國家骨干水網(wǎng)及重大水電工程建設是實現(xiàn)國家“雙碳”目標和水安全及能源安全戰(zhàn)略的重要保障。我國西南、西北尤其是青藏高原地區(qū)的高山峽谷河流蘊藏著十分豐富的水能資源，但河床覆蓋層深厚。隨著我國西南水電基地和雅江下游水電開發(fā)及抽水蓄能電站的建設，近期和將來面臨的深厚覆蓋層上建壩需求增多。與建在基巖上的面板壩相比較，修建于覆蓋層上的面板壩存在防滲系統(tǒng)變形不協(xié)調(diào)下的滲流控制、覆蓋層上高面板壩建壩適應性、防滲系統(tǒng)局部缺陷評價、覆蓋層上高面板壩長效性能評估等行業(yè)“卡脖子”問題。為此，我校水利水電學院沈振中教授研究團隊緊密圍繞國家重大需求和科學前沿，在覆蓋層上高面板壩變形與滲流控制、設計準則、長效性能評估技術等方面取得了創(chuàng)新和突破。

1.研發(fā)了深厚覆蓋層高面板壩防滲系統(tǒng)“柔性”連接型式及防滲效果評價方法

針對深厚覆蓋層上高面板壩壩基混凝土防滲墻與趾板間不均勻變形問題，對比“剛”、“柔”連接型式，提出了深厚覆蓋層高面板壩“壩基混凝土防滲墻+連接板+趾板+面板”的壩基與壩體防滲系統(tǒng)“柔性”連接型式和滲流控制設計準則，有效解決了深厚覆蓋層高面板壩壩基與壩體防滲系統(tǒng)變形不協(xié)調(diào)帶來的滲流控制技術難題；針對傳統(tǒng)計算方法難以準確計算防滲系統(tǒng)缺陷部位滲漏量及定量評價覆蓋層滲透坡降超限區(qū)的問題，建立了深厚覆蓋層面板壩防滲系統(tǒng)潛在缺陷部位滲控量化指標，提出了一種基于三維有限元分析的任意斷面（柱面）滲流量計算方法，實現(xiàn)了混凝土防滲墻（面板）局部缺陷（開叉、裂縫、破損、空洞、失效等）條件下缺陷部位滲漏量的精準預測和受局部缺陷影響的覆蓋層滲透坡降超限區(qū)分布的有效評價；針對覆蓋層上面板壩力學參數(shù)多、反演效率低的問題，提出了基于面板壩工程原型監(jiān)測資料的滲流和變形力學參數(shù)人工智能反演分析方法，實現(xiàn)了壩體和壩基多分區(qū)參數(shù)的高效反演。 

圖1 創(chuàng)新成果一示意圖

2.提出了深厚覆蓋層高面板壩建設適應準則及防滲墻施工時序控制技術

針對深厚覆蓋層高面板壩變形大，缺乏覆蓋層高面板壩覆蓋層物理力學參數(shù)控制原則等問題，系統(tǒng)分析了覆蓋層厚度、覆蓋層模量系數(shù)和壩高對壩體應力變形的影響，構(gòu)建了基于壩基覆蓋層工程特性和壩體結(jié)構(gòu)特性的懸掛式垂直防滲布置控制指標體系和覆蓋層深度、模量系數(shù)與適用面板壩壩高的定量關聯(lián)，提出了能適應深厚覆蓋層超大不均勻變形的結(jié)構(gòu)布置設計準則；針對防滲墻施工時序?qū)误w及防滲墻應力變形影響不明確的問題，定量分析了“先壩后墻”“先墻后壩”和“墻壩相間”施工時序?qū)误w應力變形、面板應力、面板撓度和防滲墻應力變形的影響規(guī)律，提出了“墻壩相間”施工時序控制技術，有效控制壩基防滲墻結(jié)構(gòu)受力分布，保障了防滲墻長效安全運行。

圖2 創(chuàng)新成果二示意圖

3.創(chuàng)建了深厚覆蓋層上高面板壩長效性能評估與壽命預測模型

針對混凝土面板、防滲墻及灌漿帷幕等混凝土防滲體在長期服役過程中性能劣化顯著、測試手段缺乏的問題，研制了首個二級配大尺寸混凝土滲透溶蝕試驗裝置，破解了超高水力梯度下開裂混凝土面板滲流量、鈣離子濃度和裂縫開度等參數(shù)的聯(lián)合測定難題，探明了混凝土面板宏觀滲透行為與微觀膠凝物質(zhì)溶解之間的內(nèi)在聯(lián)系，填補了混凝土面板滲流-溶蝕耦合分析領域的空白；針對防滲系統(tǒng)時變性態(tài)分析方法與壽命評估準則缺失的問題，提出了考慮防滲材料本體與支撐結(jié)構(gòu)變形影響的時變分析技術和混凝土面板防滲與強度“雙控”壽命評估準則，實現(xiàn)了混凝土面板壩時變性態(tài)和服役壽命精準預測；針對深厚覆蓋層上高面板堆石壩長效性能評估誤差大的問題，開發(fā)了考慮覆蓋層和面板壩流變效應的彈-黏彈-黏塑硬化模型，確定了壩體變形、接縫變形和面板應力動態(tài)安全評價指標及閾值，實現(xiàn)了深厚覆蓋層面板壩長效性能評估及預測。

圖3 創(chuàng)新成果三示意圖

上述研究工作得到了國家自然科學基金項目（52379123、52179130、51609073）等資助，發(fā)表在《Computers and Geotechnics》《Construction and Building Materials》《Journal of Hydrology》《 Journal of Building Engineering》等期刊，成果已成功應用于新疆察汗烏蘇、甘肅苗家壩和九甸峽、四川金川等20余座面板壩工程，經(jīng)濟社會生態(tài)效益顯著，推廣應用前景廣闊。

代表性文獻成果：

[1] Feng Yaxin, Tian Bin, Shen Zhenzhong, Sun Yiqing, Zhang Hongwei, Xu Liqun, Gan Lei, Wang Runying. (2025). A novel inversion approach for seepage parameter of concrete face rockfill dams based on an enhanced sparrow search algorithm[J]. Computers and Geotechnics, 183: 107214.

[2] Gan Lei, Zou Zongyi, Zhang Zongliang, Zhang Hongwei, Gu Hao, Jing Hongjie. (2024). Investigation on the evolution of concrete pore structure under freeze-thaw and fatigue loads[J]. Journal of Building Engineering, 97: 110914.

[3] Yu Jiaao, Shen Zhenzhong, Li Haoxuan, Li Fangzhi, Huang Zangxin. (2024). An artificial intelligence optimization method of back analysis of unsteady-steady seepage field for the dam site under complex geological condition[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 83(4): 127-146.

[4] Xu Liqun, Zhao Shaofeng, Zhang Hongwei, Shen Zhenzhong, Gan Lei, Li Ling, Zhang Yanhe. (2024). Hydraulic fracturing in cement mortar subjected to seepage-sulfate coupled attack under varying pH levels[J]. Construction and Building Materials, 449: 138325.

[5] Li Lechen, Brügger Adrian, Betti Raimondo, Shen Zhenzhong, Gan Lei, Gu Hao. (2024). A Cepstrum-Informed neural network for Vibration-Based structural damage assessment[J]. Computers & Structures, 306: 107592.

[6] Gan Lei, Liu Yu, Xu Teng, Xu Lei, Ma Hongying, Xu Weichao. (2023). Experimental investigation of the seepage characteristics of a single fracture in limestone with different roughness and seepage fluids[J]. Journal of Hydrology, 622: 129699.

[7] Gan Lei, Xu Chaoqun, Shen Zhenzhong, Xu Liqun, Zhang Hongwei, Liu Yuan. (2023). Numerical investigation of seepage dissolution evolution of the bottom expansion cutoff wall in deep overburden[J]. Construction and Building Materials, 386: 131510.

[8] Gan Lei, Xu Weichao, Shen Zhenzhong, Xu Liqub, Zhang Wenbing. (2023). Experimental and numerical investigations on damage evolution of concrete under sulfate attack and freeze-thaw cycles[J]. Journal of Building Engineering, 71: 106469.

[9] Gan Lei, Chen Guanyun, Shen Zhenzhong, Xu Liqun, Zhang Wenbing. (2022). Modification method of seepage parameters for rough fractures based on digital image technique[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 209: 109967.

[10] Zhang Hongwei, Shen Zhenzhong, Xu Liqun, Gan Lei, Liu Detan, Wu Qiong, Tan Jiacheng, Sun Y,iqing Ma Zekai. (2022). Experimental and theoretical investigation on hydraulic fracturing in cement mortar exposed to sulfate attack[J]. Materials & Design, 223: 111226.