水力发电学报
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2024年 43卷 12期
刊出日期：2024-12-25
1
编辑部推荐论文：高拱坝闸墩泄流振动传递路径的模型试验分析
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刘庆亮, 刘光昆, 李庆斌, 宋志宇, 蔡小宁
DOI: 10.11660/slfdxb.20241201
高拱坝闸墩在泄流过程中振动强烈易引发结构疲劳损伤甚至破坏，准确掌握其动态行为和振动机理是工程运行的安全保障。本文提出了一种基于模型试验的高拱坝闸墩泄流振动传递路径分析方法。根据水弹性模型振动试验理论，构建高拱坝闸墩水弹性模型，采集闸墩不同部位的振动加速度信息，进而采用传递熵方法分析闸墩振动传递路径，证明了传递熵能够准确捕捉复杂振动系统中的能量流动和传递方向，适用于闸墩振动传递路径分析。结果表明，闸墩侧墙内侧顶部、底部及支铰大梁是闸墩结构振动传递的三大起点，闸墩侧墙内侧中部及过流闸尾部是振动的主要汇集点。本研究为高拱坝闸墩的设计和维护提供了新的科学依据和技术手段。
2024 Vol. 43 (12): 1-12 [
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混凝土坝施工场景人-机-环多要素识别方法
陈云, 涂宇轩, 陈述, 晋良海
DOI: 10.11660/slfdxb.20241202
混凝土坝施工空间狭窄、工序转换不断、人员-机械-环境（人-机-环）等要素繁多，而且存在要素遮挡、密集重叠、尺寸和方向各异等情况，导致传统机器视觉目标识别方法难以满足复杂施工现场目标识别要求。因此，本文提出混凝土坝施工场景人-机-环多要素识别的YOLOv5-SS新方法。通过插入CBAM注意力模块，改进目标检测器的性能，增强目标检测器对不同尺寸和位置的人-机-环要素敏感性；同时融入加权双向特征金字塔网络（BiFPN），使得目标检测器聚焦于实时人-机-环要素等关键图像信息。为验证所提方法识别能力，以混凝土拱坝施工现场的图像信息为基础数据集，通过对比YOLOv5-SS、YOLOv5和Faster R-CNN等模型，验证了所提方法能有效提高混凝土坝施工场景中各类目标的效率和精准度。
2024 Vol. 43 (12): 13-22 [
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23
Swin-Unet在坝面混凝土裂缝自动标注与分割方法的研究
杨汉龙, 陈锦剑, 潘越
DOI: 10.11660/slfdxb.20241203
针对一般分割模型用于表观裂缝分割时训练数据短缺导致的模型精度不足的问题，本文提出了一种适用于坝面混凝土裂缝分割的图像处理方法，该方法融合图像特征提取与深度学习技术，实现了裂缝的自动标注与高精度分割。该算法首先采用Otsu二值化和边缘检测相结合的策略，融合裂缝的形状特征与轮廓信息，对无标签的裂缝缺陷进行自动标注，构建了一个包含19101张裂缝掩膜的大规模数据集；然后将Swin-Transformer的层次化注意力机制引入Unet架构，设计了一种结合Swin-Transformer和Unet的混合模型（Swin-Unet）；最后在自建数据集上对该模型进行了实验验证和结果分析。结果表明：Swin-Unet在裂缝分类准确度上达到最高（100%），在分割IoU指标上达到93.1%，比Unet分割模型（85.6%）提高了7.5个百分点，表明Swin-Transformer架构的引入能够增强模型对全局特征与局部特征的关联能力，显著提高裂缝缺陷的分割精度；此外，通过对裂缝最小外接矩形的分析发现，裂缝的方向分布与形状分布具有明显聚集性，这对于理解裂缝形成的机制以及预测裂缝扩展方向具有重要参考价值。
2024 Vol. 43 (12): 23-33 [
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自密实砂浆在堆石体中的填充性能研究
王辉, 刘嘉瀛, 何世钦, 周虎
DOI: 10.11660/slfdxb.20241204
为了研究自密实砂浆在堆石体中的填充性能，制作L-B形箱模型并采用不同粒径的凸多边形块体随机摆放形成复杂且不规则的空隙通道，进行了自密实砂浆填充试验。将自密实砂浆视为宾汉姆流体，采用流体体积法对L-B形箱试验进行数值模拟，分析了堆石率与自密实砂浆填充性能之间的关系。研究表明：采用宾汉姆模型表征自密实砂浆的流变性是可行的；流体体积法可以合理地模拟自密实砂浆在具有不规则边界的堆石体中的流动过程和填充结果；在45% ~ 60%范围内，随着堆石率的增加，自密实砂浆的填充性能先提高后降低，堆石率为50%时，自密实砂浆的填充性能最好。本文为研究自密实混凝土在堆石体中的填充性能提供了一种便捷的模拟方法，可应用于实际堆石混凝土施工仿真。
2024 Vol. 43 (12): 34-42 [
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43
基于代理模型的地下厂房施工通风方案多目标优化研究
吴斌平, 于家豪, 王晓玲, 余佳, 刘长欣, 郭章潮
DOI: 10.11660/slfdxb.20241205
制定合理的施工通风方案是保障地下厂房安全、高效施工的关键。针对现有通风方案优化研究大多仅从通风散烟时间、污染物浓度均值等单一优化目标出发，且传统数值模拟方法存在建模成本高、计算效率低等不足，本文提出基于IDBO改进LSSVR代理模型的地下厂房施工通风方案多目标优化方法。首先，以通风效果和通风成本为优化目标，以风机风量、风管口至掌子面距离等通风参数为设计变量，构建施工通风方案多目标优化数学模型；其次，结合LSSVR在处理小样本数据预测方面的优势，建立通风效果预测IDBO-LSSVR代理模型，采用IDBO优化LSSVR正则化参数γ和核参数σ，解决模型超参数取值问题，实现通风效果目标的快速预测，进而结合NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化求解；最后，将本文所提方法应用于洛宁抽水蓄能电站地下厂房工程，在通风效果快速准确预测的基础上实现了施工通风方案的优化。结果表明，优化方案的通风除尘率提高了20.01%，通风成本降低了9.52%。
2024 Vol. 43 (12): 43-54 [
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55
考虑材料分区填筑分期的土石坝有限元优质网格生成方法
孟歆, 周伟, 刘全, 庞小荣, 陈汤卓逸, 陈治光
DOI: 10.11660/slfdxb.20241206
针对土石坝有限元网格生成，目前少有系统性的方法能够统筹考虑材料分区、填筑分期并满足填筑的水平分层要求。而手工绘制网格费时费力、质量因人而异。本文提出了考虑材料分区填筑分期的土石坝有限元优质网格生成方法。首先考虑材料分区和填筑分期对土石坝最大断面进行水平分层和垂直分块，生成分割尺度可控的规则网格；然后基于节点分类编号，提出了节点迁移和单元识别、融合、塌缩、切分等处理方法，修正规则网格为三节点或四节点平面单元，同时兼顾网格质量。江坪河面板坝实例说明，基于上述方法研发的程序，可高效地生成坝体最大断面的二维有限元优质网格，且具备延伸至三维网格的能力。
2024 Vol. 43 (12): 55-63 [
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三峡水库应急抗旱补水调度对下游水位的影响及效益评估
李英海, 姜庆琛, 王永强, 宋志红, 张晓琦
DOI: 10.11660/slfdxb.20241207
近年来三峡水库针对长江中下游干旱已多次开展应急抗旱补水调度，但补水流量对下游断面水位影响尚不明确，水库抗旱补水效益指标体系尚未建立。本文构建了基于长短时记忆神经网络的断面水位模拟模型，模拟了不同补水方案长江中下游典型断面水位变化过程；从供水、生态、航运和发电4个方面构建了水库抗旱补水效益评估指标体系。结果表明：2022年8月三峡水库按加大流量500、1000和2000 m3/s三种方案补水后，长江中下游主要控制站水位和流量均有一定程度抬升，可挽回灌溉面积0.29万ha，增加灌溉经济效益1355万元；发电效益分别增加1400万元、2725万元和3225万元；由于抬升幅度较小，生态和航运效益没有显著变化。该研究可为科学制定三峡水库抗旱补水方案提供技术支撑。
2024 Vol. 43 (12): 64-76 [
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电絮凝流场及泥沙沉降效果特性与控制因素
刘伊丰, 柏文文, 吴淼, 魏加华
DOI: 10.11660/slfdxb.20241208
泥沙絮凝显著影响河道疏浚及其水环境改善，采用人工干预方式加速水体中泥沙絮凝，对水处理和水环境改善具有重要意义。本研究聚焦电絮凝过程中气泡运动特征及其对泥沙絮凝的影响，通过室内实验，利用粒子图像测速系统（PIV），对9种不同电流密度下气泡运动进行了连续观测，采集5500帧图像数据，观测了不同工况下的泥沙粒径及溶液浊度，采集4860条粒径数据和162条浊度数据，对比分析了不同工况下泥沙粒径变化及溶液浊度演变特征。研究结果表明，气泡驱动对流是电絮凝过程中流场演化和絮凝的重要驱动机制，低电流密度（如10 A/m2）下气泡生成速率较低，流场稳定，有利于絮体稳定，而过高的电流密度（如50 A/m2）会导致流场紊动增强，破坏已形成的絮体，降低絮凝效果。漩涡数量和分布显著影响絮体的形成和生长过程。D/V被证明是衡量絮凝效果的重要指标，在电流密度为40 A/m2时，D/V和去除效率均达到最大。气浮夹带和絮凝沉降是影响浊度的主要因素，分界粒径为37.2 μm。本研究揭示了气泡运动引起的流场扰动及其对絮凝效果的影响，为电絮凝效果优化提供了科学依据。
2024 Vol. 43 (12): 77-88 [
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C型叶片转轮水泵水轮机驼峰区流动特性分析
肖业祥, 肖微, 任绍成, 桂中华, 林昊
DOI: 10.11660/slfdxb.20241209
为探究转轮叶型对水泵水轮机驼峰区流动的改善程度和影响规律，本文对模型水泵水轮机进行了预测和试验分析，然后对转轮采用C型叶片优化后的水泵水轮机性能进行预测分析，基于涡识别法讨论了转轮改型前后各过流部件在驼峰区的流动和涡旋流分布情况，揭示了优化转轮叶型对驼峰区流动的影响。研究发现，改型后水泵水轮机的驼峰范围和驼峰裕度更小，扬程随流量变化趋势更平缓。在大流量工况下，尾水管、导叶、转轮域内与优化前相比涡旋面积更小。在驼峰区工况下，尾水管出口处有来自转轮的小部分回流，但与优化前相比回流明显减少；导叶及转轮域内与优化前相比发生流动分离的区域也有所减少，在无叶区内的涡旋较优化前明显减少，说明优化转轮叶型有助于改善泵工况的驼峰特性及其内流特性。
2024 Vol. 43 (12): 89-97 [
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水泵水轮机调相转发电排气过程水力特性分析
曹中成, 周大庆, 于安
DOI: 10.11660/slfdxb.20241210
针对抽水蓄能机组在发电调相转发电工况易引发不稳定现象，对水泵水轮机该工况转换时的排气增压过程进行研究。基于SST k-w及VOF模型对原型水泵水轮机进行非定常多相流模拟计算，揭示了排气增压过程中机组内气液两相的动态分布，分析了机组有功功率、排气速率和无叶区压力的瞬态变化规律，以及水泵水轮机内部流场演变与外特性的关联特性。研究表明：在排气过程中，机组吸收电网的有功功率与排气速率在初期快速减小后缓慢降低，无叶区压力脉动频率较大且增压效果明显；无叶区因尾水的流入渐渐形成高速水环，气液运动混乱，气体易逆流进入尾水管，是影响机组稳定性的主要因素。研究结果可为保障抽蓄机组调相工况切换时的安全稳定提供一定参考。
2024 Vol. 43 (12): 98-106 [
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融合HO-VMD的水电机组摆度信号消噪方法
吴挺玮, 潘罗平, 安学利
DOI: 10.11660/slfdxb.20241211
变分模态分解（VMD）算法广泛应用于水电机组摆度信号消噪，可以克服传统分解方法中固有模态函数分量之间的模态混叠问题。但VMD算法的模态分解数和惩罚因子必须经过优化以获得最佳信号分解精度。本文介绍了一种融合HO-VMD算法的水轮机组摆度信号去噪方法，克服了传统VMD算法参数选择慢、泛化能力差的缺点。方法采用河马优化（HO）算法优化模态分解数及惩罚因子，与麻雀优化算法（SSA）改进的VMD算法及小波变换进行比较。结果表明：融合HO-VMD算法的水轮机组摆度信号消噪方法具有很好的效果，适合水电机组摆度信号的去噪。
2024 Vol. 43 (12): 107-115 [
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116
混流式气液两相泵叶顶泄漏涡动力学特性
闫思娜, 罗兴锜, 冯建军, 谢航, 孙帅辉, 朱国俊
DOI: 10.11660/slfdxb.20241212
半开式气液混输泵的叶顶泄漏涡往往伴随着较多的气泡，诱发泵的不稳定现象。为了研究泵内水气混合泄漏涡的动力学特性，本文基于欧拉-欧拉非均相双流体模型以及MUSIG气泡分布模型对三级半开式混流泵进行了数值模拟研究。采用高速摄像技术捕捉到了一个叶轮叶片周期内的叶顶泄漏涡轨迹、结构及其发展过程。研究结果表明：在叶顶间隙附近区域，科氏力项引起的涡量耗散最大，其次是拉伸扭曲项。膨胀收缩项和斜压扭矩项的大小比前两项下降一个数量级，且只在气液两相工况作用并随着进口含气率增加而增加。半开式气液两相泵的气相聚集区影响涡量耗散区的位置，叶轮的旋转作用是诱发涡量耗散的主要原因。
2024 Vol. 43 (12): 116-124 [
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