输水渠道拦冰索模型试验及拦冰厚度预测研究

论文摘要

南水北调中线工程是当今世界上最宏伟的跨流域调水工程,是有效解决我国北方地区水资源严重短缺的问题,建立全国水资源合理配置的格局,保证国家经济社会和生态环境协调发展的重大举措。总干渠在冬季输水可能出现流冰、冰塞、冰坝等冰害问题,影响正常输水和工程安全。研究、优化防治冰害的安全保障措施,预防和缓解冰情、冰害,是确保工程冬季输水安全亟待解决的问题。本课题的研究提出了一种新型的有效的拦冰索结构形式——双轴拦冰索,较现有的拦冰索拦冰效果有了很大改进。本文以拦冰索模型试验为重点,对实验设备、模型设计和加工、试验原理、试验步骤做了详细描述,对拦冰索工作原理、失效模式等做了深入分析。通过对双轴拦冰索模型试验的观察和试验数据的分析,总结归纳出拦冰索的作用过程和失效模式,以及影响拦冰索拦冰效果的重要因素:水位、冰速、初始冰厚等对拦冰索拦冰厚度、拦冰索失效模式的影响规律,以及拦冰索的受力在不同工况下变化趋势。分析模型试验结论,结合实际冰情,计算得出各种工况下拦冰索的极限拦冰量,进一步计算得出了拦冰索有效距离(即布置间隔)与渠道宽度、冰厚、冰速的关系。最后,分别基于BP算法和遗传算法优化BP神经网络建立神经网络模型,依据模型试验实测数据,对不同工况对应的拦冰索前各断面的拦冰厚度进行了训练预测,将所得预测值与实测值进行分析对比表明,该模型的泛化能力较强,预测数据误差绝大部分都在合理的范围以内,其中遗传算法优化BP神经网络模型优势更为明显,预测值与实测值曲线拟合较好。本文的研究可为南水北调中线干渠冰期输水冰害应对措施研究建立预报模型提供有益的参考。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的工程背景
• 1.2 国内外发展概况
• 1.2.1 河冰形成及演变
• 1.2.2 原型观测
• 1.2.3 数值模拟和理论分析
• 1.2.4 冰期输水经验
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 冰的物理力学性质及模型试验
• 2.1 冰的物理性质
• 2.2 河冰的力学性质
• 2.3 冰力模型试验
• 2.3.1 模型冰的技术要求
• 2.3.2 模型冰的分类及发展
• 2.3.3 天然冰材料形成与生长过程的模拟
• 2.3.4 低温冰实验室
• 2.4 冰力模型试验模型律
• 2.4.1 弗汝德数相等
• 2.4.2 柯西数相等
• 2.4.3 冰数相等
• 2.5 本章小结
• 第三章 拦冰索模型试验研究
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 南水北调中线工程简介
• 3.1.2 南水北调中线冰情
• 3.2 拦冰索模型设计及加工
• 3.2.1 现有的拦冰索结构形式
• 3.2.2 双轴式拦冰索
• 3.3 拦冰索模型试验
• 3.3.1 试验模型比尺
• 3.3.2 影响拦冰效果因素
• 3.3.3 模型试验过程
• 3.3.4 试验技术方案
• 3.4 试验现象及分析
• 3.4.1 不同初始冰厚的影响
• 3.4.2 不同冰速的影响
• 3.4.3 不同水位的影响
• 3.4.4 拦冰索轴力分析
• 3.4.5 极限拦冰量及拦冰索有效距离计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于神经网络的拦冰索拦冰厚度预测
• 4.1 人工神经网络基本原理
• 4.2 BP 神经网络预测拦冰索拦冰效果
• 4.2.1 BP 网络的定义及结构
• 4.2.2 BP 算法的基本思想
• 4.2.3 BP 学习算法的步骤
• 4.2.4 BP 神经网络的优缺点
• 4.2.5 BP 神经网络模型预测拦冰索拦冰效果
• 4.3 遗传算法优化BP 神经网络预测拦冰索拦冰效果
• 4.3.1 遗传算法概述
• 4.3.2 遗传算法（GA）在BP 神经网络学习中的应用
• 4.3.3 遗传算法优化神经网络预测拦冰索拦冰厚度
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 科研情况说明
• 致谢