2019年2月第1期（总第173期）
(双月刊)
目 次
粗粒料的切线模量表达式与参数确定方法…………………………傅中志，张意江，陈生水，袁静（1）
坝踵混凝土体型对混凝土面板应力变形的影响……………………李炎隆，张宁，曹智昶，宫晓华（11）
混凝土芯砂石桩振动沉管成桩效应及其累积特性研究…………唐彤芝，明经平，关云飞，赵维炳（18）
季节性冻土区路基土体冻胀影响因素灰色关联分析……巩丽丽，刘德仁，杨楠，王跃武，张延杰（28）
新老混凝土缝面切向刚度早龄期发展规律…………宋家东，杨锐，杨峰，章景涛，强晟，华夏（35）
纳米级掺合料和粗合成纤维对湿喷混凝土回弹率的影响………………宁逢伟，丁建彤，白银，杨森，雷英强（42）
低速水流作用下水泥砂浆溶蚀特性研究………………胡欢欢，左晓宝，李向南，何绍丽，汤玉娟（50）
膨胀土膨胀变形试验研究……………………李进前，王起才，张戎令，梁柯鑫，李航辉，刘爱仓（60）
大尺度散粒体周围水流结构试验研究…………………………………………钟亮，姜彤，韩正国（67）
长江干线宜昌至武汉段航运发展对策分析……………………………………刘涛，彭东方，刘均卫（76）
长江下游航道承载力指标与评价方法研究…………………………马驰，左利钦，陆彦，陆永军（85）
复式河槽水位流量计算误差分析及方法对比……………………杨坡，魏炳乾，胡红胜，杨明阳（94）
基于分形和R/S分析的渭河干流径流变化特征研究……王小杰，姜仁贵，解建仓，汪妮，李晓春（102）
透空潜坝附近水流特性的数值模拟……………………欧阳澍，刘成林，程永舟，王文森，王小明（109）
南京水利科学研究院获奖成果介绍
南京水科院2项成果获得2018年度国家科学技术奖励………………………………………………(119)
HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING
(Bimonthly)
Feb. 2019 No.1 (Total No.173)
Contents
A tangential modulus model for coarse granular materials and the corresponding method for parameter identification
………………………………………FU Zhongzhi，ZHANG Yijiang，CHEN Shengshui，YUAN Jing（1）
Influence of concrete heel shape on stress and deformation of concrete slab of a dam
……………………………………LI Yanlong，ZHANG Ning，CAO Zhichang，GONG Xiaohua（11）
Study on compaction effect and its accumulation characteristics of concrete-core sand-gravel pile with vibrating immersed tube technology
……………………………………TANG Tongzhi，MING Jingping，GUAN Yunfei，ZHAO Weibing（18）
Comprehensive analysis on frost heave factors of subgrade soil in seasonally frozen ground region
………………………………GONG Lili，LIU Deren，YANG Nan，WANG Yuewu，ZHANG Yanjie（28）
Development rule of tangential stiffness of new and old concrete joint faces at early age and its application in temperature control simulation
…………SONG Jiadong，YANG Rui，YANG Feng，ZHANG Jingtao，QIANG Sheng，HUA Xia（35）
Effect of nanometer scale admixture and macro synthetic fiber on the rebound rate of wet mix shotcrete
………………………………NING Fengwei，DING Jiantong，BAI Yin，YANG Sen，LEI Yingqiang（42）
Study on leaching characteristics of cement mortar under flowing water with low velocity
…………………………HU Huanhuan，ZUO Xiaobao，LI Xiangnan，HE Shaoli，TANG Yujuan（50）
Experimental study on expansion and deformation of expansive soil
…………LI Jinqian，WANG Qicai，ZHANG Rongling，LIANG Kexin，LI Hanghui，LIU Aicang（60）
Flow structures around large-scale artificial roughness elements
…………………………………………………………ZHONG Liang，JIANG Tong，HAN Zhengguo（67）
Analysis of shipping development measures for Yichang to Wuhan section of Yangtze River mainstream
………………………………………………………………LIU Tao，PENG Dongfang，LIU Junwei（76）
Study on the indexes and evaluation method of carrying capacity of the navigation channel in the lower Yangtze River
…………………………………………………………MA Chi，ZUO Liqin，LU Yan，LU Yongjun（85）
Error analysis and method comparison for calculating stage-discharge relation in compound channel
…………………………………………YANG Po，WEI Bingqian，HU Hongsheng，YANG Mingyang（94）
Analysis of runoff variation characteristics in the mainstream of Weihe River based on fractal theory and R/S analysis method
…………………………WANG Xiaojie，JIANG Rengui，XIE Jiancang，WANG Ni，LI Xiaochun（102）
Numerical simulation of flow characteristics near the permeable submerged dam
…………OUYANG Shu，LIU Chenglin，CHENG Yongzhou，WANG Wenseng，WANG Xiaoming（109）
NEWS…………………………………………………………………………………………………（119）
粗粒料的切线模量表达式与参数确定方法
傅中志1, 2，张意江1，陈生水1, 2，袁静3
(1. 南京水利科学研究院 江苏 南京 210029； 2. 水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室 江苏 南京 210029； 3. 南京市江宁区水务局，江苏 南京 211112）
摘要：运用两座250 m级高土石坝的实测沉降资料与有限元计算结果，分析了高土石坝的应变量级与应力水平，在此基础上分析了双曲线应力应变模型及其参数确定方法的合理性。研究表明，250 m级高土石坝竖直向应变量级可以达到5%，故常规三轴试验可以适应变形预测对应变范围的要求，但坝内应力水平普遍较低，与确定参数所用的高应力水平段试验数据不协调，从而给土石坝应力变形计算带来不确定性。为更充分地运用低应力水平时的试验结果，建议了应力应变数据的多项式拟合方法，提出一个新的切线模量表达式。对比研究表明，双曲线模型及其参数确定方法高估了等向压缩应力状态下粗粒料的初始切线模量；低估了剪切应力状态下粗粒料的切线模量。文中所提出的表达式可以更好地与应力应变试验结果相吻合，且参数的不确定性大为降低，为提高土石坝应力变形计算的可靠性奠定了基础。
关键词：土石坝； 粗颗粒料； 应力应变； 双曲线模型
坝踵混凝土体型对混凝土面板应力变形的影响
李炎隆，张宁，曹智昶，宫晓华
（西安理工大学，省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048）
摘要：镶嵌混凝土面板堆石坝是一种可以改善高面板堆石坝应力变形的新坝型。利用平面有限元法分析计算不同坝踵混凝土结构高度、下游坡比、趾板位置时面板的应力变形和周边缝变位，进而探究镶嵌混凝土面板堆石坝中坝踵混凝土结构对面板应力变形的影响。结果表明：当坝踵混凝土结构高度从坝高的27%增加到坝高的40%时，面板的挠度和顺坡向应力都大幅减小；坝踵混凝土结构的下游坡比从1:0.4放缓到1:0.7时，面板应力变形变化幅度较小；趾板位置在坝踵混凝土顶部从下游向上游移动时，面板与趾板之间的周边缝张开变位和错动变位大幅减小了68.7%和85.8%。说明设置坝踵混凝土结构可有效改善面板的应力变形。
关键词：镶嵌混凝土面板堆石坝； 坝踵混凝土结构； 应力变形； 有限元
混凝土芯砂石桩振动沉管成桩效应及其累积特性研究
唐彤芝，明经平，关云飞，赵维炳
（南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）
摘要：混凝土芯砂石桩是由高强度预制混凝土芯桩和透水的砂石外壳组合而成, 常采用振动沉管施工工艺进行软土地基加固。针对混凝土芯砂石桩新颖的桩型特点，对软黏土地基中振动沉管工艺引起的成桩效应及其特性进行了现场测试分析和理论计算研究。通过对远距离四桩施工全过程、全场地持续施工过程进行孔压、周边土体深层水平位移和混凝土芯桩桩身应力的实时跟踪监测，得到各监测量的变化规律和特点，揭示了振动沉管持续施工对各监测量消长变化的累积特性，指出振动沉管施工过程综合了静、动荷载对地基土的共同作用，体现荷载传递引起的能量在时间和空间上持续累积的特点。运用圆孔扩张理论对混凝土芯砂石桩沉管挤土的超静孔压和径向位移进行计算，探讨了理论解答与实际情况的适应性。
关键词：混凝土芯砂石桩； 振动沉管； 成桩效应； 累积特性； 圆孔扩张理论
季节性冻土区路基土体冻胀影响因素灰色关联分析
巩丽丽1，刘德仁1，杨楠2，王跃武2，张延杰1
(1. 兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070; 2. 青藏铁路公司西宁工务段， 青海 西宁 810006)
摘要：以整治青藏铁路环青海湖段季节性冻土区路基冻害为背景，通过现场采集典型分布的粉质黏土，考虑温度、含水率、含盐量（质量分数）、压实度四个因素，进行室内冻胀正交试验，测试了不同温度环境下路基土体的冻胀率，进行正交试验的极差分析和方差分析，建立灰色关联度分析模型，分析各因素对冻胀影响的主次关系。结果表明，正交试验分析和灰色关联度分析所得规律一致，影响冻胀因素由主到次依次为温度、含盐量、含水率和压实度，因素之间的交互作用影响较小可以忽略；温度和含盐量对冻胀影响非常显著，含水率对冻胀有显著影响，压实度和其他3个因素之间的交互作用对冻胀没有显著影响。
关键词：铁路路基； 路基冻害； 冻胀； 正交试验； 灰色关联度
新老混凝土缝面切向刚度早龄期发展规律
宋家东1，杨锐2，杨峰3，章景涛4，强晟4，华夏5
（1. 河南省水利第一工程局， 河南 郑州 450004； 2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 陕西 西安 710065； 3. 河南省出山店水库建设管理局，河南 郑州，450004； 4. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098； 5. 普渡大学 机械工程学院，美国印第安纳 西拉法叶 47907）
摘要：由于缺乏新老混凝土缝面早龄期力学性能发展规律的研究，一般认为大体积混凝土浇筑块间歇面强度与浇筑块相同，由此导致间歇面上下层新老混凝土相互约束偏大，从而使浇筑块内部的应力计算值偏大。设计了新老混凝土缝面早龄期剪切试验,获取了需要的参数历时曲线，然后将该成果应用到实际混凝土坝工程的施工期温度场和应力场仿真计算。计算结果表明，在间歇面上设置缝面单元，并考虑其早龄期强度发展，可以相对合理地模拟约束情况，计算得到的浇筑块拉应力值相对较小，更符合实际情况。
关键词：新老混凝土； 切向刚度； 剪切试验； 早龄期； 缝面单元
纳米级掺合料和粗合成纤维对湿喷混凝土回弹率的影响
宁逢伟1，丁建彤2，白银1，杨森2，雷英强2
（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. 中国水利水电第七工程局有限公司， 四川 成都 611730）
摘要：降低喷射混凝土回弹率可提高支护效率、降低地下空间的坍塌及岩爆风险。为分析纳米级掺合料、粗合成纤维对喷射混凝土回弹率的影响，基于湿喷工艺对比了纳米级掺合料与同掺量硅灰在改善湿喷混凝土回弹率方面的差异；比较了不同纳米级掺合料掺量、细度条件下各湿喷混凝土的回弹率区别；研究了粗合成纤维掺量、长径比、混杂方式等对回弹率的影响。结果表明：应用纳米级掺合料有助于降低湿喷混凝土的回弹率；与同掺量硅灰相比，纳米级掺合料湿喷混凝土的回弹率降低了17%~25%，且回弹率随纳米级掺合料掺量提高、细度增加而降低。粗合成纤维可降低湿喷混凝土的回弹率，但受材质影响较小，存在较低回弹率的最佳长径比和掺量，分别为38和10 kg/m3。长径比76和长径比30的2种粗合成纤维混杂使用时，可进一步降低回弹率。
关键词：湿喷混凝土； 回弹率； 纳米级掺合料； 粗合成纤维
低速水流作用下水泥砂浆溶蚀特性研究
胡欢欢，左晓宝，李向南，何绍丽，汤玉娟
(南京理工大学 理学院 土木工程系，江苏 南京 210094)
摘要：为在较短时间内获得低速水流作用下流速对水泥砂浆等水泥基材料溶蚀特性的影响规律，采用1 mol/L NH4Cl溶液作为流水腐蚀介质，开展了室温(25 ℃)环境下水灰比为0.45的水泥砂浆圆柱体试件在0,0.5，1.0和2.5 m/s流速下的加速溶蚀试验，并通过酚酞滴定、干燥称重法、扫描电子显微镜(SEM/EDS)、X射线衍射法(XRD)等测试方法，分析了腐蚀前和腐蚀15，30和60 d时水泥砂浆试件的溶蚀深度、孔隙率、物相组成和微结构的演变规律。结果表明，试件的溶蚀深度和孔隙率均随腐蚀时间和流速的增加而增加；浸泡(0 m/s)条件下，试件的溶蚀深度与腐蚀时间平方根呈线性关系，且随着流速的增加，溶蚀深度与腐蚀时间平方根关系趋于非线性；水泥砂浆溶蚀区粉末样品的CSH凝胶等物相衍射峰强度随流速的增加而降低；随流速的增加，水泥砂浆内氢氧化钙、CSH凝胶等溶蚀加快，其微结构劣化程度加剧。
关键词：水泥砂浆； 溶蚀； 流速； NH4Cl溶液； 溶蚀深度； 微结构
膨胀土膨胀变形试验研究
李进前1，王起才1, 2，张戎令1, 2, 3，梁柯鑫1，李航辉1，刘爱仓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：为了研究不同注水方式对膨胀土膨胀量的影响，以及大尺寸重塑膨胀土浸水膨胀的变化规律，取某高速铁路地基膨胀泥岩重塑土样，进行开孔与不开孔的膨胀土浸水膨胀试验，并对不同厚度的大尺寸膨胀土试样进行浸水膨胀变形试验。试验结果表明：开孔注水与不开孔注水的膨胀土膨胀时程曲线有很大不同，开孔注水的土样膨胀时程曲线可以分为初始快速膨胀、减速膨胀、趋于稳定3个阶段；不开孔注水的土样膨胀时程曲线可分为初始缓慢膨胀、快速膨胀、减速膨胀和趋于稳定阶段4个阶段。分析得到土样损失体积率与膨胀量损失量的关系。不同厚度的大尺寸膨胀土试样膨胀时程曲线整体呈外凸形增长趋势，并且每级注水后，膨胀量也呈外凸形增长趋势；大尺寸膨胀土试样的真实膨胀量随着厚度的增加而增大，但增幅减小，真实膨胀量随着上覆荷载的增大而减小，减幅也降低。
关键词：大尺寸； 膨胀土； 注水方式
大尺度散粒体周围水流结构试验研究
钟亮1, 2，姜彤2，韩正国3
（1. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；3. 浙江禹瑞工程咨询有限公司，浙江 杭州 310051）
摘要：大尺度散粒体是山区河流常见的床面粗糙元素。为探讨大尺度散粒体形态对周围水流结构的影响规律，采用高度均为Δ的正方体、球体和四面体3种散粒体进行单体水槽试验，基于声学多普勒流速仪获得的瞬时流速资料，开展大尺度散粒体周围水流结构研究。结果表明：（1）水深h较小，h/Δ=0.9，散粒体处于非淹没状态时，其周围水流呈U形向下游扩散，正方体的横流区范围最大，球体次之，四面体最小；水深增大，h/Δ=1.8，散粒体处于淹没状态时，其周围横流将明显减弱，水流越过散粒体后在下游形成波状起伏。（2）表层合流速Um/U随弗劳德数Fr和散粒体阻水面积的增大而增大，Fr较大时，高速区主要出现在散粒体平面形心附近，最大值可达试验流速的1.3倍，正方体、球体和四面体对应的表层Um/U平面分布分别呈等腰梯形、钟形和菱形；强横流区位于散粒体形心两侧1.5Δ范围内，最大横流可达试验流速的19%。（3）Fr较小时，散粒体对纵向流速u/U垂线分布的影响较小，上游断面u/U与指数分布规律吻合，下游Δ处u/U垂线分布变化明显，此后u/U垂线分布逐渐恢复为指数分布；Fr增大后，散粒体对u/U垂线分布影响的差异逐渐增强，u/U垂线分布不再服从指数分布。
关键词：大尺度散粒体； 明渠紊流； 水面形态； 流速分布
长江干线宜昌至武汉段航运发展对策分析
刘涛1，彭东方1，刘均卫2
（1. 长江航运发展研究中心， 湖北 武汉 430014； 2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司， 湖北 武汉 430010）
摘要：依托黄金水道推动长江经济带发展是国家的重大战略举措，如何充分发挥长江主通道作用是长江经济带发展需要破解的重大命题。梳理了长江干线特别是中游航道、港口、船舶等航运要素的发展概况，认为中游航运发展存在着航道瓶颈制约、三峡船闸通过能力提升空间有限、港口服务体系需要完善、工程实施难度大等问题；分析了长江中游区域经济社会与综合交通发展趋势，结合宜昌至武汉段运输发展特点，预测了三峡断面及宜昌至武汉段不同水平年的水运量；提出了促进长江中游航运发展的对策建议，包括加快沿江综合交通立体走廊构建、提高中游航道网络化程度、加快航运中心建设、推进多式联运发展、加强相关基础研究等。
关键词：水路运输； 阶段性特征； 运输需求； 长江航运
长江下游航道承载力指标与评价方法研究
马驰， 左利钦， 陆彦， 陆永军
（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）
摘要：依托黄金水道建设长江经济带是国家重大发展战略。随着经济社会发展，长江两岸对航道等级提出了更高需求，航道承载能力成为迫切需要研究的问题。针对长江下游航道特点，初步提出了航道承载力的内涵，并初步建立了长江下游航道承载力评价体系和评价方法。根据长江下游湖口至南京河段航道约束因素分析，基于“驱动力状态影响”（DSI）模型，结合层次分析法，将承载力评价指标分为目标层、准则层、要素层和指标层4个层次，进而构建了长江下游航道承载力评价体系。构造了各层次判断矩阵并进行一致性检验，探讨了航道承载力评价的量化方法，从而确定了指标权重并对各类指标进行了标准化处理，最后提出了航道承载力初步评价方法，为长江下游的航道承载力评价提供依据。
关键词：航道承载力； “驱动力状态影响”模型； 层次分析法； 指标体系； 长江下游
复式河槽水位流量计算误差分析及方法对比
杨坡1，魏炳乾1，胡红胜2, 杨明阳1
（1. 西安理工大学 部共建西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安10048；2. 淮安市水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 淮安 23005）
摘要：水位流量关系是推算水面线的重要依据。复式河槽的水流漫滩时，直接运用曼宁公式计算水位流量关系会产生很大的误差，并会出现流量随水深增加而减小的不合理现象，为此分析了复式河槽垂线平均流速的横向分布及曼宁公式中流量水深函数的单调性，探讨了这种误差及现象出现的原因；然后以实测资料为依据，对比分析了以曼宁公式为基础的水平分割法、垂直分割法、对角线分割法、湿周修正法及权重分割法与传统理论方法（谢汉祥法、河槽协同度法）计算复式河槽水位流量关系的精度，进而讨论了改进后的曼宁公式在复式河槽中的适用性。结果表明，主槽与滩地的流速差使漫滩水流发生横向运动，并在滩槽交界处形成大量的动量交换，其作用机理完全不同于单一河槽，故曼宁公式不能直接应用于复式河槽；复式断面的水力半径增长率与湿周增长率满足一定的条件时，曼宁公式中流量水深函数单调递减，漫滩初期流量随水深增加而减小；对比不同计算方法的结果发现，湿周修正法精度最低而不推荐使用；水平分割法、垂线分割法、对角线分割法及权重分割法的精度与传统理论方法接近甚至更高，因此这些改进后的曼宁公式能够较好地适用于复式河槽。由于对角线分割法在所有方法中精度最高且计算简便，故计算复式河槽水位流量关系时推荐采用对角线分割法。
关键词：复式河槽； 曼宁公式； 水位流量关系； 对角线分割法
基于分形和R/S分析的渭河干流径流变化特征研究
王小杰1，姜仁贵1，解建仓1，汪妮1，李晓春2
(1. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 710048； 2. 陕西省江河水库管理局， 陕西 西安 710018)
摘要：变化环境下日益突出的水资源供需矛盾对流域水资源管理提出更高要求。通过分析流域径流量变化特征，揭示流域水资源演变趋势，为流域水资源合理开发利用提供依据。以渭河流域为研究区域，采用Mann-Kendall非参数检验、分形理论和R/S等方法分析渭河干流6个典型水文站1956—2015年径流时空变化特征、持续性及两者之间的关系。结果表明：渭河干流各站点的月径流量均呈减少趋势，从上游到下游，月径流量减少趋势的显著性越来越弱，呈显著性减少趋势的月份越来越少。渭河干流各站点的月径流深Hurst指数均大于0.5，即未来与历史变化情况呈正相关性，各站点未来月径流量将呈持续减少趋势。汛期分维数大于非汛期，上游月径流分维数小于下游，中游月径流分维数最大。分维数越大，径流过程变化越复杂，河流调节能力越差，表明渭河干流在汛期和中游径流量调节能力相对较差。Hurst指数与分形维数之间有着显著负相关性，即径流量越复杂，分维数越大，Hurst指数越小。研究结果可为流域水资源科学调度提供依据，有利于促进流域内水资源严格管理。
关键词：渭河干流； 径流变化； M-K检验； 分形维数； R/S分析
透空潜坝附近水流特性的数值模拟
欧阳澍1，刘成林1, 2，程永舟2, 3，王文森3，王小明3，4
（1. 南昌大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330031；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410114；3. 长沙理工大学 水利工程学院， 湖南 长沙 410114；4. 长江航道规划设计研究院， 湖北 武汉 430011）
摘要：透空式潜坝是一种兼顾生态和环境的新型整治建筑物。为深入了解透空潜坝附近水流特性，基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽，对梯形透空式潜坝附近水流特性进行数值模拟，研究了透空率、水深和流速对潜坝附近流场、紊动能和涡量等水流特性的影响规律。结果表明：相同水流条件下，随着透空率的增大，坝后回流流速减小，坝后根部紊动强度逐渐增大，而坝后1～4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小，涡量先增大后减小。透空率不变情况下，在相同断面平均流速条件下随着水深增大，透水率逐渐减小，潜坝附近紊动强度整体减小，但紊动范围变化不大，坝顶强涡量区面积减小。在相同水深条件下随着断面平均流速增大，涡旋回流强度逐渐增大，潜坝附近高紊动区紊动强度整体也增大, 坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布，强度逐渐增大。
关键词：透空潜坝； 水流特性； 透空率； 水深； 流速
