水利水电工程信息模型通用几何造型系统研发及应用

水利水电工程信息模型在水工设计中面临异形构件多、机理模型嵌入难、模型跨平台、阶段应用难和程序化开发碎片化等问题。对此,提出了一种与造型软件无关的水利水电工程信息模型通用几何造型方法及系统。系统将水利水电工程设计过程解耦为造型机理表达、特征草图描述、特征变换和造型生成算法对象。针对国内水工设计常见单体异形构件和组合特征复合构件,在Autodesk Revit、Bentley Microstation、Dassault CATIA系统进行了程序化建模验证。系统成功应用于我国多个水利水电工程项目,极大地提高异形几何体的构型效率和复用率,验证了所提出系统的可靠性和可行性。研究成果为水利水电工程信息模型的设计数据跨平台交互和我国水利水电专业国产几何造型系统的研发具有借鉴价值。

滦河口退养还滩工程引起的径潮相互作用变化分析

围垦养殖对河口海岸的水动力和水环境带来了潜在危害,因此,在围垦区逐渐开始实施退养还滩工程以修复河口的水动力环境。但是,目前对于退养还滩工程引起的水动力变化还缺少完善的评价和研究。以滦河口退养还滩工程为研究对象,构建二维水动力数值模型,从水动力场、纳潮能力和行洪能力三个方面研究还滩工程对滦河口径潮作用特征的影响。结果表明:滦河口退养还滩工程区域面积约300 hm^(2),河口断面扩宽造成了河口内水动力条件的变化。径流动力明显减弱,洪季河道内下泄流速最大降幅约为61.82%;潮流动力显著增强,枯季时潮流上溯流速增加0.25 m/s;径潮作用平衡位置向上游移动。河口纳潮能力显著增强,枯季大潮期间涨潮历时延长了12.5%,涨潮周期纳潮通量增长了219.8%。河口行洪能力明显提高,河道内洪季最大水面降幅达45.8%,水力坡度逐渐减缓,主动力轴线流速明显降低。退养还滩工程有利于河口的防洪御潮及生态环境改善,建议进一步加大实施力度。

输水工程中淡水壳菜侵蚀混凝土的机理研究

淡水壳菜附着在输水建筑物内壁会导致混凝土性能劣化,研究淡水壳菜附着规律与侵蚀混凝土的微观机理对建筑物防护对策的制定具有重要价值。本文研究了淡水壳菜在输水建筑物内部附着规律、足丝入侵机制、体长空间差异性;通过原位混凝土硬度、侵蚀深度测试,分析了淡水壳菜对混凝土物理性质的影响;基于侵蚀前后混凝土微观形貌、化学元素变化及XRD衍射图谱,解析了淡水壳菜对混凝土侵蚀的微观机理,提出了侵蚀后混凝土的物相转化机制。结果表明:淡水壳菜附着密度在渡槽内部自入口到出口呈现出衰减规律;在倒虹吸内部附着密度呈现出沿程波动特点,但总体稳定。淡水壳菜平均垂向分离力与体长呈正相关关系;淡水壳菜体长在大尺度空间上表现为“南方长,北方短”特点,相差10 mm,体长分布形式符合高斯分布。淡水壳菜长期附着下,混凝土硬度降低、侵蚀深度有所增加;微观形貌疏松多孔,Ca、Fe等元素流失;混凝土的侵蚀产物主要为二氧化硅。

基于改进HT-LCNN线段检测模型的隧洞施工活动时间信息智能提取方法

施工活动时间信息的有效提取是隧洞施工进度分析与决策的重要前提,目前常采用的一种隧洞施工活动时间记录方式是绘制横道图线段。针对传统依赖于人工统计的方式存在效率低、易出错等问题,提出基于改进深度霍夫线条先验网络(Hough Transform-Line Convolutional Neural Network,HT-LCNN)线段检测模型的隧洞施工活动时间信息智能提取方法。首先,采用单应性变换手段进行施工日志图像预处理,解决原始图像存在的倾斜、旋转、扭曲等问题;其次,利用全局上下文注意力模块(Global Context Network,GCNet)改进HT-LCNN模型的残差模块,通过建立和共享全局注意力图,获得目标线段在特征图和通道间的长距离依赖关系,提高模型对目标手绘线段的注意力,克服原有HT-LCNN方法容易受到表格线段和文字干扰的不足,实现手绘线段的高精度智能检测;进一步地,建立施工时刻-活动坐标系,根据所检测的手绘横道图线段的端点坐标位置特征,将其自动转化为施工活动时间信息。将该方法应用于某长距离引水隧洞TBM施工日志活动时间提取,本文提出的改进HT-LCNN模型的检测精度AP_(5)、AP_(10)、AP_(15)值分别为94.7%、95.0%、95.1%,均高于HT-LCNN和LCNN;基于本文方法自动提取的施工活动时间与人工提取结果相比,平均绝对误差仅为1.82 min。本研究为隧洞施工活动时间信息准确高效提取提供了新思路。

基于NSGA-Ⅱ的南水北调东线一期北延应急工程水资源多目标优化配置

为推进南水北调工程高质量发展,以南水北调东线一期北延应急供水工程为研究对象,开展北延应急供水工程水资源多目标优化配置研究。以缺水量最小、调水成本最低为目标,构建北延应急供水工程受水区水量多目标优化配置模型,基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行模型求解。确定各受水区在经济最大化和缺水总量最小化条件下的供水量,制定符合农业、生态和城市应急等需求的精准调配方案。结果表明:平水年满足按需分配条件,做到满足最大需水量的同时也满足供水成本最低的目标;枯水年年供水保证率分别为57%、56%、55%、54%、53%、49%、46%、36%、34%和21%情况下的10组最优解作为水量优化配置方案,其中7个优化配置方案供水保证率大于规划调水量的供水保证率值38%。在水资源多目标优化配置方案下可高效完成受水区供需水任务的同时,有效提高供水保证率,同时保证调水成本的经济性。

水工混凝土材料不可编辑文本智能解译方法研究

在水电工程建设过程中,产生了大量不可编辑的水工混凝土材料文档,采用人工解译的方法获取文本费时费力且精度不可控,难以满足材料数据信息化管理的需求。为此,本文提出了面向水工混凝土材料不可编辑文本的智能解译方法。首先,构建了基于像素级分割的文本检测模型HC-PSENet,融合PP-HGNet主干网络实现文本行的精确检测。进一步,基于领域知识创建专业语料库以获取字符的准确映射,以检测文本框和专业语料库为输入,建立了水工混凝土材料文本识别模型HC-CRNN,采用ResNet主干网络和改进损失函数C-CTC Loss提高字符分类准确性。最后,以自制数据集为例,引入迁移学习策略训练模型,通过消融、对比实验验证了方法的有效性和优越性。结果表明,本文提出的方法检测文本区域的调和平均数为0.985,识别文本的准确率达到90.62%,综合性能均优于经典方法,以期为混凝土材料不可编辑资源的自动化再利用提供新的技术手段。

冰期渠道防结冰曝气装置运行方式多目标智能优化

传统防结冰曝气装置位置相对固定,作用范围有限。为此,提出了浮动式曝气装置,该装置具备可自行移动和作用范围大的特点,但目前针对其增温效果和运行优化的研究仍较为欠缺。为提升浮动式曝气装置防结冰效果,结合神经网络和多目标优化算法,构建了不同运行方式曝气增温效果智能预测模型和多目标优化模型,通过模型推演分别得出了适用于不同工况的增温强度偏向型方案、均衡型方案以及续航时间偏向型方案。结果表明:得出的优化方案与对照型相比,在防结冰曝气装置优化方面表现出不同程度的提升或降低,其中增温偏向型的增温效果相较对照型提升了79.12%,但续航时间减少了81.15%,均衡型方案在增温效果和续航时间方面均有小幅提升,续航时间偏向型方案的续航时间可提升97.35%,研究结果可用于指导防结冰曝气装置的实际运行。

深部岩石动力学SHPB实验研究进展

深地岩石工程中,岩石处在高地应力、高温、高孔隙压力赋存状态以及动态扰动作用下,其稳定性被显著劣化,严重危害工程安全。近年来,研究人员在考虑原位应力和孔隙压力(差)的深部岩石动力实验方面取得了很大进展,因此有必要系统地回顾和总结这一领域的新进展。介绍了分离式霍普金森压杆(SHPB)的发展简史以及深部岩石动态实验的概况,包括实验装置、方法和结果的新进展。全面介绍了三轴围压SHPB系统与流固耦合SHPB系统的原理,以及相关的前沿应用和实验结果,包括多种应力状态和流固耦合条件下岩石动态强度和断裂韧度的实验方法和结果,总结了不同原位条件下深部岩石的动态破断机理与特征,相应成果为深部岩石工程的发展提供了重要的理论基础。

基于融合GNSS/UWB/RTS的RCC坝智能监控定位补偿方法研究

近年来,大坝压实质量的智能监控技术逐渐成为研究热点。现有的碾压混凝土(RCC)坝碾压作业过程实时监控技术依赖于全球导航卫星系统(GNSS),然而,对于建设在深窄河谷地区的RCC坝,GNSS系统易受两侧山体信号遮挡干扰。针对上述问题,本研究提出一种基于融合GNSS/UWB/RTS的RCC坝碾压施工智能定位补偿技术。首先,依据悬崖边壁、倒悬体遮挡处的环境特征建立了适用于深窄河谷地区的RCC坝碾压实时监控数学模型;其次,引入了超宽带(UWB)和机器人全站仪(RTS)定位补偿技术,采用耦合新息阈值与最小二乘的改进卡尔曼滤波算法融合GNSS/UWB/RTS的定位数据,实现了遮挡环境下卫星信号的连续稳定定位监控;最后,在西南某大型RCC坝工程中得到应用。结果表明,该方法能够实现对深窄河谷中RCC坝碾压施工的全地形、全过程实时监控,可弥补单纯依赖GNSS进行碾压过程实时监控所不足。

基于知识图谱的泵站运行方案智能推荐与优化

针对泵站运行方案制定智能化水平低、运行过程中受环境变化影响难以在计划时间内完成提水量的问题,提出一种基于知识图谱的泵站运行方案智能推荐与优化方法。基于2013—2022年南水北调东线邓楼泵站历史运行数据构建知识图谱,结合数值相似度匹配方法为泵站运行推荐可靠的方案。通过分析泵站运行过程中的性能数据,确定泵站机组运行的性能曲线,结合实时监测的流量和净扬程数据对泵站运行方案动态调控。应用情况表明,推荐的所有运行方案的效率均在67.00%以上,能够满足泵站的运行要求,并且实现了泵站运行过程的动态优化。

以美丽海湾为抓手,助力美丽中国建设

美丽海湾建设是美丽中国建设在海洋领域的集中体现和实践载体,是“十四五”乃至今后一个时期海洋生态环境保护的工作主线。因此,本研究从美丽海湾保护与建设的相关政策、美丽海湾建设现状等方面对相关政策的指导意义进行研究,提出了美丽海湾保护与建设的主要问题:海洋生态环境监测密度不够;经验模式总结不到位,推广受限;指标数据不统一;美丽海湾的申报湾段碎片化;垃圾整顿不及时。针对这些问题提出美丽海湾建设的具体建议是加强能力建设,凝炼经验重宣传,强化科技支撑,保持生态完整性,建立常态化监管和反馈机制,加强信息公开和公众参与,梯次推进美丽海湾建设。

相变黏土心墙堆石坝结构性态与水力劈裂分析

为研究相变黏土心墙的应力、位移、渗流及水力劈裂等结构性态,采用有限差分法构建了相变黏土心墙堆石坝渗流-应力耦合分析模型,分析了相变黏土和纯黏土心墙在竣工期和蓄水期的应力、位移、渗流场分布规律及水力劈裂性态等,同时分析了相变黏土和纯黏土混合填筑心墙的可行性。结果表明:竣工期和蓄水期,相变黏土心墙堆石坝的位移、应力分布与纯黏土心墙堆石坝分布规律基本一致,但最大竖向位移略高于纯黏土心墙;相变黏土心墙的渗透系数分布与纯黏土心墙相似,但整体上大于纯黏土心墙;不同工况下,相变黏土心墙堆石坝的最小安全系数满足规范要求,但多数低于纯黏土心墙堆石坝;正常施工运行状态下,相变黏土和纯黏土心墙堆石坝均不会发生水力劈裂。在冬季负温时段采用相变黏土而非负温时段采用常规土料的混合填筑心墙方案是可行的,该方案可进一步控制相变材料用量,并解决全部采用相变黏土填筑心墙竖向位移略大的问题。

单块双肋梁装配式风电基础结构受力特性研究

以节约耗材、施工快速、质量可控等为目标,结合陆上风电梁板式基础结构特点,提出一种新型单块双肋梁装配式基础。目前对装配式梁板基础结构受力特性的研究较少,该文通过建立基础整体有限元模型及开展室内模型试验,研究预制装配式梁板基础受V(竖向荷载)-H(水平荷载)-M(弯矩荷载)复合荷载下的结构受力特性,并重点分析基础肋梁、底板、台柱等的承载及破坏模式。研究表明,新型单块双肋梁装配式基础结构具有良好的承载及结构力学性能,安全储备可达设计值的1.44倍;基础整体稳定性良好,各项指标满足现有规范设计要求;同时,台柱-肋梁交接处为此类型基础结构承载及荷载传递的关键部位,设计及施工时应重点关注。

“圆-三角-附板”截面振子的流致振动试验研究

通过试验方法对“圆-三角-附板”截面振子的流致振动进行研究,分析了高宽比、系统阻尼比对振动的影响,并使用粒子图像测速技术对典型工况进行尾流拍摄,分析“圆-三角-附板”截面振子的尾流演化规律,为流致振动发电振子设计提供参考。主要结论如下:振动强度随着系统阻尼比提高而减弱;随着截面高宽比的增大,振子发生驰振的能力增强,而最大振幅比和频率比均降低;随着高宽比的增大,旋涡的涡量增加,尺度增长,振子受力面积变大,旋涡附着现象更加明显,振子受力效果更好;随着振子高宽比的增大,正向旋涡发育和脱落的时间比反向旋涡更长。

落锚撞击作用下沉箱防护结构顶盖损伤特性研究

针对沉箱防护设施的顶盖在落锚撞击作用下的结构损伤问题,本文对沉箱顶盖的撞击损伤特性进行研究,采用有限元对沉箱式防护结构顶盖的撞击损伤特性进行模拟研究,通过对沉箱顶盖进行原尺寸建模,利用落锚碰撞试验验证数值模型的正确性和精度,分析开孔对顶盖撞击损伤特性的影响机制。研究结果表明:落锚撞击位置不邻接开孔时,最大撞击应力出现在撞击位置处,沉箱防护结构整体沉降高度略小,撞击位置处出现的塑性应变较大;落锚撞击位于开孔集中的区域时,开孔附近会产生较大的应力集中,沉箱防护结构整体沉降高度略微增大,撞击位置处出现的塑性应变较小。

振荡流作用下近床面泥沙颗粒受力研究

在海岸地区,泥沙运动对地形演变有着显著影响,而泥沙颗粒受到的拖曳力是引起运动的主要作用力.在采用离散颗粒模型研究泥沙运动时,颗粒拖曳力的准确性直接决定了泥沙运动规律计算的合理性,因此研究波浪作用下床(壁)面附近泥沙颗粒的受力对于深入了解泥沙运动规律具有重要意义.采用颗粒解析模型对不同周期振荡流作用下单个泥沙颗粒在近壁面不同距离处的受力进行了模拟分析.模拟结果表明:在相同雷诺数情况下,周期越大,拖曳力系数越小;壁面距离越小,拖曳力系数越大,当距离增大至5倍粒径以上时,壁面的影响不明显.借鉴振荡流作用下圆柱的拖曳力系数,根据模拟结果拟合了振荡流作用下颗粒拖曳力系数随斯托克斯数和雷诺数变化的周期修正公式;借鉴明渠流中颗粒拖曳力系数的壁面修正形式,拟合了拖曳力系数随壁面距离和雷诺数变化的壁面修正公式.

海上风电筒型基础入土沉放风险分析

将基于核极限学习机的响应面法应用于筒型基础的入土沉放风险评估,以海域1(安装成功)和海域2(安装失败)某风电场6.45 MW筒型基础为研究对象,采用蒙特卡洛抽样法随机生成地勘静力触探(CPT)中的锥尖阻力(qc),并用基于CPT推荐值、最大值的方法预测沉放需要压差,以水泵和水压可提供的最大压差为风险控制标准,得到两个机位入土沉放失效概率,评估两个机位的入土沉放风险。结果表明:土体的空间变异性越大,筒型基础入土沉放风险越大。当土体变异系数CV≤0.3,使用CPT推荐值计算各深度的失效概率均小于10-4时,风险较低,可用于指导施工。

苏北废黄河口滨海港建设对近海水沙和床面冲淤的影响

以废黄河三角洲海岸盐城市滨海港的建设为背景,通过建立二维潮流泥沙数学模型,模拟建港前后水动力场环境与泥沙运移变化,分析滨海港建设对近海水沙的影响。南北堤建成后,流速变化主要集中在防波堤建设区域15 m等深线以内海域,变化量为−0.8~0.5 m/s。北堤堤头流速增幅明显,除大潮落急外港区均处在流速减小区,流速衰减幅度最高可达0.6 m/s。建港工程造成海域内潮汐不规则性减弱,主要分潮的平均振幅比降低约10%。建港工程对近海地貌格局的影响集中在港区周围8 km范围,且基本在16 m等深线以内海域,淤积区域分布在港区口门周围,冲刷区域分布在北堤堤头,床面变化随着时间推移加剧。

工程场区施工人员靠近风险区实时预警方法

针对水利工程建设中施工人员靠近危险区域的风险问题,文章利用计算机视觉和深度学习,提出了靠近风险区域的危险行为预警方法。首先利用改进的YOLOv5+DeepSORT多目标追踪算法实现施工人员的追踪和轨迹收集;然后利用Social-STGCNN算法构建轨迹预测模型;最后,基于AI电子围栏,实现靠近危险区域的实时预警。工程实例表明,该方法能够预测和避免施工人员进入风险区,有助于构建早期施工安全预警机制,完善水利安全生产风险管控理论。

流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展

深部岩石处于高地应力、高渗透压和强动态扰动的复杂地质环境之中,3者作用下岩石体更加容易发生损伤破裂,诱发突涌水、渗漏、井喷等工程地质灾害,因而探究流固耦合作用下岩石的动态力学响应是开展岩石工程建设的前提之一。近年来,国内外众多学者在考虑水和不同应力状态下的岩石动态力学实验研究方面取得了显著的成果。为给工程建设提供更加全面的指导并为后续研究奠定基础,从实验装置、测试结果以及围压与水的作用机理层面,对上述工作进行了回顾与总结。首先介绍了分离式霍普金森压杆测试装置的基本原理,以及用于模拟深部岩石赋存环境所进行的装置改进,包括围压分离式霍普金森压杆实验系统和孔压(渗透压)耦合的分离式霍普金森压杆实验系统,简要分析了各类装置在研究流固耦合作用下岩石动力学问题时的优势和不足。其次,总结了考虑不同应力状态(单向加载、三向围压加载)的流固耦合作用下岩石的动态力学响应特性。详细介绍了固定预设孔压、渗透压耦合作用下深部岩石的动态力学响应及其随孔隙水压、渗透压变化的规律。随后,概述了围压对岩石动力学性质的影响机理,分析了不同围压条件下的影响规律;总结了水对岩石动态力学性质的强化、弱化微观机制和定量表达。最后,对流固耦合作用下深部岩石的动态力学响应进行了概括总结,并对未来实验研究工作和深部赋存条件下岩石动态力学的研究方向进行了展望。