- 夏军;佘敦先;史良胜;曾思栋;邹磊;张艳军;陈杰;刘炳义;占车生;林忠辉;
针对数字孪生流域研发和流域综合管理的需求，重点论述了流域模拟器的概念、理论与方法以及针对长江应用的长江模拟器的研发与应用进展。流域模拟器旨在构建流域模拟通用范式，其特色与特点是：通过建设“天-空-地”一体化监测监控系统，以及研发集成气象与气候模型、流域水循环模型、水动力学模型、水质模型、水生态模型、城市模型、社会经济模型等多种模型，构建模型云系统，实现天气模拟、流域水循环过程模拟、流域生物地球化学循环模拟、河流与湖泊过程模拟，为水资源高效利用与调度、城市水循环模拟、“水-能-粮-环境-生态-经济”耦合系统及管理决策支持等流域管理与决策服务提供科技支撑。
2023年12期 v.56;No.321 1425-1431页 [查看摘要][在线阅读][下载 1028K] [下载次数：354 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：3 ] |[阅读次数：0 ] - 夏军;佘敦先;史良胜;曾思栋;邹磊;张艳军;陈杰;刘炳义;占车生;林忠辉;
针对数字孪生流域研发和流域综合管理的需求，重点论述了流域模拟器的概念、理论与方法以及针对长江应用的长江模拟器的研发与应用进展。流域模拟器旨在构建流域模拟通用范式，其特色与特点是：通过建设“天-空-地”一体化监测监控系统，以及研发集成气象与气候模型、流域水循环模型、水动力学模型、水质模型、水生态模型、城市模型、社会经济模型等多种模型，构建模型云系统，实现天气模拟、流域水循环过程模拟、流域生物地球化学循环模拟、河流与湖泊过程模拟，为水资源高效利用与调度、城市水循环模拟、“水-能-粮-环境-生态-经济”耦合系统及管理决策支持等流域管理与决策服务提供科技支撑。
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全球变暖影响了气圈、水圈、地圈与生物圈的生物地球化学循环过程，改变了气候系统的热力和动力环境，对降水、蒸散、大气湿度、土壤墒情、陆地水储量等气象水文要素产生显著影响，热浪、暴雨、洪水、干旱等极端气候灾害频发，严重威胁人类社会和生态系统的可持续发展。近年来，部分学者尝试从大气热力学角度探讨极端水文事件演变的物理成因，为阐明全球和区域水循环变化机理提供了新途径。本文综述极端降水、洪水和干旱对气候变化热力学响应的基础理论与技术方法，重点回顾国内外近年来取得的研究进展，并展望未来的研究重点和方向，为应对气候变化和防灾减灾提供理论支撑。
2023年12期 v.56;No.321 1432-1444页 [查看摘要][在线阅读][下载 1603K] [下载次数：636 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：0 ] - 熊立华;尹家波;郭生练;
全球变暖影响了气圈、水圈、地圈与生物圈的生物地球化学循环过程，改变了气候系统的热力和动力环境，对降水、蒸散、大气湿度、土壤墒情、陆地水储量等气象水文要素产生显著影响，热浪、暴雨、洪水、干旱等极端气候灾害频发，严重威胁人类社会和生态系统的可持续发展。近年来，部分学者尝试从大气热力学角度探讨极端水文事件演变的物理成因，为阐明全球和区域水循环变化机理提供了新途径。本文综述极端降水、洪水和干旱对气候变化热力学响应的基础理论与技术方法，重点回顾国内外近年来取得的研究进展，并展望未来的研究重点和方向，为应对气候变化和防灾减灾提供理论支撑。
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黄河泥沙主要来源于中游，而水沙灾害在下游最为严重，导致黄河下游河道治理与滩区发展矛盾十分突出。为此，构建了黄河下游水沙演进与洪水风险评估的耦合模型，包括长河段水沙演进的一维模型与局部河段二维水沙演进及洪水风险评估模型。对一维模型，嵌入改进后的动床阻力与水流挟沙力计算公式；对二维模型，采用无结构三角网格，能精确反映主槽及滩区的不规则边界，同时采用有限体积法求解水沙耦合控制方程，并嵌入滩区洪水风险评估模块。采用2017年低含沙洪水过程与2004年高含沙洪水过程分别对不同模块进行了验证。最后采用该耦合模型计算了1958型极端洪水过程中长河段及重点河段的水沙输移过程，并开展了不同治理模式下的滩区洪水风险评估。计算结果表明：1）在当前黄河下游河床边界条件下，洪峰沿程衰减较快。其中夹河滩至高村河段几乎全部漫滩，漫滩历时较长，平均为140 h，漫溢系数平均为1.5，是下游漫滩最严重的河段；2）在现状边界条件下，群众及农作物等受淹对象处于高风险区（风险等级大于0.85）的面积均最大。在防护堤模式下，群众处于高风险区的面积很小，占比仅为23%，但农作物处于高风险的面积较大。在三滩分治模式下，房屋及农作物处于高风险区面积均最小，高滩上仅7.3 km~2区域中的人群将处于高洪水风险中。
2023年12期 v.56;No.321 1445-1457页 [查看摘要][在线阅读][下载 2100K] [下载次数：671 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：0 ] - 夏军强;程亦菲;周美蓉;鲁俊;陈翠霞;
黄河泥沙主要来源于中游，而水沙灾害在下游最为严重，导致黄河下游河道治理与滩区发展矛盾十分突出。为此，构建了黄河下游水沙演进与洪水风险评估的耦合模型，包括长河段水沙演进的一维模型与局部河段二维水沙演进及洪水风险评估模型。对一维模型，嵌入改进后的动床阻力与水流挟沙力计算公式；对二维模型，采用无结构三角网格，能精确反映主槽及滩区的不规则边界，同时采用有限体积法求解水沙耦合控制方程，并嵌入滩区洪水风险评估模块。采用2017年低含沙洪水过程与2004年高含沙洪水过程分别对不同模块进行了验证。最后采用该耦合模型计算了1958型极端洪水过程中长河段及重点河段的水沙输移过程，并开展了不同治理模式下的滩区洪水风险评估。计算结果表明：1）在当前黄河下游河床边界条件下，洪峰沿程衰减较快。其中夹河滩至高村河段几乎全部漫滩，漫滩历时较长，平均为140 h，漫溢系数平均为1.5，是下游漫滩最严重的河段；2）在现状边界条件下，群众及农作物等受淹对象处于高风险区（风险等级大于0.85）的面积均最大。在防护堤模式下，群众处于高风险区的面积很小，占比仅为23%，但农作物处于高风险的面积较大。在三滩分治模式下，房屋及农作物处于高风险区面积均最小，高滩上仅7.3 km~2区域中的人群将处于高洪水风险中。
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对重庆9个站点不同尺度下的SPEI指数进行计算，以此为基础分析了重庆干旱时空分布规律。基于径向基神经网络模型（radial basis function,RBF），采用遗传算法（genetic algorithm,GA）改进的麻雀搜索算法（sparrow search algorithm,SSA）对RBF模型进行优化，得出GA-SSA-RBF模型，与5种传统算法优化的RBF模型和3种传统模型进行比较，统一预测区域干旱，结果表明：重庆全区干旱均呈现逐年加剧趋势，全区轻旱的发生频率较高，为12.7%～16.3%;GA-SSA-RBF模型在所有模型中的精度最高，其在3种尺度SPEI指数模拟下的GPI分别为0.667、0.689和0.712，因此GA-SSA-RBF模型可用于预测重庆干旱。
2023年12期 v.56;No.321 1458-1471页 [查看摘要][在线阅读][下载 2267K] [下载次数：539 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：4 ] |[阅读次数：0 ] - 宋刚勇;周创兵;傅少君;
对重庆9个站点不同尺度下的SPEI指数进行计算，以此为基础分析了重庆干旱时空分布规律。基于径向基神经网络模型（radial basis function,RBF），采用遗传算法（genetic algorithm,GA）改进的麻雀搜索算法（sparrow search algorithm,SSA）对RBF模型进行优化，得出GA-SSA-RBF模型，与5种传统算法优化的RBF模型和3种传统模型进行比较，统一预测区域干旱，结果表明：重庆全区干旱均呈现逐年加剧趋势，全区轻旱的发生频率较高，为12.7%～16.3%;GA-SSA-RBF模型在所有模型中的精度最高，其在3种尺度SPEI指数模拟下的GPI分别为0.667、0.689和0.712，因此GA-SSA-RBF模型可用于预测重庆干旱。
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裂隙介质非饱和渗流过程的预测和控制对地下工程应用具有重要意义。从渗流机理、预测方法和宏观尺度渗流模拟等方面对裂隙介质非饱和渗流研究进展进行了系统的分析总结。首先，评述了从非饱和单裂隙到交叉裂隙再到裂隙网络不同尺度下的复杂渗流行为及其理论预测方法，并分析了非饱和渗流行为对宏观水力参数的影响；其次，归纳了非饱和渗流数值模型和本构模型及其适用性，简述了不同模型在场地尺度非饱和渗流模拟中的实际应用。这些研究成果提高了对裂隙介质非饱和渗流规律的认识，并为工程应用提供了手段。
2023年12期 v.56;No.321 1472-1482页 [查看摘要][在线阅读][下载 1340K] [下载次数：698 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：0 ] - 杨志兵;周泽雄;薛松;郑小康;叶雨柯;
裂隙介质非饱和渗流过程的预测和控制对地下工程应用具有重要意义。从渗流机理、预测方法和宏观尺度渗流模拟等方面对裂隙介质非饱和渗流研究进展进行了系统的分析总结。首先，评述了从非饱和单裂隙到交叉裂隙再到裂隙网络不同尺度下的复杂渗流行为及其理论预测方法，并分析了非饱和渗流行为对宏观水力参数的影响；其次，归纳了非饱和渗流数值模型和本构模型及其适用性，简述了不同模型在场地尺度非饱和渗流模拟中的实际应用。这些研究成果提高了对裂隙介质非饱和渗流规律的认识，并为工程应用提供了手段。
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地震作用下液化区的埋地管道容易发生上浮破坏。为构建具有较强普适性的管道上浮风险评估的概率性分析方法，首先基于OpenSees有限元软件进行大量非线性动力响应分析，在此基础上，以管道埋深、管径、液化土层厚度、土体相对密度和地震动累积绝对速度为参数建立管道上浮位移预测模型，然后结合概率地震危险性分析的方法，以点源地震为例进行管道的全概率评估。结果表明：所提管道上浮位移预测模型与已有离心机试验结果吻合较好，基于位移预测模型的概率地震管道上浮危险性评估方法能够同时考虑位移预测的不确定性和地震动的不确定性，为从全概率角度评估管道的上浮风险提供了实现途径。
2023年12期 v.56;No.321 1483-1490页 [查看摘要][在线阅读][下载 1293K] [下载次数：115 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 杜文琪;单晟治;莫腾飞;吴强;
地震作用下液化区的埋地管道容易发生上浮破坏。为构建具有较强普适性的管道上浮风险评估的概率性分析方法，首先基于OpenSees有限元软件进行大量非线性动力响应分析，在此基础上，以管道埋深、管径、液化土层厚度、土体相对密度和地震动累积绝对速度为参数建立管道上浮位移预测模型，然后结合概率地震危险性分析的方法，以点源地震为例进行管道的全概率评估。结果表明：所提管道上浮位移预测模型与已有离心机试验结果吻合较好，基于位移预测模型的概率地震管道上浮危险性评估方法能够同时考虑位移预测的不确定性和地震动的不确定性，为从全概率角度评估管道的上浮风险提供了实现途径。
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混凝土重力坝坝顶侵彻爆炸条件下，爆炸应力波在自由面和库水界面产生的反射，影响爆炸能量的传输和混凝土的毁伤破坏效果。考虑冲击波与自由面及结构面的动态耦合相互作用，基于Lagrangian-Eulerian耦合算法，建立重力坝坝顶侵彻爆炸全耦合模型，研究了坝顶区域侵彻爆炸的冲击波传播特性，探讨了不同侵彻爆炸打击位置下坝顶的毁伤形态，并分析上游库水位对临水面毁伤范围和振动特性的影响，给出了不同工况下坝顶混凝土的毁伤体积和炸药单耗。研究表明：侵彻爆炸打击坝顶部位，坝顶毁伤形态呈现多面爆破漏斗状，坝顶的多自由面边界条件对于混凝土的毁伤破坏具有明显的加强效果；随着上游库水位的上升，上游临水面混凝土的毁伤范围减小。
2023年12期 v.56;No.321 1491-1500页 [查看摘要][在线阅读][下载 1923K] [下载次数：268 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：0 ] - 刘杰;卢文波;王高辉;舒奕展;陈明;严鹏;
混凝土重力坝坝顶侵彻爆炸条件下，爆炸应力波在自由面和库水界面产生的反射，影响爆炸能量的传输和混凝土的毁伤破坏效果。考虑冲击波与自由面及结构面的动态耦合相互作用，基于Lagrangian-Eulerian耦合算法，建立重力坝坝顶侵彻爆炸全耦合模型，研究了坝顶区域侵彻爆炸的冲击波传播特性，探讨了不同侵彻爆炸打击位置下坝顶的毁伤形态，并分析上游库水位对临水面毁伤范围和振动特性的影响，给出了不同工况下坝顶混凝土的毁伤体积和炸药单耗。研究表明：侵彻爆炸打击坝顶部位，坝顶毁伤形态呈现多面爆破漏斗状，坝顶的多自由面边界条件对于混凝土的毁伤破坏具有明显的加强效果；随着上游库水位的上升，上游临水面混凝土的毁伤范围减小。
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土石混合体边坡在自然界中广泛存在，其变形、破坏会对人类的生命财产造成重大损失。忽略块石的作用将其视为均质土坡进行研究往往过于简化。编制二维土石混合体边坡几何模型生成程序，采用极限平衡法、光滑流体动力学方法进行稳定性、大变形破坏分析，以研究块石含量对稳定性和冲击力的影响。为预测稳定性系数并计算失效概率，构建了深度神经网络模型。研究结果表明：当块石含量低于10%时，块石对边坡稳定性的影响很小；构建的神经网络模型能预测稳定性系数且相对误差在11%以内，可用于计算失效概率；冲击力时程曲线取决于块石含量、滑坡体方量、建筑物位置等多种因素。研究成果可为土石混合体滑坡的防灾减灾工作提供理论支持。
2023年12期 v.56;No.321 1501-1512页 [查看摘要][在线阅读][下载 2333K] [下载次数：593 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：3 ] |[阅读次数：0 ] - 许宵;王顺;李典庆;江健宏;庄培芝;
土石混合体边坡在自然界中广泛存在，其变形、破坏会对人类的生命财产造成重大损失。忽略块石的作用将其视为均质土坡进行研究往往过于简化。编制二维土石混合体边坡几何模型生成程序，采用极限平衡法、光滑流体动力学方法进行稳定性、大变形破坏分析，以研究块石含量对稳定性和冲击力的影响。为预测稳定性系数并计算失效概率，构建了深度神经网络模型。研究结果表明：当块石含量低于10%时，块石对边坡稳定性的影响很小；构建的神经网络模型能预测稳定性系数且相对误差在11%以内，可用于计算失效概率；冲击力时程曲线取决于块石含量、滑坡体方量、建筑物位置等多种因素。研究成果可为土石混合体滑坡的防灾减灾工作提供理论支持。
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合理确定岩体的渗流参数是水利水电工程渗流分析和控制的基础，但受岩体非均质性和渗流状态的影响，岩体的渗流参数不仅类型多样，而且变异性强，部分渗流参数甚至难以通过现场试验确定。通过收集数万组室内和现场渗流试验数据，开发了岩体渗流参数数据库系统，研究了各类岩体渗流参数的统计特征，建立了岩体渗流参数的统计模型，并简要对比了岩体渗透系数取值的分区法和分布法对工程渗流场的影响。结果表明：河谷区岩体的渗透系数在数值上服从对数正态分布，其均值和对数标准差随埋深的变化规律可分别采用幂函数和Logistic函数描述；在非达西流态下，岩体的惯性渗透系数与渗透系数在统计上服从3/2幂次关系；在非饱和状态下，岩体van Genuchten模型参数的置信上限可通过渗透系数估计，进而可通过反演分析确定其代表性取值。研究成果对于水利水电工程岩体渗流参数的类比、分析和确定具有重要意义。
2023年12期 v.56;No.321 1513-1526页 [查看摘要][在线阅读][下载 2234K] [下载次数：334 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 张营丰;陈益峰;陈锴锟;王昇;胡冉;杨志兵;
合理确定岩体的渗流参数是水利水电工程渗流分析和控制的基础，但受岩体非均质性和渗流状态的影响，岩体的渗流参数不仅类型多样，而且变异性强，部分渗流参数甚至难以通过现场试验确定。通过收集数万组室内和现场渗流试验数据，开发了岩体渗流参数数据库系统，研究了各类岩体渗流参数的统计特征，建立了岩体渗流参数的统计模型，并简要对比了岩体渗透系数取值的分区法和分布法对工程渗流场的影响。结果表明：河谷区岩体的渗透系数在数值上服从对数正态分布，其均值和对数标准差随埋深的变化规律可分别采用幂函数和Logistic函数描述；在非达西流态下，岩体的惯性渗透系数与渗透系数在统计上服从3/2幂次关系；在非饱和状态下，岩体van Genuchten模型参数的置信上限可通过渗透系数估计，进而可通过反演分析确定其代表性取值。研究成果对于水利水电工程岩体渗流参数的类比、分析和确定具有重要意义。
2023年12期 v.56;No.321 1513-1526页 [查看摘要][在线阅读][下载 2234K] [下载次数：334 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 程怀玉;黄佳乐;韩承灶;雷婷婷;季斌;
探究了不同空化数下E779A螺旋桨叶片表面空蚀风险分布及其影响机制。采用大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法和ZGB(zwart-gerbera-belamri)空化模型对不同空化数下绕E779A螺旋桨的空化流动进行了数值模拟研究，数值计算结果与实验结果吻合良好，预测的非定常空化形态与实验结果基本一致。在此基础上，基于改进的灰度值法开展了不同空化数下螺旋桨叶片表面空蚀风险研究。结果表明，改进的空蚀风险预报方法可以较好地预报空蚀风险。在其他条件一致的前提下，空化数的降低将使桨叶表面空蚀风险区域的覆盖面积增大，相应的表面空蚀风险强度最大值也将逐渐增加，桨叶表面中高空蚀风险覆盖面积随之增大。
2023年12期 v.56;No.321 1527-1535页 [查看摘要][在线阅读][下载 1394K] [下载次数：349 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 程怀玉;黄佳乐;韩承灶;雷婷婷;季斌;
探究了不同空化数下E779A螺旋桨叶片表面空蚀风险分布及其影响机制。采用大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法和ZGB(zwart-gerbera-belamri)空化模型对不同空化数下绕E779A螺旋桨的空化流动进行了数值模拟研究，数值计算结果与实验结果吻合良好，预测的非定常空化形态与实验结果基本一致。在此基础上，基于改进的灰度值法开展了不同空化数下螺旋桨叶片表面空蚀风险研究。结果表明，改进的空蚀风险预报方法可以较好地预报空蚀风险。在其他条件一致的前提下，空化数的降低将使桨叶表面空蚀风险区域的覆盖面积增大，相应的表面空蚀风险强度最大值也将逐渐增加，桨叶表面中高空蚀风险覆盖面积随之增大。
2023年12期 v.56;No.321 1527-1535页 [查看摘要][在线阅读][下载 1394K] [下载次数：349 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 李雨竹;程磊;程旭;周立浩;张橹;刘攀;
中小河流洪水灾害量多面广、治理难度大，是我国防洪减灾的薄弱环节。目前，山洪数值模拟研究较少关注二维模拟与漂浮物堵塞桥涵现象，难以准确模拟城集镇洪灾淹没过程。从山洪精细化模拟角度出发，建立了考虑桥梁堵塞情况的HEC-RAS二维非恒定流模拟模型，并以湖北省随县柳林镇2021年8月12日极端洪水事件为例进行模型验证与情景分析。研究结果表明，所建立的模型能够合理准确地模拟洪水淹没过程，与实测洪痕数据相比，模型平均误差为-0.16 m；桥梁堵塞造成研究区水位平均壅高6.5%（约0.11 m）。在百年一遇设计洪水情景下，居民区最大淹没水深为1.97 m，考虑桥梁堵塞会使最大淹没水深进一步壅高0.30 m、淹没面积进一步增大737.9 m~2。研究结果对城集镇洪灾淹没精细模拟及山区洪水预警、方案预制具有重要参考价值。
2023年12期 v.56;No.321 1536-1545页 [查看摘要][在线阅读][下载 2047K] [下载次数：649 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：0 ] - 李雨竹;程磊;程旭;周立浩;张橹;刘攀;
中小河流洪水灾害量多面广、治理难度大，是我国防洪减灾的薄弱环节。目前，山洪数值模拟研究较少关注二维模拟与漂浮物堵塞桥涵现象，难以准确模拟城集镇洪灾淹没过程。从山洪精细化模拟角度出发，建立了考虑桥梁堵塞情况的HEC-RAS二维非恒定流模拟模型，并以湖北省随县柳林镇2021年8月12日极端洪水事件为例进行模型验证与情景分析。研究结果表明，所建立的模型能够合理准确地模拟洪水淹没过程，与实测洪痕数据相比，模型平均误差为-0.16 m；桥梁堵塞造成研究区水位平均壅高6.5%（约0.11 m）。在百年一遇设计洪水情景下，居民区最大淹没水深为1.97 m，考虑桥梁堵塞会使最大淹没水深进一步壅高0.30 m、淹没面积进一步增大737.9 m~2。研究结果对城集镇洪灾淹没精细模拟及山区洪水预警、方案预制具有重要参考价值。
2023年12期 v.56;No.321 1536-1545页 [查看摘要][在线阅读][下载 2047K] [下载次数：649 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：5 ] |[阅读次数：0 ] - 汪洋;张世强;陈栋格;刘权庆;刘勇;
深埋输水隧洞常承受较高外水压力，可能导致衬砌结构破坏与外水内渗情况，隧洞衬砌结构设计中考虑高外水压力作用的影响至关重要。建立了灌浆圈-衬砌界面的应力渗流耦合接触界面模型，探讨了灌浆圈厚度、灌浆圈渗透系数和排水孔入岩深度对外水压力的影响规律。结果表明：灌浆圈的厚度增大时，衬砌承受的外水压力减小；灌浆圈渗透系数对外水压力的影响较小；当排水孔入岩深度增大时，衬砌承受的外水压力减小。研究结果可为深埋输水隧洞灌浆圈、排水孔的设计提供优化方案。
2023年12期 v.56;No.321 1546-1552页 [查看摘要][在线阅读][下载 1423K] [下载次数：290 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 汪洋;张世强;陈栋格;刘权庆;刘勇;
深埋输水隧洞常承受较高外水压力，可能导致衬砌结构破坏与外水内渗情况，隧洞衬砌结构设计中考虑高外水压力作用的影响至关重要。建立了灌浆圈-衬砌界面的应力渗流耦合接触界面模型，探讨了灌浆圈厚度、灌浆圈渗透系数和排水孔入岩深度对外水压力的影响规律。结果表明：灌浆圈的厚度增大时，衬砌承受的外水压力减小；灌浆圈渗透系数对外水压力的影响较小；当排水孔入岩深度增大时，衬砌承受的外水压力减小。研究结果可为深埋输水隧洞灌浆圈、排水孔的设计提供优化方案。
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