自改革開放以來，隨著我國城市化進程加速，城市地下排水管網建設也迅速發(fā)展、規(guī)模巨大，運行總里程已超過100萬公里。隨著服役年限不斷增加，排水管網老化失修現(xiàn)象嚴重，滲漏、腐蝕、開裂、脫空等病害普遍存在，造成城市污水廠處理效率低下、黑臭水體、道路塌陷等問題凸顯，安全運行面臨嚴峻挑戰(zhàn)。頻發(fā)的安全事故引起黨和國家領導人的高度重視，領導人要求“十四五”期間必須將管道改造和建設作為重要的一項基礎設施工程來抓。國務院、住建部等相關部委多次發(fā)文，要求查清地下管線現(xiàn)狀，消除事故隱患。然而，地下排水管網屬城市線型隱蔽工程，服役環(huán)境多變，病害類型多樣，導致管網災變演化機理與結構性能修復機制不清，難以實現(xiàn)地下排水管道災變主動防控，城市黑臭水體整治與道路塌陷防治長期處于“頭疼治頭、腳疼治腳”的被動治理局面。
鄭州大學水利與交通學院的李斌博士，針對我國地下排水管網災變防控的迫切需求，圍繞劣化／失效機理、健康狀態(tài)評估、結構韌性提升等研究方面存在的不足，通過基礎理論研究、關鍵技術與裝備研發(fā)，提出了多物理場耦合作用下地下排水管道服役性能精細分析方法，揭示了多缺陷和多荷載耦聯(lián)作用下地下排水管道結構劣化／失效演變機理，構建了基于人工智能方法的管道健康狀態(tài)量化評估方法，形成了管周缺陷高聚物注漿與管內缺陷CIPP內襯非開挖復合修復成套技術，系統(tǒng)突破了地下排水管網災變防控與安全運維關鍵科學與技術難題。保持了排水系統(tǒng)通暢，守護了人們出行安全，保障了城市市容美麗。
創(chuàng)新管道技術 解決排水難題
在車水馬龍、光鮮亮麗的城市下面，埋藏著她的“毛細血管”——地下排水管網，城市排水管就像城市的消化系統(tǒng)，它在地下縱橫交錯，排出城市廢水。為了確保這個龐大的“消化系統(tǒng)”正常運行，年輕的“九零后”科研學者李斌，長期從事地下管網致災機理、性態(tài)評估、非開挖修復等方面的研究工作，并取得了多項創(chuàng)新性科研成績。
鑒于ABAQUS軟件在巖土體壓力場——滲流場——溫度場耦合計算和復雜結構非線性分析，F(xiàn)LUENT軟件在流場動力學計算方面的獨特優(yōu)勢，李斌基于ABAQUS建立了地下排水管道與土體三維精細化有限元結構模型，基于FLUENT建立了與管道模型在時空尺度相匹配的流體模型，通過MpCCI多物理場耦合平臺實現(xiàn)了結構模型和流體模型的同步迭代及耦合參數(shù)的實時傳遞交互，突破了交通、覆土、地下水、管內流體及溫度荷載共同作用下地下排水管道服役性能精細數(shù)值分析方法。
其中，李斌基于自主設計研發(fā)的地下管道災變全過程模擬試驗系統(tǒng)，開展了交通、覆土、溫度和地下水等多荷載共同作用下含腐蝕、脫空、開裂等多缺陷地下混凝土排水管道足尺模型靜荷與疲勞試驗，揭示了不同荷載和缺陷組合下混凝土排水管道服役性能演化過程，基于精細化數(shù)值仿真探究了交通荷載大小與移速、覆土深度、管內污水充滿度與流速、地下水位高度、腐蝕深度與面積、脫空位置與尺寸、開裂位置與尺寸等對混凝土排水管道力學行為的影響規(guī)律。
李斌構建了可考慮交通、覆土、運行荷載耦合作用，管壁腐蝕、開裂與管周脫空復合缺陷并存的混凝土排水管道精細化三維數(shù)值模型，基于規(guī)模化數(shù)值仿真結果，以隨機森林為迭代分類器，利用遞歸特征消除法（RFE）對不重要特征進行修剪，構建了“關鍵致災因子——管道力學響應”樣本庫，利用內積算子將樣本庫一維序列信息升級到二維空間，應用卷積神經網絡（CNN）構建了二維信息與管道力學響應之間的關聯(lián)模型，建立了多因素關聯(lián)的混凝土排水管道服役性態(tài)量化評估方法，解決了現(xiàn)有地下排水管道服役性能評估方法以統(tǒng)計加權分析為主而缺乏理論支撐的難題，為市政和水務部門在決策老舊管道維護時機、預算分配和投資規(guī)劃方面提供理論支撐。
李斌所在團隊研發(fā)了低放熱自膨脹雙漿速凝高聚物修復材料，解決了傳統(tǒng)高聚物材料水中反應容易出現(xiàn)收縮，強度韌性降低的問題，考慮地下排水管道真實服役環(huán)境，構建了酸腐蝕環(huán)境與應力耦合作用下高聚物注漿修復材料性能劣化時變模型，考慮膠凝反應和發(fā)泡反應建立了高聚物材料多注漿孔充填模型，并研發(fā)了適用于排水管道管周缺陷快速修復的高聚物多孔同步注漿成套工藝和控制系統(tǒng)。
此外，基于地下管道災變全過程模擬試驗系統(tǒng)，李斌開展了復雜運行環(huán)境下高聚物注漿和CIPP內襯復合修復地下混凝土排水管道模型疲勞試驗，探究了修復前后地下排水管道長期服役性能演化規(guī)律，探明了修復后管道的疲勞損傷與典型失效特性，量化表征了高聚物注漿和CIPP內襯復合修復排水管道的韌性提升效果，并深入揭示了其韌性提升機理。
致力成果轉化 造福城市生活
近幾年來，圍繞地下管道災變防控領域，李斌已負責主持了國家重點研發(fā)計劃子課題、國家自然科學基金、中國博士后科學基金特別資助與面上項目、河南省科技攻關、河南省青年托舉人才等國家和廳級級課題6項，參與國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金、教育部“藍火計劃”（惠州）產學研聯(lián)合創(chuàng)新項目、河南省重大科技專項等國家及省部級項目10余項。其研究成果已在南水北調中線工程河南段配套輸水工程、引黃工程PCCP輸水管道以及深圳、廣州、鄭州、蘇州、成都等多地的供排水管道檢測修復與應急搶險工程中得到廣泛應用，取得了顯著的社會和經濟效益。
李斌還堅持長期深入工程一線，帶領研究生參與鄭州市老舊污水管道隱患排查、鄭州新鄭機場北飛行區(qū)跑道隱患檢測、鄭徐高鐵路基沉降應急搶險等多項重大工程，踐行了領導人“把論文寫在祖國大地上”的號召。2021年7月20日，鄭州市遭受極端暴雨襲擊，引發(fā)洪災，導致城市道路塌陷頻發(fā)，造成重大社會影響。李斌帶領由研究生與本科生組成的道路空洞與管網應急搶險隊伍，不畏艱險、不分晝夜，先后排查了鄭州航空港區(qū)、經開區(qū)、中牟縣、滎陽市四個地區(qū)重點路段，共檢測城市道路299公里，布設雷達測線663公里，查明各類道路下方隱患150余處，并將檢測結果及時上報當?shù)氐缆分鞴懿块T，保障了居民出行安全。事后，鄭州市城市管理局、中牟縣、滎陽市、航空港區(qū)等區(qū)縣城管局紛紛向鄭州大學發(fā)來錦旗和感謝信，感謝鄭州大學師生對于當?shù)貫暮笾亟üぷ鞯闹г蛶椭?br />
李斌在研究成果方面收獲頗豐，獲廣東省科技進步二等獎、河南省優(yōu)秀博士論文、河南省博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎、河南省教育廳優(yōu)秀科技論文一等獎、ICPTT國際研討會First Prize of Academic Thesis Award、ICPTT國際研討會Outstanding Science and Technology Paper Award等多項獎勵；發(fā)表SCI／EI論文40余篇（入選ESI高被引和高熱點論文1篇），授權發(fā)明專利11項（其中美國專利8項），申請發(fā)明專利28項（其中美國專利8項），出版專著1部，參編團體標準1項，參編河南省省級工法4項。指導研究生獲第八屆中國國際“互聯(lián)網＋”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎，河南省“互聯(lián)網＋”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第八屆中國國際“互聯(lián)網＋”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽河南賽區(qū)選拔賽一等獎，河南省“互聯(lián)網＋”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第九屆中國國際“互聯(lián)網＋”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽河南賽區(qū)選拔賽一等獎。研究成果被河南省科協(xié)、科協(xié)之聲、大河報、鄭州觀察、大河網、大象新聞、大河財立方等媒體報道。
因其優(yōu)秀成果和突出貢獻，李斌入選了河南省青年托舉計劃，獲河南省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)優(yōu)秀博士后、河南省“互聯(lián)網＋”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽優(yōu)秀指導教師、鄭州大學大學生社會實踐活動先進工作者等榮譽稱號。
目前，李斌正針對供水管網泄漏誘發(fā)管周土體侵蝕與地層失穩(wěn)機制不清，復雜運行環(huán)境作用下供水管道長期服役性能演化機理不明，輸配效能與結構劣化非開挖修復技術缺乏等科學與工程難題，重點開展地下供水管道災變機理與韌性提升研究。
科研路漫漫更修遠，作為一名年輕的科研學者，李斌心懷中國夢，踐行青年擔當，致力科技創(chuàng)新，為了城市生活更加美好而努力。
來源：中國網
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