来源:《清华大学学报(自然科学版)》 发布时间:2022/10/18 14:33:05
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庆祝清华大学水利水电工程系70周年专刊

 

2022年,是清华大学水利水电工程系成立70周年。为迎接水利水电工程系成立70周年,《清华大学学报(自然科学版)》编辑部联合清华大学河川枢纽与建设管理研究所组织“水利工程智能建造”专刊,包含了水利工程智能建造发展及理念、智能建造新材料、智能施工技术、智能管理和运维、碳排放等内容。本期专刊精选12篇综述和论文,代表性地展示了河川枢纽所在理论研究、技术创新和国家重大工程应用方面的最新重要研究进展。借此机会,祝水利水电工程系在新的历史时期取得更辉煌的成就。

详细内容请阅读《清华大学学报(自然科学版)》2022年第8期“清华大学水利水电工程系70周年专刊”,识别下文二维码或点击http://jst.tsinghuajournals.com/CN/volumn/volumn_4317.shtml即可浏览全文。

智能施工

01 大坝智能建造研究进展与发展趋势

李庆斌,马 睿,胡 昱,皇甫泽华,沈益源,周绍武,马金刚,安再展,郭光文

我国高坝建设将进入新的发展阶段,对大坝工程智能化建设的关键问题提出了新的要求,而新一代信息技术革命为大坝建造智能化提供了新的发展途径,深度融合新一代信息技术推动建造智能化是实现“安全、高质、高效、经济、绿色”建设目标的关键,大坝智能化建造与建造智能大坝是新的发展趋势。因此,该文总结了智能建造理论发展的两条脉络,梳理了大坝智能建造技术发展的3个阶段,分析了智能建造各阶段技术特征、技术目标、理论理念、技术方法、管理模式及重大工程实践案例,阐述了大坝智能建造与智能大坝的关系,揭示了大坝建造智能化阶段的3个层次,阐明了智能化时代关键问题解决的理念变迁,探讨了大坝智能建造未来发展方向与关键技术。

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(全文链接请点击http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I8/1252

02 自密实混凝土全过程智能生产研究进展

吕 淼,安雪晖,李鹏飞,张京斌,白 皓

自密实混凝土具有无需振捣便可通过自重填充模板的良好工作性能,但工作性能对原材料特性的变化具有高敏感度。现有自密实混凝土生产质量管理难度较高,生产环节与质量检测环节较为分散,导致原材料数据不准确,生产数据检测效率低。随着图像处理与人工智能技术的成熟,智能化与智慧化技术逐渐应用于包括原材料检测、配合比设计、搅拌生产和流变性能检测在内的生产全过程,原材料智能检测技术可辅助原材料质量管理,配合比智慧设计方法可用以应对原材料性能的波动、高效准确地确定配合比,基于搅拌状态的实时监测可实现搅拌过程中的配合比智慧调整,流变性能智能检测技术可以实时地通过非接触式方法获得不同尺度拌和物的流变性能。该文详细介绍了自密实混凝土全过程智能化生产技术的研究进展与成果,并指出目前研究的不足,展望未来发展趋势。

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(全文链接请点击http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I8/1270

03 大型填筑工程3D打印技术与应用

刘天云

为探索快速、高效的填筑工程建造方法,该文介绍了一项填筑工程3D打印技术及其多种机器人装备系统。该技术系统由填筑工程3D打印技术调度系统和3D 打印流水线机器人作业系统两部分组成。基于填筑工程3D数字设计模型,3D打印技术调度系统根据施工组织设计进度对填筑工程3D数字设计模型进行分层“切片”,获得单层施工填筑料信息,规划配料路径,存入填筑工程调度数据库以便共享。填筑料开采、配送、智能摊铺与碾压环节的工程机器人根据任务进行高效的流水线作业,在线检测填筑质量,实时反馈施工状态信息。填筑工程3D打印系统完全在调度控制下逐层填筑,层层循环,直至完成整个填筑工程的3D 打印建造。

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04 深埋引水隧洞极硬岩TBM掘进及辅助破岩技术

刘晓丽,孙 欢,董勤喜,熊炎林,KUMAR Nawnit,苏 岩,周建军

秦岭深埋长距离引水隧洞极硬岩强度达到300MPa以上,已 成 为 制 约 隧 洞 掘 进 机 (tunnelingboring machine,TBM)高效施工的主要难题。针对秦岭引水隧洞极硬岩掘进施工问题,该文提出了基于TBM掘进隧洞的热能 机械耦合破岩方法,开展了有关微波、等离子体、火焰矩、水射流和钻孔劈裂的破岩试验以及数值计算和搭载设计,提出了5类辅助TBM破岩方法的适用性和搭载设计。研究结果表明:秦岭深埋引水隧洞岭南TBM掌子面岩体高含量石英吸收微波能力差、黑色极性矿物颗粒小,岩体微波劣化效应不显著,必须通过钻孔植入黑色极性矿物,增强岩体微波劣化效应;等离子体破岩方法采用超高电场密度能够产生显著的电力作用和热能破岩效果,可以将刀盘滚刀作为电极进行设计;火焰矩切割技术简单、易操作,但必须采取人工降温和热屏蔽措施;超高压水射流和钻孔超强劈裂破岩方法适用于掌子面岩体强度大于400MPa,TBM掘进每日进尺小于1m的工况。

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智能预测反馈

05 基于IAGA-BP算法的高拱坝坝基力学参数反演分析

庄文宇,张如九,徐建军,殷 亮,魏海宁,刘耀儒

基于监测资料对坝体和坝基的力学参数进行反演,对大坝的安全评价具有重要意义。该文提出了基于改进自适应遗传算法和BP神经网络(IAGA-BP)的力学参数反演分析方法,采用考虑权重的绝对百分误差作为目标函数,可以针对多点监测资料和非线性数值仿真进行力学参数反演。基于正常蓄水位下拱坝坝体、坝基及拱肩槽边坡等25个测点的实测变形,对坝体混凝土、基础岩体及结构面的多个材料分区的11个关键力学参数进行了反演分析。结果表明,反演值和实测值吻合较好,将材料参数作为输入层、测点变形作为输出层有效避免了反演值的“失真”问题。针对高拱坝 坝基系统的力学参数反演,分析了神经网络拓扑结构、目标函数、训练样本数量等对反演结果的影响。

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06 利用多项式混沌展开的结构可靠性分析

张 明,王恩志,刘耀儒,齐文彪,王德辉

实际工程设计优化、设计空间搜索、灵敏度分析、可靠性分析等问题,若单次模拟比较费时,直接用原模型进行数千、甚至数百万次模拟是不可能完成的任务。多项式混沌展开方法是解决这类问题的有效方法,其方法表达和程序实现是应用中关注的重点问题。该文介绍了多项式混沌展开方法的数学理论,并将之用于结构可靠性分析。首先,将结构可靠性分析的功能响应函数以多项式混沌展开表示,其中统一采用Hermite多项式。给出Hermite多项式的一种适合计算机程序生成的通项形式,实现多项式混沌展开的计算程序的通用化,以及多项式次数的自适应选择。其次,利用具有显式功能函数的结构可靠性分析算例,考察所构建的代理模型的正确性和适用性。结果表明,多项式混沌展开的次数越高,模型的精度就越高,具有良好的收敛性,同时表明仅就考察代理模型而言,利用显式功能函数是最简便的方式。

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07 基于GA-BP神经网络的拱坝地震易损性分析

于京池,金爱云,潘坚文,王进廷,张楚汉

拱坝在其生命周期内可能会承受强烈地震,其地震易损性引起了广泛的关注。一般而言,采用非线性有限元法进行拱坝的地震易损性分析,需要大量的计算工作量。该文提出了一种预测拱坝地震响应的方法——基于遗传算法(geneticalgorithm,GA)的多层前馈(backpropagation,BP)神经网络,该方法可以替代部分非线性有限元分析计算,显著减少计算成本。以大岗山拱坝的易损性分析为算例,基于已有的390个有限元非线性动力分析工况数据,将结构的响应设定为BP神经网络的输出,地震强度参数IM作为输入,进行BP神经网络的训练和验证。结果表明,该文提出的GA-BP神经网络采用390个有限元结果中的30%的数据进行训练,即可得到满足精度的预测结果,给出合理的拱坝地震易损性曲线,说明采用GAGBP神经网络后可节省70%的非线性有限元计算成本。

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08 基于XGBoost算法的工程场地实测和人工地震波时频特征分析与判别

曹子龙,黄杜若

近年来,人工智能方法快速发展,在许多工程问题中,逐渐引入具有良好预测能力和泛化能力的机器学习算法。该文考虑采用XGBoost人工智能方法,对工程场地实测和人工模拟地震波的时频规律特征进行深入探索,旨在解决地震波研究目前存在的资料缺乏与认识匮乏两大问题。采用的XGBoost算法优势在于人工智能方法的高性能计算能够完成传统计算方法难以实现的对大量数据的分析,从而发掘、重现地震波的时域和频域特征。在对实测和SIMQKE人工地震波的判别研究中,发现本算法对于二者的判别准确率能达到91%,进一步研究发现人工地震波与实测波差别主要体现在时频域特征的相关性上。该文有助于进一步认识地震波的时频特征,同时也对人工地震波模拟方法的发展具有重要意义。

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09 高拱坝蓄水期库岸变形与水库诱发地震相关性研究

王兴旺,刘耀儒,吕 帅,杨 强

高拱坝蓄水过程中观测到了库岸变形和水库诱发地震现象,水库诱发地震可能是边坡大范围变形的前兆,这给高拱坝的长期、高效和安全运行带来了巨大挑战。基于对溪洛渡拱坝蓄水期库岸变形监测资料的分析和对蓄水前后地震监测数据的分析,研究了蓄水后库岸变形的规律以及蓄水前后库区地震活动的变化规律,对水库蓄水后库岸变形和水库诱发地震的产生机理以及它们之间的相关性进行了研究。结果表明,库岸变形和水库诱发地震在规律和机理上均存在一定的相关性,两者都存在快速响应和滞后响应的特征,经历了由快变慢再到平缓的过程。快速响应是由于水的力学作用导致有效应力降低,产生了不可逆塑性变形和断层滑动。滞后响应是由于库水的物理化学作用降低了岩体和断层的抗剪强度,导致岩体的缓慢变形和断层的滑动。两种现象在规律和机理上的相关性为高拱坝蓄水期的智能监测和安全预警提供了新思路。

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工程管理

10 基于伙伴关系的水利工程建设信息化管理

吴泽昆,张亚坤,张旭腾,唐文哲,强茂山

水利工程规模大,复杂度高,参建方众多,建设管理中产生的信息量巨大,亟需探索如何从参建各方合作视角加强水利工程建设信息化管理。针对该问题,该文对宁夏水利工程建设进行了调研。调研结果表明,水利工程参建各方实现资源高效集成与转化是伙伴关系提升项目绩效的主要途径,其中参建各方信息是最重要的资源之一,需要建立基于伙伴关系的建设管理信息平台。信息平台应利用互联网、大数据、人工智能等技术,实现水利工程建设中设计、施工、采购等各项业务的多方高效协同管理,并具有智能性、可扩展性和安全性。信息平台建设应重视:1)智能化收集、处理、分析各方信息;2)支持参建方协同工作流程;3)建立问题反馈机制;4)支持知识管理。该文从理论角度揭示了伙伴关系的作用机理,并从实践角度揭示了水利工程建设信息化管理现状,研究结果可为建设管理信息平台构建提供理论指导和实证支持。

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11 可再生能源开发及多能互补分析——以青海为例

金 勇,马吉明,朱守真,栗 楠

积极开发可再生能源是中国实现“双碳”目标的重要途径之一。该文总结了2020年中国各类电力装机容量,对比了中国与世界的电力“绿色程度”,提出了可用于模拟计算梯级水库群水电调峰能力的一种方法,给出了进行多电源互补的过程,通过对黄河上游梯级电站的模拟,获得了青海省在2030规划水平年逐月的调峰电量和电网多能互补分析结果。负荷的逐月平衡分析表明:丰水年份,风电和光伏发电产生较多弃电,而平水年、枯水年的发电能力与电网负荷需求基本匹配。典型日逐时多能互补分析表明:丰水年夏季,风电、光伏入网将导致负荷峰谷差变大,风、光产生较多弃电;枯水年冬季,水电和火电的电量与调峰能力不足,需要从外网购电,但这同时会导致弃光和弃风。青海电网应推动储能建设及其他电源的建设,秉持电网基荷电量和调峰能力建设并重,以减少网内弃电和外网购电。该文所介绍的水库群电力调节能力模拟方法和多能互补过程可用于其他电网,所得结论对青海的电源发展具有一定的参考价值。

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12 水利水电工程全生命周期碳排放研究——以犬木塘工程为例

黄跃群,刘耀儒,许文彬,黎军锋

水利水电工程具有多种功能,发挥着各方面效益,在“双碳”战略中扮演着重要角色,但目前针对水利水电工程全生命周期碳排放的研究还较少。该文以湖南省犬木塘工程为样本,基于生命周期评价理论,提出了水利水电工程碳排放量的分组计算方法,对碳排放进行了核算和分析。研究表明,此计算方法简单准确,更适用于水利水电工程。计算结果显示,犬木塘建设和运行阶段总体碳排放风险可控,并依据其碳排放特点,提出了注重设计优化、研发绿色建材、加快智慧化、强化减排理念等降低碳排放的策略。

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