水工混凝土結(jié)構(gòu)與材料學(xué)科的發(fā)展

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一、引言

水工混凝土結(jié)構(gòu)與材料是一個(gè)綜合性學(xué)科，研究對(duì)象是水利水電工程中的建筑物，分為水工結(jié)構(gòu)和水工材料兩個(gè)領(lǐng)域。受篇幅限制，本專(zhuān)題報(bào)告重點(diǎn)評(píng)述有關(guān)高混凝土壩的形式、變形、強(qiáng)度、穩(wěn)定分析和安全評(píng)價(jià)，以及水工材料的學(xué)科發(fā)展?；炷翂我?guī)模大，施工周期長(zhǎng)，受自然和施工條件與過(guò)程的制約，結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)內(nèi)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(shè)計(jì)和施工在相當(dāng)大的程度上仍需大量借鑒經(jīng)驗(yàn)類(lèi)知識(shí)，每一個(gè)大型水工建筑物的設(shè)計(jì)和施工都會(huì)遇到新的挑戰(zhàn)，這是水工結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)。同時(shí)，水工結(jié)構(gòu)是一門(mén)強(qiáng)交叉性學(xué)科?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的勘測(cè)、試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的發(fā)展，就沒(méi)有學(xué)科今天的發(fā)展。

自世紀(jì)年代以后，我國(guó)筑壩水平有突飛猛進(jìn)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(quán)威、專(zhuān)家定為“ 難以克服”的技術(shù)難題也已被相繼征服，我國(guó)已成為世界壩工建設(shè)的中心。隨著西部大開(kāi)發(fā)的發(fā)展，許多世界級(jí)高難度的大型和超大型水利樞紐工程已開(kāi)始或著手興建，為學(xué)科提出了一系列迫切需要解決的問(wèn)題。中華人民共和國(guó)成立50多年來(lái)，已建的水工建筑物正經(jīng)歷著老化過(guò)程，部分工程已處于病險(xiǎn)期。水工結(jié)構(gòu)與材料學(xué)科面臨著嶄新的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和主要成果

一國(guó)外混凝土壩研究主要進(jìn)展:由于綜合國(guó)力和整體科技水平上的差距，從國(guó)際上看，歐美、日本各國(guó)的水利水電開(kāi)發(fā)程度在世紀(jì)已經(jīng)達(dá)到很高的水平，在高壩設(shè)計(jì)與施工方面曾取得很大的進(jìn)展。當(dāng)前，在發(fā)達(dá)國(guó)家，高壩大庫(kù)的興建已不多見(jiàn)，混凝土壩已不再是他們的重點(diǎn)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(guó)從國(guó)外引進(jìn)的。涉及固體力學(xué)、混凝土力學(xué)、巖石力學(xué)、土力學(xué)的動(dòng)靜力本構(gòu)關(guān)系和數(shù)值計(jì)算方法的原創(chuàng)性成果大多源于歐美國(guó)家。美國(guó)、瑞士和日本等國(guó)家近年來(lái)開(kāi)展了對(duì)大壩抗震安全評(píng)價(jià)的研究。目前，發(fā)展中國(guó)家的壩工建設(shè)正方興未艾，這些國(guó)家所取得的成就和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得我國(guó)重視，國(guó)際上已提出了碾壓混凝土壩可以建到任何高度的設(shè)想，巴基斯坦待建的Basha壩向300m級(jí)特高碾壓混凝土壩提出的挑戰(zhàn)也值得我國(guó)關(guān)注。

三、近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究主要成果述評(píng)

高拱壩技術(shù)：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(guó)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(jí)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(guó)在高拱壩的建設(shè)方面已步人世界前列。

在應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究方面，大體積的全級(jí)配大壩混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，取得了一些成果，但因成本過(guò)高，設(shè)備條件有限，試件個(gè)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(shí)用本構(gòu)關(guān)系。近期全級(jí)配大壩混凝土動(dòng)力性能預(yù)靜載動(dòng)態(tài)試驗(yàn)取得了新的成果，三維動(dòng)態(tài)細(xì)觀力學(xué)、混凝土CT試驗(yàn)等都有所進(jìn)展，促進(jìn)了人們對(duì)混凝土中裂紋開(kāi)展機(jī)理的認(rèn)識(shí)過(guò)程?；炷恋臄嗔蚜W(xué)和損傷力學(xué)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(yīng)用到水工結(jié)構(gòu)分析。其他還有新的混凝土非局部化模型及隨機(jī)格構(gòu)模型，都有引進(jìn)和改進(jìn)應(yīng)用。但由于模型復(fù)雜，材料參數(shù)與常規(guī)試驗(yàn)不直接配套，自身試驗(yàn)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，用于復(fù)雜的水工結(jié)構(gòu)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(yīng)用普遍?；炷翂蔚娜S整體動(dòng)靜力非線性有限元應(yīng)力變形分析、應(yīng)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(chǔ)的聯(lián)合作用分析、基礎(chǔ)和壩肩穩(wěn)定及抗震分析方面，計(jì)算規(guī)模龐大并且非連續(xù)的細(xì)部模擬異常復(fù)雜。其他引進(jìn)的現(xiàn)代數(shù)值計(jì)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(jié)構(gòu)的大變形和破壞全過(guò)程，一般用于破壞分析，但用于混凝土大壩設(shè)計(jì)的不多。

我國(guó)的拱壩設(shè)計(jì)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。近期研究指出，改進(jìn)混凝土壩安全評(píng)估方法的方向是改善壩體應(yīng)力和穩(wěn)定分析方法，使應(yīng)力和穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際，不在于是否采用可靠度理論，也不在于采用多項(xiàng)系數(shù)法我國(guó)特高拱壩的抗壓安全系數(shù)偏低，應(yīng)適當(dāng)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(kāi)裂是非常普遍的現(xiàn)象，一直以來(lái)有“ 無(wú)壩不裂”的說(shuō)法。造成這種說(shuō)法的根本原因之一，是人們只重視早期表面保護(hù)而忽視后期表面保護(hù)。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者全面總結(jié)了混凝土壩的設(shè)計(jì)、施工和科研的經(jīng)驗(yàn)和成果，提出了“ 全面溫控，長(zhǎng)期保溫，結(jié)束無(wú)壩不裂的歷史”的構(gòu)想，反映了我國(guó)在混凝土壩防裂限裂的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究和工程技術(shù)上的長(zhǎng)足進(jìn)步。

在以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家奠定的混凝土建筑物施工溫控技術(shù)的基礎(chǔ)上，從20世紀(jì)50年代我國(guó)的學(xué)者和水利工作者開(kāi)始對(duì)混凝土壩溫控防裂進(jìn)行研究，全面系統(tǒng)地開(kāi)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(shù)。近期鑒定通過(guò)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(guó)在混凝土壩溫控防裂仿真計(jì)算的理論、方法、軟件方面的世界領(lǐng)先水平以及水工結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高層次的交叉與融合。該系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，可根據(jù)混凝土高壩實(shí)際施工進(jìn)度、澆筑工藝和溫控措施及接縫灌漿等真實(shí)情況，利用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真分析，及時(shí)反映全壩實(shí)際溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)狀況，預(yù)測(cè)未來(lái)溫度與應(yīng)力的變化，掌握其變化規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)施工溫控決策提供技術(shù)支持可在同一可視化仿真分析平臺(tái)上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的混凝土熱學(xué)參數(shù)、各項(xiàng)溫控指標(biāo)和措施進(jìn)行反演分析計(jì)算同時(shí)也可應(yīng)用于混凝土高壩的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。

我國(guó)近幾十年來(lái)減水劑和粉煤灰的應(yīng)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(bǔ)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(jì)算公式采用自動(dòng)化拌和樓和大型平倉(cāng)振搗機(jī)混凝土施工質(zhì)量亦有較大改進(jìn)預(yù)冷骨料、水管冷卻等技術(shù)已趨成熟，基礎(chǔ)溫差的控制基本符合設(shè)計(jì)要求，防止了基礎(chǔ)貫穿裂縫發(fā)生。溫控防裂上的一個(gè)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(jìn)行壩面的保溫，已用于三峽的三期工程、汾河二庫(kù)、石門(mén)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(zhǎng)期保護(hù)，并實(shí)行了全面嚴(yán)格的溫度控制，澆筑了500萬(wàn)立方米混凝土，未發(fā)現(xiàn)裂縫。研究成果和工程實(shí)踐表明了永久保溫措施在運(yùn)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(gè)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(lái)的拉應(yīng)力，起到防止混凝土開(kāi)裂的效果，減少溫控措施，從而加快了施工速度。目前，國(guó)內(nèi)已有30多座壩使用該項(xiàng)技術(shù)，前期多用于壩體基礎(chǔ)塊的填筑，近年來(lái)又開(kāi)始用于拱壩的全斷面。廣東的長(zhǎng)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(kāi)裂。試驗(yàn)和分析研究以及工程經(jīng)驗(yàn)表明，使用微膨脹混凝土筑壩必須進(jìn)行溫度應(yīng)力補(bǔ)償計(jì)算，針對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件設(shè)計(jì)，必要時(shí)應(yīng)選擇采用表面保護(hù)等溫控措施以及設(shè)置誘導(dǎo)縫等結(jié)構(gòu)措施。該項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)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(zhǎng)137.5m，在壩的上部設(shè)置了兩條誘導(dǎo)縫，一個(gè)冬季內(nèi)完成澆筑并已蓄水運(yùn)行，至今未發(fā)現(xiàn)裂縫。由于大壩工程事關(guān)重大，目前尚不具備把該項(xiàng)技術(shù)推廣到寒冷地區(qū)和大型工程的條件，進(jìn)一步推廣應(yīng)用，特別是加大MgO的摻量，應(yīng)通過(guò)慎重研究后決定.對(duì)于實(shí)現(xiàn)從“ 無(wú)壩不裂”到“ 無(wú)裂縫壩”的構(gòu)想，研究表明拱壩設(shè)計(jì)中采用的設(shè)計(jì)荷載、計(jì)算條件、基巖地質(zhì)構(gòu)造及材料特性與實(shí)際情況存在差別，抗裂安全系數(shù)取值偏低，對(duì)碾壓混凝土溫控的認(rèn)識(shí)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(jié)構(gòu)和溫控設(shè)計(jì)中使用有限元仿真分析使計(jì)算結(jié)果盡可能接近真實(shí)狀態(tài)，在做好基礎(chǔ)溫差等常規(guī)溫度控制的基礎(chǔ)上，重視運(yùn)行期保溫對(duì)上下游壩面依工程的重要性和壩型及部位的不同進(jìn)行分區(qū)保溫，施工區(qū)可選擇長(zhǎng)期或短期保溫，運(yùn)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(kāi)裂。

五、學(xué)科發(fā)展建議

1）、加強(qiáng)水工混凝土結(jié)構(gòu)與材料學(xué)科的自主性創(chuàng)新性的基礎(chǔ)理論研究。在混凝土材料破壞機(jī)理和本構(gòu)關(guān)系的研究中，注重試驗(yàn)基礎(chǔ)，在計(jì)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(gè)世界級(jí)混凝土大壩在我國(guó)興建的機(jī)遇，針對(duì)工程關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，加大具有自主知識(shí)實(shí)用型應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)。

3）、對(duì)特高壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不多，現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不能完全滿(mǎn)足近期發(fā)展的需要，有必要針對(duì)特高壩的建設(shè)審核其適用性，通過(guò)研究逐步包含使用現(xiàn)代計(jì)算方的安全評(píng)估方法，以及新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝

4）、在高層次上實(shí)現(xiàn)水工結(jié)構(gòu)和混凝土材料學(xué)科與其他學(xué)科的交叉、融合，在有選擇地合理引進(jìn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的勘測(cè)、試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的同時(shí)，鼓勵(lì)自主研發(fā)，逐步實(shí)現(xiàn)水工結(jié)構(gòu)和建設(shè)管理相結(jié)合的智能化、可視化和網(wǎng)絡(luò)信息化，具備超大型科學(xué)計(jì)算的能力。

5）、結(jié)合國(guó)家主管部門(mén)和建設(shè)單位的需求和經(jīng)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)科研院所的應(yīng)用創(chuàng)新和高等院校在基礎(chǔ)理論研究上的各自?xún)?yōu)勢(shì)，針對(duì)具體工程加速科研步伐，實(shí)現(xiàn)學(xué)科在整體上達(dá)到世界先進(jìn)水平的目標(biāo)。

6）、開(kāi)發(fā)新品種混凝土摻和料，并開(kāi)展多元摻和料混凝土試驗(yàn)研究研發(fā)新品種多功能復(fù)合外加劑，并加強(qiáng)外加劑分子設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用技術(shù)研究。

7）、加強(qiáng)混凝土耐久性微觀機(jī)理與量化研究，開(kāi)展多因素復(fù)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(shù)、混凝土耐久性定量評(píng)估方法與結(jié)構(gòu)壽命的預(yù)報(bào)研究，以及混凝土耐久性專(zhuān)家系統(tǒng)的研究。

8）、開(kāi)展聚梭酸高效減水劑、減縮劑、輕燒氧化鎂膨脹劑復(fù)合摻混凝土抗裂性試驗(yàn)研究進(jìn)一步開(kāi)展摻鋼纖維與合成纖維混凝土抗裂性能試驗(yàn)研究。開(kāi)展病壩、老混凝土壩安全評(píng)估、檢測(cè)技術(shù)、評(píng)判準(zhǔn)則、補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)等研究與應(yīng)用。進(jìn)一步開(kāi)展高抗沖磨材料、水下修補(bǔ)材料與結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固材料的研發(fā)與應(yīng)用。加強(qiáng)水工混凝土建筑物用高分子材料研發(fā)與應(yīng)用工作。加快研究成果納人規(guī)范及推廣應(yīng)用的進(jìn)程。