2017年12月第6期（总第166期）

(双月刊)

目 次

高水头船闸第二分流口自分流体型水力特性研究…………祝龙，李君，宣国祥，严秀俊，黄岳（1）

贵港二线船闸下引航道物理模型试验研究………………徐进超，宣国祥，刘本芹，黄岳，祝龙（9）

三峡库区滑坡涌浪作用下船舶锚链拉力试验研究……胡杰龙，王平义，任晶轩，喻涛，程志友（14）

基于改进节点虚流量法的渠道工程施工期渗流场分析……裴传康，魏炳乾，陈守开，杨坡（22）

若尔盖高原泥炭型弯曲河道崩岸过程模拟…………李志威，郭楠，胡旭跃，王晓娟，李艳富（29）

大沽河河道整治方案的准三维数值模拟优化…杨静，黑鹏飞，张潆元，冯金朝，周刚，方红卫（37）

掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气空腔的影响…………………………张靓，杨具瑞，陈玉壮（45）

高桩码头裂缝开合度监测模型研究……………………………………陈旭东，李俊杰，霍中艳（53）

分形理论在堆石料流变中的应用……………………………………卞士海，李国英，米占宽（60）

混凝土冻融劣化后动态单轴抗压特性试验研究………………徐童淋，彭刚，杨乃鑫，柳琪（69）

颗粒形状及级配对粗颗粒土休止角的影响………………………………王龙，陆晓平，薄以霆（79）

冻融劣化混凝土循环加卸载外包络线及能量演化………………柳琪，彭刚，徐童淋，杨乃鑫（85）

近海复杂环境因素对闸墩混凝土裂缝的影响……………………………………王振振，张社荣（92）

考虑温度历程的混凝土坝实测应变转换应力分析………………练迪，黄耀英，朱赵辉，高俊（98）

我国新型城镇化进程中水问题及对策………………………………………………吴强，刘汗（104）

加筋生态护坡技术的应用与发展

………………………………张同鑫，潘毅，张壮，苏致远，王倩，徐圣卓，胡玉植，陈永平（110）




HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING

(Bimonthly)

Dec. 2017 No.6 (Total No.166)

Contents

Numerical study of hydraulic characteristics of self-diffluence structure in second diversion port of high-head lock

………………………………ZHU Long，LI Jun，XUAN Guoxiang，YAN Xiujun，HUANG Yue（1）

Model test study of low approach channel of Guigang second line shiplock

…………………………XU Jinchao，XUAN Guoxiang，LIU Benqin，HUANG Yue，ZHU Long（9）

Experimental study of ship mooring force under action of landslide in Three Gorges Reservoir area

…………………………HU Jielong，WANG Pingyi，REN Jingxuan，YU Tao，CHENG Zhiyou（14）

Analysis of seepage field based on improved node virtual flow method in a large-scale canal project during construction period

……………………………………PEI Chuankang，WEI Bingqian，CHEN Shoukai，YANG Po（22）

Conceptually modelling of cantilever bank failure processes of peat-type meandering channel in the Zoige Plateau

………………………………LI Zhiwei，GUO Nan，HU Xuyue，WANG Xiaojuan，LI Yanfu（29）

Simulation and optimization of quasi-3D hydrodynamic numerical model of channel regulation scheme for Dagu River

……………………………………………………YANG Jing，HEI Pengfei，ZHANG Yingyuan，

FENG Jinchao，ZHOU Gang，FANG Hongwei（37）

Influences of pre-aerator angle variations on length of aerated cavity and pressure of stepped spillway

……………………………………………………ZHANG Liang，YANG Jurui，CHEN Yuzhuang（45）

Study of monitoring model of crack opening displacement for high-pile wharf

…………………………………………………………CHEN Xudong，LI Junjie，HUO Zhongyan（53）

Application of fractal theory in rockfill rheology

…………………………………………………………BIAN Shihai，LI Guoying，MI Zhankuan（60）

Experimental studies of dynamic uniaxial compressive properties of concrete after freeze-thaw deterioration

………………………………………………XU Tonglin，PENG Gang，YANG Naixin，LIU Qi（69）

Influence of particle size and gradation on repose angle of coarse-grained soil

……………………………………………………………WANG Long，LU Xiaoping，BO Yiting（79）

Study of outer envelope curve and energy evolution for freeze-thaw deteriorated concrete under cyclic loading and unloading test

………………………………………………LIU Qi，PENG Gang，XU Tonglin，YANG Naixin（85）

Impacts of offshore complex environment factors on cracks in concrete piers

………………………………………………………………WANG Zhenzhen，ZHANG Sherong（92）

Analysis of transition from measured strain to stress of concrete dams considering temperature effects

…………………………………………LIAN Di，HUANG Yaoying，ZHU Zhaohui，GAO Jun（98）

Water problems and countermeasures during the process of new urbanization in China

………………………………………………………………………………WU Qiang，LIU Han（104）

Application and development of TRM technology in revetment works

…………………………………………ZHANG Tongxin，PAN Yi，ZHANG Zhuang，SU Zhiyuan，

WANG Qian，XU Shengzhuo，HU Yuzhi，CHEN Yongping（110）




高水头船闸第二分流口自分流体型水力特性研究

祝龙，李君，宣国祥，严秀俊，黄岳

（南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 通航建筑物建设技术交通行业重点实验室， 江苏 南京 210029）

摘要：高水头船闸输水水流能量巨大，水力指标高，对输水系统布置和型式提出了更高要求。大藤峡水利枢纽工程船闸最大设计水头40.25 m，输水系统第二分流口拟采用空腔自分流型式，在国内外尚无先例。通过采用三维数值模拟的技术手段对该分流口型式及输水系统整体分流性能进行系统研究，详细分析在各典型充、泄水时刻第二分流口部位的水动力特性，论证在工程实际应用中的可行性。研究结果表明，在合理布置各分支廊道的出水支孔尺寸后，该分流口型式在充、泄水过程中分流效果较好，但在分流口内部存在典型流速、压力分布区域，特别是在泄水工况下分流口大墩头附近存在较大范围三角低流速紊动区域，可能会对分流口结构造成不利影响。研究成果可为全面掌握该分流口型式的水力特性以及进一步改进优化提供技术参考。

关键词：船闸； 分流口； 自分流； 水力特性； 数值模拟




贵港二线船闸下引航道物理模型试验研究

徐进超1，2，宣国祥2，刘本芹2，黄岳2，祝龙2

（1. 南京信息工程大学 水文气象学院， 江苏 南京 210044； 2. 南京水利科学研究院 通航建筑物建设技术交通行业重点实验室 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029)

摘要：引航道及口门区通航水流条件一直是多线船闸并列布置中十分重视的问题，如布置和运行控制不当，容易导致相关安全问题。建立了1:100的贵港枢纽下游及船闸引航道物理模型，研究贵港二线船闸的布置方案及其对引航道和口门区水流条件的影响。结合贵港枢纽的特点，分析枢纽不同泄流条件下，二线船闸原布置方案中引航道、一线船闸停泊段及口门区的流速大小，得到影响船闸引航道水流条件的控制工况；在此基础上，提出了优化布置方案，对不同布置长度及透空方式下引航道的水流条件进行了对比分析。根据研究成果，推荐二线船闸下引航道内采用隔流墙，布置长度为135 m，底部不透空或透空高度小于0.50 m的方案。研究成果为贵港二线船闸的优化设计提供了参考。

关键词：贵港枢纽； 引航道； 口门区； 物理模型试验； 水流条件




三峡库区滑坡涌浪作用下船舶锚链拉力试验研究

胡杰龙1, 2，王平义1, 2，任晶轩1, 2，喻涛1, 2，程志友1

（1. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室， 重庆 400074； 2. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心， 重庆 400074）

摘要：长江是我国最重要的内河航道,号称“黄金航道”，航道内船舶数量众多，因装卸货物等原因处于锚泊状态的船只十分常见。三峡工程蓄水后，库区滑坡频发，滑坡产生的涌浪很可能使船舶锚链发生断裂，造成巨大的人身伤害和财产损失。目前主要采用理论分析和经验分析的方法对船舶锚链及受力进行研究，物理模型试验的研究分析较少，因而在设计锚链拉力时可能会与实际情况有较大出入。通过岩体滑坡涌浪物理模型试验研究不同工况滑坡体情况下位于滑坡附近河道弯道段和直道段船舶锚链拉力的变化情况，得到涌浪传播过程中船舶首尾锚链拉力的变化规律，分析得到不同波高、周期及水深情况下船舶锚链拉力的变化规律，运用多元回归分析得到最大锚链拉力的经验计算式。研究结果可为三峡库区船舶安全管理提供相应参考。

关键词：三峡库区； 滑坡涌浪； 锚泊船舶； 锚链拉力




基于改进节点虚流量法的渠道工程施工期渗流场分析

裴传康1，魏炳乾1，陈守开2，杨坡1

（1. 西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048； 2. 华北水利水电大学 水利学院， 河南 郑州 450045）

摘要：利用求解有自由面渗流的改进节点虚流量法，对大型渠道工程施工期渗流场进行三维有限元模拟，得到不同条件下渠道渗流场的水头分布、浸润线、抽水量以及水力坡降。对施工期不同的降排水方案进行分析和评价，并在控制降水井水位的情况下对各方案进行分析，给出各方案下降水井抽水水位与渠底地下水位和单井抽水量的关系。结果表明，改进节点虚流量法能较好地模拟渠道渗流，可较为准确地判定方案是否满足工程实际要求，为实际工程提供理论和技术支撑。

关键词：改进节点虚流量法； 有限元仿真； 渗流场； 降排水措施； 渠道模型




若尔盖高原泥炭型弯曲河道崩岸过程模拟

李志威1, 2，郭楠1, 2，胡旭跃1, 2，王晓娟3，李艳富4

(1. 长沙理工大学 水利工程学院， 湖南 长沙 410114； 2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410114； 3. 南京市滁河河道管理处， 江苏 南京 210048； 4. 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029)

摘要：崩岸在河床演变和河型转化中发挥重要作用，促使河岸横向移动和河道蜿蜒。2011—2016年黄河源若尔盖高原的弯曲河流野外调查表明，泥炭型弯曲河流的崩岸是河岸上部泥炭层在自重作用下发生的悬臂式崩岸。针对泥炭型河岸的悬臂式崩岸，采用BSTEM模型分析其岸坡稳定性，并模拟河岸侵蚀和崩塌过程。泥炭层的含水率是河岸稳定的关键因子，泥炭层含水率的增加，既增强河岸崩塌的驱动力，也减弱抵抗河岸崩塌的抗剪力，对河岸稳定不利。河岸二元物质组成的厚度对河岸稳定性有较大影响，其泥炭层厚度的增加，可提高河岸稳定性，但是河岸下部粉沙层厚度的增加，则会降低河岸的稳定性。

关键词： 泥炭型弯曲河流； 崩岸； 河岸稳定性； BSTEM模型； 若尔盖高原




大沽河河道整治方案的准三维数值模拟优化

杨静1，黑鹏飞1，张潆元1，冯金朝1，周刚2，方红卫3

(1. 中央民族大学 生命与环境科学学院， 北京 100081； 2. 中国环境科学研究院 环境基准与风险评估国家重点实验室 国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室， 北京 100012； 3. 清华大学 水利水电工程系, 北京 100084)

摘要：大沽河口在河流长期水沙动力作用下，形成当前特有的河道形态。然而近年来大沽河口下游河道逐渐从河流主导型演变为潮汐主导型，河道形态已不再适应当前水沙动力条件。提出适用于当前水沙动力条件的新方案，并基于所建立的准三维河流动力模型，进一步对河道整治所涉及的不同闸坝位置、堤防形态、橡胶坝宽度、码头断面形态进行模拟，得出最优的河道整治方案。研究结果表明，当河口水沙动力条件变化较大时，可以通过设计适应于新水沙动力条件的全新河道形态，利用准三维模型进行优化，解决河道长期淤积和防洪问题。

关键词：大沽河; 河道整治; 准三维模型; 河流动力学




掺气坎角度对溢流坝阶梯面掺气空腔的影响

张靓1，杨具瑞1，陈玉壮2

（1. 昆明理工大学 现代农业工程学院， 云南 昆明 650500； 2. 河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京 210098）

摘要：在宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工中利用前置掺气坎连接WES曲面与阶梯溢流坝，能有效增加阶梯面掺气，避免阶梯遭受空化空蚀破坏。主要引用水气两相流VOF方法的RNG k-ε模型，采用几何重建方式对水气面附近进行插值以及利用PISO算法和非定常流算法进行数值模拟，模拟前置掺气坎角度8°，10°和11.3°时阶梯溢流坝上坎后掺气空腔长度及阶梯面压力分布，模拟范围从库区至消力池尾部。为验证模拟计算的可靠性，对阶梯溢流坝坎后掺气空腔进行模型试验，通过坎后空腔长度模拟值与实测值的对比分析，发现两者吻合较好，最大偏差为7.9%。模拟结果表明，掺气空腔长度随前置掺气坎角度的增加而增加，阶梯近壁面最大负压绝对值及压力随前置掺气坎角度的增加而增加且负压分布范围逐渐扩大。

关键词：工程水力学； RNG k-ε模型； 三维数值模拟； 掺气空腔




高桩码头裂缝开合度监测模型研究

陈旭东1, 2，李俊杰1，霍中艳3

（1. 郑州大学, 河南 郑州 450001； 2. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210098； 3. 浙江海洋大学， 浙江 舟山 316000）

摘要：安全监测是确保水利工程安全运行的重要措施，监测模型是安全监测分析的重要工具，在水库大坝中应用广泛，然而相关理论和研究在港口码头方面应用较少，鉴于港口码头工作环境及工作性态与水库大坝不同，亟需研究符合码头自身工作特点的安全监测模型。针对高桩码头裂缝效应量和原因量的变化规律，选取温度、风、堆荷和时效分量为高桩码头裂缝的主要影响因素，探讨了相应的因子表达形式；在此基础上，建立了高桩码头裂缝开合度监测的统计模型和最小二乘支持向量机模型，研究了模型评价方法，对监测序列进行拟合和预测，验证了模型的有效性和合理性。结果表明，所建立的高桩码头裂缝开合度模型具有较高的精度和一定的预测能力，可为分析高桩码头裂缝监测资料，以及监控高桩码头安全提供科学依据。

关键词：高桩码头； 裂缝开合度； 统计模型； 最小二乘支持向量机模型




分形理论在堆石料流变中的应用

卞士海1, 2，李国英2，米占宽2

（1. 同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092； 2. 南京水利科学研究院 水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室， 江苏 南京 210029）

摘要：流变过程中堆石颗粒不断破碎，分形维数在流变过程中随时间发生变化。基于流变过程基本规律，将分形理论应用于堆石料流变过程，构造了两类随时间变化的流变过程分形维数，并建立了颗粒破碎率与分形维数的关系。通过分析过程流变试验颗粒破碎率的变化规律，验证了流变过程中双曲线型分形维数假定的合理性。在此基础上，考虑流变过程中的能量关系并结合颗粒破碎耗能的相关研究，进一步推导了堆石料流变过程中体变随时间的变化规律，从而建立堆石料特定荷载情况下的流变本构模型。与试验结果对比表明：该模型可以从分形的角度反映堆石料流变规律。

关键词：堆石料； 流变； 分形维数； 颗粒破碎率； 本构模型




混凝土冻融劣化后动态单轴抗压特性试验研究

徐童淋1，彭刚1, 2，杨乃鑫1，柳琪1

（1. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌 443002)

摘要：为研究混凝土冻融循环后的动态力学性能，利用10 MN动静三轴仪对不同冻融劣化程度的混凝土在不同加载速率下进行单轴压缩试验，同时采集声发射数据分析试验过程中能量释放及损伤演化规律。最后，选用Weibull-Lognormal损伤本构模型，对试验数据进行拟合分析，并分析不同工况混凝土的损伤随应变的发展规律。研究结果表明：①相同冻融劣化程度时，随应变速率增加，峰值应力增大，峰值应变减小；冻融劣化程度会影响峰值应力的率敏感性；②在应变速率相同时，随冻融循环次数增加，峰值应力随之减小，峰值应变随之增大。③混凝土冻融劣化后应力应变关系峰前服从Weibull统计分布，峰后服从Lognormal统计分布。④在相同应变速率下，随着冻融循环次数的增加，混凝土的累计塑性应变整体呈增大趋势。

关键词：混凝土； 冻融劣化； 动态抗压； 本构关系； 损伤




颗粒形状及级配对粗颗粒土休止角的影响

王龙1，陆晓平2，薄以霆3

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210098； 2. 江苏省秦淮河水利工程管理处， 江苏 南京 210022; 3. 昆山市水利局, 江苏 昆山 215300)

摘要：为了准确且方便地测量粗颗粒土的休止角，研制了一种基于旋转容器法的粗颗粒土休止角测定仪。利用此装置，对2种粗颗粒土分别进行了15种级配下的休止角试验，并研究了颗粒形状和级配对粗颗粒土休止角的影响。试验结果表明：对于级配相同、颗粒形状不同的粗颗粒土，颗粒呈棱角状砾石料的休止角大于颗粒圆滑的卵石料，不同最大粒径下砾石料的休止角平均值比卵石料高1.3°~2.0°；对于颗粒形状相同、级配不同的粗颗粒土，休止角随最大粒径的增加而增大，最大粒径为20~40 mm时，休止角平均值增长曲线平缓，最大粒径为40~60 mm时，休止角平均值增长速率明显变快；休止角随平均粒径的增大而减小，随不均匀系数的增加而增大。

关键词：粗颗粒土； 休止角； 测定仪； 颗粒形状； 级配




冻融劣化混凝土循环加卸载外包络线及能量演化

柳琪1，2，彭刚1，2，徐童淋1，2，杨乃鑫1，2

（1. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002）

摘要：对历经不同冻融循环次数的混凝土进行了不同应变速率的单轴循环加卸载试验，分析了试验所得应力-应变曲线外包络线的特征，定义了单轴循环加卸载的耗散能、弹性应变能和塑性应变能，研究了这3种能量与冻融循环次数和循环加卸载次数之间的关系。结果表明：混凝土应力-应变曲线外包络线整体上呈先升后降的趋势；随着冻融循环次数的增多，混凝土的峰值应力逐渐减小而峰值应变逐渐增大；应变速率不影响应力-应变外包络曲线的形状；冻融循环影响混凝土的率敏感性；随循环加卸载次数的增加，混凝土的耗散能、弹性应变能和塑性应变能整体上均呈先增后减的变化规律；冻融循环削弱了混凝土的脆性；外力做功90%的能量用于不可逆转的变化过程。

关键词：冻融循环； 循环加卸载； 外包络线； 能量演化




近海复杂环境因素对闸墩混凝土裂缝的影响

王振振1，张社荣2

（1. 中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

摘要：近海大体积混凝土结构所处的外界环境以及地质条件比较复杂，对于带裂缝水闸结构来说，因所处的地理位置、气候变化以及潮汐升降水位等因素的缘故，水闸闸墩裂缝处于张合状态，这降低了水闸结构的稳定性，甚至会影响水闸结构的寿命。沿海环境温度变化对混凝土裂缝宽度变化的实际监测分析，对于混凝土结构安全耐久性评价具有一定价值，依托典型软土地基永定新河防潮闸工程，利用测缝计对闸墩裂缝宽度变化进行健康监测。主要研究运行期环境因素（以空气温度、水温以及潮汐水位为主）对闸墩裂缝的影响，采用健康安全监测软件，通过对数据的挖掘处理，得出环境温度和水位是影响闸墩水下裂缝宽度变化的敏感性因素的结论，为以后水闸闸墩裂缝的安全维护和裂缝的预防提供思路。

关键词：临海复杂地质； 大体积混凝土； 环境因素； 裂缝； 健康监测




考虑温度历程的混凝土坝实测应变转换应力分析

练迪1, 2，黄耀英1，朱赵辉3，高俊4

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 广东省水文局， 广东 广州 510000； 3. 中国水利水电科学研究院， 北京 100038； 4. 上海水务建设工程有限公司， 上海 200072)

摘要：由于混凝土各项性能和水泥水化反应密切相关，因此混凝土热学和力学性能的发展不仅与龄期有关，还与自身温度和温度历程有关，而传统混凝土坝实测应变转换应力计算理论中尚未考虑温度历程的影响，这导致转换获得的拉应力并非真实应力。基于等效龄期理论与变形法基本原理，推导了考虑温度历程的实测应变转换应力公式，并给出了考虑温度历程的实测应变转换应力计算步骤；结合西北地区典型混凝土坝对比分析了考虑温度历程及不考虑温度历程的转换应力，分析表明，西北寒冷地区的典型混凝土坝温度范围为6.4~37.0 ℃，考虑温度历程的拉应力与不考虑温度历程的最大差值为0.49 MPa，且差值峰值出现在早龄期，此时混凝土强度尚未充分发展，若不考虑温度历程影响，则无法进行准确的安全评价。

关键词：混凝土坝； 实测应变； 温度历程； 等效龄期； 应力评价




我国新型城镇化进程中水问题及对策

吴强，刘汗

（水利部发展研究中心，北京 100038）

摘要：水利是城镇化建设的重要基础设施。新型城镇化建设对水资源、水环境及水安全等问题提出了新的要求，已成为影响新型城镇化建设进程的重要因素。在新型城镇化推进过程中，面对水资源短缺、水污染严重、水生态恶化等严峻挑战，分析了城镇化进程中的水利发展趋势，水资源需求在较长一段时期内仍将持续增长，资源性、工程性、水质性缺水长期并存，对城镇化进程中亟待解决的科学技术问题进行了梳理。提出必须以习近平总书记新时期治水思路为根本遵循，统筹做好水资源节约、保护、开发、利用、管理、改革各方面工作，充分发挥水资源的约束性、控制性和先导性作用,注重政府宏观调控与市场资源配置的结合，增强科技创新的支撑引领作用，加快推进城镇化建设提供更加有力的水资源保障。

关键词：城镇化； 水利； 水资源； 节约； 保护




加筋生态护坡技术的应用与发展

张同鑫，潘毅，张壮，苏致远，王倩，徐圣卓，胡玉植，陈永平

(河海大学 港口海岸与近海工程学院， 江苏 南京 210098)

摘要：在越来越注重工程生态性的今天，生态护坡在道路、堤防、城市水利等方面得到了广泛应用。然而很多情况下，生态护坡在强度上无法满足工程设计的要求。加筋生态护坡是土工织物与植草相结合形成的一种护坡形式，在保证工程生态性的同时大大提高了生态护坡的强度，近年来逐渐得到重视与应用。综合介绍了加筋生态护坡的发展历程，将其概括为传统生态护坡、普通加筋生态护坡和高性能加筋生态护坡3个阶段，在此基础上对加筋生态护坡使用的不同结构型式和材质的土工合成材料进行了分类总结，针对国内外加筋生态护坡技术的研究现状和主要结论，结合实例分析了加筋生态护坡的工程应用，指出在保护边坡、减少水土流失及改善生态环境方面的作用。最后，展望了未来需要研究的方向。

关键词： 加筋生态护坡； 加筋草皮； 三维植被网