【文章內(nèi)容簡介】 濟效益。 16 通過本項目建設(shè)，形成具有高水平的科研和教學隊伍。造就出在國內(nèi)外一定影響的學術(shù)帶頭人 4?5 名，培養(yǎng)博士后、博士碩士研究生 350 多名，成為培養(yǎng)巖土 工程一流水平的高層次專門人才的基地。 四、建設(shè)總經(jīng)費 “十五”期間，本項目建設(shè)所需總經(jīng)費為 1000 萬元。其中 100 萬元用于人才培養(yǎng)、學術(shù)交流、交叉學科建設(shè)等， 900 萬元用于添置設(shè)備： 1. 堆石體、軟土與特殊土的工程性質(zhì) 250 萬元 2. 巖石力學特性及長期穩(wěn)定性研究 255 萬元 3. 巖土工程現(xiàn)場測試與應(yīng)用新技術(shù)研究 167 萬元 4. 環(huán)境巖土工程與地質(zhì)災害防治 228 萬元 五、項目已有的優(yōu)勢和特點 1. 綜合的學科優(yōu)勢 河海大學巖土工程學科是國務(wù)院首批博士點授予點之一， 1988 年被評為國家重點建設(shè)學科點， 1994 年被巖土工程實驗室評為水利部重點實驗室， 1996 年列為國家“ 211 工程”重點建設(shè)學科， 1999 年被教育部確定為“長江學者獎勵計劃”特聘教授設(shè)崗學科， 2020 年被批準成立江蘇省交通基礎(chǔ)工程研究中心。2020 年被教育部重新確認為國家重點學科點。 1997 年被評為江蘇省優(yōu)秀學科梯隊。經(jīng)過多年的建設(shè)，形成了巖土工程領(lǐng)域具有特色的 5 個研究方向：土的基本特性及土與結(jié)構(gòu)相互作用；土動力學與工程抗震；軟土地基處理與基礎(chǔ)工程；巖石力學與工程；巖土滲流理論與測試等。目前已擁有結(jié)構(gòu)合理的學科梯隊、堅實的研究基礎(chǔ)和一流的研究設(shè)施。 在“九五”“ 211 工程”項目支持下，本學科建設(shè)了一批先進的試驗研究設(shè)備，包括與日本共同研制的全自動多功能振動扭剪三軸儀、英國進口的非飽和土三軸儀、巖石力學伺服測試系統(tǒng)和應(yīng)力路徑大型三軸儀等大型精密儀器以及 17 巖土滲流同位素示蹤測試儀器等，其中部分設(shè)備達到國際一流水準，這將為本學科開展基礎(chǔ)理論創(chuàng)新及應(yīng)用研究提供最好的 科研條件。 2. 高水平的學術(shù)隊伍 目前，以巖土工程研究所為主體形成了 43 人的強大學科梯隊。其中教授 18人，副教授 12 人，講師 13 人，具有博士學位者 20 人。梯隊平均年齡為 39 歲，并且多數(shù)是來自國內(nèi)外著名大學的年輕博士，能夠博采和融合各家所長，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。學科梯隊中有國內(nèi)著名學者， 2020 年又聘請了中國工程院王思敬院士為學科顧問。 3. 培養(yǎng)人才的高質(zhì)量 近 5 年來培養(yǎng)了 100 多名博士和碩士研究生。其中多數(shù)成為所在單位的學術(shù)骨干。 4. 特色鮮明的科學研究 本學科以研究水利水電工程中巖土 工程問題為特色。在國家“六五”至“九五”期間， 研究了三峽、小浪底、天生橋等 10 余座特大型水利水電樞紐中的巖土工程問題，如大壩、高邊坡、地下洞室中的應(yīng)力、變形、滲流、穩(wěn)定、流變、抗震等。 同時在高速交通工程方面，也取得了豐碩的成果，如解決滬寧高速公路中軟基加固關(guān)鍵技術(shù)問題，為國家經(jīng)濟建設(shè)作出了重大貢獻。 5. 國際國內(nèi)學術(shù)交流 本學科長期與歐、美、日本及東南亞等國家有著廣泛的合作交流。 2020 年與法國里爾科技大學（ USTL）合作組建了中法國際環(huán)境巖土力學研究中心（ CFGeomech）。與香港理工大學土地測量系 合作進行地址災害預測預報研究。與澳大利亞新南威爾大學、加拿大卡爾加里大學和新加坡南洋理工大學定期交流研究成果，并進行廣泛的學術(shù)探討。 “巖土工程與地質(zhì)災害防治” 建設(shè)項目總投資為 1000 萬元，其中中央專 18 項資金為 700 萬元（國家計委 350 萬元，財政部 350 萬元），全部用于購置儀器設(shè)備；學校自籌資金為 300 萬元， 180 萬元用于購置儀器設(shè)備， 120 萬元用于學術(shù)交流、學科隊伍以及網(wǎng)絡(luò)、圖書等建設(shè)。本子項目具有代表性儀器設(shè)備名稱如下：大型堆石體流變?nèi)S剪切試驗機、大型堆石體真三軸儀、巖土體微細結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)、全自動巖石 流變?nèi)S儀及剪切流變儀試驗系統(tǒng)、全自動多功能CPTU 車載測試系統(tǒng)一套、衛(wèi)星定位地面接收監(jiān)測系統(tǒng)。 19 重點學科建設(shè)項目論證報告（之三） 水工結(jié)構(gòu)工程 一、項目定義 項目名稱：水工結(jié)構(gòu)工程 所屬領(lǐng)域：本項目屬基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)中的土建、水利領(lǐng)域，承擔本項目的主干學科是水工結(jié)構(gòu)工程，支撐學科有工程力學、材料學和結(jié)構(gòu)工程。 二、項目背景 1. 項目意義 國家 “十五 ”及 2020年遠景規(guī)劃中明確提出了南、中、北三條 “西電東送 ”工程和東、中、西三線 “南水北調(diào) ”工程的宏偉建設(shè)計劃 ；同時，全國有 27000多座病險壩需除險加固。這些都對水利水電工程建設(shè)的支柱學科 水工結(jié)構(gòu)工程學科提出了發(fā)展、創(chuàng)新的新要求。項目將針對水工結(jié)構(gòu)安全工程，特高壩建設(shè)，高邊坡的綜合治理，超大型地下洞室和超長深埋高壓輸水隧洞的修建，水工結(jié)構(gòu)工程的新材料、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)與應(yīng)用等領(lǐng)域面臨的一系列科學技術(shù)難題進行重點建設(shè)，由此，形成國內(nèi)具有顯著特色和先進水平的學科隊伍，建立涵蓋整個學科領(lǐng)域的高層次人才培養(yǎng)和高水平科學研究基地，以適應(yīng)國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的迫切需要。 建國以來，我國共修建 8萬多座堤壩，高 15m以上的大 壩有 ，水庫總庫容約 500Gm3以上，水電總裝機約 80GW，總供水量 500 Gm3以上，灌溉面積 億畝，并保護下游億萬人民的生命財產(chǎn)安全，是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在國民經(jīng)濟建設(shè)和社會安全中起到了巨大作用。然而由于多種原因，在全國 3100多座大中型水庫大壩中有 1248座大壩、在 8萬多座小型水庫大壩中有 20 36%存在不同程度的病險問題；其他大壩，尤其是七十年代以前修建的大壩，也存在老化和病變等問題，可預料 21世紀將是老壩加固和處理的高潮。同時，隨著西部大開發(fā)和西電東送的開展，三峽、溪洛渡、 小浪底、向家壩、小灣、錦屏、龍灘和糯扎渡等高壩水庫將越來越多，南水北調(diào)工程也將啟動，這些工程規(guī)模巨大，技術(shù)十分復雜。在承受各種荷載作用或受到地震、洪水、暴雨等自然災害侵襲以及遭受人為破壞時，水工結(jié)構(gòu)工程安全是關(guān)系到國計民生的大事，安全監(jiān)測、預警、防災減災等方面的研究已引起了各國的高度關(guān)注。為解決水工結(jié)構(gòu)工程的安全問題，評價和提高工程的安全承載能力，提高和發(fā)展安全監(jiān)控技術(shù)乃是當務(wù)之急，特別在安全分析評價和饋控理論、高新監(jiān)測設(shè)備研制和應(yīng)用、工程安全遠程監(jiān)控技術(shù)、結(jié)構(gòu)損傷病變仿真和檢測、工程健康診斷和壽命評估、工 程風險評價等方面，急需加強試驗研究，以促進理論研究發(fā)展。上世紀八十年代前，模型試驗在大型水工建筑物設(shè)計中起了主要作用，八十年代則是模型試驗和數(shù)值分析并重，而進入九十年代后由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值分析已成為復雜大型水工建筑物設(shè)計的主要手段。但是數(shù)值分析結(jié)果的精度依賴于數(shù)學模型及材料特性模擬的精度，目前除彈性分析較可靠外，大部分數(shù)值分析結(jié)果只能供工程設(shè)計人員參考。其主要原因是對水工建筑物及其地基材料特性認識還不足。因此模型試驗、現(xiàn)場觀測、數(shù)值分析作為科學研究的三個重要方法，仍然是水工結(jié)構(gòu)學科發(fā)展缺一不可的 手段。水電產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。隨著大規(guī)模水利建設(shè)的蓬勃開展，大量基礎(chǔ)性、機理性課題亟待解決，如水工建筑物的抗震、減震和控震、水工混凝土溫控及裂縫防治、土石壩等散粒體穩(wěn)定和破壞機理、 300m以上超高壩的工作性態(tài)等，均還需通過物理模型研究，取得理論上的驗證和突破性進展。 在混凝土壩的動力分析中，當強震作用時，重力壩的壩頂和壩踵部位將出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，而難以滿足設(shè)計規(guī)范中有關(guān)基本不出現(xiàn)拉應(yīng)力的要求；拱壩的地震拉應(yīng)力值更大，也將超過設(shè)計規(guī)范中基于經(jīng)驗性給出的允許應(yīng)力值的安全標準；大量動力分析結(jié)果表明，混凝土的抗 震強度驗算中，拉應(yīng)力值常起控制 21 作用。因此，在混凝土水工建筑物的抗震計算中，應(yīng)明確規(guī)定混凝土抗拉強度的標準值及其相應(yīng)的安全準則?，F(xiàn)有規(guī)范規(guī)定實際上是基于國外早期少量試驗研究成果所確定，難以反應(yīng)實際情況和對大壩結(jié)構(gòu)真實安全度做出有效判斷，在高烈度地震區(qū)將有一大批混凝土高壩要建設(shè)，迫切要求對大體積混凝土動態(tài)特性進行研究。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，許多先進的分析方法和更加符合實際情況的計算理論對水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)用成為可能。但目前的設(shè)計理論和計算方法顯得滯后。為了優(yōu)化設(shè)計，在確保安全的條件下節(jié)省工程造價，研究新的計算理論、完 善現(xiàn)有的設(shè)計方法、并付諸實際工程應(yīng)用，將具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。 水工材料的劣化是關(guān)系到水利工程安全性、使用壽命和工程效益的重要問題。已有的水工材料劣化理論大都基于單因素作用下的研究結(jié)果，與實際水工材料在常規(guī)和非常規(guī)荷載、溫度變化、氣體和液體介質(zhì)等多因素協(xié)同作用下耐久性與劣化行為不符。研究水工材料的劣化行為和測評技術(shù)對按服務(wù)年限要求合理設(shè)計水利工程、準確評估工程的使用壽命、保證工程安全性、對工程的修補、加固作出科學決策具有重要意義。另一方面，已建的水工結(jié)構(gòu)工程普遍面臨著由于材料劣化而導致的結(jié)構(gòu)耐久 性問題，面廣量大的已建結(jié)構(gòu)需要維修、加固和改造，修復新材料、新技術(shù)的研究極為迫切。 目前在水工結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)尤其是大壩混凝土的裂縫問題仍然沒有得到很好解決，從普通水閘工程到高達 200～ 300m的混凝土重力壩或拱壩工程，幾乎沒有一個工程在施工期間是不裂的，施工期大體積混凝土的裂與不裂幾乎成了工程施工質(zhì)量評定的一個最為主要和直接明了的指標?；炷恋牧芽p如何防止，是工程業(yè)主非常重視的問題，并往往投入大量經(jīng)費專門立項研究，但仍難以避免裂縫的產(chǎn)生，如三峽大壩。壩基巖體的滲透特性和灌漿處理也是目前國 內(nèi)外壩工界了解相對很少的工程問題，在工程滲控設(shè)計和灌漿處理的工作中主要是憑借以往的工程經(jīng)驗，造成很大的浪費。 水工建筑物的施工在基本建設(shè)中占有重要地位，它關(guān)系到工程質(zhì)量及社會 22 安全。由于施工過程涉及的影響因素很多，所需的理論也來自于不同的基礎(chǔ)學科，施工中存在著許多 不確定性因素， 難以用單一的數(shù)學模型和單一的目標進行管理和優(yōu)化。因此， 將軟科學理論應(yīng)用于工程施工，在施工過程的優(yōu)化方面強調(diào)重視和利用以往工程經(jīng)驗，用系統(tǒng)分析方法、全局優(yōu)化方法和綜合智能方法等進行施工系統(tǒng)仿真和優(yōu)化，對節(jié)省工程造價、縮短施工周期、提高工程 質(zhì)量和工程管理水平均具有重要意義。 2. 國際水平 在水工建筑物安全檢測、監(jiān)測和控制方面，意大利、法國、奧地利以及美國、日本等國家開展研究較早。目前，安全監(jiān)測分析和評判已由一維單測點向三維多測點方向發(fā)展，由離線人工進行管理和分析，逐步向在線自動實時或及時綜合評判發(fā)展，同時在安全風險分析評判中更多地注重對生態(tài)環(huán)境以及社會各方面的影響，而智能化、網(wǎng)絡(luò)化將是今后發(fā)展的趨勢，而這方面國際上也才起步。針對以上發(fā)展趨勢，安全分析評價和饋控理論、高新監(jiān)測設(shè)備研制和應(yīng)用、工程安全遠程監(jiān)控技術(shù)、結(jié)構(gòu)損傷病變仿真和檢測、工程健 康診斷和壽命評估、工程風險評價等方面，已成為當今各國優(yōu)先研究的課題。 結(jié)構(gòu)的物模研究最具國際聲譽的是意大利貝加莫模型結(jié)構(gòu)研究所 (ISMES)和葡萄牙國立土木工程研究所 (LNEC)，他們曾為世界上數(shù)十座大壩進行過模型試驗，在水工結(jié)構(gòu)復雜荷載的模擬方面有獨到之處。在結(jié)構(gòu)動力模型試驗方面，日本、美國及法國等近年來建造了超大規(guī)模的地震模擬振動臺，其中設(shè)備先進的制造商當數(shù)美國 MTS公司?？傮w上看，我國在模型試驗加載及測試設(shè)備等方面與國際水平差距較大，在測試精度和自動化程度方面尤為明顯。 反饋設(shè)計是基于先進的分析理論與 現(xiàn)場量測技術(shù)的一種動態(tài)設(shè)計方法。工程反分析的研究在意大利、日本開展的較早。但目前無論在理論上或?qū)嶋H應(yīng)用遠未成熟，尤其在反分析方法上，仍存在解的適定性、量測信息的容錯性等問題。 與工程實際相吻合的材料劣化機理、測評技術(shù)是國際材料界近年研究的熱 23 點問題之一，世界各國對此十分重視，美國、加拿大、日本和英國等國的研究水平較高。在修復新材料、新技術(shù)方面，國外發(fā)展較快，已有許多技術(shù)和材料開始用于工程。 目前國內(nèi)外對水工大體積混凝土的裂縫控制問題都沒有得到根本性的解決，國外也是處在 “無壩不裂 ”的狀態(tài)，對這個問題還需要在基本 理論、計算方法、材料特性、施工技術(shù)以及工程管理等方面進行深入而系統(tǒng)的研究。在施工仿真技術(shù)方面，由于國外發(fā)達國家現(xiàn)階段大型水利工程很少，主要是在建筑、橋梁、交通等領(lǐng)域具有共性的研究工作，包括結(jié)構(gòu)和施工過程的優(yōu)化設(shè)計、施工過程（主要是離散系統(tǒng)）的計算機模擬技術(shù)、模擬網(wǎng)絡(luò)和變化環(huán)境的專家系統(tǒng)等。就壩基巖體的滲流特性和滲透系數(shù)張量確定的理論和方法，美國 Neuman院士、法國的 Louis和德國 Ewert教授以及 Wittke教授等人理論和試驗方面的研究都取得了大的發(fā)展。 3. 國內(nèi)水平 國內(nèi)以河海大學為代表，從上世紀七 十年代開始進行水工建筑物安全監(jiān)控理論和應(yīng)用方面的研究，目前已從安全信息感知、信息傳輸、信息分析、決策支持及反饋幾個方面綜合考慮，并從施工期、蓄水期、運行期以及從地上到地下進行系統(tǒng)研究。九十年代初期，吳中如院士在國內(nèi)首先將專家系統(tǒng)概念引入水工建筑物安全監(jiān)控領(lǐng)域，成功研制開發(fā)了基于 “一機四庫 ”的大壩安全綜合評價專家系統(tǒng)。高新智