高坝大型结构研究结硕果

清华大学水电系教授周维垣

清华大学水电系教授高莲士等

我国幅员辽阔、江河众多，为了除害兴利并充分开发水利水能，解放后50多年来我国修建了和正在兴建大量的高坝大型水利水电工程。修建过程中遇到了许多世界级的技术难题，清华大学水利水电工程系积极承担了我国多项关键技术问题攻关研究，与我国水利水电建设单位一起接受挑战，经受了实际考验，推动了我国高坝大型结构科学技术的发展。

一、拱坝结构研究

几十年来拱坝结构研究组参与了我国几乎全部高拱坝的设计研究，达34个高坝项目。在周维垣、杨若琼、陈兴华、王宙、杨强等教授努力工作下，他们创建了高坝整体稳定破坏仿真设计系统及破坏模型试验方法，为高坝的稳定评价及基础加固设计做出了贡献。

1. 创建高拱坝整体稳定破坏仿真设计系统

水利系拱坝研究组在1980年开始创建了一套整体稳定仿真设计系统，经过20多年摸索，可用来分析高坝的稳定性及加固方法，同时运用地质力学模型对高坝破坏进行验证。从1980年开始，经过18年研究，对二滩拱坝完成了一系列稳定分析。在我国首次论证了二滩双曲薄拱坝的稳定性。1990年二滩大坝开工，对建基面的岩体强度作出评价，论证了浅开挖建基面的可行性，从而节省60万立方米岩石开挖及30万立方米混凝土回填。1998年大坝蓄水，又对大坝进行反馈分析，提出了多元反馈回归分析方法。按实测原型变位反算岩体的强度及变模，其结果证明他们的高坝仿真反馈系统是正确的，保证了大坝的运行。为此“双曲拱坝整体应力稳定分析技术” 获国家教委科技进步二等奖，分析系统及破坏试验技术“高坝坝基岩体稳定性评价及可利用岩体质量的研究”获国家科技进步一等奖。该分析系统后来应用于许多高拱坝项目上，如小湾、溪洛渡、拉西瓦、李家峡、锦屏、东风、北溪、铜头、隔河岩、凤滩等工程项目。也曾用于水布垭、大朝山等地下厂房项目，三峡船闸岸坡稳定等项目上，均获得了很大的经济效益。

2. 进行了高拱坝的地质力学模型试验

30年来，我国修建和待建的高拱坝几乎都在清华大学水利系做过破坏试验。对小湾（280m高拱坝）做了加固试验。为李家峡拱坝做了3个模型，为东风拱坝提出了减薄方案。“拱坝整体地质力学模型破坏试验奖”获1985年国家科技进步二等奖，1992年获能源部科技进步一等奖。进行模型试验研究的有二滩、东风、紧水滩、凤滩、龙羊峡、李家峡、小湾、铜头、溪落渡、北溪等拱坝。

3. 参加三峡船闸高边坡的稳定及加固研究

这项研究将断裂损伤力学模型引入到岩体边坡稳定计算中，将有限元、流型元、离散元等多种方法引入到分析系统中，经鉴定达到国际先进水平。计算分析成果均被设计施工单位采纳。目前将原型实测值与计算做对比反分析，结果两者吻合。

4. 发展了岩石力学设计方法，引入断裂损伤力学及裂隙岩体的渗流多维多相流动。发展了无单元法、流形法、弹塑性力学法等。所得成果如对上游坝踵的开裂及压剪判断准则已列入国家拱坝规范（2000年草稿）。

拱坝研究组先后发表论文150篇，著有《高等岩石力学》、《岩石力学数值计算（英文）》、《拱坝坝肩岩体稳定分析》等。

二、大坝抗震研究及拱坝-地基动力相互作用研究

我国许多地区均为地震多发地区，在这些地方建造大坝、高坝必须解决工程抗震问题。60~70年代水工教研组张光斗、张楚汉等教师即参加过广东新丰江大头坝的抗震加固试验研究工作，做了大比例尺模型试验及理论分析，证明坝顶加速度比坝底大7倍，提出了加固建议，后来的抗震加固工作参考了这些成果。完建之后的原型观测和理论研究证明他们的成果是正确的。

80年代以后，我国在西部地区建成或待建许多高坝，这些坝址往往处于强震区，从工程抗震学科发展的角度看，结构-地基相互作用（SSI）问题的研究也是一个重要的学科前沿课题。以张楚汉教授为首的水工抗震研究组，在本学科领域首次提出一种新的边界元模式――无限边界元，用于解决河谷半空间波动问题，并用于拱坝地基的模拟，同时利用离散参数法提出拱坝与无限地基动力相互作用的FE-BE-IBE时域模型。这一模型与美国Chopra模型和西班牙Dominguez的频域模型比较，主要创新点是可以处理拱坝结构的非线性响应，例如拱坝横缝在强震作用下的张开、闭合非线性过程。这一模型在1993年发表，并在1996年第11届世界地震工程会议上宣读，引起了广泛的关注和讨论。这一模型及其应用成果在我国八五科技攻关成果鉴定会上两次被评为国际领先水平。

到90年代，该研究组又将上述拱坝-地基动力相互作用的FE-BE-IBE时域模型与拱坝结构横缝非线性模型（Fenves，1989）结合为一体，首次提出了考虑地基辐射阻尼的拱坝结构非线性动力分析方法，分析了地基辐射阻尼与结构非线性对拱坝地震反应的综合影响，同时提出用穿横缝钢筋控制拱坝横缝开度的数值模型，并应用于我国小湾拱坝和溪落渡拱坝的动力分析，有效地控制了强震下拱坝横缝张开度。此外，上述研究得到了地基辐射阻尼可能降低拱坝地震响应25%-30%的重要结论。这项研究成果1999年获得国家自然科学奖三等奖。上述研究成果将会经过更多的工程实践的检验。

三、土壤本构关系及土体非线性K-G模型堆石坝有限元分析方法的研究

清华大学水利系黄文熙院士等教师，长期研究土的本构关系，研究加荷路径、荷载量级、三向应力状况等不同状况下的土壤本构关系，在科技上有发展，在国内外均受到重视。

现代碾压式堆石坝（包括钢筋混凝土面板坝和土心墙堆石坝）是当代坝工技术进步的最重要的成就之一。以往传统的土石坝，建坝高度受到限制，然而按照现代筑坝技术和坝工理论修建的碾压式堆石坝，其建坝高度己经可以超过混凝土重力坝和拱坝，一跃成为高坝建设的首选坝型之一。尤其是钢筋混凝土面板堆石坝，以其可利用当地天然材料、适应性好、工期较短、可大量节省投资，而且结构性能良好、运用可靠等优点而备受青睐。这种坝型，50年代出现在美国，70~80年代在澳洲和南美洲得到快速发展。我国自1986年开始成套引进这种现代面板坝的筑坝技术，短短10余年，面板堆石坝几乎遍及全国各省区。目前，无论筑坝规模或建坝高度均已处于世界前列。南盘江178米的天生桥面板堆石坝已经建成投入运行，世界最高的234米的清江水布垭面板坝也已开始修建。今后，尤其在西部大开发中，这种坝型将得到更大发展。

我国自引进现代面板坝的筑坝技术以来，始终很重视开展相关的科研工作。有关研究课题连续列为国家科技攻关项目。在教育部、水电部和学校的关怀下，水利系水工教研组从一开始就参加了这方面科研工作。80年代参加了结合西北口、关门山两座面板坝（试验坝）的科技攻关。90年代随着天生桥高面板坝修建和水布垭面板坝的设计工作的进展，又继续与水利水电部门合作开展了比较系统的研究。使水利系在这方面的教学及科研工作能够同步发展。经过10余年的努力，在进行工程问题研究的同时，还重点对土的本构关系问题进行了系统的研究，高莲士教授等人提出了一种土体非线性K.G模型（也称清华K·G模型）。

清华KG模型采用了不同于一般弹塑性模型和非线性模块的建模方法，经试验验证，在以下几方面取得了突破性成果:

（1）根据压实堆石料大型三轴试验，发现“加载时土体应变增长率”规律，据这一规律建立的本构模型对不同应力路径具有广泛适应性。

（2）提出了与模型配套的的回归方法，可根据不同应力路径的单调加载的三轴试验结果，回归得出基本相同的的变形参数。

（3）建立了针对体应变和广义剪应变的双重加载准则，从而可以对应力路径具有不同转折方向的复杂加载、卸载性状作出有效判别。

（4）在有限元计算中，由于改变了增量型广义虎克矩阵中各元素的计算方法，因而可以模拟土体特有的剪缩性等应变行为。

　　该模型已在天生桥、水布垭等10余座堆石坝的设计、变形预测及反馈分析中得到应用，取得很好效果。其中，关门山等几座面板坝的预测分析已经得到原型观测的验证，结果一致。1998年通过教育部组织的专家组鉴定，认为此项成果“达到国际领先水平”。

四、地下结构工程研究

50年代我国全面学习苏联，在隧洞工程方面也完全学习苏联，他们在这方面的主要基础是普氏理论，即将山岩作为荷载来考虑，需要用人工衬砌承担这些荷载，因此地下工程造价高，施工慢，有时还会发生事故。

60年代以后国外地下工程的概念发生了根本性的改变，发展了新奥地利法来设计与施工。认识到围岩本身就有承载能力，保护围岩，减少对其破坏，采用恰当的适时的措施充分发挥围岩自承能力，不但可以节约造价，加快施工进度，而且完全可以保证安全。这些先进的概念及理论在我国也慢慢地传播开来，但仍有不少人对之存有疑惑，设计规范中仍基本沿用老办法。

80年代，水利系谷兆祺老师赴挪威访问学习一年多，目睹该国先进的地下工程实践，把他们的经验理论写成一本书，并在国内多次举办高级研修班，参加高级研修班的学员将研修班学到的新技术用于工程实践,大大降低了工程造价,如广州抽水蓄能电站、浙江天荒坪抽水蓄能电站、乌江、东风电站、黄河小浪底电站、二滩地下厂房都用了新技术，仅二滩地下厂房一项就节约投资约2200万元。谷兆祺还带领许多总工程师、教授赴挪威实地考察交流，并为国内许多设计、施工单位作咨询、评审、提建议。

1987年在广西桂林，谷兆祺、陈敏中建议当地拟建造的一座水头为1075米的天湖电站，采用新的设计方法。利用国外的覆盖准则，配合用有限元核算地应力场，以及用水力劈裂试验在现场确定管线，实现了水头614米的水道不用任何衬砌，在亚洲是第一位，在全世界也居第四位。它节省了许多投资，缩短了工期，建成后运用至今一切良好。后来在云南螺丝湾电站、广蓄、天荒坪等大型抽水蓄能电站上，都采用了类似的办法。现在这种设计原则与方法已被写入设计规范，即将在全国推广。

除了一般的不衬砌水道外，同时被介绍到我国工程界来的还有不用钢板衬砌的高水头、大直径分岔管。分岔管结构形状复杂，受力条件很差，而且很难计算，角缘应力集中极大，在山岩中开挖后，先衬上，再受力，经过一次应力场，到二次应力场，最后变成三次应力场，以往都用很厚的钢衬，加劲梁的钢板厚度常达20~30厘米，价格昂贵、难于施工。谷兆祺根据岩石地应力状况及承载潜力的测算，建议广蓄及天荒坪电站均采用钢筋混凝土平整减糙性的衬砌，经有限元分析，水力劈裂试验校核，主管内径8~9米，内水压力水头大到600~700米的巨型分岔管在上述两电站不用钢衬成功。投入运行几年来一切正常，节省了大量投资，加快了施工速度，使我国在这方面也进入了世界领先水平。

地下水电站，现在越做越大，以往常规做法是厂房顶拱边墙都要用钢筋砼衬砌，厂房中大容量起重机要架设在大尺寸的梁柱上面。挪威许多电站已摒弃了这些保守的做法，厂房四周只做喷锚或锚杆支护。将吊车柱省去，而做成岩壁吊车梁。但他们这些工程的岩石极好，多为花岗岩或片麻岩，这种先进设计能否用到我国，令人担心。

谷兆祺受邀参与了国内许多大型地下厂房的咨询与评审，或为他们承担科研工作。经过仔细的地勘研究，地应力量测及分析，根据不同电站不同的地质构造，作了不同的二维三维有限元非线性仿真模拟计算分析，建议各个电站洞群采用不同的支护参数与施工程序。1986年在大广坝地下厂房采用喷锚支护及岩壁吊车梁获得成功，但该电站岩石较好，吊车起重量也只是中等。接着在广蓄，东风、太平驿，以及小浪底电站都经过研究计算然后付诸实施，均获得成功。东风电站为层状石灰岩，且有许多夹泥层甚至断层。小浪底为层状砂岩，节理十分发育，且有多层夹泥岩，岩性也很差。广州蓄能电站桥吊起重量已达400吨，超过国外同类的电站，小浪底水电站桥吊起重量更高达2´500吨，远大于国外同类的记录。谷兆祺、彭守拙教授等不仅用先进的理论与设计帮助黄河水利委员会等单位建成了这些电站，并证明国外岩壁吊车梁的计算方法是不正确的，进而创造了岩壁吊车梁设计计算的新理论、新方法。这些新理论新算法已为多个电站的现场实测资料证实是安全正确的。这些办法大大减少电站投资、加快施工速度、方便施工运行，并保证了安全。现在已变成我国地下水电站的常规设计施工方法，使我国地下电站的设计施工水平达到了世界领先的地位。