水力发电学报
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2025年 44卷 11期
刊出日期：2025-11-25
 
     
1 编辑部推荐论文：进口含气率对多级气液离心泵级间特性的影响研究 Hot!
闫思娜, 王净净, 冯建军, 戈振国, 朱国俊, 罗兴锜
DOI: 10.11660/slfdxb.20251101
多级离心式混输泵常用于输送高压气液两相流体，但因气相可压缩性及气液两相滑移速度影响，叶轮易形成气囊，导致各级流场分布不均、增压能力差异。本文通过试验研究了进口含气率对3级和25级离心泵级间特性的影响规律，并基于欧拉-欧拉非均相流模型对3级混输泵进行数值模拟，考虑气相压缩性。结果表明：纯水工况下各级叶轮压升相近；含气工况下，泵整体增压能力随含气率增加显著降低，在级间相互影响下，次级和末级叶轮增压优于首级，叶轮流道内气体在吸力面聚集并向出口扩散。速度阈值分析中，低阈值时速度面积比逐级减小，中阈值时逐级增加，表明叶轮增压效果增强。此外，脉动熵产损失主要集中在叶轮及扩压器进口区域。研究为多级混输泵优化设计提供了理论依据。
2025 Vol. 44 (11): 1-12 [摘要] ( 66 ) PDF (3240 KB)  ( 48 )
13 流体声速对水泵水轮机转轮振动模态的影响
陈炜, 夏翔, 杨光东, 王钊宁, 朱恩飞, 王薇
DOI: 10.11660/slfdxb.20251102
为应对水泵水轮机面临的振动问题，有必要深入开展转轮模态特性研究。受复杂运行环境的影响，水力机械流道内的水体声速存在较大不确定性，本文基于有限元方法探讨水体声速对水泵水轮机转轮及其简化结构（即圆盘）模态特性的影响。结果表明，随着声速减小，水下圆盘各阶模态对应的附加质量增大，固有频率降低。并且节径数或节圆数越多，附加质量及模态频率对声速的变化越敏感。总体上，水体声速对圆盘模态特性的影响较小，而转轮附加质量对声速的敏感性（变化率）较圆盘高1 ~ 2个数量级。表明在实际工程中，声速变化可导致转轮模态参数发生显着变化。研究成果为准确判断水泵水轮机转轮共振提供科学依据和理论参考。
2025 Vol. 44 (11): 13-23 [摘要] ( 57 ) PDF (8592 KB)  ( 31 )
24 考虑水电发电耗能成本的多能互补时序生产模拟模型
张验科, 武文龙, 李继清, 王远坤
DOI: 10.11660/slfdxb.20251103
随着电力系统中风光新能源占比激增，如何通过多能互补协调提升系统调节能力与清洁能源消纳水平成为一个关键的问题。针对水电发电成本在电力系统多能互补时序生产模拟中长期被忽视的问题，本文给出了一种水电站水库发电耗能的“蓄能变化表示法”，并在此基础上建立了以系统总成本最小为目标的考虑水电发电耗能成本的多能互补时序生产模拟模型，提出了多时间尺度的模型求解方法。算例分析结果表明：所提模型能够通过减少37.42%的水电蓄能消耗实现在长时间尺度下提高水电的持续出力保供能力，使失负荷率降低34.31%，火电运行成本降低14.11%，降低了多能互补系统对于火电调节能力的需求，为促进新型电力系统可靠、经济、低碳的协调运行提供了参考。
2025 Vol. 44 (11): 24-35 [摘要] ( 55 ) PDF (4235 KB)  ( 20 )
36 颗粒特性对明渠挟沙水流输运的影响机制研究
谢皓南, 王浩, 雷泳南, 林宇航, 赵琳, 林鸿燕
DOI: 10.11660/slfdxb.20251104
悬移质运动是河流泥沙输移的重要形式，悬移质泥沙的存在对紊流性质也将产生重要影响，鉴于悬移质泥沙运动的复杂性，目前水沙作用机理仍未形成一致结论。本文采用OpenFOAM两相流模型开展了不同工况下平衡输沙模拟计算，旨在研究悬移质泥沙颗粒粒径、密度、浓度对紊流特性的影响，并揭示拖曳力、密度梯度和颗粒碰撞对紊流的调制机理。结果表明：随着悬移质颗粒粒径增大，紊流和颗粒的流速整体呈减小趋势，底流区流速梯度显著增大，近壁区泥沙浓度梯度增加，紊动强度表现出先减弱后增强的特性，且其最大值所在位置上升；悬移质颗粒密度的增加将导致紊流平均流速增加，同时悬移质颗粒密度越小其浓度沿水深分布也越均匀，反之则不均匀；含沙浓度的提升将减小紊流平均流速和紊动强度，当浓度越高，抑制作用越明显；拖曳力增大将增大紊流流速，抑制紊流紊动及泥沙悬浮，悬移质泥沙密度梯度对底部流速和顶部紊动强度均有抑制作用，颗粒碰撞将减小平均流速并显著增强紊动，促进泥沙起悬。
2025 Vol. 44 (11): 36-49 [摘要] ( 58 ) PDF (3467 KB)  ( 25 )
50 平陆运河河床泥岩暴露-浸水崩解特性试验研究
张瑞鹏, 郝宇驰, 严晓威, 孙健, 陈立华, 朱苏鹏
DOI: 10.11660/slfdxb.20251105
平陆运河是新中国成立以来建设的第一条通江达海的运河工程。该运河航道河床泥岩底质占比高，且部分航道为干地开挖，泥岩岩层存在暴露、浸水后崩解的可能，崩解后的泥沙颗粒将在水流作用下输运沉积，增加航道淤积风险。以往泥岩的研究较多聚焦于干湿循环后的崩解特性，但对其在不同暴露风干条件下，再浸水崩解的研究较少。本研究利用自行设计的泥岩暴露风干后再浸水崩解测量装置，开展了泥岩自由浸水崩解特性试验，系统探究了不同暴露风干时长、浸水时间及不同泥岩样品质量对泥岩崩解速率、崩解量的影响。研究结果表明：崩解过程可分为缓慢崩解、快速崩解和崩解放缓三个阶段；暴露风干时长较长的泥岩在浸水过程中体积膨胀开裂现象显著，且累积崩解比例高；崩解后的颗粒平均粒径约为0.1 mm，且暴露风干时间越长，粒度分布越均匀。最后，基于不同风干时间的泥岩崩解结果，建立了崩解时间T与初始含水率w之间的对应关系，为泥岩崩解及航道淤积机制的研究提供了理论依据。
2025 Vol. 44 (11): 50-56 [摘要] ( 62 ) PDF (1463 KB)  ( 20 )
57 低含沙量条件下的明渠交汇区水流特性研究
吴亨, 王添, 程圣东, 李占斌, 柯刚刚, 甄贇哲
DOI: 10.11660/slfdxb.20251106
河流交汇区作为河流系统的关键组成部分，展现了复杂的水动力学特征和床面形态的三维变化。本研究通过室内水槽试验探讨了不同低含沙量条件的河流交汇区水流特性的分布特征。设置了四种含沙量工况，利用声学多普勒点式测速仪（ADV）对流速进行精准测量，并对数据进行降噪处理。试验结果表明，随着含沙量的增加，交汇区流速分区特征发生显著变化，流速梯度和最大流速区域的范围均有所扩大，流体动力学特性及流体间的相互作用增强。此外，当含沙量在4.2 ~ 7.4 kg/m3时，泥沙对湍流的抑制效应并不明显。这些研究结果为深入理解河流交汇区的水动力过程与泥沙运动提供了重要的理论依据。
2025 Vol. 44 (11): 57-65 [摘要] ( 60 ) PDF (3338 KB)  ( 20 )
66 土石方调配道路运输系统AnyLogic仿真优化研究
黄建文, 赵婧珏, 陈瑞, 王兴霞, 王宇峰, 姜海龙, 张建军
DOI: 10.11660/slfdxb.20251107
土石方调配是水电工程项目建设的关键环节，直接影响施工成本和效益。为优化调配方案并提高机械利用效率，提出了一种基于原始-对偶内点法与AnyLogic耦合的土石方调配道路运输系统优化方法。首先，以调配费用最小化为目标，综合考虑挖填进度、场地规划等约束条件，构建土石方动态调配模型；其次，针对水电工程复杂的道路运输条件，运用AnyLogic仿真平台基于排队论建立道路运输系统仿真模型，并采用原始-对偶内点法对土石方动态调配模型进行求解，以获得最优调配方案；在此基础上，将土石方动态调配模型与AnyLogic仿真模型进行耦合，通过多智能体仿真技术，模拟施工机械在运输过程中的动态交互，实现数据动态可视化反馈，从而动态调整机械配置方案，提高机械利用效率。将本文方法应用于具体工程实践，结果表明：该方法能有效降低土石方调配成本，使工程总费用降低7.3%；同时提高了机械协同作业效率，使供料区和受料区的综合上坝率分别提升至84.0%和86.7%；大部分反铲挖掘机利用率超过60.0%，自卸汽车利用率达到95.0%以上，为土石方调配方案决策提供了有力支持。
2025 Vol. 44 (11): 66-80 [摘要] ( 72 ) PDF (4041 KB)  ( 34 )
81 纤维沥青混凝土裂缝愈合特性研究及评价方法
李洋, 吴文博, 闵永涛, 郝如升, 张伟, 贺晶晶
DOI: 10.11660/slfdxb.20251108
为探究水工沥青混凝土面板防渗层的裂缝愈合特性，采用小梁弯曲、裂缝观测及超声无损检测手段，从力学性能、结构完整性两个维度对比分析了基准沥青混凝土和纤维沥青混凝土的裂缝愈合行为差异。试验结果表明，沥青混凝土浸水7 d后，纤维的吸附作用和弹性性能有效维持了力学性能的稳定性，纤维沥青混凝土弯曲愈合率高达95%，而基准沥青混凝土仅为41%。水环境对裂缝表面愈合具有显著促进作用，表面愈合率最高可达97%，远优于干燥环境。纤维沥青混凝土内部损伤修复具有“迟滞-强化”的愈合特性，初期愈合迟滞特点是由于纤维的吸油效应增加了结构沥青厚度，而纤维与沥青协同变形保证了优异的7 d养护期内的持续愈合能力。采用这种多指标协同的评价方法，有助于全面了解纤维增强沥青混凝土的裂缝愈合行为。
2025 Vol. 44 (11): 81-88 [摘要] ( 38 ) PDF (1074 KB)  ( 13 )
89 低热水泥混凝土拱坝不设横缝可行性分析
王东民, 马睿, 张凤强, 胡昱, 李庆斌
DOI: 10.11660/slfdxb.20251109
拱坝建设中横缝会严重影响工程的安全、效率、经济。尽管低热水泥混凝土的使用能够有效降低坝体的温度应力，为拱坝不设横缝提供基础，但直接采用传统的温控方法在不设横缝情况下存在极大的开裂风险。为了实现低热水泥混凝土拱坝不设横缝的目标，本文构建了低热水泥混凝土拱坝不设横缝温度应力代理模型，研究了温度应力作用下的破坏强度计算方法并对强度折减进行了分析，提出了低热水泥混凝土拱坝不设横缝智能温控方法。分析表明，本文提出的低热水泥混凝土拱坝不设横缝智能温控方法充分考虑到了徐变效应引起的强度折减，实现了“取消拱坝横缝、保证结构安全、发挥材料性能”的目标，确定了低热水泥混凝土拱坝不设横缝的可行性。
2025 Vol. 44 (11): 89-100 [摘要] ( 67 ) PDF (1641 KB)  ( 40 )
101 图像与点云多模态感知下数字孪生地下洞室群建模研究
马龙, 余佳, 张君, 王晓玲, 佟大威
DOI: 10.11660/slfdxb.20251110
高精度三维模型是水利工程数字化、信息化的核心载体，而数字孪生建模作为一种高保真建模手段，能够实现物理实体到虚拟模型的动态精确映射。然而，现有建模技术在复杂水利场景下面临双重挑战：单模态传感器在复杂施工环境下存在盲区和遮挡问题，多模态感知数据能够弥补该固有缺陷，但因密度差异大和重叠率低等导致配准融合性能较差。针对以上问题，本文提出图像与点云多模态感知下数字孪生地下洞室群建模方法，利用图像三维重建技术与三维激光扫描技术多模态感知水工地下洞室群跨源点云数据，弥补了单模态传感器难以全面感知复杂洞室群空间信息的缺陷；设计了双路径特征融合注意力模块（DPFFA）嵌入Geotransformer模型主干网络，增强网络对全局结构与局部细节的多尺度特征融合，克服因跨源点云密度差异及缺失等导致的单路径注意力失效问题，进而基于精确配准后的跨源点云建立完整高精度数字孪生模型。将该方法用于卡拉水电站地下洞室群，在点重叠率为20%、40%、60%、80%的点云数据集上进行实验，配准召回率（RR）分别达到26.90%、72.50%、84.40%、86.90%，相比未改进模型分别提升了3.20%、11.20%、8.20%、2.50%，并通过方法对比体现了所提配准方法的优越性，体现了所建立数字孪生地下洞室群模型的精确性，并且能够为数字孪生建模提供了新的有效技术支持。
2025 Vol. 44 (11): 101-114 [摘要] ( 60 ) PDF (5739 KB)  ( 19 )
115 地应力反演修正的Stacking集成模型与工程应用
曹子阳, 王建, 袁智焕, 王逸凡, 杨子越
DOI: 10.11660/slfdxb.20251111
地应力反演是获取地下工程初始应力状态的重要手段。为解决单一智能算法反演的泛化能力不足问题及提高反演精度，提出一种基于Stacking算法的多模型融合地应力反演修正方法。以有限元计算应力结果、多元线性回归值与钻孔测点实测数据之间的误差为输入，构建LightGBM、XGBoost和线性回归作为基学习器，RidgeCV作为元学习器的Stacking集成模型，通过学习误差规律生成修正误差，采用交叉验证与网格搜索选取最优参数。既保留了有限元模型的结构物理意义，又能够弥补传统方法的非线性拟合缺陷。在工程实例中应用表明，与传统多元线性回归方法相比，该方法的均方根误差降低约32%，相对误差绝对值的平均值降低45%。同时，引入SHAP模型对各构造工况在误差预测中的贡献进行解释分析以提升基于Stacking反演修正模型的可解释性。研究结果表明，该方法在地应力反演修正方面具有良好的适用性与推广价值，可为工程设计与安全评价提供可靠支撑。
2025 Vol. 44 (11): 115-126 [摘要] ( 48 ) PDF (3368 KB)  ( 21 )
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