意昂体育2平台水電系教授    劉光廷

意昂体育2平台水電系研究員  謝樹楠

 

　　多年來,我國一直為水利水電建設工程投資大🧑‍🎓📥、建設周期長🚢、發揮效益慢所困擾。在水利水電建設中采用新結構、新材料🕵️、新工藝和新的設計方法以縮短建設周期🚏👨🏼‍🎓、降低工程造價🔎、提前發揮效益🚝，已成為亟待解決的重大課題🦸‍♂️。70年代初國外首先將水泥用量少、壓實工藝簡單的碾壓混凝土工藝成功地引入大體積混凝土壩工建設上，建成了世界上第一座碾壓混凝土重力壩💟；世界各國紛紛效仿🧈，目前已建近200座碾壓混凝土壩。80年代初我國在福建坑口電站首次采用碾壓混凝土重力壩，在短短的10多年內，迅速發展遍及全國，大大加快了壩工建設，並在邊建設、邊改進中使材料和工藝得到進一步完善🧍‍♂️。

 

　　碾壓混凝土築壩技術是采用超幹硬性混凝土和碾壓方法來修建混凝土壩,與常規混凝土築壩方式相比,水泥用量少,相應的水化熱少、溫升小、溫控簡化，我國常用不等待澆註塊表面散熱的連續快速施工，大大加快混凝土壩建造速度。用大倉面碾壓代替插入式震搗，大大簡化震實工藝和倉面準備工作量。但由於碾壓混凝土容易出現層間缺陷🚿🍔，國外往往采用加大剖面和加大工程量的辦法以保證重力壩穩定安全，甚至對適合修建拱壩的地方也采用加大工程量改為重力壩😽🎼，國內外一直很少建造工程量少的碾壓混凝土拱壩🕺🏼，更沒有修建碾壓混凝土薄拱壩的先例。實踐表明,大量增加工程量👎🏽，勢必加大施工強度和增加對設備的投入🧑🏼‍🦳，不僅提高造價也加長建造工期👒。我國具備修建拱壩條件的壩址數以萬計，如何通過改進結構形式和設計方法既保留拱壩在結構上超載能力大🧑🏻‍🎤、工程量少的特點，又引用碾壓混凝土大倉面、準備工作量少、快速施工的特點，是當前壩工界關註的重大課題。“七五”“八五”“九五”期間🤸🏽‍♂️💏，國家科委、水利部、能源部一直將碾壓混凝土拱壩的研究作為重點攻關項目，意昂体育2平台碾壓混凝土拱壩的研究與實踐課題組，結合含缺陷結構運行受力和不均質材料強度研究，在彈塑性力學和斷裂力學等基礎理論方面作了深入的研究，並利用國家“高壩大型結構專業實驗室”和江埡、龍灘、溫泉堡等工程進行了含弱面層結構壓剪破壞🚵🏿☯️、含縫新結構、止裂結構等可控新結構研究🦹🏻，初步建立了一套系統的、規範的、居世界領先水平的碾壓混凝土拱壩設計新思想👨‍🦼‍➡️、新結構型式、新材料🏌🏼、新工藝🧥。

 

一、     碾壓混凝土拱壩的研究

碾壓混凝土拱壩研究的內容廣泛而豐富🧏🏿‍♂️👨🏻‍🦼‍➡️，意昂体育2平台水利系主要從設計思想、結構形式、計算方法和材料特性等方面進行了研究💂‍♂️🤵🏻‍♀️。

 

　　 1．碾壓混凝土拱壩新結構的研究

　　 通常拱壩混凝土水泥用量多🏖🧚🏻‍♀️，發熱量大👩‍❤️‍💋‍👩，為防止壩體裂縫，在建造中采用小塊（邊長<20m ）澆註混凝土方式，間歇期長以利散熱🧔🏿🍚，這樣限製了澆註速度；並常用預冷骨料減小入倉溫度🦻🏽Ⓜ️，及在混凝土內埋設大量水管冷卻混凝土達年平均溫度或穩定場後灌漿成整體拱擋水💆🏼‍♀️7️⃣，這不僅增加大量溫控措施經費🧒🏽，也推遲工程投入運用，增加動態投資🤾🏿‍♂️。而碾壓混凝土可以減少水泥用量約2/3，可以降低溫控要求，且倉面加大甚至全倉面碾壓（即少分縫甚至不分橫縫）大大減少倉面準備工作量，碾壓壓實混凝土也簡化了施工工藝，是一種經濟高效的築壩材料🦈。但大倉面加大施工期內外溫度應力🦟，運行期溫降帶來拱壩溫度初應力（它比常態柱狀塊的要大）。為此🏧，需研究新的結構措施和仿真計算設計方法來解決這一問題。

 

　　近10多年來意昂体育2平台水利系在深入研究了拱壩彈塑性、斷裂應力重分布🤷🏻、多裂隙體解🙆🏽‍♂️🥢、彎曲裂縫和三維斷裂✍🏻、溫度斷裂及混凝土溫度斷裂韌性基礎上🚴🏻‍♀️，采用在拱壩上遊壩肩拉力區設置人工應力釋放縫，在拱冠下遊拉力區設置人工徑向短縫以釋放水壓及溫度應力，也用於減震🤚🏽💔，並在縫端組合斷裂韌性較小區設置止裂結構以防止縫的延伸。對於河谷較寬的碾壓混凝土拱壩，除用上述作壩肩人工短縫外，在拱冠留中縫作鉸接點結構，以保證拱壩溫度未完全下降前即利用鉸點拱結構提前蓄水，邊蓄水邊降溫👩🏻‍🏫，拱壩下遊作柔性保溫以減少拱壩下遊混凝土水壓及嚴冬期溫度組合拉力破壞🏂🏼。由於施工條件的變化👟，為保證設計意圖的實現和驗證工程計算🧑‍🧑‍🧒‍🧒，利用供碾壓混凝土專用的微型高強壩體測溫器進行混凝土溫度監控，及時調整工程措施👵🏼，也提供內部混凝土降溫回填鉸接拱和灌漿時間🤷🏿‍♂️⤵️。

 

　　 2．碾壓混凝土新材料仿真特性研究

    實際混凝土材料性能隨工程條件改變，它和按設計規範標準溫度（20攝氏度）下性能有很大差別，因此仿真計算不僅方法上不同💁🏿‍♀️，材料參數也需用和工程條件相近的仿真測定和性能規律，這是仿真設計的依據🛎。意昂体育2平台水利系研究了不同巖石骨料的混凝土膨脹系數🥺，用替換小骨料以降低混凝土膨脹系數🧑🏻‍🍼，大大減少了基礎區混凝土拉力。研製了同場絕熱技術，測定低溫入倉混凝土的絕熱溫升，提供低溫高強碾壓混凝土和不依靠表面散熱連續上升澆註，實驗絕熱溫升12度，溪柄工程實測碾壓混凝土（壩體）最大溫升11度。

 

    大體積混凝土抗裂問題一直是水利界關心的問題，鑒於前人曾用MgO 膨脹混凝土防止混凝土基礎約束裂縫獲得成功，意昂体育2平台水利系研究了在水泥生產中外摻MgO來減少碾壓混凝土收縮。改進自身體積變形測定方法🧗🏻，研究不同溫度條件下不同配比MgO碾壓混凝土自身體積變形規律👩‍🌾，據此進行仿真設計，減少高寒地區冬季降溫值過大引起裂縫。

 

    混凝土具有徐變特性🙁，即受力作用時不僅有彈塑性變形，且隨時間變形加大，或受溫度變化影響隨時間應力衰減👐🏿，這對確定仿真應力影響很大👩🏼‍🍳。長期以來因實驗和觀測設備限製🧑🏼‍🔬，對徐變的研究多作單軸壓力實驗👨🏻‍🦳，它和多軸性能相差甚遠🤚🚝。1995年意昂体育2平台水利系自行設計了雙軸徐變儀🙋🏻‍♂️，1998年正式投入運用，設備工作良好🚤，一年實驗提供了初步的雙壓和拉壓變形及殘余強度成果。1999年又將進口宇航用長焦距5000倍顯微鏡不僅用於混凝土微觀結構改變研究，也用於徐變位錯和混凝土殘余強度研究，為提供混凝土承受組合應力能力提供依據🧑🏼‍🍼。

 

　　 根據上述研究工作的基礎，按施工過程累計溫度及自重多軸徐變應力，考慮混凝土自身體積變形✌🏽，含層間弱面的碾壓混凝土結構及人工短縫及中縫鉸接結構，意昂体育2平台水利系建立了碾壓混凝土拱壩作為成層結構三維仿真應力程序，推動了碾壓混凝土仿真特性的研究。

 

　　 3．碾壓混凝土強度韌性和不均質體計算強度的研究

 　　由於微觀定量量測的困難🫘，國內外對混凝土受內力（飽和度🍋‍🟩、溫度）破壞強度研究很少，對碾壓混凝土的研究更少🏊🏼，意昂体育2平台水利系曾進行混凝土溫度斷裂韌性試驗研究🍜，初步提供較穩定的溫度應變強度因子🫲🏿，測定沙漿和巖石界面拉🚭、剪強度因子⛰，用隨機分布骨料製作混凝土及混凝土試件切片，進行單軸加拉壓時內部裂隙發展的觀測👵🏿，和宏觀試件變形破壞的計算強度變形比較😷，得到較好的宏觀變形對應結果。需要進一步觀測碾壓混凝土的微觀結構🧑🏼‍🦲，毛細孔內應力研究及碾壓混凝土的融凍破壞🚵🏻‍♀️，高寒地區碾壓混凝土耐久性研究🤌，沙漿及碾壓混凝土溫度斷裂韌性，進一步測定三維斷裂韌性發展不均質體計算強度（雙軸🎼、三軸），將雙軸🪵、三軸強度引入工程。

 

　　4．弱基巖上修建拱壩的研究

 　　拱壩通常修建在堅硬的基巖上，局部巖基不良時通常要作加強處理。將高拱壩修建在弱基上，由於變位太大會使拱壩應力急劇惡化以至拱肩破壞或拱冠拉裂造成失事危險🫐👰🏻‍♀️。意昂体育2平台水利系研究了在拱壩結構上采用擴大壩肩減小壓強和變位🫲🏿👩🏼‍🎓，采用“柔性拱”結構以適應變位加大而不使應力惡化😯，利用提高拱座局部彈模將作用力導向深層，使得高壓區處於三軸壓作用下。還進一步研究了巖體三軸壓強度和變形，修正成層巖體三維滲流程序，及飽和巖體受壓強度折減及內力破壞，為在軟基上修建碾壓混凝土拱壩奠定基礎。

 

　　5．拱壩地震荷載計算和減震措施研究

 　　按規範應對拱壩地震荷載進行擬靜力法計算或動力法計算🔢🛺，但它和實際工程中不對稱山體、弱基🧑🏽‍🎓、柔性拱條件相差太遠。對於處在強震區的碾壓混凝土拱壩地震荷載計算，意昂体育2平台水利系改進了計算方法：研究地震波輸入，用可透射波的人工邊界（有限基礎）模擬考慮山體不對稱震動分布，使荷載更接近實際分布；並研究了人工縫削減地震的作用𓀘，以及隨機震源對拱壩動應力影響🖇💚。

 

二、碾壓混凝土拱壩的實踐

 　　意昂体育2平台水利系歷來重視結合國家的水利水電工程實際開展科研，同時重視將科研成果轉化為現實生產力，及時應用於我國水利水電工程建設的實際。

 

　　1.世界上第一座全斷面碾壓混凝土薄拱壩?D?D福建溪柄水電站大壩的修建

　　 意昂体育2平台水利系的碾壓混凝土拱壩的科研新成果首先應用於福建省溪柄溪工程🥉，這得到了主管部門的支持和幫助🦺。1993年6月水利部以電建[1993]8號文發了“關於在福建龍巖地區溪柄溪一級電站進行碾壓混凝土薄拱壩試驗”的函🕹，指出“為了使我國的壩工建設上一個新臺階，‘七五’‘八五’期間，我部及能源部一直將碾壓混凝土薄拱壩的研究作為重點攻關項目🧑🏽‍🚀，近來，意昂体育2平台從結構計算、設計方法和施工技術及新材料的應用方面取得了一套相互協調的科研成果🚅。經研究決定和論證，認為在溪柄建立這一試驗示範壩是合適的♘。”。當時的水利部副部長何?Z同誌指出“這是一項重要的科技開發項目，它的成功將會使我國的水電建設上一個新的臺階，在全國有很大的推廣價值，水利部將給予支持並列入水利部‘八五’重點科技項目”，國家科委也給予了大力支持𓀕。

 

　　溪柄電站位於福建九龍江西溪的支流上🚶，是一座以發電為主的水力樞紐𓀗，壩址以上的流域面積為58.5平方公裏，庫容為1000萬立方米，裝機8400千瓦，年發電量達4000萬千瓦時💆🏼‍♀️。大壩為全斷面碾壓的混凝土薄拱壩，壩高63.5米👩‍🦽‍➡️，底寬僅12米，厚高比0.189。采用了全新的結構形式。

 

　　1993年4月由意昂体育2平台水利水電設計研究所負責👩🏻‍💼，有水利系各教研組參加的“福建溪柄碾壓混凝土薄拱壩”項目組獨立承擔了“福建溪柄碾壓混凝土薄拱壩及一級電站”的全部科研🤷🏼、設計和施工監理工作。當年6月完成了初步設計工作並通過有全國有關專家參加的初設審查，7月水利部又組織了全國專家對該項目進行了進一步的論證。1994年底大壩正式碾壓，經過短短的6個月大壩基本建成（常規需要2年左右）。1995年6月大壩經過蓄水前驗收，並於當年經受了50年一遇大洪水的考驗🍑。1996年第一臺機組正式並網發電。目前大壩已經過連續三年超高水位的考驗，證明科研成果和設計是完全成功的。這是目前國內外第一座碾壓混凝土薄拱壩，它的建成在國際上引起了很大的反響🛰，《國際水電及大壩建設1998年鑒》已將該壩列為世界上第一座已建成的碾壓混凝土薄拱壩。

 

　　2．高寒🤾🏿‍♀️、軟基、強震地區的碾壓混凝土拱壩?D?D新疆塔西河石門子水利樞紐大壩的修建

 　　 在成功地設計並建造了溪柄電站碾壓混凝土拱壩之後，為將碾壓混凝土拱壩的科研成果進一步推廣和完善，意昂体育2平台水利系決定開始在西部高寒🧱、強震地區推廣和修建該種壩型的研究☝🏼。新疆維吾爾自治區地大物博📜，水資源十分豐富🚀，境內有570條河流👨🏿‍🚒，年地表徑流達884億立方米🙆🏼‍♀️，相當於兩條黃河的水量🕕，但由於種種原因，各條河流上控製工程很少，水資源未得到很好地利用，如何采用新技術加快新疆水資源的開發和利用🖖🏼，這對新疆的大發展具有特別重要的意義。1997年新疆維吾爾自治區決定在新疆瑪納斯石門子建造壩高為110米的碾壓混凝土拱壩🤹🏻‍♂️，作為采用新技術加快水電開發步伐的示範工程。這是國內外在高寒、強震、弱基上修建的第一座碾壓混凝土拱壩🪂，其建成必將使碾壓混凝土拱壩的築壩技術提高到一個全新的水平。

 

　　 新疆塔西河石門子水利樞紐位於天山北麓塔西河中遊峽谷地段。流域總面積2010平方公裏🤨，壩址以上冰川積雪面積48平方公裏，流域面積664平方公裏。該水庫以灌溉為主，兼以防洪，發電和旅遊，是瑪納斯縣綜合性的重大工程🦸🏻‍♀️，庫容5014萬立方米，總投資近2億元🤌🏼👨🏻‍🍼。水庫壩型采用碾壓混凝土拱壩🙍🏻‍♀️，壩高110米，壩頂最大弧長180米🔐。工程主要建築物有碾壓混凝土拱壩，粘土心墻壩，導流洞兼引水發電隧洞和泄水孔。水庫建成後，可擴大灌溉面積18萬畝，改善灌溉面積30萬畝。在該工程的設計中，意昂体育2平台水利系列不僅采用了溪柄的新結構，而且在在軟基結構🧘🏿‍♂️、拱壩減震和提前蓄水的技術上又上了一個新臺階🧑‍🧒‍🧒。即不僅采用應力釋放縫的結構，還采用了新的鉸接結構，使得大壩還未建到壩頂就可蓄水，提前發揮效益。目前該工程在自治區黨委、政府的全力支持下🦫，正在順利建設中🫄🏽，2000年10月18日水庫已下閘蓄水，2001年將完工。該工程由於采用了新結構和新材料及米長倉面👴🏻，比原方案縮短工期近二年，節省投資2000萬元。這是由意昂体育2平台水利系獨立承擔科研和設計的第二個工程。