最新刊期
      2021 年 第 53 卷 6 期

        滑坡堰塞湖灾害机理与防控

      • 石振明,沈丹祎,彭铭,钟启明,蒋明子
        2021, 53(6): 1-20. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100595
        摘要：崩滑型堰塞坝（本文简称堰塞坝）是由地震、降雨、火山喷发等自然因素诱发的崩塌、滑坡堵塞河道所形成的天然土石坝，其在世界范围内广泛分布。崩滑型堰塞坝的形成与溃决具有高突发性、突溃性和强致灾性，严重威胁所在流域的人民生命财产安全。因此，快速开展堰塞坝危险性评估，对应急抢险救灾具有重要的现实意义。目前，对堰塞坝危险性快速评估的研究主要集中在成坝可能性、稳定性、寿命和溃决洪水4个方面。本文总结了堰塞坝成坝影响因素和成坝快速判别公式，系统阐述了堰塞坝稳定性和寿命的定义、影响因素及快速评估模型，详细归纳分析了堰塞坝溃决模式、溃坝影响因素及坝址与下游河道的洪水快速预测模型。研究表明：堰塞坝的形成主要受地形条件、固体物源条件和水源条件的影响；其稳定性、寿命和溃决主要受坝体几何形态、坝体材料与结构和水文特征等方面影响。根据影响因素所建立的评估模型在一定程度上可以快速估算堰塞坝的稳定性、寿命、溃决流量等参数，但由于信息获取不便等问题，评估结果仍然存在一定的不确定性。基于此，本文提出今后的研究方向：1）考虑不同外因（地震、降雨等）条件下滑坡、崩塌启动及运移过程大型模型试验，建立考虑关键影响因素和水土物质相互作用的成坝快速判别模型；2）基于物探等手段开展堰塞坝坝体材料和结构参数的快速获取研究；3）建立考虑能量转换与耗散的溃坝程度快速评估模型，分析残余坝体致灾危险性；4）构建流域堰塞坝溃决洪水演进及水库调蓄减灾分析模型，指导流域水量调度及流域范围内工程建设；5）开展堰塞坝灾害链对全流域影响的快速动态风险评估，为堰塞坝灾害预测及应急处置提供重要参考依据。  
        关键词：堰塞坝;危险性快速评估;成坝;稳定性;寿命;溃决洪水   
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      • 蔡正银,钟启明,何宁,夏云峰,朱俊高
        2021, 53(6): 21-32. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100611
        摘要：堰塞体一般在自然力作用下瞬间形成，堆积体具有空间结构复杂、坝料级配宽泛、稳定性差、易在水流冲刷下发生溃决等特点。堰塞体作为一种重大的水旱自然灾害，其安全评价和灾害预测是国内外学者关注的焦点，目前尚有很多问题需要解决，包括：1）堆积体由天然宽级配土石料构成，表现出显著的状态相关性，缺乏正确描述这种宽级配堆石料状态的相关剪胀理论与本构模型；2）堰塞体形成后，会受上游堰塞湖水位抬升、持续非稳定渗流、湖区滑坡涌浪、后期地震等外荷载作用的影响，缺乏稳定性评判的标准和方法；3）堰塞体缺乏必要的洪水溢流设施，容易发生溃决，且溃决水流冲蚀过程呈明显的非线性特点，溃口水力要素指标呈强非恒定流特征，缺乏反映宽级配堰塞体材料冲蚀机理的溃决过程数学模型。为此，有必要采取现场勘查、多尺度物理模型试验、数值仿真等综合手段开展研究，揭示堰塞体外观形态、内部结构和材料宏观力学特性及其时空变异规律，提出状态相关（级配、孔隙比、应力水平）的宽级配堰塞体材料剪胀方程，建立能适应复杂应力路径的广义弹塑性本构模型与坝体极限平衡分析方法；开展大型水工模型试验和溃坝离心模型试验研究，揭示非恒定流作用下堰塞体材料的动态冲蚀特性与堰塞体溃口演化规律，建立非恒定流作用时溃口动边界条件下的挟砂水流冲蚀方程，提出考虑流固耦合的堰塞体溃决过程数学模型，实现堰塞体漫顶或渗透破坏溃坝全过程水流运动特征、坝料输移规律、溃口演化过程及结构失稳的数值模拟；综合可靠度理论与溃坝过程数值模拟方法，提出能考虑流固耦合的堰塞体渗流、变形、稳定和溃决过程的一体化数值仿真平台，构建堰塞体全生命周期安全评价与灾变模拟理论体系与方法，为提升中国堰塞体防灾减灾决策水平提供科学的理论与技术支撑。  
        关键词：堰塞体;剪胀理论;本构模型;冲蚀特性;溃决机理;多场耦合;溃决模型;稳定性评价   
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      • 蔡耀军,徐复兴,朱萌,李亚虎,高建华
        2021, 53(6): 33-42. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100608
        摘要：2018年10月10日和11月3日，金沙江上游白格滑坡两次滑动形成堰塞湖，对下游造成了巨大破坏；且其滑源区边界外仍存在K1、K2和K3等3处规模较大的残留体，有再次失稳堵江的可能性，对下游4座在建水电站构成威胁。受滑坡区自然地理地质条件制约，现阶段对白格滑坡残留体的规模、可能的失稳模式、一次失稳体积等方面的研究工作较少，不能为金沙江上游相关建设风险管理提供支撑。针对上述问题，2019年，对滑坡残留体开展了精细地形测量、变形现象详细调查、深部结构探测等工作，系统分析了3处残留体的体积、失稳方式、可能的失稳组合；在考虑失稳体的铲刮效应、运动轨迹、松方系数等基础上，对残留体入江规模进行了分析；根据河谷地形数据，基于PFC3D软件模拟和“10·10”“11·3”两次白格堰塞体的形态特征，对不同失稳规模进行了堰塞体堆积形态预测。结果表明：3处残留变形体体积分别为159.3×104、460×104、142×104 m3。滑坡残留体存在小规模坍塌、大范围卸荷变形、一定规模岩土滑移失稳3种变形破坏形式。最危险失稳工况以1–4、2–1、3–1、3–2这4个亚区同时失稳可能性最大，失稳总体积达271×104 m3。白格滑坡残留体不同失稳工况下，沿主滑槽入江堆积最大堆积高度47.5 m，堆积高程2 937.5 m；沿白格滑坡凹槽上游斜坡入江堆积最大堆积高度28.7 m，堆积高程2 923.7 m。  
        关键词：白格滑坡;残留体;失稳堵江;风险分析   
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      • 谢忱,李从江,杨兴国,范刚,李海波,周家文
        2021, 53(6): 43-53. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100607
        摘要：中国是堰塞湖灾害最严重的国家之一，堰塞湖对上游淹没区和下游溃决演进区的人民生命财产安全构成巨大威胁，深入掌握堰塞坝冲刷溃决过程可为应急泄流道的设计和下游应急避险措施的制定等提供重要科技依据。以2018年金沙江白格滑坡堰塞湖为研究背景，采用室内物理模型试验的手段对堰塞坝冲刷溃决过程进行了系统研究。结果表明：堰塞坝冲刷溃决过程一般可分为4个阶段：过流孕育阶段、溯源侵蚀阶段、溃决发展阶段及河床再平衡阶段，其中：当溯源冲刷的陡坎追溯到上游坡顶，泄流槽进口断面在侵蚀作用下突然拓宽，泄流槽将连通形成底坡i>0的斜坡道，进而导致水流流速和流量突然增大，堰塞坝进入溃决快速发展的阶段。试验进一步探究了泄流槽开挖位置、开挖深度和宽度对溃决过程的影响。研究发现：当泄流槽开挖宽度不变，深度增大时，洪峰流量降低、峰现时间延迟，溃决流量过程线更为平坦；当泄流槽开挖深度不变，宽度增大时，峰现时间延迟。最后，对泄流槽的优化设计提出建议，泄流槽位置宜布置在坝顶高程最低的垭口，以减小洪峰流量，缩短溃决历时；开挖泄流槽时，应优先考虑加大泄流槽深度，最大限度地降低溃决时的堰塞湖水位。  
        关键词：滑坡堰塞湖;物理模型试验;冲刷溃决;溃决流量;泄流槽   
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        水利与土木工程

      • 高明忠,王明耀,谢晶,李欣凯,王英伟,王飞,杨本高,张朝鹏,刘军军
        2021, 53(6): 54-63. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100258
        摘要：深刻认识采动应力路径下岩体力学响应的卸载速率效应，是科学界定实际工作面推进最优速率的重要基础。基于平煤矿区煤岩初始地应力环境，定量分析了千米级赋存深度煤岩保护层开采条件下应力演化特征，展开更为符合真实应力状态的不同卸载速率下煤岩体力学行为试验测试；同时，与未考虑采动试验结果进行对比分析。研究结果表明：1）常规三轴压缩试验，试样强度受卸载速率影响较小，在卸载速率为1～4 MPa/min时，强度并无明显变化；达到5 MPa/min时，强度才有明显的上升，约为115 MPa。2）随卸载速率增加，采动过程中煤岩体强度呈现先下降后上升再下降的趋势；卸载速率为1和4 MPa/min时，煤岩体强度达到最大，其峰值应力约为64 MPa，较卸载速率3 MPa/min时提高了12%。3）低卸载速率下试件内部的微小裂隙可以充分发育、扩展，试样裂隙密度随卸载速率增加呈减小趋势，其中，卸载速率为1 MPa/min的试样裂隙密度约为卸载速率为5 MPa/min时的1.61倍，适当降低开采速度可提高瓦斯抽采效率。4）考虑采动影响的不同卸载速率下，煤岩不仅在卸载前期出现体积压缩，在破坏阶段还出现了体积膨胀，这与未考虑采动影响的煤岩卸载全过程始终处于压缩状态有明显区别，且采动煤岩强度更小，破损程度更大。研究成果可为类似地质条件开展保护层开采设计奠定一定的理论基础。  
        关键词：保护层;应力响应;采动力学;卸载速率   
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      • 程永舟,王晓光,罗巍,黄筱云,吕行
        2021, 53(6): 64-71. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001006
        摘要：随着海洋资源大规模开发和利用，斜桩基础凭借良好的水平承载力特性在跨海大桥、海上平台、高桩码头等海洋结构物中得到了广泛应用。在波流强烈的非线性作用下，斜桩附近会发生严重的局部冲刷，降低结构物的安全性，甚至会导致破坏。为了解不同波高、流速条件下，倾斜角度对正斜桩冲刷特性的影响，并对比与垂直桩冲刷特性的差异，在波流水槽中开展波流共同作用和纯流作用下的局部冲刷试验。通过对α=0°、10°、20°、30°的正斜桩进行试验，研究了倾斜角度对冲刷历时、相对时间尺度及冲刷坑形态的影响，开展了无量纲参数Fr、KC、Ucw对正斜桩最大冲刷深度的影响分析，并与前人的垂直桩数据进行详细对比。结果表明：当桩向下游倾斜时，倾斜角度对于波流共同作用下斜桩冲刷特性有着重要的影响。与垂直桩相比，随着倾斜角度的增加，正斜桩冲刷深度发展速率、冲刷坑尺度及深度逐渐减小，相对时间尺度逐渐增大；对于20°正斜桩，当d50=0.403 mm，Uc=0.206 m/s，H=7 cm时，最大冲刷深度点由侧前方转移至正前方的时间约为60 min，远大于垂直桩。正斜桩沙丘沿中轴线对称分布，呈双峰结构，且冲刷坑形态与垂直桩明显不同；动床条件下，床面形成规则的沙波，冲刷坑尺度进一步减小，双峰更加明显。正斜桩相对冲刷深度为无量纲参数Fr、KC、Ucw的函数，与垂直桩拟合曲线的趋势保持一致。  
        关键词：斜桩;倾斜角度;局部冲刷;波流共同作用   
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      • 郝贠洪,李洋蕊,秦立达,孙浩,邬卓轩
        2021, 53(6): 72-80. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000856
        摘要：分别以配制的氯氧镁水泥、硫氧镁水泥、磷酸镁水泥为胶凝材料，采用化学发泡制备干密度等级为A05的3种镁基泡沫混凝土。通过设计正交试验，确定水胶比、镁水泥组分配比、缓凝剂掺量、粉煤灰掺量和聚丙烯纤维掺量对3种镁基泡沫混凝土抗压强度的影响程度，对比分析影响因素的作用机理，建立镁基泡沫混凝土比强度与镁水泥组分配比的函数关系式。研究结果表明：氯氧镁泡沫混凝土抗压强度影响因素的主次关系为：镁水泥组分配比>水胶比>粉煤灰掺量>聚丙烯纤维掺量>缓凝剂掺量，各因素对硫氧镁泡沫混凝土抗压强度影响显著性与氯氧镁泡沫混凝土相同，磷酸镁泡沫混凝土抗压强度影响因素的主次关系为：镁水泥组分配比>缓凝剂掺量>水胶比>粉煤灰掺量>聚丙烯纤维掺量，与氯氧镁泡沫混凝土和硫氧镁泡沫混凝土略有不同，缓凝剂掺量影响程度较高；镁水泥的组分配比是影响镁基泡沫混凝土强度的重要指标，氯氧镁泡沫混凝土与硫氧镁泡沫混凝土的抗压强度随镁水泥组分配比增加的变化趋势相同，均先减小后增大，而磷酸镁泡沫混凝土随镁水泥组分配比增加呈现先增大后减小的趋势；3种镁基泡沫混凝土的比强度与镁水泥组分配比之间存在幂函数关系。  
        关键词：镁基泡沫混凝土;配合比;正交试验;抗压强度;比强度   
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      • 卢俊龙,邢威威,王振山,孙冲
        2021, 53(6): 81-92. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001007
        摘要：震损后的古塔结构整体性差，再次受到地震作用时易发生严重破坏，甚至倒塌。采用刚性围箍对古塔砌体进行约束增强，可改善古塔砌体的受力性能。为研究受损古塔砌体采用围箍约束后的抗震性能，设计制作3个古塔子结构模型试件进行拟静力试验，观察了受损试件及其采用角钢围箍约束后的破坏现象，测试约束后试件的荷载−位移曲线；建立数值模型，计算模型试件的应力、应变及变形；通过与试验结果对比，分析约束后古塔砌体的破坏模式、承载力、刚度及延性较震损前的变化关系等。结果表明：刚性围箍装置可有效限制塔体试件在水平荷载作用下的变形和斜裂缝的扩展，提高古塔结构抵抗地震作用的能力，延缓结构刚度退化；骨架曲线的数值计算结果与试验结果一致，角钢围箍与塔体结构的协同工作性能较好，加固效果显著。研究结果可为砖石古塔抗震加固提供参考。  
        关键词：砖石古塔;围箍加固;拟静力试验;抗震性能   
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      • 邵珠山,张鹏举,魏玮,陈文文,张宏亮
        2021, 53(6): 93-102. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000996
        摘要：微波辅助混凝土骨料回收是一项污染少、能耗低的新型绿色技术。为探究微波辐射条件下含水率变化对混凝土加热效果及强度弱化的影响规律，分析微波加热完成后混凝土内部骨料与砂浆的分离效果，采用不同加热路径对混凝土试块进行加热，获得试块的升温特性，并利用单轴压缩试验得到不同含水率试块加热完成后的抗压强度。试验表明：微波辐射功率和含水率是影响混凝土破碎的2个重要因素；试块在含水率相对较高时，采用高功率微波连续加热混凝土，试块在短时低温下就会爆裂，骨料与砂浆分离界面明显，可以从破碎后的混凝土中剔选出较多砂浆附着率低的完整骨料。研究为微波辅助混凝土再生技术的进一步发展提供参考与借鉴。  
        关键词：微波辐射;混凝土;含水率;加热效果;强度弱化   
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      • 李博,汪佳飞,刘日成,伍法权
        2021, 53(6): 103-112. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100003
        摘要：探索岩体中流体的流动机理对解决隧道开挖和地下工程施工过程中的突涌水问题具有重要意义，定量描述岩石单裂隙受压剪共同作用下的渗流特性是理解裂隙渗流机理的基础，但已有研究尚未建立应力、位移、开度、惯性系数等关键控制参数之间的定量关系。本文制作了含单裂隙的花岗岩试样，采用固定剪切位移后逐渐增加法向应力的方式开展变水头渗流试验，得到裂隙渗透率的演化规律；通过高精度3维轮廓仪获取裂隙表面的形貌数据，在自主开发的基于接触力学变分原理框架的裂隙受压变形计算程序的基础上，表征不同剪切错位和不同应力条件下裂隙面的变形特性和内部空腔结构演化规律；提取裂隙开度分布数据，在COMSOL软件中求解Navier–Stocks方程，实施不同剪切位移和受压状态下的裂隙非线性渗流数值模拟；定量分析剪切位移、法向应力、空腔几何特征与非线性渗流控制参数之间的关系。结果表明：试验得到的裂隙表面破坏区域与数值模拟结果基本吻合，验证了裂隙变形计算程序的可靠性。法向应力、剪切位移分别与力学开度呈幂函数递减和指数函数递增的关系，且剪切位移的增加会导致裂隙内的接触面更集中。Forchheimer方程中的惯性系数B和临界水力梯度Jc可以定量刻画裂隙的非线性渗流特性，B和Jc与剪切位移之间呈幂函数递减关系，且随着剪切位移的增大，Jc和B的增加速率和波动范围逐渐降低：当剪切位移从2 mm增加到8 mm时，Jc的波动范围从6.10×10–3减少到1.20×10–3，降低了80.32%；B的波动范围从2.97×1014 Pa·s2·m–7减少到2.43×1013 Pa·s2·m–7，降低了91.28%。裂隙开度的相对标准偏差RSD与惯性系数B和临界水力梯度Jc之间均存在相似的幂函数关系，并据此建立了计算渗流从线性转换为非线性临界点的预测公式。  
        关键词：单裂隙;法向应力;剪切位移;裂隙变形;非线性渗流   
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      • 夏军强,陈奕锦,邓珊珊,周美蓉,王增辉
        2021, 53(6): 113-121. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001085
        摘要：小浪底水库是保障黄河下游防洪、供水等目标的关键性骨干工程，故研究小浪底水库优化调度方式对于水库塑造下游河道形态及排沙减淤等方面具有重要意义。研究建立了小浪底水库水–沙–电耦合的优化调度模型，通过经济价值量化发电效益与水库排沙减淤效益，形成发电效益最大和综合效益最大两类优化目标；根据小浪底水库拦沙后期调度规程，对坝前水位、下泄流量、水轮机出力进行约束，并采用动态规划逐日求解，分析了在不同优化目标下典型枯水年（2015年）与丰水年（2012年）的调度方案及其结果。结果表明：1）当优化目标为发电效益最大时，2015年和2012年的优化方案分别实现了71.30×108和102.15×108 kW·h的发电量。2）当优化目标为综合效益最大时，2015年的优化方案可实现排沙量0.31×108 t与发电量70.17×108 kW·h，而2012年的优化方案可实现排沙量1.66×108 t与发电量95.24×108 kW·h。3）2种优化目标都实现了综合效益的提升，而以综合效益最大为优化目标时，牺牲部分发电效益换取汛期库区冲刷，增加了水库使用寿命与水库排沙减淤效益，相较实际方案进一步提升了综合效益。4）2个典型年份的优化方案均较实际调度结果实现了发电效益与综合效益的提升，且丰水年的提升更为明显；此外，还针对典型年份现有调度方式，提出了相应的优化建议。  
        关键词：水–沙–电耦合;水库调度;优化效益;动态规划;小浪底水库   
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      • 王钰轲,于博文,曹天才,郭成超,钟燕辉,石明生
        2021, 53(6): 122-131. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001030
        摘要：土与结构物的界面力学性质一直都是岩土工程探究的热点，为了探究非水反应高聚物与混凝土的界面剪切特性，基于单调直接剪切试验研究了竖向应力、剪切速率对高聚物–混凝土界面抗剪强度和剪切模量等特性的影响。结果表明：在给定的竖向应力与剪切速率下，随着剪切位移的增加，高聚物–混凝土界面呈现出剪切软化的现象。剪切速率对界面抗剪强度、黏聚力、摩擦角影响较小，对界面剪切模量值有显著影响，并且剪切模量值随着剪切速率的增加不断减小，减小幅值明显；竖向应力对高聚物–混凝土界面抗剪强度以及剪切模量值有显著影响，高聚物–混凝土界面抗剪强度、剪切模量值随着竖向应力的增加而不断增加。最后，建立了高聚物–混凝土界面的双曲线本构模型，并依据相关试验结果初步验证了模型的有效性。  
        关键词：高聚物;界面剪切特性;抗剪强度;剪切模量;本构模型   
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      • 侯贺营,潘卓杰,姜朋明
        2021, 53(6): 132-141. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001131
        摘要：珊瑚岛礁主要由颗粒形状不规则、多孔隙、高压缩性、易破碎的钙质砂组成。在进行珊瑚岛礁生态开发建设时，由于其地基土钙质砂具有特殊性，有必要针对颗粒易破碎的钙质砂进行本构模型研究，为设计施工提供参考。本文通过开展不同围压下的钙质砂三轴试验并筛分颗粒，得到应力–应变关系曲线及级配变化曲线，结果表明：对于同一级配、同一密实度的钙质砂，在不同围压下存在不同程度的应变软化和剪胀性，尤其在较低围压下更为明显；存在应变软化和剪胀性的围压范围内，随着围压的增大，其偏应力峰值点和临胀点所对应的轴向应变越大；不同围压下钙质砂颗粒均出现了不同程度的颗粒破碎，且围压越大其颗粒破碎程度越大，细粒含量相对越多。同时，为准确描述考虑颗粒破碎的钙质砂应力–应变关系，基于分形理论和莫尔–库仑理论建立颗粒破碎指标对峰值内摩擦角进行修正，并结合试验数据对“南水”模型中的切线变形模量和切线体积比进行修正，明确了各材料常数的意义，建立了考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型。采用Fortran语言将修正的本构模型汇编程序进行模拟，并与试验结果进行对比，两者较为吻合。此外，引用文献中相关试验数据对所建立的考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型进行推广验证，表明该模型依然能较为准确地反映钙质砂在不同围压下存在的应变软化和剪胀性。  
        关键词：钙质砂;本构模型;颗粒破碎;分形理论;应变软化;剪胀性   
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      • 陈鑫,朱劲松,叶仲韬,伊建军
        2021, 53(6): 142-147. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000930
        摘要：为有效评估悬索桥索夹螺杆轴力的损失程度，对悬索桥索夹螺杆轴力超声识别方法进行了影响因素分析及实桥应用。首先，基于声弹性效应建立螺杆轴力计算公式，并用于螺杆轴力识别；然后，分析无应力声时差异和应力系数差异对识别精度的影响；最后，将该方法用于识别螺杆张拉效率和梁段吊装过程中的螺杆轴力损失。结果表明：1）悬索桥索夹螺杆声弹性效应明显，螺杆轴力识别误差均在1.1%以内。2）传感器耦合状态和螺杆几何、材料参数差异均会影响螺杆无应力声时，从而影响螺杆轴力识别精度，二者引起的轴力识别偏差分别为47.7和43.7 kN。3）不同螺杆应力系数存在差异，标定螺杆与待测螺杆应力系数差异引起的轴力识别偏差为4.75%。4）通过实测声时计算螺杆张拉效率来控制螺母拧紧程度，螺杆张拉效率达到94%以上，较未控制螺母拧紧程度前最大增加了95.93%；索夹螺杆轴力随梁段重量的增加损失严重，实测索夹平均轴力最低为424.32 kN，仅达到设计轴力的56.58%，在梁段吊装过程中应及时对索夹螺杆进行补张拉，确保施工安全。  
        关键词：悬索桥;索夹;螺杆;轴力识别;声弹性效应;影响因素分析   
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      • 闫旭峰,许泽星,孙桐,王协康
        2021, 53(6): 148-154. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100134
        摘要：山区河流山洪过程常挟带大量泥沙，并引发河床剧烈变形，尤其是宽窄相间河段河床急剧调整、水位陡涨极易增加展宽河段洪水淹没风险。研究山洪演进的水沙输移及河床变形对于防洪减灾具有重要意义。本文采用2维水沙动力学数值试验探究上游来沙变化条件下，宽窄相间河段水沙输移及河床变形过程。结果表明：当上游来沙充足时，洪水携带泥沙在展宽段淤积、缩窄段冲刷，河床在泥沙输移过程中整体上抬；当上游没有来沙时，河床整体呈现下切趋势。究其原因，主要在于河道饱和输沙导致河床整体淤抬，从而导致上游水位陡涨增加水面比降，床面切应力变大，从而提高河道输沙率，而宽窄河段床面起伏增大床面形态阻力，促使上游水位上涨；泥沙来量较少时，河床冲刷为主，水位下降，水面比降趋于变缓。  
        关键词：山区河流;宽窄相间河段;山洪水沙输移;水位上涨;数值试验   
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      • 王浩,陈铭,彭国平,舒雨清,假冬冬,李坚
        2021, 53(6): 155-164. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100468
        摘要：桥墩绕流冲刷是水流、泥沙和桥墩三者相互作用的结果，桥墩周围复杂的水沙运动关系是造成桥梁水毁的重要原因。定量分析桥墩冲刷地形特征规律及其与水流之间的相互作用关系，是深入研究桥墩绕流水沙作用机理及实际工程应用的重要突破口。本文开展2种坡降条件下、不同倾角均匀沙动床桥墩绕流冲刷试验，并沿下游方向设置4个模型倾角（0°、5°、10°、15°）。使用粒子图像测速系统（particle image velocimetry，PIV）测量桥墩绕流2维流场，并基于运动摄像恢复结构技术（structure from motion，SFM）实现冲刷地形3维重构，在此基础上分析床面冲刷3维地形结构和绕流流场特征，以构建紊流结构与冲刷地形相互耦合作用关系。结果表明：1）SFM方法可实现冲刷地形3维结构重构，冲刷试验平衡时，模型前方和两侧冲刷坑较深，后方冲刷坑出现凸起，沿水流方向倾斜顺延上升至床面。2）冲刷坑尺寸、面积和体积均随水流强度增大而增大，随倾角增大而减小；不同截面处冲刷坑面积、体积随坑深呈开口向上抛物线趋势增大。3）桥墩模型对后方流向流速扰动范围随倾角增大而减小，对展向流速影响范围随倾角增大而增大。4）随模型倾角增加，旋转强度与剪切应力影响范围均减小；剪切应力下切较易形成桥墩周围较深冲刷坑，而位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸，将促使桥墩后侧方浅长凹槽形成。  
        关键词：倾角;3维地形重构;2维流场;旋转强度;剪切应力;耦合关系   
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      • 吴桐,唐亮,周志祥
        2021, 53(6): 165-174. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000922
        摘要：挠度信息是桥梁健康监测的基础数据，能够为桥梁安全状态评价提供可量化的数据。本文通过分析挠度与其1、2阶导数（转角和曲率）之间的关系，提出一种利用损伤前后荷载挠度曲线的曲率面积差参数$ \Delta {A_\kappa } $识别结构局部刚度损伤的方法。该方法采用测点数量将损伤前后的曲率曲线所围成的面积划分为若干单元，将各单元面积的平方与所有单元面积平方和的比值作为损伤定位参数，利用该参数的峰值定位结构损伤位置。作为理论实例，在一座简支T梁桥的有限元模型中设置不同程度（5%～50%）和不同数量的局部刚度损伤，以各单元的曲率面积差为参数，准确定位桥梁结构损伤位置。同时，对一座有机玻璃模型桥进行损伤识别试验。结果表明：损伤位置处的曲率面积差远远大于未损伤位置，能够准确定位结构中微小程度的局部刚度损伤；且不同损伤程度下的曲率面积差与损伤程度无关，即使有测量噪声的情况下也能清晰定位出损伤位置。该方法有助于提高桥梁日常安全巡检的效率，量化检测数据，客观化识别结果，推动在实际桥梁工程中的应用。  
        关键词：桥梁健康监测;损伤识别;曲率面积差;局部刚度   
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      • 桂子钦,刘超,黄尔,刘兴年
        2021, 53(6): 175-184. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100362
        摘要：透过性坝是一种泥石流防治工程措施。对于少沙陡坡河道，透过性坝主要发挥其阻水功能。通过开展概化模型试验，研究陡坡河道透过性坝的阻水效应。在不同坝体透水率与上游流量下，测量透过性坝上游自由出流区、坝前壅水区和下游水流充分发展区的水深。建立了上游自由出流区与下游水流充分发展区的水深预测模型。基于能量方程，提出了坝前壅水区沿程水深计算模型与壅水区长度预测方法。结果表明：坝体透水率和上游流量是影响坝前水深与壅水范围的2个关键参量。当透水率越小或上游流量越大时，坝前水深越大且壅水范围也越大。下游水流充分发展区水深主要与下泄流量和河道过流条件有关。采用30组试验数据对上游自由出流区水深、坝前壅水区长度与沿程水深及下游水流充分发展区水深的预测公式进行验证，表明公式可准确预测上游自由出流区、坝前壅水区、下游水流充分发展区的水深及壅水长度。研究成果实现了透过性坝沿程水深、壅水区长度的准确预测，预测结果可为少沙陡坡河道中透过性坝的结构设计提供理论支撑。  
        关键词：透过性坝;阻水效应;坝体透水率;壅水长度;计算方法   
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        发布时间：2024-01-10

        机械工程

      • 余德平,张斌,宋文杰,郭达,彭科铭
        2021, 53(6): 185-193. DOI: 10.15961/j.jsuese.202001023
        摘要：采用层流等离子体束对钢轨钢进行表面淬火可提高其服役寿命，但目前处理参数的选取只能依靠实验方法，费时费力，若能建立表面淬火过程仿真模型，快速预测表面淬火过程温度场变化及淬火后硬化区的硬度分布，可实现最优处理参数的快速选取。作者基于有限元方法建立了层流等离子体束表面淬火过程的温度场仿真模型，通过表面淬火实验所得硬度分布确定碳扩散极限值；借助JMATPRO确定各升温速率下奥氏体转变速率，建立了金相组织预测模型。温度场仿真模型能够计算表面淬火过程中温度场分布变化，通过选取大于相变温度（如U75V钢轨钢为745 ℃）的节点可预测硬化区的宽度与深度，仿真得到的宽度、深度与实验所得宽度、深度误差在8%以内；通过提取硬化区中节点的温度变化曲线，代入金相组织预测模型可计算硬化区各节点位置处的奥氏体和马氏体转变情况，并预测硬化区截面硬度值；通过改变层流等离子体束表面淬火处理参数（包括电弧电流、阳极口径、扫描速度等）进行表面淬火实验，发现仿真模型得到的硬度值与实际硬度值有很好的吻合性，验证了所提钢轨钢层流等离子体束表面淬火过程仿真模型的正确性。  
        关键词：U75V钢;层流等离子体束;数值模拟;表面淬火;奥氏体化   
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        发布时间：2024-01-10
      • 杜柳青,李仁杰,李宝钏
        2021, 53(6): 194-203. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100340
        摘要：为提高热误差预测精度和鲁棒性，提出一种基于注意力机制和深度学习网络的数控机床热误差预测模型。采用数据转化策略，将数控机床原始温度数据转化为温度图像，直接作为深度学习网络的输入；提出一种基于注意力机制的温度敏感点识别网络，根据温度测点与热误差关联程度，赋予各温度测点不同的权值，避免了温度测点人为选取的弊端；建立12层深度CNN学习预测网络，利用其强大的图像特征学习能力，挖掘温度图像与热误差的非线性映射关系，无需对温度关键点进行预选择，保留了更多的热误差与机床温度特征关系，显著提高了模型预测精度。引入Dropout正则化方法和Adam优化算法，对深度卷积神经网络的结构与参数进行了优化，以提高热误差模型的精度与泛化能力。该方法在对G460L型数控车床的热误差验证中表现出较高的预测精度。与基于BP神经网络、多元回归、CNN网络等热误差模型比较，本文方法在泛化性性能上表现更优。  
        关键词：温度测点;卷积神经网络;机床热误差;深度学习   
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        发布时间：2024-01-10

        化学工程与材料工程

      • 马明星,朱达川,王志新,李尚之,董晨
        2021, 53(6): 204-210. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100067
        摘要：高熵合金突破以1种或2种元素作为基元的传统合金设计理念，以等摩尔比或近等摩尔比制备出具有简单相结构且综合性能优异的多主元合金，有望使金属材料的性能极限和应用空间得到进一步拓展。为了研究元素掺杂对合金物相结构、显微组织和耐磨性能的影响机理，采用真空熔炼法制备出等摩尔比的CoCrCuFeMn和CoCrCuFeMnZr高熵合金。利用XRD、OM、SEM、EDS、显微硬度计和摩擦磨损试验机测试了Zr元素添加前后CoCrCuFeMn合金的物相结构、显微组织、硬度和耐磨性。研究发现：添加Zr元素后，CoCrCuFeMnZr合金的物相结构由原来的2种FCC相转变为2种HCP相，显微组织明显细化，仍为典型的树枝晶结构。2种合金的摩擦曲线都呈现先增大后降低再稳定的变化趋势；添加Zr元素后合金的摩擦因数与质量损失率分别从原来的0.57、4.14%降低到0.47、0.49%，显微硬度从219.6 HV提高到983.5 HV。结果表明：合金相结构发生HCP转变主要与凝固过程中易于形成富含大原子半径Zr元素的粗糙固液界面和“之”字型为主的HCP位向关系有关。Cu在晶间区域富集的原因在于其熔点最低、电负性最大、原子半径仅次于Zr，且与除Zr外的所有合金元素均具有相应最大的正混合焓，故使其在凝固最晚的晶间区域聚集。Mn元素偏析系数最小是由于其熔点仅高于Cu和具有除Zr外最大的电负性差，且与Co和Zr之间存在负的混合焓，与Cu之间具有最大正混合焓，不利于其进行长程扩散和进入领先相的点阵格位所致。Zr元素添加使合金硬度和耐磨性大幅提高，是由于细晶强化、固溶强化和相结构转变所致。  
        关键词：高熵合金;显微组织;耐磨性能   
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      • 李冕,张天阳,杨丹,叶婷,徐斌
        2021, 53(6): 211-218. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100110
        摘要：过渡金属Fe2+是最经济有效且环境友好的PS活化物质，但是Fe2+易于被氧化而失去活化能力以致Fe2+/PS体系持续效果较差。为了提高Fe2+活化PS氧化降解有机污染物的效率，将碘化X射线显影剂（ICM）的典型代表碘海醇（iohexol）作为目标污染物，研究其在UV/PS、Fe(C2O4)3 3–/PS、UV/Fe(C2O4)3 3–/PS和Fe2+/PS 这4种高级氧化体系中的降解，考查Fe(C2O4)3 3–浓度、紫外光强和pH对UV/Fe(C2O4)3 3–/PS体系中碘海醇降解和PS活化分解的影响，并分析体系中Fe2+浓度变化及其转化率。结果表明：4种高级氧化体系中，碘海醇的氧化分解率分别为83.8%、7.0%、98.8%、69.9%，其中，UV/Fe(C2O4)3 3–/PS体系能够通过紫外光促进铁离子还原，溶液中对PS起活化作用的Fe2+逐渐释出，对碘海醇的降解最为高效彻底。随着Fe(C2O4)3 3–浓度的增加，UV/Fe(C2O4)3 3–/PS体系中PS的分解率不断增加，而碘海醇的降解率却先增加后减少。Fe(C2O4)3 3–4种不同初始浓度下（20、50、100、200 μmol/L），碘海醇降解速率依次为100>200>50>20 μmol/L。在UV/Fe(C2O4)3 3–/PS体系中，Fe2+浓度均是先快速增加后缓慢下降，碘海醇的降解率、PS的分解率以及Fe2+的最高转化率均与光强正相关，与pH负相关。因此，利用紫外光还原铁离子能够极大地提高Fe2+活化PS效率，且体系对于光强、pH等影响因素有较强的适应能力，在水处理高级氧化领域的具有较大的应用前景。  
        关键词：紫外光;铁离子;光还原;过硫酸盐;碘海醇   
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        发布时间：2024-01-10
      • 杨帆,李要建,柳培文
        2021, 53(6): 219-227. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100146
        摘要：生活垃圾焚烧飞灰（简称“飞灰”）熔融技术应用过程中产生的二次飞灰问题成为掣肘，掌握飞灰熔融气相产物盐分布规律，有利于二次飞灰无害化和资源化利用技术开发，对烟气净化设备设计和生产运行具有借鉴作用。选用江苏省某生活垃圾焚烧电厂产生的飞灰，利用自主研发的等离子体飞灰熔融中试系统进行飞灰高温熔融试验。通过重量差减法、X射线荧光光谱仪、电化学法等测定飞灰熔融过程中气相产物盐及熔渣的组成和产量，获得Na、K、Ca、Mg和Fe的气相迁移率。利用热力学模型模拟1000～1600 ℃、不同气氛（不通气体、氮气气氛或空气气氛）、添加0～50%辅料、飞灰含水率0～12%条件下，气相产物盐的组成及分布规律。结果表明：飞灰熔融过程中气相产物盐主要以NaCl、(NaCl)2、KCl、(KCl)2、CaCl2、KCaCl3、KMgCl3、FeCl2等形态存在，其分布规律受熔融温度影响较大，受熔融气氛、辅料添加量、飞灰含水率影响相对较小。空气气氛条件下，飞灰熔融气相产物盐中出现新产物Na2SO4。对比中试试验和热力学模型模拟结果，碱金属Na和K气相迁移率的模拟值与试验值吻合较好，碱土金属Ca、Mg和Fe气相迁移率的模拟值远小于试验值。建议利用气相产物盐的分布规律开发分盐或氯盐利用技术，实现二次飞灰的综合利用，改变二次飞灰以填埋为主的现状，彻底实现飞灰的无害化和资源化。  
        关键词：飞灰;热力学分析;气相产物盐;熔融   
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        发布时间：2024-01-10

        信息工程

      • 刘永泽,井海明
        2021, 53(6): 228-234. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000898
        摘要：频控阵（frequency diverse array，FDA）雷达通过在每个阵元辐射信号上附加一个微小频差，实现依赖于距离和角度的波束方向图合成。由于在距离角度维的缠绕和时变特性导致其波束指向难以控制。针对该问题，本文重点研究了FDA雷达发射波束时变特性和点状波束合成。首先，分析了线性频率增量FDA发射波束的时变性和空间扫描特性。其次，构建了时间调制对数频率增量和多载频频率增量FDA雷达信号模型，其中，对数频率增量方式合成的点状波束旁瓣较高，而多载频方式合成的点状波束具有较大的动态范围。接着，详细研究了时间调制信号模型中频率增量项时间变量与传播项时间变量的关系。若两者相同，则通过抵消消除波束时变特性，然而，两者具有不同的物理意义。频率增量项时间变量仅与波形产生时刻相关，当电磁信号产生并在空间传播后，其频率将不再发生变化；传播项时间变量与电磁波的传播特性有关，是变化的量。因此，两者不能相互抵消。最后，对脉冲对数频率增量和脉冲多载频频率增量模式下的发射波束进行了仿真，验证了对时间调制FDA雷达波束分析的正确性，并得出两种模式下可以合成动态前向传播的点状发射波束，且多载频模式具有较低的波束旁瓣。  
        关键词：频控阵;非线性频率增量;时变特性;点状波束合成   
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        电气工程

      • 程杉,尚冬冬,代江,钟仕凌
        2021, 53(6): 235-243. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100247
        摘要：为了缓解用能持续增加对电力系统造成的负担和解决大规模电气设备联合调度时的优化计算问题，提出了考虑需求侧响应的大规模可控用电设备和储能设备的混合分散式优化调度方法。首先，建立可控用电设备负荷和储能设备的数学模型，在此基础上，构建了以系统和各设备运行特性为约束，以系统购电费用、用户不满意度费用和储能设备损耗费用之和最小为目标函数的混合整数非线性集中式优化数学模型。其次，针对此高维、多目标和多约束且难于求解的非线性集中式优化模型，采用拉格朗日松弛法将其分解为两个子问题，即分别对应可控电气设备负荷的优化调度问题和储能设备的优化调度问题。对于前者又可进一步分解为各可控电气设备负荷的优化调度子问题，并通过内点法求解计算；对于后者又可分解为各个储能设备问题的混合整数线性优化调度子问题，并通过Benders分解法并行求解计算。然后，为了验证所提混合分散式优化方法的有效性及其优越性，基于算例，对比分析集中式和分散式优化调度时的目标函数值和电气设备优化调度结果，不同规模电气设备对集中式和分散式优化方法计算效率的影响。根据结果可见，所提优化调度方法与集中式优化方法的目标函数值基本一致，但所提方法对应的电气设备优化调度结果可以很好地响应分时电价策略，储能设备削峰填谷效果好；而且，所提混合分散式优化方法可以降低优化问题的求解复杂度，计算效率高，几乎不受电气设备规模的影响。  
        关键词：需求响应;混合整数非线性规划;分散式优化;拉格朗日松弛法;内点法;Benders分解   
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        发布时间：2024-01-10
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