十五211工程子项目论证报告

十五211工程子项目论证报告内容摘要：

济效益。 16 通过本项目建设，形成具有高水平的科研和教学队伍。 造就出在国内外一定影响的学术带头人 45 名，培养博士后、博士硕士研究生 350 多名，成为培养岩土 工程一流水平的高层次专门人才的基地。 四、建设总经费 “十五”期间，本项目建设所需总经费为 1000 万元。 其中 100 万元用于人才培养、学术交流、交叉学科建设等， 900 万元用于添置设备： 1. 堆石体、软土与特殊土的工程性质 250 万元 2. 岩石力学特性及长期稳定性研究 255 万元 3. 岩土工程现场测试与应用新技术研究 167 万元 4. 环境岩土工程与地质灾害防治 228 万元 五、项目已有的优势和特点 1. 综合的学科优势 河海大学岩土工程学科是国务院首批博士点授予点之一， 1988 年被评为国家重点建设学科点， 1994 年被岩土工程实验室评为水利部重点实验室， 1996 年列为国家“ 211 工程”重点建设学科， 1999 年被教育部确定为“长江学者奖励计划”特聘教授设岗学科， 2020 年被批准成立江苏省交通基础工程研究中心。 2020 年被教育部重新确认为国家重点学科点。 1997 年被评为江苏省优秀学科梯队。 经过多年的建设，形成了岩土工程领域具有特色的 5 个研究方向：土的基本特性及土与结构相互作用；土动力学与工程抗震；软土地基处理与基础工程；岩石力学与工程；岩土渗流理论与测试等。 目前已拥有结构合理的学科梯队、坚实的研究基础和一流的研究设施。 在“九五”“ 211 工程”项目支持下，本学科建设了一批先进的试验研究设备，包括与日本共同研制的全自动多功能振动扭剪三轴仪、英国进口的非饱和土三轴仪、岩石力学伺服测试系统和应力路径大型三轴仪等大型精密仪器以及 17 岩土渗流同位素示踪测试仪器等，其中部分设备达到国际一流水准，这将为本学科开展基础理论创新及应用研究提供最好的 科研条件。 2. 高水平的学术队伍 目前，以岩土工程研究所为主体形成了 43 人的强大学科梯队。 其中教授 18人，副教授 12 人，讲师 13 人，具有博士学位者 20 人。 梯队平均年龄为 39 岁，并且多数是来自国内外著名大学的年轻博士，能够博采和融合各家所长，具有很大的发展潜力。 学科梯队中有国内著名学者， 2020 年又聘请了中国工程院王思敬院士为学科顾问。 3. 培养人才的高质量 近 5 年来培养了 100 多名博士和硕士研究生。 其中多数成为所在单位的学术骨干。 4. 特色鲜明的科学研究 本学科以研究水利水电工程中岩土 工程问题为特色。 在国家“六五”至“九五”期间， 研究了三峡、小浪底、天生桥等 10 余座特大型水利水电枢纽中的岩土工程问题，如大坝、高边坡、地下洞室中的应力、变形、渗流、稳定、流变、抗震等。 同时在高速交通工程方面，也取得了丰硕的成果，如解决沪宁高速公路中软基加固关键技术问题，为国家经济建设作出了重大贡献。 5. 国际国内学术交流 本学科长期与欧、美、日本及东南亚等国家有着广泛的合作交流。 2020 年与法国里尔科技大学（ USTL）合作组建了中法国际环境岩土力学研究中心（ CFGeomech）。 与香港理工大学土地测量系 合作进行地址灾害预测预报研究。 与澳大利亚新南威尔大学、加拿大卡尔加里大学和新加坡南洋理工大学定期交流研究成果，并进行广泛的学术探讨。 “岩土工程与地质灾害防治” 建设项目总投资为 1000 万元，其中中央专 18 项资金为 700 万元（国家计委 350 万元，财政部 350 万元），全部用于购置仪器设备；学校自筹资金为 300 万元， 180 万元用于购置仪器设备， 120 万元用于学术交流、学科队伍以及网络、图书等建设。 本子项目具有代表性仪器设备名称如下：大型堆石体流变三轴剪切试验机、大型堆石体真三轴仪、岩土体微细结构测试系统、全自动岩石 流变三轴仪及剪切流变仪试验系统、全自动多功能CPTU 车载测试系统一套、卫星定位地面接收监测系统。 19 重点学科建设项目论证报告（之三） 水工结构工程 一、项目定义 项目名称：水工结构工程 所属领域：本项目属基础产业中的土建、水利领域，承担本项目的主干学科是水工结构工程，支撑学科有工程力学、材料学和结构工程。 二、项目背景 1. 项目意义 国家 “十五 ”及 2020年远景规划中明确提出了南、中、北三条 “西电东送 ”工程和东、中、西三线 “南水北调 ”工程的宏伟建设计划 ；同时，全国有 27000多座病险坝需除险加固。 这些都对水利水电工程建设的支柱学科 水工结构工程学科提出了发展、创新的新要求。 项目将针对水工结构安全工程，特高坝建设，高边坡的综合治理，超大型地下洞室和超长深埋高压输水隧洞的修建，水工结构工程的新材料、新技术、新工艺的开发与应用等领域面临的一系列科学技术难题进行重点建设，由此，形成国内具有显著特色和先进水平的学科队伍，建立涵盖整个学科领域的高层次人才培养和高水平科学研究基地，以适应国民经济建设发展的迫切需要。 建国以来，我国共修建 8万多座堤坝，高 15m以上的大 坝有 ，水库总库容约 500Gm3以上，水电总装机约 80GW，总供水量 500 Gm3以上，灌溉面积 亿亩，并保护下游亿万人民的生命财产安全，是我国国民经济发展的重要基础设施，在国民经济建设和社会安全中起到了巨大作用。 然而由于多种原因，在全国 3100多座大中型水库大坝中有 1248座大坝、在 8万多座小型水库大坝中有 20 36%存在不同程度的病险问题；其他大坝，尤其是七十年代以前修建的大坝，也存在老化和病变等问题，可预料 21世纪将是老坝加固和处理的高潮。 同时，随着西部大开发和西电东送的开展，三峡、溪洛渡、 小浪底、向家坝、小湾、锦屏、龙滩和糯扎渡等高坝水库将越来越多，南水北调工程也将启动，这些工程规模巨大，技术十分复杂。 在承受各种荷载作用或受到地震、洪水、暴雨等自然灾害侵袭以及遭受人为破坏时，水工结构工程安全是关系到国计民生的大事，安全监测、预警、防灾减灾等方面的研究已引起了各国的高度关注。 为解决水工结构工程的安全问题，评价和提高工程的安全承载能力，提高和发展安全监控技术乃是当务之急，特别在安全分析评价和馈控理论、高新监测设备研制和应用、工程安全远程监控技术、结构损伤病变仿真和检测、工程健康诊断和寿命评估、工 程风险评价等方面，急需加强试验研究，以促进理论研究发展。 上世纪八十年代前，模型试验在大型水工建筑物设计中起了主要作用，八十年代则是模型试验和数值分析并重，而进入九十年代后由于计算机技术的迅速发展，数值分析已成为复杂大型水工建筑物设计的主要手段。 但是数值分析结果的精度依赖于数学模型及材料特性模拟的精度，目前除弹性分析较可靠外，大部分数值分析结果只能供工程设计人员参考。 其主要原因是对水工建筑物及其地基材料特性认识还不足。 因此模型试验、现场观测、数值分析作为科学研究的三个重要方法，仍然是水工结构学科发展缺一不可的 手段。 水电产业是国民经济的基础产业。 随着大规模水利建设的蓬勃开展，大量基础性、机理性课题亟待解决，如水工建筑物的抗震、减震和控震、水工混凝土温控及裂缝防治、土石坝等散粒体稳定和破坏机理、 300m以上超高坝的工作性态等，均还需通过物理模型研究，取得理论上的验证和突破性进展。 在混凝土坝的动力分析中，当强震作用时，重力坝的坝顶和坝踵部位将出现较大拉应力，而难以满足设计规范中有关基本不出现拉应力的要求；拱坝的地震拉应力值更大，也将超过设计规范中基于经验性给出的允许应力值的安全标准；大量动力分析结果表明，混凝土的抗 震强度验算中，拉应力值常起控制 21 作用。 因此，在混凝土水工建筑物的抗震计算中，应明确规定混凝土抗拉强度的标准值及其相应的安全准则。 现有规范规定实际上是基于国外早期少量试验研究成果所确定，难以反应实际情况和对大坝结构真实安全度做出有效判断，在高烈度地震区将有一大批混凝土高坝要建设，迫切要求对大体积混凝土动态特性进行研究。 随着科学技术的发展，许多先进的分析方法和更加符合实际情况的计算理论对水工结构的应用成为可能。 但目前的设计理论和计算方法显得滞后。 为了优化设计，在确保安全的条件下节省工程造价，研究新的计算理论、完 善现有的设计方法、并付诸实际工程应用，将具有重要的理论意义和实际应用价值。 水工材料的劣化是关系到水利工程安全性、使用寿命和工程效益的重要问题。 已有的水工材料劣化理论大都基于单因素作用下的研究结果，与实际水工材料在常规和非常规荷载、温度变化、气体和液体介质等多因素协同作用下耐久性与劣化行为不符。 研究水工材料的劣化行为和测评技术对按服务年限要求合理设计水利工程、准确评估工程的使用寿命、保证工程安全性、对工程的修补、加固作出科学决策具有重要意义。 另一方面，已建的水工结构工程普遍面临着由于材料劣化而导致的结构耐久 性问题，面广量大的已建结构需要维修、加固和改造，修复新材料、新技术的研究极为迫切。 目前在水工结构工程的建设中，大体积混凝土结构尤其是大坝混凝土的裂缝问题仍然没有得到很好解决，从普通水闸工程到高达 200～ 300m的混凝土重力坝或拱坝工程，几乎没有一个工程在施工期间是不裂的，施工期大体积混凝土的裂与不裂几乎成了工程施工质量评定的一个最为主要和直接明了的指标。 混凝土的裂缝如何防止，是工程业主非常重视的问题，并往往投入大量经费专门立项研究，但仍难以避免裂缝的产生，如三峡大坝。 坝基岩体的渗透特性和灌浆处理也是目前国 内外坝工界了解相对很少的工程问题，在工程渗控设计和灌浆处理的工作中主要是凭借以往的工程经验，造成很大的浪费。 水工建筑物的施工在基本建设中占有重要地位，它关系到工程质量及社会 22 安全。 由于施工过程涉及的影响因素很多，所需的理论也来自于不同的基础学科，施工中存在着许多 不确定性因素， 难以用单一的数学模型和单一的目标进行管理和优化。 因此， 将软科学理论应用于工程施工，在施工过程的优化方面强调重视和利用以往工程经验，用系统分析方法、全局优化方法和综合智能方法等进行施工系统仿真和优化，对节省工程造价、缩短施工周期、提高工程 质量和工程管理水平均具有重要意义。 2. 国际水平 在水工建筑物安全检测、监测和控制方面，意大利、法国、奥地利以及美国、日本等国家开展研究较早。 目前，安全监测分析和评判已由一维单测点向三维多测点方向发展，由离线人工进行管理和分析，逐步向在线自动实时或及时综合评判发展，同时在安全风险分析评判中更多地注重对生态环境以及社会各方面的影响，而智能化、网络化将是今后发展的趋势，而这方面国际上也才起步。 针对以上发展趋势，安全分析评价和馈控理论、高新监测设备研制和应用、工程安全远程监控技术、结构损伤病变仿真和检测、工程健 康诊断和寿命评估、工程风险评价等方面，已成为当今各国优先研究的课题。 结构的物模研究最具国际声誉的是意大利贝加莫模型结构研究所 (ISMES)和葡萄牙国立土木工程研究所 (LNEC)，他们曾为世界上数十座大坝进行过模型试验，在水工结构复杂荷载的模拟方面有独到之处。 在结构动力模型试验方面，日本、美国及法国等近年来建造了超大规模的地震模拟振动台，其中设备先进的制造商当数美国 MTS公司。 总体上看，我国在模型试验加载及测试设备等方面与国际水平差距较大，在测试精度和自动化程度方面尤为明显。 反馈设计是基于先进的分析理论与 现场量测技术的一种动态设计方法。 工程反分析的研究在意大利、日本开展的较早。 但目前无论在理论上或实际应用远未成熟，尤其在反分析方法上，仍存在解的适定性、量测信息的容错性等问题。 与工程实际相吻合的材料劣化机理、测评技术是国际材料界近年研究的热 23 点问题之一，世界各国对此十分重视，美国、加拿大、日本和英国等国的研究水平较高。 在修复新材料、新技术方面，国外发展较快，已有许多技术和材料开始用于工程。 目前国内外对水工大体积混凝土的裂缝控制问题都没有得到根本性的解决，国外也是处在 “无坝不裂 ”的状态，对这个问题还需要在基本 理论、计算方法、材料特性、施工技术以及工程管理等方面进行深入而系统的研究。 在施工仿真技术方面，由于国外发达国家现阶段大型水利工程很少，主要是在建筑、桥梁、交通等领域具有共性的研究工作，包括结构和施工过程的优化设计、施工过程（主要是离散系统）的计算机模拟技术、模拟网络和变化环境的专家系统等。 就坝基岩体的渗流特性和渗透系数张量确定的理论和方法，美国 Neuman院士、法国的 Louis和德国 Ewert教授以及 Wittke教授等人理论和试验方面的研究都取得了大的发展。 3. 国内水平 国内以河海大学为代表，从上世纪七 十年代开始进行水工建筑物安全监控理论和应用方面的研究，目前已从安全信息感知、信息传输、信息分析、决策支持及反馈几个方面综合考虑，并从施工期、蓄水期、运行期以及从地上到地下进行系统研究。 九十年代初期，吴中如院士在国内首先将专家系统概念引入水工建筑物安全监控领域，成功研制开发了基于 “一机四库 ”的大坝安全综合评价专家系统。 高新智。