最新刊期
      2021 年 第 53 卷 1 期

        水利与土木工程

      • 张广泽,邓建辉,王栋,张茹,徐正宣,张志龙,冯君,任利,贾哲强
        2021, 53(1): 1-12. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000533
        摘要：通过系统分析国内外隧道围岩大变形案例，发现应力场、地质构造、地层岩性等因素是驱动隧道围岩大变形孕育发生的根本条件，并严格受构造控制，进而提出构造软岩大变形的基本概念；根据大变形的构造控制理念与发生机理，对隧道构造软岩大变形分类进行了重新界定（断层型、碎裂型和小夹角型）。以岩石强度应力比为基础，突出构造运动影响，量化考虑地层时代、优势结构面产状、岩石强度、岩层厚度、岩体完整性5个影响因素，提出适用于不同地质勘察阶段的隧道围岩大变形分级方法。利用垭口隧道、盐边隧道、新林隧道等18个隧道围岩大变形案例，对本文提出的构造软岩大变形分级方法进行系统验证，表明本文提出的分级方法具有较好的适用性。研究成果对隧道围岩大变形发生机理认识、大变形灾害判识与控制均具有重要指导意义。  
        关键词：围岩大变形;构造软岩大变形;大变形分类;大变形分级   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王文圣,黄伟军,覃光华,丁晶
        2021, 53(1): 13-17, 46. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901082
        摘要：洪水风险是水文学中一个非常重要的研究课题。本文论述了洪水风险的确切含义，指出现存的两种洪水风险理念：次风险和年风险，前者认为年内最大和次大洪水引起的风险都应在工程设计中考虑，后者认为只有年内最大洪水引起的风险在设计中才能考虑。提出了以频率表征洪水风险度的思路，与次风险度对应的称作次频率，与年风险度对应的称为年频率。阐明了基于年风险度和次风险度为基础的防洪标准是不同的。探讨了以年最大洪水信息为基础的年风险度和以年内最大及次大洪水信息为基础的年风险度的差异，研究表明前者符合现行防洪标准要求，后者不完全符合防洪标准要求。  
        关键词：洪水风险;风险度;防洪标准;年最大选样;超定量取样法   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王振山,冯永建,卢俊龙,李晓蕾,田建勃
        2021, 53(1): 18-28. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000249
        摘要：为了提高薄壁钢管混凝土柱的局部抗屈曲性能，改善变形能力较差的问题，提出一种约束形式螺旋加劲肋。通过对普通钢管、直肋、开孔直肋、内螺旋肋、外螺旋肋、外螺旋肋–钢筋等6种不同形式的薄壁钢管混凝土组合柱进行了轴心受压试验研究，对比分析了破坏过程、极限荷载、位移及应变等，得到了螺旋加劲型薄壁钢管混凝土柱的破坏模式及机理。研究结果表明：设置直肋、开孔直肋、螺旋肋均能提高试件的受力性能，但三者的约束机制差异较大。竖向加劲肋对提高承载力作用显著；螺旋肋主要通过约束钢管横向变形而发挥作用，其竖向刚度贡献较小。针对螺旋肋外置形式，由于外部混凝土变形缺少限制，导致其开裂严重，提前退出工作；当设置竖向钢筋后；钢筋与螺旋肋对混凝土形成“块状”约束，大大延缓了裂缝发展，可与核心构件较好协同工作，承载力与变形能力显著提升。提出的螺旋加劲肋可较好解决传统薄壁钢管混凝土变形能力差的问题，当螺旋肋外置后，可利用外部混凝土对钢管进行保护，免除防火与防腐处理，大大降低后期维护成本；该新型组合构件受力性能良好，可为其工程应用提供技术支持。  
        关键词：薄壁钢管混凝土;螺旋加劲肋;轴压试验;破坏模式;极限承载力   
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      • 王协康,杨坡,孙桐,许泽星
        2021, 53(1): 29-38. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000981
        摘要：受水沙耦合致灾作用，暴雨山洪灾害一般表现为山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害3种模式，不同灾害模式的成灾特点、灾害规模、致灾指标及阈值常存在显著差异。传统暴雨山洪灾害防治预警技术的研究思路主要以“雨量–径流–成灾水位”雨水情分析为主，缺乏“雨–水–沙”变化系统研究，未充分考虑洪水泥沙耦合作用下山洪灾害易发区的成灾特征，尤其是超量泥沙补给造成的“沟床淤积–水位陡增”型山洪灾害极易漏警。结合金沙江支流中都河小流域和岷江支流白沙河小流域山洪灾害实地调查及分析，初步表明流域内山体滑坡形成的松散体是流域水沙运动的重要泥沙补给源，从而极易诱发暴雨山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害。采用TRIGRS模型分析中都河小流域和白沙河小流域的滑坡易发性，将滑坡低风险区划为暴雨山洪洪水灾害预警区，对具有丰富固体物源的滑坡中、高风险区，根据陡缓衔接河段泥沙易灾区判别法划分为山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害预警区。结合4种暴雨山洪洪水灾害预警方法，即洪水水位陡涨率判定法、实时累积雨量法、水位–流量反推法及简易雨量站广播预警法，分析中都河小流域典型暴雨山洪灾害预警区的预警指标，以基于河床冲淤变化的洪水位上涨率法确定白沙河小流域暴雨条件下山洪水沙灾害预警区的预警水位。结果表明：TRIGRS模型划分的滑坡风险区与中都河小流域和白沙河小流域滑坡、泥石流灾害调查较为吻合；中都河小流域滑坡风险较低，沿河村落均可划为山洪洪水灾害预警区；白沙河小流域下游滑坡风险较低的沿河村落可划为山洪洪水灾害区，中、上游为滑坡中、高风险区，其中，沟床陡缓坡衔接段划为山洪水沙灾害预警区，陡坡段划为山洪泥石流预警区。中都河小流域暴雨山洪灾害预警分析表明：水位–流量反推法和简易雨量站广播预警法预警效果较差；洪水上涨率判定法与实时累积雨量法预警精度较高，对暴雨山洪洪水致灾时刻能够提前捕捉，显著提高预警处置时效。此外，采用河床冲淤变化的水位上涨率法，白沙河小流域暴雨山洪水沙灾害预警效果较好。因此，本文构建的山区小流域暴雨山洪灾害分区预警方法具有较好的可靠性，可为山洪灾害预警提供技术支持。  
        关键词：山洪灾害;水沙耦合致灾;分区预警;预警指标   
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        发布时间：2024-01-10
      • 黄先北,仇宝云,孙涛,倪春,于贤磊,郭嫱
        2021, 53(1): 39-46. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901185
        摘要：由于水闸上下游水位以及调水需求的变化，许多闸门需要满足正向挡水与反向挡水两种需求。垂直提升式钢闸门反向挡水时，闸门受力复杂，启门力显著增加，导致启闭机启门力严重不足。为此，本文以江苏省某闸站的节制闸为研究对象，提出了基于均相流模型的启门过程中水流对门体的作用力的计算流体动力学 （computational fluid dynamics，CFD）预测方法，对启门过程中不同开高时的启门力进行了计算，分析了启门力增加的原因。结果表明：数值预测的启门力与实测结果一致，提出的方法能有效预测启门力随闸门开高的变化规律。平面钢闸门反向挡水时的启门力相比正向挡水情况大幅增加。启门过程中，水流对闸门底部主梁垂直向下的作用力是导致启门力增加的原因，该作用力表现为闸门底部主梁上下表面的压差（上表面压力大、下表面压力小），在闸门开高从0增加到最大的过程中，底部主梁上下表面压差表现为先增大后减小、再增大后减小的异常规律，从而导致启门力出现与之一致的规律。论文研究结果对于提高闸孔过流数值模拟精度、改进闸门设计、优化平面钢闸门启门力具有重要意义。  
        关键词：垂直提升式平面钢闸门;反向挡水;启门力;计算流体动力学;主梁   
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        发布时间：2024-01-10
      • 黄献文,姚直书,王伟,周爱兆,姜朋明
        2021, 53(1): 47-59. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000235
        摘要：为准确分析土石混合体边坡稳定性，提出了一种基于原始块石形状库的随机土石混合体边坡模型构建方法。采用该方法和有限元极限分析软件Optum G2，结合土石混合体边坡物理模型试验，研究了块石掺量、长轴倾角和土石接触面强度对土石混合体边坡稳定性的影响。结果表明：块石在边坡剪切带存在“绕行”“分流”“包含”3种塑性扩展模式，并改变边坡剪切带的曲折点、长度和发展方向；当块石掺量大于20%时，块石分布对边坡稳定性的影响较大；在高块石掺量下，边坡容易出现“局部”或“崩解式”破坏；在相同块石掺量下，块石长轴倾角平行或垂直于边坡剪切带时，边坡分别获得最小或最大安全系数；当块石长轴垂直于边坡剪切带时，边坡容易出现“崩解式”破坏，这主要与块石长轴对于边坡剪切带发展的“诱导”效应有关；在相同块石分布模型下，边坡安全系数随土石接触面系数的减小而降低，甚至会低于均质土边坡；当土石接触面强度低于土体强度时，块石对边坡剪切带存在“吸引”效应。研究结果为土石混合体边坡稳定性的评估和治理提供参考。  
        关键词：土石混合体边坡;极限分析;随机块石模型;块石掺量;长轴倾角;土石接触面   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王力,刘世忠,丁万鹏,牛思胜,武维宏
        2021, 53(1): 60-66. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000267
        摘要：为探索干寒地区新型波形钢腹板组合箱梁的温度场分布特征和温度效应，弥补现行规范中缺乏其温度梯度模式定义的不足，以西北干寒地区某新型波形钢腹板组合箱梁为研究对象，采用现场温度观测数据，分析该新型组合结构在日照作用下的温度分布规律，并运用最小二乘法拟合，提出其2维温度梯度模式；建立新型波形钢腹板组合箱梁全桥精细化有限元模型，并通过实测温度梯度函数计算该桥的温度响应；探析压型钢板对新型波形钢腹板组合箱梁温度应力的影响规律。研究结果表明：基于现场实测数据拟合的竖向分段多项式和横向指数函数组成的新型波形钢腹板组合箱梁2维温度梯度，与实测温度场计算值吻合良好，可为该地区类似工程温度荷载计算提供参考；日照温度作用下，新型波形钢腹板组合箱梁顶板与腹板交界面存在明显的温度梯度。翼缘板上缘、顶板–腹板交界面和各箱室中轴线处出现的最大横向拉应力分别为2.42、1.83和1.26 MPa，可能引起桥面板开裂，在设计中应给予重视；实测温度梯度下，闭口型压型钢板可使各箱室顶板中轴线上缘横向拉应力降低0.5 MPa以上，对桥面板抗裂有利；而开口型压型钢板可使各箱室翼缘板上缘横向拉应力提高15%～18%，对桥面板抗裂不利。  
        关键词：组合梁;压型钢板;温度场;温度效应;温度应力   
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        发布时间：2024-01-10
      • 魏东,陈明,叶志伟,卢文波,李桐
        2021, 53(1): 67-74. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900872
        摘要：岩体动态强度特性及受力变化规律是研究炮孔近区岩体破坏特征的关键，采用合理的动态强度模型直接决定了炮孔破坏区范围计算结果的正确性。因此，利用理论分析与现场试验相结合的方法，研究了基于应变率相关动力强度特性下炮孔破坏区范围的计算方法。利用柱面波的位移协调方程，推导了炮孔近区岩体质点的应变率计算公式，并应用于岩体应变率相关的动抗压、抗拉强度准则；建立了岩体应变率相关的炮孔破坏区范围的计算模型，避免了因应变率参数的经验选取导致计算结果误差较大的问题。同时，利用实际工程中台阶爆破破坏区的实测结果，分析了不同孔径、装药条件下岩石底部残孔的破坏特性，并对不同破坏区的范围进行了测量及统计。由实测统计数据与计算结果的对比分析可知，不同孔径及装药条件下粉碎区、破碎区及裂隙区的理论计算结果与试验统计结果均较为接近，验证了不同条件下计算模型的准确性。研究成果对实际工程爆破破坏区范围预测及数值模拟有重要的参考意义。  
        关键词：爆破破岩特征;动力作用;应变率相关;岩体动态强度   
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        发布时间：2024-01-10
      • 杨乾,杨庆华,赵子成,林宏,尧远,牟祎
        2021, 53(1): 75-84. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000026
        摘要：折板型竖井因具有适用性强、消能效果好等优点，被广泛应用于深隧排水系统中，为充分揭示泄流过程中折板型竖井内高速水气两相流动特性，开展了1∶25水力模型试验，并采用Realizable k–ε模型和水气两相流VOF法进行数值模拟，研究不同入流条件下竖井内水气分布规律，阐明竖井湿区空穴区形成机理及干区气压变化过程，分析竖井壁面压强及折板水动力荷载分布。结果表明：竖井内“空穴区”的形成原因一方面是因为内部空气达到压缩极限而形成，另一方面是由于水流卷吸作用导致竖井湿区为负压而产生；大入流量时流速在竖井内呈现出“中部小、两头大”的分布规律，小入流量时流速沿竖井深度方向逐渐减小；当竖井盖板密封时，顶部压强介于–0.96～2.46 kPa之间，当盖板相对孔径大于0.105时竖井顶部压强基本为0；竖井壁面压强随着竖井高度的降低而增大，竖井上、中、下折板的壁面最大压强分别为42.25 kPa、21.5 kPa和16.75 kPa。研究结果对深隧排水系统折板型竖井设计理论与安全运营提供参考。  
        关键词：深隧排水系统;折板型竖井;水力特性;数值模拟;物理模型   
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      • 向珂,杨中华
        2021, 53(1): 85-93. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000402
        摘要：天然河道中坝田滞水区的低速环流特点能够促进泥沙淤积，延长营养盐滞留时间，为水生植物提供良好的生长环境。关于滞水区水动力学的研究已有诸多成果，然而植被影响下的滞水区流场分析却鲜有报道。本文采用模型试验研究了挺水植被作用下滞水区水流结构与泥沙落淤问题，其中，在清水条件下采用粒子图像测速法（PIV）测量了流场结构，在浑水条件下采用拍照、称重以及粒度分析等手段调查了淤沙现象。试验结果表明：植被群落可以削弱滞水区环流速度，并造成环流模式发生变化，即从无植被条件下的双环流结构调整为有植被条件下的单环流结构；另外，植被会抑制混合层拟序涡的发展，导致涡体尺寸明显减小。由于丁坝群的连续挑流作用，主渠泥沙主要以细颗粒悬移质形式进入滞水区，包括两种途径，一种是跟随环流结构进入空腔，另一种是跟随交界面紊动涡体扩散到空腔。由于泥沙运动受制于水动力特性，无植被与有植被两类工况下，水流结构的不同会导致滞水区淤沙结果存在一定区别，即同等历时内，无植被滞水区的淤沙颗粒粗，落淤质量大，淤积物主要集中在主环流区域；在植被化工况中，植被群落的约束作用会降低Kelvin–Helmholtz剪切层摆动强度以及抑制空腔–主渠之间的水体交换过程，导致滞水区泥沙颗粒细，淤沙少，淤积物几乎均匀地分布在整个滞水区。这些差异在上游滞水区（即水力特性沿程发展的过渡阶段）体现尤为明显。  
        关键词：滞水区;植被;模型试验;水流结构;泥沙落淤   
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      • 刘德峰,刘鹏涛,张臻悦,席银龙,柴修伟
        2021, 53(1): 94-103. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901058
        摘要：在水利水电、水底隧道等岩土工程建设中，伴有初始损伤的岩石材料长期处于轴压水压耦合环境下，严重影响岩土工程的长期稳定性。为保证处于轴压水压耦合环境下岩土工程的长期稳定性，以预加载制备的裂隙砂岩岩样为研究对象，利用特制的流固耦合多通道岩石流变系统，开展轴压水压耦合作用下裂隙砂岩单级加载蠕变试验及其蠕变模型研究，主要分析压力水与初始荷载对裂隙岩样蠕变特性的影响规律，并讨论所建立蠕变模型的准确性与合理性。结果表明：裂隙砂岩的轴向蠕变量随水压增大而减小，蠕变加速阶段的最大蠕变速率随着水压升高而增大，初始阶段和破坏阶段的最大轴向蠕变速率随初始荷载增大而增大。基于损伤理论，建立考虑初始损伤的蠕变模型基本元件的非线性方程；根据幂函数方程，提出加速蠕变黏塑性模型；根据轴压水压耦合作用下裂隙砂岩的蠕变变形特征，建立考虑时效损伤的1维非线性蠕变模型；基于增量理论，构建轴压水压下考虑时效损伤的3维非线性蠕变模型。所建立的蠕变模型预测的理论蠕变曲线与轴压水压下裂隙砂岩蠕变试验结果吻合度较高，表明所建立的蠕变模型能较好地描述轴压水压耦合作用下裂隙岩石的蠕变变化特征，蠕变模型合理。该成果为评价地应力与压力水耦合作用下岩土工程的长期稳定性提供了理论依据。  
        关键词：水压;裂隙砂岩;时效损伤;蠕变特性;蠕变模型   
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      • 刘文博,张树光,孙博一
        2021, 53(1): 104-112. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900672
        摘要：为研究深部岩石在复杂条件下的蠕变特性，采用MTS812.02试验机对岩石进行三轴蠕变试验。在分析蠕变曲线特征的基础上，结合岩石流变力学和损伤理论，将黏弹塑性损伤元件引入蠕变模型，提出确定蠕变参数的方法，实现对岩石蠕变曲线全过程的描述。结果表明：黏弹塑性损伤元件为描述岩石蠕变曲线全过程提供了一个新思路；改进的模型可考虑过应力差和时间的双重影响，进而得到蠕变参数与过应力差和时间的关系，更好地反映了岩石在蠕变过程中蠕变特性参数随时间和过应力差乘积变化而呈现的损伤劣化特性，进一步揭示了蠕变变形破坏的内在机理，也预测了岩石蠕变参数随时间和应力变化的规律；将蠕变参数拟合公式代入到原有蠕变损伤模型中，建立考虑应力和时间对蠕变参数双重影响的损伤蠕变模型；通过改进黏弹塑性损伤元件的损伤演化方程，更好地反映了岩石在蠕变过程中的损伤程度。此外，通过分析蠕变参数与应力和时间之间的变化关系，提出确定蠕变参数的新方法，得到了蠕变参数的劣化特征，更加明确了蠕变参数的物理意义；通过对比试验结果和模型计算结果，得出模型曲线在高应力状态下和试验曲线具有良好的吻合度，验证了改进的蠕变模型的正确性和蠕变参数确定方法的合理性。  
        关键词：三轴蠕变;过应力;损伤蠕变模型;蠕变参数   
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      • 路承功,魏智强,乔宏霞,薛翠真,付勇
        2021, 53(1): 113-121. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000275
        摘要：针对西部盐渍土地区混凝土结构耐久性寿命较短的突出问题，将钢筋混凝土试件置于格尔木盐渍土地区进行现场埋置，每隔150 d定期搜集试件超声声速、质量及钢筋电阻等无损退化指标，通过动弹性模量评价参数ξa、质量评价参数ξb、钢筋未锈蚀评价参数ξc及SEM图像从宏观、微观两方面进行耐久性损伤劣化评价分析，选择Wiener随机过程建模并进行寿命预测，研究结果表明：在腐蚀离子及气候的综合作用下混凝土ξa及ξb值呈波动式变化，初期略有上升，中后期加速下降，ξa值对混凝土性能变化更敏感，钢筋ξc值基本呈直线下降。盐渍土中Cl–、${\rm{ SO_4^{2-}}}$、${{\rm{CO}_3^{2-}}} $等阴离子通过扩散、毛细吸附作用进入混凝土内部，与混凝土水化产物生成Friedel’s盐、硅灰石膏、钙矾石、石膏、碳酸钙等腐蚀膨胀晶体，从微观角度观察到混凝土中腐蚀产物呈棒状、杆状、纤维状、针状分布，钢筋锈蚀产物则呈颗粒状、团簇状堆积，且钢筋表面有蚀坑形成。Wiener随机过程模型可以很好地预测盐渍土环境中钢筋混凝土寿命，且混凝土和钢筋的寿命曲线均呈3阶段变化，其中，由质量和动弹性模量退化指标得到的混凝土寿命值高于由电阻退化指标得到的钢筋寿命，同时通过混凝土相对动弹性模量得到的寿命值低于相对质量退化指标得到的寿命值，以钢筋退化指标得到C35、C40、C45钢筋混凝土在格尔木盐渍土环境中的服役寿命分别约为4500 d、5000 d及5800 d。  
        关键词：钢筋混凝土;盐渍土;Wiener随机过程;耐久性;寿命预测   
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        发布时间：2024-01-10
      • 黄旭斌,盛煜,黄龙,彭尔兴,曹伟,张玺彦,何彬彬
        2021, 53(1): 122-131. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901193
        摘要：采用单向冻结的方法，针对季节冻土区扩底桩的抗冻拔能力，分别选取不同扩角（无扩角直桩、45º、60º、70º）和不同埋深（240、290、340 mm），以及不同扩底直径（74、98、114 mm）的扩底桩开展室内试验研究。根据试验及计算结果，3组试验的最终冻结深度分别为19.51、14.36、14.80 cm。不同扩角扩底桩的最终冻拔量基本相同，且仅为直桩的28.3%；扩底桩的最终冻拔量随着埋深的增大并非按照比例减小，但随扩底直径的增大基本按比例减小。桩的冻胀量变幅随冻结深度的增大呈先增大后减小的趋势，且与土体的冻结速率呈负相关关系。直桩的冻拔速率随冻结深度先增大后迅速减小，扩底桩的冻拔速率随冻结深度呈先增大后稳定减小的趋势。土体冻胀在桩的约束下呈漏斗形，扩底桩对桩侧土的约束冻胀明显强于直桩，间接说明了扩底桩的抗冻拔能力优于直桩。根据冻结过程中土的冻结速率和桩的冻拔量的变化规律，提出将桩的抗冻拔因子作为桩抗冻拔性能的评判标准，对不同影响因素下扩底桩的抗冻拔效果进行分析，结果表明：扩角对桩的抗冻拔能力影响较小，埋深和扩底直径的增大可提高桩的抗冻拔能力。综合比较，影响扩底桩抗冻拔性能最主要的因素是扩底直径，其次为桩的埋深，影响最小的是桩的扩角大小。试验结果及分析可为季节冻土区扩底桩的抗冻拔设计及理论计算提供参考。  
        关键词：季节冻土区;扩底桩;抗冻拔能力;冻拔量;冻拔速率;约束冻胀;抗冻拔因子   
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      • 孙桐,杨坡,许泽星,王以逵,王协康
        2021, 53(1): 132-138. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901243
        摘要：中国西南地区地形地貌条件复杂，极端暴雨山洪灾害频发，显著制约地区社会经济发展。为科学认识暴雨山洪形成过程，揭示受灾地区致灾机制，构建符合区域特征的山洪灾害预警体系，以四川省屏山县中都河流域“8·16”山洪灾害为例，结合实地调查及基础资料，从地区降雨特性、洪水陡涨过程及人类活动3方面入手，系统分析了此次暴雨山洪的灾变响应过程，以及采用水位流量反推法和洪水水位陡涨率判定法计算山洪灾害预警指标阈值。结果表明：此次山洪灾害成因主要在于上游马边县地区短时强降雨导致下游屏山县中都镇河水陡涨，极大缩短了沿河居民转移时间；当地居民围滩造地侵占河道，减少了行洪面积，属于典型的地区强降雨与人类活动综合影响下的突发性暴雨山洪灾害；对比两种预警方法的结果，发现水位流量反推法预警精度稍差且多次出现漏警，洪水水位陡涨率法预警期显著延长，预警效果更为可靠。因此，建议中都河流域山洪灾害防御采用洪水水位陡涨率法和传统预警相结合，以流域划分模式构建马边屏山两县行政联合的山洪预警体系，可为该区域乃至其他类似山洪灾害频发地区的防治提供科学依据。  
        关键词：山洪灾害;致灾机理;洪水水位陡涨率;临界雨量;预警体系   
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      • 邹琴,刘四华,黄翔,杨军,顾洋,王振华,冯镜洁,李然,李克锋
        2021, 53(1): 139-145. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000420
        摘要：高坝泄洪会导致水中的总溶解气体（total dissolved gas，TDG）过饱和，其不利影响会持续较长范围，可能导致下游鱼类患气泡病甚至死亡。随着大量高坝的建成运行，这一生态环境问题更受关注。基于对大渡河水电站A的3年过饱和TDG原型观测数据，分析过饱和TDG生成释放的影响因素及其作用规律，并开展泄水方式优化的分析讨论。结果表明：不同的泄洪建筑物泄洪生成的过饱和TDG差异较为显著，深孔泄洪生成的TDG饱和度水平高于泄洪洞泄洪生成水平；TDG饱和度生成值与泄洪流量成较好的正相关关系，而与下游水位的关系并不显著；初始饱和度影响单位距离TDG饱和度降低值；水深是影响过饱和TDG释放的重要因素，水深越小的河段释放系数越大。基于3年原型观测数据的分析结果，进一步提出水电站A过饱和TDG生成预测模型，并对汛期的大坝泄洪调度提出减缓过饱和TDG影响的优化建议：当流量小于泄洪洞泄洪能力（1 384 m3/s）时，采用泄洪洞泄洪；当流量大于泄洪洞泄洪能力且小于2 600 m3/s时，采用单深孔与泄洪洞联合泄洪，可将生成的TDG饱和度控制在129%以下。多年期的原型观测研究丰富了高坝泄洪过饱和TDG的原型观测成果，为进一步探究过饱和TDG机制和减缓措施提供重要基础数据和技术支撑，对水电开发河流的水生态保护具有一定意义。  
        关键词：总溶解气体;过饱和;原型观测;模型;减缓措施   
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        机械工程

      • 林光春,廖勋宝,赵荣宽,陈世超
        2021, 53(1): 146-154. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901121
        摘要：提出一种新型2–UPR&2–RPU结构冗余并联机构，其具有2个转动以及1个移动（2R1T）自由度。运用螺旋理论分析机构的自由度及其运动特性，并利用修正的G–K公式验证分析的准确性，得出该机构含有1个冗余支链的结论。分析机构运动的约束条件，建立各支链的闭环矢量方程，求解得出机构的位置反解。基于符号运算的微分变换法对机构的速度和加速度进行分析，得到动平台速度雅可比矩阵和2阶影响系数矩阵，在此基础上进一步求解得出各支链的雅可比矩阵。运用虚功原理构建该机构的动力学模型，然后根据冗余并联机构驱动力配置方式不唯一的特点，采用驱动力二范数的优化方法推导得出驱动力和驱动功率方程。在此基础上，使用MATLAB对所构建的数学模型编写计算程序，并通过具体数值算例对所构建的运动学及动力学模型进行仿真。最后，为了验证所构建数学模型的正确性，在ADAMS中建立机构虚拟样机并进行相同条件的仿真，将该结果与MATLAB仿真结果进行对比，两者的仿真结果基本一致，表明所构建数学模型的正确性。仿真得出各杆驱动力的最大误差分别为0.091%、1.83%、1.04%、1.40%。研究结果表明，在给定的运动规律的条件下，机构没有产生刚性冲击，在运动的起点和终点处，会产生一定的柔性冲击，整个运动过程中各杆的驱动力变化平缓，驱动力二范数解所做的总功为1143.2 J。  
        关键词：冗余并联机构;运动学;动力学;功耗   
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      • 李学刚,张丽娟,魏世民,李河清
        2021, 53(1): 155-161. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901183
        摘要：为弥补精确点法、优化法和数值图谱法等已有方法的不足，进一步提高Stephenson-Ⅲ型平面六杆机构连续轨迹综合的精度，提出了一种基于傅氏级数的平面六杆机构轨迹综合的代数求解新方法。通过将Stephenson-Ⅲ型平面六杆机构拆分为四杆机构和二级杆组，对设计变量进行解耦。在利用已建立综合方法得到左侧四杆机构设计参数的基础上，依据复数矢量理论，建立了含有右侧二杆组设计变量的封闭矢量方程式，将由傅氏级数表示的连杆转角函数代入封闭矢量方程中，经过消元、代换将方程转化为由设计变量、连杆转角函数谐波参数和输入转角表示的复数方程。根据复指数的性质，得到了含有机构设计变量和连杆转角函数谐波参数的表达式，确定了转角函数谐波参数与设计变量间的函数关系。根据这一函数关系建立综合设计方程，利用Groebner基代数法进行消元，将综合设计方程化简为含有机构设计参数和连杆转角函数谐波参数一元四次方程，求解得到右侧二杆组设计变量的解析解，建立了右侧二杆组设计变量计算的通用公式。利用该方法进行连杆机构轨迹综合，可以得到左侧四杆机构的12组设计参数以及右侧二杆组的4组设计参数，将所得结果进行组合，最终可以得到48组Stephenson-Ⅲ型平面六杆机构轨迹综合设计参数。通过运动仿真程序对综合结果进行验证，检验其是否存在曲柄，有无分支、顺序问题，并依据综合误差，最终可得到满足要求的设计参数值。在理论分析的基础上，进一步归纳总结明确了使用该方法进行轨迹综合的具体步骤，利用MATLAB软件编写求解程序，并通过数值实例验证该方法的有效性和可行性。结果表明：该方法实现了Stephenson-Ⅲ型平面六杆机构的连续轨迹综合，克服了精确点法受机构未知量个数限制，无法实现多点位轨迹综合的不足。与已有数值图谱法和优化法相比，该方法不需要预先建立数值图谱库，也不需要提供优化初值，其通过方程求解得到综合设计结果，具有求解精度高、计算速度快、可重复性强的优点，更加便于计算机编程，为机构综合软件的开发提供了理论基础。  
        关键词：Stephenson-Ⅲ型平面六杆机构;轨迹综合;傅氏级数;代数法   
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        物联网

      • 黎玲利,孟令兵,李金宝
        2021, 53(1): 170-177. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000771
        摘要：显著性目标检测已经被广泛应用到图像检索、图像分割、行人重识别等领域。目前主流的显著性目标检测方法通常采用短连接加权的方式融合多级别特征信息，这种方式无法精准有效地控制信息流的传递。而且，现有的检测方法通常采用单一的特征检测，导致显著性目标区域与背景的边界不连续、易模糊。因此，本文提出一种多尺度特征提取和多级别特征融合的显著性目标检测方法。首先，利用不同扩张率的空洞卷积获取多尺度的上下文信息，弥补单一特征检测带来的不足。其次，提出一个多级别特征融合模块，该模块有效地利用浅层特征信息、深层特征信息和全局上下文特征信息之间的分布特性进行融合，不仅可以抑制噪声的传递，而且可以更有效地恢复显著性目标的空间细节结构信息。同时构建一个简洁的注意力模块，该模块有效保留特征图融合后的通道信息。本文对综合指标、平均绝对误差、结构化度量、精确率–召回率曲线和F-measure曲线进行了实验评估，在5个公开的数据集上进行的实验结果表明：相比于其他13种主流的检测方法，本文方法在不同的评估指标上均有明显的提升，在4个数据集上的综合指标和结构化度量指标均超过其他方法；并且，本文方法的可视化检测的显著图边缘轮廓连续性更好，空间结构细节信息更清晰。  
        关键词：显著性检测;多尺度特征提取;多级别特征融合;显著图;深度学习   
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      • 何云华,黄伟,王伟忠,张翠,李红,孙利民
        2021, 53(1): 178-187. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000780
        摘要：区块链因其去中心化、开放性、不可篡改、匿名性等特征，被应用于激励机制中解决权威欺骗或信任缺失问题。然而，现有基于区块链的激励机制设计存在一些设计缺陷或评估缺失等问题。为解决以上问题，本文提出了一种基于区块链的分布式激励架构，为激励机制设计提供指导和评估依据。将激励机制视为区块链中的交易，从付款流向、付款方式、付款金额3方面制定了基于区块链的激励机制的基本需求和额外需求，包括了贯穿激励交易的整个流程；并在此基础上设计了场景适配、支付策略、效果评价3阶段的基于区块链的激励机制架构。场景适配阶段通过分析场景的角色关系提取参与方的利益关系，以适应不同场景的交易验证、报酬流向的差异；支付策略阶段提供了各类密码货币、定价策略与支付方式的特点及作用，以指导密码货币的选择、定价机制的设计和付款形式的确定；效果评价阶段从安全可信、隐私保护、可拓展性等方面分析激励机制的效果，从而给出较为全面的评估。最后，利用该架构对群智感知应用实例进行激励机制设计与优化，评估结果从安全可信、隐私保护、效率提升方面体现出激励设计方案的优化效果，从而验证本架构的有效性。  
        关键词：激励机制;区块链;密码货币;支付策略;激励效果   
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        化学工程与材料工程

      • 余徽,刘泽坤,熊国栋,杨雅琪,郑一玮,魏文韫
        2021, 53(1): 188-194. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000631
        摘要：气液交叉流（GLCA）除尘系统通过分布板形成阵列液柱群以捕获工业尾气中的颗粒物，尾气颗粒脱除率随液柱群阵列单元排数的增加而增大，但系统运行能耗较高且主要集中于循环水耗。为降低循环液量及运行能耗，提出仅在对颗粒捕获起主要作用的迎风面布膜的非均匀降膜阵列以代替原液柱阵列。采用大涡模拟（LES）和离散相模型（DPM）分别对不同布膜角度的非均匀降膜式GLCA系统除尘过程的流场和颗粒运动进行数值模拟，将360°布膜角度条件视为液柱式GLCA系统模型并将其与相同操作条件下的实验数据进行对比验证，所得模拟结果与实验吻合。不同布膜角度的数值模拟结果表明：随布膜角度的减小，虽然系统单元排脱除效率逐渐降低，但系统水耗量亦随之降低，故对于特定的除尘任务，存在一个最优的布膜角度使得系统水耗量最低；对于大颗粒而言脱除效率变化相对较小，表明惯性碰撞是其主要脱除机理。结合某氨酸法复合肥生产线尾气数据，以比电耗为评价标准，利用所得模型对降膜槽的迎风面布膜角度进行寻优。结果表明，当尾气颗粒物质量脱除效率达到80%时，非均匀降膜式GLCA系统达到最低运行能耗对应的最佳布膜角度为70°，此时系统所需单元排数为634，对应的比电耗可低至1.83×10–4 (kW·h)/m3，与燃煤电厂电除尘器能效等级的1级能效相当。  
        关键词：气液交叉流;降膜流动;数值模拟;比电耗;运行能耗   
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      • 杨锐,蔡绪福,戴子林,吴海鹰,朱淮军,高丽霞,区菊花,孔振兴
        2021, 53(1): 195-202. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901203
        摘要：以二苯基二甲氧基硅烷为单体合成出八苯基环四硅氧烷（P4），将其作为一种无卤硅系阻燃剂与聚碳酸酯（PC）按比例共混挤出制得无卤阻燃聚碳酸酯。对该无卤阻燃PC样品进行极限氧指数测试（LOI）、UL–94垂直燃烧测试、扫描电镜（SEM）测试、热失重分析（TGA）、熔融指数（MI）测试和力学性能测试。实验结果表明：P4对聚碳酸酯具有显著的阻燃效果，随着P4用量增加，聚碳酸酯阻燃等级不断提高；P4均匀分布在聚碳酸酯中，燃烧后炭层随着P4用量增大逐渐致密；该阻燃聚碳酸酯热稳定性有一定的提高，当P4添加量较高时空气氛围中热失重测试后残炭率显著提升；添加P4的阻燃聚碳酸酯熔体质量流动速率（MFR）有所上升，分子量有所降低；该阻燃聚碳酸酯拉伸强度和冲击强度在P4添加量较低时下降较明显，当P4添加量达至4%后，拉伸强度和冲击强度下降幅度趋于平缓，而弯曲强度随着P4添加量增加始终变化很小。  
        关键词：八苯基环四硅氧烷;聚碳酸酯;阻燃;力学性能   
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      • 李召峰,刘超,王川,张健,王衍升,高益凡
        2021, 53(1): 203-211. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901234
        摘要：为解决地下工程灾害治理中大量消耗水泥造成的环境污染、造价高等问题，基于协同理论制备了赤泥–高炉矿渣–钢渣基三元体系全固废类注浆材料，系统研究了钢渣对赤泥–高炉矿渣二元体系工作性能、力学强度的作用规律，并结合X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、扫描电镜、压汞仪等微观测试手段分析其作用机理。试验结果表明：钢渣对赤泥–高炉矿渣二元体系力学强度具有提升作用，当其掺量为10%时，28 d抗压强度可达12.78 MPa，增幅为59.84%。钢渣经机械粉磨和高温活化后，其协同作用可进一步提高，随着钢渣粒度的减小，浆液结石体力学强度逐渐增强；随着活化温度提升，结石体力学强度呈先增加后减小的趋势。钢渣在10%最优掺量下，活化温度为700 ℃，粒径为200 目时，赤泥–高炉矿渣–钢渣基注浆材料结石体的力学强度最优，28 d强度达到15.1 MPa。此外，钢渣的掺入还可以促进赤泥–高炉矿渣基浆液的凝结，凝结时间缩短，浆液的流动性降低。微观分析表明：钢渣可参与赤泥–高炉矿渣体系的水化反应，而且钢渣微粒在浆液结石体中具有充填效应，使结石体更加密实，进而提高结石体力学强度；此外，在高温条件下，钢渣中生成钙芒硝、硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸钙胶凝矿物，可促进钙矾石和水合铝酸钙的生成，对强度具有提升作用。  
        关键词：地聚合物;注浆材料;赤泥;活化机制;协同作用   
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      • 彭青海,聂泽坤,蔡绪福
        2021, 53(1): 212-218. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901237
        摘要：荧光聚氨酯在荧光聚合物研究领域中近年受到越来越多的关注，为了制备一种具有多功能的荧光聚氨酯，以1,5–二羟基萘为荧光功能单体，合成了一种新型的具有固态和酸碱响应荧光发射的多功能聚氨酯（MFU）。采用核磁共振（1H NMR）、红外光谱（FTIR）、紫外–可见光谱（UV–vis）对其进行了结构表征，分别用溶液样品和固态薄膜样品在荧光分光光度计上研究了其荧光发光性质，还用酸碱滴加实验研究了MFU溶液样品的酸碱响应荧光性质。结果表明：核磁谱图在δ=7.20～7.54 范围内出现萘环质子吸收峰，红外光谱在1630、1548、1483 cm–1附近出现萘环骨架振动峰，可见–紫外吸收光谱中在226 nm处以及260～340 nm范围也出现萘环共轭吸收谱带；另外，选取紫外光谱中226 nm为基准，根据朗伯–比尔定律，用标准曲线法拟合定量分析可知，MFU分子链中荧光基团含量与理论计算基本一致；综合表明，分子链中含有功能基团1,5–二羟基萘的荧光聚氨酯被成功制备。荧光光谱表明，MFU样品无论是溶液状态还是固体状态，在460 nm左右宽范围内都有较强的荧光发射，而相对照的纯聚氨酯样品在两种状态下均没有明显的荧光发射。此外，溶液样品在酸（490 nm，蓝绿光）和碱（460 nm，蓝光）环境下具有不同的发光波长，最大位移超过30 nm；荧光强度方面，强碱性（pH=11）相对于强酸性（pH=3）环境下的荧光强度降低了89%。基于MFU溶液样品在酸碱环境中表现出发光颜色和发光强度的双特征响应行为，新型荧光聚氨酯MFU有望用于强酸和强碱的双信号探测。因此，通过化学键接引进荧光功能单体，成功制备了一种新型的具有固态和酸碱响应荧光发射的多功能聚氨酯。  
        关键词：荧光聚氨酯;1,5–二羟基萘;固态荧光;酸碱响应荧光   
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