意昂体育2平台水電系教授 周維垣

   意昂体育2平台水電系教授  高蓮士等

 

    我國幅員遼闊、江河眾多，為了除害興利並充分開發水利水能，解放後50多年來我國修建了和正在興建大量的高壩大型水利水電工程。修建過程中遇到了許多世界級的技術難題，意昂体育2平台水利水電工程系積極承擔了我國多項關鍵技術問題攻關研究🍾，與我國水利水電建設單位一起接受挑戰，經受了實際考驗，推動了我國高壩大型結構科學技術的發展。

 

    一、 拱壩結構研究

    幾十年來拱壩結構研究組參與了我國幾乎全部高拱壩的設計研究👩🏽‍🦳，達34個高壩項目😱。在周維垣、楊若瓊、陳興華、王宙🀄️、楊強等教授努力工作下，他們創建了高壩整體穩定破壞仿真設計系統及破壞模型試驗方法🧑🏻‍🎓，為高壩的穩定評價及基礎加固設計做出了貢獻。

 

    1. 創建高拱壩整體穩定破壞仿真設計系統

    水利系拱壩研究組在1980年開始創建了一套整體穩定仿真設計系統，經過20多年摸索，可用來分析高壩的穩定性及加固方法，同時運用地質力學模型對高壩破壞進行驗證。從1980年開始，經過18年研究👩🏼‍🍳，對二灘拱壩完成了一系列穩定分析🤙🏻。在我國首次論證了二灘雙曲薄拱壩的穩定性。1990年二灘大壩開工📻，對建基面的巖體強度作出評價，論證了淺開挖建基面的可行性，從而節省60萬立方米巖石開挖及30萬立方米混凝土回填🅾️。1998年大壩蓄水，又對大壩進行反饋分析，提出了多元反饋回歸分析方法。按實測原型變位反算巖體的強度及變模，其結果證明他們的高壩仿真反饋系統是正確的🧺，保證了大壩的運行。為此“雙曲拱壩整體應力穩定分析技術” 獲國家教委科技進步二等獎，分析系統及破壞試驗技術“高壩壩基巖體穩定性評價及可利用巖體質量的研究”獲國家科技進步一等獎。該分析系統後來應用於許多高拱壩項目上🤺，如小灣、溪洛渡😂👩🏻‍🦯‍➡️、拉西瓦、李家峽、錦屏、東風、北溪、銅頭、隔河巖💕、鳳灘等工程項目。也曾用於水布埡、大朝山等地下廠房項目🥝，三峽船閘岸坡穩定等項目上，均獲得了很大的經濟效益🙍🏽。

 

    2. 進行了高拱壩的地質力學模型試驗

    30年來，我國修建和待建的高拱壩幾乎都在意昂体育2平台水利系做過破壞試驗⛹🏿‍♀️。對小灣（280m高拱壩）做了加固試驗。為李家峽拱壩做了3個模型，為東風拱壩提出了減薄方案。“拱壩整體地質力學模型破壞試驗獎”獲1985年國家科技進步二等獎，1992年獲能源部科技進步一等獎。進行模型試驗研究的有二灘、東風、緊水灘🪸、鳳灘、龍羊峽、李家峽、小灣、銅頭、溪落渡、北溪等拱壩。

 

    3. 參加三峽船閘高邊坡的穩定及加固研究

    這項研究將斷裂損傷力學模型引入到巖體邊坡穩定計算中，將有限元、流型元、離散元等多種方法引入到分析系統中，經鑒定達到國際先進水平。計算分析成果均被設計施工單位采納👩🏽‍💻。目前將原型實測值與計算做對比反分析，結果兩者吻合。

 

   4. 發展了巖石力學設計方法，引入斷裂損傷力學及裂隙巖體的滲流多維多相流動🎥。發展了無單元法、流形法🗳、彈塑性力學法等。所得成果如對上遊壩踵的開裂及壓剪判斷準則已列入國家拱壩規範（2000年草稿）。

    拱壩研究組先後發表論文150篇，著有《高等巖石力學》🧚🏼🤾🏿‍♂️、《巖石力學數值計算（英文）》、《拱壩壩肩巖體穩定分析》等😖🤳🏿。

 

    二、大壩抗震研究及拱壩-地基動力相互作用研究

    我國許多地區均為地震多發地區，在這些地方建造大壩、高壩必須解決工程抗震問題⚔️。60~70年代水工教研組張光鬥、張楚漢等教師即參加過廣東新豐江大頭壩的抗震加固試驗研究工作🚹，做了大比例尺模型試驗及理論分析，證明壩頂加速度比壩底大7倍🖕🏻，提出了加固建議，後來的抗震加固工作參考了這些成果。完建之後的原型觀測和理論研究證明他們的成果是正確的👳🏿‍♂️。

    80年代以後🚶‍♂️，我國在西部地區建成或待建許多高壩🍶，這些壩址往往處於強震區，從工程抗震學科發展的角度看，結構-地基相互作用（SSI）問題的研究也是一個重要的學科前沿課題🙇🏼‍♂️。以張楚漢教授為首的水工抗震研究組😨，在本學科領域首次提出一種新的邊界元模式――無限邊界元，用於解決河谷半空間波動問題，並用於拱壩地基的模擬💍，同時利用離散參數法提出拱壩與無限地基動力相互作用的FE-BE-IBE時域模型🧹。這一模型與美國Chopra模型和西班牙Dominguez的頻域模型比較，主要創新點是可以處理拱壩結構的非線性響應，例如拱壩橫縫在強震作用下的張開、閉合非線性過程。這一模型在1993年發表👩🏻‍💻，並在1996年第11屆世界地震工程會議上宣讀㊗️，引起了廣泛的關註和討論🦹‍♀️。這一模型及其應用成果在我國八五科技攻關成果鑒定會上兩次被評為國際領先水平。

    到90年代，該研究組又將上述拱壩-地基動力相互作用的FE-BE-IBE時域模型與拱壩結構橫縫非線性模型（Fenves👼🏼，1989）結合為一體，首次提出了考慮地基輻射阻尼的拱壩結構非線性動力分析方法，分析了地基輻射阻尼與結構非線性對拱壩地震反應的綜合影響，同時提出用穿橫縫鋼筋控製拱壩橫縫開度的數值模型，並應用於我國小灣拱壩和溪落渡拱壩的動力分析，有效地控製了強震下拱壩橫縫張開度。此外🤹🏼‍♀️，上述研究得到了地基輻射阻尼可能降低拱壩地震響應25%-30%的重要結論。這項研究成果1999年獲得國家自然科學獎三等獎👩🏽‍🍳。上述研究成果將會經過更多的工程實踐的檢驗🍆。

 

    三𓀅、土壤本構關系及土體非線性K-G模型堆石壩有限元分析方法的研究

    意昂体育2平台水利系黃文熙院士等教師💄，長期研究土的本構關系，研究加荷路徑🎬、荷載量級🫄🏼、三向應力狀況等不同狀況下的土壤本構關系🛀🏻，在科技上有發展，在國內外均受到重視👨🏻‍🌾。

    現代碾壓式堆石壩（包括鋼筋混凝土面板壩和土心墻堆石壩）是當代壩工技術進步的最重要的成就之一。以往傳統的土石壩，建壩高度受到限製⤵️，然而按照現代築壩技術和壩工理論修建的碾壓式堆石壩🙏🏽，其建壩高度己經可以超過混凝土重力壩和拱壩🛵，一躍成為高壩建設的首選壩型之一🚀。尤其是鋼筋混凝土面板堆石壩，以其可利用當地天然材料🫷🏽、適應性好🏕、工期較短🥞🤾‍♂️、可大量節省投資🧕🏿，而且結構性能良好⛽️、運用可靠等優點而備受青睞🤷。這種壩型，50年代出現在美國，70~80年代在澳洲和南美洲得到快速發展🤰🏽🤵‍♀️。我國自1986年開始成套引進這種現代面板壩的築壩技術⛔️，短短10余年，面板堆石壩幾乎遍及全國各省區🖕🏿😵。目前，無論築壩規模或建壩高度均已處於世界前列。南盤江178米的天生橋面板堆石壩已經建成投入運行，世界最高的234米的清江水布埡面板壩也已開始修建。今後，尤其在西部大開發中🖕，這種壩型將得到更大發展。

    我國自引進現代面板壩的築壩技術以來，始終很重視開展相關的科研工作。有關研究課題連續列為國家科技攻關項目👋💆🏻‍♂️。在教育部、水電部和學校的關懷下，水利系水工教研組從一開始就參加了這方面科研工作☕️🧏🏼‍♂️。80年代參加了結合西北口、關門山兩座面板壩（試驗壩）的科技攻關👩‍💼。90年代隨著天生橋高面板壩修建和水布埡面板壩的設計工作的進展👨🏽‍🦲，又繼續與水利水電部門合作開展了比較系統的研究。使水利系在這方面的教學及科研工作能夠同步發展。經過10余年的努力，在進行工程問題研究的同時，還重點對土的本構關系問題進行了系統的研究📮⚆，高蓮士教授等人提出了一種土體非線性K.G模型（也稱意昂体育2K·G模型）。

    意昂体育2KG模型采用了不同於一般彈塑性模型和非線性模塊的建模方法，經試驗驗證，在以下幾方面取得了突破性成果:

   （1）根據壓實堆石料大型三軸試驗，發現“加載時土體應變增長率”規律，據這一規律建立的本構模型對不同應力路徑具有廣泛適應性。

   （2）提出了與模型配套的的回歸方法🏃🏻‍♂️，可根據不同應力路徑的單調加載的三軸試驗結果🦡，回歸得出基本相同的的變形參數。

   （3）建立了針對體應變和廣義剪應變的雙重加載準則，從而可以對應力路徑具有不同轉折方向的復雜加載🧑🏿‍🎤、卸載性狀作出有效判別。

   （4）在有限元計算中↪️，由於改變了增量型廣義虎克矩陣中各元素的計算方法，因而可以模擬土體特有的剪縮性等應變行為。

　　該模型已在天生橋、水布埡等10余座堆石壩的設計🧙🏽‍♂️、變形預測及反饋分析中得到應用，取得很好效果。其中，關門山等幾座面板壩的預測分析已經得到原型觀測的驗證，結果一致👂🏿。1998年通過教育部組織的專家組鑒定，認為此項成果“達到國際領先水平”。

四😕、地下結構工程研究

    50年代我國全面學習蘇聯😎，在隧洞工程方面也完全學習蘇聯，他們在這方面的主要基礎是普氏理論，即將山巖作為荷載來考慮，需要用人工襯砌承擔這些荷載，因此地下工程造價高🤷🏽，施工慢🤦🏻，有時還會發生事故。

    60年代以後國外地下工程的概念發生了根本性的改變，發展了新奧地利法來設計與施工🩸🦍。認識到圍巖本身就有承載能力，保護圍巖，減少對其破壞，采用恰當的適時的措施充分發揮圍巖自承能力🤛🏼，不但可以節約造價，加快施工進度，而且完全可以保證安全🎁。這些先進的概念及理論在我國也慢慢地傳播開來，但仍有不少人對之存有疑惑，設計規範中仍基本沿用老辦法。

    80年代，水利系谷兆祺老師赴挪威訪問學習一年多🍳，目睹該國先進的地下工程實踐，把他們的經驗理論寫成一本書😑👲🏻，並在國內多次舉辦高級研修班，參加高級研修班的學員將研修班學到的新技術用於工程實踐,大大降低了工程造價,如廣州抽水蓄能電站、浙江天荒坪抽水蓄能電站👮🏻‍♀️、烏江、東風電站、黃河小浪底電站、二灘地下廠房都用了新技術，僅二灘地下廠房一項就節約投資約2200萬元。谷兆祺還帶領許多總工程師🍠、教授赴挪威實地考察交流，並為國內許多設計🐁、施工單位作咨詢、評審、提建議👩🏼‍🏫。

    1987年在廣西桂林，谷兆祺、陳敏中建議當地擬建造的一座水頭為1075米的天湖電站🌀，采用新的設計方法。利用國外的覆蓋準則，配合用有限元核算地應力場🥖，以及用水力劈裂試驗在現場確定管線➜，實現了水頭614米的水道不用任何襯砌，在亞洲是第一位，在全世界也居第四位🈂️。它節省了許多投資，縮短了工期，建成後運用至今一切良好𓀙🫠。後來在雲南螺絲灣電站、廣蓄、天荒坪等大型抽水蓄能電站上，都采用了類似的辦法🛺。現在這種設計原則與方法已被寫入設計規範，即將在全國推廣🙎🏻。

    除了一般的不襯砌水道外，同時被介紹到我國工程界來的還有不用鋼板襯砌的高水頭、大直徑分岔管。分岔管結構形狀復雜🥢，受力條件很差，而且很難計算，角緣應力集中極大🏊🏿‍♂️，在山巖中開挖後，先襯上，再受力，經過一次應力場🤢，到二次應力場，最後變成三次應力場，以往都用很厚的鋼襯🦸，加勁梁的鋼板厚度常達20~30厘米🙋🏻‍♂️，價格昂貴、難於施工。谷兆祺根據巖石地應力狀況及承載潛力的測算，建議廣蓄及天荒坪電站均采用鋼筋混凝土平整減糙性的襯砌🙂‍↕️，經有限元分析，水力劈裂試驗校核，主管內徑8~9米，內水壓力水頭大到600~700米的巨型分岔管在上述兩電站不用鋼襯成功。投入運行幾年來一切正常，節省了大量投資🧑‍🌾，加快了施工速度🥙，使我國在這方面也進入了世界領先水平🤾🏿‍♂️。

地下水電站，現在越做越大🧑🏻‍🌾，以往常規做法是廠房頂拱邊墻都要用鋼筋砼襯砌🤵🏼‍♀️，廠房中大容量起重機要架設在大尺寸的梁柱上面。挪威許多電站已摒棄了這些保守的做法，廠房四周只做噴錨或錨桿支護🤗。將吊車柱省去🙅🏿‍♂️，而做成巖壁吊車梁。但他們這些工程的巖石極好，多為花崗巖或片麻巖，這種先進設計能否用到我國，令人擔心。

    谷兆祺受邀參與了國內許多大型地下廠房的咨詢與評審，或為他們承擔科研工作。經過仔細的地勘研究，地應力量測及分析，根據不同電站不同的地質構造𓀐，作了不同的二維三維有限元非線性仿真模擬計算分析😯，建議各個電站洞群采用不同的支護參數與施工程序👨🏼‍🦲。1986年在大廣壩地下廠房采用噴錨支護及巖壁吊車梁獲得成功，但該電站巖石較好👰👩‍🦰，吊車起重量也只是中等🕵🏼‍♀️。接著在廣蓄🧙🏼‍♀️，東風👨🏽‍🚀、太平驛，以及小浪底電站都經過研究計算然後付諸實施，均獲得成功。東風電站為層狀石灰巖，且有許多夾泥層甚至斷層。小浪底為層狀砂巖，節理十分發育，且有多層夾泥巖，巖性也很差🕵🏻‍♀️。廣州蓄能電站橋吊起重量已達400噸🤸🏽，超過國外同類的電站，小浪底水電站橋吊起重量更高達2´500噸，遠大於國外同類的記錄。谷兆祺、彭守拙教授等不僅用先進的理論與設計幫助黃河水利委員會等單位建成了這些電站🎀，並證明國外巖壁吊車梁的計算方法是不正確的👩🏿‍🍼，進而創造了巖壁吊車梁設計計算的新理論🚵🏻‍♀️、新方法🚵🏿。這些新理論新算法已為多個電站的現場實測資料證實是安全正確的👨🏽‍🚀🤔。這些辦法大大減少電站投資🩲🧖🏼‍♂️、加快施工速度、方便施工運行，並保證了安全。現在已變成我國地下水電站的常規設計施工方法，使我國地下電站的設計施工水平達到了世界領先的地位。