基于目标优化的大型通航隧洞断面尺度研究

钮新强1，吴俊东2，王小威2

(1. 长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010；2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

摘要: 通航隧洞是解决高山峡谷条件下通航建筑物布置难题的有效手段之一，其断面尺度设计受到多因素的制约。基于设计通过能力和船舶临界航速，建立了大型通航隧洞断面尺度目标优化数学模型。该模型以通航隧洞断面系数和隧洞宽度为目标函数，以设计通过能力和船舶临界航速为约束条件，结合工程实际情况将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并给出目标函数的最优解。将提出的目标优化数学模型应用到构皮滩通航隧洞断面尺度分析中，计算结果与实际工程吻合较好，验证了模型的合理性和有效性。

关键词：大型通航隧洞；断面尺度；断面系数；隧洞宽度；目标优化

钢管混凝土嵌岩桩钢-混凝土联合承载规律试验研究

刘明维1, 2，朱晨浩1, 2，阿比尔的1, 2，陈 珏1, 2，刘 耕3，吴文凤3

(1. 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；2. 水利水运工程教育部重点实验室（重庆交通大学），重庆 400074；3. 四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000)

摘要: 钢管混凝土嵌岩桩是深水和浅覆盖层环境下的新型深基础型式，在内河深水码头建设中应用广泛。针对船舶撞击力、波浪力及水流力等周期性水平荷载作用下内河港口钢管混凝土嵌岩桩钢-混凝土联合承载特性，制作了3 根1∶7.3 的大比尺钢管混凝土嵌岩桩模型，沿桩身不同高度在钢管外侧、对应内侧混凝土块及内置受力钢筋上分别布置应变测点，以18.0、22.5 和27.0 kN 为循环幅值，开展钢管混凝土嵌岩桩钢-混凝土联合承载规律试验。结果表明：桩身钢-混凝土应变均包括线性增长、平稳波动、剧烈震动和急剧下降4 个阶段，各阶段占疲劳寿命8.66%、79.66%、6.06% 和5.62%；同一桩身截面外侧钢管应变与内侧对应混凝土应变差异较大，最大超过混凝土应变的80%，而内置钢筋与混凝土始终保持应变协同，最大应变差不超过混凝土应变的20%；在弯矩较小的桩顶处，桩身弯矩主要由内侧混凝土承担，占比超过70%，沿桩身往下，钢管承担的截面弯矩比逐渐增大，在桩身底部，两者弯矩占比近似相等，钢管与混凝土受弯同步，在同一桩身截面处，循环幅值越大，两者越早达到受弯协同状态。

关键词：钢管混凝土嵌岩桩；内河港口；循环荷载；联合承载；模型试验

水位骤降影响下岸坡稳定性简化分析

贺林林1, 2, 3，周 莉2, 3，梁 越1, 2, 3

(1. 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；2. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；3. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

摘要: 水位骤降是影响岸坡稳定的主要外在因素，但现有计算方法均需通过渗透力或孔隙水压力计算或者渗流场与应力场耦合分析来考虑水位下降对岸坡产生的渗流作用，计算过程较复杂，不便于工程设计人员采用。为了便于分析水位骤降对岸坡稳定性的影响，通过对岸坡任一点考虑渗透力与否的应力状态进行对比分析，得到将渗透力对岸坡稳定性影响简化为抗剪强度参数黏聚力降低的这一等效关系，并将此等效关系与强度折减法相结合，建立岸坡稳定性简化计算模型，提出了水位骤降影响下岸坡稳定性简化分析方法，并将该简化分析方法与已有分析方法进行对比分析。结果表明：该简化分析方法结果与岸坡全局临界滑移场（GCSF）方法、Geostudio 的Slope/W 模块方法及传统极限平衡分析方法计算均质岸坡稳定性所得安全系数相差分别为2.6%、3.5% 和3.5%。可见，所建立的简化方法与已有分析方法的结果吻合较好；进一步采用该简化方法与全局临界滑移场（GCSF）方法计算存在软弱夹层的非均质岸坡，所得安全系数相差3.1%。这表明该简化方法计算水位骤降影响下均质、非均质岸坡稳定性均具有较好的可靠性和适用性。

关键词：水位骤降；应力状态；等效关系；强度折减法；简化分析方法

大坝混凝土内部相对湿度与孔隙水饱和度关系

费大伟1，黄耀英1，丁 倩1，夏世法2，包腾飞3

(1. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2. 中国水利水电科学研究院 材料研究所，北京 100038；3. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

摘要: 为了研究大坝混凝土内部相对湿度100% 和孔隙水饱和度100% 是否具有唯一对应关系，成型了不同粉煤灰掺量（0、35%）的大坝二级配混凝土试件，通过温湿度传感器监测获得混凝土内部相对湿度，结合称重试验计算获得混凝土孔隙水饱和度。结果表明：绝湿状态下，水胶比0.5 的大坝混凝土内部相对湿度始终为100%，然而对应的孔隙水饱和度并不一定为100%，不掺粉煤灰与掺35% 粉煤灰的混凝土的孔隙水饱和度分别为85%~89% 和73%~76%，即大坝混凝土孔隙水饱和度100% 对应于内部相对湿度100%，而内部相对湿度100% 不是唯一对应孔隙水饱和度100%。在绝湿状态下，水胶比0.5 掺35% 粉煤灰的混凝土的孔隙水饱和度要小于不掺粉煤灰的混凝土。

关键词：大坝混凝土；相对湿度；孔隙水饱和度；粉煤灰掺量

三点弯曲下橡胶混凝土的断裂性能

刘妙燕1，陆 俊1, 2，明 攀1

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 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: 通过橡胶混凝土三点弯曲梁断裂试验，测取橡胶混凝土的荷载、挠度和裂缝开口位移值，并绘制荷载-挠度曲线和荷载-裂缝开口位移曲线；根据《水工混凝土断裂试验规程》和ASTM 规范计算断裂韧度与断裂能，研究不同橡胶掺量对混凝土断裂性能的影响，以及声发射累积能量和断裂能之间的关系，并对比分析两部规范中给出的不同断裂韧度计算公式的计算结果。研究表明：掺入橡胶后混凝土能承受的最大荷载降低，起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、断裂韧度、断裂能和声发射累积能量均降低；混凝土梁的有效裂缝长度和最大挠度在橡胶掺量为10% 时最小，在橡胶掺量为20% 和30% 时增大；延性指数随橡胶掺量的增加逐渐增大，最大提高了41%；通过拟合混凝土的断裂能和声发射累积能量曲线，可得出形式的经验式。掺入橡胶后混凝土韧性和变形能力提高，脆性得到了改善，并可利用经验式推断达到某一声发射能量值时混凝土的破坏程度。

关键词：橡胶混凝土；起裂韧度；断裂韧度；断裂能；延性指数；声发射累积能量

基于CEEMDAN-PE-LSTM 的混凝土坝变形预测

宋 洋1, 2，杨 杰1, 2，宋锦焘1, 2，程 琳1, 2

(1. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2. 西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048)

摘要: 由于混凝土坝变形监测数据有明显的非线性、非平稳特征，且数据序列包含一定的噪声，容易导致模型预测精度不高。针对上述问题，提出了基于自适应噪声完全集合经验模态分解（CEEMDAN）-排列熵（PE）-长短时记忆神经网络（LSTM）的混凝土坝变形预测模型。利用CEEMDAN 对非线性信号的自适应分解能力，将原始变形数据分解为频率不同、复杂度差异明显的一组固有模态函数（IMF），降低序列中不同尺度信息的相互影响。基于PE 算法将复杂度相近的IMF 分量进行合并重组。最后，对若干重组序列分别构建LSTM 模型进行预测，将预测结果相加得到最终变形预测值。以某混凝土坝水平位移监测数据进行建模分析，结果表明：CEEMDAN-PE-LSTM 模型与常规模型相比预测精度显著提高，能更好地对非线性数据序列进行预测。与单一的LSTM 模型相比，平均绝对误差、平均绝对百分比误差和均方根误差分别降低了76.43%、75.55% 和74.73%，表明该模型通过对原始序列的分解与重组获取不同尺度特征，可以更好地把握非线性、非平稳数据的变化规律，提高预测精度，能有效运用于混凝土坝的变形预测。

关键词：变形预测；经验模态；排列熵；时间序列；神经网络

重复插拔桩引发粉质海床扰动效应研究

宋玉鹏1, 2，宋丙辉1，孙永福2, 3，周其坤1，王振豪1

(1. 自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266235；3. 国家深海基地管理中心，山东 青岛 266237)

摘要: 自升式钻井平台的插桩和拔桩过程会严重扰动天然海床，形成安全隐患。借助室内物理模型试验模拟了粉质海床中自升式平台的插拔桩过程，并将物理模型试验结果与现场CPT 重复贯入测试结果进行了对比分析，从定性和定量角度探讨了单次和重复插拔桩引起的粉质海床扰动效应。研究表明：相比初次插拔桩，二次插拔桩形成桩坑的几何尺寸有所增大；二次插桩较初次插桩引起的超孔压有所下降，最大降幅可达35%；重复插拔桩引发的海床扰动度随距桩靴中心水平距离的增大基本呈线性减小趋势，中间层位土体的扰动度相对浅表层和深层土体更大；相较初次插桩，二次插桩桩端阻力有所减小，但桩端最终峰值阻力却稍有增大，二者的起拔力则比较接近；室内重复插拔桩物理模型试验桩端阻力发展趋势与现场CPT 重复贯入探头阻力监测结果吻合较好。

关键词：重复插拔桩；粉质海床；扰动效应

基于MODFLOW 模型滹沱河傍河地下水源地保护区划分

冷文鹏1，陶 亚2，孙若涵1，夏建新1

(1. 中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081；2. 生态环境部环境规划院，北京 100012)

摘要: 科学合理地划分地下饮用水源地保护区，能够以最精准的范围和较低的经济成本来预防水源受到污染。基于MODFLOW 模型对石家庄市滹沱河新调整的地下水源地的地下水流场进行模拟计算，采用MODPATH 计算了2 种不同工况下示踪粒子反向运移100 和1 000 d 的运移轨迹。结果表明，2 种工况下示踪粒子在100 d 末的平均运移距离分别为0.54 和0.49 km；示踪粒子在1 000 d 末的平均运移距离分别为6.1 和5.6 km。此外，还分析了入渗场使用条件下地下水流场的变化。分析2 种工况的计算结果表明，水源地的抽水井概化成井群时，示踪粒子反向运移的轨迹几何形状更加规则，且迁移距离相对较短。同时，考虑到入渗场补水情况，故将整个入渗场范围纳入一级保护区。

关键词：地下水源地；保护区划分；数值模拟；MODFLOW；示踪粒子；反向运移

GIS 多源数据图层叠置法研究山东省干旱分区

葛鲁亮1, 2，金菊良1, 2，宁少尉1, 2，周戎星1, 2，周玉良1, 2，陈梦璐1, 2

(1. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工业大学 水资源与环境系统工程研究所，安徽 合肥 230009)

摘要: 为揭示山东省干旱孕灾环境的自然背景和干旱空间分布格局，通过基于GIS 的图层叠置方法对山东省干旱分布进行区域划分。首先根据山东省干旱成因选取降水量、土壤含水量、植被指数NDVI 和气温4 个干旱因子进行GIS 栅格数据处理，得到相应的干旱因子图层；然后利用层次分析法确定各干旱因子的权重，把上述归一化后的4 个干旱因子图层进行加权叠置，得到综合干旱因子图；最后，将综合干旱因子图与山东省高程分布图层进行叠加，得到山东省5 个干旱分区，即鲁西北平原北部的农业重旱区、鲁西北平原的南部和胶莱平原农业轻旱区、胶东半岛较湿润区、鲁中南山地丘陵湿润区、山东南部沿海区域的平原湿润区，并提出了各分区的适宜干旱指标。该研究可为山东省干旱监测预警提供孕灾环境方面的理论支撑。

关键词：干旱分区；孕灾环境；GIS 图层叠置；空间分布格局；山东省

人工鱼群算法在河间市水资源优化配置中的应用

刘美钰1, 2，张 雷3，栾清华2，徐 丹2，刘 彬2

(1. 南水北调中线信息科技有限公司，北京 100089；2. 河北省水生态文明及社会治理研究中心，河北 邯郸056038；3. 河北省沧州水文勘测研究中心，河北 沧州 061000)

摘要: 河北省是我国高强度需水与水资源自产量极不匹配的区域，在经济高速发展的当下，科学优化配置区域水资源显得尤为关键和重要。考虑用水总量红线和用水效率红线的约束作用，以河北沧州河间市为研究区，建立了以社会效益和经济效益为目标函数的水资源优化配置模型，并采用人工鱼群算法求解该模型。结果表明：在规划水平年2025 年，河间市可供水量为10 727.88 万m3，龙华店乡缺水率高达50.8%，各乡镇缺水主要集中在农业上；水资源优化配置后，各行业用水矛盾有了明显改善。研究结果可为河间市水资源精细化管理提供关键技术支撑，也可为北方其他县域水资源优化配置提供借鉴和参考。

关键词：水资源优化配置；多目标模型；人工鱼群算法；用水总量；用水效率

变化环境下考虑物理机制的SD 需水预测研究

陈颖杰1, 2，金保明1，金君良2, 3, 4，王国庆2, 3, 4，曹民雄2, 3, 4

(1. 福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108；2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098；3. 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；4. 水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029)

摘要: 随着气候变化与人类活动作用的加剧，流域水资源受变化环境的影响愈加显著。研究变化环境下的流域水资源系统变化特征及需水预测对支撑流域水资源管理与合理配置具有重要的指导意义。基于系统动力学原理，耦合了考虑物理机制的需水预测方法，建立水资源系统模型，以黄河流域为例，分析了多因子驱动及多要素胁迫作用下黄河流域水资源系统变化特征，采用MPI 气候模式预估的未来气温、降水结果及未来流域5 种不同的经济社会发展情形，预测了黄河流域2017—2030 年的水资源供需演变趋势。结果表明：①黄河流域的生活需水量随着流域人口及人均用水需求的增加不断增长。随着产业结构调整，工业需水量呈现缓慢减少态势，生态及三产需水量逐年增加，农业灌溉需水量呈下降趋势；②在加强流域水资源管理力度、增加节水技术投资的前提下，保障流域经济、社会协调发展，注重发展经济的同时兼顾流域生态环境保护，满足黄河流域下一阶段的经济社会可持续发展的要求；③为保障黄河流域水资源可持续发展，实现黄河流域生态保护和高质量发展，需要调整流域水资源管理策略，提高节水程度，促进流域产业结构优化。

关键词：系统动力学；物理机制；需水预测；黄河流域

大渡河流域年径流变化特征及其归因分析

张岚婷，王文圣，刘浅奎，郑芳芳

(四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)

摘要: 根据1951—2012 年大渡河流域内气象站年降水量、年平均气温和铜街子站年径流量资料，利用Mann-Kendall 秩次相关检验法识别年径流量变化趋势，基于小波分析法检验其周期成分，采用有序聚类法、累积距平法及Pettitt 法诊断年径流量突变点，利用累积量斜率变化率比较法揭示气候变化与人类活动对流域年径流量的影响程度。研究结果表明：1951—2012 年大渡河流域年径流量整体呈不显著的减少趋势，其中，1951—1968 和1988—2012 年期间呈不显著的减少趋势，1969—1987 年期间呈不显著的增加趋势；年径流量存在7 年、11 年、17 年和28 年的周期成分；流域年径流量在1968 年和1987 年发生突变；以1951—1968 年为基准期，1969—1987 年期间气候变化和人类活动对大渡河流域径流量减少的贡献率分别为36.22% 和63.78%；在1988—2012 年期间的贡献率分别为33.68% 和66.32%；人类活动是大渡河流域年径流量变化减小的主导因素，气候变化是次要因素。

关键词：大渡河流域；年径流；气候变化；人类活动；变化特征；归因分析

杭州湾跨海大桥海中平台区海床冲刷特性

王金权1，李最森2, 3，沈 翔1，陈 健1，史永忠2, 3，张芝永2, 3

(1. 宁波市杭州湾大桥发展有限公司，浙江 宁波 315327；2. 浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020；3. 浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020)

摘要: 杭州湾跨海大桥海中平台位于杭州湾大桥中间位置，海中平台下部群桩结构与平台上游各系列匝道墩、大桥主墩形成了复杂的墩群结构，受其影响，海中平台区域海床冲刷较为剧烈。为深入了解海中平台区海床冲刷特性，应用多年实测地形测量资料，对海中平台区的海床地形特征、建桥前后海床冲淤变化规律进行了分析，研究各匝道墩最低冲刷高程分布，并应用数值计算模型分析了海中平台区的水动力分布特征，揭示了匝道墩海床冲刷机理。研究发现，与建桥前相比，海中平台区大桥轴线上游500 m~下游1 000 m 范围内海床发生整体一般冲刷，在海中平台南北两侧，受局部绕流影响，产生明显的局部冲刷，最大冲刷达14 m。平台南北两侧向上游延伸的局部冲刷槽影响到平台上游的匝道墩，导致部分匝道墩附近海床高程普遍较低。整体来看，位于桥轴线上游的ZB 和ZC 系列匝道墩因受到海中平台绕流及主墩绕流的叠加影响，导致其最低海床高程明显低于位于桥轴线下游的ZD 和ZE 系列匝道墩，各匝道墩最低海床高程与涨潮流流速大小具有一定的相关性。

关键词：杭州湾跨海大桥；海中平台；匝道墩；冲刷特性

反坡正弦波形底板上F 型水跃水力特性的试验研究

李 桢1，柳树摇2，李 红2

(1. 四川水利职业技术学院，四川 成都 611231；2. 四川省内江水利电力建筑勘察设计研究院有限公司，四川 内江 641000)

摘要: 试验研究了3 个相对粗糙度（0.51、0.86、1.34) 和6 个坡度（−0.02、−0.03、−0.04、−0.05、−0.07、−0.10）对反坡正弦波形底板上F 型水跃水力特性的影响。在弗劳德数从5 到11 的范围内，总共进行了57 次试验。试验结果表明：与经典水跃和光滑底板上的F 型水跃相比，反坡正弦波形底板能有效减小漩滚长度和共轭水深比，粗糙底板有利于稳定F 型水跃。剖面速度分布对相对粗糙度比反坡坡度更敏感，坡度和相对粗糙度影响速度剖面的相似性和边界层厚度的发展。在距离F 型水跃起始点40% 漩滚长度附近，剖面速度分布最不均匀；在1.2 倍的漩滚长度后，剖面动量修正系数基本上都接近1.0。反坡正弦波形底板的综合剪切应力系数是水平光滑床的10~16 倍，这表明反坡正弦波形底板在短距离消能方面非常有效。

关键词：反坡水跃；粗糙底板；共轭水深比；剪切应力；消能率

窝崩抢护治理中树头石阻水效果试验研究

袁文秀1，应 强2，罗龙洪1，张幸农2，假冬冬2

(1. 江苏省水利工程规划办公室，江苏 南京 210029；2. 南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通部重点实验室，江苏 南京 210029)

摘要: 河堤窝崩发生后，首先需要确定的是抢护治理方案，减缓窝塘流速，遏制窝塘进一步发展。在诸多抢护治理方案中，树头石方案具有较好的减速促淤效果，但树头高度和抛投间距在以往的设计中都是依经验确定，缺乏理论基础和试验依据。通过制作长江扬中河段指南村窝崩模型，在窝崩口门附近流速模拟相似的基础上，对窝塘内同一高度3 种间距的树头石排列型式和同一间距3 种高度的树头石进行了试验，用三点法测量了窝塘内12 个点的流速、流向。试验结果表明：窝塘内表层流速受惯性影响较大，底层流速受地形影响较大；窝塘内布置不同高度和不同间距的树头石时，平均流速随树头石高度的增加而减小，随树头石间距的减小而减小，窝内流速的减小，意味着泥沙淤积强度的增大；另一方面，树头石高度的增大和间距的减小，都会增加工程的投资成本，研究认为在相对树高为0.15、间距为6 m×6 m 时综合效果较佳。

关键词：长江河堤；窝崩治理；树头石；平均流速

基于AHP-集对分析的矿井水资源利用风险评估

王亨力1, 2，倪深海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 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

摘要: 识别了矿井水资源利用风险因素，基于供需双侧协调目标，筛选出水量、水质、经济（成本）3 个一级指标及12 个风险评估二级指标建立矿井水资源利用风险评估指标体系，构建基于集对分析理论的矿井水利用风险评估模型。选取冀中煤炭基地邢邯地区的7 个矿区作为典型案例，运用层次分析法评价和集对分析综合评价进行矿井水资源利用风险评估。评估结果表明：邢台、葛泉为低风险，章村、显德汪、邢东、东庞及西庞为中风险；风险等级主要受水质、水量因素的影响，受经济因素影响最小。评估结果与矿区矿井水资源利用实际情况基本符合，这表明基于集对分析理论用于矿井水资源利用的风险评估是可行的，模型可用于其他矿区矿井水资源利用风险评估。

关键词：矿井水利用；层次分析法；集对分析；风险评估；邢邯地区

植被联合植筋带护坡水力特性模型试验

张劢捷1, 2，杨文琦1, 2，周 成1, 2，陈 群1, 2，李登华3

(1. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2. 四川大学 水利水电学院，四川成都 610065；3. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

摘要: 目前关于植被护坡机理的研究多集中于植被根系的力学效应上，关于其水文效应的研究大多也仅针对于单株植物的根系吸水及蒸腾作用。为了探究在多植株条件下植株间距对土体水力特性的影响，以植被联合植筋带（持水加筋带）构成的植物护坡形式为基础，开展了植株间距分别为20、30 和40 cm 模型的干燥和降雨过程的模型试验观测，测定不同埋深处土体的吸力及含水率的变化过程。试验结果表明，在植株间距为20 cm 的模型试验中，干燥工况下吸力最大值比植株间距为30 和40 cm 的试验组分别高出5.3% 和43.3%，说明植株间距越小，植株间水分竞争越激烈，吸力增大越明显。在植被的根系深度范围内，土体的吸力及体积含水率变化幅度较大，且变化幅度随着土体深度的增加而减小，根系深度范围以下的土体基本不受影响。降雨工况下，雨水优先沿裂隙渗入土体内部，因此应防止边坡开裂。由于植筋带埋设于植株根系两侧，株距实际上就是竖向植筋带的埋设间距，所以在采用植筋带进行护坡设计时，植筋带间距应根据经济性和灌木的株距，按照“细而密”的原则进行布置。

关键词：植被护坡；植筋带；株距；水力特性；模型试验