科学技术进步奖公示内容

科学技术进步奖公示内容一、项目名称特高土石坝筑坝关键技术创新与工程实践二、提名者及提名意见（包含提名等级）提名单位：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司提名意见：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司周恒总工程师牵头，围绕特高土石坝筑坝土石料参数测试取值不准确、大坝变形渗流等运行性态分析预测误差大、缺少特高土石坝安全控制标准等重难点技术问题，联合西安理工大学、水利部南京水利科学研究院等6家单位，依托10余项国家重大研发计划和国家自然科学基金等科研课题、20余项国内国外重大水利水电工程项目，经过20多年产学研用联合攻关，取得了特高土石坝从试验测试-理论模型与计算分析-安全控制标准及设计技术体系等关键技术的系列创新成果，成果全面应用到世界最高的面板坝——坝高247m的大石峡水利枢纽工程，促进土石坝工程建设由200m级以下向300m级特高坝跨越。本成果已广泛应用于公伯峡、玛尔挡、茨哈峡、马来西亚巴贡、老挝南俄3等30余座高土石坝工程，经济效益巨大、社会环境效益显著，有力推动了行业的技术进步。特高土石坝筑坝关键技术创新与工程实践达到国际领先水平，特提名参评陕西省科学技术进步奖一等奖。三、项目简介水库大坝是国家水网、流域防洪体系重要组成部分，是保障国家水安全、能源安全的“重器”，在水资源配置、清洁能源、河湖生态修复等方面发挥着不可替代的重要作用。土石坝因其就地取材、地质适应性强、造价低、建设周期短、节能减碳等优点，占据了我国已建大坝的90%以上，其建设数量、规模、难度及筑坝技术均居于世界首位。随着我国“一带一路倡议”、“国家水网建设”、“30·60双碳目标”等国家战略的推进，需要在国内外建设一批200m级以上高坝大库工程，尤其在地形地质条件复杂的西部峡谷地区，高土石坝已成为当前开发建设的主力坝型，土石坝工程建设由200m级以下向300m级特高坝跨越，受以下三个关键技术问题的制约：①筑坝土石料参数测试取值不准确。坝料试验传统方法采用室内试验进行测试，室内试验因装置尺寸限制缩尺效应显著，无法测试获得准确的坝料工程特性参数；②大坝变形渗流等运行性态分析预测误差大。现有经典本构模型预测高土石坝变形和渗流计算成果与实际监测数据不符，变形与预测误差较大；③缺少特高土石坝安全控制标准。原规范适用于200m以下土石坝，对于200m以上特高土石坝的建设安全，需要系统研究建立安全控制标准及设计技术体系。特高土石坝建设突破和运行安全面临严峻挑战，因此，亟需开展特高土石坝筑坝关键技术创新，以满足国家重大水利水电工程建设需求，本科研攻关成果对实现国家战略目标意义重大。本项目从本世纪初的黄河公伯峡、马来西亚巴贡、陕西镇安等工程开始，依托《300m级特高土石坝建设与安全保障技术》等4项国家重点研发计划、《基于连续-离散耦合分析方法堆石体缩尺效应研究》等7项国家自然科学基金、以及20余项重大水利水电工程，经过20多年的产学研用联合攻关，结合、黄河玛尔挡、新疆大石峡、黄河茨哈峡、老挝南俄3等200m～300m特高坝工程建设，先后在超大型试验技术及装置研制、筑坝料缩尺效应研究、工程特性数据库建立、新型本构模型研发、精细化计算分析平台构建、坝体安全控制标准及设计技术体系等方面取得了重大突破，形成了特高土石坝从试验测试-理论模型与计算分析-安全控制标准及设计技术体系等关键技术的系列创新成果，支撑编制了《碾压式土石坝设计规范》等11项国家和行业标准，为300m级特高土石坝安全建设提供了理论基础与实践指导。（1）提出了原级配筑坝土石料工程设计参数测试技术。①研发了筑坝料超大型多功能渗透试验装置和技术、渗流应力耦合试验装置和技术。通过对高水头大流量供压、实时数据精确采集、大型试验箱体、高应力加载系统、试验关键技术的攻关，超大型渗透试验装置成功实现了特高水头条件下原级配筑坝料单层渗透及多层反滤试验，试验装置最大水头可达360m，最大尺寸达13m×1m×1m（长×宽×高），试样最大粒径由60mm加大到300mm；大型渗流应力耦合试验装置实现了350m高水头和9000kPa高应力渗流耦合，真实模拟了高应力条件对筑坝土石料渗透特性的影响。②研发了原级配筑坝料超大型现场测试技术。装置加载能力达到千吨级（最大加载10316kN）、承压板直径达1.5m，试样最大粒径由60mm加大500mm，突破了筑坝土石料力学试验缩尺效应的限制；③实施了大直径（直径2.2m）、百米级（深度80m）的超深竖井原位试验技术，实现了对砂砾石料超深断面、全级配取样试验。支撑了标准《土工原位测试专用仪器校验方法》相关内容的制定。④构建了筑坝土石料工程数据库。基于国内30余座高土石坝筑坝土石料的室内及现场试验数据，建立了国内外首个筑坝土石料工程特性数据库，揭示了原级配筑坝土石料模量系数K值仅为室内常规大三轴试验（直径0.3m）60%～80%的规律。突破了原级配筑坝土石料工程设计参数难以准确测试的难题瓶颈，为特高土石坝变形及渗流预测分析提供可靠的支撑。（2）创新了土石料本构模型和大坝变形渗流预测分析技术。针对经典本构模型预测高土石坝变形精度低、渗流计算与实际不符的问题，①提出了考虑颗粒破碎和复杂应力路径的新型本构模型；基于筑坝土石料应力变形特性的构造表达式，建立土石料弹塑性本构模型，通过引入反映土石料颗粒劣化的参变量，结合流变变形流动准则，构建了新型的粘弹塑性本构模型，从机理上解决了高土石坝应力变形“算不大”和“算不准”的技术难题。②构建了应力渗流耦合作用下筑坝料非达西流渗透系数计算模型；通过研制的室内大型渗流应力耦合式试验装置，开展了多组渗流和应力耦合作用下土石料的渗透试验，构建非达西流渗透系数计算公式可考虑应力渗流耦合作用，突破了坝体渗流计算无法考虑坝体应力状态影响的难题。③通过本构模型改进和精细化计算分析软件平台构建，实现了高土石坝变形与渗流性态的精准预测，预测误差减小至5%以内，为特高土石坝建设及长效安全提供了科学定量的标准依据。（3）建立了特高土石坝安全控制标准及设计技术体系。针对200m级以上特高土石坝安全控制设计技术体系缺乏、制约高土石坝从200m级向300m级跨越的瓶颈问题，①建立了特高土石坝变形总量控制和协调控制的“双控”标准体系。制定了坝体不同分区的填筑标准、提出了高土石坝分区之间的变形协调控制技术，突破了300m级特高土石坝变形协调控制的难题。②提出了面板坝反滤设计方法。基于筑坝土石料反滤层滤土排水减压的基本原理，采用研发的超大型多功能组合渗透试验装置对反滤准则进行了试验验证，创新了高面板坝渗流控制和设计技术。③制定了特高土石坝抗滑稳定安全系数。基于失效概率风险评估分析方法，制定了特高土石坝在多种工况下的抗滑稳定安全系数标准，支撑了《碾压式土石坝设计规范》适用于200m以上特高坝建设，填补了特高土石坝安全控制设计技术体系的空白。本项目已获授权发明专利15项，实用新型9项；登记软件著作权12项，主编、参编技术标准11项、省部级工法5项，出版学术专著5部，发表SCI/EI检索论文105篇。四、客观评价项目从验收意见和应用单位技术评价等方面进行了客观评价。①筑坝料大型渗流及力学试验装置及试验测试技术解决了室内试验筑坝料存在的力学特性缩尺效应和无法对特高土石坝渗透稳定进行定量评价的技术难题，建立国际上首个筑坝料工程特性数据库，提出考虑缩尺效应的参数修正方法，实现了精准测试原级配筑坝土石料工程设计参数。②考虑颗粒破碎和复杂应力路径的新型本构模型，可反映筑坝料的剪胀特性，大幅提高了高土石坝变形的预测精度；构建了应力渗流耦合作用下筑坝料非达西流渗透系数计算模型，解决了坝体渗流计算无法考虑坝体应力状态影响的难题。通过本构模型改进和精细化有限元软件平台构建，实现了高土石坝变形与渗流性态的精准预测，预测误差减小至5%以内。③高土石坝安全控制技术体系解决了200m级以上特高土石坝工程安全难以定量评价的问题，因此更新了《碾压式土石坝设计规范》，继而推动了土石坝坝高突破200m级向300m级的跨越。2022年3月，中国水力发电学会组织科技成果鉴定会，陈祖煜院士、张建民院士、郑建国大师等组成的专家组对项目进行了评价，一致认为：“研究成果达到国际领先水平”。五、应用情况该项目以特高土石坝筑坝建设过程中存在的技术难题与科学问题为突破点，结合玛尔挡、大石峡、老挝南俄3等200m～300m特高坝工程实践，先后在超大型试验装置研制、筑坝料缩尺效应研究、工程特性数据库建立、新型实用本构模型研发、精细化有限元平台构建、坝体安全控制标准及技术体系等方面取得了重大突破，形成了从试验测试-理论模型及分析-特高土石坝安全控制设计技术的全链条系列创新研究成果，全面应用到世界最高的247m大石峡面板坝工程，促进特高土石坝工程实践由200m级向300m级跨越。本研究成果已广泛应用于国内外多座土石坝工程，如公伯峡、积石峡、玛尔挡、察汗乌苏、大石峡、巴塘、马来西亚巴贡、老挝南俄3等16座特高土石坝工程，并在茨哈峡、江达、俄米、鲸鱼沟调蓄、尼泊尔马蒂等16座前期研究的特高土石坝中。同时，研究成果也应用于天生桥一级、水布垭等已建土石坝工程，并拟应用于待建的国内第一高土石坝316m高如美工程。仅开具的经济效益证明显示，累计节省工程投资和创造经济效益共10.3亿元，利用研究成果为公司承揽项目创造产值约10亿元，经济效益巨大，社会环境经济效益显著，推广应用前景广阔。六、主要知识产权和标准规范等目录：（限10条，所列专利证书颁发日期、标准规范发布日期、论文发表日期应在2022年12月31日之前。）序号知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人1规范碾压式土石坝设计规范中国NB/T10872-20212021年12月22日国家能源局2021年第6号文中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司；水电水利规划设计总院；中国水利水电科学研究院；水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院；河海大学；武汉大学；国能大渡河流域水电开发有限公司周恒；陆希；张宗亮；姚栓喜；王富强；王君利；陈祖煜；伍小玉；苗喆；袁友仁；龙文；陈树联；程瑞林；李国英；沈振中；冉从勇；蔡新合；周伟；贾巍；刘永智；傅中志；孙平；王庆祥；郑惠峰；张丹；姚福海；王晓东；甘磊；刘静；马刚；李鹏；李炎隆；徐宏璐2规范混凝土面板堆石坝设计规范中国NB/T10871-20212021年12月22日国家能源局2021年第6号文中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司；水电水利规划设计总院；中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司；中国长江三峡集团有限公司；清华大学；武汉大学；水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院；华能澜沧江水电股份有限公司；国能大渡河流域水电开发有限公司张宗亮；冯业林；周恒；王富强；黄维；余学明；王毅呜；张丙印；王庆祥；湛正刚；孙役；米占宽；周伟；艾永平；朱永国；黄青富；张礼兵；赵琳；王君利；窦向贤；邱焕峰；王晓亮；吴吉才；朱爱莉；于玉贞；马刚；迟福东；魏匡民；孔令学；闰尚龙；陆希；蔡新合；卢羽平；吴伟伟；吴永康；曹学兴；苗喆；李红心；唐珂3发明专利一种粗粒料原位载荷试验确定颗粒破碎率的方法及应用中国ZL201910541531.42021年09月17日4687085中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司周恒；狄圣杰；陆希；张莹4发明专利预测原级配筑坝堆石料最小孔隙比的方法中国ZL201810441710.62020年03月10日3714118武汉大学马刚；文喜南；周伟；徐琨；伍巍5发明专利智能分级加载与可变渗径的超大型水平渗透试验系统其他LU5001962021年10月20日LU500196水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院徐卫卫；石北啸；凌华；张建卫；沈光泽；陈生水6发明专利考虑空间约束状态的破碎试验装置中国ZL201710408354.32019年04月09日3325983武汉大学马刚；姬翔；周伟；邓璇璇；常晓林7规范土工试验方法标准中国GB/T50123-20192019年05月24日住建部2019年第131号文水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院蔡正银；王芳；高长胜；何宁；刘小生；龚壁卫；吴青柏；李鹏；胡再强；凌华；邓友生；王韫楠；朱俊高；李少雄；韩会生；曹培；傅华；高明霞；等8发明专利堆石料风化三轴试验中温度循环快速实现方法及其装置中国ZL201510278109.62015年05月27日2048238水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院陈生水；石北啸；蔡正银；米占宽；韩华强；傅华；傅中志；钟启明；凌华9发明专利一种原始级配堆石体大型真三轴实验装置及其使用方法中国ZL201210047511.X2015年07月15日1725096武汉大学周伟；常晓林；马刚；胡超10其他复杂土料压实度快速检测工法中国DJGF-SD-15-20142014年04月16日DJGF-SD-15-2014中国水利水电第三工程局有限公司谢凯军；贾德霞；郭小安；王永七、主要完成人情况排名姓名技术职称行政职务工作单位完成单位对本项目的贡献1周恒正高级工程师总工程师中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司本项目总负责人，对第1、2、3项科技创新做出了创造性贡献，研发了砂砾石料深井法勘察技术，提出了土石坝筑坝料选用原则及原级配坝料参数测试技术，建立了填筑标准和变形“双控”标准体系。2马刚教授无武汉大学武汉大学本项目技术负责人，制定项目研究大纲、参与项目研究方案确定、研究实施及成果分析等，对第1、2项科技创新做出了创造性贡献，揭示筑坝料工程特性缩尺效应影响规律。3魏匡民高级工程师副主任水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院对第1、2项科技创新做出了创造性贡献，建立了坝料工程特性数据库，总结了坝料工程特性。4宋志强教授无西安理工大学西安理工大学对第2项项科技创新做出了创造性贡献，开展土石坝防渗结构变形应力分析方法研究，改进计算方法，构建软件平台。5苗喆正高级工程师副总工程师中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司对第1、3项科技创新做出了创造性贡献，开展了原级配料大型原位洞内载荷试验，对原级配筑坝料进行了现场无侧限压缩试验，建立了土石坝坝料填筑标准体系。6谢凯军正高级工程师副总工程师中国水利水电第三工程局有限公司中国水利水电第三工程局有限公司对第3项科技创新做出了创造性贡献，开展填筑施工研究方案确定、试验检测及成果分析等。7陆希正高级工程师科技研发部/研发中心总工程师中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司对创新成果1和3的做出了创造性贡献，开展了原级配料超大型渗透试验研究。8周伟教授研究生院院长武汉大学武汉大学对第2项科技创新做出了创造性贡献，参与本构模型改进，计算方案确定和成果分析等。9孙平正高级工程师无中国水利水电科学研究院中国水利水电科学研究院对第3项科技创新做出了创造性贡献，建立了坝体稳定控制标准研究。10邓成进高级工程师专总中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司对第1、3项科技创新做出了创造性贡献，负责土石坝坝料研究实施及成果分析。11石北啸正高级工程师无水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院对第1、2项科技创新做出了创造性贡献，建立了考虑颗粒破碎和应力路径的新本构模型12凌华正高级工程师副主任水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院对第1、2项科技创新做出了创造性贡献，提出了原位测试技术和标准。13王永正高级工程师副主任中国水利水电第三工程局有限公司中国水利水电第三工程局有限公司对第1项科技创新做出了创造性贡献，负责土石坝坝料现场物理力学测试及成果分析。14翟迎春正高级工程师无中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司对第1、3项科技创新做出了创造性贡献，负责土石坝筑坝料现场试验测和安全设计体系建立。15曹靖讲师无西安理工大学西安理工大学对第2项项科技创新做出了创造性贡献，开展坝料现场物理力学测试分析和高土石坝渗流计算分析。八、主要完成单位及创新推广贡献排名完成单位创新推广贡献1中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司为本项目牵头单位，负责确定研究目标和总体思路，制定研究方案，全面组织项目系统理论和体系技术的研究。为本项目创新成果中超大型现场测试技术、超大型多功能组合渗透试验装置和技术、砂砾石料深井法勘察技术、筑坝料缩尺效应研究、土石坝坝料级配优化技术、土石坝坝料填筑标准体系、堆石坝变形协调控制的设计技术体系等部分的主要贡献单位。解决了高土石坝设计建设过程中的筑坝材料勘探、试验、计算、填筑标准等工程难题。作为牵头负责单位，在本项目中取得了丰富的知识产权成果，技术创新成果成功应用于国内外多座土石坝工程，如公伯峡、积石峡、玛尔挡、察汗乌苏、大石峡、巴塘、巴贡（马来西亚）、南俄3（老挝）等16座高土石坝工程，并在茨哈峡、江达、俄米、鲸鱼沟调蓄、马蒂（尼泊尔）等16座前期研究的高土石坝中得到应用，编制了《碾压式土石坝设计规范》《混凝土面板堆石坝设计规范》，提高了水利水电工程高土石坝筑坝技术水平，保证了诸多水利水电工程的施工和运行安全。2西安理工大学西安理工大学作为项目主要参加单位，共同完成了该项目关键技术的研究工作。组织完成了特高土石坝应力变形计算和渗流计算方法对比研究，提出改进计算误差的措施；共同负责项目研究成果总结与分析工作，并在实际应用中取得了良好的效果，参与编制了《碾压式土石坝设计规范》。3武汉大学武汉大学作为项目主要参加单位，共同完成了该项目关键技术的研究工作。组织完成了颗粒形状对颗粒破碎强度的影响机制研究、颗粒形状对颗粒破碎强度尺寸效应的研究以及筑坝料缩尺效应的影响机制的研究；共同负责项目研究成果总结与分析工作，并在实际应用中取得了良好的效果，参与编制了《碾压式土石坝设计规范》《混凝土面板堆石坝设计规范》。4水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院南京水利科学研究院作为项目主要参加单位，共同完成了该项目关键技术的研究工作。研制了筑坝料大型渗透试验装置并开发了相应的试验技术，可进行原级配砂砾石筑坝料的渗透特性研究。提出了砂砾石筑坝料达西流渗透系数的计算公式及应力渗流耦合砂砾石筑坝料渗透系数的计算公式。研究了砂砾石筑坝料非达西流渗透系数的计算公式，可较好反映水力梯度对宽级配砂砾石料渗透系数的影响规律。建立了筑坝料工程特性数据库，收集整理并录入了国内30余座高土石坝80余种筑坝料的试验数据，共同负责研究考虑颗粒破碎的本构模型，可较好地模拟试验曲线并可反映复杂应力路径的影响，能较好地反映土石坝的应力变形特性，并在实际应用中取得了良好的效果，主持编制了《土工试验方法标准》，参与编制了《碾压式土石坝设计规范》《混凝土面板堆石坝设计规范》。5中国水利水电第三工程局有限公司中国水利水电第三工程局有限公司作为项目主要参加单位，共同完成了该项目关键技术的研究工作。参与完成了砂砾石料的现场原级配“密度桶法”的相对密度试验与室内相对密度试验对比分析，建立了土石坝坝料填筑标准体系，并成功应用于黑龙江荒沟抽水蓄能电站上水库大坝、老挝南公1水电站大坝、玛尔挡水电站大坝等高土石坝工程；共同负责项目研究土石坝变形协调控制的设计技术体系，完成了坝体填筑压实质量控制标准复核和验证，确定了满足坝体填筑压实质量控制标准的施工工艺及施工参数，制定了坝料填筑碾压施工方法，为土石坝坝料填筑及大坝填筑施工工艺的优化提供依据。6中国水利水电科学研究院中国水利水电科学研究院作为项目主要参加单位，共同完成了该项目关键技术的研究工作。组织研究了以结构可靠度分析理论作为建立岩土工程风险控制标准和准则的依据，提出了在失效概率基础上的风险评估和分析方法，并制定了高土石坝在多种工况下的抗滑稳定安全系数标准，在实际应用中取得了良好的效果，参与编制了《碾压式土石坝设计规范》。九、完成人合作关系说明中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司、西安理工大学、武汉大学、水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院、中国水利水电科学研究院、中国水利水电第三工程局有限公司6家单位分工明确，在技术上实行联合攻关，对特高土石坝筑坝关键技术开展了深入合作研究。项目主要完成人中的周恒、苗喆、陆希、邓成进、翟迎春来自中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，宋志强、曹靖来自西安理工大学，马刚、周伟来自武汉大学，魏匡民、石北啸、凌华来自水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，谢凯军、王永来自中国水利水电第三工程局有限公司，孙平来自中国水利水电科学研究。项目第一完成人周恒正高级工程师，为中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司总工，自2000年开始开展本项目的研究工作，主要负责总体技术路线规划、关键技术攻关和整体技术负责。苗喆、陆希、邓成进、翟迎春为中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司员工，共同完成了原级配料大型原位洞内载荷试验，揭示了筑坝料工程特性随试验尺寸的变化规律；对原级配筑坝料渗透试验，突破筑坝料试验缩尺效应的限制；建立特高土石坝安全控制标准设计体系。完成人宋志强、曹靖来自西安理工大学，与中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司保持长期的合作关系，共同负责项目研究成果总结与分析工作，开展特高土石坝应力变形计算和渗流计算方法对比研究，提出改进计算误差的措施；共同负责项目研究成果总结与分析工作，并在实际应用中取得