暴雨条件下的长距离渠系水力响应特性研究

暴雨是常见的天气现象,其对长距离输水渠系的适时适量供水及工程安全具有重要影响。通过建立暴雨影响下的渠系水力响应模拟模型,分析了不同暴雨条件和渠系闸门群有无联合调度等情况下的渠系联合水力响应规律,结果表明,暴雨可威胁渠系的运行安全,而恰当的渠系运行控制响应模式是改善渠系水力响应的重要方法,有利于促进输水安全。暴雨可造成南水北调中线工程渠道内水位雍高,雍高程度受降雨强度、降雨范围和渠道断面位置影响,其中末端渠池下游的水位雍高最大,连续3日暴雨可造成水位雍高0.44m,使渠系面临外溢风险,而采用闸门群联合调度后,可有效削减壅水高度,但此时的壅水高度还受渠系控制模式和参数取值等因素影响,且渠系风险位置也将位于降水影响区最上游端渠池。     

大型串联渠系冰塞-水力响应特性分析

为了定性定量描述南水北调中线工程冰塞特征与水力响应特性之间的耦合关系,采用数值模拟方法,建立了串联渠系冰塞事件-水力响应-闸门操作耦合响应模型,通过多工况对比揭示冰塞体范围、厚度和输水流量及闸门群应对方式等造成的渠系水力响应规律。研究结果表明：闸门群耦合响应下,发生冰塞事件的渠池仅影响其上游渠池的水力过程,对于发生冰塞事件的渠池,其冰塞体上游段水位壅高,下游段水位降低,而该渠池上游所有渠池水位整体降低;闸门群无响应时,冰塞可造成渠系放空风险,而PI控制器作用下的闸门群调度可明显改善渠系应对冰塞事件的水力响应,水位波动幅度随冰塞体和输水流量的增大而不断增大,在模拟工况下,闸前最大水位偏差达0.5 m,输水目标恢复时间约20 h,在冰塞体足够大时,渠系面临漫堤风险。做好渠池风险评估和优化冰塞事件应对控制器是下一步研究的重点。     

两相流相界面迁移的数值模拟

该文采用VOF法追踪了重力流液液和气液相界面的迁移,发现VOF法可很好地追踪强非线性、大形变的相界面随时间的变化。重点讨论了不同相密度比、黏性比条件下,液液相界面和气液相界面的运动形式,验证了液液相界面主要受Kelvin-Helmholtz不稳定性控制。结果显示：液相密度比越大,液液相界面随时间变化越快,气液交界面不再保持水平位置,而以摆动的形式存在;在黏性比小于5时,黏性比不太影响液液相界面随时间变化。     

大伙房水库输水(二期)工程水力过渡过程分析

根据大伙房输水工程布置特点,对输水系统加压泵站不同阀门启闭运行条件下,输水管道内的最大水锤正压和最大水锤负压进行数值研究,考察工程运行安全指标并提出合理的优化设计方案.采用瞬变流模型方程.运用Fortran程序语言编制程序,对水力过渡过程进行数值分析计算.最终给出不同运行工况下阀门启闭方式的推荐方案,并基于各稳压塔溢流...     

基于井水位潮汐响应探讨含水层的水力特征及其变化

为了科学地认识应力荷载对地下水渗流运动规律的影响,揭示井孔-含水层系统与地震活动的响应关系,以华蓥山断裂带附近的大足井和北碚井为例,基于潮汐响应推求观测段含水层水力特征参数,探讨汶川地震对含水层水力特征及地下水流运动状态的影响,并对其变化机制进行解释。结果表明：大足井附近含水层中地下水运动以径向流为主,利用潮汐径向流模型计算出含水层水平渗透系数与以往抽水试验的结果基本一致;北碚井孔-含水层系统中地下水垂向流和径向流并存,引入越流含水层系统模型得到越流系数范围为1.5×10-8~2.5×10-8 s-1;汶川地震后,北碚和大足井水位均发生了阶降变化且含水层中地下水垂向流运动增强,分析认为原因是该区域侏罗系砂岩含水层在较大范围内存在着统一的水力联系,且局部裂隙发育,倾角较大,地震导致含水层发生膨胀变形和裂隙疏通,在重力作用下地下水顺层或沿裂隙通道流动。研究结果有助于提高对含水层受力变形与渗流相互作用的认识,进一步深化井孔-含水层系统对地震活动响应机制的研究     

重力坝水力劈裂分析的扩展有限元法

水力劈裂是高坝在高水压作用下发生破坏的主要诱因之一。针对常规有限元法分析水力劈裂问题存在的缺点,研究了采用新兴的扩展有限元法（XFEM）进行重力坝水力劈裂数值模拟的方法。通过建立考虑裂纹面水压力作用问题的虚功原理,推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的有限元列式;给出了反映裂纹面不连续性的不连续函数数值积分方法、开裂判断准则、应力强度因子的积分方法以及裂纹面扩展过程模拟方法,从而给出了模拟裂纹面有分布水压力载荷作用的水力劈裂问题扩展有限元实现方法。最后通过向家坝重力坝坝踵水力劈裂数值分析,展示了该方法的可行性和优越性。算例表明应用扩展有限元法进行水力劈裂分析可克服常规有限元法的缺点,不需要裂纹面与有限元网格一致,不需要在裂缝周围布置高密度网格,模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格,极大地简化了前处理工作。     

重力坝水力劈裂分析的扩展有限元法

水力劈裂是高坝在高水压作用下发生破坏的主要诱因之一，针对常规有限元法分析水力劈裂问题存在的缺点，研究了采用新兴的扩展有限元法（XFEM）进行重力坝水力劈裂数值模拟的方法。通过建立考虑裂纹面水压力作用问题的虚功原理，推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的有限元列式；给出了反映裂纹面不连续性的不连续函数数值积分方法、开裂判断准则、应力强度因子的积分方法以及裂纹面扩展过程模拟方法，从而给出了模拟裂纹面有分布水压力载荷作用的水力劈裂问题扩展有限元实现方法。最后通过向家坝重力坝坝踵水力劈裂数值分析，展示了该方法的可行性和优越性。算例表明应用扩展有限元法进行水力劈裂分析可克服常规有限元法的缺点，不需要裂纹面与有限元网格一致，不需要在裂缝周围布置高密度网格，模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格,极大地简化了前处理工作。     

水力机械研发平台的建设和应用

中国水科院水力机械研发平台是以建设水力机械新模型试验台为核心,结合CFD数值模拟技术的开发和应用,利用现代计算机技术和测试技术搭建的研究开发平台。该平台的建设在同台对比试验、贯流式水轮机力矩测试、浑水浓度及水头测量、固液两相流CFD数值模拟及磨损预估等方面提出了创新的方法及技术,使试验台试验能力和测试精度均达国际领先水平。通过该平台,开发和设计出一大批优秀的水力机械模型转轮、抗磨材料和稳定性技术,广泛应用于水利、水电的建设与改造中,并进行了三峡右岸、溪洛渡、向家坝等巨型水电站的水轮机及江苏溧阳抽水蓄能电站、浙江仙居抽水蓄能电站的水泵水轮机同台对比试验,为锦屏一级水电站、土耳其OBRUK水电站、老挝南立水电站等国内外十几个大、中型水电站的水轮机和水泵水轮机进行了模型验收,推动了水轮机、水泵水轮机性能水平的提高和水力机械模型测试技术的进步。     

一种基于PCA和ANN的土壤水力性质估计方法

本文根据土壤基本性质,利用主成分分析和人工神经网络相结合的方法（PANN）构建了预测田间持水量和凋萎系数的土壤转换函数,并将其结果与传统的神经网络模型（ANN）进行了比较。结果表明,由于PANN 消除了神经网络输入层参数的相关性,降低了网络拓扑的复杂度,从而具有更好的预测能力。     

非饱和土水力和力学性状耦合的弹塑性模型研究进展

对非饱和土力学的研究现状进行回顾,在总结前人研究成果并结合当前研究趋势的基础上介绍了能耦合模拟非饱和土水力和力学性状的弹塑性模型。该模型综合考虑到了饱和度对应力应变关系和强度以及变形对水力性质的交叉影响。给出了将耦合弹塑性模型应用于非饱和土体固结问题中进行有限元数值计算的公式。     

INVERSE METHOD TO DETERMINE SOIL HYDRAULIC PROPERTIES FROM TRANSIENT OUTFLOW EXPERIMENTS

Transient outflow experiments coupling with an inverse method are promising to derive soil hydraulic information. The water retention curves obtained from one-step and multi-step outflow experiments were compared with those from the pressure cell method. We found that in one-step experiments the increment of pressure would reduce the non-uniqueness of inverse technique and that in multi-step experiment the combination of cumulative outflow with pressure head in the objective function would improve the final estimation and also reduce the non-uniqueness of inverse problem.     

Use of parameter estimation in determining soil hydraulic properties from unsaturated transient flow

This paper proposes a model for determining the parameters given by the closed-form equations of van Genuchten. An objective function is made by the observed data from vertical drainage, and the solutions of optimization show that less computation and more accurate estimates are made as head profiles are taken into account rather than cumulative drainage. Sensitivity analysis of the error vector to parameters interprets this reason. The convergence and stability of solutions are evaluated with different magnitudes of measured errors in the head, and the results show good estimates will be obtained if a sufficient pressure head at the soil bottom is applied. A variable _k is introduced to avoid the estimations of and n being affected by the uncertainties of Ks and _s .     

土壤水力参数的单一参数模型

以甘肃省河西走廊石羊河流域为例，在78个土壤样品试验数据的基础上，建立了土壤水分特征曲线、土壤水分扩散率和土壤导水率的单一参数模型，并对模型中的参数特征进行了分析。研究表明，单一参数模型具有一定的拟合精度，模型中的唯一参数能够描述土壤水力参数曲线，可以作为描述这些参数空间变异的变异系数，是进行大尺度区域土壤水力参数空间变异研究中比较理想的模型。     

农田土壤表层饱和导水率的条件模拟

本文简单地介绍了地统计模拟中的序贯高斯方法, 以农田土壤表层饱和导水率Ks为例, 对其分别进行了条件模拟和克立格插值, 并将条件模拟、克立格插值结果与实测数据进行了对比分析. 结果表明克立格插值具有明显的"平滑"效应, 改变了Ks数据的空间结构; 而条件模拟具有与实测数据相同的空间自相关结构, 并且对未知点的模拟值具有不确定性. 因此, 条件模拟对于研究那些具有空间不确定性且会对环境带来不良影响的风险性变量, 更具有实际意义.     

水工钢闸门构件剩余寿命估算和可靠性分析

运行多年的水工钢闸门都不同程度存在锈蚀现象,严重的锈蚀会导致水工钢闸门构件强度的降低,影响钢闸门的运行安全.如何对既有水工钢闸门进行合理鉴定,并估算其剩余寿命和可靠性是一个值得探讨的课题.主要采用数理统计理论的方法,结合工程实践,探索水工钢闸门结构在不同锈蚀条件下的剩余寿命估算方法,分析既有(包括超期服役)水工钢闸门剩余寿命的可靠性.     

一个水动力泥沙数学模型的伴随算子法敏感性分析

本文报告了把一种高效率的敏感性分析方法一伴随算子法应用到一十水动力泥沙模型的一些初步工作。本文的目的和动机一是问答能否将伴随算子方法应用到包含多种时间尺物理过程的水动力泥抄数学模型中。二是探讨将所得到的敏感性信息如何应甩到与水刹、泥泥工程有关的问题中。将伴随算子方法应用到二维水动力泥沙数学模型中是完全可行的。尽管在数学模型中存在不可微的奇点．由于它们都是孤立的．利用分段求导可以构造伴随模型。     

Mechanisms of hydraulic fracturing in cohesive soil

Hydraulic fracturing in the soil core of earth-rockfill dams is a common problem affecting the safety of the dams. Based on fracture tests, a new criterion for hydraulic fracturing in cohesive soil was suggested. Using this criterion, the mechanisms of hydraulic fracturing in cubic soil specimens were investigated. The results indicate that the propagation of the crack in a cubic specimen under water pressure occurs in a mixed mode I-II if the crack face is not perpendicular to any of the principal stresses, and the crack most likely to propagate is the one that is perpendicular to the minor principal stress and propagates in mode I.     

温度对简化蒸发法测定土壤水分特征曲线和导水率曲线的影响

根据Schindler(1980)提出的简化蒸发法,在微型土柱的两个高度安装张力计测定土壤吸力,并采用称重法得到土壤含水率,通过公式再计算土壤水分特征曲线和导水率曲线。结果表明:温度的差异影响土壤水分特征曲线和导水率曲线。在砂土、砂壤土-1和砂壤土-2的水分特征曲线上,当吸力小于10 kPa时,同一吸力时25℃曲线的含水率均小于16℃曲线的含水率;当吸力大于10 kPa时,砂土和砂壤土-2在同一吸力时25℃曲线的含水率均大于16℃曲线的含水率,而砂壤土-1无此变化。在砂土、砂壤土-1和砂壤土-2的导水率曲线上,砂土在10kPa以下时25℃导水率值低于16℃导水率值,其他情况下,在同一吸力时,三种土样的25℃导水率值均高于16℃导水率值。     

不同坡长下的坡面流水力学特性研究

坡面流亦即薄层水流,指的是降雨或融雪形成的,并在重力作用下沿坡面流动的薄层水流,它是地表径流的初始阶段,提供了侵蚀的主要动力。坡度相同、降雨强度相同时,随着坡长的增加,流速逐渐增大。在相同降雨强度下．坡长对流速有一定的影响,二者呈良好的指数关系;流量随坡长的增长而逐渐增大,二者呈良好的幂函数关系。2m水槽基本能够反映出坡面流的水力学参数的变化。随着坡长的增加,相同流速下,雷诺数逐渐增大．且增长速度亦逐渐增大。     

土壤机械阻力对玉米根系导水率的影响

研究了土壤干旱(基质势为-0.86MPa)和湿润(基质势为-0.17MPa)条件下土壤机械阻力对玉米根系导水率(Lpr)的影响．结果显示，土壤机械阻力降低根系导水率，原因是土壤机械阻力使根系平均直径增大，根直径增大使根的径向导水阻力增大，从而使根系导水率降低，土壤干旱除了使土壤机械阻力增大外，还可能加速根内外皮层木质化和栓质化，从而降低根系导水率。