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在水利水电工程方面取得了丰硕的成果

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在水利水电工程方面取得了丰硕的成果


“展风采 树楷模”全国学会优秀党员科技工作者事迹宣传——张国新,中国水利学会

人物简介:张国新,中国水利水电科学研究院所长

人物详细介绍-

1984年加入中国共产党,教授级高级工程师、博士生导师。1989年毕业于清华大学水利水电工程系,博士学位。1990-1995年在清华大学水利水电工程系从事科研、教学、管理工作。1995年起到日本工作,从事数值方法及与土木水利相关技术研究。2001年回国,到中国水科院工作。 2002年起至今任中国水科院结构材料所所长兼支部书记,任中国水利学会水工结构专委会主任、中国大坝委员会副秘书长等职。2017年3月起兼任国家水电可持续发展中心主任、国家能源高效利用与大坝安全技术研发中心主任,国际水电协会IHA中国办公室主任。

长期工作在科研第一线,从事水利水电工程中复杂水工结构的数值模拟方法、混凝土坝温度应力与温控防裂、高拱坝全生命期真实工作性态、混凝土高坝安全评价与控制、复杂结构的高性能计算等研究。

1)持续30年研究水利水电工程中复杂水工建筑物数值模拟方法,开发仿真模拟软件,长期处于国内国际领先水平。

提出了高混凝土坝后期温升模型、考虑温度对水化影响的弹性模量变化模型、混凝土损伤老化劣化模型、基岩软弱带与结构面流变模型、考虑堆渣效应的水温计算模型、考虑辐射热效应的热学边界模型、考虑施工蓄水过程的自重水压加载模型、考虑键槽抗剪切与灌浆效应的横缝模型、多缝大坝高效迭代模型等9个数值模型,建立了基于反演的全过程仿真分析方法,开发的混凝土坝真实性态仿真平台SAPTIS长期处于国内国际领先水平,可模拟混凝土坝浇筑、灌浆、蓄水运行、到老化、劣化的建设运行共9个过程,热-水-力3场耦合,材料非线性、接触非线性、时效非线性3个非线性问题,实现高混凝土坝从施工到长期运行全生命期高精度性态仿真、性态预测和安全评价。研发的全生命期仿真模拟方法、模型和软件平台SAPTIS已成功应用于三峡工程、南水北调、我国已建在建的坝高200m以上高混凝土坝94%以上,坝高100m以上的高混凝土坝85%以上,取得巨大经济效益和社会效益。

依托在复杂工程数值模拟方面积累的成果、经验和SAPTIS软件平台,作为项目负责人成功申请到国家‘十三五’重点研发专项‘高性能计算’专项中的‘复杂工程力学高性能应用软件系统研制’项目。该项目的研发目标是,在并行能力方面,要通过十亿亿次计算、满足60万核30%并行效率的要求;在计算规模方面,要超过现有国际商业软件ANSYS、ABAQUS等1—2个量级;在应用示范方面要求网格数量达到十亿至百亿,计算结果通过观测结果或实验测试结果验证。这是‘十三五’期间国家支持的唯一一个‘工程结构’方向高性能软件系统研发项目。

2)长期从事水利水电工程中大体积混凝土结构温控防裂技术的研究与开发,解决了若干复杂的技术难题,取得了显著的经济效益和社会效益。

提出了‘九三一’温控模式,即九字方针‘早保护、小温差、慢冷却’,‘一期、二期、中期’三期冷却,一个监控即‘智能监控’。

基于‘九三一’温控模式,提出了‘感知-互联-分析-控制’的闭环智能控制模式,发明了混凝土拌合、浇筑、通水冷却、保护养护全过程温控防裂智能监控方法,研发了监测、互联、分析与控制的成套设备,集成开发了智能监控系统,以温控施工监控的智能化促进了温控施工管理的精细化,实质上提升了混凝土坝温控水平。具体内容包括:

发明了混凝土坝温控防裂全过程智能监控方法,研发了混凝土拌合、浇筑、通水冷却、保护养护全环节的智能监控模型;通过22项温控全要素实时监测、开裂风险智能分析与温控效果评价、4个温控施工环节的实时反馈控制,解决了传统温控施工无法及时、有效监控的难题。

发明了混凝土坝温控全要素监测、实时稳定互联和全环节施工控制的成套设备,研发了全过程智能监控软件平台,集成了智能监控系统;仪器设备克服了施工现场干扰大、缺少强电、恶劣气候、大型机电设备电磁干扰等困难条件,传输装置适应最低零下40℃复杂环境、大容量、高可靠性的复杂要求,反馈控制设备分布式迭代收敛快,系统解决了复杂条件下温控施工要素实时精准监测、实时稳定控制及规模化应用的难题。

发明了混凝土坝理想温度过程的确定方法及动态温控标准调整方法,提出了利用智能监控系统实现理想温度过程的工作模式。运用智能监控系统,不仅可以实现同等温差标准条件下温度应力最小,也可以实现基于同等开裂风险进行考虑经济最优的施工措施优化。

研究成果推动了混凝土坝施工防裂监控技术的整体发展,使得相关工程质量保障程度显著提高,安全性能进一步增强。取得了一套具有自主知识产权的创新性技术成果,共获得国家发明专利授权20项。成果应用于锦屏一级、鲁地拉、藏木、丰满重建、黄登、乌东德、白鹤滩等重大水利水电工程,所监控的混凝土坝工程未发生危害性温度裂缝,解决了“无坝不裂”的世界性难题。成果为提高混凝土坝的安全性和耐久性做出了重要贡献,取得了显著的社会经济效益,具有广阔的推广应用前景。

3)紧密结合水利水电工程实际,开展科学研究与技术研发,取得了丰硕的成果。

20年来,紧密结合我国水利水电工程的建设和已建工程的安全管理开展科研工作,解决工程中提出的问题难题。在长距离调水工程方面,参与了南水北调、引汉济渭、滇中调水等工程的前期工程技术论证和建设期工程科研。在特高混凝土高坝研究方面,参与了我国7座已建300m级特高混凝土坝中6座高坝工程的设计、施工到初次运行全过程科研支撑工作,包括二滩、小湾、溪洛渡、锦屏、拉西瓦、大岗山,参加了全部15座在建和将建的混凝土高坝的技术论证和科研工作。所带领的团队在温控防裂领域具有绝对优势,完成了我国绝大多数重要混凝土坝、混凝土结构工程的温控防裂论证,和部分重要工程的智能温控的工程实施。在老坝加高与重建方面,主持了南水北调龙头工程—丹江口大坝加高的裂缝影响、新老混凝土结合、温控防裂、加高后的安全评估与安全保障等研究工作,主持了我国第一座大型水电站—位于严寒地区、温控防裂难度空前的丰满大坝重建的温控防裂方案研究与智能温控的实施。

主持和参与的工程科研,为工程建设和安全管理提供了重要的技术支撑。

主持参与了自然科学基金、国家科技支撑计划、国家研发专项、省部科研专项等十几项,取得丰硕研究成果。其中获得国家科技进步二等奖3项(高混凝土坝结构安全关键技术研究与实践,2016年,第二获奖人;200m级碾压混凝土重力坝关键技术研究及在龙滩工程中的应用,2010年,第5获奖人;300m级溪洛渡拱坝智能化建设关键技术,2016年,第6获奖人)、以第一完成人获得省部级科技进步特等奖1项(大体积混凝土防裂智能化温控关键技术,水力发电科学技术奖特等奖,2014年),一等奖4项,其他名次完成人获得省部级特等奖4项、一等奖6项,获得全国优秀工程咨询成果一等奖1项、省部级科技进步二等奖7项。发明专利30余项、实用新型专利20余项。发表论文210篇,第一作者论文140多篇,其中SCI、EI检索40余篇,多篇论文获得《水利学报》、《水利发电学报》等杂志的优秀论文奖。参编著作3部。根据中国科学技术信息研究所出版的《中国期刊高被引指数》,2008-2009连续两年进入水利工程学科高被引作者前12位。

2007年起至今任中国水科院结构材料所党支部书记,所在支部在2008-2012年连续获得中国水科院优秀党支部,2008年评为水利部直属机关抗震救灾优秀党员,2012年评为享受国务院特殊津贴专家,2013年评为水利部5151人才工程部级人选,2017年评为中国水科院创新领军人才。

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