基于Copula函数的水文随机变量和概率分布计算

水文随机变量和分布计算是推求设计洪水地区组成、梯级水库下游设计洪水等的重要内容,对于水库下游水利水电工程规划设计与管理、城市防洪风险评估等至关重要。传统的水文随机变量和分布是根据二维变量函数分布推导而来,边际分布必须为同一类型分布,其应用受到限制。本文根据二维随机变量和概率分布定义,运用条件Copula函数和积分变换原理,严格地推导了二维相依随机变量和概率分布计算公式,以及Gamma分布、P-Ⅲ分布两类常用边际分布下变量和的分布概率计算公式,该计算公式仅为条件Copula函数的一维积分,避免了概率组合离散求和法数据转换的信息失真,克服了传统多变量分布要求边际分布为同一类型分布。以清江流域水布垭水库至隔河岩水库3h洪量组成为例,给出了水文随机变量和分布的计算方法。文中模型与计算方法以期为我国设计洪水地区组成和梯级水库下游设计洪水计算提供理论支撑。     

黄河洪水洪峰增值机理及影响因素研究

黄河洪水含沙量高,常出现洪峰流量沿程增加现象,但机理和影响因素尚无共识。本文基于断面积分的浑水连续和运动方程,推导了洪峰流量在特征线上变化的(常微分)相容方程,从而得到影响洪峰流量增加/减少的控制因素(即相容方程的源汇项)。据此,对1973—2012年间18场表现出洪峰流量沿程增加的洪水过程进行分析,计算了各控制因素的量级。结果表明,加剧洪峰增值的首要因素是外力的时间累积效应,其次是压力能沿程变化;削弱洪峰增值的主要因素是对流输运不平衡。进一步分析表明,适当增加上游流量并减少来沙,或增加上游流量并增大局部河段的过流面积,有可能抑制甚至消除洪峰增值现象。     

堰塞湖逐渐溃决洪水模拟及溃口变化影响分析

堰塞湖溃决一般为逐渐溃方式,溃决洪水与溃口变化关系密切。基于MIKE11水动力学模型和谢任之逐渐溃经验公式,开展了雅鲁藏布江堰塞湖典型溃坝方案下的溃坝洪水复演工作。在此基础上,针对溃口演变形式及演变历时差异,探讨其对溃坝洪水的影响。研究表明:MIKE11模型及谢任之经验公式模拟结果相近,假定的2/3溃坝方案成果可作为溃坝洪水计算的安全阈值;溃口演变形式及历时均对溃坝洪水有一定影响,溃口线性变化下形成的洪峰较非线性变化增加约15.3%～19.5%;洪峰与溃口历时存在非线性关系,溃口历时越短,洪峰越大;溃口大小及演变历时受堰塞体土质影响较大。研究成果进一步加深了我们对堰塞湖溃坝洪水的认识,可为堰塞湖抗洪抢险决策提供技术参考。     

台阶式溢洪道渐缩泄槽水深计算方法

通过在溢流面上布置阶梯式台阶加大了溢流面的“表面糙率”,使得消能作用显著,掺气效果良好,因此其工程应用越来越广泛。但由于泄槽形状特殊,台阶、泄槽尺寸组合情况多样,渐缩式泄槽内水流变化更加复杂,给水力研究带来了一定的难度。在实际工程需求的背景下,参照原有昌桑法计算公式和现有模型试验的测量成果,提出了改进系数法。经复核验证:改进系数法得到的台阶式溢洪道渐缩式泄槽各断面计算水深结果与模型试验量测的相应断面的水深结果十分吻合,相对误差不超过5%,表明此方法精度高,可用于计算台阶式溢洪道渐缩式泄槽水深。改进系数法为完善台阶式溢洪道渐缩式泄槽水力特性研究提供了科学依据,对工程应用具有指导意义。     

综合式消力池坎高与池深组合消能计算方法

现有底流消能计算中,综合式消力池坎高与池深组合计算的传统试算法十分繁琐,特别是坎上淹没系数计算需多次反复查表试算。为解决这一问题,通过无量纲原理、数学推导及MatLab软件数值分析,给出了坎上淹没系数简洁的高精度解析计算式,并通过对比分析得到该解析计算式最大相对误差仅为0.405%;同时还给出了跃后共轭水深的高精度解析计算式。在考虑消力池深与消力坎的组合消能影响下,给出简洁的无量纲消力坎坎高的解析计算式,并通过MatLab软件给出了无量纲坎高随无量纲单宽流量、下游水深以及消力池池深之间的二维曲面关系图,依据大量数值计算成果,给出了最不利消能工况下的坎高极值计算式。最后通过2个实例计算对比,可见所提出的简洁算法精度高且方便快捷,为工程实际设计提供了参考。     

人工免疫算法优化双支持向量机在拱坝变形预测中的应用

为了能够通过监测数据直观反映出坝体是否处于稳定运行状态,采用人工免疫算法优化的双支持向量机方法,对高拱坝变形数据进行了拟合预测分析,双支持向量机与标准支持向量机相比极大地提高了计算速度,在进行批量重复计算中计算效率明显提升。针对双支持向量机计算结果受参数影响较大且参数多的问题,引入人工免疫算法搜寻双支持向量机参数,人工免疫算法在遗传算法的基础上保留了一定数量的较优解,提升了算法的搜索效率。工程算例分析表明,参数对双支持向量机结果影响较大,通过人工免疫算法搜寻最优参数后,双支持向量机能够较好地拟合拱坝坝体变形数据,预测结果符合工程精度要求,最大误差仅为1 mm左右。     

土石坝溃口流量过程分析

基于土石坝漫顶溃决物理过程基础上,综合水库调洪演算、溃口泥沙冲蚀计算和溃口边坡稳定性分析,构建溃口流量过程的数值计算模型。利用该模型计算分析某土石坝水库发生漫顶溃决的溃口流量过程,计算分析结果表明,模型合理,计算精度较好,能反映土石坝溃口流量过程变化特点。     

基于侧压力系数变异性的隧洞围岩变形响应特征研究

以新疆东天山公路隧道为例,利用三维有限差分数值模拟软件FLAC3D,通过快速应力边界法生成符合实际工况的初始地应力场,结合实际侧压力系数λ的分布,分析λ取0.8、1.0、1.2、1.4、1.6时隧道内部变形规律。结果表明,λ从0.8增至1.6,拱顶竖向变形值减小约16%,拱底竖向变形值减小约14%,拱脚水平变形值增大3倍;在λ较低区段,注意拱顶和拱底处变形,及时安装衬砌系统,建议采取钢支撑挂网喷锚支护,对不稳定块体及时进行锚固;在λ较高区段,注意拱脚处变形,施工时要提高支护强度;在水平方向上一定范围内,由于应力状态的不同,不同沉降值出现逆向增长。     

板桩支挡结构的应力与位移弹性理论解

基坑支护挡墙的应力及位移计算是进行基坑支护设计的关键,对保证基坑安全具有重要意义。因此,基于弹性理论,建立了挡墙应力及位移的计算模型;结合边界条件与相容方程,采用半逆解法得出了极限土压力条件下挡墙应力及位移分量解析解;并考虑土压力随挡墙侧向位移非线性变化,假定挡墙处于RB位移模式,引入有限位移条件下土压力-位移效应公式,修正挡墙应力及位移解析计算式,得出了有限位移条件下挡墙应力及位移分量解析解。同时,利用ADINA软件建立了基坑及挡墙的二维数值计算模型,将解析解与数值计算结果进行对比,两者符合较好,证明了本解析方法的正确性。研究结果表明：文中提出的有限位移条件下的解析计算公式,较将挡墙简单当做悬臂梁计算更为精确可靠,较数值计算更为简单便捷,并考虑了土压力随挡墙位移的非线性变化,可作为支护挡墙常规设计的工具,具有重要的实用价值。     

不同导叶参数对混流泵水力性能的影响

为探求不同导叶参数对混流泵水力性能的影响,以比转速为438的模型泵为研究对象,在模型试验验证的基础上,采用计算流体动力学方法,以常规导叶设计为基础,在保持其他参数不变的情况下,分别数值模拟计算了4种不同导叶叶片数方案和7种不同导叶片扫掠角度方案的混流泵段水力性能。数值模拟结果表明:改变导叶叶片数对混流泵段外特性影响明显,不同流量下存在不同的最优叶片数,小流量工况运行时,应适当增加叶片数,大流量工况运行时,应适当减少叶片数;不同导叶片扫掠角度对大流量区域影响显著,不同流量存在不同的最优导叶片扫掠角度且随着流量的增大从-16°逐渐偏向+24°;在流量为510 L/s时,计算扫掠角度范围内对效率的影响达5.5%。