水力发电学报
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2025年 44卷 5期
刊出日期：2025-05-25
1
编辑部推荐论文：含沙水流冲击参数对水力机械基材磨损及磨蚀特性的影响
Hot!
孙帅辉, 任最有, 段宏江, 郭鹏程, 马朵
DOI: 10.11660/slfdxb.20250501
多泥沙河流上运行的水力机械受到泥沙磨蚀而产生流道变形、效率下降甚至停机。本研究利用旋转喷射装置开展了不同冲击速度和角度下水力机械基材磨损和磨蚀实验，并采用失重量检测和微观形貌分析研究了材料的抗磨特性。三种材料失重量以及空化对泥沙磨损的促进作用均随冲击速度的增大而呈指数增长，随着冲击速度增大，试件表面粗糙度增大，其切削和空蚀坑尺寸均有所增大。三种材料最大磨损量对应冲击角度为40°左右，而最大磨蚀量对应冲击角度为45°左右。当冲击角度为45°时，颗粒的垂直冲击和水平移除匹配度最好，颗粒冲击在表面形成盘状凹坑，同时其唇边被水平切削所移除，试件磨损失重量较大。45°冲击角度时，射流诱发的空蚀作用最强，沙粒和空蚀联合破坏作用显著导致材料表面产生较深的凹坑，磨蚀失重量约为磨损的2倍。
2025 Vol. 44 (5): 1-9 [
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偏大流量工况下离心泵叶轮空化流动特性数值模拟
张仁杰, 陈露阳, 曾云, 缪应嘉, 刘华俊
DOI: 10.11660/slfdxb.20250502
为了研究离心泵在偏大流量条件下扬程下降3%时的空化特性，采用数值模拟方法重点探讨了叶轮区域的流动特性及压力脉动信号，并对影响叶片上的压力脉动的原因做了进一步分析。结果表明，空化状态下叶轮流道内的涡流结构存在显著差异，尤其是在隔舌处出现明显的流动分离现象，而流量的增加使得叶轮流道内的流动更加均匀。不同工况空化状态下，叶轮出口压力脉动以叶频为主，低频及宽频脉动随着流量的增加而变化。额定工况下，各监测点压力脉动在0 ~ 290 Hz低频段内次频较为显著，流量的增加显著抑制了低频和宽频脉动，2倍叶频、3倍叶频等其他频段的波动也随流量增大而降低。通过对叶片载荷进行本征正交分解发现，隔舌与叶轮之间的动静干涉是叶片压力脉动较大的主要原因，流道内涡流的脱落也是诱发压力脉动的因素。本文为离心泵在偏大流量条件下叶轮区域的流动特性提供了深入的分析，为离心泵结构的改进与优化提供了有益的参考。
2025 Vol. 44 (5): 10-21 [
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22
叶片倾斜角度对圆盘泵性能及内部流场影响研究
涂云川, 衡亚光, 江启峰, 张惟斌, 罗西棚, 刘铁霖
DOI: 10.11660/slfdxb.20250503
本文探讨了叶片倾斜角度θ对圆盘泵性能及其内部流场的影响，研究中建立了19种不同倾斜角度的圆盘泵叶轮模型，角度范围从-45° ~ 45°，采用数值模拟与试验验证相结合的方式进行研究。数值模拟结果表明，θ对扬程和效率影响明显，其中θ为正值时，泵的扬程和效率均优于θ为负值时，从拟合的扬程、效率曲线来看，θ在30°附近时，泵的性能达到最佳，θ = 30°时，扬程为22.37 m，效率达到37.54%。通过对比原模型（θ = 0°）与θ = 30°的模型泵的内部流场发现，θ = 30°的模型泵在前盖板有叶区和无叶区压力分布更加均匀，能量损失较小；且在后盖板有叶区的增压能力更强。湍动能与涡分布分析显示，倾斜叶片设计降低了流体内部的湍动能强度，有效减少了涡流和流动不稳定性，提升了泵的输送效率。叶轮内部流线分布说明，倾斜叶片的设计减小了叶片工作面局部冲角，从而改善局部流动状态，减小能量损失。
2025 Vol. 44 (5): 22-32 [
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堰塞坝数据库插补及稳定性评价
谭龙金, 冯震宇, 周家文, 杨兴国, 廖海梅
DOI: 10.11660/slfdxb.20250504
堰塞坝溃决洪水严重威胁下游人民生命财产安全，定量分析坝体稳定性是下游风险评估的重要基础。然而，堰塞坝数据库的不完整、不平衡极大影响数据驱动模型开发。本研究利用五种机器学习算法，即支持向量机、随机森林、极限梯度提升树、轻量级梯度提升机和K最近临法建立了考虑地貌特征、水文参数、坝体材料、气候条件的堰塞坝稳定性评估模型。首先确定了不同因素的最优插补方法，进而利用过采样、欠采样和混合采样平衡样本以克服模型偏向性。五折交叉验证结果表明，过采样极限梯度提升树性能较好，平均准确率为0.84，偏向性为0.24，综合评价指数为1.32。最后，典型堰塞坝验证结果表明，本文提出的模型性能优于现存模型，可为应急预案设置提供新思路。
2025 Vol. 44 (5): 33-43 [
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44
考虑风光联合出力不确定性的混蓄-风光短期调度模型
刘欣雨, 罗彬, 陈永灿, 周粲, 龙鑫, 聂状
DOI: 10.11660/slfdxb.20250505
通过扩建抽蓄机组形成梯级混合式抽蓄是提升传统水电调节能力、促进新能源消纳的有效手段。本文考虑了风光出力的相关性和不确定性，利用Copula函数构建风光联合出力场景，提出了考虑风光联合出力不确定性的梯级混合式抽蓄-风光短期调度模型。该模型以互补系统期望收益最大为目标，通过引入弃电惩罚成本以提升大规模风光并网的消纳水平，除了常规水电约束外，针对梯级混合式抽蓄更为复杂的水力-电力耦合关系，以机组为调度单元，分别建模了抽蓄机组波动调节次数约束、混合式抽蓄电站与机组互斥运行状态约束、抽蓄机组抽-发工况切换等约束。模型求解方面，通过新增0-1变量与辅助变量等方法构建混合整数线性规划模型，并用Java语言编写调用Cplex求解器进行求解。以乌江流域梯级水电站以及风电、光伏为参考构建的算例表明，所提模型充分利用了梯级混合式抽水蓄能电站的灵活调节能力，增加输电通道利用率的同时减少了弃电，进一步提升了风电、光伏的消纳水平。
2025 Vol. 44 (5): 44-60 [
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同化卫星测高数据和水文模型的河道日流量估算
马秋梅, 叶欣, 曾凌, 宋润峰, 李继清, 纪昌明
DOI: 10.11660/slfdxb.20250506
卫星测高数据为无（少）资料地区的水文研究提供了新思路。但测高卫星受限于重访周期而无法提供日尺度监测，限制着水文模拟和预报等应用。通过同化卫星测高数据与新安江模型，提出一种高精度、低成本的河道日流量估算方法。采用Sentinel-3A测高数据反演河道水体高程，基于同期实测水位评价其反演精度，进而结合水位-流量关系约束新安江模型以估算日径流。以乌江流域出水口附近河段为研究对象，研究结果表明测高水位和地面实测水位的相关系数达0.93；测高数据约束下，新安江模型在率定期和验证期的Kling-Gupta效率系数分别为0.87和0.69，且测高数据约束下高流量时段的模拟精度比实测流量约束下的精度更高。研究结果为少资料地区的水旱灾害防御和水资源管理提供理论支撑。
2025 Vol. 44 (5): 61-71 [
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水光联合运行对梯级水电站生态调度影响研究
许誉骞, 李鹏, 徐涛, 曹海, 彭期冬, 林俊强
DOI: 10.11660/slfdxb.20250507
水电站生态调度是实现水能资源利用与生态环境保护和谐共生的重要手段。随着新能源基地的建设，大规模光伏和水电的联合运行将显著改变水电站的调度方式，在生态调度期间，可能对水电站生态调度产生一定的影响。为探索水光联合运行对梯级水电站生态调度的影响，本文建立了一种多目标双层嵌套式梯级水电站生态调度模型，上层模型可以模拟连续多日涨水的水电站生态调度过程，下层模型可以模拟考虑光伏接入的水电站日内调度过程。以金沙江下游溪洛渡-向家坝梯级水电站为案例，模拟结果表明：各典型水文年下，水光联合调度对产漂流性卵鱼类所需的多日连续涨水过程不会造成显著影响，且能实现2次以上有效涨水过程，单次涨水天数可达6天；相较于纯水力发电，水光联合运行能降低8.9% ~ 28.3%的水电站下游径流波动。研究成果可为制定梯级水电站生态调度与新能源接入优化方案提供参考依据。
2025 Vol. 44 (5): 72-83 [
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非反射开放边界在SWE-SPH模型中的实现
刘欣华, 顾声龙, 田丽蓉
DOI: 10.11660/slfdxb.20250508
使用光滑粒子流体动力学（SPH）求解浅水方程（SWE）在海洋数值模拟领域具有巨大潜力，然而SWE-SPH方法中开放边界还存在许多问题仍未解决。本研究针对现有SWE-SPH模型中开放边界的反射问题，基于Flather的重力波开放边界理论，提出了新的非反射边界处理方法。通过凸起地形定常流动、双开口平底通道海平面扰动和圆柱绕流3个案例，评估了新边界条件的性能，并与原方法中的特征开放边界条件进行对比。结果表明：新边界能有效减少反射，允许扰动向外传播，且易于通过模型开放边界处指定的外部流动条件实现。此外将SWE-SPH模型应用于Okushiri海啸模拟，并与有限体积法结果对比，验证了模型在复杂水深跨临界流动中的适用性和有效性，以模拟更广泛的海洋数值模拟问题。
2025 Vol. 44 (5): 84-98 [
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堆石坝变形宏细观分析的MPM-DEM层级多尺度方法
安妮, 周伟, 李易奥, 王頔, 马刚
DOI: 10.11660/slfdxb.20250509
本研究提出了一种深入分析堆石坝施工运行过程中变形机制的新方法，物质点法（MPM）与离散元法（DEM）耦合的层级多尺度计算方法。堆石坝作为重要的水利工程结构，其变形过程涉及复杂的颗粒级别与坝体整体响应的相互作用。理解其细观变形机理对大坝的安全评估、设计和施工至关重要。为了全面捕捉堆石坝的变形特点，本文将坝体离散为多个代表性体积单元（RVE），并在颗粒尺度上进行模拟，捕捉坝体的局部应力和颗粒接触力变化。通过对堆石坝不同施工阶段应力变形的空间分布规律进行分析，揭示了水位变化对坝体偏应力和颗粒接触行为的显著影响。竣工期最大沉降特征点表现出显著的接触各向异性，垂直方向的力链较为密集，表明坝体在竖直方向上的应力传递效率较高；随着水位升高，坝体的接触状态和力链分布发生了显著变化，坝体最大沉降点的水平向各向异性增强，坝体对水压力的抵抗能力提高；在正常蓄水位阶段，主堆石区的上游侧颗粒接触减弱，配位数下降。本文所采用的多尺度方法避免了传统分析手段的局限，为堆石坝的变形预测、长期稳定性评估和设计优化提供了新的定量分析框架。
2025 Vol. 44 (5): 99-112 [
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储气硐室钢筋混凝土衬砌的渐进断裂模拟研究
崔玉柱, 胡万瑞, 周元德, 张存慧, 杜晶, 张国强
DOI: 10.11660/slfdxb.20250510
钢筋混凝土衬砌是人工开挖地下储气库硐壁结构关键组成部分，在高内压作用下其开裂变形响应特征对于密封结构的设计和服役性能影响显著。本文采用混凝土固定裂缝模型，首先基于文献四点弯梁断裂试验结果对模型进行验证，然后针对甘肃JQ高内压储气硐室钢筋混凝土衬砌结构设计方案开展系列工况的非线性断裂数值仿真，探究随着储气内压的渐进增大，混凝土衬砌的渐进多裂缝发展过程和开度变化响应规律，并比较分析了去掉配筋措施以及考虑混凝土开裂滞回效应对内压多次升降导致衬砌断裂响应变化的影响。研究结果表明，衬砌的渐进开裂表现为多裂缝分布特征，基本沿径向分布，贯穿整个衬砌厚度；基于混凝土和配筋设计参数，在内压18 MPa作用下，设计的储气硐室衬砌最大裂缝开度控制在1 mm以下；硐室加、卸压往复过程对于钢筋混凝土衬砌裂缝开度的劣化效应不显著。研究结果可为储气硐室支护结构和密封层设计以及服役性能预测提供技术支撑。
2025 Vol. 44 (5): 113-124 [
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聚类-自组织神经网络变点分析确定边坡失稳判据研究
李伟瀚, 雷从雨, 介玉新, 张彬
DOI: 10.11660/slfdxb.20250511
强度折减法在边坡稳定性分析中有着广泛的应用，不同的边坡失稳判据各有其特点，位移-折减系数曲线出现突变作为失稳判据更加简易实用。本文通过聚类分析选定位移突变特征点，并采用自组织神经网络变点分析方法识别特征点的位移突变，以此提出一种改进的特征点位移突变判据。采用聚类-自组织神经网络变点分析融合的方法，更具客观性及数学理论基础。针对典型算例，与基于FLAC3D自带的强度折减求解程序计算的安全系数进行比较，聚类-变点分析方法计算出的安全系数更接近裁判值。
2025 Vol. 44 (5): 125-132 [
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弱算力条件下的大坝水下多类别病害智能检测模型
钱睿钦, 田金章, 朱延涛, 何旺, 刁浩岚, 徐利福
DOI: 10.11660/slfdxb.20250512
大坝在外部侵蚀和复杂荷载的耦合作用下易产生多种病害，尤以水下结构病害较难发现，需及时检测排除安全隐患。现有基于深度学习的病害检测方法存在算力要求高、人工干预多等限制，而常用的检测设备算力偏弱，导致不适配。针对上述问题，本文基于YOLOv7算法构建了一种弱算力条件下的大坝水下多类别病害智能检测模型。此模型融合可变形卷积、SE注意力机制、MPDIoU损失函数三种智能模块，提高对复杂水下环境中多病害的检测精度，鲁棒性强；并采用0.4比例下的结构化剪枝策略实现轻量化，降低运行算力要求。经工程实例分析，对比现有算法，本模型浮点计算量和参数量分别减少48%和61%，对露筋、孔洞的检测精度显著提升18.73%、11.94%，对多种病害的平均检测精度提升8.30%，实现了弱算力条件下的精准检测。
2025 Vol. 44 (5): 133-146 [
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冻融循环下非饱和水工混凝土实测应变规律
黄耀英, 方晨, 邵成羽, 吴晓亚, 苏怀智
DOI: 10.11660/slfdxb.20250513
混凝土应变是定量表征混凝土冻融劣化的重要物理量。针对现有冻融试验方法难以合理反映非饱和、不同最低冻融温度下混凝土应变的演变规律，本文设计并开展了4种饱和度（70% ~ 80%、85% ~ 91.7%、91.7% ~ 95%、95% ~ 100%）和3种冻融循环温度（-18 ~ 6℃、-10 ~ 6℃、-5 ~ 6℃）下水工混凝土密封冻融和水冻水融试验，通过埋设在试件内部的应变计实测值探讨不同饱和度和不同最低冻融温度下水工混凝土残余应变、热膨胀系数和冻胀系数在整个冻融循环过程中的变化规律。研究结果表明，随着冻融循环次数的增加，无论是密封冻融试件还是水冻水融试件的冻融损伤均是一个持续累积的、不可逆的劣化过程；密封冻融和水冻水融组的残余应变表现为水冻水融组大于密封冻融组，饱和度越高，残余应变越大；热膨胀系数随冻融循环次数的增加小幅变化，冻胀系数随着饱和度和冻融循环次数的增加而增加，水冻水融试验组的热膨胀系数与密封冻融试验组差别不大，但前者的冻胀系数明显大于后者。
2025 Vol. 44 (5): 147-158 [
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