2018年2月第1期（总第167期）
(双月刊)
目 次
“国家重大科学仪器设备开发专项”论文
大型潮汐河工模型试验控制系统设计及应用………………夏云峰，杜德军，屈波，缪张华（1）
模型试验含沙量量测技术研究…………………………夏云峰，蔡喆伟，陈诚，房红兵，王驰（9）
大型河工模型分布式表面流场测量系统研制及应用…………………………………………陈诚，夏云峰，黄海龙，王驰，金捷，周良平（17）
基于变频控制的实体模型流量控制……………………………陈红，吴严君，晏成明，唐立模（23）
基于ＰＩＤ 参数自整定的河工模型尾门控制………………陈红，嵇阳，唐立模，吴严君（27）
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基于突变理论的区域洪灾脆弱性评价……高玉琴，吴靖靖，胡永光，王宗志，程亮，刘克琳（32）
不规则波辐射应力的精确解与近似解……………………沈良朵，王晋宝，邹志利，赵西增（41）
磨刀门水道枯季大潮水体层化混合分析…………………………童朝锋，李磊，孟艳秋，王波（48）
长江口盐水入侵对海平面上升的响应特征……………………陈维，匡翠萍，顾杰，贺露露（58）
高桩码头对邻近爆破的非线性动力响应分析……………………………………姚雷，姚文娟（66）
吸力式沉箱组合基础承载特性研究…………………………………………杨剑，黎冰，杜杰（73）
超固结因素影响下桩柱结构地震响应…………………………………………杨章锋，张卫平（80）
深埋水工隧洞衬砌渗透压力控制措施研究………………………………彭亚敏，沈振中，甘磊（89）
华山花岗岩热力损伤特性及机理研究………………………………何爱林，王志亮，毕程程（95）
基于四旋翼无人机的桥梁裂缝检测系统设计…………………………徐昊，彭雪村，卢志芳（102）
HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING
(Bimonthly)
Feb. 2018 No.1 (Total No.167)
Contents
National Major Scientific Instrument and Equipment Development Project of China
Design and application of control system for large tidal river model tests
………………………………………………XIA Yunfeng，DU Dejun，QU Bo，MIAO Zhanghua（1）
Measurement technology and model test of sediment concentration
………………………XIA Yunfeng，CAI Zhewei，CHEN Cheng，FANG Hongbin，WANG Chi（9）
Development and application of measurement system for surface flow field in large-scale river model test……CHEN Cheng，XIA Yunfeng，HUANG Hailong，WANG Chi，JIN Jie，ZHOU Liangping（17）
Discharge control of physical model based on frequency converter
……………………………………CHEN Hong，WU Yanjun，YAN Chengming，TANG Limo（23）
Research on tailgate control of river model based on PID parameter by self-tuning
………………………………………………CHEN Hong，JI Yang，TANG Limo，WU Yanjun（27）
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Assessing regional flood vulnerability based on catastrophe theory
……GAO Yuqin，WU Jingjing，HU Yongguang，WANG Zongzhi，CHENG Liang，LIU Kelin（32）
Exact solution and approximate solution of irregular wave radiation stress
……………………………………SHEN Liangduo，WANG Jinbao，ZOU Zhili，ZHAO Xizeng（41）
Analysis of stratification-mixing mechanism during spring tide of dry season in the Modaomen waterway
…………………………………………TONG Chaofeng，LI Lei，MENG Yanqiu，WANG Bo（48）
Responses of saline water intrusion to sea level rise in the Yangtze Estuary
………………………………………………CHEN Wei，KUANG Cuiping，GU Jie，HE Lulu（58）
Nonlinear dynamic response analysis of blasting to adjacent high-pile wharf
……………………………………………………………………………YAO Lei，YAO Wenjuan（66）
Study of bearing characteristics of combined suction caisson foundation
………………………………………………………YANG Jian，LI Bing，DU Jie（73）
Seismic response of piles structure under overconsolidation
………………………………………………………………YANG Zhangfeng，ZHANG Weiping（80）
Seepage pressure control measures for lining of deep buried hydraulic tunnels
………………………………………………………PENG Yamin，SHEN Zhenzhong，GAN Lei（89）
Experimental study on thermal damage characteristics and mechanism of Huashan granite
…………………………………………HE Ailin，WANG Zhiliang，BI Chengcheng（95）
Design of quadrotor-based bridge crack detection system
……………………………………………………………XU Hao，PENG Xuecun，LU Zhifang（102）
大型潮汐河工模型试验控制系统设计及应用
夏云峰1, 杜德军1, 屈波2, 缪张华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. 河海大学 水利水电工程学院， 江苏 南京 210098）
摘要：已有的长江河口段模型控制系统，上游采用量水堰+扭曲水道进行流量控制，下游采用潮水箱和尾门进行潮位控制，通过485有线通讯方式采集数据。针对原有控制系统老化、量水堰控制流量时试验准备时间长、扭曲水道占用试验场地、485有线通讯设备布置较为困难的特点，考虑到大型潮汐河流模型河口边界条件复杂、长河段、受径潮流的共同作用，对模型布置和自动化控制系统进行了研究。将网络技术、无线通讯技术和模块化设计成功应用于长江河口段模型的控制中，形成由供水、径流流量控制、下游生潮控制等模块组成的标准化、模块化、无线化、智能化和远程化的控制系统。分析结果表明，标准化的新控制系统重复性好，控制精度高于现有规范要求；模块化设计的系统工作稳定、维修方便；智能化和远程化的控制系统操作简便；无线通讯的试验设备布置方便。新的径流控制系统占用模型试验场地少、试验准备时间短，模型试验效率大大提高。该系统具有很好的推广使用价值。
关键词：潮汐； 河工模型； 控制； 网络； 无线通讯； 模块化
模型试验含沙量量测技术研究
夏云峰1， 蔡喆伟1， 陈诚1， 房红兵2， 王驰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. 南京理工大学， 江苏 南京 210094）
摘要：含沙量是河工、港工物理模型试验主要测量要素之一，现有的模型试验含沙量测量仪具有测量范围窄、相对误差大、重复性低等缺点，制约着物理模型试验含沙量的测量范围和试验准确性。介绍了一种自主研制的无线实时含沙量测量仪，该测量仪采用光电测量原理，将光信号转换成电信号，实现含沙量的实时在线测量。通过分析光电法含沙量测量仪的基本原理、硬件系统设计，分别研究了含沙量与透射光强、散射光强、透射光功率之间的变化关系，提出采用透射光与90°散射光相结合方法测量含沙量。经多组试验研究获得含沙量算法及其实现方式，确保含沙量测量的相对误差小于5%。本研究采用不确定度分析方法，分析新研制的含沙量测量仪的可靠性，试验表明仪器的不确定度小于0.4。
关键词：含沙量； 透射法； 散射法； 不确定度
大型河工模型分布式表面流场测量系统研制及应用??
陈 诚， 夏云峰， 黄海龙， 王 驰， 金 捷， 周良平
（南京水利科学研究院 水文水资源及水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029）
摘要：在河工模型试验中,粒子图像表面流场测量方法得到了广泛应用。研制了一种新型分布式表面流场测量系统，该系统采用局域网组网与光纤传输相结合，通过POE千兆交换机与高清智能一体化工业摄像机相连，显著降低了布线复杂度，具有系统传输距离远、布设简单、集成度高、可扩展性强等优点。系统具备可视化全自动采集、可视化错误矢量剔除、导出多种数据格式，生成流场等值线图、流线等功能。在系统研制基础上，提出了一种对粒子图像表面流场测量系统进行精度检测的新方法，通过精确控制匀速旋转平台模拟水流运动，将表面流场测量系统实测数据与旋转平台上各点精确数据进行对比检测，检测结果表明，研制的表面流场测量系统测量误差小于5%，已在长江河口模型等多个大型河工模型中得到成功应用。
关键词：模型试验； 流场测量； 粒子图像； 检测方法
基于变频控制的实体模型流量控制
陈 红1， 吴严君1， 晏成明2， 唐立模1
（1. 河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098； 2. 广东水利电力职业技术学院 水利工程系， 广东 广州 510635）
摘要：设计了变频流量控制系统，改进了变频器控制方法，采用标准电压输出模块和电压检测模块组合成变频器反馈控制系统，实时调整变频器端子电压调节水泵流量输出。变频器和水泵输出流量成线性关系，通过试验测试了3台泵不同组合条件下频率流量关系，单台泵频率流量线性关系相关系数达到0.99，而多台泵频率流量关系不同于单台泵对应关系，且相关系数有所减小。因此，多泵变频控制系统应采用组合率定法标定不同泵组合时频率流量关系。以甬江模型为例，组合率定法流量控制偏差小于0.5%。
关键词：流量控制； 变频控制； 频率流量关系
基于PID参数自整定的河工模型尾门控制
陈 红1， 嵇 阳2， 唐立模1， 吴严君1
（1. 河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098； 2. 河海大学 理学院， 江苏 南京 210098）
摘要：设计了尾门自动控制系统，运用水位仪实时采集尾门水位数据，反馈调节电机转速驱动翻板门，实现水位控制。采用PID模型作为电机转速控制器，测试了固定PID参数条件下，系统在平原河流和山区河流河工模型中水位控制效果，山区河流水位最大控制偏差达到1.3 mm，无法满足规范要求。针对该问题运用产生式学习法总结了尾门控制中PID参数调节规则，构建了以水位跟踪偏差、水位涨落速度、涨落预期及跟踪相位为关键要素的知识库，确立了12条控制策略。尾门控制时根据实测数据与知识库规则自主选择对应控制策略，实现PID参数的自整定。工程实践表明，基于PID参数自整定的尾门控制系统水位控制最大偏差为0.5 mm。
关键词：河工模型； 尾门控制； PID控制； 自整定
基于突变理论的区域洪灾脆弱性评价
高玉琴1, 吴靖靖1, 2, 胡永光3， 王宗志2, 程 亮2, 刘克琳2
（1. 河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098； 2. 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； 3. 汉江水利水电（集团）有限责任公司水库调度中心，湖北 武汉 430048）
摘要：从洪灾脆弱性组成结构出发，选取11个指标构建洪灾脆弱性评价指标体系，建立了基于突变理论的区域洪灾脆弱性评价方法，并应用于全国重点地区防洪保护区——怀洪南片防洪保护区洪灾脆弱性评价中，结果表明：区内大部分地区的洪灾脆弱性程度偏高，其中特脆弱性等级的乡镇为头铺镇、沫河口镇、曹老集镇；重脆弱性等级的乡镇为大新镇、新集镇；中脆弱性等级的乡镇为新马桥镇、王庄镇、吴小街镇、曹顾张乡、浍南镇;轻脆弱性等级的乡镇为小蚌埠镇、梅桥镇、临北回族乡；微脆弱性等级的乡镇为怀远县城关镇、魏庄镇。并与基于熵权模糊优选法进行对比，二者评价结果基本一致，进一步表明了方法的合理性和有效性。研究成果对于降低防洪保护区内各乡镇的洪灾脆弱性具有指导作用，对防洪保护区的减灾投资及洪灾管理具有重要意义。
关键词： 洪灾； 脆弱性； 突变理论； 防洪保护区
不规则波辐射应力的精确解与近似解
沈良朵1， 2， 王晋宝1， 邹志利2， 赵西增3
(1. 浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院, 浙江 舟山 316022; 2. 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 116024; 3. 浙江大学 海洋学院, 浙江 杭州 310058)
摘要：波浪辐射应力是波生沿岸流乃至近岸流的主要驱动力。波浪辐射应力的计算将直接关系到沿岸流的大小及其水动力特性。不规则波相对规则波更能反应实际海洋中的波浪运动，因此不规则波作用下辐射应力的计算将更能体现实际沿岸流中的波浪驱动力。通过推导给出不规则波辐射应力计算的精确解与近似解，并对两种计算方法进行了分析比较，在此基础上进一步用波生沿岸流试验结果对近似计算方法中的波能计算进行了验证。结果表明窄谱情况下，不规则波辐射应力的近似计算方法已有较好的精度，可节省大量的计算时间，从而提高计算效率，但精确计算方法更能准确反应各时刻各位置辐射应力的波动状况。
关键词： 辐射应力； 不规则波； 波能比较； 沿岸流
磨刀门水道枯季大潮水体层化混合分析
童朝锋， 李 磊， 孟艳秋， 王 波
（河海大学 港口海岸与近海工程学院， 江苏 南京 210098）
摘要：通过分析磨刀门水道枯季大潮期间的水体盐度实测资料，得出涨落潮时期盐跃层上下流速结构的差异性，确定了磨刀门水道盐度和盐水楔变化特征，判定磨刀门河口属于部分混合型河口。采用整体Richardson数、梯度Richardson数以及势能函数φ等3种层化指标，计算分析了磨刀门水道枯季大潮期垂向各层不同密度水体层化混合的周期性变化过程，指出出现层化混合的峰值时期。采用Simpson势能理论，分析了磨刀门水道枯季大潮期的河口环流、潮汐应变和潮汐紊动过程，及其与水体层化指标特征峰值的对应关系，结果显示磨刀门水道枯季大潮期河口环流加剧水体层化，潮汐紊动促进水体混合，潮汐应变则是在涨潮时促进混合，在落潮时促进层化。分析指出潮汐应变是引起磨刀门水道各层不同密度水体周期性层化混合现象的主控因子。
关键词：混合型河口； 层化混合； 河口环流； 潮汐应变； 潮汐紊动
长江口盐水入侵对海平面上升的响应特征
陈 维1， 匡翠萍2， 顾 杰3， 贺露露4
（1. 浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院， 浙江 舟山 316022； 2. 同济大学 土木工程学院， 上海 200092； 3. 上海海洋大学 海洋科学学院， 上海 201306； 4. 浙江工业大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 310014）
摘要：基于MIKE3软件建立了潮流作用下长江口三维水动力及盐度输运数学模型，采用实测潮位、流速、流向以及盐度资料对模型进行了验证。运用验证好的数学模型对海平面上升后长江口枯季盐水入侵进行了模拟，从而分析海平面上升条件下长江口枯季盐水入侵的响应特征，得出以下结论：海平面上升1 m后，北支上段、南支、南北港以及南北槽的盐度均上升，南支平均盐度均超过0.45 psu，北支中下段的盐度却明显减小；海平面上升后潮汐的作用更强，北支下段底层层化现象减弱，北支径流动力增强，表层层化现象增强，表层Richardson数达150；南槽Richardson数底部减小，表层增大，但垂直结构趋势变化不明显。
关键词：长江口； 盐水入侵； 海平面上升； MIKE3； Richardson数
高桩码头对邻近爆破的非线性动力响应分析
姚雷， 姚文娟
（上海大学 土木工程系， 上海 200444）
摘要：爆破施工会对周围已有的建筑物产生安全隐患，因此，预测爆破施工对周边建筑物的影响能有效降低风险，消除安全隐患。在某港口周边进行爆破施工前，为保证邻近高桩码头的安全，先建立爆破位置与高桩码头整个区域的三维非线性有限元数值模型。在爆破荷载及高桩码头在役期间的最不利荷载作用下，计算分析港口内部结构与土的非线性相互作用动力响应。根据港口结构所能承受的爆破冲击波通过土体传递给结构的动力响应，并以高桩码头的安全振动速度为衡量标准，得到爆破点距离码头最近位置时的最大单孔炸药量，分析此时码头的位移变形、弯矩、剪力以及应变情况，发现码头的位移受爆破荷载的影响较小，但码头内部斜桩较直桩承受更大的应力、剪力，因此在爆破施工时，斜桩更容易受到破坏。
关键词：爆破； 邻近建筑； 高桩码头； 动力响应
吸力式沉箱组合基础承载特性研究
杨 剑1， 黎 冰2， 杜 杰2
(1. 中交公路规划设计院有限公司上海分公司， 上海 200072； 2. 东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096)
摘要：基于吸力式沉箱基础应用于桥梁工程的背景，考虑不同数量的沉箱组合和沉箱间距，通过数值模拟的方法研究了吸力式沉箱组合基础的承载特性，重点分析了组合基础与单个基础承载性状的差异，以及连接各沉箱的顶板对基础承载力的贡献。计算结果表明，沉箱组合基础与单个沉箱基础的荷载-位移曲线类型都相同；受类似于“群桩”效应的影响，竖向荷载作用下组合基础中的沉箱承载力不能完全发挥，但由于沉箱之间的连接顶板可以提供阻力，所以当沉箱间距较大时组合基础的承载力会大于相应数量单个基础的承载力之和，且随着沉箱间距的增大而增大；对于水平荷载作用下的吸力式沉箱组合基础，其承载力大于相应数量单个基础的承载力之和，连接顶板底部与土体之间的摩擦和挤压对于组合基础承载力的提高可以忽略不计。
关键词：吸力式沉箱基础； 桥梁工程； 承载特性； 有限元分析
超固结因素影响下桩柱结构地震响应
杨章锋1， 2， 张卫平3
(1. 广东海洋大学 海洋工程学院， 广东 湛江 524088； 2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院， 江苏 南京 210098； 3. 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)
摘要：地震荷载作用下饱和地基的循环加载响应以及动力液化问题成为地震工程研究中的重要课题。为更好研究饱和地基在考虑超固结因素下的影响及其在循环加载下的演化规律，在下负荷面剑桥模型理论框架下分别通过排水和非排水三轴压缩试验对循环加载下土体的加载响应进行数值模拟研究。在以上研究基础上，基于ADINA81平台开发负荷面剑桥模型本构关系模块，建立两相饱和地基下的桩土耦合体系的动力非线性有限元数值模型，对不同模型下桩柱结构的地震响应进行了数值模拟对比研究。研究发现在下负荷面剑桥模型下结构的动力响应数值模拟结果介于弹性模型与经典剑桥模型之间，考虑超固结因素影响后，地基表现出更好的抗液化特性与更高的承载能力，能改善结构的动力响应与受力状况。
关键词：超固结； 下负荷面剑桥模型； 抗液化特性； 地震响应
深埋水工隧洞衬砌渗透压力控制措施研究
彭亚敏， 沈振中， 甘 磊
（河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098）
摘要：我国西部高山峡谷地区水电站工程地下水位高，深埋水工隧洞衬砌外水压力大，防渗排水措施要求高。为减小作用于衬砌上的外水压力，提高衬砌结构的安全性和经济性，同时减小排水对地下环境的影响，需要采取合理的围岩防渗排水措施。结合某在建水电站工程，拟采用固结灌浆、排水孔等防渗排水措施，建立泄洪洞的三维有限元模型，精细模拟固结灌浆和排水孔作用，研究不同方案下隧洞围岩浸润面变化和衬砌所受渗透压力分布规律。结果表明：泄洪洞深部固结灌浆可大幅减少围岩地下水内渗，有效降低对地下水位的影响，有利于生态环境保护；排水孔的排水降压作用显著，可有效减小衬砌所受外水压力。若需兼顾考虑地下水环境影响及有效减小衬砌所受外水压力时，可采用深固结灌浆联合浅排水孔的处理方案，且建议固结灌浆范围为5~8 m，排水孔深度1~2 m。
关键词：水工隧洞； 固结灌浆； 排水孔； 衬砌； 渗透压力
华山花岗岩热力损伤特性及机理研究
何爱林， 王志亮， 毕程程
(合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥 230009)
摘要：为研究花岗岩的热力损伤特性及机理，借助超声检测分析仪与钨灯丝扫描电镜，分析了不同温度作用后岩石纵波波速衰减规律、损伤演化模型及细观机理。结果表明：温度低于500 ℃时，花岗岩试样纵波波速随处理温度升高而缓慢降低，当温度接近573 ℃，纵波波速呈迅速下降状态，最终渐趋于稳定；随着加热温度的升高，岩样的超声波波幅锐减，“拍”的长度变短；花岗岩内部热损伤与所经历的温度之间符合logistic曲线模型；温度在20~500 ℃范围内, 花岗岩试样中主要产生晶间裂纹，裂纹数量随温度升高而增加；加温至700 ℃时，岩样中产生晶内裂纹或穿晶裂纹，温度达到900 ℃时，岩样出现宏观分岔裂隙。
关键词：花岗岩； 处理温度； 热损伤； 宏观响应； 细观机理
基于四旋翼无人机的桥梁裂缝检测系统设计
徐 昊1， 彭雪村1， 卢志芳2
（1. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430070； 2. 武汉理工大学 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430070）
摘要：为解决高墩大跨桥梁裂缝检测困难的问题，设计了四旋翼无人机桥梁裂缝检测系统，包括无人机系统、摄像系统、数字图像处理系统。通过对桥梁检测特性及无人机动力特征的分析，以STM32F427为主控板搭建满足飞行动力、控制、安全要求的硬件平台。在摄像系统中，借助相机矫正提高图像精度，采用像素物理尺寸标定、物距测量的方法，为裂缝图像自动测量提供辅助信息，并设计一种图像实时远程传输方案。在数字图像处理中，针对桥梁裂缝的噪声特点，经由中值滤波、边缘强化、阈值分割、形态学处理等获得裂缝二值图像，结合框选法实现裂缝宽度自动测量。所设计的无人机桥梁检测系统为解决高墩大跨桥梁裂缝检测困难的问题提供了一种可行方案，也为提高桥梁检测效率和精度提供了技术支持。
关键词：裂缝检测； 四旋翼无人机系统； 摄像系统； 数字图像处理
