多沙河流水库排沙期下游水温演变规律

多沙河流水库排沙期会有大量低温水伴随着泥沙向下游排放,改变了下游河道水温的前期分布状态,对水生生物及其栖息环境产生潜在影响。为探究水库排沙期下游水温的演变规律,本文修正了含沙水流与空气热交换系数的计算公式,构建了一维非恒定水-沙-温耦合传导数学模型,以小浪底水库为例开展了排沙期下游水温传导过程的模拟与分析。结果表明:①出库水温是影响水库排沙期下游水温的主要因素,下泄流量的增加和出库含沙量的降低会加剧低温水下泄的影响程度;②下游水温对小浪底出库水温的敏感度沿程递减,出库水温变化时利津断面水温的平均变化幅度仅为花园口断面的27.5%;③下游水温对下泄流量和出库含沙量的敏感度均为沿程先增大后减小,前者在艾山断面达到最大,后者在夹河滩断面达到最大;④下泄流量和出库含沙量对下游水温影响程度相当,在小浪底水库现行排沙调度方案下,二者对下游水温的最大影响幅度都在2℃左右。

床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明:床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d_(50)由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m^(3)转变为淤积0.059亿m^(3),冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。

多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究

多沙河流水库内的支流口门处常形成拦门沙,影响水库功能的正常发挥,至今尚无有效的治理方法。为此,本文提出了基于移动导流桩柱的水库支流拦门沙长效预防和整治方法,并通过水槽模型试验验证了其应用效果。试验结果表明:当无防治措施时,多沙河流水库会在支流口门处形成不同程度的拦门沙,其发育速度与干流水沙流量正相关,拦门沙横断面表现为平行抬升,纵断面表现为“倒V”形态,拦门沙顶点形成于交汇区最大浑浊带区域,且随着干流水沙流量的增加向支流内部推进;当添加了防治措施后,在干流高水位时关闭豁口使得大部分泥沙在阻水墙外侧落淤,阻水墙内侧相对于外侧淤积高度降低了49%;在干流低水位时开启豁口使支流蓄的水通过导流墙“束水”冲刷拦门沙,使其上部形成稳定的冲沟,冲沟底部最大淤积高度仅为0.1 cm,实现了水库干流与支流的连通,达到水库拦门沙长效防治的效果。本方法机理明晰、成本低廉、操作灵活、效果持久,有望成为多沙河流水库支流拦门沙长效防治的新型技术手段。

基于CEEMDAN-QPSO-BLS模型的径流预测研究

准确的径流预测是水资源优化配置和高效利用的前提,是制定防洪减灾决策的基础,然而受到人类活动、环境、气候等因素的影响,径流序列呈现出非线性、非稳态、多尺度变化的特点,这为径流的精准预测增加了难度。为提高径流预测的精准度和可信度,结合自适应噪声完备集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)方法,量子粒子群优化算法(Quantum Particle Swarm Optimization,QPSO)、宽度学习系统(Broad Learning System,BLS)模型,提出了一种基于CEEMDAN-QPSO-BLS组合式的径流预测模型。该组合模型首先使用CEEMDAN方法对原始径流信号进行分解,得到若干相对平稳的本征模态分量。其次利用QPSO算法对BLS模型的特征层节点组数、增强层节点组数和组内节点数进行寻优,得到最优的宽度学习网络拓扑结构,进而使用最优的QPSOBLS对多个稳态分量进行预测,并对预测分量进行重构,从而获得更高的预测精度。以黄河流域小浪底水库的日径流值为实验数据,将EMD-QPSO-BLS、QPSO-BLS作为CEEMDAN-QPSO-BLS的对比模型,并采用纳什效率系数(NSE)、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分比误差(MAPE)作为模型预测可信度和精准度的评价指标。实验表明,在预见期4天内,与QPSO-BLS、EMD-QPSO-BLS模型相比,CEEMDAN-QPSO-BLS的预测精准度分别提高了79.87%、19.80%,可信度分别提高了131.2%、10.98%,径流预测精度的提高,可为防洪抗旱保护人民生命财产和可持续发展提供决策支持。

内水渗漏软化基底对盾构隧洞衬砌管片受力性能的影响分析

水工盾构隧洞在运行过程中存在内水渗漏导致基底软化的风险,基底软化将对隧洞管片受力变形产生影响。依托实际水工盾构隧洞工程,构建了由管片、灌浆体和围岩组成的三维有限元数值模型,针对Ⅴ类围岩条件下因渗漏导致基底均匀和不均匀软化的状况,研究了管片的受力性能变化规律。结果表明:在内外荷载作用下,管片的环向应力、竖向位移和定位销应力均随基底软化深度的增加而增大,均匀软化条件下仰拱管片出现峰值为1.88 MPa的拉应力,存在管片开裂风险;基底软化导致定位销应力增大,而管片竖向位移的变化幅度较小。研究成果可为水工盾构隧洞的安全运行监测提供科学依据。

高压输水隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化及免拆模板成槽技术研究

输水隧洞预应力混凝土衬砌的锚具槽是钢绞线张拉与锚固的关键部位,其有效设置对于提升预应力混凝土体系的可靠性具有重要意义。基于高压输水隧洞衬砌环形预应力混凝土技术,提出了一种缩口形变截面锚具槽及其尺寸优化计算方法,研发了高性能纤维混凝土预制装配式免拆模板成型锚具槽的技术。与已有工程常规锚具槽对比,新型锚具槽减小了槽口尺寸,减少了锚具槽周边局部应力集中的情况,提高了锚具槽回填混凝土的嵌固能力和衬砌混凝土的整体性。预制装配式免拆模板提高了锚具槽成型质量,免除了锚具槽模板拆除、槽壁混凝土凿毛处理及槽内残渣清理等工序,可有效提高施工效率、降低工程造价、改善施工环境等。研究成果对输水隧洞预应力混凝土衬砌技术创新具有重要的推进作用,在实际工程中得到了成功应用。

基于改进EMD-SSA-KELM的用水量预测方法研究

针对用水量具有波动性和不确定性,且预测时存在精度低、可信度差等问题,提出了改进经验模态分解法与麻雀搜索算法优化核极限学习机的组合预测模型。首先使用长短期记忆网络对人民胜利渠的原始引黄用水量序列进行极值延拓,改进经验模态分解法的端点效应;然后通过改进后的经验模态分解法将时序信号分解为若干个本征模态分量,使原始用水量信号平稳化;最后利用麻雀搜索算法优化核极限学习机,对原始用水量序列与通过改进后经验模态分解方法的用水量序列进行预测对比。结果表明:基于改进后经验模态分解方法有效地抑制了端点效应,模型预测误差降低43.51%、可信度提高76.79%,因此采用改进经验模态分解方法有效地提高麻雀搜索算法优化核极限学习机组合模型的预测精度和可信度,在水资源预测中更具适应性。

改进EEMD-WOA-SRU模型在用水量预测中的应用

针对用水量信号表现出的强随机性和非平稳性状态,用水量预测存在的精度低、可信度差等问题,提出了基于改进EEMD-WOA-SRU的混合用水量预测模型。首先采用长短期记忆网络(LSTM)预测法抑制集合经验模态分解(EEMD)的端点效应得到改进后的本征模态分量(IMF),然后使用鲸鱼算法(WOA)优化简单循环单元(SRU)并预测各分量,最后累加得到最终的预测结果。试验结果表明,EEMD的分解误差平均降低0.94%,相较于SRU,EEMD-WOA-SRU模型预测的平均绝对误差降低45.42%,均方根误差降低50.43%,可信度提高52.38%。研究结果可为水资源决策提供依据。

机制砂混凝土应用于PCCP试验研究

为保证PCCP管芯混凝土的生产质量,以机制砂代替天然砂制备混凝土的适用性问题亟待解决。采用对比试验方法,进行了强度等级为C55的机制砂混凝土和天然砂混凝土的工作性能、抗压强度、抗渗和收缩性能研究。结果表明:机制砂混凝土和天然砂混凝土均具有满足PCCP生产浇筑要求的良好工作性能;PCCP管芯混凝土浇筑后,在蒸汽养护条件下,混凝土的早期强度快速提升,机制砂混凝土强度随龄期的发展速度高于天然砂混凝土的;机制砂混凝土的抗水渗透和抗氯离子渗透能力高于天然砂混凝土的,收缩率则低于天然砂混凝土的。研究成果为机制砂取代天然砂配制PCCP管芯混凝土提供了科学依据。

基于层次分析法的PCCP混凝土管芯生产质量控制

预应力钢筒混凝土管道(PCCP)的混凝土管芯成型因受多种因素影响而成为其生产中质量控制的关键环节。基于层次分析法(AHP)建立了多准则决策分析模型,以混凝土强度、管壁外观质量、管壁裂缝作为控制准则,分析了其受不同生产措施影响的权重及规律。结果表明:经一致性检验的AHP方法计算得到的各准则权重合理,符合工程实际;混凝土28 d强度为管芯质量的主要控制指标,管壁裂缝为次要控制指标;砂石骨料含泥量是混凝土管芯强度的主要影响因素,脱模温差是混凝土管芯纵向开裂的主要影响因素。AHP是一种可避免单凭经验进行处理的多准则决策方法,应用于PCCP混凝土管芯的质量控制具有良好效果。

输水隧洞衬砌试验用高内水压加载装置研发与承载分析

高内水压加载装置是输水隧洞衬砌现场1∶1模型受力性能试验研究的关键技术装备。依据厚壁圆筒理论,结合工程试验需施加1.30 MPa内水压力的要求,研发了一种高内水压加载装置。该装置由钢梁和钢框支承双层钢筒,并在钢筒内灌注混凝土形成钢筒混凝土承压筒。承压筒与隧洞衬砌内表面预留100 mm间隙,衬砌两端部内表面预埋外伸钢板,并与钢筒端部环板焊接形成密闭空腔,通过向空腔内注水加压实现对衬砌内表面的水压加载。在确定加载装置各组成部件尺寸的基础上,建立了加载装置与衬砌共同承受空腔内水压力的三维有限元分析模型,分析了加载装置的应力和变形及其加载安全性。结果表明:研发的内水压加载装置结构形式简单、施工便捷,能够提供均匀的梯度水压,解决了输水隧洞衬砌的高内水压试验加载难题。

箍筋约束条件下锈蚀变形钢筋与混凝土黏结性能的研究

为研究箍筋约束情况下混凝土强度、钢筋锈蚀率等因素对变形钢筋与混凝土黏结性能的影响,设计制作了96个中心拉拔试件,采用弱电流加速锈蚀方法模拟钢筋锈蚀过程,达到预定锈蚀率后就算完成了钢筋与混凝土的黏结-滑移试验。试验结果表明:横向箍筋改变了试件的破坏形态,由于箍筋的约束作用,绝大部分试件发生了钢筋拔出破坏,但黏结力下降缓慢,具有较好的黏结延性;未锈蚀变形钢筋与混凝土的黏结强度随混凝土的劈裂抗拉强度的变化呈线性变化规律,二者具有较好的相关性;随着钢筋锈蚀率的增加,混凝土的黏结强度呈先增后降的变化规律。通过回归分析知,当钢筋锈蚀率超过28%时,混凝土的黏结强度开始低于钢筋未锈蚀混凝土的黏结强度。

输水隧洞衬砌预应力钢绞线布设、找形和定位技术研究

压力输水隧洞预应力混凝土衬砌双层双圈钢绞线在自重作用下的找形与定位技术,是保证工程设计目标切实达成和确保隧洞衬砌安全运行的关键技术之一。采用有限元方法建立双层双圈钢绞线数值计算模型,开发了与有限元软件ANSYS连接的APDL自动找形求解命令流,分析了钢绞线线形与控制精度的关系及钢绞线施工线形的精度控制要求,提出了双层双圈钢绞线线形控制定位优化布设方案和线形控制定位方法,研发了新型钢绞线定位支架及其安装定位技术。研究成果应用于珠江三角洲水资源配置工程的输水隧洞衬砌施工中,实现了钢绞线找形后的线形精准定位,表明该技术在预应力钢绞线的工程实践中具有重要的推广应用价值。

PCCP保护层砂浆性能影响因素的试验研究

PCCP保护层砂浆辊射成型质量受多种因素的影响,是PCCP生产质量控制的难点之一。考虑辊射系统参数、辊射轮状态、辊射距离、砂灰比及新拌砂浆含水率等因素,进行了PCCP保护层砂浆的工作性能和力学性能试验研究。结果表明:辊射系统整体运行速度为中高速条件下,所成型的砂浆强度、吸水率以及保护层厚度可达到最优;辊射轮外缘相切、辊射距离为40 cm时,砂浆强度、吸水率以及回弹率最佳;砂浆抗压强度随着砂灰比的降低而逐渐增大,但吸水率随砂灰比的降低呈现先降低后升高的现象。当砂灰比为2.4时,PCCP保护层砂浆的吸水率最小;当砂灰比不变时,新拌砂浆含水率越大,砂浆试块的抗压强度越高,其吸水率越低。