2017年8月第4期（总第164期）

(双月刊)

目  次

五里亭船闸下游引航道综合整治………………………………王晓刚，王小东，宣国祥，鄢俊（1）

游艇波浪侵蚀长港河河岸的计算分析……………………………………刘川顺，陈曦濛，鲁晓义（8）

高水头船闸阀门顶缝空化切片试验研究………………王新，胡亚安，严秀俊，吴波，钱文勋（14）

太浦闸水量水质联合调度对金泽水库水质影响

……………………………………………………戴晶晶，陈红，彭焱梅，张亚洲，武剑，胡庆芳（20）

基于Holland风场的台风浪数值计算………………杨万康，尹宝树，伊小飞，杨青莹，施伟勇（28）

三峡水库蓄水后宜昌枯水位的时变特征及成因…………………………郭怡，孙昭华，罗方冰（35）

基于局部拟合法的低能沙质海岸比尺设计………………………………尹硕，潘毅，陈永平（43）

太湖流域平原河网区水系连通性评价…………………………诸发文，陆志华，蔡梅，王元元（52）

海河流域径流变化趋势及其归因分析……………………张利茹，贺永会，唐跃平，王国庆（59）

生物倍增反应器气泡流态特性分析………………董亮，曾涛，刘少北，王勇，张长练，何雨（67）

带键槽透水底板脉动压力试验研究……………………………………马斌，马永磊，李昕尧（76）

孤立波作用下海底管道允许悬跨长度简化计算……………………付长静，李国英，赵天龙（83）

循环荷载后围压水对混凝土力学特性影响…………杨乃鑫，陈灯红，彭刚，肖杰，徐童淋（89）

堆石料广义塑性模型对不同应力路径适应性研究…………卞士海，李国英，魏匡民，米占宽（97）

考虑径流补给的滑坡渗流三维有限元模拟……………………………………何玲丽，田东方（105）

HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING

(Bimonthly)

Aug. 2017                                     No.4 (Total No.164)

Contents

Comprehensive regulation of navigation conditions of lower approach channel of Wuliting navigation lock

………………………………WANG Xiaogang，WANG Xiaodong，XUAN Guoxiang，YAN Jun（1）

Calculation and analysis of bank erosion of Changgang River caused by yacht-generated waves

………………………………………………………LIU Chuanshun，CHEN Ximeng，LU Xiaoyi（8）

Sectioning test study on valve top gap cavitation of high-head lock

………………………………WANG Xin，HU Ya’an，YAN Xiujun，WU Bo，QIAN Wenxun（14）

Impacts of water quantity and quality joint operation for Taipu sluice on water quality in Jinze reservoir

………DAI Jingjing，CHEN Hong，PENG Yanmei，ZHANG Yazhou，WU Jian，HU Qingfang（20）

Numerical calculation and research of typhoon waves based on Holland wind field

………………YANG Wankang，YIN Baoshu，YI Xiaofei，YANG Qingying，SHI Weiyong（28）

Time-variation characteristics and causes of Yichang low-water level since impoundment of Three Gorges reservoir

…………………………………………………………GUO Yi，SUN Zhaohua，LUO Fangbing（35）

Scale design based on local curve fitting method for low-energy sandy beach

………………………………………………………………YIN Shuo，PAN Yi，CHEN Yongping（43）

Evaluation of river network connectivity in plain area of Taihu basin

…………………………………………ZHU Fawen，LU Zhihua，CAI Mei，WANG Yuanyuan（52）

Analysis of runoff change trend and its attribution in Haihe River   basin

……………………………………ZHANG Liru，HE Yonghui，TANG Yueping，WANG Guoqing（59）

PIV measurement and POD analysis of bubble flow characteristics in bio-doubling reactor

…………DONG Liang，ZENG Tao，LIU Shaobei，WANG Yong，ZHANG Changlian，HE Yu（67）

Experimental studies of pulsating pressures on pervious base slab with keyway

……………………………………………………………………MA Bin，MA Yonglei，LI Xinyao（76）

Simplified calculation of allowable free span length of submarine pipelines under action of solitary waves

……………………………………………………FU Changjing，LI Guoying，ZHAO Tianlong（83）

Mechanical properties of concrete under confining pressure after cyclic loading

…………………………YANG Naixin，CHEN Denghong，PENG Gang，XIAO Jie，XU Tonglin（89）

Study on adaptability of generalized plasticity model of rockfill materials under various stress paths

……………………………………BIAN Shihai，LI Guoying，WEI Kuangmin，MI Zhankuan（97）

3D FEM numerical simulation of infiltration of landslide considering runoff

………………………………………………………………………HE Lingli，TIAN Dongfang（105）

五里亭船闸下游引航道综合整治

王晓刚， 王小东， 宣国祥， 鄢俊

（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， 江苏 南京 210029）

摘要：以五里亭船闸下游引航道整治措施为例，建立了二维水流数学模型，对岸嘴开挖、隔流墙设置、疏浚、航线调整等措施进行研究，详细阐述了典型引航道水流条件的逐步优选过程，提出了五里亭船闸下游引航道推荐整治方案。通过对方案的逐步优选，得出：①引航道整治措施优选是多约束条件下的渐进过程，除论证通航可行性外应兼顾发电、行洪可行性，孤立分析通航整治措施可能给出极不合理的工程建议，而这在许多通航论证中常被忽视；②对于具体工程，引航道隔流墙的长度理论上存在最优值；③淹没式长隔流导航墙可满足掩护引航道水流条件的要求，同时也不妨碍电站出力和河道泄洪，是通航水流条件较差船闸引航道整治的有效措施。

关键词：整治措施； 通航条件； 引航道； 水动力模型

游艇波浪侵蚀长港河河岸的计算分析

刘川顺， 陈曦濛， 鲁晓义

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 湖北 武汉 430072）

摘要：船行波导致的河岸侵蚀对土地资源和堤防构成威胁。游艇体量小，其危害往往被忽视，然而快速航行的游艇会对河岸产生严重损坏。目前量化评估船行波侵蚀河岸的文献很少。建立船行波引起河岸侵蚀后退的估算模型，并结合鄂州市长港河侵蚀进行实例计算。研究过程由三部分组成：一是现场勘测和调研，包括采集河岸土样，测量河道特征参数，调查长港河船舶类型、船舶技术参数及各类船舶每天航行频次；二是开展室内土工试验，测定土样颗粒级配曲线和临界剪应力，以评估河岸的抗侵蚀性；三是开展河岸侵蚀的数值计算，包括计算游艇船行波要素，采用侧向侵蚀模型计算河岸侵蚀率。计算结果表明，在游艇船行波侵蚀作用下，长港河河岸年平均侵蚀后退54.4 cm，与现场调研结果基本相符。

关键词：游艇； 船行波； 河岸侵蚀； 波浪要素； 侧向侵蚀模型

高水头船闸阀门顶缝空化切片试验研究

王新^1,2， 胡亚安^1,2， 严秀俊^1,2， 吴波¹， 钱文勋¹

（1. 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， 江苏 南京 210029； 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， 江苏 南京 210029）

摘要：针对日益严峻的高水头单级船闸阀门顶缝空化问题，采用能够真实反映缝隙流特性的1:1切片模型试验，研究阀门顶缝空化特性及门楣自然通气防空化机理。研究表明，随着空化的发展，缝隙段依次发生喉口跌坎空化、主流中心空化和阀门面板空化，缝隙段负压区不断延伸，直至整个缝隙段达到稳定的-10 m水柱负压，压力脉动很小；门楣自然通气通过增加缝隙段压力，消除主流中心空化和阀门面板空化，抑制喉口跌坎空化。当采用门楣自然通气措施后，缝隙段压力稳定在-2 m水柱左右，空化消失，缝隙段水流脉动压力增大；缝隙段压力与单宽通气量近似二次多项式关系，通气量极值对应的缝隙段压力约-2 m水柱，此时缝隙段压力与通气量达到平衡状态，当缝隙段压力逐渐升高时，门楣通气量逐渐降低，直至自然通气停止。

关键词：高水头船闸； 阀门； 顶缝空化； 自然通气； 切片试验

太浦闸水量水质联合调度对金泽水库水质影响

戴晶晶¹， 陈红²， 彭焱梅¹， 张亚洲¹， 武剑³， 胡庆芳⁴

（1. 太湖流域管理局 水利发展研究中心， 上海 200434； 2. 太湖流域管理局， 上海 200434； 3. 太湖流域管理局 水文局（信息中心）， 上海 200434； 4. 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， 江苏 南京 210029）

摘要：金泽水库是上海市黄浦江供水系统的重要组成部分，提高金泽水库水源地水质对保障上海居民饮用水安全具有重要意义。由于金泽水库的清水来源主要是东太湖，故研究了位于东太湖与太浦河之间的太浦闸调度方式对金泽水库水质的影响。分析了太浦河沿线水量水质监测资料，发现金泽水源地流量、水质与太浦闸下泄水量具有明显响应关系，加大太浦闸下泄水量可以减少太浦河两岸支流水量汇入，增加金泽水库水源地太湖清水所占比例，降低水源地关键污染物浓度。在此基础上，考虑金泽水源地水质需求，进一步设计了太浦闸水量水质联合调度方案。通过典型年数值模拟后发现，太浦闸采取水量水质联合调度方式不仅可以改善金泽水源地的水位条件，而且可有效改善该水源地水质，显著降低关键水质指标超过Ⅲ类标准的天数，从而提高金泽水源地取水安全保障程度。

关键词：太浦闸； 水量水质联合调度； 金泽水源地； 饮用水

基于Holland风场的台风浪数值计算

杨万康^{1, 2, 3}， 尹宝树¹， 伊小飞⁴， 杨青莹³， 施伟勇³

（1. 中国科学院 海洋研究所， 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院大学， 北京 100049； 3. 国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室， 浙江 杭州 310012； 4. 广东海洋大学 海洋与气象学院， 广东 湛江 524088）

摘要：在海岸工程中，台风浪的影响较大。为了提高台风风场模拟精度，基于Holland台风风场模型，选取不同的最大风速半径参数和B参数进行组合，将模型构造风场与实测浮标风速资料进行比较分析，误差统计表明，Willoughby风速半径公式和Vickery的HollandB参数公式组合之后的计算误差最小，对风场的模拟效果最好。然后采用SWAN近岸波浪模型，选取最优风场参数，模拟了1323号“菲特”台风过境期间浙南地区的台风浪。模拟结果表明，最优组合参数生成的台风风场，对台风浪的模拟结果较好。当台风登陆时，温州地区的有效波高超过了10 m，明显高于其他区域，近岸波高等值线分布较为密集，台风移动方向右侧有效波高相对较大。台风进入内陆以后，波高迅速减小至4 m左右。

关键词：Holland风场模型； 最大风速半径；B参数； SWAN波浪模型

三峡水库蓄水后宜昌枯水位的时变特征及成因

郭 怡， 孙昭华， 罗方冰

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 湖北 武汉 430072）

摘要：三峡水库蓄水后，葛洲坝枢纽下游近坝河段内枝城枯水位降幅较小，但宜昌及宜都等位置枯水位降幅较大，且随时间变化显示出非均匀下降的特征。为揭示该现象成因，依据宜昌至枝城河段内枯水位、地形、河床组成等实测资料分析了各因素的时变特征，并采用分离变量法计算分析了枯水位非均匀下降的机理。结果表明：宜昌枯水位在2008年前降幅小且下降速度慢，2008年以后降幅增大且下降速度加快；宜都至枝城区间冲刷是引起宜昌枯水位下降的主导因素，宜都以上河床变形、枝城水位下降为次要因素；宜都以上河床粗化引起阻力调整，是导致2008年前宜昌枯水位降幅小的主要原因；2012年后，宜昌至枝城段河床变形和阻力调整余地都已不大，未来宜昌枯水位稳定性主要取决于枝城水位变幅。

关键词：坝下游； 枯水位； 河床冲淤调整； 阻力变化

基于局部拟合法的低能沙质海岸比尺设计

尹硕^1,2， 潘毅^1,2， 陈永平^1,2

（1. 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； 2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院， 江苏 南京 210098）

摘要：在波浪作用下的泥沙运动过程中，由于泥沙粒径的大小会影响到波浪边界层的紊动状态，以及泥沙沉降时绕流的紊动状态，进而影响其沉降和起动的规律，故波浪作用下的沙质海岸动床物理模型的比尺向来是一个复杂问题，其设计需要对各种因素进行衡量与取舍。而对于我国渤海、黄海沿岸常见的沙质海岸，其粒径范围决定了沉降时的绕流处于层流、紊流的过渡状态，沉降规律更为复杂，使其比尺设计更加困难。针对我国黄、渤海沿岸常见的低能沙质海岸波浪动床试验的泥沙比尺设计问题，探讨了适用于低能沙质海岸的比尺准则，剖析了比尺设计的难点，并提出了适用于一定泥沙粒径范围内比尺设计的局部拟合法。基于局部拟合法，针对低能沙质海岸剖面波浪动床试验，提出了相应的泥沙起动、沉速比尺关系式。

关键词：局部拟合法； 比尺设计； 低能沙质海岸； 波浪动床试验； 海岸剖面

太湖流域平原河网区水系连通性评价

诸发文， 陆志华， 蔡 梅， 王元元

（太湖流域管理局 水利发展研究中心， 上海 200434）

摘要：河湖水系连通是流域及区域防洪、供水和水生态安全的重要基础。现有的基于水流阻力与图论的水系连通性评价方法并不适用于连通性受闸门工程调度影响较大的平原河网区，为此提出了改进的水系连通性评价方法，不仅考虑河网中不同类型河道的实际输水能力，还考虑了闸门启闭的开启度。以太湖流域平原河网区为例，运用太湖流域水量水质模型中的概化河网绘制河网图，结合模型计算出各河道水位及闸门开启度，构建出加权邻边矩阵，并利用MATLAB编程算出每个节点连通性，进行了平原河网区典型年时河网水系连通性评价。总体评价结论为太湖流域平原区总体水系连通性较高，但各水利分区的连通性有一定差异，其中阳澄淀泖区和太湖区水系连通性较高。评价结论符合太湖流域平原河网区的实际情况，和前期研究方法的结论基本一致。该方法实现了受闸门调度影响较大河网水系的连通性定量化评价，可用于河网水系连通性变化评估、改善水系连通工程设计等领域。

关键词：连通性； 图论； 平原河网区； 闸门运行

海河流域径流变化趋势及其归因分析

张利茹¹， 贺永会²， 唐跃平¹, 王国庆²

（1. 南京水利水文自动化研究所， 江苏 南京 210012； 2. 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029）

摘要：在气候变化和人类活动共同影响下，流域径流发生了很大变化。尤其是海河流域，水资源匮乏的现象更为严重，分析水资源变化趋势对实现水资源的可持续开发利用具有重要意义。根据海河流域实际地形地貌特征及水文站分布情况，选取观台、响水堡、张家坟、下会和桃林口等5个水文站所在的区域，采用Mann-Kendall秩次相关检验法及线性回归方法，分析检验各典型区域年径流量的历史变化趋势。基于半分布式流域水文模型——TOPMODEL，采用水文模拟的途径，定量评估了典型区域气候变化和人类活动对径流变化的影响。归因结果表明：除桃林口外的其他4个水文站的年径流量均呈显著减小趋势，海河典型区域年径流减小主要跟人类活动有关，其占比都在65%以上。人类活动对观台、张家坟和响水堡站径流量减小的影响占比为65%~70%，对桃林口站径流量减小的影响占比为75.4%，对下会站径流量减小的影响占比高达81.7%，主要原因是海河流域自20世纪60年代中后期以来进行大规模水利建设所产生的水文效应。

关键词：气候变化； 人类活动； MannKendall检验； 归因分析

生物倍增反应器气泡流态特性分析

董 亮， 曾 涛， 刘少北， 王 勇， 张长练， 何 雨

（四川理工学院 过程装备与控制工程四川省高校重点实验室， 四川 自贡 643000）

摘要：利用激光粒子图像测速技术(PIV)对生物倍增反应器在7种不同进水流量下的气泡流态特性进行了测量和分析，利用特征正交分解方法对所测2个截面的气泡流场进行分解，提取流场中含能大尺度结构。结果表明,进水流量的增加导致了气泡轴向速度减小，径向速度增大，气泡附壁效应增强；不同进水流量对气泡的扰流影响程度不同，气泡流态的速度场和涡量面积分布存在差异，在特定工况下气泡流场产生了涡旋。上部区域进水流量为0时，1阶模态占能比例最高，约为7.2%；下部区域进水流量为0.18 m³/h时，1阶模态占能比例最高，约为4.5%。低阶特征模态中存在明显的大尺度结构，且大尺度的流动结构与液相混合行为间接相关。当进水流量为0.90 m³/h时，2个截面的涡量面积分布最均匀，气泡死区最少，此时气泡流态最佳。在本试验条件下，进水流量为0.90 m³/h时，反应器整体气泡流态最佳。

关键词：粒子图像测速技术； 生物倍增反应器； 特征正交分解； 流量； 气泡流态； 附壁效应

带键槽透水底板脉动压力试验研究

马 斌， 马永磊， 李昕尧

（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：消力塘防护结构是大坝安全的第一道防线，消力塘的安全是高坝泄洪安全的前提与保障。依托向家坝物理模型，以将“主动防护”与“被动防护”相结合的带键槽的透水底板为试验对象进行试验，主要针对带键槽透水底板的脉缝隙水流压力特性、下表面的脉动压力分布规律、时空相关性、空间相关性和压力频谱特性进行试验分析。结果表明，在水跃稳定区，增设透水孔后，带键槽底板下表面及垂直缝隙处各测点脉动压强最大值和脉动压强系数有所减小；带键槽底板下表面各测点间的相关性有所减小，同时涡漩的空间积分尺度与保持性减小；底板下表面及键槽处各测点的功率谱密度有所减小，并趋于低频。

关键词：键槽； 透水底板； 脉动压力； 模型试验

孤立波作用下海底管道允许悬跨长度简化计算

付长静^1,2， 李国英²， 赵天龙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. 南京水利科学研究院 江苏 南京 210029）

摘要：分析海底管道稳定性时，需要重点考虑管道发生悬空的情况。由于我国油田大多建设在近海地区，因此在考虑管道悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。基于孤立波理论，考虑浅水区波浪的特点，给出浅水区管道悬空段所受的动水作用力。针对常见的悬空形式，从管道最大静弯曲应力不超过材料许用应力的角度出发，推导出浅水区管道允许悬空长度的计算式。最后结合渤海湾某油田海底管道工程，计算出该海区管道的允许悬跨长度，认为该海区有部分管道已超过计算的允许悬跨长度，应进行加固处理。

关键词：非线性波浪原理； 海底管道； 波浪力； 悬空长度

循环荷载后围压水对混凝土力学特性影响

杨乃鑫^1,2， 陈灯红^1,2， 彭 刚^1,2， 肖 杰^1,2， 徐童淋^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：对不同围压(0,2,5,10 MPa)下的水饱和混凝土试件，历经25次循环荷载作用后(荷载下限140 kN，上限260 kN，频率0.1 Hz），进行了不同加载速率（地震荷载作用下的混凝土应变速率响应范围10^-5/s~10^-2/s）下的静动态常三轴抗压性能试验。分析了混凝土峰值应力、峰值应变以及损伤特性。结果表明：历经循环荷载后，随着加载速率的增加，混凝土峰值应力增大，峰值应变整体上逐渐增大，损伤变量D增长速度减缓；随着围压增加，混凝土峰值应力和峰值应变逐渐增大，损伤变量D增长速度降低，但损伤极限差值越来越大。基于上述试验结果，得到了历经荷载循环后混凝土动态峰值应力与围压、加载速率有关的经验计算式及历经荷载循环后混凝土动态峰值应变与围压、加载速率有关的经验式。

关键词：混凝土； 水环境； 围压； 循环荷载

堆石料广义塑性模型对不同应力路径适应性研究

卞士海^1,2， 李国英²， 魏匡民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， 江苏 南京 210029)

摘要：针对同一系列某花岗岩堆石料不同应力路径加载试验，进行了修正广义塑性模型与修正南水模型的应力路径适应性对比研究。研究结果表明：两类模型均可以很好地预测常规三轴加载试验结果；对于等p加载应力路径试验，二者可以很好地预测强度特征，但是预测的体变偏差较大，两类模型均低估了等p试验下堆石料的体缩特性；对于等应力比加载试验，南水模型预测结果优于广义塑性模型，对剪胀（缩）规律预测较好。广义塑性模型预测结果与试验值相差较大,主要原因在于常规三轴试验下的剪胀方程并不适用于等应力比试验，采用本文建议的修正剪胀方程后，广义塑性模型对等应力比路径试验预测精度明显提高。

关键词：广义塑性模型； 应力路径； 堆石料； 模型验证

考虑径流补给的滑坡渗流三维有限元模拟

何玲丽， 田东方

（三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002）

摘要：现有数值模拟方法在模拟边坡降雨入渗时通常不能考虑径流流量补给对滑体渗流的影响，当滑床和滑带的渗透性相对于滑体极低时，会出现低估降雨入渗量、高估滑坡稳定性的现象。以Richards方程、运动波方程和有限元法为基础，提出了一种降雨时滑坡渗流数值模拟方法。该方法忽略滑床和滑带的渗流而只考虑滑体渗流过程，从而减小计算规模，也避免了因滑体与滑床（滑带）渗透性差异过大引起的数值计算困难；依据地形和滑体降雨入渗边界饱和情况，修正降雨入渗边界类型和流量，实现了考虑径流流量补给的滑坡降雨入渗简化数值模拟。对简单土质边坡降雨入渗进行数值模拟，从水量平衡与边坡渗流场两个角度，对比了考虑和不考虑径流流量补给的区别；结果表明，考虑径流流量补给时才能保证计算结果水量平衡，正确反映降雨入渗对基质吸力大幅降低的作用。

关键词：边坡稳定性； 降雨入渗； 径流流量补给； 有限元； 数值模拟