2015年6月第3期（总第151期）
(双月刊)
目 次
堰塞坝溃坝数学模型研究与应用…………………………………………陈生水，赵天龙，钟启明（1）
钢筋混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程模拟…………………………………………胡少伟，米正祥（9）
基于相似理论的海工预应力混凝土构件寿命预测………………刘荣桂，徐洁，陈素碧，高远（18）
急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究…………… 郭红民,覃闪,蔡黎明,曹光春,张田甜,胡文兵（24）
南沙港淤泥固化前后物理力学性能和微观结构变化……………………………张丽娟，刘仁钊（31）
基于规范反应谱的码头岸坡地震永久变形计算…………………………高树飞，贡金鑫,冯云芬（37）
三峡水库蓄水前后窑监河段年内河床演变分析…………………………任方方，左利钦，陆永军（45）
内河锚泊浮式码头水动力性能分析……………………………………彭泽宇，刘祚秋，富明慧（53）
巢湖兆河分洪闸泄流特性试验研究………………………………王慧，周虹均，曹广学，孙砚（59）
基于能量守恒的淤泥质外航道风淤估算…………………………蒋学炼，宋吉宁，张娜，郄禄文（66）
地下洞室群围岩稳定性动态风险分析及系统研发……………………张超，张社荣，崔溦，王超（73）
软黏土不排水循环应力应变关系的数值模拟……………………………王哲学,王建华,程星磊（81）
胥浦活水泵站肘形进水流道流态分析及优化………………………………………丁军，丁庆朋（88）
基于XFEM的寒潮作用下水闸开裂性状分析………………………吕杨，张社荣，于茂，李宏璧（95）
大化船闸渡槽水力特性及水流条件改善措施………………………………李君，洪娟，胡亚安（101）
黏土砖再生混凝土抗氯离子渗透性试验研究……………………………………………赵书锋（108）
HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING
(Bimonthly)
Jun. 2015 No.3 (Total No.151)
Contents
Dam-break numerical model for a barrier dam and its application
…………………………………………CHEN Sheng-shui, ZHAO Tian-long, ZHONG Qi-ming（1）
An extended finite element method for modeling crack propagation of reinforced concrete three-point bending beams………………………………………………………HU Shao-wei, MI Zheng-xiang（9）
Prediction analysis of service life of marine prestressed concrete structure based on similarity theory
……………………………………………………LIU Rong-gui, XU Jie, CHEN Su-bi, GAO Yuan（18）
A study of bendway flow characteristics outflowing from sluice orifice on rapid river bend
…………………………………………GUO Hong-min, QIN Shan, CAI Li-ming, CAO Guang-chun,
ZHANG Tian-tian, HU Wen-bing（24）
Physico-mechanical properties and changes in microstructure of silt before and after solidification in Nansha port
……………………………………………………………………ZHANG Li-juan, LIU Ren-zhao（31）
Estimation of earthquake-induced permanent slope deformation based on response spectrum in code
…………………………………………………GAO Shu-fei,GONG Jin-xin,FENG Yun-fen（37）
Annual analysis of Yaojian reach riverbed evolution before and after impoundment of the Three Gorges reservoir………………………………………………REN Fang-fang, ZUO Li-qin, LU Yong-jun（45）
Hydrodynamic analysis of a moored floating pier on an inland river
…………………………………………………………PENG Ze-yu, LIU Zuo-qiu, FU Ming-hui（53）
Model tests on discharge characteristics for Chaohu Zhaohe flood diversion sluice
………………………………………WANG Hui, ZHOU Hong-jun, CAO Guang-xue, SUN Yan（59）
Forecast of windblown siltation in entrance channel located on muddy coast based on energy conservation…………………………JIANG Xue-lian, SONG Ji-ning, ZHANG Na, QIE Lu-wen（66）
Dynamic risk analysis and system development for stability of surrounding rock of underground carven group
…………………………………………ZHANG Chao, ZHANG She-rong, CUI Wei, WANG Chao（73）
Numerical simulation of undrained cyclic stress-strain response of soft clay
………………………………………………WANG Zhe-xue, WANG Jian-hua, CHENG Xing-lei（81）
Flow pattern analysis and optimization of elbow inlet conduits of Xupu running water pumping station
…………………………………………………………………………DING Jun, DING Qing-peng（88）
Cracking behaviour analysis of sluices under the action of cold waves based on XFEM
…………………………………………………LV Yang, ZHANG She-rong, YU Mao, LI Hong-bi（95）
Analysis of hydraulic characteristics for Dahua shiplock aqueduct and its flow condition improvement measures……………………………………………LI Jun, HONG Juan, HU Ya-an（101）
Experimental studies on resistance to chloride ion permeability into recycled coarse aggregate concrete
……………………………………………………………………………………ZHAO Shu-feng（108）
堰塞坝溃坝数学模型研究与应用
陈生水， 赵天龙， 钟启明
(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：针对堰塞坝坝体土石料的宽级配特性，引入与水流方向垂直的附加作用力来考虑粗颗粒对细颗粒的阻拦、遮蔽作用以及细颗粒对粗颗粒的包围、填实作用，提出了一个可模拟堰塞坝漫顶溃决过程溃口发展规律与流量过程的数值模型和相应的计算方法，利用该模型对唐家山堰塞坝泄流过程进行了模拟，得出的泄流槽发展规律与洪水流量过程与实测资料接近，验证了该模型和计算方法的合理性。进一步，利用笔者建议的数学模型及数值计算方法，比较分析了唐家山堰塞坝除险过程中泄流槽断面型式对堰塞坝泄流过程的影响，发现堰塞湖在采用泄流槽引流除险时，泄流槽深度与断面型式对其泄流过程具有重要影响，增加泄流槽深度，可明显提高泄流效率，但堰塞湖下游将承受更大的风险。对于同样深度的梯形泄流槽，如果将槽底部断面减小，形成复合梯形泄流槽，不仅可减少开挖工作量，而且没有明显降低泄流效率，同时后者的泄流过程更为平缓，最大洪峰流量减小，出现的时间滞后，堰塞湖下游承受的风险也将降低。
关键词：堰塞坝； 溃坝； 数学模型； 泄流槽； 唐家山
钢筋混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程模拟
胡少伟， 米正祥
(南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029)
摘要：改进后的扩展有限元法位移函数能够更好地反映真实的裂缝尖端渐近位移场，而且无需后处理便可求得应力强度因子，从而为分析裂缝扩展过程提供了便利。为研究钢筋混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程的规律，采用改进后的扩展有限元方法模拟了不同配筋率和不同钢筋位置的三点弯曲梁。文中阐述了改进后扩展有限元法的基本原理，利用虚功原理推导了其支配方程，并介绍了钢筋混凝土三点弯曲梁的应力强度因子计算方法。研究表明：对于超筋结构，起裂断裂韧度与试件配筋率无关；钢筋处于临界位置时起裂韧度与失稳韧度均达到最小值0.567和1.666 9 MPa·m0.5，且钢筋贯穿裂缝时的断裂韧度小于钢筋未贯穿裂缝时的值，对含有宏观裂缝的结构进行锚杆加固时应将锚杆置于裂缝前端。
关键词：钢筋混凝土； 三点弯曲梁； 改进后扩展有限元； 配筋率； 断裂韧度
基于相似理论的海工预应力混凝土构件寿命预测
刘荣桂，徐洁，陈素碧，高远
（江苏大学 土木工程与力学学院， 江苏 镇江 212013）
摘要：根据经典相似理论及海工预应力混凝土结构耐久性的主要表征量，以氯离子扩散系数为纽带建立了室内加速模拟环境试验结构与现场环境结构之间的时间相似关系。参考连云港港区氯盐侵蚀环境，设计了相应的人工气候模拟侵蚀条件；浇筑了2根与现场构件材料组成相同、结构特征相似的试验梁。对现场构件及侵蚀后的试验梁钻取混凝土粉末试样，通过快速氯离子检测方法（即RCT法）测得氯离子含量。按照Fick第二扩散定律并通过Matlab拟合得到氯离子扩散系数，并根据其时间衰减关系得到该地区对应的海洋大气区时间相似系数，实现现场服役结构耐久性寿命预测。
关键词：预应力混凝土结构； 氯离子扩散系数； 人工室内快速试验； 混凝土结构耐久性； 时间相似系数
急弯段闸孔出流的弯道水流特性研究
郭红民1,2, 覃闪1, 蔡黎明1, 曹光春1,张田甜1, 胡文兵1
（1. 三峡大学 水利与环境学院， 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：在河弯处修建水工建筑物时，研究弯道水流特性对水工建筑物布置的影响十分重要。采用RNC κ-ε紊流模型对急弯段闸孔出流的弯道水流进行了三维数值模拟。通过模拟计算，比较分析了急弯段不同闸位、不同流量条件下闸孔过流时的流速分布、紊流动能、压强分布和环流等相关水流特性与变化规律。分析研究结果表明，闸坝位于弯道上游时，弯道对闸坝过流的影响最小，但需对闸坝下流弯道凸岸岸坡附近区域采取一定的防护措施；闸坝布置在弯道中游时，过闸水流受弯道的影响最小，闸室水流的稳定性、闸门的工作安全以及闸墩的空蚀破坏都是实际工程中需要注意的重点。数值模拟验证与物理模型试验结果吻合较好，计算精度较高，能够满足相关计算研究要求。
关键词：急弯段； 闸孔出流； 弯道水流； 水流特性； 数值模拟
南沙港淤泥固化前后物理力学性能和微观结构变化
张丽娟， 刘仁钊
（广东工业大学 土木与交通工程学院， 广东 广州 510006）
摘要：为找出广州南沙港某油罐仓储区工程淤泥加固时固化剂的最优配比，取该工程区典型淤泥，以水泥、石灰、石膏、水玻璃和减水剂作为固化剂，对淤泥进行加固试验研究，以无侧限抗压强度来检验加固效果，找到最佳的固化剂掺量，并进行固化淤泥与原状淤泥力学性能和微观结构变化的对比研究。试验结果表明，水泥、减水剂、水玻璃、石膏和石灰掺量分别为20%, 1.5%,10%, 6%和16%时淤泥的固化效果最佳; 影响固化土强度的5个因素中，水泥掺量影响最大，石膏掺量影响最小。相比原状土样，最优配比固化淤泥试样的渗透系数和孔隙率分别减小81.0%和59.8%，三轴不固结不排水试验的黏聚力和内摩擦角分别是原状土样的3.8和4.9倍，固化淤泥的物理力学性能得到明显改善。
关键词：淤泥改良； 固化剂； 物理力学性能; 微观结构
基于规范反应谱的码头岸坡地震永久变形计算
高树飞1， 贡金鑫1, 冯云芬2
(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024; 2. 聊城大学 建筑工程学院，山东 聊城 252059)
摘要：由于岸坡地震永久变形是造成码头结构破坏的重要原因之一，因而验算码头岸坡永久变形是码头抗震设计的重要内容。Newmark刚性滑块位移法由于其便捷性在永久变形计算中得到广泛应用，目前已提出的基于天然强震记录的Newmark滑块位移经验计算式，不针对具体场地，主要用于区域性地震滑坡危险性分析。以《水运工程抗震设计规范》中的设计反应谱作为目标谱，生成了不同峰值加速度、适合于不同类型场地的人工加速度地震波；采用Newmark滑块位移分析方法，通过对加速度时程中超过屈服加速度的部分进行二次积分，得到了不同类型场地、不同峰值地震加速度下对应于不同屈服加速度时的滑块位移，对位移计算结果进行回归得到码头岸坡永久变形的简化计算式。另外，通过参考国外的相关规范和标准，提出了设防烈度下码头岸坡变形的限值建议值，为我国的码头抗震设计提供参考。
关键词：码头岸坡； 永久变形； 抗震设计； Newmark滑块位移法； 反应谱
三峡水库蓄水前后窑监河段年内河床演变分析
任方方1,2, 左利钦2, 陆永军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. 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029）
摘要：三峡水库蓄水后，窑监河段上游的来水来沙条件发生改变，使河床发生相应调整。三峡工程不仅引起该河段年际间水沙特征变化，含沙量显著减小，年内水沙过程也发生变化，表现为蓄水期流量减少，退水过程加快。根据现有实测地形数据，对三峡水库蓄水前后2002和2007年年内监利河段河床冲淤分布、横断面变化与航道条件进行了比较，并采用资料分析、数学模型等方法对航道条件变化的原因进行了分析。研究表明：三峡水库蓄水后，监利河段年内仍遵循蓄水前“涨淤落冲”的规律；汛期淤积强度较蓄水前减弱，汛后冲刷动力也有所减小，水沙不利年份时航道条件仍呈恶化态势。
关键词：年内演变规律; 退水冲刷; 三峡水库; 窑监河段
内河锚泊浮式码头水动力性能分析
彭泽宇， 刘祚秋， 富明慧
（中山大学 工学院 应用力学与工程学系， 广东 广州 510006）
摘要：近年来内河水路运输飞速发展，浮式码头以其自身优势多运用于潮差较大的河段，由于浮式结构受风浪等环境因素影响较大，故对其水动力性能的研究至关重要。应用基于三维势流理论的水动力分析软件ANSYS/Workbench/AQWA建立浮式码头数值仿真计算模型，对浮式码头分别进行了频域分析和时域分析，考虑JONSWAP波浪谱与API风谱联合作用下浮式码头的运动响应，研究了不同的码头宽度和吃水深度对其水动力性能的影响。分析研究结果表明，浮式码头固有周期大约为3~8 s，设计时需注意避免固有周期与波浪遭遇周期接近，以免发生共振；浮式码头在高频区域内稳定性较好，但耐波性较差；适当增加浮式码头宽度、减小吃水深度可以减小其运动响应幅值，研究结果可为锚泊浮式码头的设计提供理论参考。
关键词：浮式码头； 水动力分析； 时/频域分析； 运动响应
巢湖兆河分洪闸泄流特性试验研究
王慧， 周虹均， 曹广学， 孙砚
(合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥 230009)
摘要：受周边地形条件及环境限制，巢湖兆河分洪闸与河道呈垂直布置，进流条件不利。针对分洪闸与河道垂直布置这一特征，分别对开敞式和涵洞式分洪闸进行了水工模型进口流态试验分析，结果表明涵洞式分洪闸进流流态优于开敞式分洪闸，能更好地保证各闸孔的均匀进流。针对涵洞式分洪闸方案，研究了分洪闸敞泄和控泄的泄流能力，指出敞泄状态下进口行近流速对流量计算影响明显，在水闸规划设计中，应计入行近流速影响。为改善消能效果及出口水流与下游的衔接，进行了多方案消能防冲改进试验，结果表明尾坎作为一种冲击式消能工布置在挖深式消力池末端，可使出口水流流速分布更加均匀并与下游水流衔接更为平顺，明显增强消能防冲效果。
关键词：分洪闸； 泄流能力； 进口流态； 消能防冲
基于能量守恒的淤泥质外航道风淤估算
蒋学炼1,2， 宋吉宁1， 张娜1， 郄禄文3
（1. 天津城建大学 天津市软土特性与工程环境重点实验室， 天津 300384； 2. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072； 3. 河北大学 建筑工程学院， 河北 保定 071002）
摘要：回顾了淤泥质海岸外航道回淤的研究进展。基于风能与波能、波能与悬沙位能之间的能量守恒关系，推导了大风过程中波高、挟沙力和航道平均淤积强度的表达式，提出了直接利用风场要素预测某一指定外航道回淤量的经验式。采用天津港某段外航道大风过程的风场要素和回淤资料对经验式进行了实例验证和模拟预测，结果显示，当拟合样本数足够大时，淤积量的预测精度值与实测值能满足工程要求。单位风时淤积强度的预测值表明，风速是影响悬沙挟沙能力和单位时长淤强的主要风场要素。
关键词：淤泥质海岸； 外航道； 回淤； 能量守恒； 风场要素； 挟沙力； 风淤
地下洞室群围岩稳定性动态风险分析及系统研发
张超, 张社荣, 崔溦, 王超
（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：地下洞室群围岩稳定性风险研究尚处于起步阶段，为快速准确地对施工期地下洞室群围岩稳定性风险进行动态跟踪分析，基于层次分析法和模糊综合评价法，形成监测数据、巡视检查、数值模拟三维一体的评价体系，并考虑评价指标、评价标准的动态性确定地下洞室群围岩发生事故可能性等级。根据不同围岩破坏形式，提出适用于地下洞室群围岩稳定的损失估算方法，引入当量法概念，确定地下洞室群围岩稳定损失等级。结合地下洞室群围岩发生事故可能性等级和预估的地下洞室群围岩稳定性损失等级，经风险矩阵最终确定地下洞室群围岩稳定性风险等级。采用C#Net、SQL SERVER和Python混合编程技术，研发一套能确定地下洞室群围岩稳定性动态风险的系统。该系统应用于国内某在建大型水电站的地下洞室群，能准确确定影响地下洞室群围岩稳定性的关键因素和危险区域，实时指导施工过程，规避可能存在的风险，保证地下洞室群施工安全。
关键词：地下洞室群； 围岩； 层次分析法； 模糊综合评价； 当量法； 动态风险分析； 系统开发
软黏土不排水循环应力应变关系的数值模拟
王哲学1, 2, 王建华1, 2, 程星磊1, 2
(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072； 2. 天津大学 岩土工程研究所， 天津 300072)
摘要：对程星磊等提出的总应力形式增量弹塑性本构模型进行二次开发，以模拟复杂应力状态下软黏土的响应。通过Newton-Raphson算法，对材料非线性问题进行迭代求解；针对本构模型中应力反向等一系列关键性问题，应用欧拉切线算法编写了有限元程序，并结合子增量方法提高了计算精度。预测了软黏土在轴对称应力状态下的响应，得到了应力应变关系曲线，将其与单元预测结果进行比较，二者趋于一致，从而验证了有限元程序编写的合理性。利用该程序模拟三轴不固结不排水试验，模拟结果与试验吻合良好，表明该本构模型有限元程序可以反映轴对称应力状态下软黏土的不排水应力应变特性，可应用于更加复杂边值问题的模拟计算。
关键词：循环荷载； 饱和软黏土； 应力应变； 本构模型； 欧拉切线算法； 三轴试验
胥浦活水泵站肘形进水流道流态分析及优化
丁军1， 丁庆朋2
（1. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 扬州 225127； 2. 仪征市水务局， 江苏 仪征 211400）
摘要：胥浦活水泵站为一座长江边低扬程引水泵站，设计流量5.0 m3/s，最大扬程3.3 m。为适应其低扬程、小流量的特点，选用了全贯流潜水泵，在原胥浦节制闸底板上改建安装。为了保证在长江低水位时，水泵进水口完全淹没，进水流道型线平顺，流道内无涡带或其他不良流态，机组启动正常和运行稳定，利用三维数值建模、边界条件设置与三维湍流流动模拟，运用计算流体动力学CFD方法，进行进水流道内部流动数值模拟，多方案分析和比较进水流道内部流态、水泵进水条件和流道的水力损失。计算结果表明，进口尺寸1.1 m×3.4 m（高×宽），出口直径1.2 m的型线B方案进水条件好，流道水头损失小，满足水泵高效运行的要求。优化设计方案为泵站安全运行提供最优的设计进水流道型线和设计参数。
关键词：胥浦泵站； 三维数值模拟； CFD分析； 流态； 肘形进水流道型线； 设计优化
基于XFEM的寒潮作用下水闸开裂性状分析
吕杨， 张社荣， 于茂， 李宏璧
（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：水闸普遍存在着可见和不可见的裂缝，带裂缝工作是水闸的常态，当受到寒潮的影响时，已有的细微裂缝会连通、扩展，甚至贯穿整个闸墩，严重影响结构的安全性和耐久性。扩展有限元法（XFEM）通过富集非连续位移模式，使得非连续位移场的表征独立于单元边界，可有效描述混凝土中的裂纹扩展。基于XFEM并结合热力耦合，研究了水闸在不同初始温度下，遭遇不同降温幅度及历时的寒潮作用时的渐进开裂破坏过程，并与某实际工程的开裂情况进行对比，数值模拟结果与现场情况基本吻合。研究结果表明，水闸遭遇寒潮时，靠近闸墩表面的温度与外界温度变化基本一致，靠近闸墩中心的温度变化较小，闸墩内外温差随着寒潮强度的增强而增大；闸墩混凝土的内表温差和约束是导致闸墩开裂的根本原因；裂缝分布在上下游墩头与底板相交的位置，随着寒潮强度的增强，裂缝与底板的夹角、长度及深度也随之增大，对水闸结构的不利影响也越大。因此，寒潮来临时应做好安全监测及混凝土防护工作，控制闸墩的温降以防止裂缝的开展。
关键词：水闸； 混凝土开裂； 寒潮； 扩展有限元法（XFEM）； 温降； 耐久性
大化船闸渡槽水力特性及水流条件改善措施
李君1, 洪娟2, 胡亚安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， 通航建筑物建设技术交通行业重点实验室， 水利部水科学与水工程重点实验室， 江苏 南京 210029； 2. 中国人民解放军理工大学 野战工程学院， 江苏 南京 210007)
摘要：通航水流条件是船闸中间渠道设计中需考虑的最为关键的技术问题。大化船闸渡槽为原升船机方案的中间通航渠道，与一般的船闸中间渠道相比具有其特殊性，且该船闸水头高达29.0 m，使得其渡槽内水力特性更为复杂，水流流态较为恶劣，严重影响了过闸船舶安全及船闸通过能力。首先结合明槽水力学经典理论对大化船闸渡槽基本水力特性进行理论分析，剖析了渡槽水流条件主要影响因素，在此基础上结合物理模型试验及原型观测，提出了以优化船闸输水方式这一“软措施”为主，在渡槽斜坡段末端设置挡水墙这一“硬措施”为辅的渡槽水流条件综合改善措施，较好地解决了复杂的水力学问题，并得到了工程实践检验。
关键词：高水头船闸； 渡槽； 水力特性； 水流条件； 改善措施
黏土砖再生混凝土抗氯离子渗透性试验研究
赵书锋
（开封大学 土木建筑工程学院， 河南 开封 475004）
摘要：试验研究了再生黏土砖粗骨料取代率、骨料强化、搅拌工艺、粉煤灰和硅灰单掺与复掺对黏土砖再生粗骨料混凝土抗氯离子渗透性能的影响。结果表明，随着再生骨料替代率的增加，再生混凝土抗氯离子渗透性能降低，替代率为0,30%，50%，70%，100%时，6 h通电量分别为2 090，2 596，3 207，3 989，5 182 C, 氯离子渗透等级由适中过渡到高；骨料强化处理和改善搅拌工艺能够提高再生混凝土抗氯离子渗透性能，再生骨料取代率在50%以下，经过二次包裹强化或者采用改良的搅拌工艺后，再生混凝土的抗氯离子渗透性能与普通混凝土已经接近；粉煤灰和硅灰单掺或复掺可以较大幅度改善再生混凝抗氯离子的渗透性能，硅灰效果优于粉煤灰，20%粉煤灰和10%硅灰复掺可以作为最佳掺量，6 h通电量为171 C，可以用来配置较高抗氯离子渗透性能的再生混凝土。试验结果为再生混凝土推广应用提供了有力依据。
关键词：再生粗骨料混凝土； 骨料强化； 粉煤灰； 硅灰； 氯离子渗透性能
