拦污栅结构对进出水口水力特性影响试验研究
高学平, 袁野, 刘殷竹, 朱洪涛, 刘帅
DOI: 10.11660/slfdxb.20230208
对于进出水口水力特性研究，尤其是物理模型试验，由于拦污栅栅条细、间隔近，模型模拟困难，因此一般不模拟拦污栅结构本身。为探究双向流动条件下拦污栅结构对进出水口水力特性的影响，本文建立了大尺度进出水口试验装置，开展模拟拦污栅结构（有栅）和不模拟拦污栅结构（无栅）的进出水口水力特性试验研究。结果表明：拦污栅结构使断面时均流速分布均匀化，出流工况有栅的流速不均匀系数比无栅的改善了7.1%，进流工况有栅的流速不均匀系数与无栅的基本相同；拦污栅结构对水流的扰动使流速脉动剧烈，紊动强度增大，出流工况和进流工况有栅的平均紊动强度比无栅的分别增大了49.0%和38.5%；拦污栅结构对进出水口流量分配基本无影响；拦污栅结构使进出水口水头损失有所增大，出流工况和进流工况有栅的进出水口水头损失系数比无栅的分别增大了6.3%和7.2%。有栅和无栅的进出水口水力指标，除紊动强度差别较大外，其余差别不大，因此研究进出水口水力特性时不模拟拦污栅结构的结果基本能反映进出水口的水力学特性。研究成果可为进出水口及拦污栅设计提供参考。
2023 Vol. 42 (2): 74-86 [
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无管网资料地区城市雨洪过程模拟研究
杜佳锴, 徐梦华, 陈昱宏, 蒋智弘, 肖素芬, 王兆礼
DOI: 10.11660/slfdxb.20230209
为解决由于城市管网数据难以获取导致的城市内涝模拟困难的问题，本文基于SWMM模型、二维TELEMAC-2D模型以及两者耦合的TSWM模型，以广州市猎德涌流域为例，利用不同概化方法构建无管网情景下的模型并与有管网情景的模型进行对比分析，探讨了不同概化方法的适用性。研究结果表明：有管网模型的一维流量与二维淹没水深结果与实测结果基本相符，证明该模型在研究区内有较好的可靠性；降雨折减法、下渗增加法、管网概化法在不同重现期下模拟的淹没范围与有管网情景的模拟结果具有较好的相关性，其中下渗增加法与有管网情景的相关系数最高，淹没范围与淹没水深也最为接近，表明该方法在高度城镇化的无管网资料地区有较好的适用性。
2023 Vol. 42 (2): 87-96 [
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水泵水轮机开机过程水力特性研究
黄文龙, 毕慧丽, 叶永进, 张绍政, 尹禧龙, 黄星星, 王正伟, 金州
DOI: 10.11660/slfdxb.20230210
抽水蓄能电站水泵水轮机组在开机过程中产生剧烈的压力波动，转轮内复杂流动和压力脉动是引起固定部件强烈振动的主要原因之一。因此，需要对水泵水轮机开机过程的物理机理进行深入研究。本文同时建立了厦门抽水蓄能电站管路系统的一维特征线水力模型及水泵水轮机组过水流道的三维流场计算模型，开展了机组发电开机过程一维三维耦合的数值计算，重点分析了机组开机过程瞬时流动特点，以及转轮径向力和轴向力变化与外特性的内在关联性。研究发现，机组开机至空载状态时，由于导叶开度小、转速上升快，在无叶区形成了速率很高的水环，同时转轮流道内充斥着大量复杂的漩涡结构，导致了流量与转矩的突降。导叶动作、转速对径向力、轴向力的变化规律有直接的影响，开机过程中转轮径向力的变化趋势与活动导叶动作过程基本一致。轴向力的变化趋势与机组转速变化基本一致，转速和轴向水推力数值总体上为逐渐增大的趋势。本文研究结论为抽水蓄能机组和高水头混流式水轮机的开机过程物理机理和规律提供了有价值的参考。
2023 Vol. 42 (2): 97-104 [
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水轮机可倾瓦轴承承载性能计算及试验研究
毛明, 陈建能, 徐高欢, 谢荣盛, 夏旭东, 许永利
DOI: 10.11660/slfdxb.20230211
在我国大型水轮机组中，流体支承可倾瓦滑动轴承由于有更优的减振性能和承载能力，已广泛应用于水力机械中。为了探究其在实际工程中的承载性能，本文首先介绍其动力润滑原理，根据Reynolds方程及内-外层油膜流量平衡方程、Walther“黏-温”方程，建立了流体支承可倾瓦的油膜压力分布计算模型，基于MATLAB编程数值求解，结果表明内层动压油膜呈“双峰型”分布，静压层油膜在静压腔内为定值，并且在试验的各工况下轴瓦处于单侧浮动状态。对内径125 mm的三瓦流体支承可倾瓦滑动轴承研制了倒置式轴承试验台，并在不同工况下进行了油膜压力的测试，结果表明相比于外载荷，转速对轴承承载性能的影响更明显，在设计轴承时应优先考虑转速的影响。当轴承在较高转速工作时，油膜呈现较大的刚度，具有良好的承载性能，能满足水轮机组的使用性能要求。研究结果为流体支承可倾瓦滑动轴承的性能分析和优化设计提供一定的参考依据。
2023 Vol. 42 (2): 105-115 [
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冲击式水轮机技术进展与发展趋势
罗兴锜, 戈振国, 朱国俊, 冯建军
DOI: 10.11660/slfdxb.20230212
与反击式水轮机相比，冲击式水轮机有着应用水头高和高效率工况范围宽的优点，是开发高水头水电能源的核心装备。然而，冲击式水轮机内部为开放式、多相非稳态流场，存在多种流动状态转换以及多部件相互匹配的复杂流动特性，影响着水轮机性能的好坏，进而决定着高水头水电能源的开发利用率。可视化试验技术、计算流体力学、有限元法和人工智能优化设计算法的快速发展加速了冲击式水轮机的技术发展。我国的冲击式水轮机技术起步较晚但发展迅速，经历了从无到有、自主设计和提升改进3个阶段，特别是近20年我国冲击式水轮机技术取得了突破性进展。本文在全面综合国内外冲击式水轮机领域研究成果的基础上，以近20年来冲击式水轮机技术的主要研究进展为重点，从水轮机内部流动特性、泥沙磨蚀研究、失效分析研究及优化设计理论等4个部分对冲击式水轮机技术进展进行了综述，探讨了冲击式水轮机性能分析和优化设计中存在的一些问题，并对冲击式水轮机技术的发展趋势进行了总结和展望。
2023 Vol. 42 (2): 116-134 [
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