水工混凝土結構與材料學科的發(fā)展

　　一、引言

　　水工混凝土結構與材料是一個綜合性學科，研究對象是水利水電工程中的建筑物，分為水工結構和水工材料兩個領域。受篇幅限制，本專題報告重點評述有關高混凝土壩的形式、變形、強度、穩(wěn)定分析和安全評價，以及水工材料的學科發(fā)展?；炷翂我?guī)模大，施工周期長，受自然和施工條件與過程的制約，結構和基礎內部存在著許多現(xiàn)有科技手段尚不能察明的不確定因素，設計和施工在相當大的程度上仍需大量借鑒經驗類知識，每一個大型水工建筑物的設計和施工都會遇到新的挑戰(zhàn)，這是水工結構學科發(fā)展的特點。同時，水工結構是一門強交叉性學科。可以說，沒有現(xiàn)代計算機、網絡、先進的勘測、試驗和監(jiān)測技術手段的發(fā)展，就沒有學科今天的發(fā)展。

　　自世紀年代以后，我國筑壩水平有突飛猛進的提高，很多水工建筑物的規(guī)模已躍居世界第一位，一些被世界壩工權威、專家定為“ 難以克服”的技術難題也已被相繼征服，我國已成為世界壩工建設的中心。隨著西部大開發(fā)的發(fā)展，許多世界級高難度的大型和超大型水利樞紐工程已開始或著手興建，為學科提出了一系列迫切需要解決的問題。中華人民共和國成立50多年來，已建的水工建筑物正經歷著老化過程，部分工程已處于病險期。水工結構與材料學科面臨著嶄新的機遇和嚴峻的挑戰(zhàn)。

　　二、國內外發(fā)展現(xiàn)狀和主要成果

　　一國外混凝土壩研究主要進展:由于綜合國力和整體科技水平上的差距，從國際上看，歐美、日本各國的水利水電開發(fā)程度在世紀已經達到很高的水平，在高壩設計與施工方面曾取得很大的進展。當前，在發(fā)達國家，高壩大庫的興建已不多見，混凝土壩已不再是他們的重點研究方向。然而，拱壩、重力壩、碾壓混凝土壩這幾種高混凝土壩常用壩型，以及膠凝礫石壩都是我國從國外引進的。涉及固體力學、混凝土力學、巖石力學、土力學的動靜力本構關系和數(shù)值計算方法的原創(chuàng)性成果大多源于歐美國家。美國、瑞士和日本等國家近年來開展了對大壩抗震安全評價的研究。目前，發(fā)展中國家的壩工建設正方興未艾，這些國家所取得的成就和經驗教訓值得我國重視，國際上已提出了碾壓混凝土壩可以建到任何高度的設想，巴基斯坦待建的Basha壩向300m級特高碾壓混凝土壩提出的挑戰(zhàn)也值得我國關注。

　　三、近年來國內研究主要成果述評

　　高拱壩技術：二灘水電站的攔河大壩為拋物線形雙曲拱壩，壩高240m壩底厚度55.74m，是目前我國已建成的最高拱壩，世界第三高雙曲拱壩，在建的和待建的特高拱壩有世界第一高的錦屏一級303m、小灣292m、拉西瓦250m、溪洛渡273、白鶴灘275、虎跳峽278m等雙曲拱壩。我國在高拱壩的建設方面已步人世界前列。

　　在應用基礎理論研究方面，大體積的全級配大壩混凝土強度試驗，取得了一些成果，但因成本過高，設備條件有限，試件個數(shù)少，材料不均勻性大，成果離散性大，因而尚難建立新的實用本構關系。近期全級配大壩混凝土動力性能預靜載動態(tài)試驗取得了新的成果，三維動態(tài)細觀力學、混凝土CT試驗等都有所進展，促進了人們對混凝土中裂紋開展機理的認識過程?；炷恋臄嗔蚜W和損傷力學模型及各種組合模型、虛擬裂縫模型、鈍裂縫帶模型等已能應用到水工結構分析。其他還有新的混凝土非局部化模型及隨機格構模型，都有引進和改進應用。但由于模型復雜，材料參數(shù)與常規(guī)試驗不直接配套，自身試驗基礎相對薄弱，用于復雜的水工結構尚未被工程界普遍接受。

　　基于拱梁分載法的拱壩體形優(yōu)化和基于有限元方法的大體積混凝土溫控仿真理論、方法和軟件日臻成熟，應用普遍。混凝土壩的三維整體動靜力非線性有限元應力變形分析、應力與滲流禍合以及仿真分析在重大工程中已普遍使用在大壩與基礎的聯(lián)合作用分析、基礎和壩肩穩(wěn)定及抗震分析方面，計算規(guī)模龐大并且非連續(xù)的細部模擬異常復雜。其他引進的現(xiàn)代數(shù)值計算方法，如離散元法\DDT、數(shù)值流形代表的非連續(xù)數(shù)值分析方法，可以模擬結構的大變形和破壞全過程，一般用于破壞分析，但用于混凝土大壩設計的不多。

　　我國的拱壩設計已達到世界先進水平。近期研究指出，改進混凝土壩安全評估方法的方向是改善壩體應力和穩(wěn)定分析方法，使應力和穩(wěn)定的計算結果更加符合實際，不在于是否采用可靠度理論，也不在于采用多項系數(shù)法我國特高拱壩的抗壓安全系數(shù)偏低，應適當提高混凝土壩抗裂安全系數(shù)，并提出了一套完整的決定抗裂安全系數(shù)的理論和方法。上述建議值得重視。

　　四、混凝土壩溫控防裂研究

　　混凝土壩的開裂是非常普遍的現(xiàn)象，一直以來有“ 無壩不裂”的說法。造成這種說法的根本原因之一，是人們只重視早期表面保護而忽視后期表面保護。近年來，我國學者全面總結了混凝土壩的設計、施工和科研的經驗和成果，提出了“ 全面溫控，長期保溫，結束無壩不裂的歷史”的構想，反映了我國在混凝土壩防裂限裂的應用基礎理論研究和工程技術上的長足進步。

　　在以美國為代表的發(fā)達國家奠定的混凝土建筑物施工溫控技術的基礎上，從20世紀50年代我國的學者和水利工作者開始對混凝土壩溫控防裂進行研究，全面系統(tǒng)地開拓和發(fā)展了現(xiàn)代水工混凝土建筑物施工溫控理論方法和技術。近期鑒定通過的混凝土高壩施工溫度控制決策支持系統(tǒng)，集中體現(xiàn)了我國在混凝土壩溫控防裂仿真計算的理論、方法、軟件方面的世界領先水平以及水工結構與現(xiàn)代計算機技術的高層次的交叉與融合。該系統(tǒng)實用性強，可根據(jù)混凝土高壩實際施工進度、澆筑工藝和溫控措施及接縫灌漿等真實情況，利用實際數(shù)據(jù)進行實時仿真分析，及時反映全壩實際溫度場和應力場狀況，預測未來溫度與應力的變化，掌握其變化規(guī)律，為現(xiàn)場施工溫控決策提供技術支持可在同一可視化仿真分析平臺上對現(xiàn)場的混凝土熱學參數(shù)、各項溫控指標和措施進行反演分析計算同時也可應用于混凝土高壩的設計和運行管理。

　　我國近幾十年來減水劑和粉煤灰的應用使得壩工混凝土的絕熱溫升已有所降低采用氧化鎂含量為3.5%-5%中熱硅酸鹽水泥，使混凝土自生體積變形為膨脹變形，以補償溫降收縮變形，提高了混凝土抗裂性混凝土摻鋼纖維與面板堆石壩混凝土面板混凝土摻合成纖維，均提高混凝土抗裂性提出考慮因素全面、物理意義明確的水工混凝土材料抗裂指數(shù)計算公式采用自動化拌和樓和大型平倉振搗機混凝土施工質量亦有較大改進預冷骨料、水管冷卻等技術已趨成熟，基礎溫差的控制基本符合設計要求，防止了基礎貫穿裂縫發(fā)生。溫控防裂上的一個新措施是在混凝土大壩表面采用外貼保溫板和噴涂泡沫保溫材料的方法進行壩面的保溫，已用于三峽的三期工程、汾河二庫、石門子和龍首碾壓混凝土拱壩等工程。三峽三期工程在上下游表面采取3-5m厚聚苯乙烯板長期保護，并實行了全面嚴格的溫度控制，澆筑了500萬立方米混凝土，未發(fā)現(xiàn)裂縫。研究成果和工程實踐表明了永久保溫措施在運行期的重要作用，其絕非僅在施工期才需要。永久保溫板和保溫防滲板已有研制。另外一個新的混凝土防裂措施是利用微膨脹混凝土的膨脹特性抵消混凝土溫度收縮帶來的拉應力，起到防止混凝土開裂的效果，減少溫控措施，從而加快了施工速度。目前，國內已有30多座壩使用該項技術，前期多用于壩體基礎塊的填筑，近年來又開始用于拱壩的全斷面。廣東的長沙拱壩率先全斷面采用MgO外摻微膨脹混凝土防止混凝土開裂。試驗和分析研究以及工程經驗表明，使用微膨脹混凝土筑壩必須進行溫度應力補償計算，針對當?shù)貧夂驐l件設計，必要時應選擇采用表面保護等溫控措施以及設置誘導縫等結構措施。該項技術已應用于氣候溫和地區(qū)的中小型工程，例如，貴州三江拱壩，高71.5m，壩頂中心線弧長137.5m，在壩的上部設置了兩條誘導縫，一個冬季內完成澆筑并已蓄水運行，至今未發(fā)現(xiàn)裂縫。由于大壩工程事關重大，目前尚不具備把該項技術推廣到寒冷地區(qū)和大型工程的條件，進一步推廣應用，特別是加大MgO的摻量，應通過慎重研究后決定.對于實現(xiàn)從“ 無壩不裂”到“ 無裂縫壩”的構想，研究表明拱壩設計中采用的設計荷載、計算條件、基巖地質構造及材料特性與實際情況存在差別，抗裂安全系數(shù)取值偏低，對碾壓混凝土溫控的認識有偏差，這些是混凝土拱壩竣工后出現(xiàn)各種事故的根本原因。在結構和溫控設計中使用有限元仿真分析使計算結果盡可能接近真實狀態(tài)，在做好基礎溫差等常規(guī)溫度控制的基礎上，重視運行期保溫對上下游壩面依工程的重要性和壩型及部位的不同進行分區(qū)保溫，施工區(qū)可選擇長期或短期保溫，運行期可選擇永久保溫或永久保溫防摻，有望使混凝土拱壩不再開裂。

　　五、學科發(fā)展建議

　　1）、加強水工混凝土結構與材料學科的自主性創(chuàng)新性的基礎理論研究。在混凝土材料破壞機理和本構關系的研究中，注重試驗基礎，在計算方法的研究中注重有利于方法向軟件化的發(fā)展。

　　2）、抓住多個世界級混凝土大壩在我國興建的機遇，針對工程關鍵技術問題，加大具有自主知識實用型應用技術的研發(fā)。

　　3）、對特高壩建設經驗不多，現(xiàn)有規(guī)范和標準不能完全滿足近期發(fā)展的需要，有必要針對特高壩的建設審核其適用性，通過研究逐步包含使用現(xiàn)代計算方的安全評估方法，以及新材料、新結構和新工藝

　　4）、在高層次上實現(xiàn)水工結構和混凝土材料學科與其他學科的交叉、融合，在有選擇地合理引進現(xiàn)代計算機網絡、先進的勘測、試驗和監(jiān)測技術的同時，鼓勵自主研發(fā)，逐步實現(xiàn)水工結構和建設管理相結合的智能化、可視化和網絡信息化，具備超大型科學計算的能力。

　　5）、結合國家主管部門和建設單位的需求和經驗，充分調動科研院所的應用創(chuàng)新和高等院校在基礎理論研究上的各自優(yōu)勢，針對具體工程加速科研步伐，實現(xiàn)學科在整體上達到世界先進水平的目標。

　　6）、開發(fā)新品種混凝土摻和料，并開展多元摻和料混凝土試驗研究研發(fā)新品種多功能復合外加劑，并加強外加劑分子設計理論及應用技術研究。

　　7）、加強混凝土耐久性微觀機理與量化研究，開展多因素復雜環(huán)境侵蝕條件下混凝土抗侵蝕仿真研究混凝土老化狀態(tài)診斷技術、混凝土耐久性定量評估方法與結構壽命的預報研究，以及混凝土耐久性專家系統(tǒng)的研究。

　　8）、開展聚梭酸高效減水劑、減縮劑、輕燒氧化鎂膨脹劑復合摻混凝土抗裂性試驗研究進一步開展摻鋼纖維與合成纖維混凝土抗裂性能試驗研究。開展病壩、老混凝土壩安全評估、檢測技術、評判準則、補強加固技術等研究與應用。進一步開展高抗沖磨材料、水下修補材料與結構補強加固材料的研發(fā)與應用。加強水工混凝土建筑物用高分子材料研發(fā)與應用工作。加快研究成果納人規(guī)范及推廣應用的進程。