深研地下管道 守护美丽城市——记郑州大学水利与交通学院李

　　 自改革开放以来，随着我国城市化进程加速，城市地下排水管网建设也迅速发展、规模巨大，运行总里程已超过100万公里。随着服役年限不断增加，排水管网老化失修现象严重，渗漏、腐蚀、开裂、脱空等病害普遍存在，造成城市污水厂处理效率低下、黑臭水体、道路塌陷等问题凸显，安全运行面临严峻挑战。频发的安全事故引起党和国家领导人的高度重视，领导人要求“十四五”期间必须将管道改造和建设作为重要的一项基础设施工程来抓。国务院、住建部等相关部委多次发文，要求查清地下管线现状，消除事故隐患。然而，地下排水管网属城市线型隐蔽工程，服役环境多变，病害类型多样，导致管网灾变演化机理与结构性能修复机制不清，难以实现地下排水管道灾变主动防控，城市黑臭水体整治与道路塌陷防治长期处于“头疼治头、脚疼治脚”的被动治理局面。

　　郑州大学水利与交通学院的李斌博士，针对我国地下排水管网灾变防控的迫切需求，围绕劣化／失效机理、健康状态评估、结构韧性提升等研究方面存在的不足，通过基础理论研究、关键技术与装备研发，提出了多物理场耦合作用下地下排水管道服役性能精细分析方法，揭示了多缺陷和多荷载耦联作用下地下排水管道结构劣化／失效演变机理，构建了基于人工智能方法的管道健康状态量化评估方法，形成了管周缺陷高聚物注浆与管内缺陷CIPP内衬非开挖复合修复成套技术，系统突破了地下排水管网灾变防控与安全运维关键科学与技术难题。保持了排水系统通畅，守护了人们出行安全，保障了城市市容美丽。

　　创新管道技术 解决排水难题

　　在车水马龙、光鲜亮丽的城市下面，埋藏着她的“毛细血管”——地下排水管网，城市排水管就像城市的消化系统，它在地下纵横交错，排出城市废水。为了确保这个庞大的“消化系统”正常运行，年轻的“九零后”科研学者李斌，长期从事地下管网致灾机理、性态评估、非开挖修复等方面的研究工作，并取得了多项创新性科研成绩。

　　鉴于ABAQUS软件在岩土体压力场－渗流场－温度场耦合计算和复杂结构非线性分析，FLUENT软件在流场动力学计算方面的独特优势，李斌基于ABAQUS建立了地下排水管道与土体三维精细化有限元结构模型，基于FLUENT建立了与管道模型在时空尺度相匹配的流体模型，通过MpCCI多物理场耦合平台实现了结构模型和流体模型的同步迭代及耦合参数的实时传递交互，突破了交通、覆土、地下水、管内流体及温度荷载共同作用下地下排水管道服役性能精细数值分析方法。

　　其中，李斌基于自主设计研发的地下管道灾变全过程模拟试验系统，开展了交通、覆土、温度和地下水等多荷载共同作用下含腐蚀、脱空、开裂等多缺陷地下混凝土排水管道足尺模型静荷与疲劳试验，揭示了不同荷载和缺陷组合下混凝土排水管道服役性能演化过程，基于精细化数值仿真探究了交通荷载大小与移速、覆土深度、管内污水充满度与流速、地下水位高度、腐蚀深度与面积、脱空位置与尺寸、开裂位置与尺寸等对混凝土排水管道力学行为的影响规律。

　　李斌构建了可考虑交通、覆土、运行荷载耦合作用，管壁腐蚀、开裂与管周脱空复合缺陷并存的混凝土排水管道精细化三维数值模型，基于规模化数值仿真结果，以随机森林为迭代分类器，利用递归特征消除法（RFE）对不重要特征进行修剪，构建了“关键致灾因子－管道力学响应”样本库，利用内积算子将样本库一维序列信息升级到二维空间，应用卷积神经网络（CNN）构建了二维信息与管道力学响应之间的关联模型，建立了多因素关联的混凝土排水管道服役性态量化评估方法，解决了现有地下排水管道服役性能评估方法以统计加权分析为主而缺乏理论支撑的难题，为市政和水务部门在决策老旧管道维护时机、预算分配和投资规划方面提供理论支撑。

　　李斌所在团队研发了低放热自膨胀双浆速凝高聚物修复材料，解决了传统高聚物材料水中反应容易出现收缩，强度韧性降低的问题，考虑地下排水管道真实服役环境，构建了酸腐蚀环境与应力耦合作用下高聚物注浆修复材料性能劣化时变模型，考虑胶凝反应和发泡反应建立了高聚物材料多注浆孔充填模型，并研发了适用于排水管道管周缺陷快速修复的高聚物多孔同步注浆成套工艺和控制系统。

　　此外，基于地下管道灾变全过程模拟试验系统，李斌开展了复杂运行环境下高聚物注浆和CIPP内衬复合修复地下混凝土排水管道模型疲劳试验，探究了修复前后地下排水管道长期服役性能演化规律，探明了修复后管道的疲劳损伤与典型失效特性，量化表征了高聚物注浆和CIPP内衬复合修复排水管道的韧性提升效果，并深入揭示了其韧性提升机理。

　　 　　致力成果转化 造福城市生活

　　近几年来，围绕地下管道灾变防控领域，李斌已负责主持了国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助与面上项目、河南省科技攻关、河南省青年托举人才等国家和厅级级课题6项，参与国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、教育部“蓝火计划”（惠州）产学研联合创新项目、河南省重大科技专项等国家及省部级项目10余项。其研究成果已在南水北调中线工程河南段配套输水工程、引黄工程PCCP输水管道以及深圳、广州、郑州、苏州、成都等多地的供排水管道检测修复与应急抢险工程中得到广泛应用，取得了显著的社会和经济效益。

　　李斌还坚持长期深入工程一线，带领研究生参与郑州市老旧污水管道隐患排查、郑州新郑机场北飞行区跑道隐患检测、郑徐高铁路基沉降应急抢险等多项重大工程，践行了领导人“把论文写在祖国大地上”的号召。2021年7月20日，郑州市遭受极端暴雨袭击，引发洪灾，导致城市道路塌陷频发，造成重大社会影响。李斌带领由研究生与本科生组成的道路空洞与管网应急抢险队伍，不畏艰险、不分昼夜，先后排查了郑州航空港区、经开区、中牟县、荥阳市四个地区重点路段，共检测城市道路299公里，布设雷达测线663公里，查明各类道路下方隐患150余处，并将检测结果及时上报当地道路主管部门，保障了居民出行安全。事后，郑州市城市管理局、中牟县、荥阳市、航空港区等区县城管局纷纷向郑州大学发来锦旗和感谢信，感谢郑州大学师生对于当地灾后重建工作的支援和帮助。

　　李斌在研究成果方面收获颇丰，获广东省科技进步二等奖、河南省优秀博士论文、河南省博士后创新创业大赛银奖、河南省教育厅优秀科技论文一等奖、ICPTT国际研讨会First Prize of Academic Thesis Award、ICPTT国际研讨会Outstanding Science and Technology Paper Award等多项奖励；发表SCI／EI论文40余篇（入选ESI高被引和高热点论文1篇），授权发明专利11项（其中美国专利8项），申请发明专利28项（其中美国专利8项），出版专著1部，参编团体标准1项，参编河南省省级工法4项。指导研究生获第八届中国国际“互联网＋”大学生创新创业大赛银奖，河南省“互联网＋”大学生创新创业大赛暨第八届中国国际“互联网＋”大学生创新创业大赛河南赛区选拔赛一等奖，河南省“互联网＋”大学生创新创业大赛暨第九届中国国际“互联网＋”大学生创新创业大赛河南赛区选拔赛一等奖。研究成果被河南省科协、科协之声、大河报、郑州观察、大河网、大象新闻、大河财立方等媒体报道。

　　因其优秀成果和突出贡献，李斌入选了河南省青年托举计划，获河南省创新创业优秀博士后、河南省“互联网＋”大学生创新创业大赛优秀指导教师、郑州大学大学生社会实践活动先进工作者等荣誉称号。

　　目前，李斌正针对供水管网泄漏诱发管周土体侵蚀与地层失稳机制不清，复杂运行环境作用下供水管道长期服役性能演化机理不明，输配效能与结构劣化非开挖修复技术缺乏等科学与工程难题，重点开展地下供水管道灾变机理与韧性提升研究。

　　科研路漫漫更修远，作为一名年轻的科研学者，李斌心怀中国梦，践行青年担当，致力科技创新，为了城市生活更加美好而努力。