泥沙研究

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:2013-01-16 审核人:

获奖类型:2012年度黄河水利委员会科学技术进步一等奖

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:部、省级计划

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

20世纪末以来,长江三峡水利枢纽、黄河小浪底水利枢纽、南水北调等大型水利工程陆续开工建设掀开了我国水利工程建设新的篇章。新时期流域性堤防工程战略性的规划部署与建设,大幅度加强了流域性河流的防洪减灾、水资源合理配置能力。1996年之后,新一轮的黄河下游堤防淤筑工程的规划建设,秉承和发扬了多泥沙河流的“宽河固堤”的治河理念,将清淤疏竣集中转移到主河槽,堤防工程淤背的规模进一步加大,对于缓解黄河下游主河床泥沙淤积、提升堤防防洪能力、保护两岸人民生命财产的安全具有战略性意义。但由于黄河两岸国民经济的迅速发展,新时期堤防淤筑工程的规划保护能力、建设格局、建设规模等发生了巨大的变化,受黄河下游堤防工程基础资料系统缺乏的影响,以及传统的分析计算方法、常规的设计与施工模式、落后的管理方法等制约,尚无法满足新时期规划及堤防工程建设质量的要求,并由此造成集中性、高强度、机械化施工交叉作业模式引发了一系列新的工程技术与质量安全问题,对于堤防淤筑工程险情特征分析的细化、基础试验理论研究深度、合理的数模与先进监测技术应用、排水与防护互补的改进型的施工工艺等关键技术研究与应用提出更高的要求。因此,迫切需要开展堤防土体特性相关基础研究,开发功能强大的数值分析集成软件包,建立堤防工程安全评价模型和堤防淤筑关键技术,突破制约堤防工程理论与应用的技术瓶颈,为堤防工程建设提供强有力的科技支撑。

2、关键技术与创新点

八年来,项目组针对大规模、全面推进,集中性、高强度、机械化交叉施工的黄河下游堤防淤筑工程,以控制堤防工程质量、确保防洪安全为目标,针对性地剖析了新时期影响堤防淤筑工程安全的关键技术难题,处理好引用、借鉴与研发的关系,以黄河下游堤防工程渗透与非饱和土力学理论、土体本构模型改进等基础研究为切入点,通过系统的堤防工程数据库建设、功能强大的软件包集成、先进的监测技术引进与开发,确立了堤防设计指标论证的随机分析方法,揭示了淤筑对堤防安全的影响机理,提出了淤区排水、围堰防护、裂缝防治与安全评价等关键技术,为黄河堤防工程建设提供强有力的技术支撑,具体如下。

(1) 建立了堤防土体参数随机概率模型,提出了堤顶宽度与淤填高度分析方法。针对黄河堤防的水文地质条件极为复杂,难以通过原型观测资料率定土层的渗透系数,堤防设计指标难以合理确定等问题,引入随机分析理论,系统建立了黄河堤防土体参数随机概率模型;应用随机分析与非饱和渗流理论建立了黄河堤防工程堤顶宽度与淤填高度分析方法,提出了黄河下游堤顶宽度与淤筑高度的设计指标,提高了黄河下游堤防工程设计指标论证的理论水平。

(2) 建立了双因子非饱和土土水特征与强度特性公式。针对黄河堤防非饱和土体的力学特性试验研究成果不足且系统性不强等问题,应用先进的英国GDS非饱和仪开展了非饱和土土水特征及力学强度试验,建立了考虑基质吸力、净围压影响的土水特征曲线,提出了基质吸力、净围压与主应力差的关系式,克服了以往只考虑单因素影响的不足,为材料本构模型改进、淤区排水、围堰防护及裂缝防治等研究提供了理论依据,推动了非饱和土力学在黄河堤防工程中的实质应用。

(3) 建立了堤防评价参量动态工程数据库。针对黄河堤防工程历史险情资料时间跨度大、管理分散、堤防工程基础资料不健全及指标体系不完善等问题,系统收集黄河下游防洪工程历史险情资料、土质参数及工程监测资料,建立了具有动态评价参量、非饱和土土性参数、淤筑实时监测数据的堤防工程数据库,弥补了现有堤防工程管理系统指标体系与评价参量不完善等问题,可为堤防工程实时安全评价、防汛抢险决策提供强有力的数据支撑,推动了黄河水利工程信息化的进程。

(4) 改进了材料本构模型,开发了堤防工程数值分析软件包。针对堤防工程项目需采用多个计算软件分析、前后处理复杂、缺少实用的材料模型、难以满足特殊分析需求等问题,改进了Duncan-Chang本构模型,实现了材料参量函数化;开发了具有非饱和渗流、流固耦合、稳定性分析等功能的堤防工程数值分析软件包,可与堤防工程数据库无缝链接,实现了软件间优势互补,提高了建模分析能力与效率,为淤区排水、围堰防护及裂缝防治等方案优化提供了强大的计算平台。

(5) 建立了堤防淤筑工程突变理论、灰色理论及多因子耦合安全评价模型。针对黄河下游淤筑工程设计中尚无监测项目,缺乏全面、系统、连续与可靠的监测资料,尚无合适的堤防安全评价模型等问题,应用先进的美国AGI安全监测系统开展了淤筑对堤防安全的影响监测,开发了具有数据管理、统计分析、安全评价功能的边坡监测数据后处理系统,建立并验证了突变理论、灰色理论及多因子耦合安全评价模型,推动了堤防安全评价模型研究与黄河“金水工程”建设进程。

(6) 提出了淤区立体网状排水与柔性生态袋围堰防护技术。针对淤区施工过程中排水不畅、围堰坍塌失稳等问题,基于非饱和流固耦合理论,提出了以一定间距布设水平与垂直排渗管并纵横相连,通过总管外排的淤区立体网状排水技术,加快了淤区排水速率;比选围堰背河侧护坡、围堤背河侧护脚与临河侧护坡、围堤内直立心墙方案,提出了围堰背河侧护坡的柔性生态袋防护技术;排水与防护技术解决了淤筑工程集中性、高强度、机械化施工引起的淤区积水严重、围堰坍塌等问题,提高了堤防安全性与围堰稳定性,确保了工程质量与安全。

3、推广应用情况

该成果已成功应用黄河下游堤防工程规划、建设与管理,并已推广至黄河流域。其中:非饱和土力学强度理论、渗透系数概率模型、改进Duncan-Chang模型、堤防工程数据库、数值分析软件包、堤顶宽度与淤填高度设计指标等,已被黄委规划计划局、黄河设计公司、山东黄河设计院等单位应用到黄河下游防洪工程规划设计中;淤区排水、围堰防护、裂缝防治、监测与安全评价等技术,已被黄委防办、黄委建管局、山东黄河河务局、河南黄河河务局等单位应用到黄河下游堤防工程建设与管理中,对保障黄河堤防淤筑工程安全提供了有力的技术支撑。

2011~2012年,研究成果进一步推广至长江堤防建设与管理中,张家港水利局采用淤区排水、堤身裂缝防治关键技术加快了张家港长江堤段重桩码头吹填工程排水速率。张家港长江防洪管理处应用AGI监测技术及安全评价模型,进行了长江堤防朝东圩港段的安全监测与预警预报,取得了良好的效果。

目前,“AGI边坡监测技术”已列入水利部推广计划,进一步推广至全国水利系统;部分研究成果已应用至长江张家港堤防安全监测与评价中,并被江苏省水利厅、江西省水利规划设计院等多家单位应用至水工数值计算、边坡与隧洞稳定性分析、堤坝安全监测评价中,推动了水利科技的发展。

部分研究成果被全国学术领域及其他相关行业广泛引用。经中国知网等相关数据库检索检出引用本项目文献50篇,其中:EI源刊13篇,核心期刊19篇,包括清华大学、同济大学、河海大学、中科院、南科院、中国地质科学院、总参工程兵科研三所、铁道第三勘察设计院、中铁一局集团等41家涵盖中科院、军队、水利、电力、铁路、交通、建筑、测绘等行业的全国重点高校、科研院所与生产单位,研究成果已应用至非饱和土力学研究、边坡稳定分析、渗流计算、工程数值仿真、工程安全监测与评价、农业预测预报、工程施工等方面,对推动相关学术领域的发展及工程应用作出了积极贡献。