水工混凝土結(jié)構(gòu)及材料學(xué)科發(fā)展

1、水工混凝土結(jié)構(gòu)與材料學(xué)科發(fā)展一、引言水工混凝土結(jié)構(gòu)與材料是一個綜合性學(xué)科，研究對象是水利水電工程中的建筑物，分為水工結(jié)構(gòu)和水工材料兩個領(lǐng)域。受篇幅限制，本專題報(bào)告重點(diǎn)評述有關(guān)高混凝土壩的形式、變形、強(qiáng)度、穩(wěn)定 分析和安全評價，以及水工材料的學(xué)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(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)類知識，每一個大型水工建筑物的設(shè)計(jì)和施工都會遇到新的挑戰(zhàn)，這是水工結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)。同時，水工結(jié)構(gòu) 是一門強(qiáng)交叉性學(xué)科?？梢哉f，沒有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的勘測、試驗(yàn)和監(jiān)測技術(shù)手段的發(fā)展

2、， 就沒有學(xué)科今天的發(fā)展。自20世紀(jì)80年代以后，我國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、專家定為“難以克服”的技術(shù)難題也已被相繼征服，我國已成為世界 壩工建設(shè)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(xué)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(jīng)歷著老化過程，部分工程已處于病險期。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、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和主要成果（一）國外混凝土壩研究主要進(jìn)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

3、水電開發(fā)程度在20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(diǎn)研究方向。然而，拱壩、重力壩、碾壓混凝土壩這幾 種高混凝土壩常用的壩型，以及膠凝礫石壩都是我國從國外引進(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(shè)正方興未艾，這些 國家所取得的成就和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)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(shè) 想，巴基斯坦待建的 Basha壩向300m級

4、特高碾壓混凝土壩提出的挑戰(zhàn)也值得我國關(guān)注。（二）近年來國內(nèi)研究主要成果述評1 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（273m ）、白鶴灘（275m ）、虎跳峽（278m ）等雙曲拱壩。我國在高拱壩的建設(shè)方面已步人世界前列。在應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究方面，大體積的全級配大壩混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，取得了一些成果，但因成本過 高，設(shè)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(shí)用本

5、構(gòu)關(guān)系。 近期全級配大壩混凝土動力性能預(yù)靜載動態(tài)試驗(yàn)取得了新的成果，三維動態(tài)細(xì)觀力學(xué)、 混凝土 CT試驗(yàn)等都有所進(jìn)展，促進(jìn)了人們對混凝土中裂紋開展機(jī)理的認(rèn)識過程?；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DDA、臻成熟，應(yīng)用普遍?；炷翂蔚娜S整體動靜力非線性有限元應(yīng)力變形分析、應(yīng)

6、力與滲流耦合以及仿 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、 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

7、抗裂安全系數(shù)的理論和方法。上述建議值得重視。小灣高拱壩混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)（ C 180 40F 90 250W 90 14 ）高，通過選擇合適的砂石骨料、采用MgO含量為3.8%5.0%的中熱水泥、摻I級粉煤灰、摻高效減水劑與優(yōu)質(zhì)引氣劑等措施，配制出高強(qiáng)度、低熱、低彈模、不收縮、高耐久的大壩混凝土，滿足了設(shè)計(jì)要求，使用效果好。2. 碾壓混凝土筑壩技術(shù)我國自 20 世紀(jì) 80 年代引進(jìn)新型碾壓混凝土壩以來，建設(shè)起點(diǎn)高，發(fā)展迅速。已建的百米以上 的高壩有龍灘 （ 216m ）、百色（ 130m ）、江埡（ 128m ）、索風(fēng)營（ 115m ）、棉花灘（ 113m ）、 大朝山（ 111m ）、巖灘（

8、111m ）、景洪（ 1lOm ）、水口（ 10lm ）等重力壩和沙牌（ 128m ）、 石門子（ 109m ）、招徠河（ 107m ）、大花水（ 134m ）、藺河口（ 100m ）等拱壩。龍灘大壩為 200m 級世界第一高碾壓混凝土重力壩， 混凝土總方量 385 萬方， 工程實(shí)現(xiàn)了在高溫多雨地區(qū)的全年 連續(xù)澆筑。 在建的碾壓混凝土壩還有以高 200.5m 的光照為代表的 23 座百米級以上的高碾壓混凝土 重力壩及拱壩。 我國的學(xué)者和專家結(jié)合上述工程進(jìn)行探索和研究取得了一系列研究成果，在壩體體形優(yōu)化、抗震性能、碾壓混凝土層間抗滑穩(wěn)定、變 態(tài)和富漿二級配組合壩體防滲結(jié)構(gòu)、溫控防裂的特 有問題、

9、拱壩橫縫、誘導(dǎo)縫和拉應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力釋放短縫設(shè)置等設(shè)計(jì)研究方面，以及碾壓混凝土材料特 性的實(shí)驗(yàn)研究、配合比設(shè)計(jì)、填筑和接縫重復(fù)灌漿工藝、成套設(shè)備等方面發(fā)展迅速，建設(shè)了一批世界 級高壩，形成了一整套具有中國特色的筑壩技術(shù)，也形成了我國碾壓混凝土粉煤灰摻量高、筑壩采用 薄層大倉面、低稠度、快速短間歇、連續(xù)澆筑、全斷面碾壓施工等技術(shù)特點(diǎn)。在壩工結(jié)構(gòu)和構(gòu)造設(shè)計(jì) 方面，以有限元為代表的現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法在壩體位移、應(yīng)力、穩(wěn)定和抗震以及溫度應(yīng)力仿真中獲得 了廣泛的應(yīng)用。這些成就使我國已全面步人了碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)和施工的世界前列。另外，研究開發(fā)了石灰石粉、磷渣粉等碾壓混凝土新?lián)胶狭?，并成功?yīng)用于景洪等碾壓混凝土壩

10、 工程，這為我國解決缺乏粉煤灰資源的西南地區(qū)修建碾壓混凝土壩提供一種新途徑。在基于新材料筑壩方面， 由日本引進(jìn)的膠凝礫石壩目前在我國仍處于試驗(yàn)和小規(guī)模試用階段，尚有待進(jìn)一步發(fā)展。3 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(hù)而忽視后期表面保護(hù)。近年來，我國學(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，長期保溫，結(jié)束無壩不裂的歷史”的構(gòu)想，反映 了我國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)上的長足進(jìn)步。在以美國為代表的發(fā)達(dá)國家奠定的混凝土建筑物施工溫控技術(shù)的基礎(chǔ)上

11、，從 20 世紀(jì) 50 年代我國的學(xué)者和水利工作者開始對混凝土壩溫控防裂進(jìn)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(shù)。 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(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)時仿真分析， 及時反映全壩實(shí)際溫度場和應(yīng)力場 狀況，預(yù)測未來溫度與應(yīng)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(shù)支持；可在同一 可視化仿真分析平臺上對現(xiàn)

12、場的混凝土熱學(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； 同時也可 應(yīng)用于混凝土高壩的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。我國近幾十年來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% 5.0 %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；采用自動化拌和樓和大 型平倉振搗機(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

13、。 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(jìn)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35cm厚聚苯乙烯板長期保護(hù)，并實(shí)行了全面嚴(yán)格的溫度控制，澆筑了 500 萬 m 3 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(yīng)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(nèi)已有30 多座壩使用該項(xiàng)技術(shù)

14、，前期多用于壩體基礎(chǔ)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 面采用外摻 MgO 微膨脹混凝土防止混凝土開裂。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， 針對當(dāng)?shù)貧夂驐l件設(shè)計(jì)， 必要時應(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 137 。 5m ，在壩的上部設(shè)置了兩條誘導(dǎo)縫，一個冬季內(nèi)完成澆筑 并已蓄水運(yùn)行，至今來發(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

15、加大 MgO 的摻量，應(yīng)通過慎重研究后決定。對于實(shí)現(xiàn)從“無壩不裂”到“無裂縫壩”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，對碾壓混凝土溫控的認(rèn) 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(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 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裂。4 老壩病壩安全評估與加固加高技術(shù)我國混凝土

16、大壩運(yùn)行期間最長者達(dá) 60 多年，有的混凝土大壩老化病害嚴(yán)重， 主要有裂縫、 滲漏、 沖刷磨損與氣蝕破壞、凍融破壞、混凝土碳化與鋼筋銹蝕、水質(zhì)侵蝕等病害。因此，必須對老壩病壩 進(jìn)行安全評估與補(bǔ)強(qiáng)加固處理。目前，我國擬從結(jié)構(gòu)上加固的混凝土壩有梅山、佛子嶺、豐滿、陳村和恒山等大壩。主要存在的 問題是混凝土老化及壩面和壩體存在裂縫，降低了大壩的安全度，混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)、拉應(yīng)力控制或壩 肩穩(wěn)定等不符合現(xiàn)行規(guī)范。這些壩的加固工作多處于設(shè)計(jì)階段，尚無完成驗(yàn)收的工程。在結(jié)構(gòu)上的主 要關(guān)鍵技術(shù)問題是：上、下游加固方案的選擇，混凝土置換方案的可行性、新老結(jié)構(gòu)的結(jié)合、裂縫灌 漿壓力的控制、壩肩加固方式的選擇、使用噴

17、射鋼纖維混凝土或噴射鋼纖維鋼筋混凝土的補(bǔ)強(qiáng)效果、 壩肩加固方式的選擇，以及溫控和嚴(yán)寒地區(qū)保溫板的使用等。以上問題在工程上已有解決方案，但分 析計(jì)算方法、 對實(shí)際安全度的補(bǔ)強(qiáng)效果尚待未來施工期和運(yùn)行期的檢驗(yàn)。目前尚無對現(xiàn)實(shí)病險壩加固的成熟的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法和相關(guān)的導(dǎo)則或規(guī)范。佛子嶺連拱壩，經(jīng)近 50 年運(yùn)行后，主要問題是壩身裂縫較多，垛墻收縮縫冬季裂縫張開，削弱 垛墻的整體性；拱筒叉縫和垛頭斜縫，危害拱、垛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方面，通過方案比較，決定 采用鋼纖維混凝土新型復(fù)合材料對大壩進(jìn)行加固處理， 并在大壩兩端拱上下游面增設(shè)鋼筋并用噴射鋼 纖維混凝土貼厚加固。在修補(bǔ)材料方面，研制成功多元膠凝材

18、料高強(qiáng)抗沖磨混凝土、聚脲抗沖磨材料、“海島結(jié)構(gòu)”環(huán) 氧合金抗沖磨材料、碳纖維復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)材料、環(huán)氧聚氨酯互穿網(wǎng)絡(luò)灌漿材料等，并在工程上得到成功 應(yīng)用。近年來對南水北調(diào)中線丹江口混凝土重力壩加高進(jìn)行了大量的研究工作，其中， 針對大壩加高工程中新老混凝土結(jié)合面開裂和全年施工的可行性關(guān)鍵問題，充分運(yùn)用了有限元分析手段， 分析了新老 混凝土結(jié)合面開裂的機(jī)理， 研究了減少新老混凝土結(jié)合面開裂的技術(shù)措施， 從理論角度深入研究了加 高工程高溫季節(jié)施工的可行性，給出了具體技術(shù)要求，所提出的“設(shè)縫和保溫”措施的思路新穎，力 學(xué)機(jī)理明確，采用這些手段可以有效減少新老混凝土結(jié)合面開裂的面積，增強(qiáng)壩體的整體性。5 大壩安

19、全監(jiān)控理論與方法研究及系統(tǒng)開發(fā) 大壩安全監(jiān)控理論與方法逐漸豐富和完善。 目前已建立包括了統(tǒng)計(jì)模型、 確定性模型與混合模型、 施工期特殊監(jiān)控模型以及基于混沌理論、 模糊數(shù)學(xué)、 灰色系統(tǒng)等的預(yù)測模型在內(nèi)的較完整的監(jiān)控模型 體系，提出了材料參數(shù)、 荷載工況和結(jié)構(gòu)安全度的反分析， 以及混凝土壩分級監(jiān)控指標(biāo)的理論及方法， 提出了重大水工混凝土結(jié)構(gòu)隱患病害檢測與監(jiān)測的集成融合理論和方法、 多因素組合條件下的混凝土 老化和病變的機(jī)理、結(jié)構(gòu)壽命和運(yùn)行風(fēng)險的分析評估理論和方法、監(jiān)測物理量的因果時變分析模型， 以及結(jié)構(gòu)整體健康診斷的集成分析方法，初步建立了重大水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷體系。安全監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)向自動化、

20、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。近期完成的小浪底樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)是 目前我國結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、規(guī)模最大的。該系統(tǒng)面向?qū)崪y數(shù)據(jù)、工程安全問題及不同層次用戶需求，以發(fā) 現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常、 確定異常程度為主要目標(biāo)， 采用人工智能技術(shù)開發(fā)大壩安全監(jiān)測信息綜合分析推理系統(tǒng)， 可以滿足在線監(jiān)控及離線分析的需要。主要的技術(shù)特點(diǎn)有：單測點(diǎn)的信息最大限度的定量化，確定測 點(diǎn)的時效發(fā)展趨勢； 利用專家系統(tǒng)技術(shù)使綜合推理部分結(jié)構(gòu)化以及為分析人員離線綜合分析提供了充 分有效的數(shù)據(jù)和模型支持。近期這些技術(shù)又已改進(jìn)、推廣應(yīng)用到多個混凝土壩的安全監(jiān)控系統(tǒng)。6 水工混凝土耐久性研究對混凝土抗凍性問題，主要進(jìn)行了C60C100高強(qiáng)混凝土抗凍性、新

21、型 SJ-2引氣劑研制與應(yīng)用、安全性抗凍混凝土技術(shù)條件、混凝土抗凍定量化設(shè)計(jì)、凍融與荷載雙重疲勞因素作用下混凝土 損傷過程等試驗(yàn)研究。對混凝土抗沖磨性問題， 主要進(jìn)行了低收縮硅粉高強(qiáng)抗沖磨混凝土、 多元膠材高強(qiáng)抗沖磨混凝土、 聚脲抗沖磨材料等試驗(yàn)研究。對混凝土化學(xué)侵蝕問題，主要進(jìn)行了壓力水作用下混凝土滲漏溶蝕。、高濃度與外力作用下混凝 土硫酸鹽侵蝕性試驗(yàn)研究，以及抗硫酸鹽侵蝕材料研制與應(yīng)用研究等。7 高分子材料 水工混凝土建筑物高分子材料主要包括密封嵌縫材料、涂料、灌漿材料與土工合成材料等。我國 密封嵌縫材料發(fā)展較晚，從開始進(jìn)口到現(xiàn)在都能生產(chǎn)聚氨酯、聚硫、硅酮、丙烯酸四大密封材料；水 工結(jié)構(gòu)用

22、涂料包括防腐、防碳化、抗沖磨等涂料，我國已開始重視環(huán)保型涂料的研發(fā)，如有機(jī)揮發(fā)揚(yáng)（ VOC ）含量低的聚氨酯、聚酯、環(huán)氧、丙烯酸涂料已研制成功；高分子灌漿材料主要分防滲堵 漏漿材與結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固漿材兩類， 近幾年開發(fā)出環(huán)氧聚氨酯互穿網(wǎng)絡(luò)漿材與環(huán)氧甲凝互穿網(wǎng)絡(luò)漿 材；土工合成材料主要是土工膜，其功能是防滲。采用土工膜作為碾壓混凝土壩上游面防滲、抽水蓄 能電站上庫或下庫也有用土工膜防滲的。三、國際比較（一）與國際混凝土壩的研究進(jìn)展的差距 水工結(jié)構(gòu)學(xué)科是在逐步解決水利水電工程關(guān)鍵技術(shù)問題的過程中不斷發(fā)展的，每一個精心設(shè)計(jì)和施工的水利水電樞紐都包含著科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新。隨著二灘、龍灘、三峽和小灣等一

23、批高或特 高混凝土壩的興建， 在引進(jìn)和自主開發(fā)相結(jié)合的方針指導(dǎo)下， 我國在高混凝土壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的 理論、方法，以及施工技術(shù)等均已達(dá)到國際先進(jìn)水平，在許多方面已處于世界領(lǐng)先水平。然而，我國 的新混凝土壩壩型和新結(jié)構(gòu)的成果在世界上得到廣泛承認(rèn)和應(yīng)用的還相對較少，盡管這與大壩設(shè)計(jì)尚帶有相當(dāng)程度的經(jīng)驗(yàn)性有關(guān)， 但也反映出我國壩工基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用技術(shù)還有待在總結(jié)分析已有成 果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化和提高。發(fā)達(dá)國家為滿足其他建筑和工業(yè)行業(yè)的需要， 在固體力學(xué)和動、 靜力混凝土力學(xué)的本構(gòu)關(guān)系和數(shù) 值計(jì)算方法的原創(chuàng)性成果的基礎(chǔ)上， 近年來取得了許多成果， 也已開始為我國所引進(jìn)借鑒并開展研究 和改進(jìn)，但在壩

24、工上的具體應(yīng)用尚極不成熟。 以有限元為代表的現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法已開始廣泛在設(shè)計(jì)、 施工和運(yùn)行的各個階段，但原創(chuàng)性的工作也不多。美國、瑞士和日本等國家已在大壩抗震安全評價準(zhǔn) 則的制定方面做了許多工作， 國際大壩會議建議了運(yùn)行基準(zhǔn)地震 OBE 和最大可信地震 MCE 或最大設(shè) 計(jì)地震 MDE 兩級設(shè)防的安全水準(zhǔn)，我國也正開展這方面的研究，但對壩址地震動輸入工程界尚未達(dá) 成共識。在混 凝土斷裂損傷動靜力特性試驗(yàn)方面還有待進(jìn)一步發(fā)展。我國尚未開發(fā)出通用的結(jié)構(gòu)分析軟件。 壩工專業(yè)軟件對發(fā)達(dá)國家已不是研發(fā)重點(diǎn)， 與他們的其他 主流行業(yè)的專業(yè)軟件相比， 我國無論在軟件開發(fā)周期和推廣應(yīng)用上都有不小的差距。 在大

25、壩安全監(jiān)測 方面，目前溫度、應(yīng)力應(yīng)變及滲漏監(jiān)測的分布式光纖技術(shù)發(fā)展較快，英國、美國及日本等在設(shè)備研發(fā) 上處領(lǐng)先地位，國內(nèi)應(yīng)用較多，但研發(fā)能力相對薄弱，還沒有成功的應(yīng)用實(shí)例。與發(fā)達(dá)國家相比， 我國水工混凝土耐久性微觀機(jī)理與量化研究深度不足， 多因素復(fù)雜環(huán)境侵蝕條 件下的仿真研究較少，研究成果納入規(guī)范及推廣應(yīng)用進(jìn)程緩慢。（二）主要發(fā)展方向比較 從國際上看，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的大壩工程研究的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到大壩的壽命、壩工與 環(huán)境、生態(tài)的協(xié)調(diào)、潰壩的風(fēng)險預(yù)測與評估等領(lǐng)域。有關(guān)我國在這些領(lǐng)域的研究情況不是本報(bào)告評述 的重點(diǎn)。為適應(yīng)我國壩工迅速發(fā)展的需要， 結(jié)合我國的壩工建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)， 國家“六

26、五”至“九五” 攻關(guān)、自然科學(xué)基金和相關(guān)主管部門多次立項(xiàng)，在混凝土材料的動靜力試驗(yàn)分析，大壩混凝土本構(gòu)關(guān) 系與分析模型和相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法、大壩和基礎(chǔ)的聯(lián)合作用、大壩混凝土的溫控與仿真、高壩設(shè)計(jì)理 論和方法，高壩抗震、碾壓混凝土壩材料特性、大壩斷面和構(gòu)造、層間結(jié)合和溫度應(yīng)力控制等特殊問 題及壩工新材料、 新結(jié)構(gòu)和新筑壩技術(shù)的應(yīng)用， 以及大壩安全監(jiān)測等方面全方位地開展了系統(tǒng)的研究。 2l 世紀(jì)以來，我國在壩工上的發(fā)展方向主要集中在滿足西部大開發(fā)的戰(zhàn)略發(fā)展要求方面，研究的重 點(diǎn)以解決重大工程的關(guān)鍵壩工問題為目標(biāo)，更有針對性和實(shí)用性。例如，在“十一五”攻關(guān)中，壩工 方面開展了丹江口大壩加高關(guān)鍵技術(shù)的研

27、究并擬在特大型梯級水利水電工程高效運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究 中，結(jié)合溪洛渡、向家壩、白鶴灘等工程開展高壩深層抗滑穩(wěn)定、特高拱壩抗裂、防裂以及高拱壩結(jié) 構(gòu)安全度的研究。我國水工混凝土材料研究發(fā)展方向是開發(fā)新型摻和料與外加劑， 不斷提高水工混凝土的抗裂性與 耐久性。四、戰(zhàn)略需求與發(fā)展目標(biāo)（一）學(xué)科發(fā)展目標(biāo) 當(dāng)前，面對諸多世界級高難度的大型和超大型水利樞紐工程的興建及已建水工建筑物的逐年老化 和可能出現(xiàn)的病險狀況，靠引進(jìn)和借鑒他國經(jīng)驗(yàn)已無法應(yīng)對未來的發(fā)展。學(xué)科發(fā)展的目標(biāo)是認(rèn)真總結(jié)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)， 針對我國水利水電工程中的關(guān)鍵技術(shù)問題， 確定重點(diǎn) 研究方向，加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，充分運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)理論和高新技術(shù)，

28、在更高的層次上實(shí)現(xiàn)學(xué)科的 交叉滲透和融合，以期在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)上有所突破和創(chuàng)新，使學(xué) 科在整體上達(dá)到世界領(lǐng)先水 平，為我國南水北調(diào)、水電開發(fā)等水資源和水能資源開發(fā)利用中的工程建設(shè)提供科技支撐。（二）水工混凝土結(jié)構(gòu)與材料學(xué)科發(fā)展需求分析1. 特高混凝土壩建設(shè)的需求 盡管我國在高壩設(shè)計(jì)、施工和科研方面已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但特高混凝土壩規(guī)模巨大，設(shè)計(jì)和 施工非常復(fù)雜，存在著許多現(xiàn)有科技手段尚不能察明的不確定因素，可參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)缺乏。從結(jié) 構(gòu)的角度看， 需要對設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和安全評價準(zhǔn)則作全面審核， 研究更先進(jìn)的安全評估方法和新技術(shù)納入 規(guī)范的可行性，并需要針對每一個壩的結(jié)構(gòu)和材料關(guān)鍵技術(shù)問題使用先

29、進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行具體研究， 在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)上有所突破。對特高壩工程有需要也有條件引進(jìn)和發(fā)展現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)大壩設(shè)計(jì)、利，研、施工和管理為一體的數(shù)字化、可視化、智能化和網(wǎng)絡(luò)信息化。從筑壩混凝土材料角度看，需進(jìn)一步提高混凝土材料的抗裂性與耐久性等。2 高壩安全管理的需求目前， 重大水工混凝土結(jié)構(gòu)健康診斷體系已初步建立， 有必要對大壩安全監(jiān)控理論與方法進(jìn)一步 豐富和完善，并向利于實(shí)用的軟件化方向發(fā)展。同時，有必要實(shí)現(xiàn)勘測、設(shè)計(jì)、施工、計(jì)算分析成果 的信息化，為監(jiān)控提供更全面的基礎(chǔ)條件，以便提取有關(guān)結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的材料性能參數(shù)、荷載、工作形 態(tài)變化規(guī)律的信息， 建立具有針對性的安全評價與

30、實(shí)時監(jiān)控模型與方法， 在更高的層次上進(jìn)行高壩安 全評價與實(shí)時監(jiān)控。面向流域的高壩安全評價與管理和高壩安全風(fēng)險評價與管理也是目前研究的熱 點(diǎn)。3 老壩、病混凝土壩安全評估和加固技術(shù)的需求 老壩、病混凝土壩的安全評估目前使用的方法主要是通過對大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工巡視檢查的結(jié)果 的分析發(fā)現(xiàn)問題， 有必要則通過表面或內(nèi)部鉆孔對混凝土或壩基進(jìn)一步觀測或取樣用試驗(yàn)對老化和損 傷程度進(jìn)行評判， 所依據(jù)的準(zhǔn)則出自相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范。 目前尚無針對現(xiàn)實(shí)病險壩狀態(tài)制定的加固的規(guī) 范或?qū)t。 有必要對現(xiàn)實(shí)病險壩安全評估的理論和方法進(jìn)行總結(jié)和研究。 永久保溫措施在降低溫度荷 載作用顯著，如何納入荷載規(guī)范尚待研究。水工混凝土

31、建筑物抗沖磨修補(bǔ)使用年限不夠長，水下修補(bǔ)（如豐滿大壩上游面防滲水下處理）難 度極大，因此，需要研究新型抗沖磨材料、水下修補(bǔ)材料及水下修補(bǔ)工藝等。五、對策與建議（一）水工混凝土結(jié)構(gòu)與材料領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域1. 高壩真實(shí)工作形態(tài)與安全評估方法 混凝土壩的開裂分析一直是水工結(jié)構(gòu)分析中的難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，重點(diǎn)是開裂機(jī)理分析、使用 CT 等先進(jìn)技術(shù)對混凝土內(nèi)部損傷破壞過程的研究； 動靜力本構(gòu)模型， 包括實(shí)用的斷裂和損傷模型的建立 及應(yīng)用，關(guān)鍵是模型的試驗(yàn)基礎(chǔ)和對模型的驗(yàn)證，包括用工程實(shí)例的驗(yàn)證；壩一水庫一地基系統(tǒng)動、 靜力相互作用的力學(xué)模型、 構(gòu)造縫和裂縫等的非連續(xù)力學(xué)及裂隙滲流耦合模型的完善和改進(jìn)，

32、 以及實(shí) 用算法和軟件的改進(jìn)及研發(fā)。在大壩安全評估方面，研究指出：施工應(yīng)力、非線性溫差、庫區(qū)水壓力、基巖地質(zhì)構(gòu)造及特性、 橫縫與裂縫等對拱壩應(yīng)力狀態(tài)有重大影響， 材料力學(xué)、 拱梁分載法和彈性力學(xué)方法很難考慮這些因素， 在拱壩剖面設(shè)計(jì)中應(yīng)以有限元等效應(yīng)力法取代拱梁分載法； 極限平衡法不能考慮壩體和壩基應(yīng)力狀態(tài) 及壩體與壩基互相影響， 重要工程應(yīng)以有限元強(qiáng)度遞減法取代極限平衡法計(jì)算抗滑穩(wěn)定； 在查明地質(zhì) 構(gòu)造的前提下， 通過全壩全過程非線性有限元仿真分析及基于有限元強(qiáng)度遞減法的安全評估， 可以充 分考慮各種因素對壩體應(yīng)力、穩(wěn)定及安全度的影響，避免重大事故的發(fā)生。進(jìn)一步完善和推廣混凝土 壩溫控防裂仿

33、真計(jì)算的理論、 方法、軟件以及加強(qiáng)表面保溫防護(hù)措施的研制和應(yīng)用， 避免裂縫的發(fā)生。在大壩抗震領(lǐng)域建議按滿足工程需要的合理精度， 采用多種方法比較和加強(qiáng)實(shí)踐驗(yàn)證的方法， 通 過研究以期對地震動的輸入盡早達(dá)成共識和規(guī)范化， 開展高壩抗震理論的研究， 建立高壩抗震安全評 價體系。2 特高壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和安全度 盡管高壩真實(shí)工作形態(tài)與安全評估方法的建議和對策同樣適用于特高壩，但已建和在建的 300m 左右的特高壩非常少， 對在很大程度上依賴經(jīng)驗(yàn)的壩工設(shè)計(jì)來說， 有必要對特高壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和安全 評價準(zhǔn)則的可靠性進(jìn)一步研究。 建議及時對已建和在建特高壩原型監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 并及早針對待 建工程對相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)

34、準(zhǔn)和安全評價準(zhǔn)則開展全面的可靠性評估。3. 數(shù)字大壩建設(shè) 建議加強(qiáng)大型水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)的動靜力計(jì)算、仿真分析，加強(qiáng)力 學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和本構(gòu)模型的驗(yàn)證、 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和結(jié)構(gòu)的反饋分析， 實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)等信息的圖 形化并開展軟件開發(fā)工作，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)科的高水平交叉融合，作為長遠(yuǎn)目標(biāo)，逐步實(shí)現(xiàn)以巨型網(wǎng)絡(luò)計(jì) 算機(jī)為中心，在海量存儲、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及 GPS 、多媒體等技術(shù)下的軟件和信息資源的共享?！皵?shù) 字水電站”這一新概念也已提出，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、科研、建設(shè)及管理的智能化、可視 化和網(wǎng)絡(luò)化。 對超大型水利工程， 建議數(shù)字水電站的核心軟件裝備基巖三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)處理模塊、 全壩全過程非線性有限元仿真模塊、施工組織設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊、監(jiān)測資料處理模塊。4. 大壩安全監(jiān)控與安全管理方法 對大壩安全監(jiān)控與安全管理方法建議加強(qiáng)監(jiān)測、 檢測與計(jì)算仿真技術(shù)的融合， 系統(tǒng)研究大壩工作 狀態(tài)評估、健康診斷與安全評價理論與方法；加強(qiáng)基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程安全監(jiān)控與分析技術(shù)研究，開發(fā)面 向流域的大壩管理系統(tǒng)并面向流域的大壩風(fēng)險評價理論與方法的研究，開發(fā)大壩安全預(yù)警系統(tǒng)。5. 特高壩混凝土抗裂性與耐久性 通過材料改性盡量提高水工混凝土的材料抗裂性，即提高混凝土極限拉伸變形、徐變變形、自生 體積膨脹變形，降低水化熱溫升而減小溫度變形等，