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XX学校水电工程施工技术工程研究中心项目可行性研究报告
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XX学校水电工程施工技术工程研究中心项目可行性研究报告
一、项目摘要
XX地区位于长江中上游和我国中西部的结合部,XX市位于XX的出口,它是我国乃至世界最大的水电基地,交通发达、运输便利。XX大学便坐落在湖北XX市,在XX水利枢纽和XX水利枢纽工程近旁,它是经 批准于2000年6月由原武汉水利电力大学XX校区与原湖北XX学院组建而成。
新组建的XX大学是一所以水电为主要特色的综合性大学,有水工结构工程、水电站仿真、岩土工程研究中心等一批省部级重点学科和重点实验室,学科优势明显,综合实力强,在国内外享有一定的声誉。
XX大学的所在地——湖北省XX市,是世界上最大的水电基地,XX市经济的主要特色是水电,建设世界最大的水电城是XX市的奋斗目标。在学校的近旁有世界著名的最大水电工程——XX工程,国内外各种先进的施工机械和施工技术在工程中使用,我国最大的水电施工企业——中国XX水利水电集团公司就毗邻我校,曾引进、吸收和开发了一大批新的施工技术。学校充分利用行业及地域优势,抓住XX、清江流域开发的大好时机,积极为国家重点工程和地方经济建设服务。近几年完成和目前承担的国家重点攻关课题、国家自然科学基金课题、XX工程建设重大课题、霍英东基金项目等数十项,逐渐形成了具有自身特色的研究方向,在高坝筑坝与施工技术、监测新技术及安全监控技术、新型建筑材料、爆破新技术、计算机仿真与控制技术、水电工程施工过程计算机多媒体三维动态模拟等方面具有较大优势。
    水利水电工程施工是一项复杂的系统工程问题,涉及的因素比较多,从施工技术,施工机械到施工组织管理是十分复杂的。就施工技术而言,不同类型的水电工程有不同的施工方法及技术。随着现代高新技术的不断发展,新材料的不断涌现,大容量高速计算机的出现,使施工方法不断革新,施工技术日新月异。可以说,现代的水电工程建设行业是一个知识密集、技术密集、资金密集型的产业。引进、吸收、应用新技术,开发新产品,对水利水电工程行业及相关行业来说,是一项具有十分广阔前景的高新技术产业。
    目前,我国水电工程施工技术,引进和应用技术方面比较多,开发利用、创建自己品牌的产品则很少。研究和开发现有的施工技术,形成产品,推向市场,对推动我国水利水电工程建设,改革水电工程施工技术市场有重要的理论和实际意义。
    水电工程施工技术研究中心的建设项目,就是在我校多年科学研究成果的基础上,将成果转化为产品,通过市场推广到水电工程施工企业,加速水电工程施工技术的改革,将成果转化为生产力,为国民经济建设服务。
    本中心目前的主要任务是,将我校已完成的国家自然科学基金项目,国家“八五”重大科技攻关项目,霍英东基金项目,国家电力公司重大项目的研究成果在水电工程施工领域形成三个优势研究与开发方向,结合三
峡工程、清江水布地工程的具体实践,在中国长江XX工程开发总公司,
中国XX水利水电集团公司,湖北清江水电开发有限责任公司的支持
下进行开发和中试,形成产品,推向市场。

三个有特色和优势的研究与开发子项目介绍如下:
    l、工程爆破爆炸能量转化的精密控制成套技术的研究与开发
    主要研究水利水电工程及其它工程爆破中爆炸能量转化的精密成套技术,开发系列高效爆破炮眼堵塞材料,改进施工工艺,提高爆破炮眼的堵塞质量和技术,避免爆炸气体产生直接由炮眼口外泄,大幅度提高工程爆破过程中爆炸能量的利用率。提高破碎岩体的效果,明显地提高工程爆破的经济效益和安全性,同时减少爆破的有害效应。该技术具有如下优点:①材料来源可靠,工艺简单;②使用方便,安全可靠;③适用范围宽,易推广;④耐久性能好,易存放;⑤总投资少,收效快,利润高。
    该研究方向在中国长江XX工程开发总公司等单位的资助下,进行  了大量研究工作,研究出了一批有价值的科研成果,有一项成果曾获第二届国际“爱因斯坦”新发明、新技术(产品)博览会“国际金奖”,并已申请专利。该技术及产品一般可节省炸药20%——30%,减少炮孔15%——20%,效益十分明显。该研究与开发方向将对这种堵塞技术及产品进行进一步的研究和开发,包括不同种类新材料的开发,使之性能、特征产品质量更安全、可靠、经济、实用,形成系列产品和成套技术,增强市场竞争能力,并在建筑行业各市场中推广应用。
    2、分布式光纤传感监测技术及光纤传感器系列研究与开发
    该方向主要从事分布式光纤传感技术及光纤传感器系列研究与开  发,分布式光纤传感技术是传感技术发展中的尖端领域和研究开发热点,  属高新技术。它主要是研究光纤传感技术在大坝、道桥、机场、港口、电厂施工及运行期间安全监测中的应用,并研制成分布式光纤传感器系列,形成高新技术产品在工程中应用。
光纤传感技术与传统的传感技术相比,具有明显优点,可实现远距离  测量与监控,范围广,信息量大,成本低,精度高,在具有强电磁干扰、易燃易爆或强腐蚀的严酷条件下,分布式光纤传感器具有无可比拟的优点。
本方向主要从事如下方面的研究与开发:
    ①各类光纤传感器和埋设工艺及定位技术
    ②各类光纤传感器及细部构造、连接与检测技术
    ③光纤与结构材料的高分子粘接材料研究;
    ④各类光纤传感器及其阵列传感信号处理;
    ⑤各类光纤传感器及其适用性、耐久性和稳定性问题研究。
    该方向在国家自然科学基金项目,国家电力公司重大项目的资助下,已研究和开发了一批有价值的科研成果,在附近一些工程中应用,效果好,进一步的研究和开发可形成产品,具有十分广阔的应用前景和市场。
3、水电工程施工多媒体计算机仿真系统研究和开发
    该研究方向主要从事三维计算机图形图像技术和可视化技术在水电工程施工过程中的应用。它以工程所处的地形、水文、相关工程为基础数据库系统,以三维动画图形方式显示整个施工区域的地形地质条件,同时建立了友好的人机界面和相关工程施工过程的计算机图形显示系统,选择优化的施工方案,对施工过程的动态显示技术进行研究。主要方向有如下几个:
    ①水电工程施工导截流计算机仿真动态模拟;
    ②水电工程混凝土浇筑施工计算机仿真动态模拟;
    ③水电工程土石坝填筑施工计算机仿真动态模拟;
    ④水电工程上石方开挖计算机仿真动态模拟。
    在XX工程专项科研项目、霍英东基金项目、国家电力公司重大项目资助下,上述研究已开发形成了若干套动态仿真系统,有些正在工程中应用,如施工截流计算机仿真动态模拟和混凝土浇筑施工计算机仿真动态模拟在XX工程中应用,受到了用户的高度称赞。进一步研究可开发形成产品,在水电工程及相关工程施工中应用,也具有广阔的开发应用前景和市场。
    此外,积极拓展新的研究开发方向,近期将发展的几个方向如下:
    ①水电工程施工中大型现代化机械的精密检测及其仪器仪表研究与开发;
    ②电力生产全过程的计算机仿真技术及系统研究与开发;
    ③水电工程岩土加固系统的工艺、方法及材料的研究与开发;
    ④系列胶粘剂技术及产品开发研究。
    本中心的目标将是依托世界最大的水电工程——XX工程,及长江。清江流域梯级开发,水电工程最密集、且以水电为经济增长点的城市——XX市,结合我校水电学科优势,以及学校的综合实力,建成我国乃至世界水电施工技术研究与开发基地。加速我国水电施工产品的开发与利用,促进水电工程施工技术的产业化发展。
上述产品也可应用于相关行业,如交通、铁道、机场、建筑等。

二、项目背景与必要性
水电工程施工技术是一个系统工程问题,涉及的内容很多。作为本工程研究中心建设项目,拟解决的关键技术问题和当前拟实施的产业化项目主要有以下三个子项目

项目1
工程爆破爆炸能量转化的精密控制成套技术的开发与研究
工程爆破,是工农业生产、国防建设及人民生活中不可或缺的一个极为重要的特殊行业。无论是公路铁路建设、水利水电建设等涉及国民经济发展的重大基本建设,还是采矿等重要基础工业,也无论是国防、人防等关系到国家和人民安全的基本建设,还是城市、房屋建设等关系人民生活的基本建设,都离不开它。冒前,爆破已广泛地用于岩矿的破碎、土壤的压实、建筑物的拆除等许多方面。不仅如此,爆破的工程量也是十分巨大的。70年代,美国的工业炸药耗量就高达12亿公斤,而且此后还有所增加;近年来,我国工业炸药的耗量也达此水平。这些炸药,绝大部分都用于岩矿的爆破。有些岩矿爆破工程一次用炸药量就多达万吨以上,爆破方量达千万立方米,单项工程如XX工程的总用药量达百万吨,爆破方量多达几亿立方十。因此,精密控制爆炸能量的转化,有效地提高爆炸能量的利用率,一直是工程爆破的一项艰巨任务,也是工程爆破界为之努力奋斗的目标。不过,过去人们仅仅只是把它作为节能降耗、提高经济效益的一个重要手段,而今天,随着全人类环境保护意识的普遍提高,精密控制爆炸能量的转化已成为人类保护环境、减少爆害、提高爆破安全性的一大新需要。
工程爆破,至少有100多年的历史。100多年来,尽管世界各国的科学技术人员对爆破进行了广泛而深入的研究,并取得了许多重要的研究成果。但由于传统观念的束缚,迄今为止在爆炸能量转化的精密控制方面所取得的成效仍然非常有限,以致于目前土岩爆破过程中仍然只有11%——13%的爆炸能量转化成岩矿破碎的有用功,其余近90%的能量都以光能、声能、热能和震动能等不同形式白白浪费。因此而造成人力、物力、财力和时间的严重浪费,并因此而产生过量的有毒气体,空气遭受污染。不仅如此,有时还会造成过度的震动,产生过量的飞石,使围岩遭到严重的破坏和扰动,增加滑坡、塌方的危险和围岩、边坡处理的工程量,甚至使周围建筑物和设施遭受破坏,造成人员伤亡,设备受损。因此,发展炸药能量转化过程的精密控制技术,提高炸药能量的利用率,降低爆破的有害效应,已成为新世纪工程爆破的发展战略。我国著名的老科学家钱学森先生、中国工程爆破协会理事长郭声琨先生和协会秘书长汪旭光院士都强调,要深入研究,大力创新,通过精心设计、精心施工,保证装药堵塞质量、合理分段和起爆顺序等尽量提高炸药能量的利用率,尽可能地降低爆炸能量转化过程中的损失。
迄今为止,国内外岩矿爆破用的炮眼,仍然是采用土、砂、小石、钻孔屑、纸、草或流体等堵塞。实践早已证明,这些材料所形成的炮孔堵塞体,既不具较高的强度,也不能与炮孔壁挤紧。在极高的爆炸气体压力作用下,它们不是被整体推出炮孔,就是被剪破,因而失去对爆炸气体的封闭作用,使爆炸气体直接由炮眼口冲出而形成“冲天炮”,引起卸压,造成爆炸能量的严重损失,使爆炸气体的压力难以上升到较高的值,爆炸气体对被爆岩矿的作用难以维持较长的时间,更不能将作用在堵塞体里端面上的爆炸气体压力传递到被爆岩矿上使之成为有效的破坏力。因此,爆炸能量的利用率非常低,仅为11%——13%左右。虽然有人进行过炮眼堵塞质量的研究,但有关研究主要集中在要不要堵塞,或堵塞质量对爆破的效果到底有多大影响等方面,至于炮眼堵塞所用的材料,则一直没有新的突破,始终停留在传统堵塞材料上。
之所以会出现上述局面,主要有以下三方面的原因:
(1)传统观念的束缚。人们总认为,土、砂、石、钻孔屑以及水等都是天然材料,而装炸药的瓦棱纸箱和塑料袋等则是废弃物,这些材料就在身边,随手可以拈来,用来堵塞炮眼,不用增加额外的开支。如果采用其它材料堵孔,则须花钱购买,这将增加爆破成本。
(2)采用土、砂、石、钻孔屑、纸、草和流体等堵塞炮眼,操作十分方便,特别是用于堵塞正向炮眼,只要填入炮眼,并用炮棍捣紧即可,无须其它任何操作,也无须运输和保管。
(3)明知用上述材料堵塞炮眼难以保证堵塞质量,但找不到更合适的堵塞材料,因而不得不将就使用。
上述三大原因中,前二者是最重要的。它们挡住了人们的视线,使人们安于现状,不思进取,结果致使炮眼的堵塞质量一直没有明显的提高。

项目2
分布式光纤传感监测技术及光纤传感器系列研究与开发
大坝等水工建筑物以及桥梁、高层建筑、高陡边坡的安全监测,目前正面临技术更新换代的新形势。传统的监测方法是以电阻式应变计等电测仪器为代表进行点式监测。实践证明它存在若干缺陷:(1)对测点物性有影响;(2)耐久性差;(3)易受强磁场于扰;(4)信息量受局限,(5)不易形成自动监测系统。因此,研究水利水电工程安全监测的高新技术显得非常必要。同时,要真正使大坝安全监测自动化技术向实时在线监控、远程自动化网络方向迈进,新的传感技术是成败的关键。在各国竞相开发的安全监测高新技术中,光纤传感技术处于中心地位,是研究开发的热点。与传统的传感器相比,它具有如下的优点:(1)集传感与传输于一体,可实现远距离测量和监控;(2)一次测定就可获得整个光纤区域的一维分布图;(3)能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百条信息,单位信息成本大大降低;(4)测量范围宽,具有高空间分辨率和高精度;(5)抗强电磁干扰;(6)易于实现自动监测与预警功能监测系统。因此,它具有广泛的应用前景。
我们通过近几年的研究和现场实验,在分布式光纤的埋设工艺、大坝裂缝监测、高陡边坡和滑坡深部变形及传感器的研制方面取得了一定的进展。以XX工程临时船闸为背景,在国内首次进行斜交分布式光纤裂缝传感高新技术的现场实验研究,所探索出的大体积混凝土光纤埋设工艺和细部构造基本可行。混凝土面板堆石坝的原型监测是目前亟待解决的重大难题之一,因面板与压实堆石坝的变形模量相差悬殊,二者不协调易使面板和上水系统受到损伤,进而导致漏水,给大坝安全造成威胁。对此我们将自己研制的传感器埋入大坝周边缝和板间缝;利用所研制的专用粘接剂,将光纤传感网络胶接在混凝土面板表面;以监测其随机裂缝产生和发展,并取得了一定经验和成果。为适应周边缝的监测,我们正与国防科工委所属的238厂合作,研制开发新的大量程(100mm以上)传感器,可望近期生产出样品。我们的目标是将上述产品通过再次实验后,力争用到清江水布垭水电工程(世界上最高的破面板堆石坝,坝高237米)中去,为进一步的推广应用创造条件。为了监测高陡边坡及滑坡体的深度变形,我们还研制了一种螺旋式胶棒光纤传感器。分别埋设在清江隔河岩厂房高边坡和库区军家田滑坡,目前正在测试之中。
上述研究,不仅取得了国家自然科学基金(5987002)的资助.还列入了国家电力总公司的重大科研项目。同时,还取得了湖北省清江水电开发有限责任公司,XX水利水电工程集团公司,湖北省兴山天星水电集团,XX市长途电信传输局等单位的大力支持和帮助。长江XX水电工程,清江高坝洲水电工程,古洞口水电工程,清江隔河岩水电工程都是我们研究开发的依托工程。重庆大溪河水电开发公司鱼跳水电工程将作为我们新一轮的现场试验基地。
随着光电技术的发展,生产光纤的成本将大幅度降低,光纤测试仪器(OTDR)及光纤溶接机也相继降价,专用传感器和粘接剂.若将来批量生产,成本也不高。总之,光纤传感技术作为大坝安全监测新技术将大大低于常规监测的费用。
当前存在的主要问题是:(1)光纤通讯所用的光纤和测量仪器还不完全适用于土木工程,需做一定的改进。目前,我们正与信息产业部电子第46研究所取得联系,拟采用他们生产的特种光纤。(2)光纤本身细小脆弱,埋设工艺是关键,需在不同工程做大量实验。(3)要将此种新技术转化成生产力,首先要纳入水电工程的设计,这需得到设计单位和业主的认可。清江水电开发有限责任公司对我们的研究非常关注,还有协议将成果用于水布垭水电工程。(4)目前国内外传感器产品很多,但真正能用于土木工程,尤其是用于征面板堆石坝监测的传感器很少,主要靠自己研制专用传感器,包括设计、加工、埋设、测试都有一定难度。
本方向研究和开发水工建筑物智能化损伤识别技术——光纤传感监测系统的理论和技术,攻克主要监测项冒(裂缝、变形、应变力、温度等)的关键技术,开发出新一代安全监测的新仪器、新方法和新产品。
美国开始光纤传感器的研究最早(大约是1977年),投资最大,仅1983年就投资12—14亿美元,主要集中在光纤传感器系统(FOSS);现代数字光纤控制系统(ADOSS);光纤陀螺(FOG);核辐射监控(NRM);飞机发动机监控(AEM)等计划。英国政府特别是贸易工业部(DTT)十分重视光纤传感技术,最早在1982年以该部为首成立了英国光纤传感器合作协会(OSCA)。德国的光纤陀螺研究规模和水平仅次于美国而居世界第二位。法国、瑞士、意大利等国也开展了光纤传感器的研究工作。日本制定了1979年——1986年“光应用计划控制系统”的七年规划,投资70亿美元。
Chen和Nawy在高强度混凝土(84-98MPa)预制预应力方形柱结构的弯曲特性评价试验中,将光纤维传感器埋置试件中,直接定量地测定了变形数据,并进行了有关对比试验,试验结果显示,试件内部埋置光纤传感器与应变仪,以及外部安装光纤传感器与千分表测定的数据对比,均具有高度的相关性。同时,他们还提出了光纤传感器作为测定钢材平均变形值,以及确认混凝土裂缝宽度的检测方法,与传统的应变仪表相比,具有显著的优越性。我国光纤传感器的第一次全国会议是在1983年,到目前为止,虽有长足进展,但离发达国家的研究水平仍存在不小的差距。
在结构损伤监测和损伤评估方面,柏林结构养护及现代化研究机构(IEMB)将棵光纤粘接在构件上,在联邦材料研究中心(BAM)试验厅内对郊外铁路钢桥进行监测,测得横向大梁裂缝由0.01mm的开展过程,加拿大多伦多大学提出基于光纤折断原理的损伤定位系统,当材料中某一区域损伤时,通过这一区域的光线输出功率为零,由此可判断损伤位置,该方法利用器件太多,不适于大范围测量。美国佛罗里达技术学院提出了神经网络损伤评估法,不仅可定位,还可以确定损伤程度。它可处理大范围的传感信号,构造出材料的应变分布与传感器的有限输出信号之间的关系。Fuhr教授在某五层大厦中,使用多波型和单波型光纤传感器组成传感网络,进行了振动、风压、风向,以及结构安全状态等物理量的测定,并成功地使光纤传感器利用电话回路进行远距离操作。
在裂缝检测方面,Rossi和LeMaou等使用埋入式多模光纤(100μm直径,在几个截面处把保护层去掉)探测混凝土中的裂缝。当裂缝穿过没有保护层的光纤任一截面时,就会观察到该点光衰加大。该传感技术已在一交通隧道中试用。福田武人在混凝土表面贴附光纤,以混凝土表面开裂产生裂缝时光纤将被切断作为检测依据,根据其试验结果,成功地检测裂缝的出现和发展,为实施结构安全监控提供了可能性。Masri等、Abdunur将环绕式光纤传感器与已知几何及力学特性的复合材料梁牢固地粘贴于桥上沿,通过光纤传感器可测得荷载作用下梁的曲率变化,从而知道桥的曲率变化及挠曲裂缝的情况,其原理也是裂缝增长引起环绕式光纤中光衰减的增长。Mendez等、Wanser和Voss利用多模光纤OTDR技术检测裂缝和滑移。试验中将光纤与裂缝布置成一角度,即所谓“方位角式光纤传感器”,检测到小于0.1mm的裂缝,分辨率为10μm,且在150%的应变和6mm裂缝的动态范围下,传感器仍能正常工作。但是所有这些光纤裂缝传感器都有一个共同的缺点.即必须事先确定裂缝的位置和方向。而且光纤需要特殊加工,工艺复杂,不利于工程应用。刘浩吾、杨朝辉等基于裂缝传感的光学和力学原理,通过多夹角、多种光纤、多种材料的模型试验,表明外交光纤裂缝传感器不仅具有裂缝连续分布式检测和定位功能,而且还可检测滑移。本研究在XX工地进行大体积检裂缝的分布式斜光交纤传感技术的现场试验,也取得了初步成果。看来,网络式斜交光纤传感系统很有可能取得光纤裂缝传感方面突破性的进展。
在弯曲、挠度和位移检测方面,Wolff和Miesseler把多模光纤埋入桥面板与桥墩之间的弹性轴承装备内来测量混凝土桥的荷载作用情况,由光纤微弯损失引起的光损耗来确定载荷值的大小。使用光纤应变规也可确定挠度。只要将同样长度的两根光纤分别放置在构件上、下两个表面,当梁发生弯曲时,一根光纤将纵向伸展,另一根光纤将被压缩,两根光纤中不同应变引起光路长度差,这个长度导致输出光束的干涉,从干涉条纹的移动就可计算构件的挠度。武汉工业大学光导纤维研究与开发中心,较早得到国家自然科学基金资助,研制了碳纤维位移传感器,可测量最大位移 2cm,最小测量范围 ±50μm,灵敏度 1μm,位移值由输出电压表示,可重复性强,在XX工程碾压混凝土现场试验中曾参与试验。
在应力、应变检测方面,也较深入。目前干涉型、光栅型和强度型三种传感方式,美国联合技术研究中心研制了双芯光纤应变器,由两根匹配、互相靠近的单模光芯组成,当相干光注入其中一根上时,会激励出不同速率的对称、反对称模。这两种模沿光纤的长度显示出同期光扰,导致光从一根芯到另一根芯的耦合。美国佛蒙大学1992年将分布式光纤应力应变传感器安装在咸努期基河水电站坝内,以监测未来五十年内水坝的安全性,该传感器可实时报告大坝遭受洪水和巨大震动后的情况。Nanni等在水泥柱内部埋入双折射光纤,利用两个偏振分量之间的干涉检测柱体内部的应变。Escoder等在混凝土梁的三点弯曲试验中,将单模光纤传感器贴于梁表面和埋入梁内,使用干涉技术测量其应变,所得结果显示,在不改变正常浇筑情况下,将光纤埋入混凝土构件的可行性。Habel和Hofmann使用F-P型光纤传感器,在混凝土桥梁和墙体中测试动力和静力应变.分别达到了0.02με(德)和 0.lμε(美)的高精度。Hendriek等将单模光纤埋入混凝土和土壤的飞行跑道上,检测其应力分布。Alavie等将Bragg光栅传感器埋入混凝土桥中,经受了实际工程考验,表明其稳定性和耐久性比传统技术优越得多。 DeVrues在预应力混凝土的钢丝上,贴附光纤进行了应变量的分析。重庆大学“国家教委光电技术及系统开发实验室”于1995年获准国家自然科学基金资助,应变传感机理选用布拉格光栅(FBG)。布拉格光栅是国际上光纤传感技术的前沿热点。它属于相位型,借助光栅中心波长的漂移,感知环境参量(应变、温度等),灵敏度高,抗干扰能力强,传感结构简单,易于实现准分布检测。清华大学电子工程系近年也开展了混凝土应变光纤传感技术的研究,重点在梳状光栅型传感器,用于混凝土表面应变测试试验,已取得较好效果。
在温度检测方面,Measures等在加拿大Calgary一座两跨碳纤维钢筋混凝土预应力桥梁上,埋设了五套4通道B_光栅光纤传感系统。在桥梁建造过程中和使用期内检测其内部温度和应变。意大利学者Gusmeroli  等报道了他们将F-P光纤干涉传感器埋入一个5m长的混凝土梁中检测  其热膨胀。日本的福喜多辉和岩城英明将光纤传感器应用于大体积混凝  土的温度管理,通过与热电偶测试结果结比,确认光纤传感器与热电偶对  于大体积混凝土连续的温度分布测定结果非常一致。成都电子料技大学  光纤国家实验室与黄河龙羊峡、刘家峡水电厂等合作,成功地开发了大型  水、火发电机的温度、光纤传感器等多项传感技术
光纤的精巧、纤细与工程现场作业的粗放性之间反差很大,因此光纤  的埋设工艺一直是实用上必须解决的一个重要技术环节。到目前为止,  在文献中仅有小部分用光纤埋入混凝土中的试验情况,尤其是现场埋设  情况。美国多伦多大学航天研究所总结埋设光纤的三条原则。本研究方  向得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、XX工程开发总公司施  工科研项目资助,同四川大学合作进行了XX工程大体积破裂缝监测的  分布式斜交光纤传感技术现场试验,同时独立进行了古洞口检面板堆石  坝面板裂缝监测的分布式斜交光纤传感技术现场试验研究和沙牌RCC  拱坝随机裂缝监测的光纤传感技术试验研究,都取得了重要进展。
本研究方向主要是根据XX附近各依托工程的条件,进行光纤传感  器实际应用的现场试验,进一步检验各类光纤传感器的工程适应性、工程  寿命和稳定性。国内其他研究单位和高校在光纤传感领域做了大量的研究工作,但成果基本以理论和实验室成果为主,实际应用侧重于军事、航空等方面,在大坝安全监测光纤传感技术的实际应用上,XX大学走在前  列,进行了许多艰苦的现场试验工作,这些成果在去年十月99国际大坝  安全监测大会、99土木基础设施健康监测国际研讨会上都得到了许多专  家的肯定和关注。

项目3
水电工程施工过程多媒体仿真系统研究与开发
项目的研究是应用最新的计算机技术——可视化技术及三维计算机图形图象技术来辅助工程管理、工程规划、设计和科学决策,它是计算  机科学的重要分支,同时也是跨学科跨专业新技术发展的重要领域之一,  目前,已成为MCAE(Multimedia Computer Aided Engineering)领域的重要发展方向。计算机对数据的可视化处理历史悠久,几乎与世界上第一台数字计算机同步诞生。可视化技术和三维计算机图形图象技术均属当今的前沿科学,是计算机领域最活跃、发展最快速的两大分支。可视化技术的发展是多学科、多领域协作发展的结果,可视化技术能够将大量的数据有机地组织起来,并将其转变成人的视觉可以感受的计算机图像,形象而生动地充分展示数据所表达的内容及它们之间的相互联系与相互制约的关系,从而可以利用计算机来实现对现实世界中的事物进行模拟分析,帮助人们把握及控制复杂的全局,更好地认识与掌握实现规律。但是,由于其技术上的复杂性——难以描述、数据量庞大等,又使其发展受到种种限制。自进入九十年代以来,随着计算机技术的突飞猛进,三维计算机图形图象技术以及可视化技术终于取得了突破性进展,可视化技术逐步发展为一门新兴学科并转化为一种产业。近年来,一场以多媒体技术为代表,集声音、图象、文字为一体的新一代计算机浪潮大有席卷全球之势,并广泛应用于医学、生物、地质、地理、气象、环境、航天。军事。教育、工业、工程技术等领域,它在各个领域的广泛运用,一方面要求对计算机技术本身不断发展,形成适合于工程使用与工程实践应用的多维信息处理机,另一方面又要求能反映工程设计、施工、管理等典型环节的各项人类活动及其客观规律,增强表征信息的能力与信息模型的和学性,其应用与推广必将带来人们思维方式和观念的变革,为人类改造生存环境、提高生存质量提供了强有力的帮助。
在军事和航天领域,三维计算机图形图象技术和可视化技术应用较早。在军事上,可以将卫星或航拍照片转换成三维地貌,分析敌方的军事基地、研究军事部署等;在航天领域的应用,如美国曾利用卫星发回照片;将火星表面的地形恢复,为研究火星提供了极大的帮助;在工程领域的应用,则是近几年才开始,但是业已取得喜人的成绩。特别值得一提的是三维计算机图形图象技术及可视化技术在香港新机场工程中的应用。香港新机场是一项世界著名的特大型工程,在工程设计和管理中,大量引进三维计算机图形技术,取得了明显的成绩和效益,其工程验收、结算最具特色。机场工程是挖山填海工程,工程量巨大、施工场面开阔、施工强度高,而且有大量的水下工程,工程的验收结算如果采用传统的测量方法是不可想象的。因此机场管理局引进了美国Intergraph的图形扫描仪,利用航拍照片和声纳方法进行陆地和水下测量,通过计算机恢复成水上和水下地貌,这样即可看到工程的进展,也可快速计算出工程量,简化了结算过程,大大节约了人力、物力、财力和时间,而且精确度高,管理简单,扯皮少。从工程建设到投入营运的全过程进行完整的系统管理,充分体现了现代大型工程管理的水平。在英一法海峡隧道工程以及其它大型工程建设项目中,三维计算机图形技术也得到了广泛的应用。
相比之下,我国是近几年才开展这方面的研究工作。浙江大学、清华大学、中科院计算所CAD开放实验室、北京大学、北京应用物理计算数学研究所。国防科工委二十九基地、国防科技大学等单位正在进行可视化技术开发及应用方面的研究,并将其应用于流体力学、空气动力学、石油地震数据处理、气象、建筑设计等各个领域。国内在三维计算机图形图象技术及可视化技术的工程应用研究则只是在建筑界用的较多,建筑师们用三维计算机图形技术制作模型,用可视化技术进行渲染设计效果,使得其设计成果赏心悦目,增强了设计者与客户的沟通,大大提高了设计效率。在我国公路桥梁建设领域,也将计算机图形、图象学理论与多媒体技术相结合辅助公路选线与桥梁选型工作。而在水利水电工程建设中,起步较晚,但起点较高。在我国,中国长江XX工程开发总公司、天津大学等单位在国家“八五”期间曾分别对XX工程永久船闸施工和混凝土坝浇筑仿真进行了初步研究工作,近年来,中国长江XX工程开发总公司会同北京大学、XX大学、河海大学、国家电力公司成都勘测设计研究院等单位针对XX工程的施工进行了探索性研究,取得了可喜的成绩。在长江XX工程大江截流和二期围堰工程中我们曾对施工仿真及施工过程的动态仿真模拟进行了卓有成效的研究工作,初步显示了现代大型工程建设管理的水平,其施工过程的动态仿真模拟是代表现代国际上先进水平的“香港新机场”及“英一法海底隧道”工程中所没有的功能,需要我们利用已有的技术基础进行探索研究,发展中国的大型工程建设管理系统。本项目的研究无疑会在这一方面有所探索、有所发展。水利水电工程施工领域的研究人员对可视化技术方面的专业知识知之甚少,而可视化专家又缺乏水利水电工程施工领域的知识,只有二者很好地合作,可视化技术的作用才能真正地发挥出来。
大中型水利水电枢纽工程的施工受水文、气象、地形、地质和十文地质等诸因素的综合影响,事先往往很难全部预料;与此同时,大中型水利水电枢纽工程的建设需要耗费大量的资金、材料、劳动力,并需要使用各种类型的机械设备。水利十电枢纽工程施工组织与施工管理的失误不仅大幅度地增加整个工程的建设投资费用,而且会影响整个水工建筑物的寿命和效益,更严重的甚至还会造成建筑物的失事,给国民经济带来不可弥补的损失。如何根据水利水电工程施工组织与施工管理的特点,不断收集影响水利水电枢纽工程建设进程的各种基本信息,并及时地根据施工过程中各种因素的变化来调整施工方案,有效的组织水利水电枢纽工程的整个施工过程,达到最好的经济效益和社会效益,是整个水利水电枢纽工程施工组织和施工管理的关键所在a应用现代科学技术的最新成就来实施对水利水电工程施工过程的控制是确保施工质量与施工进度的有力手段。建立在三维实体模型建模基础之上的水利水电工程施工过程仿真模拟技术是融现代图形图象学理论、计算机技术与十利水电工程施工技术于一体的高新技术,对其在施工组织与管理中应用进行深入地研究,实现不同专业门类的“知识集成”与“技术集成”,对于提高我国的水利水电枢纽工程的施工质量与施工水平是大有裨益的。
计算机技术的飞速发展为水利水电枢纽工程施工组织与施工管理的科学化提供了强有力工具。从系统分析的观念看,大型水利水电工程施工是一个随时间变化的动态过程,亦是一个复杂的巨系统,该系统的运行  进程决定于系统内部各施工环节和作业流程的持续时间及其间相互关系  的制约以及系统外部环境条件的限制。对于这样一个复杂的系统,不可  能找到一个解析的数学模型来描述这种系统的行为规律,只能用系统仿  真方法来进行分析。
水利水电工程项目有以下特点;
(1)工程项目的固定性
无论是建筑物或构筑物,一旦成型后就固定不动,建筑物与基础、构筑物与其它相联系的构筑物结合在一起构成一个不能移动的整体。
(2)工程项目的单件性
水利水电工程施工只能是一个一个的工程项目,每个工程项目都具有多项个性。
(3)工程项目利用分解的总体性
水利水电工程是有若干个单项工程和单位工程或许多分部分项工程组成的具有一定功能的有机的整体,是一个完整的系统,这个系统又可按起其组成部分分解为若干个子系统,各个子系统是在满足工程项目总体功能的基础上协调地发挥各自的功能。
(4)工程项目的大型性
    由于水利水电工程功能的要求和承受相当大的荷载,所以建筑物的体型都很大。
    水利水电枢纽工程的实际施工过程是复杂而多变的,如何根据实际施工过程中可能遇到的各种具体情况以及可以搜集到的各方面信息,预测下一阶段有可能发生的各种情况,进行施工方案的优选,及时修改具体的施工方案,是确保水利水电工程各阶段施工顺利进行的根本保证。
项目研究的进行正是基于这种思想,利用可视化技术,将工程各项  目的具体施工情况提前在计算机上形象、逼真地显现。提前实现工程各项目施工进程的预演,从中发现各个既定施工方案的不足,进行修改完善,优化施工方案。它必将为我国水利水电工程建设的科学化管理及科学决策带来新的思路和提供有力的技术支持。

三、XX大学现有基础条件

1、XX大学本领域工程技术设计与开发、技术成果转化与产业化业绩、在国内同行中的技术水平与优势
XX大学科技研究以水电为特色,在水电工程施工技术研究与开发方面取得了相当多的成果,一批技术成果应用于工程实践,形成了生产力。
(1)岩土力学稳定性研究及治理方向
近年来进行了一系列课题的研究,主要有:高边坡形成过程模拟及其岩体稳定性研究,陡高边坡岩体非线性力学分析方法研究,陡高边坡及岩体地下开挖数值模拟研究,岩石蠕变断裂试验研究,陡高边坡地质背景演变与地质工程态势特征研究,缓倾角节理岩体动力特性研究,地下厂房工程岩体质量分级及围岩应力分析,若干重大滑坡稳定性计算分析,重力坝抗滑稳定性研究,水库安全监测资料综合分析及重要滑坡预测模型,自然边坡滑坡防治方案研究。
上述研究成果已用于众多工程,主要有:XX工程永久船闸、水布垭马崖陡高边坡、清江水布垭地下厂房、龙滩水电站、靖江隔河岩水电厂、尼泊尔•和西水电站、长江链子崖危岩体防治工程、屈原镇边坡治理、州屏山滑坡治理等。其中“XX工程永久船闸陡高边坡关键技术研究”经电力工业部鉴定具国内先进水平,部分国际领先。“XX工程永久船闸岩石边坡卸荷岩体力学研究”99年获建设部科技进步二等奖。作为“长江链子崖危岩体防治工程研究”主要完成单位,被国家科委等八部委联合通令表彰为“先进科研集体”。
(2)混凝土面板堆石坝裂缝机理及检测技术研究方向
该方向近期取得的主要研究成果有:混凝土面板堆石坝面板开裂机理及防裂措施,堆石体填筑质量的快速检测方法,混凝土面板堆石坝裂缝监测的光纤传感技术研究,地质CT技术应用研究,工程数值摄影测量技术研究,水工建筑物安全监测资料综合分析与反馈,水工建筑物病险机理与评价改造等。
上述研究成果由,裂缝监测的光纤传感技术研究已成功应用于XX工程临时船闸混凝土裂缝监测,古洞口面板堆石坝裂缝监测,并已有协议将应用于世界最高的面板坝——清江水布现工程。由于该成果的良好应用前景,“大坝裂缝和温度监测的分布式光纤传感技术研究与应用”获国家电力公司重大研究项目资助。水工建筑物监测资料综合分析及滑坡变形分析QJHP3.0软件用于清江库区基坪、杨家槽等多处滑坡位移监测,取得了较大经济效益,获99年湖北省科技进步三等奖。在成果的转化实施过程中,研发了分布式光纤传感器、系列胶粘剂等高新技术产品。
(3)以水电工程施工新材料、技术装备和新方法研究方向
爆破炮孔堵塞材料和方法研究,获第二届国际爱因斯坦新发明、新技术(产品)博览会金奖,发明专利正在受理中。研究成果已在XX工程爆破开挖中得到应用。水泥基锚杆锚固剂,已批量生产,在XX专用公路仙人溪2#洞和永久船闸高边坡及地下排水道等工程使用万余十,表明性能优良。隧洞施工与检修设备,验收评审认为填补国内空白,已获实用新型专利,并已用于清江隔河岩水电站引水隧洞检修。自升式混凝土模板轻便提升架,获实用新型专利。大倾角压带式输送机已转让生产厂家。
    (4)现代化施工管理技术研究方向
    该方向近期取得的主要研究成果有:水利水电工程施工过程多媒体仿真系统,水电工程施工管理技术的开发及应用系统,施工进度控制性计划研究等。
    上述研究成果中,施工过程多媒体仿真系统已用于高碾压混凝土拱坝施工过程仿真分析,溪落渡双曲拱坝施工过程模拟与结构性态仿真分析,XX工程大江截流及二期围堰施工模拟,取得良好效果。受中国水利水电工程总公司委托开发完成的水电施工行业安全管理信息系统软件,已推广到全国水利水电工程施工单位应用。XX工程施工期进度控制性计划研究,推荐了“二期工程相对提前一年”的计划安排,该方案较原方案的发电工期可提前一年,施工期累计多发电400余亿度,直接经济效益100亿元以上,经国家科委鉴定达到国际先进水平。水利水电施工网络计划软件包,在水电系统有近十家单位使用。受中国水利水电工程总公司委托开发的“水电工程施工管理技术的开发及应用系统”,将于2000年12月完成,该系统适用于水电建设行业工程项目管理和安全管理,以及建设单位和行业主管部门的工程项目管理。
2、项目领导班子及技术队伍
2.1 项目领导班子
    项目的承担单位是XX大学水电工程施工技术工程研究中心,该中心已于2000年9月正式成立(详见附件6XX大学文件,XX大科字[2000]4号文),按 教技司[2000]141号文件精神,近期将改造成有限责任公司,已与中国长江XX工程开发总公司、中国XX集团等达成合作意向。
    该中心设主任一名,副主任三名(详见附件6XX大学文件,XX大科字[2000]5号文),名单如下:


中心的二级机构设置如下
    各二级机构设负责人正、副职各一名。
    2.2 项目技术队伍
    项目技术队伍共工人,其中教授11名,副教授7名,具有博士学位的11名,省部专家或学术带头人(骨干D 名,是一支老中青相结合的技术队伍,其名单如下:
    2.3 主要技术带头人介绍
  
2.4 综合评价
项目的领导班子具有较高的学历和职称,具有较高的业务水平,从事过许多水电工程施工技术的研究开发和实际运用工作。理论基础扎实,实际经验丰富,学术造诣高,同时,承担过不同岗位的技术管理和组织管理工作。参加过现代股份制企业的工作,具有对水电施工技术市场了解,市场意识强,经营管理水平高的特点。
项目组成员中具有博士学位的占50%以上,40岁以下的占70%以上,高级职称的占80%以上,获省部级专家或学术带头人的占40%以上,是一支实力强,基础理论扎实、干劲足、老中青结构合理的技术骨干队伍。项目组成员中有学校领导,有关学院的院长,有从事过许多技术管理工作的教授、专家,对水电施工技术产品市场有较深的研究、有些研究人员有良好的市场工作经验,对产品的开发、生产、经营有充分的组织管理能力。
3、已有中试及生产基地条件(包括厂房、设备等)
XX大学拥有水工试验大厅(4200㎡)、岩土工程实验中心(270㎡)、材料及结构实验室(120㎡)、边坡工程研究室(150㎡)、计算机应用技术研究室(120㎡)、施工技术研究室(120㎡)等试验和研究场地。拥有光时域反射仪、动力触探仪、三轴测试仪、非饱和土测试仪、图形处理器、扫描仪、绘图仪、工作站、稳定电源等模型试验所需的仪器设备和软件开发条件。水工试验大厅拥有可靠的水系统以确保试验用水要求。各实验室均具有可靠的供电系统,可满足试验、研究的需要。
此外,股东中国XX集团公司拥有许多在建水电工程项目,可以为  试验提供良好的条件。股东中国长江XX工程开发总公司和湖北清江水  电开发有限责任公司作为水电工程的业主单位,也可以为有关试验提供  条件。

四、主要目标与任务

1、工程技术研究与开发方向
水电工程施工技术工程研究中心建设项目的研究与开发方向主要有如下三个:
(1)工程爆破爆炸能量转化的精密控制成套技术研究与开发。
该方向主要从事水利水电工程及其它工程爆破中爆炸能量转化的精密成套技术研究,开发系列高效爆破炮眼堵塞材料,提高爆破炮眼的堵塞质量和技术,避免爆炸气体产生直接由炮眼口外泄,使工程爆破过程中爆炸能量的利用率得到大幅度提高。该研究方向主要研究若干种系列新型堵塞炮眼材料,有效地消除了爆炸气体产生直接由爆眼口冲出而引起爆炸能量严重损失,增强了爆炸气体压力,增加对岩土的作用力,提高破碎岩体的效果。可明显地提高工程爆破的经济效益和安全性,同时减少爆破的有害效应。该技术具有如下优点:①材料来源可靠,工艺简单;
②使用方便,安全可靠;
③适用范围宽,易推广;
④耐久性能好,好存放;
⑤总投资少,收效快,利润高。
该研究方向在中国长江XX工程开发总公司等单位的资助下,进行了大量研究工作,研究出了一批有价值的科研成果,有一项成果曾获第二届国际“爱因斯坦”新发明、新技术(产品)博览会“国际金奖”.并已申请专利。该技术及产品一般可节省炸药20%——30%,减少炮孔15%——20%,效益十分明显。
该研究与开发方向将对这种堵塞技术及产品进行进一步的研究和开发包括不同种类新材料的开发,使之性能、特征、产品质量更安全、可靠、经济、实用;形成系列产品和成套技术,增强市场竞争能力。并在建筑行业各市场中推广应用。
(2)分布式光纤传感器技术研究与开发
该方向主要从事分布式光纤传感技术研究与开发,主要是研究光纤传感技术在大坝、道桥、机场、港口、电厂施工及运行期间安全监测中的应用,并研制成分布式光纤传感器系列,形成高新技术产品在工程中应用。
光纤传感技术与传统的传感技术相比,具有明显优点,可实现远距离测量与监控,范围广,信息量大,成本低,精度高,并在具有强电磁干扰、易燃易爆或强腐蚀的严酷条件下,分布式光纤传感器具有无可比拟的优点。本方向主要从事如下方面的研究与开发:
①各类光纤传感器和埋设工艺及定位技术
②各类光纤传感器及细部构造、连接与检测技术
③光纤与结构材料的高分子粘接材料研究;
④各类光纤传感器及其阵列传感信号处理;
⑤各类光纤传感器及其适用性、耐久性和稳定性的问题研究。
该方向在国家自然科学基金项目,国家电力公司重大项目的资助下,已研究和开发了一批有价值的科研成果,并在附近一些工程中应用,效果好,进一步的研究和开发可形成产品,具有十分广阔的应用前景和市场。
(3)水电工程施工多媒体仿真系统研究和开发
该研究方向主要从事三维计算机图形图像技术和可视化技术在水电工程施工过程中的应用。它以工程所处的地形、水文、相关工程为基础数据库系统,以三维动画图形显示方式显示整个施工区域的地形地质条件,同时建立了友好的人机界面和相关工程施工过程的计算机图形显示系统,选择优化的施工方案,对施工过程的动态显示技术进行研究。主要方向有如下几个:
①水电工程施工导截流计算机仿真动态模拟;
②水电工程混凝土浇筑施工计算机仿真动态模拟;
③水电工程土石坝填筑施工计算机仿真动态模拟;
④水电工程土石方开挖计算机仿真动态模拟。
在XX工程专项科研项目,霍英东基金项目,国家电力公司重大项目资助下,上述研究已开发形成了若干套动态仿真系统,有些正在工程中应用,如施工截流计算机仿真动态模拟和混凝土浇筑施工计算机仿真动态模拟在XX工程中应用,受到了用户的高度称赞。进一步研究可开发形成产品,在水电工程及相关工程施工中应用,也具有广阔的开发应用前景和市场。
2、近中期目标
水电工程施工技术工程研究中心建设项目的建设目标是集研究开发、技术推广产品销售、人才培训为一体的综合性水电高新技术生产和开发基地。其任务是对具有一定技术基础条件,开发应用市场前景好的水电工程施工高新技术成果进行系统的研究、开发、集成,使其形成产品,加速科技成果的产业化。目前研究新型水电工程施工