自改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加速，城市地下排水管網(wǎng)建設(shè)也迅速發(fā)展、規(guī)模巨大，運(yùn)行總里程已超過(guò)100萬(wàn)公里。隨著服役年限不斷增加，排水管網(wǎng)老化失修現(xiàn)象嚴(yán)重，滲漏、腐蝕、開(kāi)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(wèn)題凸顯，安全運(yùn)行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。頻發(fā)的安全事故引起黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視，領(lǐng)導(dǎo)人要求“十四五”期間必須將管道改造和建設(shè)作為重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施工程來(lái)抓。國(guó)務(wù)院、住建部等相關(guān)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(wǎng)屬城市線型隱蔽工程，服役環(huán)境多變，病害類型多樣，導(dǎo)致管網(wǎng)災(zāi)變演化機(jī)理與結(jié)構(gòu)性能修復(fù)機(jī)制不清，難以實(shí)現(xiàn)地下排水管道災(zāi)變主動(dòng)防控，城市黑臭水體整治與道路塌陷防治長(zhǎng)期處于“頭疼治頭、腳疼治腳”的被動(dòng)治理局面。
鄭州大學(xué)水利與交通學(xué)院的李斌博士，針對(duì)我國(guó)地下排水管網(wǎng)災(zāi)變防控的迫切需求，圍繞劣化／失效機(jī)理、健康狀態(tài)評(píng)估、結(jié)構(gòu)韌性提升等研究方面存在的不足，通過(guò)基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)，提出了多物理場(chǎng)耦合作用下地下排水管道服役性能精細(xì)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(jié)構(gòu)劣化／失效演變機(jī)理，構(gòu)建了基于人工智能方法的管道健康狀態(tài)量化評(píng)估方法，形成了管周缺陷高聚物注漿與管內(nèi)缺陷CIPP內(nèi)襯非開(kāi)挖復(fù)合修復(fù)成套技術(shù)，系統(tǒng)突破了地下排水管網(wǎng)災(zāi)變防控與安全運(yùn)維關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)難題。保持了排水系統(tǒng)通暢，守護(hù)了人們出行安全，保障了城市市容美麗。
創(chuàng)新管道技術(shù) 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(xì)血管”——地下排水管網(wǎng)，城市排水管就像城市的消化系統(tǒng)，它在地下縱橫交錯(cuò)，排出城市廢水。為了確保這個(gè)龐大的“消化系統(tǒng)”正常運(yùn)行，年輕的“九零后”科研學(xué)者李斌，長(zhǎng)期從事地下管網(wǎng)致災(zāi)機(jī)理、性態(tài)評(píng)估、非開(kāi)挖修復(fù)等方面的研究工作，并取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性科研成績(jī)。
鑒于ABAQUS軟件在巖土體壓力場(chǎng)——滲流場(chǎng)——溫度場(chǎng)耦合計(jì)算和復(fù)雜結(jié)構(gòu)非線性分析，F(xiàn)LUENT軟件在流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，李斌基于ABAQUS建立了地下排水管道與土體三維精細(xì)化有限元結(jié)構(gòu)模型，基于FLUENT建立了與管道模型在時(shí)空尺度相匹配的流體模型，通過(guò)MpCCI多物理場(chǎng)耦合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模型和流體模型的同步迭代及耦合參數(shù)的實(shí)時(shí)傳遞交互，突破了交通、覆土、地下水、管內(nèi)流體及溫度荷載共同作用下地下排水管道服役性能精細(xì)數(shù)值分析方法。
其中，李斌基于自主設(shè)計(jì)研發(fā)的地下管道災(zāi)變?nèi)^(guò)程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)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(kāi)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(yàn)，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(guò)程，基于精細(xì)化數(shù)值仿真探究了交通荷載大小與移速、覆土深度、管內(nèi)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(kāi)裂位置與尺寸等對(duì)混凝土排水管道力學(xué)行為的影響規(guī)律。
李斌構(gòu)建了可考慮交通、覆土、運(yùn)行荷載耦合作用，管壁腐蝕、開(kāi)裂與管周脫空復(fù)合缺陷并存的混凝土排水管道精細(xì)化三維數(shù)值模型，基于規(guī)?；瘮?shù)值仿真結(jié)果，以隨機(jī)森林為迭代分類器，利用遞歸特征消除法（RFE）對(duì)不重要特征進(jìn)行修剪，構(gòu)建了“關(guān)鍵致災(zāi)因子——管道力學(xué)響應(yīng)”樣本庫(kù)，利用內(nèi)積算子將樣本庫(kù)一維序列信息升級(jí)到二維空間，應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）構(gòu)建了二維信息與管道力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)模型，建立了多因素關(guān)聯(lián)的混凝土排水管道服役性態(tài)量化評(píng)估方法，解決了現(xiàn)有地下排水管道服役性能評(píng)估方法以統(tǒng)計(jì)加權(quán)分析為主而缺乏理論支撐的難題，為市政和水務(wù)部門在決策老舊管道維護(hù)時(shí)機(jī)、預(yù)算分配和投資規(guī)劃方面提供理論支撐。
李斌所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)了低放熱自膨脹雙漿速凝高聚物修復(fù)材料，解決了傳統(tǒng)高聚物材料水中反應(yīng)容易出現(xiàn)收縮，強(qiáng)度韌性降低的問(wèn)題，考慮地下排水管道真實(shí)服役環(huán)境，構(gòu)建了酸腐蝕環(huán)境與應(yīng)力耦合作用下高聚物注漿修復(fù)材料性能劣化時(shí)變模型，考慮膠凝反應(yīng)和發(fā)泡反應(yīng)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(fù)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(zāi)變?nèi)^(guò)程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，李斌開(kāi)展了復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下高聚物注漿和CIPP內(nèi)襯復(fù)合修復(fù)地下混凝土排水管道模型疲勞試驗(yàn)，探究了修復(fù)前后地下排水管道長(zhǎng)期服役性能演化規(guī)律，探明了修復(fù)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(nèi)襯復(fù)合修復(fù)排水管道的韌性提升效果，并深入揭示了其韌性提升機(jī)理。
致力成果轉(zhuǎn)化 造福城市生活
近幾年來(lái)，圍繞地下管道災(zāi)變防控領(lǐng)域，李斌已負(fù)責(zé)主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助與面上項(xiàng)目、河南省科技攻關(guān)、河南省青年托舉人才等國(guó)家和廳級(jí)級(jí)課題6項(xiàng)，參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部“藍(lán)火計(jì)劃”（惠州）產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新項(xiàng)目、河南省重大科技專項(xiàng)等國(guó)家及省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)。其研究成果已在南水北調(diào)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(cè)修復(fù)與應(yīng)急搶險(xiǎn)工程中得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
李斌還堅(jiān)持長(zhǎng)期深入工程一線，帶領(lǐng)研究生參與鄭州市老舊污水管道隱患排查、鄭州新鄭機(jī)場(chǎng)北飛行區(qū)跑道隱患檢測(cè)、鄭徐高鐵路基沉降應(yīng)急搶險(xiǎn)等多項(xiàng)重大工程，踐行了領(lǐng)導(dǎo)人“把論文寫在祖國(guó)大地上”的號(hào)召。2021年7月20日，鄭州市遭受極端暴雨襲擊，引發(fā)洪災(zāi)，導(dǎo)致城市道路塌陷頻發(fā)，造成重大社會(huì)影響。李斌帶領(lǐng)由研究生與本科生組成的道路空洞與管網(wǎng)應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍，不畏艱險(xiǎn)、不分晝夜，先后排查了鄭州航空港區(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)、中牟縣、滎陽(yáng)市四個(gè)地區(qū)重點(diǎn)路段，共檢測(cè)城市道路299公里，布設(shè)雷達(dá)測(cè)線663公里，查明各類道路下方隱患150余處，并將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)上報(bào)當(dāng)?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(yáng)市、航空港區(qū)等區(qū)縣城管局紛紛向鄭州大學(xué)發(fā)來(lái)錦旗和感謝信，感謝鄭州大學(xué)師生對(duì)于當(dāng)?shù)貫?zāi)后重建工作的支援和幫助。
李斌在研究成果方面收獲頗豐，獲廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、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(jiǎng)、河南省教育廳優(yōu)秀科技論文一等獎(jiǎng)、ICPTT國(guó)際研討會(huì)First Prize of Academic Thesis Award、ICPTT國(guó)際研討會(huì)Outstanding Science and Technology Paper Award等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)；發(fā)表SCI／EI論文40余篇（入選ESI高被引和高熱點(diǎn)論文1篇），授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)（其中美國(guó)專利8項(xiàng)），申請(qǐng)發(fā)明專利28項(xiàng)（其中美國(guó)專利8項(xiàng)），出版專著1部，參編團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，參編河南省省級(jí)工法4項(xiàng)。指導(dǎo)研究生獲第八屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎(jiǎng)，河南省“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第八屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽河南賽區(qū)選拔賽一等獎(jiǎng)，河南省“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第九屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽河南賽區(qū)選拔賽一等獎(jiǎng)。研究成果被河南省科協(xié)、科協(xié)之聲、大河報(bào)、鄭州觀察、大河網(wǎng)、大象新聞、大河財(cái)立方等媒體報(bào)道。
因其優(yōu)秀成果和突出貢獻(xiàn)，李斌入選了河南省青年托舉計(jì)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(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師、鄭州大學(xué)大學(xué)生社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)先進(jìn)工作者等榮譽(yù)稱號(hào)。
目前，李斌正針對(duì)供水管網(wǎng)泄漏誘發(fā)管周土體侵蝕與地層失穩(wěn)機(jī)制不清，復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境作用下供水管道長(zhǎng)期服役性能演化機(jī)理不明，輸配效能與結(jié)構(gòu)劣化非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)缺乏等科學(xué)與工程難題，重點(diǎn)開(kāi)展地下供水管道災(zāi)變機(jī)理與韌性提升研究。
科研路漫漫更修遠(yuǎn)，作為一名年輕的科研學(xué)者，李斌心懷中國(guó)夢(mèng)，踐行青年擔(dān)當(dāng)，致力科技創(chuàng)新，為了城市生活更加美好而努力。
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