个人介绍
评述水工结构工程科学的研究现状及创新前沿

主讲教师:

教师团队:共1

  • 吴中如
学校: 河海大学
专业大类: 水利工程
开课专业: 水工结构工程

为了利用我国的水资源和水能资源,已建和将建众多的水工程,这些水工程是国民经济的重要基础设施,其中再西南地区已建和待建几十座200m—300m级高坝与特高坝以及再已建大坝中出现大量病险坝。本系列讨论了这些水工程中关键词问题及其存在的重大科学技术问题,遵照《国家中长期科学和技术规划》中水利学科的水工结构工程科学的创新前沿研究的要求,针对高坝与特高坝以及病险大坝的特点,重点研究了应力分析、极限承载和非线性等关键科学技术问题,首先评述了相关代表成果和研究进展,分析了现行分析理论与方法的长处和不足,提出相应的研究方向和创新前沿。

教师团队

吴中如

职称:院士

单位:河海大学

部门:水利工程系

职位:政协委员

水工结构工程概述

优点:水资源丰富,可开发利用的水能资源居世界首位。

缺点:水资源在时间和地域上的分布经常与对它的需要不一致。

为更合理、有效的利用和调配水资源,就需要兴建水工结构工程。

水工结构工程按服务于多目标的通用性,水工结构可分为:挡水结构、泄水结构、取水结构、输水结构、整治结构;

按服务于单目标的专门性,水工结构通常包括:防洪结构、农田水利工程、水力发电及地下电站工程、港口航道工程、海岸工作;

水工结构因受水的影响而有别于其他建筑物或构筑物其特点如下:

水工结构与其相应河流的水利工程是一个系统的综合体。

同一流域的水工结构和水利工程不能单独分割出来孤立存在,它们是相辅相成、互相影响和制约的。

水工结构工作条件复杂,施工技术难度大(受水文、气象、地址、地形等复杂条件的影响)。

水的作用使得水工结构工作条件特殊,除一般荷载外,还要承受水压力、浪压力、冰压力、渗透力、冻胀力等。

水工结构地质条件复杂多变,需对地基进行细致周密的处理和研究。

水工结构施工受气候、温度等影响大。

大型水工结构不仅对社会、经济有很大影响,对自然环境、生态环境也会产生很大的影响。

通过防洪、农田水利、水力发电、港口、航运等为人类造福。

改变自然面貌,对自然环境产生影响(可能是积极的也可能带来灾难)。

水工结构学科发展状况综述

从学科的研究内容而言,按照国家自然科学基金委的分类,可以分为以下几个方面:

(1)各类水工建筑物的静、动力分析以及设计理论与方法。该领域的研究包括大坝、厂房、地下电站、水闸、渠道、堤防、隧洞、渡槽和其他水工建筑物的静、动力分析理论和方法,以及在此基础上进行水工结构设计的理论与方法。各类水工建筑物的静力分析内容繁多,要考虑自重、水压、温度、地应力、冻融、干湿交替等复杂因素的综合作用,目前,水工建筑物的静力分析理论的发展方向是综合各种影响因素,研究能够全面、准确描述各类水工建筑物结构响应和破坏分析的新理论和方法。

(2)水工结构模型试验。水工结构模型试验是对水工建筑物的变形特性、失效机理和破坏模式进行全面研究的重要手段,同时也可以对水工结构分析理论和数值计算的结果进行验证。目前,对多相介质作用和材料非线性特性的模拟试验技术和试验理论的研究是这一领域的热点。

(3)水工结构灾变机理、健康监测与加固理论与方法。对各类水工建筑物的运行状况进行监测,对各类水工建筑物的性态进行评估是保证水工建筑物安全和验证设计的重要手段。目前,应该重点研究的是新的健康监测手段、基于信息技术和结构分析模型的健康监测理论和方法。同时,对大坝的正常工作安全年限与极限寿命开展研究,建立符合我国实际情况的溃坝风险分析方法和有效的病险库管理方法。此外,随着水利水电建设的发展,水工建筑物修补和加固越来越重要,需要新的评估理论和修补加固技术。

(4)新型水工结构。新型水工结构的研究重点应该是结合现在水利水电建设的主要技术,提出新的结构形式。

(5)水工建筑物施工与勘测新技术。施工新技术的应用是水工结构发展十分重要的领域,需要引入国外先进的施工技术,开展施工新技术方面的应用基础研究,以提高我国的施工管理水平。高质量的地质勘探技术可以探查或预测高水压、高地应力、高温、毒气瓦斯、岩爆、透水、塌方等地质灾害和发现岩溶、断层、大规模裂隙等地质缺陷,为水利水电工程的设计、施工提供基本资料。此外,对病险坝的病险情况进行快速而准确的检测,是除险加固的前提,因此,应用和发展病险坝的检测新技术也是这一领域的一个值得关注点。

(6)水工建筑物和环境的相互影响和水工建筑物的退役评估理论与拆除方法。与自然协调、保护环境、河流生态修复已经成为水利水电建设的一个发展趋势,应该通过与环境、生态等学科的交叉,建立水工建筑物对环境、生态影响研究的定量评估理论与评估方法体系。同时,研究环境因素对水工建筑物的老化、损伤和破坏的影响。在此基础上,建立水工建筑物退役的前评估、后评估方法和理论体系,研究水工建筑物的拆除方法和技术。

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