水利部水科学与水工程重点实验室

2018-07-06

  水利部水科学与水工程重点实验室成立于2004年6月,依托单位为水利部 交通运输部 国家能源局南京水利科学研究院。

  水利部水科学与水工程重点实验室定位于水科学与水工程科学问题的应用基础研究。跟踪水文水资源与水利工程等学科的国际前沿,瞄准科学目标与国家重大需求,充分发挥实验室多学科交叉融合的优势和综合实验能力强的特长,科学揭示水文循环过程、暴雨洪水灾害、流域水资源与水环境演变、水动力学基本理论、河流海岸水沙动力等机理,结合国际水科学技术发展及我国水利工程的开发与建设,利用现代高新技术手段研究水利工程的关键技术和模型试验量测方法,着重于水科学与水工程及其相关领域的基础理论研究、应用基础研究以及新技术研究,解决我国水利工程中的关键性技术难题,加强与国内外水科学研究机构的交流与合作,培养在国内外有较大影响的高水平科技人才,提升我国水科学研究水平和高层次人才培养质量,步入国际先进行列,成为我国水科学与水工程的创新基地和研发基地,为国家水问题及重大水工程关键技术问题决策提供前瞻性和科学性的决策依据,在解决我国水问题及重大工程问题中发挥重要作用。

  主要研究方向是:

  (1)水资源:水资源、水环境领域的基础理论、先进技术、科学管理研究,包括水资源规划与管理,水资源可持续利用战略,水资源合理配置,水资源与水环境承载能力,以及水资源优化调度等。

  (2)水文基础理论:暴雨与洪水规律,径流形成机制与模拟,水文循环机理与气候变化,人类活动及城市化进程对年径流、洪水的影响,水旱灾害,水文站网规划,水流水质数值模拟,土壤水实验等方面的研究。

  (3)防洪减灾工程:防洪风险分析与设防标准,洪水演进及洪水调度试验研究,堤坝水闸工程渗流控制与分析,堤防溃口水力学及堵口抢险技术研究和防洪枢纽水力学研究,土工合成材料在防洪减灾中的应用研究,泥石流、滑坡、地震等地质灾害预测防治技术,工程无损测试与工程物探理论与方法。

  (4)水动力学基本理论与高坝水力学

  水工模型相似率和缩尺影响研究、水工模型试验试验方法和测试手段、溃坝模拟方法研究、泄水建筑物泄洪消能技术研究、泄洪雾化模拟方法与技术、高速水流空化空蚀机理及掺气减蚀技术研究、水弹振动试验研究等。

  (5)环境与生态水力学:水环境评价和规划、全球变化对水环境影响变化研究、水环境与生物多样性保护及利用研究、大型水利工程建设对生态环境影响评价和水环境治理技术研究、水环境生态修复技术研究;水环境分析评价;水生态治理与修复;水土保持与治理等。

  (6)水流泥沙运动机理与量测技术:流域侵蚀产沙与河流输沙特性及规律的关系,挟沙水流紊动结构及输沙规律,盐水楔异重流特性及其作用下的泥沙运动规律,浮泥形成机理、物理力学特性及其运动规律,波浪和潮流的共同作用下非粘性细粉沙运动特性研究,水流与泥沙运动试验值特征量测技术,河道非恒定流、潮汐水流、近海波浪水流泥沙试验自动控制系统及试验数据采集处理系统,河道、河口、海岸水流泥沙原位自动量测技术,泥沙模型试验地形量测与后处理集成技术。

  (7)河口海岸治理开发:河口海岸长期演变和短期演变规律研究,河口海岸演变与人类活动的相互影响关系,风暴灾害与河口防潮排涝的工程对策,滩涂开发与河口海岸湿地生态的异变,河口闸下淤积治理新技术,水运工程建设与水资源综合开发利用的关系,河口海岸治理的综合开发和利用,海岸防护工程的防冲促淤效果研究,围海造陆工程中的泥沙问题,海岸电站建设中的取排水问题和泥沙问题。

  (8)河流工程泥沙:中小河流治理,河道建筑物对行洪的影响,水利枢纽总体布置及坝区河势规划,水利枢纽泥沙淤积与水库长期使用,变动回水区泥沙淤积对防洪影响及对策,枢纽下泄沙量改变后坝下河道及坝下支流河道的演变及对策,施工通航期坝区泥沙淤积研究。

  (9)岩土力学基本理论与土工测试技术:土的基本特性研究,土动力学与工程抗震研究,土体微观结构研究,土工合成材料特性研究,非饱和土物理力学特性研究,软基加固与基础工程新技术研究,岩土工程原位测试技术研究,岩土工程离心模拟技术研究,模拟理论与计算方法研究,水利水电工程方案比选与优化等。

  (10)水工程与结构安全评价:水工结构安全基础理论、水工程病害诊断、评估指标体系和防治对策研究;水工建筑物安全监测、评估和分析等。

  (11)水工材料与工程结构耐久性研究:水工材料与结构基础理论研究;水泥基复合与改性研究、水生态环境友好新材料特性研究与应用等。

  近五年来平台解决了哪些国家或行业的重大问题,取得了哪些重大突破:(每个平台根据自己的主要研究方向或科技任务提4-6个)。

  一、气候变化对中国水安全的影响及对策研究

  20世纪下半叶以来,以全球气候变暖为主要特征的气候变化已是不争的事实,但又包含许多不确定性和未知的因素。由于特殊的地理位置、气候条件,以及经济社会快速发展的阶段性特征,我国面临的水安全问题十分复杂而严峻。水旱灾害频繁仍是中华民族的心腹大患,水资源供需矛盾突出是制约经济社会发展的重要因素,水环境污染严重、水生态系统恶化是国家可持续发展的主要瓶颈。全球气候变化导致的气温升高、海平面上升,以及极端气候事件(强台风、强暴雨、高温干旱等)频次和强度的增加,将进一步威胁到我国的水安全。

  围绕气候变化对我国防洪安全、水资源安全、水生态安全和水工程安全的影响和适应对策,开展了气候变化情景、水安全要素演变规律、气候变化影响评价模型、水利适应气候变化对策等方面的研究,取得了一系列重要创新成果:建立了覆盖全国的水文、气象、地理信息、洪旱灾害等数据库群,是气候变化影响与水安全问题研究领域迄今为止最为全面、资料系列最长的数据库群,为开展气候变化影响研究奠定了坚实的资料基础;探明了全国范围不同区域气候变化对水安全影响的全要素演变规律;提出了基于水文模拟技术的突变诊断方法及河川径流变化归因定量分析方法,识别了气候要素变化和人类活动对主要江河径流变化的影响;提出了气候变化影响评价模型遴选的标准体系和区域参数率定方法,解决了无资料地区模型分析计算问题;研发了覆盖全国的业务范围广、空间尺度大的多模式多方法的全要素气候变化影响评价平台,为研究气候变化的影响提供了坚实的技术平台;发明了“大型水工极端气候模拟器”和“可调节式多应力混凝土诱导开裂装置”,探明了水工建材特性对极端气候变化的响应机理,建立了气候变化背景下水工混凝土服役环境温度、强度等级与最大冻融循环耐久性之间的定量关系;提出了气候模式综合评价指标体系和气候情景修订方法,构建了水资源对气候变化响应的脆弱性评价指标体系,评估了未来气候变化对全国十大水资源分区水安全的影响,明晰了中国适应气候变化的重点区域及相应的适应措施。

  研究成果亮点突出:一是资料基础扎实,建立了全国首个最全面、系列最长的相关数据库;二是国家需求突出,气候变化问题是全球的生态环境问题,是涉及国家发展的问题,但是由于气候变化问题的复杂性,还有许多问题需要深入研究和揭示;三是研究成果丰富,包括数据库建设、演变规律分析、影响评价综合平台构建、变化的成因定量分析、气候变化情景修订、未来趋势分析,以及适应对策和措施系统提出等;四是成果创新突出,特别是变化成因分析、情景修订方法和气候变化对水工材料特性影响方面为前沿创新成果;五是成果应用作用巨大,研究成果已应用于IPCC-AR5、“国家适应气候变化战略”、“第二次气候变化国家评估”等重要报告的编写,以及“‘十二五’水利发展规划”、“全国抗旱规划”、“全国水中长期供求规划”等规划的编制,对水利水电工程规划设计、建设和维护等有着重要指导作用,取得了显著的社会经济效益和生态效益。

  1.气候变化对水安全影响的全要素演变规律分析及径流变化归因识别

  全面系统地分析了全国不同区域气候变化对水安全影响的全要素演变规律;提出了基于水文模拟技术的突变诊断方法及河川径流变化归因定量分析方法,识别了气候要素变化和人类活动对主要江河径流变化的影响。

  (1)采用多种统计分析方法,全面系统分析了近60年来全国不同区域气温、降水、蒸发、干旱、洪涝、水资源、海平面、台风等全要素的历史演变规律。

  近60年来,中国平均气温上升速率达0.25℃/10a,其中北方及青藏高原地区升温更为明显;冬季升温显著,夏季升温较弱。全国年平均降水量无明显的趋势性变化,空间分布变化明显,其中,海河流域、淮河流域、黄河中下游降水呈减少趋势,西部、东北北部及长江下游呈现增加趋势。全国年最大1d雨量均值1980年前后变化对比不明显,但极值有所增加;东部降水日数呈普遍减少的趋势。登陆中国的台风生成个数呈减少趋势,但强台风生成个数呈增加趋势,登陆台风降水量呈明显增加趋势,强台风暴潮发生的强度和频率都有增强的趋势。中国沿海海平面整体呈上升趋势,1980~2012年,海平面上升速率为2.9mm/年,高于全球平均水平,其中,黄河南部和海南岛东部沿海上升较快。中国六大江河实测年径流量多呈减少趋势,其中海河流域、黄河中下游、辽河流域减少显著,南方河流年径流量变化趋势不显著。中国干旱灾害的严重程度、持续时间和旱灾发生范围都呈现出增加的趋势,极端干旱发生频率和严重程度都在增加,北方地区增加更为明显;南方地区干旱发生频次无明显增加趋势,但干旱发生范围在扩大。相关研究成果出版专著《气候变化对中国的影响及适应策略》,并在Hydrological Process、Journal of Water and Climate Change、水科学进展等权威期刊上发表(代表成果[6-10])。

  (2)提出了基于水文模拟技术的突变诊断理论及河川径流变化归因定量分析方法,科学定量识别了气候要素变化和人类活动对主要江河径流变化的贡献。

  河川径流的变化是气候变化、人类活动影响和社会经济发展等多种环境变化影响的结果,归因分析是当前研究的前沿难点问题。归因分析的原理是:根据实测水文过程特性与流域内人类活动特点,将实测水文序列划分为两个阶段:第一个阶段为天然阶段,将其作为基准时期;第二个阶段为人类活动影响阶段。利用天然阶段的水文气象资料率定水文模型,则模型参数反映了人类活动显著影响之前土地利用、用水结构等方面对产汇流的影响。保持模型参数不变,将人类活动影响期间的气象资料输入模型,则还原出的径流量反映了原始土地利用和用水结构状况下的产流过程。则前后两个时期天然径流的变化反应了气候变化的影响;而第二阶段天然径流与实测径流的差别反应了人类活动的影响。归因分析的关键是序列的突变性诊断,即确定受人类活动影响较小的“基准期”和人类活动影响相对明显的“人类活动影响显著期”。项目在梳理了水资源演变突变性分析的统计检测方法基础上,从物理成因角度根据水资源演变的驱动机制,提出了基于水文模拟的水资源突变点检测技术,为准确分析水资源演变归因奠定了科学基础,弥补了纯统计方法的不足。并利用流域水量平衡模拟,流域水循环模拟与敏感性分析等途径对河川径流变化的归因作了进一步的细化。

  以往对河川径流变化的原因主要是定性的描述,缺乏定量分析。项目针对流域水资源管理中的这一难题,识别了各地水文气候条件和人类活动情况的差异性,系统分析了气候变化和人类活动对黄河、海河与辽河等主要江河河川径流变化的贡献,揭示了水资源演变的机理以及变异的机制。研究表明,黄河流域上游径流变化不显著,中下游地区气候变化的影响约占35%~45%;辽河流域气候变化的影响约占45%~55%;海河流域人类活动最为激烈,气候变化的影响约占10%~30%。相关研究成果出版专著《河川径流变化及归因定量识别》,并在Journal of Hydrology、Journal of Hydrologic Engineering、Advances in Climate Change Research、水利学报等权威期刊上发表(代表成果[3,11-16])。

  2.气候变化对水安全影响评价平台构建的关键技术及全面构建

  提出了气候变化影响评价模型遴选的标准体系和参数区域率定方法,解决了无资料地区模型参数网格化问题;研发了覆盖业务范围广、在应用空间尺度大的多模式、多方法的气候变化影响评价平台。

  (1)提出了气候变化影响评价模型遴选的标准体系,为流域水资源影响评价奠定了基础。

  水文模型是模拟评价气候变化影响的主要工具,目前国内外有许多适用不同气候区的应用较为广泛的水文模型。为了探讨和分析这些模型在我国不同流域的适用性,研究中根据模型结构、物理基础、区域适应性、模型的可利用性等因素,选择了10个模型:VIC模型、XAJ模型、TOPMODEL模型、WBM-RCCC模型、GR4J模型、SMAR模型、SWAT模型、SIMHYD模型、AWBM模型、TANK模型,形成了气候变化影响评价模型库,应用时可以根据研究流域的水文气候特点,选择合适的流域。在全国不同气候区选取了224个典型流域,进行了模型的适应性检验,可根据不同区域的水文气候特点,选择出最适合研究区域的评价模型进行影响评价。相关研究成果在水科学进展等期刊上发表(代表作[18])。

  (2)根据参数的物理意义提出了水文模型参数的计算方案,完善了参数的区域化技术。

  我国大多数中小河流无监测站网,无资料地区的水文过程模拟是水文学的难题,也是国际前沿科学问题。同时,修建大量的水利工程,改变了流域的天然水系,使得水文资料序列失去其代表性,以前资料序列率定的模型参数不能用于现实流域的水文模拟。水文模型的参数区域化是解决无资料地区水文模拟的重要手段之一。项目在全国范围内,从湿润区到干旱区,选取了涵盖多种水文气候条件、植被覆盖和土壤类型的典型流域,系统比较了模型参数移植方法的优劣。构建了模型参数与流域属性直接的定量关系,分析了模型参数的区域分布规律,实现了水文模型参数区域化,在一定程度上解决了无资料地区水文模拟的难题。在此基础上,完成了中国区域参数区域化,为中国气候变化影响评价模型构建奠定了坚实的科学基础。相关研究成果在Hydrology and Earth System Sciences、水科学进展等权威期刊上发表(代表作[17-18])。

  (3)研发了全国尺度的涵盖多模式、多方法的气候变化对水安全影响评价综合平台。

  包括基于格点的全国水资源模拟模型,综合考虑气候变化、社会经济发展和人口增长的区域需水预测模型,分布式流域水质-水量耦合模型,耦合海平面上升与海陆相互作用的近海风暴潮数值模拟模型。

  基于格点的全国水资源模拟模型:在实现模型参数区域化的基础上,基于在全国范围适用性相对较好的两大水资源评价模型(VIC模型和WBM-RCCC模型),构建了基于正交网格的全国尺度的空间分辨率为0.25°×0.25°的气候变化对水资源影响评价平台。相关研究成果在Journal of Hydrometeorology、Hydrology and Earth System Sciences、水科学进展等权威期刊上发表(代表成果[19])。

  考虑气候变化的需水预测模型:气候变化对需水的影响机理是当前气候变化对水利影响的前沿科学问题,也是构建该模型的关键。气候变化对需水的影响主要是通过气温和降水两个因子的变化来体现。通过气温和降水对灌溉水量的影响以及气温升高对作物分布格局的影响,分析了气候变化对农业需水的影响;考虑工业用水的加工、冷却与净化等环节,通过气温对冷却水需求的影响分析,得到气温每升高1℃将导致冷却水增加1%~2%;通过气温对洗浴、绿地浇灌等水量的影响,分析了气候变化对生活用水的影响,气温每升高1℃,生活用水量增加1.0%左右。综合考虑气候变化、经济社会发展和人口增长等,构建了全国尺度的需水预测模型。相关研究成果在Environment, Development and Sustainability、Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change等权威期刊上发表(代表作[21-22])。

  分布式流域水质-水量耦合模型:提出了气候变化对水环境影响贡献的分析方法,初步探讨了气候变化对水生态环境的影响机理:在一定负荷水平下,温度和降水等气候条件的变化对水体质量和生态会产生一定影响,以淮河流域蚌埠闸断面为例,根据1986—2004年的淮河水环境质量数据,在污染源不变的情况下,降水和气温变化对水环境恶化的贡献率分别为3.6%和1.5%。在此基础上,基于AVSWAT2000平台,综合考虑考虑气候变化和闸坝调控等影响,构建了分布式流域水质-水量耦合模型。相关研究成果在Journal of Resources and Ecology等权威期刊上发表(代表作[23])。

  近海风暴潮数值模拟模型:为研究近海的潮波变化和海平面变化,在嵌套模型的基础上,建立了耦合海平面上升与海陆相互作用的西太平洋海域平面二维潮波模型,以模拟近海海平面上升和风暴潮变化;西太平洋海域平面二维潮波模型为基础,嵌套建立了长江感潮河段平面二维潮流数学模型,研究了海平面上升、天文潮和长江径流在感潮河段的相互作用。相关研究成果在Journal of Hydrodynamics、海洋工程等权威期刊上发表(代表作[24-25])。

  3.气候变化对水工材料和水生态环境影响试验平台构建及影响机理研究

  构建了气候变化对水工材料和生态环境影响试验平台,试验研究了水工材料特性及蓝藻生境对气候要素变化的响应机理。

  (1)发明了“大型水工极端气候模拟器”和“可调节式多应力混凝土诱导开裂装置”,试验研究了水工建材特性对极端气候变化的响应机理。

  构建了水工材料极端气候试验模拟平台,完成了混凝土抗冻试验机的升级改造工作,研制发明了“大型水工极端气候模拟器”、“可调节式多应力混凝土诱导开裂装置”,在此基础上开展了冻融循环次数与低抗冻性设防等级水工混凝土材料的寿命关系、极端寒潮低温及持续干旱事件对水工薄壁复杂应力结构开裂的影响、极端低温及持续干旱对大体积混凝土开裂的影响等方面的试验研究。首次建立了水工混凝土服役环境温度、强度等级与最大冻融循环耐久性之间的定量关系。试验研究表明,极端低温对混凝土性能的影响:在-17℃降低至-40 ℃的试验条件下,高抗冻设计水工混凝土抗折强度下降57%,抗压强度下降63%,冻融寿命指数下降约71%;长历时干旱对水工混凝土特性的影响:在180d的试验周期,相对湿度从60%下降到10%,干缩率增长167.2%,含水率损失增大66.6%,脆性系数增长13.9%。根据变化中心温度条件下水工混凝土的抗冻试验成果,为提高水工程的抗冻融的安全性与耐久性,提出了对现行《水工建筑物抗冰冻设计规范》相关内容的修订建议。相关研究成果获得国家发明专利两项,出版专著《变化条件下水工混凝土特性》,并在Advanced Materials Research等权威期刊以及大型国际会议上发表(代表作[1-2,5,27-28])。

  (2)建立了蓝藻生境模拟试验平台,开展了气候变化对蓝藻生长的影响试验研究

  完善了蓝藻生境研究试验平台,开展了气候要素变化对蓝藻生长影响的试验研究,以湖泊中蓝藻暴发期常见的优势藻种铜绿微囊藻为代表,通过室内实验系统模拟不同环境条件、营养条件和水动力条件下对蓝藻生境的影响过程,分析了气候变化因子对太湖蓝藻生长环境的影响机理,探讨了对太湖蓝藻生境影响的敏感气候因子,并初步定量分析了影响程度:温度对铜绿微囊藻生长影响较大,20~28℃范围为蓝藻生长最适宜温度,温度越高,增长和衰亡速度越快;光照为2000lux的铜绿微囊藻长势最好,在衰亡期,光照为2000lux的铜绿微囊藻衰亡的最快;水动力条件不利于铜绿微囊藻的增长,有抑制作用。相关研究成果出版专著《气候变化对河湖水环境生态影响及其对策》,并在Journal of Water Resources Development、Journal of Resources and Ecology、环境监控与预警等期刊上发表(代表作[29-30])。

  4.未来气候变化对全国水安全影响评价的关键技术、影响评估及适应对策

  提出了气候模式综合评价指标体系和气候情景修订方法,构建了水资源脆弱性评价指标体系,评估了未来气候变化对全国水安全问题的影响,首次明晰了中国适应气候变化的重点区域及相应的适应措施。

  (1)提出了气候模式综合评价指标体系和气候情景修订方法,增强了气候情景的合理性。

  未来气候变化情景是进行未来水资源状况分析的关键,目前全球气候模式普遍存在较大的偏差,因而在研究中需要对气候模式进行遴选和对气候情景进行修订。从多年均值、趋势性及变差系数等多角度建立了气候模式综合评价指标体系,系统评价了IPCC不同情景数据对中国大陆区域降水和气温的模拟能力,遴选了较适用于中国的气候模式,在一定程度上避免了不当模式对评估结果的影响。在数据评价的基础上,基于偏差理论,提出了气候情景要素修订方法,在很大程度上提高了气候情景预测的合理性,具有重要的实用价值。相关研究成果在水科学进展等权威期刊上发表(代表作[31])。

  (2)构建了水资源脆弱性评价指标体系,初步评价了未来气候情景下中国水资源脆弱区。

  基于水资源系统服务功能,识别了水资源系统脆弱性的主要影响因子,建立了水资源系统脆弱性评估指标体系和评估模型;以水资源一级分区为基本单元,评估了我国水资源系统现状脆弱性和未来水平年的脆弱性。结果表明:现状条件下,海河区、黄河区属于水资源系统脆弱性极高的地区;考虑未来气候变化,尽管气候模式预测我国北方地区降水量可能有所增加,但考虑人口增长和经济社会的发展,在未来气候变化情景下,黄河区和海河区依然是全国水资源最为脆弱的区域。相关研究成果在Urban water journal、水科学进展等期刊上发表(代表作[32])。

  (3)科学评估了未来气候变化对水资源、需水、水质、防洪、干旱、沿海供水的综合影响。

  未来气温将持续升高,尽管对降水变化预估的不确定性较大,但可能以增多为主。未来30年,中国沿海海平面将继续上升,2030年前后全海域海平面较2009年上升幅度将可能达到0.08~0.13m,其中北部湾、福建沿海和杭州湾海域,是中国沿海适应海平面上升的重点区域,沿海堤防设计中需要同时考虑海平面上升和风暴潮变化的非线性共同增水作用。未来30年,流域性洪水发生频率变化不大,但中国南方区域性山洪灾害发生的频率增多;西北融雪洪水频率增多,洪峰流量增大,峰现时间总体提前;同时,由于气候变化增加大气循环的不稳定,以及城市化进程的推进,未来城市洪涝问题将会更加突出。未来30年,全国平均受旱率总体呈现增加趋势,但在空间分布上存在差异。总体而言,辽河区、黄河中下游区和长江上游区未来干旱情势可能趋于严重,松花江区和淮河区未来干旱情势可能趋于缓和。未来30~50年,气候变暖将引起全国需水量的增加,不确定性较大,相比而言,南方增加较多,北方增加相对较少。中国主要江河径流量可能略有增加,但水资源南多北少的总体格局不会改变,北方地区仍是适应气候变化的重点。不同情景下水环境恶化程度及区域分布有所差异,未来气候变化引起淮河流域水环境恶化风险增加。相关研究成果在Journal of Hydrology、Hydrology and Earth System Sciences、Hydrological Processes、岩土工程学报等权威期刊上发表(代表作[33-36)。部分研究结论已被IPCC AR5、“第二次气候变化国家评估报告”等采纳。

  (4)首次明晰了中国适应气候变化的重点区域,提出了适应气候变化的原则和对策措施。

  提出了中国水利应对气候变化的原则:坚持适应与减缓并重,科技创新与制度创新并举,政府指导与公众参与并行,国内与国际联合。水利应对气候变化要在强化发展低碳水利、推进节水型社会建设的同时,必须加强水利基础设施建设,完善应对气候变化法律体系,增强适应气候变化能力。并分别从保障防洪安全、水资源安全、生态环境安全、水工程安全的角度,提出了具体的对策和措施,提高了气候变化适应的针对性和有效性。部分研究成果出版专著《气候变化对中国水安全的影响及适应策略》,并在Journal of Hydrometeorology、International Journal of Water Resources Development等期刊上发表(代表作[37-40]),研究结论有效支撑了“国家适应气候变化战略”、“第二次气候变化国家评估”等重要报告的编写,以及“‘十二五’水利发展规划”、“全国抗旱规划”、“全国水中长期供求规划”等规划的编制。

  二、高坝泄洪消能防护和雾化安全技术与应用

  我国水能资源可开发量及建设规模均居世界首位,在高坝泄洪消能方面的特点是“高水头、大流量、窄河谷”,其下游河床单宽泄洪消能功率往往高达国外同等规模工程的数倍,高坝下游泄洪消能防护安全和泄洪雾化安全问题十分突出,其难度达世界之最,已成为水利水电工程设计和安全运行的前沿难题之一。我们结合40余项重大水利水电工程设计及运行实践,在十余项国家自然科学基金和国家科技攻关项目等的支持下,对此开展了20年的长期研究,主要创新成果如下:

  (1)高水头大流量消力塘防护安全新技术:揭示高速水流和缝隙流动水荷载特性、耦联作用规律及各类消力塘防护结构(平底板、反拱底板、透水底板、边坡护砌)失稳破坏的动力机制,提出了反拱底板的“随机拱”理论以及各类防护结构的整体、局部失稳模式,首创不均匀柔性锚固反拱底板结构、嵌槽式消力塘结构等,建立了适用于各类消力塘防护结构安全的静动力耦合分析方法和优化设计方法,形成了高水头大流量消力塘防护设计的成套技术,为高坝泄洪安全提供了前提保障。

  (2)高坝大单宽流量宽尾墩-台阶坝面-消力塘联合消能技术:揭示了宽尾墩和台阶坝面的联合消能机理和掺气减蚀机理,创立X型宽尾墩消能工,提出了适用于百米级以上高坝大单宽流量条件下的宽尾墩-台阶坝面-消力塘联合消能工及其设计原理和方法。突破了传统台阶消能受空蚀风险的制约,大幅度提高了泄洪单宽流量和对下泄流量的适应性,缩短消力塘长度,提高消能率,形成了消能与掺气减蚀相结合的高效消能工,是联合消能技术的重大创新。

  (3)泄洪雾化影响范围模拟预测和安全防护技术:提出泄洪雾化大比尺物理模型模拟理论方法;基于原型观测反馈分析,建立了挑流泄洪雾化预测的水滴随机喷溅数学模型和智能快速预测模型,考虑雾雨自动转换碰并和雾滴凝结蒸发过程的底流泄洪雾化预测数学模型;提出了下游边坡雾化分区防护技术、消能与雾化联合优化技术,攻克了高坝泄洪雾化影响范围预测和安全防护的技术难题。

  (4)泄洪消能结构实时动态监测预警技术:提出泄洪消能结构的水动力和结构动力响应耦合动态监测技术,创建了基于力学分析、传感信息技术、人工智能技术等有机融合的泄洪消能结构安全性态的实时动态监测诊断和分级预警系统,为工程长期安全运行提供了新的技术支持。

  该成果获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖2项、二等奖3项,授权发明专利3项,发表论文85篇,出版专著1部。通过省部级科技鉴定,专家一致认为:反拱底板消力塘、宽尾墩-台阶坝面联合消能工、泄洪雾化等创新成果达到国际领先水平,已成功应用于二滩、拉西瓦、小湾、溪洛渡、锦屏、大朝山、索风营等40项重大水利水电工程设计和运行,涵盖目前已建或在建泄洪功率居世界前6位高坝消力塘及各种类型世界最大高坝消力塘,在提高工程安全性同时,节约工程投入2.36亿元,社会和经济效益显著,相关成果被写入设计规范或设计导则,推广应用前景广阔。

  三、曹妃甸滩涂开发利用关键技术与环境效应研究

  滩涂是陆地系统和海洋系统物质流动的敏感区,也是生态链中的脆弱带,高强度滩涂开发对其自然属性存在重要影响。近年来随着沿海开发战略的实施,全国滩涂开发呈现速度快、面积大、范围广的高强度发展态势,在产生巨大经济效益的同时也带来了资源利用、滩槽稳定、防潮减灾和生态环境保护等问题。解决滩涂与深水岸线综合利用、高强度滩涂开发环境演变效应与洪潮灾害防治、以及滩涂开发重大基础工程设计施工等关键技术难题,成为我国滩涂开发治理领域科技发展的迫切需求。项目组结合曹妃甸首钢围涂造地、接岸大堤等工程论证设计施工、以及国家自然科学基金和全国滩涂开发治理管理规划等,坚持现场查勘、理论分析、数值计算、物理模型试验和工程实践相结合的技术路线,通过理论创新、技术创新和工程应用,为滩涂开发治理工程规划、设计和实施建设中的一系列关键难题提供了一套先进的自主创新的理论和关键技术。

  1、基于波流边界层理论、现场观测和水槽试验,揭示了波浪与潮流共同作用下的水沙输移机制,建立了河口海岸多因子动力地貌演变数值模拟系统,自主开发了波浪潮流共同作用下泥沙运动物理模型模拟成套技术,丰富和发展了波流共同作用下泥沙输移理论及模拟技术。

  (1)波流共同作用下的水沙输移机制

  基于波流边界层理论、现场长期观测结果和水槽试验,揭示了风浪掀沙的动力机制,阐明海床底部主要受高频振动的波浪控制,摩阻流速、剪切力、相对涡粘系数等均大于纯潮流时的值,从而导致泥沙易悬浮(图1);受此影响,曹妃甸海区风浪作用时段内平均含沙量较小风天气增幅可达3~6倍左右;在此基础上提出修正的Shields参数与合理表征波流边界层动力特征的波流比因子及非线性作用因子,并基于波流比和波流边界层非线性作用因子改进了Shields曲线(图2),揭示了波流共同作用下泥沙起动Shields曲线统一规律,适用于水流、波浪、波流不同动力及粗沙、细沙等不同粒径条件下泥沙起动条件的判别。

  (2)河口海岸多因子动力地貌演变数值模拟系统

  针对河口海岸潮、风、浪相互作用的复杂动力特点,基于不平衡输沙理论,集成构建了多因子动力地貌演变数值模拟系统(图3),包括底床状态、水动力、泥沙输运和地形更新等模块,复演了复杂动力环境下的水沙输移与滩槽演变过程,较好实现了小时空尺度的水沙输运与大时空尺度的地貌演变之间的耦合和衔接,并成功将其用于曹妃甸滩涂开发总体规划布局的研究论证。

  (3)波流作用下泥沙物理模型模拟成套技术

  揭示了河口海岸模型变率对相似性的影响机理,实现了波流共同作用下的含沙量和海床地形变化相似,自主开发了波浪潮流共同作用下泥沙运动物理模型模拟成套技术(图4),丰富和发展了河口海岸物理模型相似理论;其中针对曹妃甸海区巨大的滩槽高差与邻近渤海无潮点的特性,首次提出了采用多台双向泵联合控制超长开边界、多台变频潜水泵模拟边界侧向水流的大型海岸工程物理模型控制方法与模拟技术,克服了以往采用尾门生潮不能模拟边界不同区域横向水位差异的难题。

  相关研究成果丰富和发展了波流共同作用下泥沙输移理论及模拟技术,为滩涂开发工程影响论证提供了重要基础资料和方法手段,已发表在“Coastal Engineering”、“China Ocean Engineering”、“水科学进展”、“水利学报”等国内外知名期刊上,并形成专著由科学出版社等出版(代表成果[1-5])。依托该成果成功申请国家自然科学基金“基于波流边界层三维紊流泥沙数学模型研究(50879047)”、“波流共同作用下泥沙运动过程非线性特征(51379127)”与中荷国际合作项目“波流边界层泥沙冲积过程研究(51061130546)”等。

  2、揭示了曹妃甸沙岛成因及深槽的动力形成机制,阐明了滩槽稳定性变化趋势及其控制性因素,提出了维持动力地貌宏观格局基本不变的滩涂开发规划方案,构建了基于港口、工业区和城市联动的曹妃甸滩涂开发利用新型生态文明模式,创新了成片滩涂与深水岸线综合开发利用成套关键技术,为滩涂开发布局优化和资源合理利用提供了重要科技支撑。

  (1)滩槽动力地貌格局与稳定性

  基于地层剖面解译和动力地貌演变分析,剖析了曹妃甸海岸动力地貌体系的形成发育过程,揭示了沙岛成因及潮汐深槽的动力形成机制,提出了影响滩槽稳定性的控制性因素;在此基础上阐明了曹妃甸滩槽冲淤演变规律及稳定性变化趋势,解决了曹妃甸滩涂开发布局的选址难题。

 

  系统阐明了曹妃甸岬角-深槽、老龙沟泻湖-潮汐通道、南堡深槽-潮流沙脊等海岸动力地貌体(图5),提出曹妃甸海岸地貌体系是古滦河废弃三角洲在波浪和潮流动力作用下的改造产物,先后经历了潮汐动力控制的浅海沉积环境、径流与波浪动力作用的三角洲快速淤展环境、波浪与潮流动力作用的沙坝蚀退环境等主要动力沉积环境演变阶段;指出曹妃甸是晚更新世末或全新世早期古滦河三角洲前缘离岸砂坝发育而成的沙岛,砂基深厚,甸头前沿深槽为渤海湾主潮流维系的潮汐通道。曹妃甸沙岛形成的岬角地貌构成了深槽的边界条件,由此引起的局部潮流增大成为深槽形成与维持的主要动力条件(图6)。本海区地貌条件相对稳定,未出现大的骤淤现象,近期海床冲淤变化幅度较小,基本处于均衡状态之中;加之曹妃甸、东坑坨等离岸沙坝形成发育年代较长,基础深厚,已形成稳定的沙质岛屿,因此近3000年以来曹妃甸海区滩槽形势长期保持良好的稳定性。

  (2)接岸大堤选线与总体开发布局

  采用物理模型试验、数值模拟计算与综合分析相结合的方法,揭示了曹妃甸接岸大堤、港区围涂开发、港池口门防波堤、老龙沟航道整治、码头栈桥、人工岛等各种滩涂开发工程所引起的动力地貌与环境演变效应(图7、图8),提出了维持动力地貌宏观格局基本不变的滩涂总体开发布局方案,解决了滩涂与深水岸线综合利用中的滩槽稳定难题。

  曹妃甸围涂开发布局方案实施后的滩槽能否长期稳定一直是研究论证的重点与核心,自20世纪90年代以来经历了多个阶段的优化论证。其中长达18.4km的接岸大堤规划论证与开发建设是曹妃甸开发的第一步,也是关键的一步。本成果论证提出的接岸大堤顺应滩脊走向,处于涨落潮分汇流区,保持了动力地貌格局,没有改变潮流场整体结构和滩槽稳定性,解决了离岸沙岛与陆地的交通问题。同时明确指出曹妃甸外侧岛链对浅滩的掩护作用至关重要,是形成当前滩槽动力地貌格局的关键,围涂布局方案不能破坏或延伸至其外侧;在此基础上提出了“充分利用甸头深水资源和泻湖内的潮沟、浅滩,顺应地貌和自然环境,以填筑、开挖相结合的方式形成港口水陆域”的滩涂总体开发布局方案;论证后围涂工程方案很好的保持了原有的动力地貌格局,没有改变潮汐深槽的动力形成机制,因而工程实施后周边海区滩槽稳定性良好。该成果阐明了曹妃甸开发选址和围涂布局规划论证的决定性因素,解决了滩涂大规模综合开发中的滩槽稳定难题,并已得到了曹妃甸工程成功的实践。

  (3)防浪挡潮减灾预报关键技术

  构建了洪水-天文潮-风暴潮非线性耦合预报数学模型,提出陡变地形下的波浪高阶抛物型缓坡方程,确定了海堤的防浪防潮安全标高和断面型式,阐明了滩涂开发与防潮减灾的关联性,为滩涂开发工程建设防浪挡潮减灾提供了重要科学依据。

  采用大-中-小模型嵌套的办法,建立了洪水-天文潮-风暴潮非线性耦合预报数学模型,实现了风暴潮的高精度预测预报,确定了渤海湾连片围涂工程前后风暴潮增水变化,其中曹妃甸工程周边最高潮位增加7.0~20cm(图9)。针对曹妃甸海区滩槽陡变地形的特点,推导出陡变地形下的高阶抛物型缓坡方程,通过引进地形坡度的高阶项建立了曹妃甸波浪传播数学模型,可适用于深槽浅滩复杂地形下的波浪传播模拟,提高了复杂地形下的波浪计算精度。通过数学模型计算和波浪模型试验相结合,确定了海堤防浪防潮标高和断面型式,增强了海堤的稳定性,且具有较好的挡浪效果(图10)。

  (4)滩涂开发生态环境影响

  滩涂开发中突出生态文明与环境保护,以生态承载力为基础,以生态城市建设为平台,以生态港口开发为契机,发展生态工业、生态农业、生态旅游、生态海洋等产业,构建了基于港口、工业区和城市联动的曹妃甸滩涂开发利用新型生态文明模式,对于促进曹妃甸国家循环经济区建设具有重要推动作用。

  确定了曹妃甸滩涂开发环境效应的空间和时间研究范围,识别了关键生态要素和因子;对工程区域大气环境、海岸带生态系统、近海水环境及近海沉积物质量现状进行了监测与评价。分析预测了曹妃甸滩涂开发对大气环境、声环境和近海水环境的影响,对重点区域进行了风险源识别及风险评价。根据曹妃甸滩涂开发生态环境效应,评价了区域生态安全及经济发展现状,提出了基于港口、工业区和城市联动的滩涂开发利用新型生态文明模式。

  相关研究成果为滩涂开发布局优化和资源合理利用、以及防浪挡潮减灾提供了重要科技支撑,已发表在 “China Ocean Engineering”、“水科学进展”、“地理学报”等国内外知名期刊上,并形成专著由科学出版社、Nova Publishers等出版。依托该成果成功申请国家自然科学基金“曹妃甸老龙沟潮汐通道口门深槽变迁的动力机制研究(41306081)”与十二五国家科技支撑计划项目课题“滨海新区及周边地区海岸带滩涂资源承载力及开发模式研究”等。

  曹妃甸滩涂开发关键技术与环境效应主要研究成果共有110余篇相关论文发表在业内国内外著名学术期刊上,其中45篇次被SCI、EI检索收录,并被高引用和好评。目前本成果已全面应用于曹妃甸接岸大堤、港区围涂、迁曹铁路、港口码头等各类滩涂开发工程,为曹妃甸开发决策和顺利实施提供了重要科学依据和技术支撑,已得到工程成功实践,产生了巨大社会、经济及环境效益。截止到2012年底(图15和图16),曹妃甸国家循环经济区累计完成投资3000亿元,围涂造地面积达210km2,建成各类生产性泊位43个,港口年吞吐量超1.94亿t;其中仅曹妃甸港区围涂开发方面,2005~2012年间货物吞吐量累计超6.2亿t,港口运营收入约124亿元。本成果还可为我国其他类似大规模滩涂开发工程提供技术服务和指导,目前已被推广应用于全国河口海岸滩涂开发治理管理规划,社会、经济及环境效益显著,推广应用前景广阔。该成果荣获2013年度大禹水利科学技术奖一等奖。

  四、水工混凝土静动态损伤断裂过程及其声发射特性研究与实践

  无论是以往传统的普通混凝土还是近年大力发展使用的高性能混凝土,其易开裂的重大缺点不仅没有得以有效改善,反而由于开裂导致混凝土结构过早失效的工程事故频频发生。在水利水电行业,“无坝不裂,无洞不裂”的局面一直未能有效改观。因此,对水工结构进行断裂损伤过程精细化分析与抗裂设计迫在眉睫。

  混凝土结构从承载前到承载后直至破坏,是一个演变的动态损伤场,结构的变形、位移,开裂、破坏等现象都是这个损伤场中的力学行为,简单应用断裂力学或损伤力学已难以解决实际状态下水工混凝土结构静动态响应机制。且由于混凝土结构中众多力学行为的交织性,不能真正区分或定义损伤断裂的源头,很难实时跟踪整个动态演变过程,并缺少相应的测试方法和评价体系。因此,亟须采用新方法对损伤与断裂耦合作用下水工混凝土结构静动态响应过程进行分析。

  鉴于上述问题,开发先进测试装置,对水工混凝土静动态损伤断裂过程及其声发射特性进行系统研究,解决混凝土断裂试验规程中关于混凝土起裂点难以确定的难题,为水工混凝土结构的损伤评价标准提供了新的方法和手段,填补了水工混凝土结构裂缝发展与损伤断裂破坏的安全评价理论与测试技术手段的不足。目前混凝土断裂试验规程中有关混凝土起裂点仍然难以确定,采用损伤断裂相耦合的理论和方法揭示水工混凝土结构静动态响应下裂缝发展、破坏理论还是空白。因此,对混凝土材料及其结构断裂损伤理论体系与技术方法的研究与创新迫在眉睫。

  该项目历时七年,在水利部前期项目、国家自然科学基金、中央级科研院所科研业务费重大项目和青年基金项目等持续支持下,联合四川省武都水利水电集团有限责任公司等单位,对水工混凝土静动态损伤断裂过程及其声发射特性进行了系统研究,该项目开展了以下主要研究:混凝土损伤断裂精细化测试系统开发;混凝土试件的损伤断裂试验;断裂过程声发射特性试验研究;声发射参量与起裂、扩展及失稳之间的关系研究;基于声发射的不同混凝土损伤演化关系、动静态断裂韧度转化关系研究;基于塑性损伤理论的断裂有限元线法理论分析及应用研究等。共计完成了200多根普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土损伤断裂试验,系统全面地分析了各种变量对不同类型混凝土损伤断裂特性的影响,取得一系列原创性科研成果,为工程抗裂设计及其相关规范应用提供坚实可靠的理论基础。

  结合水利水电实际工程,采用现场和室内试验、理论分析、数值模拟等研究方法,开发了具有量程大、精度高、多参数同步采集并输出、实时监控兼有声发射量测等特点的混凝土损伤断裂精细化测试系统。以损伤理论和双K断裂理论的融合来解决现行的混凝土裂缝开裂、扩展、失稳机理,项目组系统完成了200多根三点弯曲梁断裂试验:其中包括90根普通混凝土三点弯曲梁断裂试验、90根钢筋混凝土三点弯曲梁断裂试验、21根碾压混凝土断裂试验。在物理模型试验的基础上通过有限元法和有限元线法对混凝土开裂进行数值仿真分析,给出了裂缝的动态发展过程,准确评价出裂缝扩展对结构承载能力的影响程度,为工程抗裂设计及其相关规范应用提供坚实可靠的理论基础。同时采用塑性损伤理论对混凝土坝在静动态荷载下的响应进行分析,最后应用于对水利水电工程实例中,为工程质量控制和抗裂优化设计提供指导。

  1)研制混凝土损伤断裂精细化测试系统

  为得到精确可靠有价值的试验数据,课题组开发了具有量程大、精度高、多参数同步采集并输出、实时监控等特点的混凝土损伤断裂精细化测试系统,并取得国家发明专利和实用新型专利。

  2)混凝土的双K断裂过程试验

  基于上述精细化测试系统,本项目共计完成了200多根普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土试件的损伤断裂试验,得到了不同变量下不同类型混凝土的断裂参数,系统全面地分析了强度等级、试件尺寸大小、缝高比、跨高比、配筋率、钢筋位置、钢筋类型等变量对不同类型混凝土损伤断裂特性的影响:

  ①相同强度等级下的标准试件,随着缝高比的增加,试件的起裂荷载,最大荷载逐渐降低,起裂荷载与最大荷载的比值,以及起裂韧度与失稳韧度先降低,再升高;当缝高比为0.5时,起裂韧度与失稳韧度值均达最大。

  ②设计强度等级和缝高比相同的普通混凝土,试件宽度相同时,试件高度越大,对应的起裂荷载值,最大荷载就越大,而起裂荷载与最大荷载的比值先增大后减小;起裂韧度与失稳韧度随试件高度增大而增大,除试件高度为250mm时相对较大外,其余试件高度对应的起裂韧度和失稳韧度差别不大。

  相同缝高比,相同试件高度,相同设计强度等级普通混凝土试件起裂荷载、最大荷载随着试件宽度的增加而逐渐增大,且基本呈直线上升趋势,起裂荷载与最大荷载的比值随着试件宽度的变化先增加后减小;在设计试件宽度范围内,起裂韧度值、失稳韧度随试件宽度增大而增大,但变化幅度较小。

  相同试件尺寸,相同缝高比作用下,混凝土试件设计强度等级越高,对应的起裂荷载和最大荷载值就越大,强度等级越高,起裂荷载占最大荷载的比例越大;设计强度等级越高,对应试件的起裂韧度,失稳韧度值就越大;高强混凝土的起裂荷载,最大荷载,失稳韧度值均明显大于普通强度等级混凝土试件。

  ③相同设计强度等级,相同试件宽度,相同配筋率情况下,随着高度的增加,试件所能承受的最大荷载,起裂荷载不断增加,由于配筋率相同,试件最大荷载值差别较小,且试件宽度越大,起裂荷载占最大荷载的比值越大;试件高度越大,起裂韧度变化不大,而失稳韧度则逐渐减小。

  随着设计强度等级的增加,钢筋混凝土试件最大荷载、起裂荷载、起裂韧度、失稳韧度均逐渐降低,但是设计强度等级越高,起裂荷载与最大荷载的比值越大,混凝土韧度越低,脆性越大。

  相同设计强度等级,相同尺寸,相同缝高比,钢筋直径(配筋率)越大,起裂荷载,最大荷载,起裂韧度,失稳韧度均越大,且试件的韧度值也越大;

  ④ 由于碾压混凝土的干硬性和分层振实等特点,其与普通混凝土相比,孔隙更小,密实性更高,骨料与胶凝材料之间握裹力越大,抗拉、抗压性能越高,断裂韧度也越大。随着碾压混凝土轴拉强度的增大,失稳断裂韧度也随之增大。

  3)混凝土的声发射损伤断裂过程试验

  鉴于不同材料损伤断裂过程所表现出的不同声发射信号,系统进行了混凝土损伤断裂的声发射特性试验研究:

  ①针对目前损伤断裂试验存在的不足,提出了声发射信号参量确定混凝土断裂试验的起裂、失稳时刻的理论与方法,与应变片法判断起裂、失稳时刻形成对比和补充,解决了起裂荷载不易确定的科学技术难题。

  ②研究了声发射信号参量与混凝土裂缝起裂、扩展及失稳之间的关系,建立了基于声发射信号的不同混凝土损伤演化关系,为水工混凝土结构的损伤评价标准提供了一种新的方法和手段。

  ③利用声发射信号建立了混凝土断裂的声发射判据,为断裂试验工作和实际工程提供技术支撑与理论基础。

  ④以材料的静态断裂试验为基础,通过研究声发射信号参量与动态荷载下裂缝扩展率的关系,得到了动静态断裂韧度的转化关系式,将静态试验下得到的断裂韧度直接转化为动态断裂韧度,从而为难以进行的动态断裂试验提供一有用替代方案。

  4)数值模拟验证与理论分析

  本项目是试验、数值分析和理论分析三者的有机结合,首先对室内试验的结论进行模拟分析,接着将试验的结论应用于实际坝体结构的非线性响应分析,再通过理论推导相互验证:

  ①首先通过对三点弯曲梁试验的非线性有限元分析分别计算了不同裂缝长度试件裂缝尖端的应力强度因子 ,理论结果与实际试验进行对比,两者吻合一致,验证了试验现象和规律的正确性。

  ②基于声发射信号的不同混凝土本构关系,利用塑性损伤模型模拟了实际拱坝的非线性响应,对拱坝坝体上、下游最大主应力,坝体位移、裂缝开展范围及坝体超载安全系数几个方面进行研究分析,结果表明坝体材料非线性对坝体动力响应影响显著,塑性损伤模型比线弹性模型能够更好地模拟坝体在地震激励下实际的受力行为、变形和损伤程度,为进行大坝抗震安全评定与设计提供了理论基础。

  ③为解决一般断裂计算时遇到的裂尖几何奇异问题,创立了针对断裂问题的有限元线法,提出了奇异问题转换为规则问题的奇异结线元映射技术,并应用于数个断裂实例中,得到了高精度的计算结果。

  5)应用实例

  项目的依托工程为武都重力坝:武都水库是涪江流域规划确定进行开发的以防洪、灌溉为主,结合发电兼顾城乡工业生活及环境供水等综合利用的大(1)型水利工程。为正确评估5.12大地震对武都水库大坝的影响,结合上述试验与理论基础,南京水利科学研究院与四川省武都水利水电集团有限责任公司等联合对武都重力坝裂缝在地震作用下的开裂、失稳进行分析评价。以该研究成果为理论依据和技术支撑,对坝体裂缝情况进行了全面检测,针对裂缝开裂情况,课题组给出了裂缝处理方案,并提出了相应的抗震设计及减震措施,最后完成了武都水库大坝震后裂缝及结构缝处理工程。在该研究成果的支撑下,武都二期引水工程于2011年建设完成,目前工程己引水发电,有效解决“5.12”特大地震极重灾区群众异地安置和生产生活用水问题;全力支撑川西4市10县的全面发展、协调发展和可持续发展,彻底改变川西北地区千万人民千百年来靠天吃饭的历史,为全面建成小康社会提供强大的水利保障。

  项目成果还应用于:1:南水北调中线京石段PCCP管道裂缝安全影响评价。2:石垭子水电站碾压混凝土拱坝 、光照水电站碾压混凝土重力坝等水电工程抗裂抗震设计。3:南水北调中线郑州段排水渡槽工程、郑州白家庄南公路桥梁以及须水公路桥项目的初步设计等数十个水利水电与交通工程中,取得了明显的经济效益和社会效益。

  实施效果

  1)受项目资助,近7年来项目组发表有关断裂与抗震防裂学术论文100余篇,其中SCI、EI收录40篇。多数在SCI、EI收录刊物如《Acta Mechanica Sinica》、《China Science》、《Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice》、《Advanced Science Letters》、《Journal of Wuhan University of Technology- Mater. Sci. Ed.》、《Information》、《水力发电学报》、《自然科学进展》、《水利学报》、《固体力学学报》等发表。

  2011:因在国内外首次进行了超大口径PCCP理论建模与试验研究,给出了PCCP承载能力定量评价理论与方法,论文“Structural Safety Assessment and Experimental Study on Super Caliber (PCCP)”获得美国ASCE举办评选的、在the International Conference on pipelines and Trenchless Technology上颁发的2011 Best Paper Award(2011年度最佳论文奖),并推荐到《Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice,ASCE》发表;

  2011:两篇论文“Research on Concrete Fracture Parameters by Acoustic Emission”、“碾压混凝土断裂试验与静动态断裂韧度关系分析”获得庆祝江苏省力学学会成立50周年暨纪念徐芝纶院士诞辰100周年学术大会优秀论文,并被推荐到《中国科学》(英文版)与(中文版)上发表;

  2006:论文“大型渡槽结构模型及其振动模态分析”获得江苏省优秀论文奖;

  2005:因首次建立计算数学的一种新方法-断裂有限元线法,为完整模拟混凝土结构损伤断裂破坏过程提供理论框架和新方法,论文《3D finite bodies containing cracks using FEMOL》论文获得南京市人民政府自然科学优秀论文一等奖(全市仅三项),受到南京市人民政府表彰与重奖。

  2)主要理论创新成果与社会经济效益

  对水工混凝土静动态损伤断裂过程及其声发射特性进行了系统研究,解决了混凝土断裂试验规程中有关混凝土起裂点难以确定的难题,创立了断裂有限元线法理论,填补了水工混凝土结构裂缝发展与损伤断裂破坏的安全评价理论与测试技术手段的不足。在水工混凝土结构开裂分析与抗裂设计及其水工结构除险加固、裂缝影响评价分析中已经大量使用且有广阔的应用前景。

  3)出版相关专著4部、参编1部、出版国家标准1部,获2012年大禹水利科技进步一等奖。

  4)培养博士后、博士与硕士研究生情况

  陆续培养从事混凝土损伤断裂方向博士后、博士、硕士研究生11名。

  近五年来平台获国家奖7项,其中,国家科技进步奖一等奖2项,国家科技进步奖二等奖4项,国家技术发明奖二等奖1项。

序号

成果名称

奖励名称、等级

等级

授奖年度

1

离岸深水港建设关键技术与工程应用

国家科技进步一等奖

一等

2013

2

高混凝土面板堆石坝安全关键技术研究及工程应用

国家科技进步二等奖

二等

2013

3

黄河小浪底工程关键技术与实践

国家科技进步二等奖

二等

2013

4

粉沙质海岸泥沙运动规律研究及工程应用

国家科技进步奖

二等

2014

5

水库大坝安全保障关键技术研究与应用

国家科技进步奖

一等

2015

6

复杂水工混凝土结构服役性态诊断技术与实践

国家技术发明奖

二等

2016

7

深水板桩码头新结构关键技术研究与应用

国家科学技术进步奖

二等

2017