摘要：针对颗粒离散元程序PFC(particle flow code)无法单独适用于地下洞室开挖与锚杆支护工程尺度的问题,引入PFC-FLAC(fast Lagrangian analysis of continuum)离散-连续耦合分析方法,将求解区域划分为2个子区域:在FLAC程序中建立有限差分单元连续模型用于维持边界地应力值,同时在PFC程序中建立相应尺寸的地下洞室开挖颗粒流模型。经过基于FISH语言二次开发的数据传输设计,2个程序中的连续模型和离散颗粒模型可以进行有效数据交换和连续耦合计算,FLAC耦合边界与PFC墙体保持了良好的变形一致性和应力等价性。经验算,该离散-连续模型的分析结果符合工程经验,可以为从细观角度分析隧洞开挖与支护作用机理提供一定参考。

摘要：判断堰塞坝是否溃决是应急处置的前提,确定最终溃口形态是洪峰预测的关键。收集了1654年至今49个包含自然溃决过程的堰塞坝案例,将处置后坝体看作“新坝体”,对获取的湖区及坝体数据分类,采用统计分析与试验研究相结合的方法,基于堰塞坝案例特点、溃决过程及机制分析筛选影响坝体是否溃决及最终溃口形态的参数,并提出快速判断方法。结果表明:坝体是否溃决与上游来流、湖区库容、坝体材料、坝体长高比相关,其中长高比对坝体是否溃决的影响只反映在由IV,V类材料组成的坝体上,且该影响受制于上游来流。垂向溃决程度主要与坝体材料、坝体长高比相关。基于上述影响参数及案例经验总结得到的坝体是否溃决预测及垂向溃决程度预测方法可满足应急处置的需要。此外,坝体非均质结构,尤其底部为“假基岩”的二元叠置及三元叠置结构对垂向溃决程度影响较大,考虑垂向材料的不均匀分布可提升溃口形态预测准确性。溃口宽度受垂向溃决程度影响,对于垂向大于1/2溃坝体,河道宽度对展宽的影响不可忽略。根据输沙平衡原理,考虑实际下泄水量及垂向切深,建立了不同垂向溃决程度下的溃口顶宽、底宽经验公式,并结合试验及现场各类坝体溃口展宽数据验证,回归分析样本决定系数R^(2)均大于0.86。本研究实现了溃决判断及溃口预测研究的科学性、实用性和系统性的统一,研究结果补充了现有溃决预测模型中参数确定的理论依据,且基于有限数据得到的溃决快速评估方法可为假定参数类洪峰模型计算及现场决策者除险提供有效参考。

摘要：为定量研究大型水库运用对河口尾闾河道出汊的影响,以黄河口尾闾段为研究对象提出了一种基于改进熵权法的河道出汊阈值确定方法,根据实测水沙资料确定了尾闾河道出汊指标计算公式及相应的河道出汊阈值,在还原无小浪底工程时尾闾段水沙及河槽形态调整过程的基础上,结合出汊阈值对比分析了有、无小浪底工程时尾闾段发生河道出汊概率的差异。结果表明:河段河相系数和汛期平均水流冲刷强度分别为边界和水沙条件中对河道出汊贡献最大的两个指标;黄河口尾闾段河道出汊阈值为38.16,当出汊指标大于38.16时尾闾段发生河道出汊;小浪底工程运用约束了进入尾闾段的沙量,河道出汊概率明显减小。

摘要：基于颗粒离散元软件PFC(particle flow code)和有限差分软件FLAC(fast Lagrangian analysis of continuum)的离散-连续耦合模型,从细观角度研究了隧洞开挖边界围岩维持自平衡的压力环机制、锚杆支护围岩中性点特征和围岩-锚杆联合承载细观作用机理。结果表明:锚杆支护使开挖边界围岩压力环厚度降低,单根压接触力链量值升高并交织在锚杆周围,锚杆颗粒间平行粘结力远大于围岩颗粒平行粘结力,从细观角度良好地呈现了锚杆-围岩联合承载机制,并说明锚杆支护是保持洞室开挖面稳定的主要承载结构;围岩与锚杆颗粒变形不一致性直观体现了锚杆在隧洞围岩支护过程中的中性点特征;开挖前后临空面附近围岩的颗粒孔隙率下降百分比较无锚杆支护工况显著降低,体现了锚杆为改善开挖引起的围岩松动效应所发挥的重要作用。

摘要：拱坝体形设计需考虑多个复杂因素,如坝址河谷形状、工程地质条件、区域地震烈度、枢纽布置和泄洪方式等,是一个典型的复杂优化问题。提出了一种通用的拱坝体形参数化设计方法,可统一描述抛物线、双曲线等各类形式的拱坝。采用固定拱端位置,调整拱冠梁位置、形状、拱厚等来驱动拱坝体形变化,实现拱坝自动化建模和有限元应力变形计算。将拱坝体积最小作为优化目标,在几何、应力、稳定等约束下,进行拱坝体形智能优化。采用该方法进行某高拱坝的体形优化,优化效率高、优化效果明显,优化体形的拱坝坝体应力、建基面等效应力等均满足规范要求,柔度系数和应力水平也符合经验建议指标。

摘要：岩土颗粒材料的应变局部化失效问题广泛存在于工程设计应用中,主要表现为介观尺度上的应变局部化现象和宏观尺度上的剪切带产生,目前在微观尺度上的形成机理尚不明确。为了系统研究颗粒集合体的应变局部化的形成与演化过程,通过使用离散单元法(Discrete Element Method,DEM)模拟了指定平面应变加载路径的真三轴试验,获取了宏观和微观尺度上的颗粒材料几何、运动以及力学信息。为了找出表征应变局部化特性的最佳特征量,比较了颗粒温度、波动位移和局部剪胀角等微观指标,发现波动位移在表征应变局部化方面与其他参数相比相关性更好,并选定其作为应变局部化表征变量。为了量化颗粒集合体从应变局部化开始产生到发育完成的具体应变区间,采用莫兰指数对波动位移的空间分布特征进行统计和分析,确定了颗粒集合体在弹塑性转换阶段的发育区间。进一步对颗粒集合体应变局部化发育区间内的波动位移空间分布进行探究,并统计不同空间区域内波动位移的概率密度函数,发现研究区域外部的局部塑性在过渡阶段停止演化,而内部塑性以逾渗模式发展。最终,通过波动位移的空间分布进行聚类分析,获得了描述介观尺度上应变局部化的团簇体模型。该模型可以将颗粒集合体宏观剪切带的形成与发育和单个颗粒的微观塑性发展相联系,刻画颗粒集合体从介观尺度上的应变局部化出现到宏观尺度上剪切带完全形成的演化过程。

摘要：多级串联水电站输水发电系统管网复杂,管道与节点类型众多,传统的水电站过渡过程计算程序无法对其进行建模、确定管网拓扑关系以及计算。针对多级串联水电站输水发电系统的布置方式,开发了一套以Qt库为基础的多级串联水电站过渡过程图形建模及计算的软件。按照软件的功能需求以及各模块间相互独立的设计思想将软件划分为3个模块:以Qt图形视图框架为基础的绘图模块、以瞬变流为基础的计算模块以及用于结果展示的后处理模块。3个模块之间相互联系,用户通过主界面对3个模块进行管理。最后以两个工程算例验证软件的实用性以及正确性。

摘要：山区复杂的下垫面条件导致了山区小流域水文响应过程的复杂性,山区坡面作为山区小流域水文响应的基本单元,研究其不同下垫面条件下径流产沙水动力特征具有重要意义。为明晰山区坡面不同下垫面条件下径流水沙水动力特征,该研究选用官山河小流域作为研究对象,基于室内模拟递增式连续降雨试验方法,研究了坡度、土层厚度分布和土层底部透水性等山区坡面下垫面特性共同作用下的坡面径流产沙水动力学特征。结果表明:1)连续降雨条件下,雷诺数、水流剪切力和径流功率随着产流时间和雨强增加呈现增加趋势,Darcy-Weisbach阻力系数呈降低趋势。2)雨强增加使雷诺数均值和径流功率均值显著增加(P<0.05),设计雨强60、90、120 mm/h时的雷诺数均值、径流功率均值分别比30 mm/h的雷诺数均值、径流功率均值增加了130%、276%、366%和171%、328%、435%;坡度增加使水流剪切力均值和径流功率均值显著增加(P<0.05),坡度15°、25°的水流剪切力均值分别比坡度5°的增加了135%和187%,坡度15°、25°的径流功率均值分别比坡度5°的均值增加了224%和357%;土层厚度分布对阻力系数均值和土层底部透水的雷诺数均值、径流功率均值有显著影响(P<0.05),土层底部透水性仅对土层厚度分布为上薄下厚的雷诺数均值和水流剪切力均值有显著影响(P<0.05)。3)雨强是影响坡面产流产沙水动力特征的主导因素,对雷诺数的方差贡献率高达83.11%,水流剪切力主要受到雨强和坡度的影响,累计贡献率达67.64%,径流功率主要受到雨强和坡度的影响,累计贡献率达80.58%。在单一雨强条件下,坡度和土层厚度分布是影响水动力参数的主要因素,土层厚度分布和坡度的交互作用、土层底部透水性和土层厚度分布的交互作用对水动力参数也有一定影响。因此,在研究坡面产流产沙规律时,除考虑雨强和坡度外,还应兼顾考虑土层厚度分布和土层底部透水性及其交互作用的影响。该研究结果可为山区坡面复杂下垫面条件下的坡面产流产沙机理提供一定的理论支撑,并为改进山区小流域水文过程分布式模拟提供参数率定依据。

摘要：针对天门河-汉北河流域生活-生产-生态“三生”用水矛盾突出、水生态退化及经济社会发展受限等问题,基于水系统理论与系统动力学方法,构建“水-经济社会-生态环境”耦合模型,从系统层面研究河道内生态流量阈值的适宜性。应用情景模拟法,考虑高效节水、再生水利用率提高等调控措施及未来天然来水的不确定性,设置9种情景模拟2022—2035年研究区高、中、低3种生态流量阈值下的水资源供需及经济社会发展态势。结果表明:高效节水和再生水利用率提高均有利于缓解因生态流量阈值增大而引起的区域水资源用户间的冲突问题;从“水-经济社会-生态环境”协调发展的角度分析,建议研究区丰水年(P=25%)生态流量阈值设置为年径流量的30%~50%,平水年(P=50%)和枯水年(P=75%)生态流量阈值设置为年径流量的10%~30%;增大生态流量阈值的同时应采取提高水资源利用效率的调控措施。研究结果从“水-经济社会-生态环境”耦合系统的协同演化机制出发分析河流生态流量阈值的适宜性,为复杂水资源系统的优化运行与科学管理提供了理论基础。

摘要：通过耦合城市时变增益非线性模型(time variant gain model-urban,TVGM-urban)和暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM),模拟并分析了不同类型的城市下垫面产流非线性变化过程。以深圳市光明新区海绵城市建设示范区为研究对象,基于耦合的TVGM-SWMM模型,模拟了该地区的降雨-径流响应过程,并进一步分析了不同低影响开发(low impact development,LID)模式布设面积对径流调蓄的影响。结果表明:1)在大多数情况下,TVGM-SWMM模型的模拟效果优于SWMM模型,其原因在于前者考虑了城市地区降雨径流的非线性响应关系,并且强调了降雨强度对产流的影响;同时,TVGM-SWMM模型需要的产流参数较少,减少了对城市地区基础数据资料的需求;2)在不同设计暴雨重现期下,TVGM-SWMM模型模拟的径流过程更加符合降雨变化情况,对应的洪峰流量与最大雨强相关性更高;3)研究区LID设施的径流调蓄能力与其布设面积成正相关,其效果随暴雨重现期的增长相对减弱;相同布设面积情景下,下沉式绿地的调蓄效果优于绿色屋顶。