高拱壩建設(shè)問(wèn)題分析論文

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由于我國(guó)水利水電事業(yè)發(fā)展的需要，我國(guó)還要修建大量拱壩乃至極高的拱壩，如瀾滄江的小灣水電站，拱壩壩高292m，裝機(jī)容量420萬(wàn)kW，泄洪功率4600萬(wàn)kW，壩址基本烈度為8度，而且有大規(guī)模的地下廠房及洞室群；又如金沙江的溪落渡水電站，拱壩壩高295m，裝機(jī)容量1440萬(wàn)kW，泄洪功率近1億kW，壩址基本烈度為8度，其難度又比小灣水電站上了一個(gè)臺(tái)階。這些工程比世界最高的英古里拱壩（壩高272m）更高，工程規(guī)模更大，泄洪功率也比世界最高水平高出2～3倍，而且處于強(qiáng)地震區(qū)，其技術(shù)難度居于世界前列。其他還有金沙江的白鶴灘、洪門(mén)口，瀾滄江的糯札渡等拱壩，壩高都在300m左右，也都是現(xiàn)行規(guī)范覆蓋不了的特高拱壩。另外，還有拉西瓦、構(gòu)皮灘等也都是200米以上的高拱壩。下面，就高拱壩建設(shè)中的幾個(gè)問(wèn)題談?wù)勎覀兊拇譁\認(rèn)識(shí)。

對(duì)200米以上的拱壩為什么要做專門(mén)研究

建國(guó)以來(lái)修建了大量拱壩，凡是按規(guī)范正規(guī)設(shè)計(jì)施工的拱壩都能安全運(yùn)行，說(shuō)明我們已掌握一般拱壩的技術(shù)。80年代開(kāi)始，已在修建240米高的二灘拱壩，并正在向300米級(jí)的高拱壩攻關(guān)。那么，我們現(xiàn)在所掌握的技術(shù)是否已滿足高拱壩的設(shè)計(jì)要求？100米、200米、300米高的拱壩在本質(zhì)上有什么區(qū)別，這是個(gè)值得探討的問(wèn)題。

國(guó)際上有些壩工專家認(rèn)為，超過(guò)200米的拱壩和百來(lái)米高的拱壩有本質(zhì)的不同，并主張?jiān)诙┻@類拱壩上，不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力（這實(shí)際上是做不到的），我們認(rèn)為這是有一定道理的。200米以上的高拱壩與較低的拱壩的本質(zhì)區(qū)別在于：低拱壩總體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力，特別是壓應(yīng)力的安全儲(chǔ)備較大；高拱壩總體應(yīng)力水平高，壓應(yīng)力的儲(chǔ)備較小。一旦拱壩產(chǎn)生局部開(kāi)裂，應(yīng)力重分布，低拱壩的調(diào)整余地較大，因此，整個(gè)壩體仍是安全的；而對(duì)于高拱壩，就很可能造成應(yīng)力普遍超限，從而導(dǎo)致壩體的破壞。另外，高拱壩在溫度應(yīng)力、地震作用以及泄洪消能方面都有高拱壩的特殊問(wèn)題，如果解決不好，都會(huì)造成致命的破壞。

辯證地看待周邊縫

拱壩設(shè)計(jì)中最使人擔(dān)心的是過(guò)分集中的拉應(yīng)力，尤其在臨水面。因?yàn)榛炷恋目估瓘?qiáng)度不僅低而且不穩(wěn)定、變異大。但拉應(yīng)力是避免不了的，特別在幾何體型不連續(xù)處，拉應(yīng)力有尖銳的集中，所以有些國(guó)家采取周邊縫方案，把壩和基礎(chǔ)切開(kāi)，消除奇點(diǎn)和拉應(yīng)力。總的思路是沿周邊縫解放拉應(yīng)力。

我們認(rèn)為，設(shè)置周邊縫的影響是雙面性的，有得有失。留縫后消除了縫面上的拉應(yīng)力，是最大的‘得’；而‘失’的方面，是人為地削弱了拱壩的整體性和剛度，降低了拱壩的超靜定度和應(yīng)力調(diào)整的潛力。周邊縫是壩體結(jié)構(gòu)體系中強(qiáng)度最低的部位，抗拉強(qiáng)度接近于零，抗剪強(qiáng)度也極大地削弱了，只能承受與縫面正交或接近正交的力。如果這種反力分布不能與外載平衡，壩體就要失穩(wěn)，或者雖能平衡但安全度會(huì)降得很低。因此，不能簡(jiǎn)單地肯定或否定周邊縫，尤其對(duì)于高拱壩，必須認(rèn)真進(jìn)行具體分析，才能得出正確結(jié)論。也可以采取“中間路線”的做法，即采用局部的人工縫，既消除了拉應(yīng)力，又不太削弱拱壩的整體性。南非在萊索托建的KATZ拱壩，人工縫設(shè)計(jì)得十分細(xì)致復(fù)雜，這一經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。我們認(rèn)為。“中間路線”值得作進(jìn)一步深入研究。

拱壩優(yōu)化的新思路

拱壩優(yōu)化是個(gè)高難度課題，只有在計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)高度發(fā)展后才能實(shí)現(xiàn)。可喜的是，我國(guó)的拱壩優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，進(jìn)入了實(shí)用階段，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。拱壩優(yōu)化是在滿足某些約束條件下使某一目標(biāo)函數(shù)取極值。對(duì)于拱壩來(lái)講，所謂約束條件主要是保證壩的安全，而目標(biāo)函數(shù)則是壩的體積最小或造價(jià)最低。因此，拱壩優(yōu)化的基本思路就是在保證壩體安全的條件下使壩的體積（或造價(jià)）取極小值。在進(jìn)行高拱壩設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其優(yōu)化問(wèn)題宜進(jìn)行更多的思考。首先，約束條件和目標(biāo)函數(shù)的表述有本質(zhì)上的區(qū)別，這兩類要求是兩套系統(tǒng)，前者是模糊的（例如將拱壩上允許出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力減小或增大0.1Pa，究竟對(duì)壩體安全度起多大的影響是說(shuō)不清的）；后者（體積或造價(jià)）則有十分明確的概念的確定值。其次，在目標(biāo)函數(shù)取極值點(diǎn)的附近區(qū)域，“坡度”是平緩的。即偏離理論最優(yōu)點(diǎn)一定距離。對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響不大，對(duì)整個(gè)工程來(lái)講，甚至是無(wú)足輕重的。那么，我們何不增加一點(diǎn)工程量或造價(jià)，而讓安全度有所提高呢？即何不犧牲一點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)（不取極值）而使安全性有相當(dāng)?shù)奶岣吣兀拷鼇?lái)，不少專家傾向于把拱壩優(yōu)化的問(wèn)題倒過(guò)來(lái)提，即在混凝土量不超過(guò)某一限制的條件下，使壩體具有最高的安全度（這里的混凝土量的限值可以經(jīng)過(guò)初步的常規(guī)優(yōu)化來(lái)擬訂）。這一思路容易為高拱壩的設(shè)計(jì)者特別是業(yè)主單位所接受，但這種優(yōu)化的難度比常規(guī)優(yōu)化更高，原因就在于壩體的‘安全度’以什么函數(shù)來(lái)表示。是單純的最大應(yīng)力，還是綜合的可靠度指標(biāo)，還是另外的什么特征。對(duì)于不同體型和地質(zhì)、地形條件的拱壩，其破壞機(jī)理是不同的，如何選擇合理的安全指標(biāo)，是一個(gè)需要做深入研究的課題。總之，在高拱壩建設(shè)上，安全與造價(jià)兩者之間相比，安全更為重要。只要混凝土量不超過(guò)某一數(shù)量，并且安全性較高，就是較好的方案。

拱壩的動(dòng)力分析

我國(guó)許多高拱壩要修建在強(qiáng)震區(qū)，地震作用及抗震設(shè)計(jì)成為高拱壩研究的重要問(wèn)題。

大壩的動(dòng)力分析的發(fā)展，大體上經(jīng)歷三個(gè)階段：第一階段是把地震活動(dòng)對(duì)壩體的影響簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化為靜力表示，按靜力分析來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)（擬靜力法）；第二階段以動(dòng)力分析作為設(shè)計(jì)計(jì)算手段，在頻域上或時(shí)域上作分析，但所考慮的條件比較簡(jiǎn)單，例如不計(jì)地基、水與壩體的耦合作用，不考慮材料的非線性影響等；第三階段是在動(dòng)力分析中考慮更多的耦合影響、非線性影響、地基的無(wú)限大影響和地震動(dòng)的合理輸入問(wèn)題等等。

今后在高拱壩抗震研究中除了繼續(xù)進(jìn)行理論上的探索（如地震動(dòng)的合理輸入模式；地震活動(dòng)的隨機(jī)性和不可重復(fù)性；如何評(píng)價(jià)地震的危害性等）外，還要研究如何將理論成果進(jìn)行歸納總結(jié)，逐步推廣應(yīng)用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中去，研究縫（包括周邊縫、裂縫、施工縫）對(duì)抗震性能的影響，研究如何采取主動(dòng)措施減震防震，逐步由被動(dòng)核算走向主動(dòng)控制。

拱壩的“上滑失穩(wěn)”

對(duì)于是否需要核算各壩塊沿建基面的穩(wěn)定性，一直存在兩種不同的見(jiàn)解：一種認(rèn)為，拱壩與重力壩無(wú)論是結(jié)構(gòu)型式還是受力條件都完全不同，只要拱壩兩岸壩肩基巖不破壞，個(gè)別壩塊不可能滑動(dòng)失穩(wěn)；另一種認(rèn)為，拱壩沿建基面滑動(dòng)失穩(wěn)是可能的，應(yīng)該驗(yàn)算在水壓作用下整個(gè)拱壩向下游并沿著岸坡上爬（有人稱之為“上滑失穩(wěn)”）的可能性，這兩種意見(jiàn)尚未統(tǒng)一，我們僅談一點(diǎn)粗淺的認(rèn)識(shí)：

1.建基面是拱壩結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的一個(gè)薄弱面，沿薄弱面進(jìn)行穩(wěn)定核算總是有益的，不應(yīng)反對(duì)。但是，拱壩是個(gè)空間整體結(jié)構(gòu)，要核算其沿建基面失穩(wěn)的安全度非常復(fù)雜，究竟用什么方法進(jìn)行驗(yàn)算才更符合實(shí)際，是必須深入研究的問(wèn)題，否則，會(huì)給出錯(cuò)誤的概念或結(jié)論，對(duì)決策不利。

2.對(duì)于河谷較寬、曲率半徑較大、岸坡較平緩、建基面上的抗剪強(qiáng)度特低或有平行于建基面的連續(xù)斷裂，以及建基面平滑順直的拱壩，應(yīng)對(duì)拱壩沿建基面失穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。

3.要進(jìn)行深入的研究，就必須弄清這種失穩(wěn)的機(jī)理和發(fā)展過(guò)程。具體講，拱壩受載后，在建基面上各點(diǎn)都產(chǎn)生了剪應(yīng)力，如荷載不斷增加（或強(qiáng)度不斷降低），有一些點(diǎn)進(jìn)入屈服狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力重分布。這些屈服區(qū)逐漸發(fā)展，連成片，壩體應(yīng)力分布及工作條件不斷惡化，最終導(dǎo)致失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)，壩體也將被撕裂成塊，不可能是“整體滑動(dòng)”。所以，“滑動(dòng)核算”和“應(yīng)力核算”是分不開(kāi)的。要真正弄清問(wèn)題，只能通過(guò)仿真的有限元非線性分析，一步步追蹤在荷載增大過(guò)程中壩體的反應(yīng)過(guò)程，直到壩體破壞。這也是對(duì)拱壩最終承載力的研究。條件不同的拱壩其破壞機(jī)理和發(fā)展過(guò)程也不一致。有的從壩體斷裂開(kāi)始，發(fā)展為全面破壞；有的從壩肩基巖大變形開(kāi)始導(dǎo)致破壞；也有的可能從建基面上屈服開(kāi)始發(fā)展成壩體應(yīng)力的惡化而破壞。我們應(yīng)針對(duì)不同情況，用不同的方法分別研究它們的破壞機(jī)理和破壞軌跡，這里有很多基礎(chǔ)性問(wèn)題值得深入進(jìn)行研究。

拱壩的模型試驗(yàn)

用結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)拱壩設(shè)計(jì)，是常用的有效方法。在早期，外國(guó)有些拱壩上要依靠模型試驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在雖然設(shè)計(jì)和計(jì)算技術(shù)發(fā)展了，但對(duì)一些重要工程仍常用模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，而且給人以拱壩變形和破壞機(jī)理的直觀印象。試驗(yàn)技術(shù)也有很大的提高，如能在地基內(nèi)反映一些大的構(gòu)造面和主要地質(zhì)條件、尋找更合適的模型材料。測(cè)試儀器和分析手段也日益進(jìn)步和自動(dòng)化。

但在高拱壩的模型試驗(yàn)中，要使得成果能反映真實(shí)情況，就必須考慮各種非線性影響，而這一點(diǎn)是很難實(shí)現(xiàn)的。如果拱壩較低，壩體和地基內(nèi)的應(yīng)力水平也很低，基本上在彈性范圍內(nèi)，試驗(yàn)就比較方便。但即使對(duì)這種情況，如果要做破壞試驗(yàn)，也存在著相似的問(wèn)題。對(duì)于高拱壩，非線性的影響就更為重要，要找到完全符合相似率的模型試驗(yàn)材料是相當(dāng)困難的，這也是阻礙結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)向前發(fā)展的最大障礙。另外，對(duì)破壞試驗(yàn)的一些做法，很多專家也提出了異議，因?yàn)樗畨汉奢d根本不可能無(wú)限提高，材料強(qiáng)度也不可能無(wú)限降低，因此這樣的超載試驗(yàn)?zāi)芊窠o出定性的結(jié)論都是值得懷疑的。今后除應(yīng)繼續(xù)提高模型試驗(yàn)技術(shù)外，利用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，從可靠度的概念出發(fā)，去追蹤壩體和地基的破壞軌跡，可能更能說(shuō)明問(wèn)題。

關(guān)于碾壓混凝土拱壩

將碾壓混凝土技術(shù)用于拱壩建設(shè)，可以簡(jiǎn)化施工、縮短工期。我國(guó)已建成75米高的普定碾壓混凝土拱壩，正在興建135米高的沙牌碾壓混凝土拱壩，在這方面的發(fā)展是領(lǐng)先的。

但常規(guī)的拱壩施工方式（分塊澆筑、冷卻灌漿，然后蓄水）雖不一定是最優(yōu)模式，卻有它理論上的合理性和成熟的經(jīng)驗(yàn)。采用碾壓混凝土技術(shù)后，取消或減少了橫縫，實(shí)行大面積連續(xù)澆筑，在壩體尚未降溫時(shí)蓄水。如何解決后期的應(yīng)力變化防止開(kāi)裂，尚須采取有效對(duì)策，作進(jìn)一步的研究。采取綜合措施后，才能推廣到高拱壩上去。采用重復(fù)灌漿技術(shù)或補(bǔ)償混凝土，可能是合適的措施。