最新刊期
      2019 年 第 51 卷 2 期

        聚焦国家重点研发计划

      • 杨文俊,刘同宦,栾华龙,程冬兵,许新发
        2019, 51(2): 1-12. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900060
        摘要：受气候变化和人类活动的共同影响，中国河湖水资源、水环境与水生态问题交织重叠。作为中国最大的淡水湖泊，近年来鄱阳湖及其五河出现水量减少、水土流失、岸线萎缩、水生生境劣化等突出问题，目前的研究水平和关键技术无法满足新时期生态优先、绿色高质量发展的要求。如何将资源、生态、环境等约束融入水利工程规划、建设与运行，厘清水利工程对河湖生态环境的影响以及在这种影响下生态系统的演变趋势，提出减缓其影响的技术措施；如何在水资源开发利用过程中，既能满足人类社会需求，又能兼顾水生态系统健康需求，是当前生态水利理论体系研究及关键技术研发的前沿和热点问题，也是推动国家生态文明建设和落实长江大保护的必然要求。围绕上述问题，提出以“应用基础–关键技术–工程示范–监测评价”为主线的研究目标：1）辨析鄱阳湖五河及湖区生态水利特征因子及其对开发利用的响应机制；2）研发面向岸上、水陆交错带与水体的生态水利综合治理技术体系；3）提出生态水利综合治理技术及规划设计方案并进行工程示范；4）构建河湖生态水利建设模式与监测评价体系。通过开展多学科交叉、点面结合、理论与实践统一的研究，拟揭示河湖生态水利特征因子的互作互馈机制，提出耦合工程、资源、环境与生态的监测评价指标体系，实现理论创新；研发红壤丘陵旱坡地农业节水控污保土系列关键技术和受损水生生境的水利工程辅助修复关键技术，实现技术创新；提出规划导则、设计指南、治理技术、监测指标、评估方法、建设模式等全链条布局的河湖生态水利综合治理系统解决方案，实现集成创新。  
        关键词：生态水利;河湖生态环境;监测评价体系;鄱阳湖五河及湖区   
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        发布时间：2024-01-05

        水利与土木工程

      • 陈一帆,韩海骞,张翼,李鹏辉
        2019, 51(2): 13-20. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800387
        摘要：随着中国平原河网地区城镇化建设的不断推进，洪水实时模拟和预测预警成为了城镇地区雨洪管理的主要研究内容和重要技术支撑，其中水动力参数动态反演是洪水实时模拟和预测预警的难点之一。作者利用糙率先验知识，探索了城镇化平原区河网水动力模型重要参数糙率的动态反演技术。首先，基于糙率空间变化的连续性和缓变性，提出了以糙率空间分布平滑性作为先验知识，建立了表征糙率空间变化的平滑度矩阵。然后，将糙率空间分布平滑性作为软约束条件，并结合适用于非线性动态系统实时校正的扩展卡尔曼滤波算法，建立了一个稳健的城镇化平原河网糙率参数动态反演模型，从而进行河网水动力模型重要参数糙率的动态反演。通过一个四级河道组成的河网的应用分析，系统检验了糙率空间分布平滑度权重系数、糙率初始估值和测站个数对河道糙率动态反演效果的影响。结果表明：1）通过调整糙率空间分布平滑度权重系数，可以有效控制糙率动态反演的稳定性和空间反演特性；2）靠近监测点的河道糙率反演值趋于真实值，远离监测点的河道糙率反演值趋于空间分布平滑；3）靠近监测点的河道糙率反演值受初始估值影响较小，远离监测点的河道糙率反演值受初始估值影响较大；4）糙率初始估值越精确，监测点个数越多，则动态反演开始阶段的波动调整幅度越小，糙率系统误差越小，反演效果越好。所提出的模型综合了河道糙率先验知识和糙率反演的特征，可有效用于城镇化平原河网糙率参数的动态反演。  
        关键词：平原河网;糙率动态反演;先验知识   
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      • 栾华龙,刘同宦,丁平兴
        2019, 51(2): 21-27. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800259
        摘要：随着三峡及其上游梯级水库的相继运行使用，长江中下游输沙量锐减，坝下游河道发生长时段、长距离的冲刷，并快速向河口地区发展。研究长江口近期冲淤演变过程及主控因子，并对未来演变趋势进行合理可靠的预测，是当前河口演变及治理研究的一大难题。利用GIS方法定量分析了长江口河段（徐六泾至横沙）1997年以来的冲淤演变特征，在此基础上使用经充分率定和验证后的长江口年代际冲淤演变数学模型（Delft3D），预测至2030年和2050年长江口河段冲淤演变趋势。根据实测冲淤过程定量分析可知，1997—2015年长江口河段局部河势发生显著调整，整体呈冲刷下切态势，冲刷强度随来沙量减少而增大；其中，2010—2015年年均净冲刷量达0.75 亿m3，且冲刷主要分布于10 m以下的深槽，浅滩以淤积为主。数值模拟预测结果表明：现状来沙量（1.25 亿t/a）条件下该河段2015—2030年保持强烈冲刷；2030—2050年冲刷有所减弱，但在极端低来沙量（1.00 亿t/a）条件下维持强烈冲刷，且存在由“淤滩刷槽”转变为“刷滩刷槽”的趋势。在自然条件及人类活动的双重影响下，河口冲淤演变过程复杂多变，作者所给出的演变趋势预测结果可为长江口综合整治提供技术支撑。  
        关键词：冲淤演变;河流来沙减少;数值模拟;演变趋势预测;长江口   
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      • 徐强,徐舒桐,陈健云,李静,贾启彬
        2019, 51(2): 28-37. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800361
        摘要：混凝土重力坝在强地震动作用下的响应，对结构的安全评价及损伤破坏模式有着深远的影响。采用耐震时程分析（ETA）法生成耐震时程加速度曲线（ETAs），获取Koyna混凝土重力坝在地震作用下的动力响应，得出结构在不同损伤评价指标下的概率密度演化过程及失效概率时程曲线。建立Koyna混凝土重力坝有限元模型，模拟坝体在ETA时程下（对应均匀增加的峰值加速度）的动力响应及损伤过程；采用塑性耗散能、损伤耗散能、损伤体积及基准损伤体积作为损伤评价指标，基于概率密度演化（PDE）理论，建立其概率密度演化模型，利用概率密度演化法计算不同损伤评价指标下的概率密度曲线随ETA时程的演化过程；选取2个典型破坏状态分别作为中等破坏、严重破坏的评价标准，结合概率密度曲线与失效概率的关系，分析并比较不同损伤评价指标、不同评价标准下的失效概率时程曲线，实现了坝体在不同峰值加速度地震动下的失效概率分析评价。对于以往的研究结果，损伤评价指标服从正态分布只是一种假定，并没有详细的依据，从本文的分析结果可以看出：损伤评价指标的概率密度分布结果只是近似于正态分布的形式，用PDE法得到的损伤评价指标的概率分布结果与正态分布的形式有一定的偏差；基于耐震时程加速度曲线下的概率密度演化过程具有较高的计算效率及精度，与正态分布假定相比具有明显的偏峰，更趋近于真实的概率分布；选取塑性耗散能、损伤耗散能作为损伤评价指标可以更保守地表征坝体在不同地震动强度下的失效概率。  
        关键词：混凝土重力坝;耐震时程法;损伤评价指标;概率密度演化;失效概率   
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      • 梁军
        2019, 51(2): 38-44. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800882
        摘要：在总结大量水库大坝加固实践的基础上提出一种新坝型—纵向增强体土石坝，即以常规土石坝为依托，在其内部“插入”集防渗与受力为一体的刚性结构体（纵向增强体）。增强体既起到防渗体系作用，又起到结构体作用，力求克服传统土石坝（如均质坝、土质心斜墙坝等）在漫顶、渗漏、裂缝等原发性病险，以及滑坡、变形、白蚁等次生性灾害，特别针对传统土石坝存在的洪水漫顶溃坝、损毁、失效等灾难提出了尽可能的解决方案。从理论上简要分析了纵向增强体土石坝相对于常规土石坝抵御洪水漫顶破坏的安全程度，初步阐述这一新坝型安全运行的机理，分析洪水漫顶造成下游堆石料被冲刷流失，形成坝体冲坑等水力学过程，冲坑的逐步形成将恶化增强体的受力条件，最终导致增强体上游侧受力而下游侧临空的受力状态，从而影响到整个坝体是否溃决。计算表明，增强体作为刚性结构体延缓了坝体的溃决，并为工程抢险和下游群众转移争取到足够的时间。纵向增强体土石坝在工程建设投资与工期、施工工艺与材料选取方面均有一定优势，对今后建坝或对已建成土石坝的除险加固有着十分重要的意义和广阔的应用前景。  
        关键词：新坝型;纵向增强体土石坝;安全运行;漫顶溃决;冲刷深度;力学强度   
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      • 褚云朋,王秀丽,姚勇
        2019, 51(2): 45-52. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800234
        摘要：冷弯薄壁型钢结构房屋中组合墙体具有较好的抗剪性能，当应用于双层组合墙体中时其薄弱部位位于楼层连接处，成为往复荷载作用破坏的薄弱部位。考虑不同墙体轴压力、不同抗拔锚栓类型，共对3组9片双层墙体进行抗剪性能试验。研究结果表明：墙体的耗能能力及延性均比单片墙体差，多发生沿楼层连接处的面外失稳或楼层梁的压屈破坏；楼层连接处构造成为此类结构承载的关键，层内拉条对提高双层墙体抗剪承能力作用不明显。楼层连接处发生平面外位移，刚度及承载力会突然陡降，且随轴压力增大试件发生平面外随机性失稳增大，仅通过采用撑杆增加楼层竖向抗压能力，对提高墙体平面外稳定作用不明显；双螺帽抗拔锚栓对提高墙体承载力作用明显，建议此类多层房屋楼层连接处采用此类锚栓，能有效提高墙体抗剪能力。  
        关键词：冷弯薄壁型钢双层组合墙体;循环荷载;试验研究;抗剪承载力;破坏模式   
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      • 李传勋,马浩天,金丹丹
        2019, 51(2): 53-60. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800408
        摘要：软黏土中渗流存在的起始水力坡降会对固结性状有重要影响已逐渐被认识。但能同时考虑起始水力坡降及软黏土流变特性的固结理论仍鲜见报道，对其解析解的研究更为罕见。针对现有理论的不足，考虑软黏土中渗流存在的起始水力坡降及黏性土的流变特性，基于太沙基1维固结理论建立其控制方程，应用拉普拉斯变换获得其解析解。目前存在的考虑起始水力坡降的线性固结解析解和达西定律下考虑流变模型的固结解析解均是本文解的特例，且本文所得解析解与相应差分解的计算结果十分相近。基于该解析解着重分析了起始水力坡降和不同流变模型对固结性状的影响。结果表明：考虑软黏土流变特性后，起始水力坡降（i0）、土层厚度（H）与外荷载（q0）的比值（R）对固结性状的影响并未发生明显改变；R值越大，移动边界到达土层底面所需时间越长，相同时刻土中残留的超静孔压值越大，土层平均固结度越小。考虑流变特性后，移动边界到达土层底面的条件发生改变。如果流变模型参数取值相同，不同流变模型下软黏土固结初期超静孔压消散曲线基本重合，移动边界随时间的下移曲线亦基本重合；固结后期超静孔压消散曲线虽略有差异，但其对计算结果影响甚微，可忽略。  
        关键词：软黏土;起始水力坡降;移动边界;流变固结;解析解   
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      • 李修磊,陈洪凯,李金凤,杨超
        2019, 51(2): 61-70. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800359
        摘要：基于非饱和土强度理论，建立边坡内单元土体达到临界破坏状态的判别方程，提出土质边坡浅层失稳由上缘张拉区、中间主滑动区和下缘挤压区组成的“上、下缘顺坡曲面”组合破坏模式；论证了采用对数螺旋线描述上、下缘滑动体破裂面形态的合理性，并采用极限平衡理论建立了适用于非饱和土质边坡浅层破坏的稳定性分析方法。结果表明：“上、下缘顺坡曲面”组合破坏稳定分析方法能够较好地反映滑坡深度zw与中间主滑动区范围L2之间的变化关系；对于饱和土质边坡，内摩擦角和边坡坡度对边坡稳定性的影响非常小，土体黏聚力的影响则要大得多；对于非饱和土质边坡，土体黏聚力和内摩擦角的减小及边坡坡度的增大均会显著减弱边坡浅层土体的稳定性；土质边坡处于临界状态（安全稳定系数FS=1.0）时，随着土体饱和度的增加潜在滑坡体的破裂面逐渐向浅层迁移，说明降雨入渗导致饱和度上升的土质边坡更容易发生浅层失稳破坏；对于有限长度的土质边坡，无限长斜坡稳定分析方法得到的稳定安全系数偏于保守，考虑了滑坡体上、下缘力学作用的组合破坏稳定分析方法更为合理准确。  
        关键词：非饱和土强度理论;土质边坡;浅层破坏模式;稳定分析;对数螺旋线   
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      • 尹平保,杨莹,雷勇,贺炜,张建仁
        2019, 51(2): 71-77. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700947
        摘要：为了准确计算嵌岩桩的嵌固深度，既要考虑桩侧岩石的破坏特征，还应考虑基岩顶面水平力和弯矩的共同作用。根据嵌岩桩嵌岩段桩侧岩石的水平极限承载特性，建立了嵌岩桩嵌岩深度计算的简化分析模型，并基于Hoek–Brown强度准则和静力平衡原理，推导了考虑基岩顶面水平力和弯矩共同作用的嵌岩桩嵌岩深度理论计算公式。算例对比分析发现，通过理论公式计算得到的嵌岩深度值与规范方法的结果更为接近。在此基础上探讨了基岩顶面处水平荷载、桩径、桩侧岩石抗压强度、岩石质量分类指标对嵌岩桩嵌固深度的影响，计算结果表明：嵌岩深度随水平力增加近似呈现线性关系增大，随弯矩增加呈现非线性关系增大，而随桩径、岩石单轴抗压强度及岩体地质力学分类指标RMR增加呈现非线性关系减小。保持其他条件相同，当桩径由1.0 m增大到2.0 m和3.0 m时，对应的最小嵌岩深度约分别减小32%和44%；当岩石单轴抗压强度由15 MPa增加到30、45和60 MPa时，对应的最小嵌岩深度分别减小44.4%、59.7%及67.6%；当岩体地质力学分类指标RMR值由30增加到45、60和75时，对应的最小嵌岩深度分别减小48.9%、72.3%及84.2%。与岩石单轴抗压强度相比，岩体地质力学分类指标RMR对嵌岩深度的影响更为显著，当RMR值大于85时，嵌岩深度不足1.0 m。实际工程设计时，应综合考虑岩石的强度、质量以及桩径等方面以确定嵌岩桩的最佳嵌岩深度。  
        关键词：桩基础;嵌岩深度;水平荷载;Hoek–Brown强度准则;极限承载力   
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      • 郭瑞,杨晓娟,蒋红,刘冲
        2019, 51(2): 78-84. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800221
        摘要：路面面层与基层界面之间积存的自由水因压力变化而高速流动并产生泵吸效应，将冲刷基层导致路面面层损坏。为分析不同结构类型水泥稳定碎石半刚性基层抗冲刷性能及其影响因素，结合秦巴山区宝汉高速公路工程实例，通过室内抗冲刷模型试验对悬浮密实型、骨架密实型及骨架空隙型3种典型结构水泥稳定碎石半刚性基层材料抗冲刷性能的影响因素、变化规律及机理进行了研究。结果表明：随着水泥胶结料含量和强度等级、养生龄期等增加，3种类型水泥稳定碎石半刚性基层的抗冲刷性能均随之提高；含水量和压实度过高或过低均不利于水泥稳定碎石半刚性基层抗冲刷性能提高，实际工程中应严格控制混合料中含水量和压实度；水泥稳定碎石基层混合料的抗冲刷性能受结构类型影响较大，鉴于工程实际情况建议优先采用骨架密实型结构。  
        关键词：道路工程;抗冲刷性能;模型试验;水泥稳定碎石基层;影响因素   
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      • 孙一,田勇,刘晓燕,王协康
        2019, 51(2): 85-89. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800418
        摘要：坡面上植被对坡面流流速有着显著影响，进而对坡面的输沙特性起着重要作用，而覆盖度是植被影响坡面粗糙度的一个重要因素。以往研究多集中在植被覆盖度相对较小的范围。为进一步探明植被覆盖度与坡面流流速间的相关关系，基于坡面流系列概化变坡水槽试验，采用人工塑料草模拟贴地植被，设置了在0～80%范围之间的9种不同的贴地植被覆盖度、3种不同的坡度（10°、20°、25°）以及6个不同的流量级（0.286～1.058 L/s）条件下的共计162组清水径流试验，对坡面流流速特性进行了定量研究。试验结果表明：随着贴地植被覆盖度的增大，流速沿坡长由增大变为减小；当覆盖度小于30%时，流速受流量的影响较大；当覆盖度大于30%后，流速受流量的影响较小。将植被覆盖度引入坡面流流速计算公式，采用生长模型中常见的e–x表达形式反映植被对坡面粗糙度的影响，对公式中的k进行修正，应用非线性回归的方法对试验数据进行回归分析，确定参数k、a、b、c分别为10.06、–1.71、0.22、0.4，所得公式的计算效果良好（R2=0.96）。将公式应用于其他文献中提及的实验室水槽试验条件，所得的计算值与文献中的实测值符合较好（R2=0.73）。公式对实验室试验具有良好的适应性，而其对野外条件的适用性仍有待于进一步检验。  
        关键词：坡面水流;贴地植被;覆盖度;流速   
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      • 张驿,吴文兵,梅国雄,段隆臣
        2019, 51(2): 90-97. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800677
        摘要：为弥补瞬时恒定荷载下传统砂井固结理论中边界条件存在的缺陷，首先，通过引入连续排水边界条件，采用特征函数法对砂井地基3维固结方程进行解答，得到考虑涂抹及井阻效应的解析解。然后，通过对解析解的退化，与既有的研究结果对比，验证所得解的正确性。最后，根据所得解析解对砂井地基在连续排水边界条件下的超孔隙水压力及平均固结度进行分析。分析结果表明：连续排水边界条件可以通过改变界面参数b值的大小，实现从完全不排水到完全排水整个过程的表达，从而对传统砂井固结理论进行补充。在超孔隙水压力方面，随着b值的减小，地基表面排水能力降低，在地基顶面处，也逐渐出现一定的超孔隙水压力，且b越小，顶面处的超孔隙水压力越大；在同一水平面处，距离砂井越远，孔压越大。在固结度方面，随着b的减小，地基平均固结度显著降低，故传统固结理论中的顶面完全排水条件，可能会高估地基的实际固结速度。涂抹区以及砂井中渗透系数的降低均会显著降低地基固结速度，所以，施工中应减小对井壁土体的扰动，增加竖井的渗流能力，以减弱涂抹和井阻效应。尽管砂井地基以径向渗流为主，但竖向渗流对地基的固结也有较大影响，忽略其作用可能会导致地基的固结沉降预测速度被低估。  
        关键词：连续排水边界;砂井地基;涂抹效应;井阻;界面参数   
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      • 张建智,俞缙,张小燕,刘士雨,蔡燕燕
        2019, 51(2): 98-107. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800294
        摘要：岩质隧道施工过程变形具有显著的成洞时间效应与开挖面空间效应。由于应力释放率与施工过程参数、围岩力学性态等的关系难以量化，应力释放系数法在解析岩质隧道施工过程变形问题时存在局限性。为描述岩质隧道与时间、空间相关的复杂的施工力学过程，假设围岩为Burgers体和Drucker–Prager组合模型。利用弹性–黏弹性对应原理与非关联流动法则建立无支护隧道变形解，采用位移释放系数法描述隧道施工过程变形的时空效应。获得的2维平面应变无支护隧道最大径向位移的数学函数形式与Manh解一致；当不考虑时间因素时，本文解可退化为Park解。通过与既有数值解和解析解对比，验证了本文解的正确有效性。进而分析隧道时空变形曲线，包括隧道蠕变特征曲线、围岩变形径向分布曲线和隧道纵剖面变形曲线，得到关于黏聚力、内摩擦角、扩容角与延迟时间等参数的敏感性规律。结果表明：随着时间推移或纵向距离的增大，隧道变形非线性递增；随着围岩深度的增加，隧道变形递减，隧道变形和塑性区半径均为黏聚力与内摩擦角的非线性递减函数；围岩扩容加剧了隧道变形；延迟时间控制了隧道变形的时程规律；隧道时空变形对介入参数的敏感性与其物理意义一致。位移释放系数法成功描述了岩质隧道施工过程变形的时空效应，可为施工过程提供理论指导。  
        关键词：岩质隧道;施工过程;时间效应;开挖面空间效应;位移释放系数法;解析解   
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        发布时间：2024-01-05
      • 李斌,胡德秀,杨杰,程琳
        2019, 51(2): 108-114. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800341
        摘要：为分析周期因子与时效因子分别对土石坝位移的影响，更好地掌握土石坝位移变化的成因和趋势，进行土石坝位移数据中周期成分和趋势成分的变化规律和预测方法研究。采用HP（Hodrick–Prescott）滤波将实测位移序列分解为趋势项和周期项两部分，对趋势项建立基于MLR（multiple linear regression）的预测模型，对周期项建立基于SARIMA（seasonal auto-regressive integrated moving average）的预测模型，结合以上两模型的结果对土石坝位移进行预测，即MLR–SARIMA预测模型。该模型突出了MLR模型在趋势性数据上的预测优势和SARIMA模型在周期性数据上的预测优势，且仅从实测位移数据分析预测，可适用于缺少环境量数据的情况。实测位移序列经HP滤波分解后，趋势项位移呈缓慢增长趋势，年变幅从1.42至0.51 mm逐渐降低，表明由时效因子引起的土石坝趋势性位移量逐年减小，且已趋于稳定；周期项位移具有明显年周期性，这是由于土石坝位移受到年周期性变化的水位和温度影响，年变幅约为7.00 mm，表明该土石坝位移量主要是由周期因子引起的周期性位移；该变化规律符合土石坝位移的一般变化规律，说明HP滤波可很好地提取土石坝位移数据中的周期成分和趋势成分。MLR–SARIMA模型预测结果准确，相对误差较小，均在5%以内，且均方根误差、平均绝对误差百分比和调整的平均绝对误差百分比这3个指标均优于单一SARIMA模型，表明MLR–SARIMA模型突出了其在预测周期性和趋势性数据方面的优势，可适用于土石坝位移预测。  
        关键词：土石坝;MLR–SARIMA模型;位移预测;HP滤波   
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      • 韩浩冉,田忠,刘文
        2019, 51(2): 115-120. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800404
        摘要：垂直洞塞作为一种新型消能工，其出口水流状态可视为淹没射流，出流区域为射流冲击区，受结构自身特点的影响，该类射流的流速大，射流冲击区壁面受到的压强大，为探索垂直洞塞出口冲击区附近有界区域内的壁面压强分布规律，为结构设计及水力设计提供科学依据，作者结合某大型泄洪洞工程，采用模型试验、理论推导及数值模拟相结合的方法，针对不同的出口射流流速及不同压坡位置，研究了垂直洞塞出口射流冲击区的壁面压强特性。结果表明：冲击压强的试验和数值模拟结果吻合良好；当轴线上压强测点同压强最大值处的距离和压强半宽值的比值小于1时，试验及数模得到的壁面压强与理论分析曲线贴合，但当该比值大于1时，且压坡段与射流中心之间距离和射流直径之比较小时，两者结果明显高于理论曲线，理论曲线此时不适用。定量分析表明：随着下游压坡段与射流中心之间距离的增加，底板轴线压强分布逐渐贴合理论曲线；当压坡段与射流中心之间距离和射流直径之比大于2.35时，冲击区下游压坡段位置对底板压强半宽值无显著影响，各试验组次中底板压强半宽约为射流直径的0.3倍；射流冲击区内，顶部和侧壁壁面的压强随着离射流中心的距离减小而降低，在泄洪洞上游封堵处压强达到最大值。  
        关键词：垂直洞塞;淹没射流;壁面压强;压强半宽值;数值模拟   
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      • 刘文军,王波,张建民,陈云良,伍超,刘鑫,宋家俊
        2019, 51(2): 121-129. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800374
        摘要：溃坝水流的传播很大程度上受着上下游初始水深比的影响，过去对溃坝洪水的试验研究很少涉及到上下游初始水深比大于0.5时的情形，大部分研究的系列性不足且较少关注洪水波在上游库区中的运动。作者在一个大尺度水槽（长18 m、宽1 m、高1.09 m）中，通过波高仪的测量手段对上下游初始水深比0～0.9范围内的大坝瞬溃洪水进行了大量实验，获取了许多新发现。研究结果表明：当下游无水时，溃坝水流波前区域的水深会出现明显的雍高，波前运动速度也明显低于Ritter解；当上下游初始水深比大于等于0.3时，溃坝水流演进一段时间后，在靠近闸门处会出现以波浪形式向库区演进的额外负波，该负波不同于以往研究中定义的与上游静水区衔接的负波；当上下游初始水深比大于等于0.5时，溃坝水流运动的稳态区会出现明显的波动，水流以波浪形式向下游演进，其中第1个出现的波浪波峰高度最高且在演进的过程中基本维持高度不变，但产生的这些波浪数量有限，波浪演进过后的断面水深会逐渐恢复稳定，且稳定后的水深与Stoker解符合较好。在试验观测到的范围内，同一水深比时，与上游静水区衔接的负波波速在演进的过程中不断降低至稳定值，而第1个出现的额外负波波速不断增加；下游波前的演进速度基本维持不变，而下游第1个出现的波浪波速会增加；另外，随着水深比的增加，第1个出现的额外负波波速变大，而下游第1个出现的波浪波速变小。从两组不同上游水深在同一水深比时各水力要素的对比情况中发现瞬时溃坝水流的运动在湿底情况下依然具有很好的相似性。  
        关键词：溃坝水流;初始水深比;水力特性;额外负波;波速   
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        发布时间：2024-01-05

        信息工程

      • 尚涛,赵铮,舒王伟,刘建伟
        2019, 51(2): 130-136. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801059
        摘要：针对传统差分隐私保护方案以剩余隐私预算的一半逐层分配，即等比分配隐私预算，被应用于决策树时，随着决策树高度的增加，分配至顶层的隐私预算过小，随机噪声过大，分类准确率受到影响的问题，作者提出以差分隐私保护结合主流决策树C4.5分类方法为基本思路，依据决策树高度等差分配隐私预算的方案。差分隐私中的Laplace机制和指数机制确保决策树分类的安全性。作者利用大数据Hadoop平台的MapReduce框架，主程序进行MapReduce参数配置以及外层循环。在执行到每一个节点时，主程序将数据集属性的统计任务交给Mapper类，Reducer类接收Mapper类的统计结果并利用Laplace机制添加随机噪声，加噪结果返回主程序中作为计算信息增益率的参数。主程序利用指数机制选择最佳细分方案，递归过程直至样本数为0时停止。实验采用UCI数据库的car数据集进行测试，在不同隐私预算下将等比分配与等差分配两种方案得到的分类结果准确率进行对比。实验结果表明：本文算法在可接受的分类准确率降低的情况下满足差分隐私保护；与传统隐私预算分配相比，本文算法在相同隐私预算下提高了分类准确率；对于car数据集，本文算法在隐私预算为0.7或0.8时可较好兼顾数据集的安全性和有效性。因此，在一定程度上依据决策树高度等差分配隐私预算的方案可改善分类准确率，可实际应用于决策树分类算法。  
        关键词：分类;决策树;差分隐私;大数据   
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      • 熊星星,刘树波,李丹,李永凯,王俊
        2019, 51(2): 137-143. DOI: 10.15961/j.jsuese.201801051
        摘要：电动汽车频繁接入充电桩充电而产生的位置数据对优化充电桩布置、指导电力调度具有重要意义。然而充电位置数据对于汽车用户来说属于隐私信息。为防止汽车用户的隐私泄露，亟需探索研究隐私汇聚充电位置数据的方法。采用局部差分隐私技术保护电动汽车充电位置数据，通过引入贝叶斯随机多伪隐私算法设计一种基于分区的隐私保护充电位置数据汇聚方法。该方法利用贝叶斯随机多伪隐私算法设计了一个用于本地化扰动充电位置数据的局部混淆算法，然后，结合随机多伪算法的重构算法设计了满足稀疏、样本量小等特点的充电位置数据的隐私汇聚方法。同时，在保证隐私保护水平的前提下，通过对位置域进行划分以缩小隐私位置域，进一步提高汇聚结果的可用性。对所设计方法的隐私性进行分析。最后，在正态分布、均匀分布、峰值分布和随机分布4种不同的合成数据集以及公开的Gowalla数据集上进行验证。实验结果表明：在相同隐私水平的条件下，所设计的方法在可用性方面优于基于随机映射矩阵的隐私汇聚方法。  
        关键词：电动汽车;充电位置;局部差分隐私;隐私保护   
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      • 赵珊,李永思
        2019, 51(2): 144-150. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800675
        摘要：针对基于局部保持投影（locality preserving projection，LPP）的哈希用于图像检索造成图像表征力不强、检索效率低下的问题，融合LPP及主成分分析（principal component analysis，PCA）技术，提出一种随机旋转局部保持哈希的图像检索算法。首先对样本进行PCA降维，对PCA变换矩阵进行随机旋转形成PCA降维矩阵，将原始样本在降维矩阵上进行投影，得到PCA降维样本。为充分利用样本间的相似性结构，对PCA降维样本进行LPP映射，并引入随机矩阵对特征向量进行偏移构造最终编码投影矩阵。再将原始样本投影到编码投影矩阵，得到最终的降维样本；最后对其进行哈希编码，得到有效的二进制编码用于图像检索。算法充分考虑样本间的全局和局部相似性结构，体现了样本间所蕴含的局部和全局信息，把随机旋转应用于PCA降维矩阵，减少了编码之间的量化误差，提高了图像特征的识别能力。分别在3个人脸数据集上进行性能测试实验，并与相关方法进行比较，得到了较好的效果。实验结果表明该方法是有效的。  
        关键词：图像检索;哈希;主成分分析;局部保持投影   
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        发布时间：2024-01-05

        机械工程

      • 曹学鹏,周钊强,曾致豪,卫昌辰
        2019, 51(2): 151-159. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800067
        摘要：为预测变深环境下柱塞泵压力控制性能变化规律，基于水下动黏度–变刚度介质模型建立深海柱塞泵压力控制系统模型。从稳定性、快速响应性与稳态误差等3个方面对系统控制性能进行了综合分析，得出变深环境下，只考虑黏度影响时，系统稳定性指标和动态响应参数由初态值，即相位裕度59.4°、幅值裕度8.77 dB、上升时间0.045 s、稳态误差3.4%，分别增加至138.4°、23.4 dB、0.28 s、7.4%；只考虑刚度影响时，各参数由初态值分别减少为42.6°、23.4 dB、0.038 s、1.2%；考虑黏度–刚度复合作用时，各参数由初态值分别增加至137.6°、23.1 dB、0.265 s、7.3%。结果表明：变深环境下只考虑黏度影响与考虑黏度–刚度复合作用时，系统稳定性均随水深的增加而增加，快速响应性与稳态误差均随水深的增加而下降；只考虑刚度影响时，相关特性的变化趋势刚好相反；并得出在0～1 000 m、1 000～7 000 m两海层下泵压力控制系统可分别视作变黏度–动刚度系统、变黏度–定刚度系统。最后，通过模拟变深环境下泵的动静性能试验，验证了上述理论分析结果的合理性和有效性。  
        关键词：变黏度–动刚度模型;控制模型;影响机理   
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        发布时间：2024-01-05
      • 马咏梅,马传鑫,张弦,项章特,张清波,蔡勇,王庆,吴琼
        2019, 51(2): 160-167. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800530
        摘要：焊接金属波纹管机械密封是轴类密封的重要类型之一，而密封端面振动特性是泄漏量和端面磨损的关键影响因素。由于目前针对焊接金属波纹管机械密封端面振动位移相关理论研究较少且没有具体分析各工作参数对端面振动的影响。首先，作者建立了端面密封环的几何模型和极坐标下端面所受表面压力以及分布力矩的数学模型；采用圆环理论和数值分析方法，推导出受谐波形式载荷条件下端面振动位移的求解公式。然后，利用MATLAB求解出密封端面在不同工况条件下轴向振动和径向振动位移特解。发现在相同的工况条件下径向振动位移均大于轴向振动位移。最后，设计了径向振动试验，利用电涡流传感器测量密封端面径向振动位移，分别探究了介质压力、工作转速、载荷系数和压缩量对径向振动位移的影响。结果表明：工作转速和压缩量对径向振动位移影响较大，介质压力和载荷系数对径向振动位移影响趋势相同。径向振动位移随着转速的增大而急剧增大；随着压缩量的增加先缓慢增大后迅速增大；随着介质压力的升高、载荷系数的增大，径向振动位移先减小后增大。对比理论计算和试验结果，验证了密封端面振动位移数学模型的正确性。优选出合理的工作参数范围为：介质压力为0.4～1.4 MPa，工作转速为1 500～2 500 r/min，载荷系数K为0.60～0.75，压缩量为4～6 mm。  
        关键词：机械密封;圆环理论;端面振动;径向振动位移   
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      • 吉华,王彦镐,战琳月,蒋森,陈志
        2019, 51(2): 168-175. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800097
        摘要：微孔端面机械密封是通过设计改变微孔的几何特性以期望得到更优的密封性能，但几何特性如何影响密封性能却缺乏机理上的研究和指导。结合流体楔效应理论，采用数值计算的方法，基于Fluent多相流空化模型，针对等边三角形微孔端面机械密封，建立了其中1个微孔周期的间隙流体的3维数值计算模型，研究不同方向角下等边三角形微孔几何特性的改变对泄漏率和开启力的影响。首先，使用了流动因子判定流动状态、网格无关性分析确定网格尺寸、文献计算结果对比等方法，保证了数值计算模型的正确性。然后，结合楔效应理论与压力云图分析，提出了多楔现象，即：等边三角形微孔存在3个性质不同的楔。方向角的变化改变了各楔与密封端面旋转线速度间的夹角，故各楔的性质与强度随方向角的变化而变化。流体流经各楔，会产生不同的楔效应，多楔效应的组合影响了压力分布，最终决定了密封性能。最后，基于多楔现象，研究了等边三角形微孔端面机械密封的泄漏率与开启力。低压差下，方向角α=40°时泄漏率最小；高压差下，α=110°时泄漏率最小；增大转速将强化泄漏率的变化趋势。开启力在α∈[0°,120°]时，先减小后增大，α=60°时开启力最小；当α∈[0°,40°]及α∈[100°,120°]时，开启力随转速增加而增大；当α∈[40°,100°]时，开启力随转速增加而减小。  
        关键词：机械密封;等边三角形微孔;多楔现象;泄漏率;开启力   
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        发布时间：2024-01-05
      • 刘冰,李涛,赵永杰,陈金钢,徐丽萍,张芬娜,綦耀光
        2019, 51(2): 176-184. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800444
        摘要：被剪钻杆断口的变形程度是评价剪切闸板防喷器剪切性能的重要依据之一，直接关系到钻杆的再循环利用和作业效率，而被剪钻杆断口凸起高度又是断口变形程度的重要方面。为了对被剪钻杆断口凸起高度做出合理评估，以钻杆为研究对象，依据运动学基本规律建立剪切闸板的运动方程，综合考虑作业参数，以坐标转换公式的矩阵形式和滑移线理论为基础，分别给出由单剪切点导致被剪钻杆断口在任意时刻及最终凸起高度的理论预测式，继而确定断口凸起位置并建立冲击块导致被剪钻杆断口凸起高度的理论评估模型。用剪切闸板防喷器进行剪切CT90管的剪切试验，获得CT90管的断口数据对评估模型进行验证，结果表明所建立的评估模型与剪切试验获得的断口凸起高度的相对误差在10%以内，具有较高的可靠性和适用性。分析V型角、刃口倒角等剪切闸板冲击块关键结构参数及钻杆结构尺寸对被剪钻杆断口凸起高度的影响规律，研究表明钻杆断口凸起高度随着V型角的增大而增加，随着刃口倒角的增大呈波浪形变动，且波谷逐步增加，刃口倒角在20°时，钻杆断口凸起高度最小，钻杆断口凸起高度随着剪切点至V型角中心点的长度增加而增加。在满足井控要求的情况下，设计剪切闸板时，冲击块的刃口倒角以20°为宜，V型角越小越好并尽可能地缩短剪切点至V型角中心点的长度。钻杆断口凸起高度随着钻杆内径及壁厚的增大而增大，在满足钻采的要求下，钻杆宜选用小通径薄壁钻杆。  
        关键词：剪切闸板防喷器;钻杆断口;凸起高度;剪切试验   
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        发布时间：2024-01-05

        化学工程与材料工程

      • 楚志兵,李伟,王环珠,薛占元,李玉贵,刘光明,胡建华
        2019, 51(2): 185-192. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800760
        摘要：镁合金具有导热导电性好、电磁屏蔽性能优越、与环境相容性良好等诸多优点。但是镁合金在室温下塑性较差，导致其在轧制过程中易出现裂纹从而影响其质量。为了有效提高其可塑性，在加工前往往需要对其进行固溶处理。基于此，通过金相实验，得到AZ31镁合金管材原始晶粒组织，基于晶粒长大的热力学机制、曲率驱动机制和能量耗散机制，建立元胞自动机模型，针对镁合金建立了三大晶粒演变规则，研究AZ31镁合金在不同温度和不同时间下晶粒演变规律与边数变化情况，最终获得晶粒均匀分布且以六边形为主的微观组织。通过晶粒长大拓扑学分析与晶粒尺寸分布统计，得出晶粒尺寸在不同温度和时间内呈正态分布，其中六边形晶粒最多；在此基础上，建立固溶情况下的晶粒长大数学模型，合理预测并控制AZ31镁合金固溶后的晶粒尺寸和最终性能，分析了晶粒长大动力学，得出镁合金生长指数为0.87，并通过实验验证了元胞自动机模型的正确性和合理性，为研究镁合金在变形过程中的晶粒演变奠定基础。  
        关键词：AZ31镁合金;元胞自动机;固溶;晶粒尺寸   
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        发布时间：2024-01-05
      • 邱静红,KOMARNENI Sridhar,成煦,王海波,杜宗良
        2019, 51(2): 193-198. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800385
        摘要：为了提高以明胶为稳定剂分散聚合制备的聚丙烯酰胺“水包水”（W/W型PAM）乳液的絮凝性能，首先，采用阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（methacrylatoethyl trimethyl ammonium chloride, DMC）对钠基蒙脱土（sodium-montmorillonite, Na–MMT）进行插层改性制备有机蒙脱土（organic montmorillonite, OMMT），通过X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）测试得到插层改性后蒙脱土的层间距由1.25 nm增加至1.43 nm，说明DMC单体已经成功插层进入蒙脱土片层。然后，将OMMT引入以明胶为稳定剂的W/W型PAM乳液的体系中，以制备W/W型PAM–MMT乳液。通过透射电镜（transmission electron microscope, TEM）乳液微观形貌进行观察，得到乳液结构是由以蒙脱土颗粒为“交联点”的聚丙烯酰胺高分子网络和W/W型PAM乳液的混合体。研究了OMMT用量、明胶浓度、体系pH值以及阳离子单体DMC添加比例对合成W/W型PAM–MMT乳液性能的影响规律。结果显示：在适宜条件下合成的乳液均具有较好的储存稳定性和在水中的再分散性。乳液的表观黏度和絮凝性能都与OMMT和明胶用量呈正相关性；当pH值在明胶等电点（isoelectric point，IEP）时，得到的乳液的表观黏度最低，絮凝效果最好；随着DMC单体用量比例增大，乳液表观黏度减小，高岭土悬浮液的絮凝效果先增大后减小。  
        关键词：分散聚合;“水包水”乳液;蒙脱土;明胶   
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