异重流阻力系数、异重流孔口出流公式、潜入点判别数已为专著、教科书所引用,如:钱宁《泥沙运动力学》(中英文),武汉水院《河流动力学》等;潜入点判别数被美国、法国等国外专著、手册、论文广泛引用。建立了异重流运动理论,成为泥沙运动的分支学科,居国际领先地位;获得1978 年全国科学大会奖。
美国流体力学百科全书,设专章(第六卷第十八章)介绍泥沙运动统计理论;在国际上引起了强烈反响,先后有包括国际水利学会前主席肯尼迪、林泰造在内的美国、日本、英国、澳大利亚、新西兰、波兰等国30 余位专家来信来函,表示钦佩和祝贺;近年,美国和欧洲的一些学者采用韩其为院士的非均匀沙不平衡输沙公式或思路改进泥沙数学模型。建立了完整的泥沙运动随机理论体系,成为泥沙学科的理论基石之一,稳居国际领先地位;获得1993 年度国家自然科学三等奖。
4水工混凝土温度应力的研究
首次建立非均匀质粘弹性体徐变理论,提出并证明非均质弹性徐变体在混合边界条件下的两个基本定理,解决了非均质结构徐变对结构应力的影响问题;首次阐明了水工混凝土温度应力发展的基本规律并提出混凝土浇筑块、弹性地基梁、重力坝、拱坝、船坞、孔口、库水温度、寒潮等一系列解析算法,解决了水工混凝土结构规范中求解温度应力的难题;首次提出水工混凝土温度徐变应力分析的隐式解法、子结构法和简谐徐变应力分析等效模量法,大幅度提高了有限元法计算温度应力的计算精度和求解效率;提出水工混凝土弹性模量、绝热温升、徐变度、应力松弛系数等计算公式 ,解决了水工混凝土结构规范中计算混凝土热力学参数的难题。
在我国开辟了混凝土徐变理论和混凝土温度应力等研究领域,阐明了水工混凝土的基本规律、计算方法和控制技术,使我国水工混凝土温控防裂措施实现了从定性认识到定量分析的跨越;提出的混凝土浇筑块、基础梁、重力坝、拱坝、船坞、寒潮、库水温度、冷却水管等一系列算法广泛应用于实际工程,其中9项已纳入我国重力坝、拱坝、船坞结构等设计规范及水工设计手册;提出的水工混凝土弹性模量、绝热温升、徐变度、应力松弛系数等热力学参数计算公式已列入我国混凝土结构规范规程;提出的混凝土温度徐变应力分析的隐式解法及子结构法等应用于我国有限元温度仿真分析软件中;获得1982 年度国家自然科学三等奖。
朱伯芳、王同生、丁宝瑛、郭之章
水电中心/ 结构材料所
5西部高拱坝抗震安全前沿性基础科学问题研究及其工程应用
围绕重大工程遭遇最大可信地震时不发生次生灾变的战略目标,对我国西部强地震区高拱坝抗震中的场地相关地震动输入、大坝体系地震响应、大坝混凝土动态抗力等基础科学问题开展了全面研究。在合理确定设防水准框架、正确理解输入机制和选择地震动参数等方面,进行了全面系统深化研究。研发了可综合计入无限地基辐射阻尼、坝体横缝、近域地基控制性滑动块体的整体系统显式有限元非线性波动反应分析方法和软件,提出了以典型部位位移突变作为拱坝地基系统整体失稳极限状态判据的拱坝抗震安全评价新方法。首次系统进行大坝全级配混凝土动态性能的试验和细观力学分析。研发了基于高性能计算平台的拱坝动力分析软件,开创了高性能计算在大坝抗震领域应用的先例。
本项目被国家自然科学基金委员会评为“A”类优秀成果并追加资助。主要研究成果已在我国西部强震区高拱坝的抗震设计和复核中被应用,并被国家标准《水工建筑物抗震设计标准》(GB51247-2018) 所采纳。溪洛渡拱坝并行有限元计算程序在天河一号计算机的应用,被中央电视台新闻联播节目及CHINA DAILY 头版作为其应用实例报导。在国内外发表了学术论文共151 篇(SCI 或EI 收录51 篇),出版了中、英文专著《高拱坝抗震安全》,在国内外产生广泛影响。获得2010 年度首届水力发电科学技术特等奖。
陈厚群、吴胜兴、党发宁、马怀发、周继凯、丁卫华、张翠然、沈德建、刘云贺、李同春
抗震中心
6岩土力学极限分析的二、三维理论和方法
滑坡是自然界和基本工程建设中经常遭遇的重大灾害。自上世纪八十年代以来,课题组在多项国家级项目的支持下,结合小湾、三峡和洪家渡等世界级工程,应用塑性力学上下限原理,建立了具有更为严格理论基础和数学力学内涵,边坡稳定、地基承载力和土压力三个领域统一的二、三维极限分析理论体系,包括在边坡领域占重要地位的Morgenstern-Price 改进方法、基于斜条分的二、三维上限解方法以及对 “潘家铮最大最小原理”的严格理论证明等。研究成果已成功应用于三峡、小浪底、紫坪铺、锦屏一级、洪家渡、小湾等重大工程。以此分析方法为主要工具设计建设的紫坪铺右岸高边坡在5.12 汶川地震中经受了11 度强震考验,保证了电站输水洞、泄洪洞和溢洪道的安全,已成为边坡抗震工程中罕见的成功案例。
项目完成人发表与本项目有关的高水平论文120 余篇(16 篇被SCI 收录),2 篇代表性专著《土质边坡稳定分析-理论. 方法. 程序》和《岩质边坡稳定分析- 理论. 方法. 程序》在《中国引文数据库》中分别被引用2244 次和955 次。对Mrogenstern-Price 法和Sarma 法的改进计算公式已被碾压式土石坝和边坡工程等4 个设计规范列为指定计算方法。依据本研究成果编制的边坡稳定分析软件STAB 和EMU 遍及于水利水电、工业和民用建筑等行业260 余家单位,并入选中国水利水电勘测设计协会颁发的水利水电勘测设计计算机软件名录(2017)。研究工作解决了漫湾、天生桥、龙滩、三峡、小浪底、锦屏一级、小湾、洪家渡等多个工程的关键技术问题,相关成果获得国家科技进步奖2 项,省部级科技进步奖12 项。
7中国水旱灾害风险管理战略研究
首次提出了水旱灾害兼具自然属性和社会属性双重属性的理论,形成了水旱灾害风险管理研究方法体系;首次建立了水旱灾害未来预见情景分析理论、方法与模型,预测了太湖流域2030 年、2050 年不同气候与社会经济情景下的洪水风险,提出了适应性对策措施建议;建立了基于风险分析的结构化水旱灾害风险管
理规划方法;构建了洪水干旱风险管理战略框架,提出了工程与非工程措施相结合、常态与应急管理相结合,适度承受风险,支撑全面、协调、可持续发展的洪水干旱风险综合管理总体战略。
为“防洪抗旱两个转变”思路的形成提供了理论依据,促进了科学合理并较快地提高我国防汛抗旱能力;为防洪抗旱预案、洪水影响评价、全国防洪规划、全国抗旱规划、全国蓄滞洪区建设管理规划、防洪标准、干旱灾害等级标准、区域旱情等级标准等规章、制度、规划与标准的制定提供了支撑;推动了全国山洪灾害防治、洪水风险图编制、抗旱规划实施、抗旱服务组织建设等相关防洪抗旱工作的开展。获国家科技进步二等奖1 项,亚行和财政部颁发的杰出成就奖2 项。
周魁一、程晓陶、吕 娟、向立云、李 娜、苏志诚、王艳艳、屈艳萍、李昌志、胡昌伟
减灾中心
8冷却水工程水力热力模拟理论与实践
1958 年,针对我国首座百万千瓦的辽宁清河电厂取排水工程布置设计中出现的中苏争议,我院首用温差水体作为试验介质研究冷却水运动,发现了重要“温差浮力效应”,利用此效应可有效避免“热水短路”,大幅节约工程投资。1964 年,正式提出冷却池水流运动模型相似理论及模拟试验方法,其关键核心在于提出“综合参数”的概念,解决了水力热力模型试验中严格要求水流运动相似、动力相似和热力相似带来的比尺间矛盾,使得复杂的冷却水运动模拟成为可能,成为大量水力热力模型的设计依据,后来又拓展到风吹效应、冰冻和融冰效应等更加复杂环境条件下的冷却水模拟。该理论已成功用于国内外数百项火核电工程冷却水研究,为电力发展提供了重要的技术支撑。
上世纪五六十年代,我院在国内率先开展了冷却水水力热力研究,是冷却水专业的发源地。七十年代,我院举办了全国性冷却水培训研讨班,为国家培养了一批冷却水方向的专业人才,有力推动了国内电厂水工设计和冷却水工程研究的发展。 1995 年,我院以此理论为基础编制了《冷却水工程水力、热力模型试验规程》(SL160-95) 并在全国推广应用,2012 年又对该规程进行了修编。该项理论已经成功用于国内外数百项大型火、核电工程冷却水问题研究,为电厂取排水工程设计提供了重要的科学依据,为电厂安全、经济运行提供了技术保障。有关成果获得国家科技进步一等奖1 项、二等奖1 项。
陈惠泉、岳钧堂、许玉林、朱 咸、柳新之、倪浩清、贺益英、纪 平、袁 珏、赵懿珺
水力学所
9现代灌溉水肥精量调控机理与方法
突破单一空间尺度水肥诊断的局限性,首次提出卫星- 无人机-地面联合的天地一体化作物水肥状况监测技术,建立非均匀地表条件下区域作物灌溉施肥决策技术;首次揭示不同形态养分运移特性的差异及动力学机制,提出滴灌均匀系数分区标准,构建了面向水肥利用全过程和水肥气热多要素的滴灌水肥精量调控理论;建成国内首套具有自主产权的变量灌溉系统,首次提出采用差异化灌水下限生成灌溉分区处方图的非充分变量灌溉技术,发明变量水深精准控制方法和传感器布置准则;发展了畦田施肥灌溉地表水流溶质运动模拟方法,创建了基于浅水方程组数学结构改性的地表非恒定流模拟方法,解决了难以模拟撒施条件下水流- 溶质运动的难题。
成果被国际农业工程学会、国际肥料工业协会、美国土木工程师学会、美国农业与生物工程学会、美国农学会等国际权威学会纳入实用技术手册。发表论文200 余篇,SCI 收录70 余篇,“dripirrigation”和“uniformity”方向的论文数量世界范围内排名第一,“fertigation”方向论文数量世界范围内排名第二,单篇论文SCI 引用最高达142 次。获发明专利20 项,软件著作权30 件。成果被9
项国家/ 行业标准吸收或采纳。获得国际灌排委员会节水技术奖1 项、国际微灌奖1 项、国家科技进步二等奖2 项、省部级一等奖4 项,团队成员入选国家“万人计划”科技创新领军人才。
10土动力学理论创新与土石坝抗震安全评价体系
研制了世界上第一台振动三轴仪,创立了我国第一个土动力学试验室,在国内外首先提出了土体振动孔隙水压力产生、消散和扩散的机理和土体液化机理,创立了我国土体液化判别方法。建立了中国水科院真非线性动力本构模型,创立了我国土石坝抗震安全评价和抗震设计思想,奠定了我国土动力学和土工抗震研究的理论基础和领先地位。建立了室内试验和现场试验相结合、原型震害- 数值模拟- 物理模拟相结合的土工抗震分析方法和安全评价方法, 得到了紫坪铺面板坝5.12 震害的验证。汶川地震后,围绕高土石坝抗震新需求,首先提出了基于变形、稳定和防渗体及地基安全的高土石坝极限抗震能力分析方法和判别标准。构建了变形分析和稳定分析相结合、整体稳定分析和局部稳定分析相结合的高土石坝抗震安全评价体系。
1980 年在英国举办的国际学术讨论会做“土液化特性中的几点发现”的大会报告,获得国际学术界和同行的高度评价;Finn 等国际著名学者在会后出版的书籍《Soil Mechanics—Transient and Cyclic Loads》中,特别以一章的篇幅专门介绍汪闻韶院士的研究成果。所提出的“少黏性土液化判别标准”成为国际广泛引用和应用的判别方法。创立的我国土体液化判别方法被水利、水电、土木、建筑等行业规范所采纳,并沿用至今。构建的基于变形、稳定和防渗体及地基安全的高土石坝抗震安全评价原则和方法,被汶川地震后国标制定和行标修编采纳。
汪闻韶、常亚屏、李万红、刘小生、赵剑明、刘启旺、杨玉生、杨正权、李红军
岩土所
11泄水建筑物流激振动理论与应用
我院自1958 年起开展了泄水建筑物流激振动理论与研究。通过水弹性模拟试验和原型观测对比研究,首次系统研究了紊流脉动压力荷载。率先成功研制出可模拟钢结构的水弹性模拟材料,实现了振动变态模拟到全水弹性模拟的转变,引领了钢结构流固耦合振动模拟的发展。首次对水流的附加质量、流速引起的附加刚度、附加阻尼对耦合系统的影响进行了系统研究,发展了闸门动力特性理论及动力响应的有限元分析方法。在国内率先提出了以水为介质的水弹性相似准则,制定了流激振动模拟的行业标准,推动了流激振动相关学科的快速发展。
中国水科院早在五十年代末就开展了闸门水力学和流激振动原型观测及模型试验研究,是国内率先开展相关研究的单位之一,推动了流激振动相关领域学科的建设发展。成功地解决了三义寨、刘家峡、五强溪、大化、安康、三峡、小浪底、二滩、溪洛渡、向家坝、白鹤滩等国内外六十多项重大工程闸门流激振动问题。相关研究成果和论文获得1978 年全国科技大会表彰,获得国家科技进步二等奖1 项,省部级奖7 项,IAHR 杰出论文奖及水利学会优秀论文奖等多项奖励。
谢省宗、吴一红、李世琴、张文远、张 蕊、章晋雄、张 东、陈文学、高建标、李长河
水力学所
12生态水工学理论体系与技术系统构建
2003 年董哲仁提出了生态水工学的理论框架,其定义是:生态水工学作为融合水利工程学与生态学的交叉学科,是研究水利工程在满足人类社会需求的同时,兼顾水生态系统健康与可持续性需求的原理与技术方法的工程学。经过15 年的研究与实践,基本形成了学科体系。生态水工学提出了全要素、全过程的河湖生态系统胁迫效应调查分析方法体系;构建了河流生态系统结构功能整体性概念模型;构建了物质流、物种流、信息流在4 维空间运动的3 流4D 河湖水系连通性生态模型;构建了矩阵式河流生态状况分级系统及评价方法;提出了基于生态系统自修复、自组织原理的河湖生态修复自然化准则和技术体系;提出了兼顾生态保护的水库多目标调度方法;研发了基于负反馈调节原理的生态水利工程适应性管理决策支持平台;研发了涵盖水文、地貌、水质和生物等要素的多尺度、多功能生态水工技术工具箱。
研究成果在水利部开展的水生态保护与修复试点、水生态文明城市建设试点、河湖水系连通和生态水利工程建设等工作中发挥了重要的科学指导和技术支撑作用。成果丰富,包括3 部专著、81 篇论文、12 项国家专利、5项软件著作权、1 项省部级奖励及1 部水利行业标准。论文在中国引文数据库(CNKI-CCD)中被引用4254 次;在中国科学技术信息研究所编写的《中国期刊高被引指数》中,进入高被引作者排名全国TOP100,分别为第40(2007)和第52(2009);论文总被引频次在2007-2009 年连续三年居水利工程学科第一;在发文5 篇以上作者中,2007-2011 年发文在2012年的篇均被引次数居水利工程学科第一。专著《生态水利工程原理与技术》获得国家新闻出版总署颁发的第二届中国出版政府奖图书奖提名奖。 “生态水工学”列入《中国大百科全书》(第三版)学科、行业发展史类词条。生态水工学作为《水工设计手册》(第二版)第三卷第二章内容。依托成果内容主编水利部行业标准《河湖生态系统保护与修复工程技术导则》,参编水利部行业标准《河湖生态保护与修复规划导则》(SL709-2015)。研究成果获得水利部大禹水利科学技术一等奖。
董哲仁、赵进勇、彭 静、孙东亚、张 晶、王俊娜、张爱静、王宏涛、翟正丽
水环境所、减灾中心
13智能水网工程理论与技术
提出了智能水网的概念模型,解析了现代水网系统结构,诠释了智能水网的概念内涵和SMART 表征,提出了水物理网、水信息网和水管理网组成的基本框架及关键技术体系。提出了智能水网的建构方向,提出了以空间均衡和高效利用、以全面感知和智能辅助决策、以科学决策和精准控制等为核心的水物理网、水信息网、水管理网的重点建设任务。研究了智能水网的关键技术,研发了基于荷载均衡的水资源配置网络规划、多源星地数据协同的水量水质监测、基于物联网的感控设备研制、基于智能优化的梯级水库群调度等关键技术。开展了智能水网的区域应用,在北京、天津、河北、山东、云南、黑龙江、广西等区域开展了现代水网规划建设理念方法与技术的典型应用。
时任副总理汪洋到中国水科院调研时,我院向其提交了《建设国家智能水网,提升水安全保障能力》的材料。向水利部呈报了《关于将“国家智能水网工程”作为新时期水利创新发展战略抓手的建议》。起草了“关于京津冀协同发展框架下水安全保障机制建设的建议”,提出建设京津冀一体化水网,得到李克强总理批示。“水利现代化建设的综合载体-智能水网”获水利部组织的“探索中国特色水利现代化道路”主题征文第1 名。“智能水网工程技术”被中国工程院“工程科技2035 发展战略研究”遴选为公共安全水领域未来核心技术。科技部将“智能水网工程技术”列为水利领域未来5-10 年将对我国产生重大效益的5 项关键技术之一。与KICT 等国际机构就智能水网作为专题进行多次交流。