水工混凝土结构与材料学科发展一、引言水工混凝土结构与材料是一个综合性学科，研究对象是水利水电工程中的建筑物，分为水工结构和水工材料两个领域。受篇幅限制，本专题报告重点评述有关高混凝土坝的形式、变形、强度、稳定分析和安全评价，以及水工材料的学科发展。混凝土坝规模大，施工周期长，受自然和施工条件与过程的制约，结构和基础内部存在着许多现有科技手段尚不能察明的不确定因素，设计和施工在相当大的程度上仍需大量借鉴经验类知识，每一个大型水工建筑物的设计和施工都会遇到新的挑战，这是水工结构学科发展的特点。同时，水工结构是一门强交叉性学科。可以说，没有现代计算机、网络、先进的勘测、试验和监测技术手段的发展，就没有学科今天的发展。自 20 世纪 80 年代以后，我国筑坝水平有突飞猛进的提高，很多水工建筑物的规模已跃居世界第一位，一些被世界坝工权威、专家定为“难以克服”的技术难题也已被相继征服，我国已成为世界坝工建设的中心。随着西部大开发的发展，许多世界级高难度的大型和超大型水利枢纽工程已开始或着手兴建，为学科提出了一系列迫切需要解决的问题。中华人民共和国成立 50 多年来，已建的水工建筑物正经历着老化过程，部分工程已处于病险期。水工结构与材料学科面临着崭新的机遇和严峻的挑战。二、国内外发展现状和主要成果（一）国外混凝土坝研究主要进展由于综合国力和整体科技水平上的差距，从国际上看，欧美、日本各国的水利水电开发程度在 20 世纪已经达到很高的水平，在高坝设计与施工方面曾取得很大的进展。当前，在发达国家，高坝大库的兴建已不多见，混凝土坝已不再是他们的重点研究方向。然而，拱坝、重力坝、碾压混凝土坝这几种高混凝土坝常用的坝型，以及胶凝砾石坝都是我国从国外引进的。涉及固体力学、混凝土力学、岩石力学、土力学的动静力本构关系和数值计算方法的原创性成果大多源于欧美国家。美国、瑞士和日本等国家近年来开展了对大坝抗震安全评价的研究。目前，发展中国家的坝工建设正方兴未艾，这些国家所取得的成就和经验教训值得我国重视，国际上已提出了碾压混凝土坝可以建到任何高度的设想，巴基斯坦待建的 Basha 坝向 300m 级特高碾压混凝土坝提出的挑战也值得我国关注。（二）近年来国内研究主要成果述评1 高拱坝技术二滩水电站的拦河大坝为抛物线形双曲拱坝，坝高 240m ，坝底厚度 55 ， 74m ，是目前我国已建成的最高拱坝，世界第三高双曲拱坝，在建的和待建的特高拱坝有世界第一高的锦屏一级（ 303m ）、小湾（ 292m ）、拉西瓦（ 250m ）、溪洛渡（ 273m ）、白鹤滩（ 275m ）、虎跳峡（ 278m ）等双曲拱坝。我国在高拱坝的建设方面已步人世界前列。在应用基础理论研究方面，大体积的全级配大坝混凝土强度试验，取得了一些成果，但因成本过高，设备条件有限，试件个数少，材料不均匀性大，成果离散性大，因而尚难建立新的实用本构关系。近期全级配大坝混凝土动力性能预静载动态试验取得了新的成果，三维动态细观力学、混凝土 CT 试验等都有所进展，促进了人们对混凝土中裂纹开展机理的认识过程。混凝土的断裂力学和损伤力学模型及各种组合模型、虚拟裂缝模型、钝裂缝带模型等已能应用到水工结构分析。其他还有新的混凝土非局部化模型及随机格构模型，都有引进和改进应用。但由于模型复杂，材料参数与常规试验不直接配套，自身试验基础相对薄弱，用于复杂的水工结构尚未被工程界普遍接受。基于拱梁分载法的拱坝体形优化和基于有限元方法的大体积混凝土温控仿真理论、方法和软件日臻成熟，应用普遍。混凝土坝的三维整体动静力非线性有限元应力变形分析、应力与渗流耦合以及仿真分析在重大工程中已普遍使用；在大坝与基础的联合作用分析、基础和坝肩稳定及抗震分析方面，计算规模庞大并且非连续的细部模拟异常复杂。其他引进的现代数值计算方法，如离散元法、 DDA 、数值流形代表的非连续数值分析方法，可以模拟结构的大变形和破坏全过程，一般用于破坏分析，但用于混凝土大坝设计的不多。我国的拱坝设计已达到世界先进水平。近期研究指出，改进混凝土坝安全评估方法的方向是改善坝体应力和稳定分析方法，使应力和稳定的计算结果更加符合实际，不在于是否采用可靠度理论，也不在于采用多项系数法；我国特高拱坝的抗压安全系数偏低，应适当提高混凝土坝抗裂安全系数，并提出了一套完整的决定抗裂安全系数的理论和方法。上述建议值得重视。小湾高拱坝混凝土设计指标（ C 180 40F 90 250W 90 14 ）高，通过选择合适的砂石骨料、采用 MgO 含量为 3.8 5.0 的中热水泥、掺级粉煤灰、掺高效减水剂与优质引气剂等措施，配制出高强度、低热、低弹模、不收缩、高耐久的大坝混凝土，满足了设计要求，使用效果好。2. 碾压混凝土筑坝技术我国自 20 世纪 80 年代引进新型碾压混凝土坝以来，建设起点高，发展迅速。已建的百米以上的高坝有龙滩（ 216m ）、百色（ 130m ）、江垭（ 128m ）、索风营（ 115m ）、棉花滩（ 113m ）、大朝山（ 111m ）、岩滩（ 111m ）、景洪（ 1lOm ）、水口（ 10lm ）等重力坝和沙牌（ 128m ）、石门子（ 109m ）、招徕河（ 107m ）、大花水（ 134m ）、蔺河口（ 100m ）等拱坝。龙滩大坝为 200m 级世界第一高碾压混凝土重力坝，混凝土总方量 385 万方，工程实现了在高温多雨地区的全年连续浇筑。在建的碾压混凝土坝还有以高 200.5m 的光照为代表的 23 座百米级以上的高碾压混凝土重力坝及拱坝。我国的学者和专家结合上述工程进行探索和研究取得了一系列研究成果，在坝体体形优化、抗震性能、碾压混凝土层间抗滑稳定、变 态和富浆二级配组合坝体防渗结构、温控防裂的特有问题、拱坝横缝、诱导缝和拉应力区的应力释放短缝设置等设计研究方面，以及碾压混凝土材料特性的实验研究、配合比设计、填筑和接缝重复灌浆工艺、成套设备等方面发展迅速，建设了一批世界级高坝，形成了一整套具有中国特色的筑坝技术，也形成了我国碾压混凝土粉煤灰掺量高、筑坝采用薄层大仓面、低稠度、快速短间歇、连续浇筑、全断面碾压施工等技术特点。在坝工结构和构造设计方面，以有限元为代表的现代数值计算方法在坝体位移、应力、稳定和抗震以及温度应力仿真中获得了广泛的应用。这些成就使我国已全面步人了碾压混凝土坝设计和施工的世界前列。另外，研究开发了石灰石粉、磷渣粉等碾压混凝土新掺合料，并成功应用于景洪等碾压混凝土坝工程，这为我国解决缺乏粉煤灰资源的西南地区修建碾压混凝土坝提供一种新途径。在基于新材料筑坝方面，由日本引进的胶凝砾石坝目前在我国仍处于试验和小规模试用阶段，尚有待进一步发展。3 混凝土坝温控防裂研究混凝土坝的开裂是非常普遍的现象，一直以来有“无坝不裂”的说法。造成这种说法的根本原因之一，是人们只重视早期表面保护而忽视后期表面保护。近年来，我国学者全面总结了混凝土坝的设计、施工和科研的经验和成果，提出了“全面温控，长期保温，结束无坝不裂的历史”的构想，反映了我国在混凝土坝防裂限裂的应用基础理论研究和工程技术上的长足进步。在以美国为代表的发达国家奠定的混凝土建筑物施工温控技术的基础上，从 20 世纪 50 年代我国的学者和水利工作者开始对混凝土坝温控防裂进行研究，全面系统地开拓和发展了现代水工混凝土建筑物施工温控理论方法和技术。近期鉴定通过的混凝土高坝施工温度控制决策支持系统，集中体现了我国在混凝土坝温控防裂仿真计算的理论、方法、软件方面的世界领先水平以及水工结构与现代计算机技术的高层次的交叉与融合。该系统实用性强，可根据混凝土高坝实际施工进度、浇筑工艺和温控措施及接缝灌浆等真实情况，利用实际数据进行实时仿真分析，及时反映全坝实际温度场和应力场状况，预测未来温度与应力的变化，掌握其变化规律，为现场施工温控决策提供技术支持；可在同一可视化仿真分析平台上对现场的混凝土热学参数、各项温控指标和措施进行反演分析计算；同时也可应用于混凝土高坝的设计和运行管理。我国近几十年来减水剂和粉煤灰的应用使得坝工混凝土的绝热温升已有所降低；采用氧化镁含量为 3.5 5.0 中热硅酸盐水泥，使混凝土自生体积变形为膨胀变形，以补偿温降收缩变形，提高了混凝土抗裂性；混凝土掺钢纤维与面板堆石坝混凝土面板混凝土掺合成纤维，均提高混凝土抗裂性；提出考虑因素全面、物理意义明确的水工混凝土材料抗裂指数计算公式；采用自动化拌和楼和大型平仓振捣机混凝土施工质量亦有较大改进；预冷骨料、水管冷却等技术已趋成熟，基础温差的控制基本符合设计要求，防止了基础贯穿裂缝发生。温控防裂上的一个新措施是在混凝土大坝表面采用外贴保温板和喷涂泡沫保温材料的方法进行坝面的保温，已用于三峡的三期工程、汾河二库、石门子和龙首碾压混凝土拱坝等工程。三峡三期工程在上下游表面采取 3 5cm 厚聚苯乙烯板长期保护，并实行了全面严格的温度控制，浇筑了 500 万 m 3 混凝土，未发现裂缝。研究成果和工程实践表明了永久保温措施在运行期的重要作用，其绝非仅在施工期才需要。永久保温板和保温防渗板已有研制。另外一个新的混凝土防裂措施是利用微膨胀混凝土的膨胀特性抵消混凝土温度收缩带来的拉应力，起到防止混凝土开裂的效果，减少温控措施，从而加快了施工速度。目前，国内已有 30 多座坝使用该项技术，前期多用于坝体基础块的填筑，近年来又开始用于拱坝的全断面。广东的长沙拱坝率先全断面采用外掺 MgO 微膨胀混凝土防止混凝土开裂。试验和分析研究以及工程经验表明，使用微膨胀混凝土筑坝必须进行温度应力补偿计算，针对当地气候条件设计，必要时应选择采用表面保护等温控措施以及设置诱导缝等结构措施。该项技术已应用于气候温和地区的中小型工程，例如，贵州三江拱坝，高 71 5m ，坝顶中心线弧长 137 。 5m ，在坝的上部设置了两条诱导缝，一个冬季内完成浇筑并已蓄水运行，至今来发现裂缝。由于大坝工程事关重大，目前尚不具备把该项技术推广到寒冷地区和大型工程的条件，进一步推广应用，特别是加大 MgO 的掺量，应通过慎重研究后决定。对于实现从“无坝不裂”到“无裂缝坝”的构想，研究表明拱坝设计中采用的设计荷载、计算条件、基岩地质构造及材料特性与实际情况存在差别，抗裂安全系数取值偏低，对碾压混凝土温控的认识有偏差，这些是混凝土拱坝竣工后出现各种事故的根本原因。在结构和温控设计中使用有限元仿真分析使计算结果尽可能接近真实状态，在做好基础温差等常规温度控制的基础上，重视运行期保温对上下游坝面依工程的重要性和坝型及部位的不同进行分区保温，施工区可选择长期或短期保温，运行期可选择永久保温或永久保温防掺，有望使混凝土拱坝不再开裂。4 老坝病坝安全评估与加固加高技术我国混凝土大坝运行期间最长者达 60 多年，有的混凝土大坝老化病害严重，主要有裂缝、渗漏、冲刷磨损与气蚀破坏、冻融破坏、混凝土碳化与钢筋锈蚀、水质侵蚀等病害。因此，必须对老坝病坝进行安全评估与补强加固处理。目前，我国拟从结构上加固的混凝土坝有梅山、佛子岭、丰满、陈村和恒山等大坝。主要存在的问题是混凝土老化及坝面和坝体存在裂缝，降低了大坝的安全度，混凝土设计指标、拉应力控制或坝肩稳定等不符合现行规范。这些坝的加固工作多处于设计阶段，尚无完成验收的工程。在结构上的主要关键技术问题是：上、下游加固方案的选择，混凝土置换方案的可行性、新老结构的结合、裂缝灌浆压力的控制、坝肩加固方式的选择、使用喷射钢纤维混凝土或喷射钢纤维钢筋混凝土的补强效果、坝肩加固方式的选择，以及温控和严寒地区保温板的使用等。以上问题在工程上已有解决方案，但分析计算方法、对实际安全度的补强效果尚待未来施工期和运行期的检验。目前尚无对现实病险坝加固的成熟的结构分析计算方法和相关的导则或规范。佛子岭连拱坝，经近 50 年运行后，主要问题是坝身裂缝较多，垛墙收缩缝冬季裂缝张开，削弱垛墙的整体性；拱筒叉缝和垛头斜缝，危害拱、垛结构