水利工程学科简介

一、学科简介

  在"十一五"时期,本学科立足本省,依托水利水运行业,跟踪国内外水利科技的最新发展动态,瞄准国家重大水利工程建设需要,探索解决重大科学问题和工程关键技术难题的新理论、新技术和新方法,将多个学科进行交叉融合,将科研能力提升至国内一流水平,大大加强了水利工程一级学科的整体实力,获得了"港口、海岸及近海工程"博士点和水利工程一级学科硕士点。

  本学科以培养中青年*人才和建设创新团队为重点,培养了在国内外有影响的学术带头人5名,其中教育部新世纪人才1名,湖南省"*计划"1名。专任教师队伍中具有博士学位比例达47%,形成了结构合理的学科梯队。

  在"十一五"时期本学科共承担973等国家重大项目4项,承担国家自然科学基金12项,省部级课题30项,科研总经费达2800多万元;获国家及省部级奖励7项,申请国家专利2项。发表SCI、EI检索论文65篇,出版专著、教材9部。

  整合学校科技资源,建设了有利于本学科交叉和资源共享的"水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室"科技创新平台,并于2011年7月通过了湖南省科技厅评估验收。

  在人才培养方面,坚持规模和质量并重的原则,招收培养博士11名,硕士241,获得省级优秀硕士论文4篇。

  在"十一五"期间,本学科积极开展与国内外学术单位的合作,主办"海岸工程中青年学术研讨会"等国内学术会议,与美国康奈尔大学等国际知名大学开展了学术交流工作,每年邀请国内外学术讲座5人次以上,出国讲学和学术交流达2~3人次。

  本学科在大力加强与政府部门联系的同时,加大与企业产学研合作,"十一五"期间共承担各类横向课题67项,经费1800余万元,取得了良好的经济和社会效益。

  在国内同类学科中,本学科在长期的科研实践中形成了自己的优势:

  (1)区位优势明显。在水问题突出的湖南、江西、广东和广西等区域,我校水利工程学科覆盖面广,综合实力优势明显。

  (2)行业学科优势突出。水电是可再生清洁能源,水运是环保、节能、经济的运输方式。水利工程是国家经济结构调整,大力实施节能减排与低碳经济战略的基础行业,急需大量高级专业人才。

  (3)学科科研平台、硬件条件完备。拥有1个省级重点实验室,试验场地13000多平方米,设备总值1500多万元,并配置有一批高精尖仪器设备。

  (4)学科社会影响力强。师资力量雄厚,学术合作与交流广泛,各层次毕业生一次性就业率达98%以上,在水利水电、水运等行业受到了良好的赞誉。

  同时,也存在一定不足:

  (1)与国内顶尖高校同类学科相比,科研水平还存在一定差距;(2)学术队伍中拔尖人才欠缺。

  二 、主要研究方向

  水沙动力过程及其模拟技术

  本研究方向聚焦国际水沙科学前沿,注重基础研究。针对波浪、水流作用的底层流动结构,利用数值模拟和物理试验,开展水沙运动机理研究,探讨水动力特性与泥沙掀扬、床面形态发展的内在机制,以求在理论上有所突破,并为工程实践服务。

  1)波浪-水流底层流动特性研究。通过水槽模型试验和数值模拟得到了振荡流、非线性波和不规则波作用下底层流动特性。

  2)波浪作用下泥沙运动及床面演化规律。建立了振荡流和非线性波作用下的泥沙运动数学模型,得到了近岸区波浪运动、悬移质泥沙的分布,非对称沙纹的形成和演化以及近岸区地形演变机理。

  3)基于非结构网格系统上的三维水流精细数值模型,采用LES/DES模型,得到了单向流作用下沙纹床面、丁坝以及建筑物附近的流场结构和三维涡动特性和泥沙运动特性。

  4)通过波浪域和多孔介质域共享统一形式的动量方程和连续方程,建立了可考虑流场紊动特性的非线性波浪与多孔介质相互作用的同步耦合数学模型。

  5)开发了基于两相流的三维数值波浪水槽,模型采用高精度的自由面追踪格式,分块结构以及多重网格和并行技术,采用k-ε、LES/DES模型,并应用到溃坝、冲泻区流动特性及泥沙运动等研究。

  研究方向名称:水工建筑物与水流相互作用的理论及应用

  本研究方向面向水利工程,着眼工程中的科学问题和技术难题,探讨水工建筑物与岩土的相互作用机理,研究软基、风化岩基加固方法和处理效果,研究渗透、岩溶等复杂地质条件对水工建筑物的影响并提出处理技术和工程措施,为工程实践服务。

  1)采用试验、理论分析和数值模拟等方法研究水平承载力的群桩效应,提出了水平力作用下群桩效应的临界桩距和基于水平地基反力系数的群桩计算方法,成果在武汉阳逻港等工程中得到应用并被《港口工程桩基规范》采用;通过组合桩型复合地基桩、土受力特性的试验对比与分析,研究侧向开挖条件下组合群桩复合地基工作性状,探讨组合群桩复合地基设计计算方法;

  2)采用现场试验和数学模拟的方法,研究岩溶、风化深槽等复杂地质条件和渗透对水工建筑物的影响,提出的风化深槽处理方法、防渗处理技术在株洲水利枢纽、连江梯级开发系列枢纽和托口水电枢纽工程中得到了成功应用;

  3)基于可靠度理论、模糊理论、区间理论,针对水工建筑物与岩土相互作用的不确定性,以重大灾害环境下的水工建筑物为对象,分析描述和度量各种不确定性因素的影响,研究量化风险安全评价分析方法,成果在各类工程中得到成功应用。

  近年来,本研究方向团队完成科研课题30多项,出版专著4部、获得省部级科技进步奖2项,并在在《水利学报》、《岩石力学与工程学报》等刊上发表论文40余篇。

  研究方向名称:河湖治理技术与河流水动力过程

  本研究方向聚焦国际河湖治理科学前沿,注重基础研究。针对河流湖泊演变、水流紊动结构,利用数值模拟、物理试验及3S技术,开展河道水流运动阻力、岸滩演变机理等研究,探讨河流水动力特性、河流湖泊系统的发展、水域形态变迁对行洪及通航影响的内在机制,以求在理论上有所突破,并为水利水运工程建设和湖南省地方经济发展服务。

  本研究方向优势特色与可能取得的突破:

  1) 利用物理模型、数学模型和实体模型相结合的方法,采用VDMS和PIV等先进测试手段,结合船舶运动模拟对入湖河流尾闾段航道整治技术、河湖两相水流的水沙运动机理等方面先后主持和参与了"茅草街至鲇鱼口河段水位特性分析及急流滩险整治方法研究"、"连续弯道航道整治关键技术研究"等课题,取得了较好成果。

  2)针对不同形式的河道情况,对弯道特别是连续弯道的航道尺度及安全通航开展研究,在连续弯道过渡段长度、弯道加宽取值及安全通航等方面可能取得突破。另外,依托国家自然科学基金项目,对河道水流运动阻力开展较为深入的研究,预期在河道水流综合糙率的计算及糙率不确定性对水流及泥沙运动的影响方面可能取得较为明显的进展。

  3)针对河流湖泊地域范围广、水文情势变化复杂、水旱灾害影响频繁的特点,利用高分辨率遥感技术与地理信息技术结合,开展洞庭湖等区域的水资源利用和水旱灾害防治研究,在河湖演变研究的层次、水下地貌单元和时效等方面将有所创新。

  研究方向名称:水工岩土力学及工程应用

  本研究方向针对水工地下洞室、高陡边坡稳定安全、基础处理技术、抽水蓄能电站关键技术等领域的难题,研究地下岩体结构稳定性分析理论与稳定性控制、水工地下洞室围岩高压渗透特性测试与分析,特别是在松软地层防渗加固理论和技术及水利工程风险分析等方面进行了深入的研究。

  1)在水工地下洞室、高陡边坡稳定安全评价方面,承担国家基金与雅砻江联合基金子题、博士点基金、中水顾问集团中南勘测设计研究院、大唐香格里拉、湖南省交通厅等单位项目,对龙滩水电站坝肩边坡、江坪河水电站进水口边坡、五岳抽水蓄能电站地下厂房、岗曲河一级电站厂房后高边坡等进行研究,基于多孔介质力学理论及数值方法研究水工岩土体的耦合效应及安全性评价方面已形成特色,参与的"大型水电工程岩石高边坡工程安全理论研究与工程应用"获2010年大禹水利科学技术一等奖(DYJ20100222-G13)。

  2)在水利工程风险分析及安全评价方面,承担中水顾问集团中南勘测设计研究院项目"溃坝风险评价方法及评价软件开发"、小浪底工程咨询公司项目"西霞院反调节水库大坝渗流稳定分析"及湖南省交通厅科技创新项目等,在水利工程风险分析方法、参数的不确定性度量等已有一批研究成果,获得了省级科技进步三等奖。

  3)在松软地层防渗加固理论与技术方面,承担中国电力投资集团公司重大科技项目,通过灌浆新工艺、灌浆理论、注浆新材料成套技术的研究,已形成一种新工法,包括一批专利、高水平理论成果、相关规范等在内的优势特色成果已初步形成,可望在更多领域得到推广应用。

  4)在抽水蓄能电站深埋洞室稳定性评价及处置技术方面,承担了中国水电顾问集团公司、中南勘测设计研究院科技计划项目,中国博士后基金、武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金项目,通过研究高水头条件下破碎岩体渗透变形理论及数值分析、基于数值试验的岩体力学参数状态关联特征、高水压条件下裂隙岩体的渗透特性及水岩耦合特性、钢筋混凝土高压岔管区围岩水-岩耦合效应、河南五岳抽水蓄能电站地下厂房三维稳定性分析等,已形成岩体高压渗透特性的完整实验方法和相关理论,为抽水蓄能电站地下洞室结构安全评价与处置方案,及其相关规范的修编提供了技术支撑。目前在该方向上发表了相关高水平科技论文15余篇,已授权专利3项,其中发明专利一项。

  研究方向名称:水资源时空演变规律及水安全

  本方向研究以水文水资源学和可持续发展理论为指导,应用相关学科的新理论、新方法和"3S"技术手段,揭示新条件下水资源时空演变规律,探索气候变化和人类活动对水资源的影响机制与过程,剖析污染物在水文循环过程中的迁移转化机制与规律,寻求高效安全的水资源可持续利用与优化配置模式,并研究建立两型社会的水资源约束条件及应对机制。

  1)本研究方向主要针对洪涝灾害、干旱缺水和水污染等水资源水安全重大问题,在不充分信息条件下水资源安全度量方法、变化环境下湖南省水资源供需分析及安全战略、湘江流域水资源水资源演变规律及水资源安全、无资料地区水文参数及区域水文频率分析方法及其应用、基于气象及大气环流等因子的长江及湘江流域洪水中长期预报、涟水流域水文过程及分布式水文模型、湘江及洞庭湖流域水沙变化过程及环境效益、湘江流域及洞庭湖水污染物迁移转化规律、饮用水净化及污水处理技术等方面开展了有效的研究。

  2)理论上,计划展开全球气候变化下的本地响应及对策研究,同时借鉴国外已有基于"3S"的水文模型,加以创新改造,使之成为适应湘江流域特色的新一代模块化分布式水文模型,并力争通过与泥沙及水污染模型的耦合,创立具有国际领先性、具有即插即用功能、面向服务的流域过程模型。实践上,力争抓住目前国内大力发展水利的机遇,在湘江流域及洞庭湖水资源承载力、三峡水库建成后对洞庭湖地区水文生态过程的影响及生态修复技术、极端气候条件下地下水资源的监控利用技术、梯级枢纽开发后湘江流域的水沙变化及污染物迁移规律、衡邵干旱走廊的水资源合理利用及水安全规划等方面有所突破。