水力发电学报
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2017年 36卷 10期
刊出日期：2017-10-25
当期目录
当期目录
1
特约
论文
：大型水工钢闸门的研究进展及发展趋势
王正中, 张雪才, 刘计良
DOI: 10.11660/slfdxb.20171001
随着国内外高坝大库的建设与发展，作为水利水电工程泄水建筑物调节咽喉的水工钢闸门正向着高水头、大孔口、大泄量的大型化和轻型化方向发展，其安全灵活地运行决定着整个枢纽工程和下游人民生命财产的安全。在全面分析国内外水工钢闸门研究进展及取得成果的基础上，指出了有待研究的主要问题及今后的发展方向。大型水工钢闸门研究中主要围绕：典型工况下大型弧门空间框架结构的合理布置，基于空间结构体系可靠度的结构优化设计方法，大型钢闸门的深梁、厚板、大刚度框架结构计算理论与方法，流激振动作用下弧门空间框架动力稳定及振动控制，严寒环境下钢闸门低温低周疲劳破坏机理，轻型稳定仿生树状水工钢闸门的结构创新，生态景观特型钢闸门结构及其水力特性优化，全生命周期的水工钢闸门安全诊断与智能监测，超强钢材料及新胶焊连接等关键科技问题开展研究。
2017 Vol. 36 (10): 1-18 [
摘要
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19
满足相似条件的混凝土重力坝振动台试验方法研究
朱彤，王忠阳，周晶
DOI: 10.11660/slfdxb.20171002
本文以某拟定高混凝土重力坝工程挡水坝段为研究对象，进行了坝体库水压力模拟的大型振动台动力模型试验。为解决坝体动力模型破坏试验中，库水材料只能选择液体水导致坝体模型材料密度比尺难以改变的限制，通过弹簧系统及附加质量模拟坝体的库水压力，满足坝体模型材料密度比尺变化的要求，从而使模型试验效果更佳。通过多组坝段模型的试验对比研究发现：本模拟方法可以有效模拟库水压力，可满足密度比尺的限制，方便可调；在模拟地震响应中，满库与空库坝段的动力特性有着明显不同；空库坝段与满库坝段模型的破坏特征也有明显区别。
2017 Vol. 36 (10): 19-26 [
摘要
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27
耦合降水预报和多目标参数优化的洪水预报方法
林锐，泮苏莉，刘莉，许月萍
DOI: 10.11660/slfdxb.20171003
为了提高洪水预报的精度和预见期，本文提出了一种耦合数值天气预报和多目标参数优化的洪水预报方法。利用基于ε网格的带精英策略的非支配排序遗传算法（ε-NSGA Ⅱ）对分布式水文–土壤–植被模型（DHSVM）进行了自动率定，并将欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的24小时累积降水预报信息进行等权重加权集合平均，驱动DHSVM模型进行洪水预报。结果表明对于整体流量过程线而言，预见期在8天以内较为可靠，其预报值与实测值的相对平均误差（RME）在20%范围之内。相对于传统的确定性洪水预报，引入集合数值天气预报后能够延长洪水预报的预见期，为发展洪水预报方法提供一种有效途径。
2017 Vol. 36 (10): 27-34 [
摘要
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35
洪水二维变量重现期的探讨
姚瑞虎，覃光华，丁晶，李品良，曹泠然
DOI: 10.11660/slfdxb.20171004
洪水二维变量（洪峰x和洪量y）重现期涉及工程防洪计算和评价，历来受到高度重视。重现期的推求、洪水事件构成及匹配理念三者紧密相关。本文基于Copula函数论述并推求了四种洪水重现期（“一维变量”重现期N1、“和”事件重现期N2、“积”事件重现期N3、匹配重现期N4）的理念及其计算，重点阐明了N4。以岷江支流马边河马边水文站为例，对比分析各重现期之间关系，结果表明：对于二变量一组取值(x0, y0)，当x0和y0均较大或较小时，大小顺序为N3> N4> N1> N2；当x0较大，y0较小或y0较大，x0较小时，会出现N3较N4明显大得多，且N4可能小于N1的情况。应用时需注意Copula函数一些特殊性质，应结合工程特性和要求等选定防洪计算所需的匹配值。
2017 Vol. 36 (10): 35-44 [
摘要
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45
基于小波支持向量机的径流预测性能优化分析
周婷，金菊良，李荣波，纪昌明，李继清
DOI: 10.11660/slfdxb.20171005
中长期径流预测是水库调度的重要前提和难点问题。在数据驱动预测模型已有研究基础上，提出了基于小波分解的参数优化支持向量机（WD-SVM-PSO）预测模型，实现了对历史径流过程的分频预处理、分类训练、参数优化及交叉验证，从样本数据、模型参数、训练机制三方面对预测模型性能进行优化。采用淮河流域响洪甸水库1959—2014年径流过程进行模型验证，结果表明：WD-SVM-PSO模型预测合格率为93%，且具有良好的泛化性能，有效规避了过拟合现象；进一步通过对照试验仿真，定量揭示了耦合预测模型三方面要素所起的作用大小依次为：样本数据预处理>训练模型>模型参数。该结论可为分析和完善数据驱动径流预测模型、提高径流预测精度和可靠性提供参考借鉴。
2017 Vol. 36 (10): 45-55 [
摘要
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56
三角孔多孔板下游空化流场的PIV剖析
张凯，董志勇，赵文倩，居文杰，李杨如，耿坤，秦兆雨，王磊
DOI: 10.11660/slfdxb.20171006
采用粒子图像测速仪（PIV）对不同类型的三角形孔口多孔板下游空化流场的流动特性进行了量测，分析了孔口大小（边长 = 2.6 mm，4.0 mm，5.1 mm和6.7 mm）、孔口数量（ = 9，16，25和64）和孔口排列（棋盘式和交错式）对多孔板下游时均流速、紊动强度及紊动切应力分布的影响。结果表明，多孔板下游的时均流速、紊动强度及紊动切应力呈现不同程度的锯齿状分布，适当地缩小孔口、增加孔口数量，并将孔口布置为交错式排列有利于多孔板下游水流的掺混、紊动和剪切作用；在试验设计的不同规格三角形孔口多孔板中，孔口边长 = 4.0 mm、孔口数量 = 25且孔口为交错式排列的多孔板下游空化流场的流速梯度最大、紊动剪切作用最为剧烈。
2017 Vol. 36 (10): 56-64 [
摘要
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65
细沟侵蚀下的坡面水动力学特性研究
杨大明，高佩玲，刘小媛，赵连东
DOI: 10.11660/slfdxb.20171007
研究细沟水流水动力学特性，是了解和掌握细沟侵蚀机理的关键，也是建立土壤侵蚀预报模型的基础。本文在室内放水冲刷试验基础上，对不同土壤容重（1.2、1.35、1.5 g/cm3）、流量（2、4、8、16 L/min）、坡度（5°、10°、15°、20°、25°）条件下的细沟水流水动力学特性进行了研究，结果表明：流量和坡度都是影响水流流速的重要因素，流速可以用坡度和流量的幂函数来表示，且坡度是影响流速的主要原因；土壤容重对流速有一定影响，且随坡度的变化对流速的影响存在差异；水流雷诺数变化范围在248 ~ 1932之间，土壤容重和坡度对雷诺数均没有影响，雷诺数主要与流量有关，且随流量的增大呈线性关系；细沟水流弗劳德数在各试验条件下基本大于1，属急流状态，土壤容重对弗劳德数的影响类似于流速，随坡度的不同有一定差异；水流阻力系数变化范围为0.04 ~ 0.955之间，随坡度和流量的增大呈先增大后减小的趋势，且受土壤容重影响明显，在低坡和陡坡下都随土壤容重增大而减小。
2017 Vol. 36 (10): 65-73 [
摘要
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74
龙头桥水库溢洪道流场数值模拟及优化研究
耿敬，马世领，李刚，朱睿
DOI: 10.11660/slfdxb.20171008
龙头桥水库溢洪道在实际运行过程中，泄槽段内出现了较为严重的水冠和折冲水流现象。针对该问题，本文基于物模实验和数值模拟相结合的研究方法：建立溢洪道三维结构模型，运用RNG k-ε紊流模型、修正的Simple算法和VOF多相流方法，对溢洪道流场进行数值模拟；运用物模实验对溢洪道的泄流能力、水面线、流速和堰面压力等水力特性数模结果进行验证分析，两者吻合较好。通过对溢洪道流场分析，得到水冠和折冲水流的特性和发生位置，最终从中墩厚度和尾墩型态进行优化，多组方案的数模和物模实验结果表明，优化结果良好。
2017 Vol. 36 (10): 74-83 [
摘要
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84
连续丁坝回流特性实验研究
韩晗，张曼，林斌良，周建军
DOI: 10.11660/slfdxb.20171009
丁坝是水利工程中最为常见的水工建筑之一，丁坝区产生的回流将引起复杂的河道流速分布和泥沙输移过程，对于船舶航行和水利工程有着重要的影响。现有丁坝水沙特性研究多集中于数学模型方面，现场实测资料和模型实验等直接观察得到的数据非常有限。本文通过室内大型水槽进行的实体模型实验，模拟水流在连续丁坝区的回流形态。通过粒子跟踪测速技术对全流场的水流流速、分布进行了测量，记录流量和水深过程，并对水流回流特性进行了分析。实验结果表明：（1）采用电磁流量计量测结果准确，水深变化过程稳定；（2）丁坝区的回流存在纵向零流速线，将其沿横向划分为主流区、回流正区和回流负区，沿纵向划分为增流区和减流区，横向障碍物前存在次生回流；（3）回流流量呈现中心稳定两侧迅速增减，最大可达上游来流量的50%。实验成果可为更加深入地研究丁坝区回流和泥沙冲淤特性提供可靠的数据，为数值模拟提供详细的验证资料，进而对航道设计及河岸维护等工程实际提供科学的支撑作用。
2017 Vol. 36 (10): 84-92 [
摘要
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93
TDG过饱和高含沙水体对岩原鲤的急性效应研究
刘晓庆，王俊杰，孙井沛，王远铭，施浩然
DOI: 10.11660/slfdxb.20171010
大坝泄洪水体具有泥沙浓度高且总溶解气体（Total Dissolved Gas，TDG）过饱和的特点，TDG过饱和含沙水体威胁着下游河道鱼类的生存，正成为日渐突出并日益受到广泛关注的生态环境影响之一。为进一步探讨TDG过饱和含沙水体对鱼类影响的规律，选一年龄岩原鲤幼鱼为实验对象，以中值粒径为7 μm的泥沙为实验用沙，对TDG饱和度为100%、125%、130%、135%、140%的水体，分别设置0、200、600、800、1000 mg/L的含沙量实验工况，开展含沙水体TDG过饱和的持续暴露实验。实验结果表明：岩原鲤幼鱼受TDG过饱和含沙水体胁迫时，TDG饱和度越高，含沙量越大，岩原鲤幼鱼半致死时间越小，泥沙加速了该鱼类在过饱和TDG含沙水体中的死亡，但过饱和TDG仍是引起岩原鲤死亡的主要因素。此外，TDG饱和度为100%的各含沙实验组（200 ~ 1000 mg/L）中，泥沙单独作用未造成岩原鲤幼鱼死亡。
2017 Vol. 36 (10): 93-101 [
摘要
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102
灯泡式水轮机叶片表面空化形态的试验研究
李广府，卢池
DOI: 10.11660/slfdxb.20171011
为了研究叶片表面空化形态的演变过程，针对某灯泡式水轮机基于模型试验采集了特征水头下协联工况点的空化试验数据。流态观测与空化试验同步进行，观测整个运行范围内模型转轮叶片和间隙的空化形态并以绘制草图、拍照的形式记录相应的典型空化特性。对于第四种η-σ曲线可以从能量突变点开始确定对应的临界空化系数；叶片表面的空化形态呈现游移型气泡、片状气泡、云状气泡和超空化气泡四种空化形态，可根据叶片表面的空化形态预测可能产生空蚀的位置；间隙空化先于翼型空化出现，理论上分析了间隙空化产生的原因，提高转轮室和叶片外缘的加工精度、采用合理的较大的转轮间隙可以改善间隙空化。
2017 Vol. 36 (10): 102-109 [
摘要
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110
水轮机转轮结构与过机幼鱼受压强损伤相关性研究
王煜，李成，张洋
DOI: 10.11660/slfdxb.20171012
大坝阻隔了洄游性鱼类的洄游通道，鱼类通过水轮机下行或误入水轮机流道将遭受水轮机流道复杂水动力特性及水轮机结构的影响，导致过机鱼体的损伤甚至死亡。为有效保护鱼类资源，本文在对大型轴流式水轮机进行全流道三维数值模拟的基础上，以鱼类受压强和压强梯度损伤阈值作为评价指标，对水轮机流道转轮叶片数目及转轮泄水锥尺寸进行降低幼鱼损伤概率的优化研究。研究结果表明，在满足水轮机出力要求的前提下，大型轴流式水轮机转轮叶片数目增多将增大下行幼鱼受压力及压力梯度损伤的概率，转轮泄水锥相对高度的减小将增加幼鱼受压力及压力梯度损伤的概率。该研究成果可为减小鱼体损伤的环境友好型水轮机优化设计提供参考。
2017 Vol. 36 (10): 110-120 [
摘要
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