沁河 2021 年“7·11”暴雨洪水重现期分析

金双彦，霍文博，郭邵萌

(黄河水利委员会水文局，郑州 河南 450004)

摘要: 根据沁河流域历年各时段最大降雨量和“7·11”洪水报汛雨量资料，采用 P-Ⅲ型分布概率密度函数，建立了润城、五龙口、山路平、武陟等14个长系列水文站和雨量站的年最大24、6、1 h的3个代表性时段的降雨量频率曲线，计算了“7·11”洪水最大24 h大于100 mm、最大6 h大于100 mm、最大1 h大于50 mm的降雨量重现期；根据历史调查洪水、历年最大洪峰流量，建立了五龙口、山路平和武陟水文站的P-Ⅲ型频率曲线，计算了“7·11”洪水洪峰流量的重现期。结果表明：最大24 h降雨量排名第一的窑头站351 mm重现期约为3 000年，最大6 h降雨量排名第一的窑头站328.5 mm重现期约为1万年，最大1 h排名前三的窑头、李寨和河西站降雨量重现期为200~300年，五龙口、山路平和武陟站洪峰流量重现期分别相当于30年、10年和10~15年。分析结果可为沁河流域和黄河下游防洪调度提供技术支撑。

关键词：重现期；P-Ⅲ型频率曲线；“7·11”暴雨洪水；沁河流域

长江下游侧滑型窝崩成因及其力学机制

张幸农，应 强，假冬冬，陈长英

(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: 为全面认识长江下游各类窝崩的形成原因和力学机制，以和畅洲头窝崩为例进行全面分析，进而借鉴土力学方面成果，提出相应的失稳模式和估算方法。结果表明：和畅洲头窝崩属于侧滑型窝崩，其成因主要是岸滩土体中存在易液化的粉砂层，当外界出现一定的振动扰动因素，粉砂层液化条件成熟时则成为滑动层，液化层和上覆土层分多次发生大幅度侧向滑移，土体滑出窝塘口门进入河道深槽，随后被河道主流迅速分散搬运至下游。采用数理统计方法，得到土体滑移距离与液化层厚度和滑移层倾角之间幂函数形式的经验公式。研究结果可为长江下游此类窝崩的预警和治理提供参考。

关键词：长江下游； 窝崩； 成因； 力学机理； 土体侧向滑移

格栅笼在海岸波浪侵蚀防护中的应用

王丽艳1, 2，李广祥1，张 斌3，竺明星1，李小娟1，唐 琰1

(1. 江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212003； 2. 河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室，河北 三河 065201； 3. 江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127)

摘要: 鉴于现有海岸侵蚀防护设施存在造价高、维护成本高、施工难度大、施工工期长、自重大和防护范围有限等问题，提出采用价格低廉、施工方便、自重小、耐腐蚀性强和维护成本低的格栅笼防护海岸侵蚀。格栅笼形状会影响防护海岸侵蚀的效果，针对方形截面、圆形截面和波浪形截面等 3种形状格栅笼，基于显式动力学数值分析方法，采用推板造波的方式模拟波浪荷载和SPH光滑粒子的流体动力学方法模拟水体。采用全局属性指派的通用接触模拟水体与格栅笼之间及水体与土体之间的接触，使用罚函数确定格栅笼与海岸土体间的切向接触力，分析波浪荷载下有、无格栅笼及3种形状下的格栅笼及海岸土体的受力与位移随波浪时程的变化特征和峰值特征。结果表明：格栅笼整体受力最大的区域在海平面附近，使用格栅笼可以降低波浪对垂直崖面作用中底部涡流的影响，其中波浪形格栅笼防护海岸侵蚀效果显著。

关键词：海岸； 波浪荷载； 格栅笼； 侵蚀防护； 光滑粒子流体动力学

促淤板水流特性数值分析

黄伊偲1，徐立君2，程永舟1，唐彬欣1

(1. 长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114； 2. 湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410100)

摘要: 在航道整治和河道治理工程中，常使用促淤结构来促进泥沙淤积、保护洲滩。结合导板结构与透水结构的特点，提出一种新型促淤护滩结构——开孔促淤板。为进一步分析开孔促淤板的促淤拦沙效果，基于RNG k-紊流模型建立了三维开孔促淤板水流数值模型，并通过物理模型试验对数值模型进行验证。计算分析了流速、开孔率、相对单孔面积等因素对流速、减速率的影响，拟合得到最优开孔率与最佳单孔面积的预测经验公式。结果表明：相对单孔面积对板前流态影响较小，对板后的流速、流态及减速区的形成有影响；开孔率越大，板后减速效果越差，开孔率为30%时，近底区域减速效果最好；来流流速会影响开孔促淤板的减速效果，来流流速为0.2 m/s时减速效果最好。

关键词：促淤板； 相对单孔面积； 减速率； 流速； 开孔率

洞庭湖区超标准洪水数值模拟研究

杨炳辉1, 2，施 勇1，栾震宇1，金 秋1

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2. 河海大学 水文与水资源学院，江苏 南京 210098)

摘要: 洞庭湖区是我国洪涝灾害频发的地区之一，随着近些年来极端天气越来越频繁，研究洞庭湖区在遭遇历史极端洪水下的防洪形势极具现实意义。以1870年、1935年、1954年长江洪水为研究对象，通过建立长江、洞庭湖及蓄滞洪区一二维耦合水动力模型，在现有地形及工程措施条件下，对洞庭湖区的水位及超额洪量进行模拟计算。 结果表明：三峡及上游水库群补偿调度条件下，若遭遇1870年、1935年和1954年洪水，荆江附近及城陵矶附近的超额洪量大幅下降，再结合荆江地区及城陵矶附近蓄滞洪区的运用，洞庭湖区可安全度汛。三峡水库调蓄使枝城洪峰流量大幅下降，松滋口、太平口、藕池口（以下称为三口）洪峰流量也随之下降，洞庭湖区各站水位有所降低；蓄滞洪区分洪运用降低了莲花塘水位，荆江水面比降加大，三口洪峰流量进一步下降，受上游来水减少及下游水位降低的影响，湖区水位进一步下降。通过定量预测特大洪水长江中游及洞庭湖区防洪情势，为洞庭湖治理提供科学依据，为提升湖区防洪减灾管理能力奠定基础。

关键词：水动力学； 防洪； 超标准洪水； 蓄滞洪区； 洞庭湖区

溃坝洪水避洪转移动态路径优化方法

杨德玮1，张文东2，盛金保1，彭雪辉1

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2. 福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108)

摘要: 现阶段水库大坝安全管理应急预案中避洪转移路径划分采用时间短、距离近等原则，通常为静态路径，无法伴随溃坝洪水演进过程动态化。通过BREACH-MIKE21耦合模型进行溃坝洪水演进模拟，获取溃坝洪水淹没信息，接入路网模型构建环境情景模型。采用蚁群算法优化避洪转移路径，利用增加回溯算法、引入最大最小蚁群系统、改进启发式函数等手段改进算法，提升路径寻优能力和收敛速度；通过逐帧解析洪水淹没要素，将溃坝洪水信息融入算法中，最终得到最优避洪转移路径。仿真试验表明：（1）在同一淹没情景下，改进蚁群算法比基本蚁群算法平均运行时间增长1.6‰，准确率提高32%，收敛次数平均减少10.13次，收敛速度更快、寻优能力更强；（2）改进蚁群算法根据溃坝洪水演进优化得到的最优避洪动态路径比静态路径更安全。研究结果可满足水库大坝安全管理应急预案对避洪转移路径过程动态化的要求，提高应急转移效率，降低溃坝洪水产生的灾害影响。

关键词：洪水演进； 环境情景建模； 改进蚁群算法； 动态路径优化

甘肃省水资源-经济社会-生态环境耦合协调演变分析

张恬姿1, 2，王小军2, 3，齐广平1，康燕霞1，银敏华1，马彦麟1，贾 琼1，张向宁1, 2

(1. 甘肃农业大学 水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070； 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. 水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029)

摘要: 水资源、经济社会和生态环境之间存在复杂的耦合关系，推进三者耦合协调是实现区域可持续发展的重要前提。基于耦合协调度模型测算2010—2019年甘肃省14个市（州）水资源-经济社会-生态环境系统耦合协调度，并结合重心演化模型对耦合协调度演变特征进行分析。结果表明：（1）2010—2019年，甘肃省水资源-经济社会-生态环境综合评价指数整体呈小幅上升趋势，空间分布与各市州水资源禀赋、经济社会发展和生态环境治理分布格局相一致；（2）2010—2019年，甘肃省三大系统耦合协调度处于[0.52,0.54]，属于基本协调类型；空间维度上各市（州）耦合协调类型或持续稳定或有所提升；（3）2010—2019年耦合协调度重心轨迹主要分布在兰州市，年均移动距离为7.19 km。应针对区域特点采取差异化策略以推动水资源-经济社会-生态环境向高级耦合协调方向演进。

关键词：水资源； 生态环境； 经济社会； 耦合协调； 演变特征

水库塌岸短期预测中时空界限决策研究

陈艳国1, 2，高 平1, 2，姜耀飞1, 2

(1. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003； 2. 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003)

摘要: 水库塌岸是具有一定时间、空间界限属性的地质灾害现象。时间界限指时间跨度，分为长期、短期塌岸；空间界限指不同水库区段，因地质条件差异导致的塌岸模式、预测参数的差异。目前常用的水库塌岸短期预测时长跨度为 2~10年，但在实际工程应用中，缺乏足够的决策依据。从水库蓄水过程的角度，证明了塌岸短期预测时长可根据水库蓄水过程来界定，以三峡、小浪底等大型水库工程为例，验证该界定方法科学合理。并给出了塌岸预测时空界限的决策流程，将时空界限决策理论应用于甘肃马莲河水库工程短期塌岸预测中，从工程地质角度对短期塌岸预测成果的应用给出建议。

关键词：水库塌岸； 短期预测； 时空界限； 蓄水过程

考虑排水板土柱效应的软土地基固结特性研究

张 振1，米占宽1, 2，朱群峰1，占鑫杰1，许小龙1

(1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2. 水利部水库大坝安全重点实验室，江苏 南京 210029)

摘要: 近年来，在真空预压工程中发现排水板附近的细小土颗粒抱团聚集导致排水板淤堵、排水性能急剧降低的现象，即土柱效应。该现象大多发生在处理新近疏浚和吹填淤泥的软基工程中，在天然沉积软土中尚不多见。基于松嫩平原某软基处理工程中遇到的深层软土固结缓慢问题，结合土柱效应开展数值分析，通过对土柱区渗透系数的反演分析给出了其衰减系数，认为天然沉积软土在满足特定条件后也会产生土柱效应，其原因在于受软土的高含水率、强流动性、粒径级配与排水板孔径不适配等综合因素的影响。研究结果可为类似工程的地基加固提供借鉴。

关键词：真空联合堆载预压； 软基处理； 土柱效应； 数值模拟； 排水固结

堰塞坝料室内试验缩尺效应研究

石北啸1, 2，常伟坤1

(1. 河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038； 2. 南京水利科学研究院 水利部水库大坝安全重点实验室，江苏 南京 210029)

摘要: 因室内试验设备尺寸的限制，需将坝料的最大粒径缩尺至室内试验设备的容许尺寸，粒径缩尺导致室内试验参数与原始粒径下的实际参数有差异。对取自现场的某堰塞坝料按规范方法缩尺后，开展不同最大粒径下的干密度、渗透系数、三轴剪切室内试验。结果表明：缩尺导致粒径小于5 mm的细颗粒含量增加并影响试样密实程度；随着最大粒径的减小，试样渗透系数逐渐降低，直接采用缩尺后的试验结果会高估堰塞坝料的抗渗能力；缩尺对强度指标φ值影响不大，但缩尺后的试样最大粒径越小，邓肯-张模型参数的K、Kb值越大，模型参数n、m值越低，缩尺后的试验结果高估了堰塞坝料强度和坝体抵抗变形的能力，低估了堰塞坝体的实际变形。研究结果可为坝体稳定性分析与变形分析提供参考。

关键词：堰塞坝； 室内试验； 试验参数； 缩尺效应

粉砂地基中复合筒型基础水平承载特性研究

李文轩1，范开放2，刘永刚1，朱 洵2

(1. 江苏道达风电设备科技有限公司，江苏 南通 226000； 2. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

摘要: 为揭示粉砂地基中海上风电筒型基础水平承载特性，采用有限元法进行数值建模，并利用离心模型试验结果进行对比验证。研究结果表明：荷载前侧筒壁纵向土压力呈拱形分布，荷载后侧筒壁纵向土压力呈三角形分布，垂直加载时侧筒壁纵向土压力接近静止土压力，且随着荷载的增加，纵向土压力非线性分布愈明显；筒壁径向土压力与cosθ（θ为水平投影平面上计算点与基础中心连线与荷载方向的夹角）呈线性关系，随着荷载的增加，二者间亦逐渐呈非线性变化；随着荷载的增加，基础转动中心向上方和加载方向移动，达到极限承力时，转动中心的深度大致位于筒体底端附近；长径比不影响转动中心的运动规律，且长径比对转动中心竖向位置的影响远大于水平位置。研究结果可为基础结构的优化设计提供参考。

关键词：复合筒型基础； 粉砂地基； 水平承载力； 土压力； 长径比

散货码头堆场地基推移破坏离心模型试验研究

徐光明1，刘 超2，林显才2，邓远经3，江丹强3，杜 静3

(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. 湛江港 (集团) 股份有限公司，广东 湛江 524068； 3. 广东省航运规划设计院有限公司，广东 广州 510050)

摘要: 某散货码头堆场地基中有一软弱的淤泥质黏土层，堆场荷载区地基先采用真空联合堆载预压处理，再对两侧地基进行水泥搅拌桩加固处理，但在矿石试堆载过程中，淤泥质黏土层最厚处的堆场发生了严重的推移破坏。为研究推移破坏原因，通过开展大型离心模型试验，模拟矿石堆载体的填筑过程，测得矿石堆载体和堆场地基表面竖向和水平向位移；判断位移变形发展过程中的转折点，得到堆场地基的极限承载力；通过矿石堆载荷载作用下堆场地基剖面上发生的位移矢量场，分析再现堆场地基推移破坏现象和形成机制。分析结果表明：该堆场地基承载力由深厚软弱土层控制，承载力不足导致矿石堆载填筑过程中堆场地基出现严重下陷，下沉的浅表两层土体挤占下卧淤泥质黏土层空间，迫使其向阻力较小的南柳河一侧挤推，造成大范围的推移破坏。根据分析结果，提出了对堆场软土层进行改良或采用复合地基的修复加固途径。

关键词：码头堆场； 软弱地基； 推移破坏； 离心模型试验

岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响

魏攀哲，赵 引

(河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098)

摘要: 拱坝建成蓄水后，水环境的变化会引起坝址区岩体力学性能的改变，进而引起谷幅收缩，影响大坝安全。针对锦屏一级拱坝蓄水初期出现的地基异常变形现象，基于岩体遇水劣化规律和非饱和渗流-应力耦合基本理论，建立岩体遇水劣化模型，采用非线性有限元数值分析方法，研究蓄水初期库区岩体劣化下的谷幅变形规律，进一步分析谷幅收缩对坝体结构的影响。研究表明：库岸岩体劣化对谷幅变形产生直接影响；岩体劣化程度越高，谷幅收缩越明显，坝体上游消落带区域的谷幅变形最为突出；随着水位升高，库岸岩体劣化范围扩大，坝体的最大顺河向位移、最大主拉应力和最大主压应力略有减小。因此，锦屏拱坝蓄水后由岩体劣化造成的谷幅变形不会影响坝体的整体安全。

关键词：水-岩耦合作用； 岩体劣化； 非饱和渗流-应力耦合； 谷幅变形； 高拱坝

轴向分区面板坝分区模量影响分析

梁勤正1，樊一璟2，王 东1，周泽泽3，刘后露1, 4，金浩博4，郭广鑫1

(1. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065； 2. 国网四川综合能源服务有限公司，四川 成都 611130； 3. 温江区水务局，四川 成都 611130； 4. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

摘要: 轴向分区面板坝设计中，通过沿坝轴线方向将坝壳分为岸坡区、侧分区和中央区，依次填筑不同模量的材料，形成沿坝轴线方向的梯度模量来缩减坝壳的三维聚心变形、减小轴向位移，提高坝体变形协调性进而解决高面板坝挤压破坏问题。以锅浪跷面板坝工程为依托，通过数值计算模拟，对比研究了36种模量梯度组合的轴向分区面板坝的面板挤压破坏参考指标，分析轴向分区设计效果和分区模量对坝体及面板应力变形的影响。根据面板挤压破坏原理，以蓄水期面板的挠度和轴向压应力、面板最大挠度附近高程轴向位移及压应力、坝体的沉降和轴向位移为挤压破坏参考指标。结果显示，50%梯度方案与常规面板堆石坝相比，坝体向左右岸的轴向位移分别减小12.76%和14.73%，沉降减小14.42%，面板挠度减小15.28%，轴向压应力减小11.35%。研究为解决高面板坝的面板挤压破坏问题提供了新思路。

关键词：聚心变形； 轴向位移； 轴向分区； 混凝土面板堆石坝

大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

齐翠阁1，邱莉婷2，马福恒2，张 湛3，李子阳2

(1. 河南省石漫滩水库管理局，河南 舞钢 462500； 2. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 3. 深圳市深水兆业工程顾问有限公司，广东 深圳 518038)

摘要: 大坝混凝土的裂缝萌生和失稳扩展分析需要尽可能准确地模拟骨料和砂浆界面的弱不连续，而界面过渡区微米级的厚度模拟使得有限元网格存在网格剖分质量不佳和网格数量庞大的问题。通过在大坝混凝土细观结构的不同材料实体单元间预嵌零厚度界面单元，并进行宏细观子区域界面节点重新匹配，建立了骨料-砂浆-界面单元的宏细观区域分解有限元网格。同时结合隐式梯度损伤模型和内聚力模型，在同一模型中实现骨料、砂浆基质的损伤失效模拟及骨料-砂浆界面的弱连接到脱开模拟，构建了大坝混凝土非连续变形的宏细观并发多尺度区域分解模型。将模型用于某大坝混凝土的直接拉伸试验模拟，不同随机骨料模型均能捕捉骨料和砂浆界面的弱连接到脱开过程。重现的混凝土试件破坏形态与已有研究结果一致，证明了模型的合理性。本研究可为大坝混凝土损伤断裂力学性能的数值试验提供技术支持。

关键词：大坝混凝土； 非连续变形； 并发多尺度； 区域分解法； 黏性界面单元

某水利枢纽工程混凝土力学性能对比研究

范向前1，刘决丁1, 2，葛 菲1，汤 雷1, 2，韩浩田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. 天津大学 建筑工程学院，天津 300350)

摘要: 为探讨大坝混凝土的相关力学性能及断裂特性，基于某水利枢纽工程提供的两种不同混凝土配合比（根据含水率的不同分别命名为C0.48和C0.43）及现场粗细骨料，开展混凝土梁三点弯曲试验，测定其坍落度、抗压强度、劈裂强度等相关力学性能参数，并分析不同配合比对断裂面、起裂荷载与失稳荷载、临界有效裂缝长度及双K断裂韧度等断裂参数的影响。结果表明：C0.48混凝土的坍落度大于C0.43混凝土的坍落度，C0.48混凝土的抗压强度和劈裂强度均小于C0.43混凝土的；C0.48混凝土断裂面的粗骨料较C0.43混凝土断裂面凸出不明显；C0.43混凝土的起裂荷载与失稳荷载、临界有效裂缝长度及断裂韧度均比C0.48混凝土的要大，具有强度高、延性和韧性好的特点。

关键词：大坝混凝土； 断裂特性； 坍落度； 力学性能； 断裂参数

混凝土碱-骨料反应长期膨胀变形预测模型研究进展

王继敏1，白 银2，丁建彤1，毛学工1，蔡跃波2

(1. 雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051； 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)

摘要: 碱-骨料反应被称为混凝土的“癌症”，是影响混凝土寿命的重要因素。对于已经使用活性骨料的混凝土结构，如何预测碱-骨料反应引起的混凝土长期变形，并合理评价结构的整体安全性，是工程密切关心的问题。回顾了混凝土碱-骨料反应长期变形预测模型的研究进展，将现有模型归为宏观膨胀的数学拟合模型、结构宏观变形的唯象学模型、基于骨料膨胀的模型、考虑碱-硅酸反应（ASR）凝胶的模型、考虑物质迁移的模型等五大类，并分析了各种模型的优缺点和适用范围。认为ASR长期膨胀变形预测模型需重点考虑碱离子向骨料内部的扩散、SiO2的溶解及凝胶的组成，且需根据岩相分析来选择 “反应环”模型或“凝胶袋”模型。

关键词：混凝土； 碱-骨料反应； 碱-硅反应； 模型； 膨胀； 凝胶袋； 反应环

现代混凝土自收缩及其调控研究进展

李景浩1, 2，何小波3，胡少伟1，蒋建华2，赵海涛2

(1. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045； 2. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098； 3. 湖州南浔城市投资发展集团有限公司，浙江 湖州 313000)

摘要: 混凝土是使用最为广泛的建筑材料。现代混凝土为实现高性能而趋于采用低水胶比和高含量胶凝材料，使得混凝土自收缩显著增大，在约束条件下往往形成较大的拉应力，因此现代混凝土结构开裂问题愈发严重，显著降低了混凝土的耐久性，缩短服役期，这类问题在水工大体积及薄壁混凝土结构中尤为突出。对近些年国内外混凝土自收缩及其调控研究进行了文献综述，比较分析了自收缩“零点”与变形测量方法及装置、自收缩预测模型和自收缩调控措施3个方面的最新成果和进展，总结了现有研究存在的不足，并提出了一些关键问题的未来研究方向，为实际工程裂缝控制和自收缩研究提供参考。

关键词：现代混凝土； 自收缩； 测试方法； 预测模型； 收缩调控

平陆运河建设理念与方案探讨

宁 武

(广西北部湾国际港务集团有限公司， 广西 南宁 530000)

摘要: 平陆运河是我国数百年来规模最大的江海连通运河，建设平陆运河对区域社会经济发展将产生积极而深远的影响。结合西江黄金水道建设和运行管理实践，从建设目标、指导思想、建设理念、功能规划及航道和船闸等级规模主尺度等多角度入手，剖析了平陆运河建设需关注的核心问题和重点技术问题，提出了统筹建设平陆运河工程的总体方案。研究结果可为平陆运河建设方案的最终确定提供技术参考，亦可为我国未来类似运河工程规划建设提供借鉴。

关键词：平陆运河； 建设理念； 等级规模主尺度； 建设方案