高壩大庫背景下我國水工建築學研究的8個重點領域

知識 07-28

水工建築學

水工建築學，也稱為水工結構學（hydraulics structure），是研究水工建築物在水和其他外力作用影響下的穩定性、結構安全和擋水能力的相關設計理論與方法的工程應用學科。水工結構學研究的目的就是保障水工建築物在正常運用條件下的安全性，能夠有效擔負起擋水、輸水或其他功能，並在遭遇難以預見的意外荷載作用下，具有必要的超載潛力。本學科涉及諸多學科領域，除數學等基礎學科以外，還與水力學、水文學、工程力學、土力學、岩石力學、工程地質、建築材料以及水利勘測、水利規劃、水利工程施工、水利管理等密切相關。水工結構學的研究方法主要有理論分析、數值計算、試驗研究、原型觀測和工程類比等。

巨型工程

20世紀以來，我國水利水電建設事業進入了一個快速發展的新時期。水能資源的開發，迫切需要建設一批巨型工程，如已經建成的三峽水利樞紐工程是世界上規模最大的水電站，在三峽上游的金沙江上的向家壩、溪洛渡水電站已投入運行，烏東德、白鶴灘水電站正在建設。同時，大渡河、雅礱江、瀾滄江等也興建了一批水電站。這些巨型工程的建設，對水工結構學科提出了新的挑戰，其建設規模和技術難度已超過世界水平，這些梯級樞紐全生命周期內的安全運行是關係國計民生的重大課題。

這些巨型工程具有如下主要特點：

▌1.壩高庫大

如小灣、溪洛渡、錦屏水電站，壩高達300m 級，庫容超過百億立方；在工程取得巨大經濟效益的同時，高壩大庫的安全事關國計民生。

▌2.泄洪流量巨大

如溪洛渡水電站，設計洪水達43700m3/s，最大壩高278m，泄洪功率達近100000MW，居世界首位，泄洪能量集中，消能難度極大。

▌3.多數壩址位於強震區，設計地震烈度高

如小灣水電站設計地震峰值加速度為0.308g，溪洛渡水電站設計地震峰值加速度為0.321g，大崗山水電站的設計地震峰值加速度更高達0.5575g，強震作用下，高壩的抗震安全和極限承載力研究必須進一步深化。

▌4.壩址區地質條件複雜

西部水電資源豐富地區，受地質構造運動影響，斷層等各種地質構造發育，再加上地形陡峻，地基處理難度很大。如小灣水電站工程高邊坡高達700m。

▌5.地下廠房裝機容量大

西部巨型水電站大多河谷狹窄，泄洪量大。採用地下水電站是經濟可行的選擇，如溪洛渡水電站地下廠房裝機為12600MW，存在大跨度地下廠房設計、施工及圍岩穩定（地應力高）等問題。

重點研究領域

為應對這些挑戰，水工結構學科需要深化對高速水流的運動規律以及水工結構與地基力學行為的機理和規律的認識，需要重點開展研究的領域包括：

▌1. 高壩消能

高壩水電站工程具有高水頭、大流量和窄河谷的特點，不僅存在消能、沖刷及空化空蝕，還有摻氣霧化對岩坡穩定的影響和流激振動等問題。這些問題涉及高速水流、氣流與邊壁、結構、岩體的動力相互作用，迄今已有的計算方法多屬簡化模型，主要還是依靠模型試驗、原型運行觀測等手段來取得一定的經驗公式，在高壩泄流、高速水流與消能的計算數值模擬方面仍處於半試驗半理論階段。鑒於該問題與地形、地質、結構形態及過流邊界條件密切相關的複雜性，研究工作仍需大力深入開展。

▌2.高壩混凝土材料

300m 級的混凝土雙曲拱壩，其庫水總推力達到千萬噸級水平，壩體混凝土最大靜動拉應力達5~6MPa，已超過了一般混凝土強度，需要開發適應高壩建設的混凝土材料，並對其在多軸應力狀態、高水壓飽和狀態及在靜動荷載聯合作用下的強度與本構關係開展深入研究。高壩混凝土的溫控與裂縫穩定性也是值得高度關注的關鍵問題。此外，水工特種混凝土、高強耐磨混凝土以及摻和料、高效減水劑等外加劑的研究也具有重要的工程應用價值。

▌3.堆石壩材料

目前黏土心牆堆石壩已發展到300m 級，面板堆石壩也正從250m 級往300m 級發展，制約堆石壩設計水平的關鍵因素在於堆石壩的應力應變分析精度不足。堆石材料的力學行為依賴於應力路徑，還存在剪漲剪縮等特性，加上遇水軟化、顆粒破碎等複雜因素影響，且受制於試驗試件尺寸，土石材料的本構關係及堆石壩應力變形分析模型還有大量工作需要深化，仍然是未來堆石壩研究的重點課題。

▌4.高壩地基系統分析模型

近半個世紀以來，高壩結構強度穩定分析理論和方法已得到了很大的發展，如有限元方法已在混凝土重力壩、拱壩和土石壩的結構計算分析中得到廣泛應用，但現行的設計方法仍停留在半經驗、半理論的階段。現代計算力學與計算技術的發展為高壩力學性能與結構強度穩定分析提供了良好的基礎，特別是近年來計算機技術的發展大大提高了水工結構分析的計算能力，未來水工結構地基系統的整體穩定性與極限承載力、混凝土壩施工運行全過程全壩段模擬和高壩裂縫穩定性等方面的研究值得關注。

▌5.高壩抗震分析模型

近年來，高壩抗震分析模型在無限地基輻射阻尼，接觸非線性、材料非線性等方面的模擬都取得長足的進步，高壩混凝土材料的動力特性研究也有很多進展，但混凝土壩的抗震極限承載力、拱壩系統地震破壞機理、高土石壩地震彈塑性反應與殘餘變形、地震非均勻輸入、庫水動力影響等研究需要進一步加強。

▌6.新壩型、新結構與新型築壩技術

碾壓混凝土壩、面板堆石壩等新壩型的發展有力推動了水工結構學科的進步，土耳其、日本等國採用膠凝砂礫石築壩技術建設的大壩壩高已超過100m，我國設計的膠凝砂礫石大壩壩高已超過60m，我國自主研發的堆石混凝土築壩技術經過10年的發展，壩高已達90m。新型築壩技術的發展，對材料性能、本構模型、設計分析方法等都提出了新的挑戰。

▌7.大型地下結構建設技術

由於我國水能開發集中在西部高山峽谷地區，大型地下廠房是眾多巨型水電站的主要建設形式。在複雜地質條件下，建設大跨度的地下洞室群仍然具有很大的挑戰性。巨型引水式電站與跨流域調水工程還需要在大埋深、高地應力、複雜水文地質條件下建設長距離輸水隧洞，其設計、施工技術也需要進行深入研究。

▌8.環境友好的水工結構

水工結構對環境、生態的影響日益受到重視，分層取水等環境友好的水工結構設計不僅需要發展傳統的結構分析方法，還需要通過與生物、生態和環境等進行學科交叉，建立環境友好的水工結構設計理論，這一領域的研究任重道遠。

隨著錦屏一級、小灣、溪洛渡等混凝土雙曲拱壩，糯扎渡黏土心牆堆石壩，水布埡面板堆石壩，龍灘碾壓混凝土重力壩等一批具有世界領先水平的高壩相繼建成，我國的水工結構學科取得了長足的進步，在特高壩結構設計、大流量高水頭泄洪消能、超大型地下洞室群設計等領域已躋身國際領先水平。

但是，在水工結構學科的基礎研究領域，如現行的設計分析理論模型與方法、現代高壩的新技術和新壩型等，大多由西方發達國家首先提出，我國的水工結構學科尚需繼續努力。