工程力学

黄河下游堤防淤筑工程安全关键技术研究

发布人:系统管理员 发布时间:2014-04-02 审核人:

获奖类型:2013年大禹水利科学技术二等奖



项目名称:黄河下游堤防淤筑工程安全关键技术研究
任务来源: 水利部“948”项目、中央级公益性科研院所基本科研专项资金等


课题编号:200708、HKY-JBYW-2007-26
课题起止时间:2004年4月~2010年10月
完成单位:黄河水利委员会黄河水利科学研究院
水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心
黄河水利委员会山东黄河河务局
黄河水利委员会规划计划局
主要完成人:沈细中 鲁泽秀 张俊霞 兰 雁 江恩惠 冷元宝
常向前 武士国 郜国明 杨 建 尚远合 杨小平
王万民 马卫东 李玉东

1、 立项背景

《黄河下游堤防淤筑工程安全关键技术研究》是水利部“948”项目(编号:200708)、中央级公益性科研院所基本科研专项资金(合同编号:HKY-JBYW-2007-26)、水利前期工作规划任务及治黄专项基金资助下的10项紧密围绕堤防淤筑淤筑工程设计与建设展开的攻关技术集成研究成果。

项目的技术攻关与实践历时7年(2004年4月~2010年10月)。七年多来,项目组立足于黄河下游堤防淤筑工程建设,针对黄河堤防淤筑工程建设实施的特点与急待解决的工程问题,以控制堤防工程质量、确保防洪安全为目标,以黄河下游堤防工程土体力学特性变化规律及机理研究等基础研究为切入点,以系统的工程指标体系数据库建设、功能强大的软件包集成与开发、先进的监测技术引进与开发为主要研究手段,认真总结已建堤防淤筑工程经验教训,以针对性的观点、创新的理念剖析堤防工程建设与管理中存在的问题,处理好引用、借鉴与研发的关系,与堤防工程生产实践紧密结合,深入研究新时期堤防淤筑工程指标设计、排水方式、围堰防护及裂缝防治等技术难题。截止至2010年10月,项目中的研究成果均已通过项目下达单位的验收。

2、主要性能指标

项目的研究体系分为两个层次,主要研究成果包括如下:

(1)堤防淤筑工程的试验、数据库及数值分析软件等基础理论与应用研究

①揭示了黄河下游堤防土性参数随机性分布规律。针对宏观的均一性土层参数与工程实际不符问题,建立了黄河下游堤防工程渗透参数的概率分布函数,揭示了堤防土体随机性分布规律,黄河下游堤防土性参数的统计分析成果表明,渗透系数概率分布统计特征符合对数正态分布,孔隙比统计特征符合正态分布,临界坡降概率密度函数符合近似正态的分布规律。

②针对黄河堤防工程非饱和土的特点,系统建立了黄河堤防非饱和低液限粘土的土水特征与强度计算公式,填补了非饱和土力学参数率定与计算模型选取在黄河堤防工程中的空白。计算公式有:土水特征曲线、吸力强度,净围压与质量含水率、基质吸力与质量含水率,吸力强度等。

基于MATLAB语言,开发了具有数据管理、统计分析、数值分析功能的堤防工程安全监测数据后处理系统.。

④统一了黄河堤防工程历史险情指标系统,建立了黄河下游防洪工程历史险情数据库的分类标准与指标体系。

⑤总结长年积累的试验及监测成果,利用数据库与程序化分析方法,统一土体力学参数指标体系,特别是引入非饱和土、渗透随机性土体参数,实现渗透、失稳等险情关键指标量化,建立了土体力学参数及安全监测指标数据库体系。

⑥汲取ANSYS、ABAQUS、Geo-Studio、FLAC、FORTRAN等计算及开发软件的优势特点,对堤防工程计算分析软件包数值模拟分析的前、后处理模块、数值分析模块进行相互调用集成,基于此,应用Fortran语言开发Duncan-Chang本构模型用户子程序,并开展了堤防工程实例分析,实现了堤防工程软件包集成与开发。

(2)堤防淤筑工程建设设关键技术攻关与实践

①基于随机性分析理论,计算分析渗流场浸润线的出逸点高度及堤坡失稳范围,提出黄河标准化堤防堤顶宽度设计合理宽度及淤填高度。

②利用现场试验、理论分析与数值模拟方法,提出了堤防加固工程淤区的高效、简便、经济的PVC立体网状排水技术。

通过现场试验、数值计算以及效益分析,探讨了NaturwallTM 柔性生态袋加固围堤不同方案的使用效果,提出NaturwallTM柔性生态袋透水、防护、环保三重功效的围堤新材料防护技术。

④针对山东东明标准化堤防纵向裂缝的特点,借鉴公路、大坝、土木工程等裂缝治理方法,提出相应的修复特点鲜明、操作简便的堤防裂缝防治对策。

⑤基于人工智能原理,结合堤防工程安全评价的特点,初步建立了堤防工程安全非确定性评价模型,并开展了预警预报技术研究。

3、项目主要创新点

(1) 首次应用随机理论与非饱和渗流理论,揭示了黄河下游堤防渗透系数、临界坡降、孔隙比、土体密度等的正态分布规律,建立了考虑基质吸力、净围压影响的土水特征曲线及基质吸力、净围压与主应力差关系式,为非饱和土的理论在黄河堤防工程中的应用奠定了基础。

(2) 基于AGI(Applied Geomechanics Inc.)安全监测系统引进及后处理开发,得到了合理可靠的黄河下游堤防工程监测指标,首次建立了系统的黄河下游堤防工程历史险情、土质参数与安全监测指标体系与数据库;建立了堤顶宽度与淤填高度的分析方法,为黄河下游堤防设计提供了科技支撑。

(3) 建立了黄河下游堤防多因子耦合确定性预测模型,提出了淤筑工程合理施工速率,采用非饱和流固耦合理论量化分析了堤防裂缝的成因,提出了裂缝防治技术。

4、成果应用情况及社会经济效益

黄河下游堤防工程淤筑关键技术体系的黄河下游堤防低液限粘土的非饱和土力学强度公式、工程区7大土质渗透概率分布函数及湿化Duncan-Chang模型子程序、堤防工程数据库,堤防工程数值分析软件包等,已直接应用于2005~2010年、2010~2015年度黄河下游防洪工程关键技术指标设计及除险加固工程的规划设计中,为黄河堤防工程提供了新的设计方法,为今后黄河堤防工程建设与管理提供理论指导和技术支持。

黄河下游堤防工程淤背体加速排水速率技术、围堰新材料防护技术、裂缝防治技术、安全预测技术、监测技术等,已直接应用并指导2005年以来河南、山东黄河流域放淤固堤工程建设与管理中,将推广应用至黄河流域其他防洪工程建设管理中,为保障黄河下游防洪工程建设施工安全与质量提供有力技术支持。

该项研究成果针对堤防工程的特点,以黄河下游堤防工程基本理论、试验、数模及工程技术等研究成果为基础,在黄河下游一期、二期堤防加固工程中成功应用,取得了显著的经济与社会效益,使长期以来困扰工程界的堤防工程试验参数获取、设计指标确定、堤身及围堰安全等难题得到了定量化的科学解释,并找到了切实可行的解决方案,大大增强了数值计算在堤防淤筑技术研发中的可行性、实用性,对其他河流堤防工程建设与管理、河流治理具有极大的工程实用及借鉴价值,对于全国流域堤防工程技术的革新、发展具有重要的意义及广阔的推广应用前景。