卓越工程师培养模式探析——以重庆交通大学港口航道与海岸工程为例

"卓越工程师教育培养计划"是国家培养高素质科技工程人才的重大举措,本文就重庆交通大学港口航道与海岸工程专业的卓越人才培养进行探讨,分析了卓越工程师培养工程中的问题以及解决措施,为进一步实施好卓越工程师计划奠定了基础。

基于模糊贝叶斯网络的长江上游航道整治建筑物技术状况评价研究

针对长江上游航道整治建筑物特点,以建筑物功能发挥状况和结构状况为研究点,提出了建筑物包含"目标-准则-要素-指标"4个层次的评价指标体系;基于贝叶斯网络方法和模糊数学理论,建立了航道整治建筑物技术状况的综合评价模型,定义了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4级评价标准;通过数学期望公式量化建筑物具体技术状况值。以长江上游东溪口碛头坝为例,对其2016、2017、2018年的技术状况进行了验证评价。结果表明:2016、2017、2018年,长江上游东溪口碛头坝技术状况隶属等级分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ级,与规范所得结果吻合;量化技术状况值E分别为83.75、75.25、70.25,与工程实际相符。

超标横流作用下航道尺度加宽研究及应用

支流入汇常导致支流口干流航道局部横流加大,进而影响船舶通航安全。为研究超标横流入汇对干流航道尺度的影响,采用Fortran语言自主开发了平面二维水流数学模型和船舶操纵运动数学模型,对模型的合理性和可靠性进行验证后,通过模拟横流作用下的船舶运动,研究了超标横流对船舶横漂速度和漂角的影响,提出了超标横流安全范围和航道定量加宽值。实例应用表明:在传统航道尺度设计下,当支流口超标横流范围较小时可通过调整舵角实现航行安全;而当超标横流范围较大时则难以保障船舶安全通航,需进行河道加宽设计。提出的超标横流条件下航道加宽确定方法基本合理,对船舶操纵运动和航道设计具有一定参考价值。

望龙碛航道整治工程河段鱼类栖息地水动力指标分布

栖息地水动力环境对鱼类生存繁殖具有重要影响。针对长江上游望龙碛河段,采用三维水流数值模拟方法探讨航道整治工程对河段内胭脂鱼产卵栖息地水动力指标的影响。结果表明:河道各断面流速分布沿河宽呈“中间高、两边低”;工程后各断面适宜产卵流速区域向右偏移,且偏移量随流量增大而增加,最大偏移量60 m。涡量沿水深成层分布,总体呈“底层大、表层小”;工程后涡量较大值集中出现在工程区域附近及河道断面中部,涡量沿垂线分布变化明显,随着流量增大涡量变幅增加,最大变幅0.05 s^(-1);动能梯度沿水深分布与涡量相似,沿河宽方向动能梯度分布特征与深水区域分布表现出较强的相关性;流量增大后各断面动能梯度最大值增加。工程后形成的复杂水动力条件有利于鱼类生存繁殖。

长江上游航道整治工程对生态系统服务价值的影响

航道整治工程江段的生态系统服务价值评价是衡量工程建设对生态系统可持续发展影响的关键指标。以长江上游朝天门—涪陵江段航道整治工程为案例,通过土地利用变化为切入点,采用当量因子法对工程前、中、后期生态系统服务价值进行评估。研究结果显示,朝涪段的生态系统服务价值在2015—2018年下降1.40%,随后在2018—2021年增长5.73%。在12项服务功能价值中,占比最大的为水文调节,其次为航运服务价值,在工程前后均呈现上升趋势。不同地类的生态系统服务价值贡献度存在差异,水域一直是主要贡献因子和敏感因子。研究结论可为促进航道建设与生态保护的协调发展提供理论依据。

长江黄金航道整治技术研究构想与展望

当前,长江黄金航道面临着长江三峡枢纽和上游水库群联合运行带来的水沙条件新变化,以及防洪、航运、发电、供水、生态等水资源综合利用的新需求,亟待深入认识新水沙条件下航道演变机理及发展趋势,科学评估航道承载力及提升潜力,系统研发水资源综合高效利用目标下的航道整治技术,有效促进航道整治与生态环境保护的协调融合。"长江黄金航道整治技术研究与示范项目"以提高航道通过能力,实现长江航道资源高效利用为目标,凝练了四大关键科学和技术问题:1)水沙变化条件下长江航道演变机理及发展趋势;2)长江重要生物-生境对航道整治工程的响应机制;3)多因素影响下长江航道滩群联动整治方法与技术;4)基于河流完整性的航道整治生境融入及再造技术。结合关键科学问题和技术内涵,提出五大重点研究内容:1)研究长江不同类型河段复杂动力过程与滩槽演变的相互作用机理,预测长江航道演变趋势;2)研究长江生态航道的架构及评价体系;3)评估多功能河流航道承载力及可提升潜力;4)研究多库联调下山区河流卵石滩群联动航道整治技术、防洪-通航协同下中游强冲刷河段航道整治技术、下游复杂多分汊河段航道滩槽调控技术、径潮流河段深水航道协调治理与减淤技术等;5)研究长江航道整治工程的生境融入及再造技术,构建生态友好型航道整治模式。最后,将五大重点研究内容细分为八大前沿研究方向:1)新水沙条件下长江航道演变机理及趋势预测;2)长江生态航道架构及评价方法体系;3)多目标协同下长江黄金航道承载力及提升潜力;4)多库联调下卵石滩群联动航道整治技术;5)防洪-通航协同下强冲刷河段航道整治技术;6)复杂多分汊河段航道滩槽调控技术;7)径潮流河段深水航道协调治理与减淤技术;8)长江典型生态保护段航道整治技术。基于以上内容,初步构建长江航道整治技术研究体系,以期为提高黄金航道通过能力提供理论基础和技术支撑。

内河航道整治建筑物服役状态综合评价研究

长江上游存在众多航道整治建筑物,综合评价其技术状况对航道建设规划重要理论价值与现实意义。基于模糊贝叶斯网络评价模型,对长江上游5座整治建筑物进行了验证评价,并通过数学期望公式量化建筑物具体技术状况值。结果表明:长江上游典型航道整治建筑物技术状况等级评价与相关维护管理部门对航道整治建筑物历年评价契合度较高,符合航道整治建筑物评价的客观规律,量化技术状况值满足工程实际状况,建议对整治建筑物技术状况量化值为50~70展开相应损毁部位的维修,70~80应加强观测、巡视。主槽浅区航深、航道整治建筑物坡比、坝身水毁体积比为航道整治建筑物技术状况评价的主要潜在影响因素,日常管理维护应重点关注冲刷坑发展态势、边坡稳定性、主槽浅区航道条件。

长江上游水井湾航道整治数值模拟

水井湾滩段是长江上游弯道分汊河道,具有急、浅、险等多种碍航特性。洪中枯流量的差异引起主支汊分流比与分沙比的变化,河床不稳定。采用数值模拟方法,结合丁顺坝平面初步布置方案,研究丁顺坝坝头不同偏角布置下水井湾航道的通航水流条件及汊道分流比变化规律,对比分析各布置方案的计算结果得到平面布置最优方案。研究表明:通航水流条件与丁顺坝坝头偏角不成正向变动关系,坝头偏角存在合适区间;分汊主河道分流比与流量成反向变动关系,坝头偏角对河道分流比影响较小。研究结果可为同类型河流航道整治方案提供理论依据。

感潮河网区航道整治工程潮流数值模拟

东江下游三角洲发生的河道采沙、航道整治等人类活动对该河网区河床形态的自然演变过程产生了较大影响,引起河网区水动力产生相应的调整。基于非结构网格有限体积法的二维潮流数学模型,对倒运海水道疏浚工程实施后二维潮流场进行模拟研究,并从动力场的角度分析河网区航道整治效果。计算结果表明,工程实施后对水流的影响主要集中在工程附近水域,对河道沿程水位及流速的影响较小,可为其它河网地区的航道整治工程提供参考。

长江上游胡家滩航道整治数值模拟研究

长江上游胡家滩为弯曲展宽河段浅滩。探讨了胡家滩浅滩河段河床演变特征、碍航特性及滩险成因,提出了航道整治思路与方案。应用平面二维水流泥沙数学模型,采用2002—2011年的水沙序列资料,对方案整治效果进行分析。结果显示,整治后航槽流速增加且不会成为急滩,消落期航槽内泥沙冲刷加强,起冲时间提前,冲刷历时延长,航道尺度满足规划要求,航槽基本稳定,说明采用筑坝、疏浚与炸礁相结合的方法对胡家滩浅滩航道整治较为有效。

岷江朱石滩航道整治工程方案计算与分析

朱石滩下游1.4 km拟建的岷江二桥其215 m主通航孔位于航道右侧,与新槽的衔接存在较大问题;目前老槽水深不足,不能通行大件运输船舶。首先建立平面二维水流泥沙数学模型,并由实测资料验证其相似性。数学模型计算的水面线、流速分布及河床冲淤等与原型实测资料基本吻合,验证精度符合规范的要求。在掌握河床演变、滩险成因和碍航情况的基础上对老槽、新槽方案进行比较分析,提出达到Ⅳ级航道标准,满足大件运输需要。结果表明:该数学模型可较好地模拟河段水流的运动及航槽泥沙的淤积过程,从整治效果看(通航水流条件、航槽稳定等),3个方案各有优劣,相对而言,老槽方案较好,更能满足航道通航条件要求。

考虑围压影响的间断级配散粒土潜蚀规律试验研究

利用应力动态联动式渗透变形试验系统,选用间断级配散粒土材料开展了潜蚀试验,探索了30、60、90 kPa围压条件下土体潜蚀规律,分析了不同围压下细颗粒流失、体积变化及临界水力梯度的变化特征。试验结果表明:在较小围压下,细颗粒易于流失,导致土体孔隙连通性增强,渗流流速显著提高;而较大围压则压缩了土体孔隙,降低了渗透路径通畅性,使得渗透系数明显降低。在低水力梯度时渗流流速与水力梯度呈现非线性变化,但随水力梯度增大逐渐趋向线性,基本符合达西定律;围压增大导致土体潜蚀启动的临界水力梯度提高,二者呈正相关关系。围压对不同阶段细颗粒流失的影响存在差异,但对细颗粒流失总量的影响不显著。较大围压下土体内部颗粒结合更紧密,试样的变形程度更小,而在30 kPa的低围压条件下,试样体积变化曲线呈明显的阶梯式变化。

长江上游航道整治建筑物不同流量下的生态效果

航道整治建筑物在长江上游广泛存在,其在改变局部河段的水动力和水体理化特征的同时也会对浮游生物群落产生重要的影响。于寸滩站11 000 m^(3)/s流量下开展顺坝和丁坝2座航道整治建筑物的水动力、水质及浮游生物生物量现场监测,利用MIKE21软件建立流场,进一步模拟不同流量下坝体前后水动力、水质、生物量的变化趋势。监测结果表明,相较于坝前,两坝体坝后流速减小,溶解氧浓度、浮游植物密度、生物量增加,其中顺坝和丁坝浮游植物密度分别增加69.39%和62.18%,生物量分别增加77.42%和56.41%。基于现场监测数据建立模型得出,4 500、11 000、39 200 m^(3)/s流量下航道整治建筑物前后水动力、水质及生物量差异性逐渐降低,4 500 m^(3)/s流量下整治建筑物生态效果最好。研究成果可为航道整治工程区生物的保护和生态航道的建设提供理论依据。

石马河河道整治工程动床模型试验研究

针对石马河河道整治工程,结合理论方法与物理模型试验对其进行研究,提出整治最优方案。由最大输沙率法和稳定河槽宽度法推求河床整治宽度为40-86m,根据计算结果拟定四个试验方案建立相应物理模型,并在来流过程一致的情况下对比分析各方案实施后的水深、流速以及冲淤等参数,最终推出最优方案,并进行试验验证。该整治方案对大比降卵砾石河流稳定河宽的确定具有重要指导意义。

王家滩航道整治方案数学模型研究

为对王家滩河段进行航道整治,针对其河势及滩情,提出2种炸礁方案:炸礁方式为从炸礁基线起向河心侧的礁石炸低至设计底高程,采用1∶1边坡,与原炸礁方案一致,总计炸礁量约为14.04万m3;2级平台采用1∶0.5的边坡自然衔接,从炸礁基线起向河心侧的礁石炸低至设计底高程,近岸炸礁边坡也为1∶0.5,总计炸礁量约为16.81万m3。借助二维数学模型对2种方案进行验证比较。通过分析得出:炸礁方案采用2级阶梯,航道边界30 m以内的部分按照4.2 m水深炸除,其余部分按照3.7 m炸除,可以消除浅水平台不良流态影响。方案实施后,2级平台水深增加了0.5 m,且可供船舶行驶的平台范围增大,3 000 t级船舶可在2级平台上行驶。该方案将目前船舶航行路线右移拉直,拓宽了航槽,大幅改善了船舶航行条件。

长江黄草峡河段航道整治数学模型研究

黄草峡属于中洪水激流滩,位于长寿城区下游约9 km,黄牛岭一侧159～ 163 m平台对水流影响较大,影响上行船舶的安全航行并缩短了船舶的通航周期.当黄草峡水位超过162 m以后,左岸一侧会产生大范围的滑梁水、急流等碍航流态,束窄航槽,影响船舶通行,尤其是上行通行.通过分析黄草峡河段目前存在的航槽水深和流态问题,为了改善当前的不良通航条件,提出了工程可行性研究和数学模型2种比选方案.并通过二维数学模型对2种方案在该河段实测的水位流量的控制条件下的论证研究,分析数模计算结果,得出2种方案各有优缺点.因此,应根据具体需求选出最佳方案作为推荐整治方案.

长江朝涪段航道建设工程经济效益分析研究

统计分析长江朝天门至涪陵段水运量的发展变化趋势,利用了回归分析、弹性系数和指数平滑等方法对未来水运量进行组合预测。基于预测结果采用“有-无”对比法对正处论证阶段的朝天门至涪陵段4.5m水深航道建设工程经济效益进行识别测算。识别发现,工程的经济效益主要体现在节约社会运输成本和环境处置成本。初步测算结果表明,截至2040年,累计产生经济效益达22.02亿元,工程具备较强经济合理性,可供决策参考。

长江上游航道三棱柱式人工鱼礁流场特性研究

一种新型的三棱柱式人工鱼礁在长江上游航道整治工程中已广泛应用,在改善水体流态和营造鱼类生境方面发挥着重要作用。通过数值模拟方法研究不同来流速度与布设间距下三棱柱式人工鱼礁上的流场特性,并提出人工鱼礁的最佳布置方式。研究结果显示,上升流最大速度与来流速度成正比,而上升流体积、上升流最大高度与礁高比值、背涡流体积和长度基本不受来流速度的影响。在同一流速下,上升流和背涡流体积均与人工鱼礁布置的横向间距成反比,与纵向间距呈先增大后减小的变化。横向及纵向间距分别为0.5倍和4倍礁长时为人工鱼礁的最佳布设方式。对比不同来流速度,上升流和背涡流区域特性参数受人工鱼礁布设间距的影响更明显。研究结论可为长江上游生态型人工鱼礁的建设提供理论依据。

松花江牤牛哨滩河段航道整治方案比选

牤牛哨滩是松花江中游主要的碍航浅滩,该滩段河道水浅槽窄、滩口流急并伴随横流等碍航水流,严重影响船舶通航以及生态旅游航道的建设。针对此问题,采用二维水流数值模拟方法对牤牛哨滩河段的碍航水流特性进行研究,对比分析3种航道整治方案的效果。结果表明,采用复式断面航槽疏浚及生态闸坝建造的方案后,该滩段通航水深大于1.78 m,枯水期平均比降仅为0.29‰,平均消滩水力指标远小于2.06,流态良好,满足航道治理要求。研究成果可为该类滩险的航道整治方案选择提供科学依据。

长江上游宜宾至重庆河段水沙情势变化特征

长江上游宜宾至重庆河段是长江黄金航道的重要组成部分,在自然因素和人为因素的综合作用下,该河段近期水沙情势发生了一定变化。基于长江朱沱站、寸滩站(简称“两站”)1956—2020年的径流量和悬移质输沙量原型观测资料,分析长江宜宾至重庆河段的水沙趋势性、突变性和周期性变化特征,结果表明:1)朱沱站径流量呈上升趋势,寸滩站径流量呈下降趋势,但均不显著;两站输沙量均呈异常显著下降趋势。2)两站径流量和输沙量均出现突变特征,径流量突变发生在1960—1969年,2000年以来也存在径流量突变情况;而输沙量的突变主要发生在2000年至今。3)朱沱站径流量在28 a的时间尺度下周期震荡最剧烈,径流变化的平均周期约为19 a,相当于经历了3.5个丰水期和枯水期的转换;输沙量在93 a时间尺度下,呈现出明显的周期性,径流变化的平均周期约为57 a;寸滩站径流量序列中,14、28、47 a时间尺度下,周期性变化较明显,寸滩站输沙量变化的主周期约为93 a。