2018年4月第2期（总第168期）
(双月刊)
目 次
潮汐河口闸下风暴潮特征模拟……………………………………章卫胜，周钧，王金华，张金善（1）
城镇化背景下我国城市洪涝灾害演变特征………………柳杨，范子武，谢忱，刘国庆，费香波（10）
洞庭湖枢纽调度方案比对分析………………………………向锋，施勇，金秋，栾震宇，张庆梓（19）
水工弧形空腔闸门动力特性数值分析…………………………………韩彰，苏怀智，陈健，杨光（26）
考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析
…………………………………………………………………………黄帆，姚池，周创兵，杨建华（35）
路堤深厚软基管桩复合地基数值模拟……………………姜彦彬，何宁，林志强，姚明帅，李文轩（43）
基于BP-ARIMA的混凝土坝多尺度变形组合预报模型
………………………………………………………………魏博文，袁冬阳，蔡磊，温勇兵，徐镇凯（52）
弯道丁坝防冰结构布置形式试验研究………………………………常俊德，张滨，孙瑶 ，张守杰（61）
低黏土矿物含量原状泥岩膨胀力试验研究……王炳忠，王起才，张戎令，薛彦瑾，王天双，任洁（67）
循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征……………………姚吉康，王志亮，何爱林，郝士云（74）
黑龙江地区渠道基土工程性质试验分析…………张路，樊恒辉，车雯方，张勇，孟雷，赵宏伟（82）
不同冻融方式下混凝土双K断裂韧度对比试验………………………………………胡少伟，王阳（90）
桩基施工对边坡黏土强度影响试验研究……………………………………………石月晴，游克勤（97）
不同养护方式下锂渣反应程度和微观形貌……………吴福飞，董双快，宫经伟，邓洪刚，叶鸿宏（104）
压剪共同作用下混凝土的损伤演化研究………………………肖洋，彭刚，黄超，罗曦，彭竹君（112）
南京水利科学研究院获奖成果介绍
深水板桩码头新结构关键技术研究与应用…………………………………………………………（120）
HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING
(Bimonthly)
Apr. 2018 No.2 (Total No.168)
Contents
Numerical simulation of storm surge characteristics in downstream of tide sluice located at tidal estuary
………………………………………ZHANG Weisheng, ZHOU Jun, WANG Jinhua, ZHANG Jinshan（1）
Study on evolvement law of urban flood disasters inChinaunder urbanization
…………………………………………LIU Yang, FAN Ziwu, XIE Chen, LIU Guoqing, FEI Xiangbo（10）
Comparison and analysis of operation schemes for Dongting Lake hydroproject
……………………………………XIANG Feng, SHI Yong, JIN Qiu, LUAN Zhenyu, ZHANG Qingzi（19）
Numerical analysis of dynamic characteristics of hydraulic radial cavity gate
…………………………………………………HAN Zhang, SU Huaizhi, CHEN Jian, YANG Guang（26）
Numerical simulation and seepage analysis of stochastic fracture network considering correlation between fracture trace length and aperture
…………………………………………HUANG Fan, YAO Chi, ZHOU Chuangbing, YANG Jianhua（35）
Numerical simulation of pipe pile composite foundation of deep soft foundation under embankment
………………………………JIANG Yanbin, HE Ning, LIN Zhiqiang, YAO Mingshuai, LI Wenxuan（43）
Multi-scale deformation combination forecast model for concrete dam based on BP-ARIMA
………………………………WEI Bowen, YUAN Dongyang, CAI Lei, WEN Yongbing, XU Zhenkai（52）
Experimental study of layout of spur dike as ice-proof structure in curved channel
……………………………………………CHANG Junde, ZHANG Bin, SUN Yao, ZHANG Shoujie（61）
Experimental study on swelling force of undisturbed mudstone with low clay mineral
……WANG Bingzhong, WANG Qicai, ZHANG Rongling, XUE Yanjin, WANG Tianshuang, REN Jie（67）
Strength and deformation along with acoustic emission characteristics of granite under cyclic loading and unloading
…………………………………………………YAO Jikang, WANG Zhiliang, HE Ailin, HAO Shiyun（74）
Experimental analysis of engineering properties of foundation soil of canal works in Heilongjiang area
……………ZHANG Lu, FAN Henghui, CHE Wenfang, ZHANG Yong, MENG Lei, ZHAO Hongwei（82）
Experimental study on double-K fracture toughness of concrete in different freezing and thawing modes
………………………………………………………………………………HU Shaowei, WANG Yang（90）
Experimental study on influence of pile foundation construction on slope clay strength
………………………………………………………………………………SHI Yueqing, YOU Keqin（97）
Reaction degree and morphology of cement-lithium slag slurry using different curing methods
…………………WU Fufei, DONG Shuangkuai, GONG Jingwei, DENG Honggang, YE Honghong（104）
Damage evolution study of concrete under joint action of compression and shear
…………………………………XIAO Yang, PENG Gang, HUANG Chao, LUO Xi, PENG Zhujun（112）
NEWS…………………………………………………………………………………………………（120）
潮汐河口闸下风暴潮特征模拟
章卫胜1， 周钧2， 王金华1， 张金善1
（1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029; 2. 江苏省水利厅， 江苏 南京 210029）
摘要：潮汐河口闸下风暴潮水位对于河道防洪排水至关重要。以苏北里下河主要入海通道射阳河、黄沙河、新洋河和斗龙河等建闸河口为例，采用模型嵌套的方法，以平面二维数学模型模拟了里下河地区“9711”台风风暴潮期间闸下河段的潮汐水流和风暴潮运动过程，研究了闸下风暴潮水位相对河口风暴潮水位的变化特征。模拟结果显示，底摩擦、浅水变形、边界反射等相互作用影响，闸下风暴潮水位和潮汐水位存在一致的变化特性，即高潮位抬升，低潮位下降，潮差（增水）增加；涨潮历时缩短，落潮历时延长；风暴潮水位的变化幅度大于同时期的潮汐水位，风暴潮过程对于闸下排水具有显著影响。在与闸顶高程一致的上游水位条件下，相比天文潮过程，“9711”风暴潮过程可减少闸门过流流量的20%~25%。
关键词： 建闸河口; 风暴潮; 边界反射; 防洪排水; 里下河
城镇化背景下我国城市洪涝灾害演变特征
柳杨， 范子武， 谢忱， 刘国庆， 费香波
（南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029）
摘要：基于1990—2015年全国洪涝灾情数据，采用数理统计、GIS技术、灰色关联分析等方法，研究快速城镇化背景下我国城市洪涝灾害的时空分布演变特征，以及洪涝灾害指标与城镇化率之间的相关关系。研究结果表明：我国城市洪涝灾害呈南重北轻、中东部重西部轻的空间分布格局，洪灾频繁的城市主要位于长江中下游城市群、成渝城市群、珠三角城市群，分布在长江流域、珠江流域；随着我国城镇化进程的不断加快，各城市洪涝灾害总次数先减小后又逐步增加，洪灾频繁的城市由北向南转移；我国城市洪涝死亡人口和受灾人口年际变化较大，存在一定突发性，但总体上均表现出下降的趋势，直接经济损失随时间呈现增加的趋势，城市洪涝死亡人口、受灾人口和直接经济损失与城镇化率之间均呈较强关联。
关键词：城镇化； 城市洪涝灾害； 演变特征； 灰色关联分析
洞庭湖枢纽调度方案比对分析??
向锋1， 施勇2， 金秋2, 3， 栾震宇2， 张庆梓4
（1. 长江勘测规划设计研究院， 湖北 武汉 430010； 2. 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029； 3. 河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098； 4. 河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京 210098）
摘要：城陵矶综合枢纽的运行初步拟定了5个比选调度方案。针对这5个方案，依托长江中下游一二维水沙模型，建立洞庭湖四口河系四水尾闾河网水沙数值模型，对城陵矶建闸及其调度后的影响开展研究。计算结果表明，城陵矶建闸运行后，洞庭湖全湖区域泥沙淤积量随着闸上运用水位的升高而增加，七里山闸下河段泥沙淤积量减少甚至略有冲刷；城陵矶闸上洪峰水位升高0.03～0.05 m，洪峰流量减少142～330 m3/s，汉口站的洪峰水位变化不大，洪峰流量减少93～141 m3/s；如采用优选调度方案3，则洞庭湖24垸分洪量增加0.10亿m3，洪湖分洪区分洪量减少1.40亿m3，武汉附近区和鄱阳湖附近区分洪量分别减少0.94和0.75亿m3。
关键词：冲淤变化； 超额洪量； 水沙模型； 城陵矶综合枢纽
水工弧形空腔闸门动力特性数值分析
韩彰1, 2， 苏怀智1, 2， 陈健1, 2， 杨光1, 2
（1. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210098； 2. 河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098）
摘要：大尺寸弧形钢闸门振动剧烈时可能会引起动力失稳破坏。为了解新型翻转式弧形空腔闸门的动力特性，通过Fortran语言自编用户子程序，利用商业有限元软件ABAQUS二次开发功能将模型试验测定离散的水流脉动压力数据转化为作用在闸门上的水动力荷载，基于随机振动分析方法对该空腔闸门进行结构动力数值仿真：①对不同工况下的闸门自振特性进行计算，得到闸门的自振频率和振型；②根据频谱分析理论，对水流脉动压力时域曲线进行了频谱分析；③计算了不同工况下闸门的随机振动响应；④编写了位移、应力最值处理程序。计算结果表明：闸门结构局部应力较大，超出结构容许应力，需对闸门结构进行修改优化，否则结构局部强度不满足要求。
关键词：弧形闸门； 附加质量； 脉动压力； 自振频率； 时程分析法； 动力位移； 动力应力
考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析
黄帆， 姚池， 周创兵， 杨建华
（南昌大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330031）
摘要：基于蒙特卡罗法，引入裂隙迹线长度和开度的相关性函数，提出了一个改进的随机裂隙网络生成算法。利用MATLAB平台编制程序，实现二维裂隙网络的生成，通过与布尔模拟生成的真实裂隙场的比较，验证了改进算法的有效性和程序的正确性。然后借助离散裂隙网络渗流模型对生成的裂隙网络进行渗流分析。分别在考虑迹长开度相关性和不考虑二者相关性的条件下，计算了随机裂隙网络的渗流场，给出了下游边界出口裂隙流量分布和裂隙网络内部水压力的分布。计算结果表明，考虑裂隙迹线长度和开度的相关性能很好地反映裂隙网络渗流的结构特征，从而证明了所提方法的合理性。该模型是对随机裂隙网络模型的有效补充，可为岩体工程渗控分析提供理论基础和数值计算工具。
关键词：相关性； 随机裂隙网络； 渗流分析； 结构特征
路堤深厚软基管桩复合地基数值模拟
姜彦彬1， 何宁1， 林志强2， 姚明帅1， 李文轩1
(1. 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029； 2. 福建省建筑科学研究院， 福建 福州 350025)
摘要：结合高速公路桥头深厚软基现场试验段工程，对比了几种管桩复合地基单桩有限元数值建模方法，认为轴对称接触有限元模型可以较准确地反映路堤下管桩复合地基的基本性状。基于数值分析结果，详细探讨了管桩复合地基的受力特性和变形分布。结果表明：填土越高，桩顶承台应力集中越显著；桩土应力比与高距比、桩土沉降差之间均存在较好的正相关线性关系。填筑结束，带承台管桩承担了80%的路堤荷载，管桩外侧摩阻力承担了超过90%的承台受荷；与在天然地基上堆载相比，大部分荷载通过管桩传递到压缩性相对较小的深层地基中，管桩复合地基的附加应力分布得到了优化，桩长范围内地基的压缩率及压缩量大幅减小，管桩复合地基的总沉降量仅为相应天然地基堆载沉降量的18.5%，深厚软基的总沉降减幅为435 mm。
关键词：管桩复合地基； 轴对称模型； 荷载分配； 荷载传递； 压缩变形； 压缩率
基于BP-ARIMA的混凝土坝多尺度变形组合预报模型
魏博文， 袁冬阳， 蔡磊， 温勇兵， 徐镇凯
（南昌大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330031）
摘要：针对大坝变形常规统计预报模型在监测信息挖掘时的优势单一性及预报精度欠佳等问题，视大坝变形观测资料为非平稳时间序列，从影响大坝变形的因素出发，将其分为周期性影响因素与随机影响因素，利用多尺度小波分析方法将大坝变形监测序列分解并重构，结合BP神经网络与自回归积分滑动平均模型（Autoregressive Integrated Moving Average Model，简记ARIMA）对其随机信号与系统信号分项训练预报，并将其预报值相叠加，据此，应用时间序列原理提出了一种基于BP-ARIMA的混凝土坝多尺度变形组合预报模型。工程实例分析表明，所建组合模型较常规模型能够有效挖掘监测信息中所蕴含的有效成分，预报精度显著提升，且计算分析过程简便，为高边坡及水工建筑物中其他监测指标的预报提供了新方法。
关键词：混凝土坝； 变形预报； 小波分析； BP神经网络； ARIMA模型
弯道丁坝防冰结构布置形式试验研究
常俊德1，2， 张滨1，2， 孙瑶3， 张守杰1，2
（1. 黑龙江省水利科学研究院， 黑龙江 哈尔滨 150080； 2. 黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150078； 3. 哈尔滨工程大学， 黑龙江 哈尔滨 150001）
摘要：弯曲河流的凹岸易受到冰排的撞击而发生磨蚀、崩岸，该处的护岸工程也会在冰排撞击作用下发生破坏，丧失防护功能。研究冰排的运动规律，进而保护河岸意义重大。丁坝作为治河建筑物会明显改变水流条件，而冰排随水流而动，丁坝的存在必然会对冰排的运动产生影响。通过室内试验的方法研究了在河流凹岸布置丁坝后冰排的运动特性，比较了5种不同丁坝布置形式对冰排运动的影响。试验研究表明：从防冰效果看，双丁坝的布置方案要优于单丁坝布置方案；单丁坝布置方案中，弯道60°布置位置最佳；弯道首、尾部的双丁坝布置形式中，长丁坝的布置形式较短丁坝布置形式效果更好；在弯道后加置1~2个短丁坝可以使双丁坝布置形式的防护效果达到最佳。
关键词： 丁坝； 冰排； 防冰结构； 护岸
低黏土矿物含量原状泥岩膨胀力试验研究
王炳忠1， 王起才1, 2， 张戎令1, 2, 3， 薛彦瑾1， 王天双1， 任洁1
(1. 兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070； 2. 兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室， 甘肃 兰州 730070； 3. 兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室， 甘肃 兰州 730070)
摘要：以兰新铁路第二双线某典型原状泥岩为对象，采用平衡加荷法，进行了3组不同膨胀特性土体在初始含水量分别为2%，6%，10%，14%和18%时原状泥岩试验，以研究土体自身膨胀特性和初始含水量对原状泥岩膨胀力的影响。试验结果表明：膨胀力时程曲线变化与土体渗水速度相关；膨胀力随初始含水量增大逐渐减小，膨胀力增量随含水量增量增长变化规律为先增后减；膨胀力与土体蒙脱石含量有关，低初始含水量时，膨胀性矿物颗粒含量对土体膨胀力影响显著；高初始含水量时，膨胀性矿物颗粒含量对土体膨胀力影响减弱。通过对试验数据的进一步分析，拟合了土体等效蒙脱石含量和初始含水量两种工况下环刀样膨胀力经验式，试验结果与计算结果相吻合，为膨胀泥岩地区工程建设提供了一定的理论支撑。
关键词：原状泥岩； 膨胀力； 初始含水量； 等效蒙脱石含量
循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征
姚吉康， 王志亮， 何爱林， 郝士云
(合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥 230009)
摘要：为了研究花岗岩在循环荷载作用下的强度、变形及声发射特征，采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴和三轴循环加卸载试验。结果表明：三轴循环压缩下偏应力-轴向应变曲线的上凹现象和滞回环的迁移现象相比于单轴不太明显；峰值强度和峰值应变与围压间呈现良好的线性增长关系；单轴循环加卸载下，试样表现出柱状劈裂破坏，而在三轴循环加卸载下，试样则具有明显的剪切破坏特征；前5次的循环下加载、卸载段的弹性模量和泊松比都随着循环次数的增大而增大，而在最后一次加载段弹性模量有所降低；三轴循环下试样在最后一次加卸载破坏时产生的声发射振铃计数要明显少于单轴循环。此外，在单轴循环下，每一次加卸载阶段对应的损伤-时间曲线都会出现平台，而三轴下对应的损伤-时间曲线并未出现明显的平台，表明岩样损伤保持平缓增长。
关键词：花岗岩； 循环加卸载； 弹性参数； 声发射特征
黑龙江地区渠道基土工程性质试验分析
张路1， 樊恒辉1， 车雯方1， 张勇1， 孟雷2， 赵宏伟3
（1. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100； 2. 汤原县水务局， 黑龙江 佳木斯 157400； 3. 农垦红兴隆管理局水务局， 黑龙江 双鸭山 155811)
摘要：黑龙江地区广泛分布有水敏性的分散性土和膨胀土，这些特殊土的存在对渠道工程的安全运行造成严重威胁。在分析土样物化性质和矿物成分的基础上，采用多种试验方法对龙头桥、蛤蟆通、引汤灌区渠基土的膨胀性、分散性和力学性质进行了研究，探讨了生石灰对土样分散性和膨胀性的处理效果。试验结果表明：3个灌区的土样均属于膨胀土，其中龙头桥灌区土样的膨胀性较强；蛤蟆通灌区的土样属于分散性土，引汤灌区的土样属于非分散性土；3个灌区土样的抗剪强度不高，黏聚力值为13.62~49.60 kPa，内摩擦角为1.0°~24.5°。由于龙头桥灌区土样的有机质含量很高，该灌区土样的黏聚力比其他两个灌区高，而内摩擦角比其他两个灌区低；低掺量下的生石灰对土样的分散性和膨胀性有较好的改性效果，该方法适用于处理不良渠基。
关键词：特殊土； 渠道工程； 分散性土； 膨胀性土； 工程性质
不同冻融方式下混凝土双K断裂韧度对比试验
胡少伟1， 王阳1, 2
（1. 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029； 2. 河海大学 土木与交通学院， 江苏 南京 210098）
摘要：为了研究不同冻融方式对混凝土双K断裂韧度带来的不同影响，设计了5组共计15个试件，分别经历干燥、水浸泡、水冻融、盐浸泡、盐冻融作用20 d后进行三点弯曲梁试验。测定了试件断裂过程中的荷载、张口位移、裂缝尖端应变等参数的特征值和全过程曲线，基于双K断裂理论分别计算了各组环境下混凝土的有效裂缝长度、起裂荷载、失稳荷载等断裂参数。结果表明：不同冻融方式对混凝土造成的影响具有一定的相似性，水冻融与盐冻融均会对混凝土的弹性模量造成损失，使其断裂力学性能下降，但会提高混凝土韧性。在损伤程度和损伤后混凝土受力表现上不同冻融方式有显著区别。水冻融后混凝土受荷时更易开裂，但水冻融环境对混凝土抵抗裂缝发展能力的影响不明显。盐冻融后混凝土抵抗裂缝发生以及发展的能力同时降低，但混凝土受力时裂缝的发生会相对推迟。
关键词：混凝土； 盐冻融； 水冻融； 双K断裂参数
桩基施工对边坡黏土强度影响试验研究
石月晴1， 游克勤2
（1. 重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 2. 重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045)
摘要：桩基施工过程中会产生持续较大的振动，引起土体累计变形和超静孔压增大，造成土体强度降低。以来福士广场西侧边坡为工程背景，研究黏土边坡在施工振动过程中的强度变化规律。使用测振仪和超低频传感器对现场抗滑桩的振动冲击进行测试，根据振动产生的动应力特征进行室内静、动三轴试验，模拟土单元体原位应力状态和应力路径，并提供试验方法，最后分析了土体强度在施工期间动应力作用下的折减。现场振动测试结果表明：地表出现的最大振动速度可达2 cm/s，且在离桩心26 m处仍然有0.16～0.24 cm/s的振动，同时随着桩基施工深度的增加，土体的振动作用增强。固结不排水条件下的静、动三轴试验结果表明：土体的动强度明显低于静强度，通过做不同围压下的总应力强度包线，测得土体的总强度指标Ccu=49.5 kPa，φcu=17.0°，不同影响距离下桩基施工对土体强度的影响符合不同的试验规律。试验边坡黏土符合土体折减的经验曲线，考虑到振动力增大边坡下滑力和振动对土体强度的影响，其综合强度折减系数取0.7~0.8。
关键词：边坡桩基； 黏土强度； 应力组合； 静动力试验
不同养护方式下锂渣反应程度和微观形貌
吴福飞1， 董双快1， 宫经伟2， 邓洪刚1， 叶鸿宏1
（1. 贵州师范大学 材料与建筑工程学院， 贵州 贵阳 550025； 2. 新疆农业大学 水利与土木工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830052）
摘要：锂渣反应程度对锂渣混凝土性能的影响较大，为此，采用盐酸溶解法测试水泥-锂渣浆体中锂渣的反应程度，通过电镜扫描和能谱研究水泥-锂渣砂浆的孔结构和水化产物，并探讨养护条件（标准养护、热养护、碱激发、碱激发和热养护）对上述指标的影响。结果表明：锂渣复合胶凝材料中锂渣的反应程度随龄期的延长而增大，养护条件的改变也能促进锂渣反应程度的增长，相对而言，碱激发和热养护的促进作用＞碱激发＞热养护＞标准养护；同时，锂渣的掺入或养护条件的改变都会改变砂浆的孔径分布，达到细化孔结构和改变浆体中水化产物含量的目的。因此，养护条件的改变能促进锂渣反应程度的提高和细化浆体的微观结构。
关键词：养护方式； 水泥； 锂渣； 反应程度； 微观形貌
压剪共同作用下混凝土的损伤演化研究
肖洋1，2， 彭刚1，2， 黄超1，2， 罗曦1，2， 彭竹君1，2
(1. 防灾减灾湖北省重点实验室（三峡大学）， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002）
摘要：利用动静力三轴仪进行不同加载速率不同法向压力下混凝土的抗剪试验，基于Najar能量法的改进，提出一种新的损伤变量计算方法，以此分析法向压力和加载速率对混凝土压剪受力状态下损伤演化的影响；并结合Weibull模型上升段和过镇海模型下降段，构建了压剪损伤模型。研究结果表明：根据提出的计算损伤变量方法的得到结果与混凝土实际受载情况较符合；混凝土压剪受力状态下损伤演化可分为3个阶段：①线弹性阶段；②损伤加速变化阶段；③损伤收敛阶段。法向压力对混凝土的损伤演化有显著的影响，法向压力的增大减缓了混凝土的损伤发展速度；混凝土损伤的发展随着加载速率的增加有滞后的趋势。
关键词： 混凝土；压剪；损伤模型； 动态性能
