[文章]：关于高拱坝建设中若干问题的探讨

guoloveyou2003

1 陈式慧2

摘要： 我国水力资源十分丰富，理论蕴藏量约6.8亿kW，其中可开发蕴藏量约3.7亿kW，居世界首位。但现开发程度仅为10％左右，近期规划开发的水电工程，大多位于西南、西北地区的大江大河的中上游河段。建国以来，我国的拱坝建设有了巨大的发展，拱坝在世界上可能是最多的。80年代以来，更向200米以上的高拱坝进军。与此相应，有关技术如拱坝应力变形计算，拱坝稳定分析，拱坝动力分析和抗震，拱坝温控、灌浆和地基处理，拱坝优化、水力学和泄洪消能，碾压混凝土拱坝，拱坝施工技术，拱坝模型试验等，都取得了长足进步。  

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　　由于我国水利水电事业发展的需要，我国还要修建大量拱坝乃至极高的拱坝，如澜沧江的小湾水电站，拱坝坝高292m，装机容量420万kW，泄洪功率4600万kW，坝址基本烈度为8度，而且有大规模的地下厂房及洞室群；又如金沙江的溪落渡水电站，拱坝坝高295m，装机容量1440万kW，泄洪功率近1亿kW，坝址基本烈度为8度，其难度又比小湾水电站上了一个台阶。这些工程比世界最高的英古里拱坝（坝高272m）更高，工程规模更大，泄洪功率也比世界最高水平高出2～3倍，而且处于强地震区，其技术难度居于世界前列。其他还有金沙江的白鹤滩、洪门口，澜沧江的糯札渡等拱坝，坝高都在300m左右，也都是现行规范覆盖不了的特高拱坝。另外，还有拉西瓦、构皮滩等也都是200米以上的高拱坝。下面，就高拱坝建设中的几个问题谈谈我们的粗浅认识。

　　对200米以上的拱坝为什么要做专门研究

　　建国以来修建了大量拱坝，凡是按规范正规设计施工的拱坝都能安全运行，说明我们已掌握一般拱坝的技术。80年代开始，已在修建240米高的二滩拱坝，并正在向300米级的高拱坝攻关。那么，我们现在所掌握的技术是否已满足高拱坝的设计要求？100米、200米、300米高的拱坝在本质上有什么区别，这是个值得探讨的问题。

　　国际上有些坝工专家认为，超过200米的拱坝和百来米高的拱坝有本质的不同，并主张在二滩这类拱坝上，不允许出现拉应力（这实际上是做不到的），我们认为这是有一定道理的。200米以上的高拱坝与较低的拱坝的本质区别在于：低拱坝总体应力水平较低，应力，特别是压应力的安全储备较大；高拱坝总体应力水平高，压应力的储备较小。一旦拱坝产生局部开裂，应力重分布，低拱坝的调整余地较大，因此，整个坝体仍是安全的；而对于高拱坝，就很可能造成应力普遍超限，从而导致坝体的破坏。另外，高拱坝在温度应力、地震作用以及泄洪消能方面都有高拱坝的特殊问题，如果解决不好，都会造成致命的破坏。

　　辩证地看待周边缝

　　拱坝设计中最使人担心的是过分集中的拉应力，尤其在临水面。因为混凝土的抗拉强度不仅低而且不稳定、变异大。但拉应力是避免不了的，特别在几何体型不连续处，拉应力有尖锐的集中，所以有些国家采取周边缝方案，把坝和基础切开，消除奇点和拉应力。总的思路是沿周边缝解放拉应力。

　　我们认为，设置周边缝的影响是双面性的，有得有失。留缝后消除了缝面上的拉应力，是最大的‘得’；而‘失’的方面，是人为地削弱了拱坝的整体性和刚度，降低了拱坝的超静定度和应力调整的潜力。周边缝是坝体结构体系中强度最低的部位，抗拉强度接近于零，抗剪强度也极大地削弱了，只能承受与缝面正交或接近正交的力。如果这种反力分布不能与外载平衡，坝体就要失稳，或者虽能平衡但安全度会降得很低。因此，不能简单地肯定或否定周边缝，尤其对于高拱坝，必须认真进行具体分析，才能得出正确结论。也可以采取“中间路线”的做法，即采用局部的人工缝，既消除了拉应力，又不太削弱拱坝的整体性。南非在莱索托建的KATZ拱坝，人工缝设计得十分细致复杂，这一经验值得借鉴。我们认为。“中间路线”值得作进一步深入研究。

　　拱坝优化的新思路

　　拱坝优化是个高难度课题，只有在计算机和计算技术高度发展后才能实现。可喜的是，我国的拱坝优化技术已经取得了突破性的进展，进入了实用阶段，在国际上处于领先地位。拱坝优化是在满足某些约束条件下使某一目标函数取极值。对于拱坝来讲，所谓约束条件主要是保证坝的安全，而目标函数则是坝的体积最小或造价最低。因此，拱坝优化的基本思路就是在保证坝体安全的条件下使坝的体积（或造价）取极小值。在进行高拱坝设计时，对其优化问题宜进行更多的思考。首先，约束条件和目标函数的表述有本质上的区别，这两类要求是两套系统，前者是模糊的（例如将拱坝上允许出现的最大拉应力减小或增大0.1Pa，究竟对坝体安全度起多大的影响是说不清的）；后者（体积或造价）则有十分明确的概念的确定值。其次，在目标函数取极值点的附近区域，“坡度”是平缓的。即偏离理论最优点一定距离。对目标函数的影响不大，对整个工程来讲，甚至是无足轻重的。那么，我们何不增加一点工程量或造价，而让安全度有所提高呢？即何不牺牲一点目标函数（不取极值）而使安全性有相当的提高呢？近来，不少专家倾向于把拱坝优化的问题倒过来提，即在混凝土量不超过某一限制的条件下，使坝体具有最高的安全度（这里的混凝土量的限值可以经过初步的常规优化来拟订）。这一思路容易为高拱坝的设计者特别是业主单位所接受，但这种优化的难度比常规优化更高，原因就在于坝体的‘安全度’以什么函数来表示。是单纯的最大应力，还是综合的可靠度指标，还是另外的什么特征。对于不同体型和地质、地形条件的拱坝，其破坏机理是不同的，如何选择合理的安全指标，是一个需要做深入研究的课题。总之，在高拱坝建设上，安全与造价两者之间相比，安全更为重要。只要混凝土量不超过某一数量，并且安全性较高，就是较好的方案。

　　拱坝的动力分析

　　我国许多高拱坝要修建在强震区，地震作用及抗震设计成为高拱坝研究的重要问题。

　　大坝的动力分析的发展，大体上经历三个阶段：第一阶段是把地震活动对坝体的影响简单转化为静力表示，按静力分析来进行设计（拟静力法）；第二阶段以动力分析作为设计计算手段，在频域上或时域上作分析，但所考虑的条件比较简单，例如不计地基、水与坝体的耦合作用，不考虑材料的非线性影响等；第三阶段是在动力分析中考虑更多的耦合影响、非线性影响、地基的无限大影响和地震动的合理输入问题等等。

　　今后在高拱坝抗震研究中除了继续进行理论上的探索（如地震动的合理输入模式；地震活动的随机性和不可重复性；如何评价地震的危害性等）外，还要研究如何将理论成果进行归纳总结，逐步推广应用到设计实践中去，研究缝（包括周边缝、裂缝、施工缝）对抗震性能的影响，研究如何采取主动措施减震防震，逐步由被动核算走向主动控制。

　　拱坝的“上滑失稳”

　　对于是否需要核算各坝块沿建基面的稳定性，一直存在两种不同的见解：一种认为，拱坝与重力坝无论是结构型式还是受力条件都完全不同，只要拱坝两岸坝肩基岩不破坏，个别坝块不可能滑动失稳；另一种认为，拱坝沿建基面滑动失稳是可能的，应该验算在水压作用下整个拱坝向下游并沿着岸坡上爬（有人称之为“上滑失稳”）的可能性，这两种意见尚未统一，我们仅谈一点粗浅的认识：

　　1.建基面是拱坝结构系统中的一个薄弱面，沿薄弱面进行稳定核算总是有益的，不应反对。但是，拱坝是个空间整体结构，要核算其沿建基面失稳的安全度非常复杂，究竟用什么方法进行验算才更符合实际，是必须深入研究的问题，否则，会给出错误的概念或结论，对决策不利。

　　2.对于河谷较宽、曲率半径较大、岸坡较平缓、建基面上的抗剪强度特低或有平行于建基面的连续断裂，以及建基面平滑顺直的拱坝，应对拱坝沿建基面失稳问题进行深入的研究。

　　3.要进行深入的研究，就必须弄清这种失稳的机理和发展过程。具体讲，拱坝受载后，在建基面上各点都产生了剪应力，如荷载不断增加（或强度不断降低），有一些点进入屈服状态，产生应力重分布。这些屈服区逐渐发展，连成片，坝体应力分布及工作条件不断恶化，最终导致失稳。失稳时，坝体也将被撕裂成块，不可能是“整体滑动”。所以，“滑动核算”和“应力核算”是分不开的。要真正弄清问题，只能通过仿真的有限元非线性分析，一步步追踪在荷载增大过程中坝体的反应过程，直到坝体破坏。这也是对拱坝最终承载力的研究。条件不同的拱坝其破坏机理和发展过程也不一致。有的从坝体断裂开始，发展为全面破坏；有的从坝肩基岩大变形开始导致破坏；也有的可能从建基面上屈服开始发展成坝体应力的恶化而破坏。我们应针对不同情况，用不同的方法分别研究它们的破坏机理和破坏轨迹，这里有很多基础性问题值得深入进行研究。

　　拱坝的模型试验

　　用结构模型试验来指导拱坝设计，是常用的有效方法。在早期，外国有些拱坝上要依靠模型试验来设计，现在虽然设计和计算技术发展了，但对一些重要工程仍常用模型试验来验证，而且给人以拱坝变形和破坏机理的直观印象。试验技术也有很大的提高，如能在地基内反映一些大的构造面和主要地质条件、寻找更合适的模型材料。测试仪器和分析手段也日益进步和自动化。

　　但在高拱坝的模型试验中，要使得成果能反映真实情况，就必须考虑各种非线性影响，而这一点是很难实现的。如果拱坝较低，坝体和地基内的应力水平也很低，基本上在弹性范围内，试验就比较方便。但即使对这种情况，如果要做破坏试验，也存在着相似的问题。对于高拱坝，非线性的影响就更为重要，要找到完全符合相似率的模型试验材料是相当困难的，这也是阻碍结构模型试验向前发展的最大障碍。另外，对破坏试验的一些做法，很多专家也提出了异议，因为水压荷载根本不可能无限提高，材料强度也不可能无限降低，因此这样的超载试验能否给出定性的结论都是值得怀疑的。今后除应继续提高模型试验技术外，利用计算机仿真计算，从可靠度的概念出发，去追踪坝体和地基的破坏轨迹，可能更能说明问题。

　　关于碾压混凝土拱坝

　　将碾压混凝土技术用于拱坝建设，可以简化施工、缩短工期。我国已建成75米高的普定碾压混凝土拱坝，正在兴建135米高的沙牌碾压混凝土拱坝，在这方面的发展是领先的。

　　但常规的拱坝施工方式（分块浇筑、冷却灌浆，然后蓄水）虽不一定是最优模式，却有它理论上的合理性和成熟的经验。采用碾压混凝土技术后，取消或减少了横缝，实行大面积连续浇筑，在坝体尚未降温时蓄水。如何解决后期的应力变化防止开裂，尚须采取有效对策，作进一步的研究。采取综合措施后，才能推广到高拱坝上去。采用重复灌浆技术或补偿混凝土，可能是合适的措施。

　　作者单位：1 电力工业部，中国工程院院士；2 国家自然科学基金委员会