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结构材料研究所

    成立于1958年,数十年来专心致力于水工结构与材料相关领域的学术研究与开发。全程参与和见证了我国水利水电事业从无到有,从弱到强,从落后到先进的发展过程。开创了多个研究学科,如混凝土结构的温控防裂、拱坝优化、大坝安全监测和岩石水力学等,大量研究成果被写进教科书、规范和各种著作,并应用于以三峡、小湾、小浪底、拉西瓦、龙滩、溪洛渡和锦屏等为代表的水利水电工程建设。培养出一大批以朱伯芳院士、陈厚群院士为代表的水利水电工程专家。

    下设5个研究室,主要从事筑坝理论与方法、水工新结构与新技术、结构分析方法、水工建筑物的安全监测与管理、检测评估与加固等研究开发与咨询。承担过大量的国家和省部级科研项目及与重大水利水电工程相关的科研项目。近年以来共获国家奖10项,获部奖共38项,主编和参编规范 12项,专利10余项。

    出版著作数十部,其中朱伯芳院士所著《有限单元法原理与应用》、《大体积混凝土的温度应力与温度控制》已经多次再版,成为相关领域发行量最大、读者面最广、实用性最强、引用频次最高的代表性著作。

组织机构示意图


    研究方向1:大体积混凝土的温度控制与防裂

    朱伯芳院士开创了我国温度应力与温度控制研究领域,长期引领着该学科的发展。成功开发了混凝土从施工期到运行期的温度场与应力场有限元仿真分析及温控防裂控制系统SAPTIS,利用该系统,可模拟每一仓混凝土的浇筑,仿真模拟大坝浇筑过程中的温度场、变形场、应力场的时空变化,根据仿真分析结果进行温度控制设计与裂缝控制。该技术已在国内众多重大工程成功应用,获得国家及省部级各种奖项30余项,其中“水工混凝土温度应力研究”成果于1982年度独立获国家自然科学三等奖,“混凝土高坝全过程仿真分析及温度应力的研究应用”成果独立获2000年度国家科技进步二等奖,200级碾压混凝土筑坝技术2010年获国家科技进步二等奖。

溪洛渡拱坝全过程仿真分析温度场分析

典型温度过程与应力过程

近5年来参与温控科研的重要水利水电工程

序号

工程名称

大坝类型

坝高(m)

1

锦屏一级

混凝土拱坝

305

2

小湾

混凝土拱坝

295.5

3

白鹤滩

混凝土拱坝

289

4

溪洛渡

混凝土拱坝

285.5

5

糯扎渡(溢洪道)

心墙堆石坝

261.5

6

拉西瓦

混凝土拱坝

250

7

龙滩(后评估)

碾压混凝土重力坝

192/216.5

8

黄登

碾压混凝土重力坝

203

9

亚碧罗

混凝土重力坝

164

10

向家坝

碾压混凝土重力坝

162

11

观音岩

碾压混凝土重力坝

159

12

托巴

碾压混凝土拱坝/重力坝

158

13

杨房沟

混凝土拱坝

155

14

鲁地拉

碾压混凝土重力坝

140

15

武都

碾压混凝土重力坝

120.34

16

龙开口

碾压混凝土重力坝

119

17

天花板

碾压混凝土拱坝

113

18

丹江口

混凝土重力坝

97/111.6

19

黄花寨

碾压混凝土拱坝

110

20

龙江

混凝土拱坝

110

21

景洪

碾压混凝土重力坝

108

22

大华桥

碾压混凝土重力坝

106

23

功果桥

碾压混凝土重力坝

105

24

白莲崖

碾压混凝土拱坝

104.6

25

党恩

碾压混凝土重力坝

82

26

恒山(加固)

混凝土拱坝

69

锦屏一级拱坝

龙滩碾压混凝土重力坝

专家们在溪洛渡工地

专家们在溪洛渡工地

    研究方向2:大坝施工的数字监控

    以朱伯芳院士提出的“数字监控”理论为基础,开发了大坝施工期数字监控系统,该系统包括“信息获取”、“仿真模拟分析”、“可视化信息展示”、“预警预报”和“决策支持”五部分组成。施工期数字监控的工作模式如下图。

    我所与中国水电顾问集团木联能科技有限公司联合开发了大坝施工期温度信息自动监测系统,可自动监测温度、温差、温度梯度等温控信息,并实现自动采集、无线传输,克服了传统仪器的“不及时”、“不准确”的缺点。与大坝中埋设的传统仪器一起,构成了“数字监控系统”的信息获取子系统。通过“仿真模拟分析”子系统可分析出温度、应力的时空变化。并用“可视化信息展示”子系统及时形象的展示大坝的温度、应力、抗裂安全度等信息。对可能出现的问题及时预警预报,并通过“决策支持系统”提出决策方案。该系统已在锦屏、溪洛渡和鲁地拉应用。

科研人员在溪洛渡工地导入监测数据

科研人员与承包商技术人员在锦屏一级浇筑仓面讨论

对降温速率过快、超冷等现象进行预警

    研究方向3:拱坝体型优化

   朱伯芳院士在国际上最早提出了拱坝应力计算的内力展开法,并提出了拱坝体型优化的多目标优化的理论和方法,以此为基础贾金生博士等开发了我国第一个完整的拱坝优化程序ADASO。拱坝优化的理论、方法和程序已获国家科技进步奖。考虑静动力分析的拱坝优化设计商业程序ADASO已应用于国内外百余座工程,如小湾、拉瓦西、瑞垟、江口、锦谭、下会坑、天花板、黄花寨等工程。迄今为止,ADASO程序已在许多设计单位安装使用。使用ADASO可以得到受力更合理、更加安全坝型,并减少混凝土的用量。

  

瑞垟拱坝---世界上第一座应用优化设计的拱坝        采用优化设计的重庆江口拱坝(高 140m)

用ADASO 程序设计的小湾拱坝(294.5m)

用ADASO 程序设计的小湾拱坝

    研究方向4:地下工程与岩石渗流

    张有天先生开创了岩石渗流学科的研究,带领团队以此为基础开展地下工程研究,主要研究地下工程与工程区的渗流场,地下结构的受力、稳定与安全,大坝与基础的联合作用,大坝深层抗滑稳定分析、坝肩稳定分析及加固措施等。研究成果获国家科技进步奖两项,省部奖8项。

 

 

研究方向5:数字建模与数字工程

建有大型数字虚拟现实(VR)平台,拥有短、中、长距离多种型号的激光扫描设备和高精度红外扫描设备,配备了先进的三维数字建模软件和独自开发的海量点云数据处理软件及数值模型结果。已运用于大型水电站水坝、地下隧洞、工业建筑、文物古迹的精确测绘建模和虚拟现实仿真。

          

三维激光扫描设备

科研人员在云冈石窟进行激光扫描与仿真

边坡及地下工程扫描

深圳龙茜供水工程输水隧

科研人员对恒山水库拱坝进行激光扫描与仿真

大坝扫描及建模

    研究方向6:水工程安全监测

    我国最早从事大坝安全观测的理论方法研究、仪器开发和系统开发工作的单位。自上世纪五十年代以来,通过引进、吸收、创新、推广,引领了了我国大坝安全监测技术学科的发展。先后举办过6期大坝安全检测培训班,培养了一大批活跃在我国水利水电大坝安全监测事业的知名专家学者和技术人员。1960年编写出版了我国第一部监测方面的专著《混凝土坝的内部观测》,之后参加主编《差动电阻式应变计》等 6项国家标准以及《混凝土大坝安全监测技术规范》。

    目前主要从事大坝、地下洞室、边坡等工程的安全监测系统及其自动化、监测资料分析、安全评价、监测信息管理分析系统研发等。监测信息管理分析系统提供了大量的可视化工具,统计模型、基于专

    家系统技术的在线综合分析预警最具特色,得到了国内外专家的好评。先后完成了近百个工程资料分析和系统开发,其中小浪底工程安全监控系统是目前水利水电工程安全管理系统最具代表性的系统。正在进行南水北调中线工程安全监控自动化系统集成与开发。

京石段-3_1_

南水北调中线京石段安全监测自动化系统

MCU 312台,接入仪器6000多支

小浪底水利枢纽工程安全监控系统

目前我国结构最复杂、规模最大的安全监控系统之一

操作灵活的综合信息管理

基于专家系统的综合分析推理系统进行在线监控及离线分析

监控指标设置可随时修改

丰富而直观的可视化分析工具

多样而实用的分析及监控模型

 

龙滩地下洞室围岩监测信息反馈系统

监测数据库、工程设计施工信息数据库、图形库和模型库四位一体

开放式项目测点组织适应施工期需要,为分析反馈提供完善的数据支持

丰富新颖的施工及监测信息可视化分析工具

先进的监控模型可进行监测数据时空动态分析与预测以及超限报警

 

丰富多样的监测可视化分析工具

综合性过程线

 一、二维分布图

相关图

包络图

模型回归分析图

堤坝沉降等值线图

渠道边坡监测数据信息图

混凝土CT

回归分析—限值检查

 

 

 

    研究方向7:建筑物缺陷检测、健康诊断与修补加固

    拥有先进的缺陷检测设备,如高精度的数字地质雷达、混凝土断层超声成像仪、三维激光扫描仪、红外热线仪、全孔壁成像仪、钻孔弹模仪、地震仪、钢筋位置测定仪、锈蚀分析仪、裂缝检测仪、数字回弹仪、超声波膜厚仪、测斜仪等,具备连续温度、变形、倾角、应力等监控能力,可进行建筑物的缺陷检测、安全评估和修补加固。

隧洞开挖超前预报

隧洞及路面混凝土质量检测

  

C:\朱新民\结构材料所\日常事务\2010年\深圳铁岗、石岩水库检测\铁岗照片\IMG_0529.JPG

深圳某坝面板脱空检测

建筑物渗漏检测

 

建筑物缺陷检测

C:\朱新民\朱新民\照片\2010年11月照片\IMG_1107.jpg100_0871

混凝土结构裂缝修补

C:\朱新民\结构材料所\龙茜供水工程\2008年\工程照片\鲍志强PCP处理照片\100_0788.JPGC:\朱新民\结构材料所\龙茜供水工程\2010年\工程照片\IMG_1377.JPG

混凝土管道碳纤维补强加固                  钢管内部喷涂聚脲防腐   

    研究方向8:老坝病坝的安全评估与除险加固

    以缺陷检测、混凝土质量检测、各种物探资料、安全监测资料分析结果为基础,利用自主开发的大型仿真与非线性分析程序SAPTIS对老坝病坝的工作性态进行仿真模拟和安全评估。在此基础上研究除险加固方案。已在我国第一座双曲拱坝---恒山拱坝及陈村拱坝等工程应用。

陈村拱坝安全评估

 

恒山拱坝安全评估与除险加固

    研究方向9:现代数值方法---岩质边坡及洞室稳定的不连续分析法

    以石根华博士提出的块体理论、DDA和数值流形法为基础,开发出2D、3D块体稳定分析、不连续变形分析(DDA)及流形法(manifold)程序,可用于分析岩质边坡、地下洞室的岩体稳定。已在拉瓦西、鲁地拉、白鹤滩、功果桥等工程应用,解决了传统方法所不能解决的问题。

  主变洞08 

鲁地拉导流稳定分析                拉西瓦地下厂房稳定分析           白鹤滩边坡稳定分析

 

边坡破坏(试验)                         边坡破坏(计算)

                         

某工程边坡危岩体稳定问题(原始状态)       某工程边坡危岩体稳定问题(破坏情况)

    研究方向10: 预应力锚索加固及预应力实时监测技术

    研究开发了压缩分散型预应力锚索及预应力实时监测方法与相应设备,开发出从边坡稳定分析计算、边坡加固治理方案、锚索产品研发和生产、边坡工程施工到工后边坡变形监测分析的全系列边坡加固治理全套技术,共获得发明专利5项,实用新型专利9项,开发专利新产品4项,已经在新疆下板地水利枢纽工程、南水北调工程、武都水库深层抗滑工程、克孜尔水库右坝肩边坡加固工程等大中型应用。

 

智能压力分散型锚索

锚索预制承压反力体

 

破碎岩石倾倒体的预应力锚固及实时监测系统的应用

 

四川省武都水库震后坝基深层抗滑锚索加固工程

    研究方向11:边坡的监测预警及安全评估

    利用三维深层位移的连续监测,实现边坡、隧道等工程的施工期安全监测及预警,同时也可以通过深层监测位移的变化,找出滑移面位置和滑移方向。

数据采集器

               

        边坡预警系统                 滑移面位置确定            传感器

    通过对表面位移实时监测,利用反分析理论对边坡进行安全评估及预警。

   

    传感器                                    实时监控系统

    

反分析安全评估软件系统

    研究方向12:复杂结构真实工作性态的仿真模拟与安全评估

    利用自主开发的大型仿真模拟与非线性分析系统SAPTIS,可以模拟水工建筑物开挖、浇筑过程,模拟横缝、纵横、裂缝等多种不连续构造,钢筋、预应力、锚索等多种加强措施、混凝土材料性质随龄期变化,降强超载等多种条件下建筑物的应力、变形、破坏  线性非线性工作性态,并对建筑物的安全度进行评估。已用于三峡、小湾、溪洛渡、锦屏和向家坝等大坝及黔中调水大型输渡槽工程。

三峡升船机塔柱结构仿真模型与计算成果

小湾拱坝基础结构面及坝体材料分区

小湾拱坝水压作用下横河向位移

亚洲最高的输水渡槽---黔中调水渡槽

局部结构单元剖分

各种预应力钢筋和锚索的模拟

浇筑过程中局部受力

水闸安全评估计算分析

    新技术的开发与推广1:“旋喷膜”聚脲防渗---会呼吸的防渗膜

    聚脲是一种优良防渗材料,具有抗老化、强度高、延展率好、裂缝追随性好等优点,但传统的聚脲防渗膜有粘接力低、易起鼓泡、立面喷涂易流淌等缺点。日本河田化学株式会社改进了聚脲配方,研发出新型喷涂设备和工艺----“旋喷膜”(Jetspray)工艺,该工艺形成的防渗膜具有“透气不透水”的功能,被称为“会呼吸的防渗膜”,可克服了起鼓泡与基面剥离的缺点,可提高粘接强度,并易于施工。

旋喷膜喷涂设备

旋喷膜喷头的特殊构造

各种建筑物的旋喷膜喷涂施工

    新技术开发与推广2:超级真空井点排水(swp)

    由日本四家公司联合开发的一项超级真空井点排水工法(swp),该技术通过置入井内的一根特殊构造的管段,在水井的底部形成真空,从而将地基内的水强制吸入井管内,再由内井管抽至地表。该技术可以大大提高抽水排水效率,节省投资。根据地层土质的不同,抽水效率是传统方法的1.5倍~20倍。

   特殊セパレートスクリーン構造図

超级真空井点抽水设备构成示意图

不同抽水方式的比较

应用实例(基坑排水)

    省部级以上科技奖励与专利

国家奖(1982年至今)

序号

获奖项目

获奖类别与等级

获奖时间

获奖人员(仅列水科院人员)

1

水工混凝土温度应力的研究

国家自然科学三等奖

1982

朱伯芳,丁宝瑛

2

差动电阻式应变计等六项国家标准

国家科技进步三等奖

1985

经宣录

3

拱坝优化方法程序与应用

国家科技进步二等奖

1988

朱伯芳,厉易生

4

水电站地下洞室围岩稳定和支护的研究和实践

国家科技进步二等奖

1988

张有天

5

混凝土断裂力学在拓溪大头坝裂缝研究和加固中的应用

国家科技进步三等奖

1991

于骁中

6

湖南东江水电站双曲拱坝坝后背管的设计与施工

国家科技进步三等奖

1992

丁宝瑛

7

高混凝土拱坝防裂技术及其在东风工程中的应用

国家科技进步二等奖

1992

丁宝瑛

8

龙滩漫湾混凝土与地基联合作用仿真分析

国家科技进步三等奖

1993

张有天,王镭,陈平

9

砼高坝全过程仿真分析及温度应力研究与应用

国家科技进步二等奖

2000

朱伯芳,许平,厉易生,贾金生,杨波,阎继军

10

200m级碾压混凝土重力坝建设关键技术

国家科技进步二等奖

2001

张国新

    中国水利水电科学科学研究院 结构材料所

    邮编:100038

    地址:复兴路甲一号,水科院D座

    电话: 01068781720

    传真: 01068588911

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