水工混凝土结构与材料学科发展

一、引言 水工混凝土结构与材料是一个综合性学科, 研究对象是水利水电工程中的建筑物, 分为水工结构和水工材料两个领域。受篇幅限制, 本专题报告重点评述有关高混凝土坝的形式、变形、强度、稳定分析和安全评价, 以及水工材料的学科发展。混凝土坝规模大, 施工周期长, 受自然和施工条件与过程的制约, 结构和基础内部存在着许多现有科技手段尚不能察明的不确定因素, 设计和施工在相当大的程度上仍需大量借鉴经验类知识, 每一个大型水工建筑物的设计和施工都会遇到新的挑战, 这是水工结构学科发展的特点。同时, 水工结构是一门强交叉性学科。可以说, 没有现代计算机、网络、先进的勘测、试验和监测技术手段的发展, 就没有学科今天的发展。

自世纪年代以后, 我国筑坝水平有突飞猛进的提高, 很多水工建筑物的规模已跃居世界第一位, 一些被世界坝工权威、专家定为“ 难以克服”的技术难题也已被相继征服, 我国已成为世界坝工建设的中心。随着西部大开发的发展, 许多世界级高难度的大型和超大型水利枢纽工程已开始或着手兴建, 为学科提出了一系列迫切需要解决的问题。中华人民共和国成立50多年来, 已建的水工建筑物正经历着老化过程, 部分工程已处于病险期。水工结构与材料学科面临着崭新的机遇和严峻的挑战。

二、国内外发展现状和主要成果

一国外混凝土坝研究主要进展:由于综合国力和整体科技水平上的差距, 从国际上看, 欧美、日本各国的水利水电开发程度在世纪已经达到很高的水平, 在高坝设计与施工方面曾取得很大的进展。当前, 在发达国家, 高坝大库的兴建已不多见, 混凝土坝已不再是他们的重点研究方向。然而, 拱坝、重力坝、碾压混凝土坝这几种高混凝土坝常用坝型, 以及胶凝砾石坝都是我国从国外引进的。涉及固体力学、混凝土力学、岩石力学、土力学的动静力本构关系和数值计算方法的原创性成果大多源于欧美国家。美国、瑞士和日本等国家近年来开展了对大坝抗震安全评价的研究。目前, 发展中国家的坝工建设正方兴未艾, 这些国家所取得的成就和经验教训值得我国重视, 国际上已提出了碾压混凝土坝可以建到任何高度的设想, 巴基斯坦待建的Basha坝向300m级特高碾压混凝土坝提出的挑战也值得我国关注。

三、近年来国内研究主要成果述评

高拱坝技术:二滩水电站的拦河大坝为抛物线形双曲拱坝, 坝高240m坝底厚度55.74m, 是目前我国已建成的最高拱坝, 世界第三高双曲拱坝, 在建的和待建的特高拱坝有世界第一高的锦屏一级303m、小湾292m、拉西瓦250m、溪洛渡273、白鹤滩275、虎跳峡278m等双曲拱坝。我国在高拱坝的建设方面已步人世界前列。

在应用基础理论研究方面, 大体积的全级配大坝混凝土强度试验, 取得了一些成果,但因成本过高, 设备条件有限, 试件个数少, 材料不均匀性大, 成果离散性大, 因而尚难建立新的实用本构关系。近期全级配大坝混凝土动力性能预静载动态试验取得了新的成果, 三维动态细观力学、混凝土CT试验等都有所进展, 促进了人们对混凝土中裂纹开展机理的认识过程。混凝土的断裂力学和损伤力学模型及各种组合模型、虚拟裂缝模型、钝裂缝带模型等已能应用到水工结构分析。其他还有新的混凝土非局部化模型及随机格构模型, 都有引进和改进应用。但由于模型复杂, 材料参数与常规试验不直接配套, 自身试验基础相对薄弱, 用于复杂的水工结构尚未被工程界普遍接受。