王仁坤

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072)

拱壩是適合于修建在“U”形及“V”形河谷中的經(jīng)濟(jì)性與安全性都比較優(yōu)越的壩型，同時(shí)又是擋水壩中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的壩型。拱壩越高設(shè)計(jì)難度越大，壩高超過200 m的拱壩為特高拱壩。特高拱壩超出了我國現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范的適用范圍，需要開展專門研究論證。我國的特高拱壩建設(shè)起步較晚，直至20世紀(jì)末才建成第一座特高拱壩，即雅礱江二灘拱壩，壩高240 m。國外于20世紀(jì)中葉就開始了特高拱壩的建設(shè)，至今已建成的特高拱壩有20多座，主要分布在歐洲。由于特高拱壩規(guī)模大，對基礎(chǔ)條件、結(jié)構(gòu)安全等的控制要求高，設(shè)計(jì)技術(shù)的先進(jìn)性與工程方案的科學(xué)合理性，直接關(guān)系到工程安全與投資，專門論證研究就是確保大壩安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行正常。

近30年來，我國相繼建成了一大批水利工程，特高拱壩建設(shè)也取得了飛速發(fā)展，先后建成了二灘、溪洛渡、錦屏一級(jí)、小灣、大崗山等多座超過200 m甚至達(dá)到300 m的特高拱壩，其中錦屏一級(jí)拱壩高305 m，成為當(dāng)今世界第一高拱壩。結(jié)合特高拱壩的建設(shè)，我國開展了一系列科技攻關(guān)，取得了大量科技成果，極大地豐富了特高拱壩建設(shè)技術(shù)，基本形成了具有世界先進(jìn)水平的高拱壩建設(shè)設(shè)計(jì)研究技術(shù)體系，為特高拱壩的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 我國特高拱壩建設(shè)成就及特點(diǎn)

自20世紀(jì)中葉以來，我國拱壩建設(shè)發(fā)展迅速。隨著白山、東風(fēng)、東江、龍羊峽、隔河巖等一批100～200 m高拱壩的建設(shè)，拱壩的設(shè)計(jì)和施工水平得到了較快發(fā)展;1998年，二灘拱壩的建成，標(biāo)志著我國拱壩建設(shè)技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平;進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略和西電東送戰(zhàn)略的實(shí)施，拉西瓦、小灣、構(gòu)皮灘、溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山等一批200～300 m特高拱壩的成功建成，標(biāo)志著我國拱壩建設(shè)水平已居世界領(lǐng)先地位［1］。分析近30多年的拱壩設(shè)計(jì)建設(shè)歷程，我國在特高拱壩建設(shè)方面具有以下特點(diǎn):

a．壩高突破300 m，已建成多座世界級(jí)特高拱壩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)國外共建成特高拱壩20多座，其中最高拱壩是前蘇聯(lián)于1980年建成的英古里拱壩(272m)，而目前我國已建成的小灣(294.5m)、溪洛渡(285.5 m)和錦屏一級(jí)(305 m)3座拱壩，壩高均已超過英古里拱壩，后續(xù)有白鶴灘(289 m)、龍盤(277m)、松塔(313m)、馬吉(300m)、同卡(278m)、怒江橋(291 m)、羅拉(295 m)等一大批壩高超過英古里拱壩的特高拱壩尚待建設(shè)。

b．承受的水推力巨大。國外拱壩多數(shù)壩址河谷狹窄，壩頂弧長相對較短，壩體承受的水推力也相對較小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)國外建成的20多座特高拱壩的水推力為17952～131552MN，平均為51601MN。我國已建成的特高拱壩多建于大江大河之中，雖然岸坡高陡，但壩體多寬大，承受的水推力也相對較大。根據(jù)對二灘、小灣、溪洛渡、構(gòu)皮灘、拉西瓦等特高拱壩的統(tǒng)計(jì)分析，拱壩承受的水推力在 72878～192178MN，平均達(dá)到了125372MN。拱壩承受水推力的大幅增大，設(shè)計(jì)難度必然加大。

c．壩身泄洪泄量、泄洪功率高居世界前列。國外拱壩(尤其是歐洲拱壩)壩身泄量及泄洪功率大多較小，最大的是前蘇聯(lián)薩揚(yáng)重力拱壩，壩高245 m，壩身泄量為13600 m3/s，泄洪功率為 25000 MW;而我國溪洛渡拱壩壩身最大泄量高達(dá) 30901 m3/s，壩身泄洪功率達(dá)59725MW，居世界特高壩壩身泄量之最。巨大的壩身泄量和泄洪功率，在帶來壩身孔口群結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、孔口閘門設(shè)計(jì)、壩后泄洪消能設(shè)計(jì)等一大批技術(shù)難題的同時(shí)，也催生了壩身多層孔口泄流、水墊塘消能等重大技術(shù)革新。

d．壩體混凝土方量大。國外雙曲拱壩中混凝土方量最大的為英古里拱壩，壩體混凝土384萬m3。與國外同體型拱壩相比，我國已建成的特高拱壩大多采用雙曲拱壩體型，由于壩頂弧長相對較長，壩更高，我國拱壩的混凝土規(guī)模也相對較大，二灘拱壩壩體混凝土400萬m3，錦屏一級(jí)拱壩476萬m3，溪洛渡拱壩558萬m3，小灣拱壩高達(dá)762萬m3。壩體混凝土方量的增加，意味著混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑、溫控等難度加大，促使我國拱壩混凝土材料研究與施工溫控防裂技術(shù)等得到飛速發(fā)展。

e．地基加固處理技術(shù)復(fù)雜多樣。我國特高拱壩大多建于西部高山峽谷之中，多數(shù)拱壩壩址地質(zhì)條件復(fù)雜，產(chǎn)生了各種問題，如小灣拱壩壩基巖體開挖卸荷松弛問題、橫河向斷層影響問題、堆積體問題;錦屏一級(jí)拱壩左岸深部拉裂縫及左岸上部Ⅳ2級(jí)巖體加固處理、壩基及抗力體斷層加固處理、壩趾及抗力體橫向鎖固、左岸超高邊坡設(shè)計(jì)與開挖支護(hù)時(shí)序等問題，促使我國高拱壩復(fù)雜地基處理水平得以顯著提升。

f．地震設(shè)防烈度高，抗震設(shè)計(jì)要求高。除伊朗的德茲拱壩(設(shè)防烈度Ⅸ度)、卡比爾拱壩(設(shè)防加速度0.47g)外，我國特高拱壩的地震設(shè)防烈度比大多數(shù)的國外拱壩都高:二灘、拉西瓦、錦屏一級(jí)、小灣、溪洛渡拱壩的地震設(shè)計(jì)加速度分別為0.20g、0.23g、0.269g、0.308g、0.32g，大崗山拱壩的地震設(shè)計(jì)加速度更是達(dá)到了0.5575g。由于我國拱壩地震設(shè)計(jì)加速度大、壩很高、河谷寬(我國拱壩弧高比普遍比國外拱壩大)，因而拱壩抗震設(shè)計(jì)難度更大［2-3］，由此也催生了壩體梁向鋼筋、阻尼器等抗震新型技術(shù)的發(fā)展。值得一提的是，距離“5·12”汶川特大地震震中32 km、壩高132 m的沙牌碾壓混凝土拱壩經(jīng)受了8級(jí)地震的考驗(yàn)，壩體完好無損。

2 我國特高拱壩建設(shè)技術(shù)的研究進(jìn)展

我國特高拱壩大多具有壩高谷寬、地質(zhì)條件復(fù)雜、水荷載巨大、泄洪規(guī)模大、抗震設(shè)防要求高等特點(diǎn)。近30年來，結(jié)合多座特高拱壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，在拱壩合理建基面的研究以及體形優(yōu)化設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)、拱座抗滑穩(wěn)定、拱壩整體穩(wěn)定、抗震設(shè)計(jì)、混凝土材料、混凝土溫控防裂、基礎(chǔ)處理等方面取得了一系列新的進(jìn)展。

2．1 建基面的研究與確定［4］

特高拱壩承受的水壓荷載巨大(如溪洛渡拱壩的總水推力約為 147150 MN，錦屏一級(jí)拱壩約為127530 MN)，因而對基礎(chǔ)承載能力、抗滑穩(wěn)定、抗?jié)B性能等的要求很高。一般情況下，拱端嵌入深度(嵌深)越大，基巖完整性越好，其承載能力越高，對大壩安全越有利;另一方面，隨著拱端嵌深的增大，拱跨加大，承受的庫水壓力加大，壩體結(jié)構(gòu)和壩肩抗滑穩(wěn)定的負(fù)擔(dān)加重。同時(shí)嵌深過大會(huì)涉及高地應(yīng)力引起的開挖回彈變形、高邊坡等巖體工程問題。如果在保證工程安全的前提下建基面能夠淺嵌，可大幅度減少壩基開挖和大壩混凝土工程量，縮短工期，節(jié)省投資。

在確定溪洛渡拱壩合理建基面的過程中，通過對基礎(chǔ)地質(zhì)條件和大壩建基巖體的深入研究，提出了“以巖級(jí)為基礎(chǔ)，安全為準(zhǔn)則，合理利用弱風(fēng)化巖體作為建基巖體，并分壩高區(qū)段確定其利用程度”的建基面確定原則［5］;采用規(guī)范方法與三維非線性有限元法等手段，全面評(píng)價(jià)了拱壩建基面嵌深與工程安全的對應(yīng)關(guān)系，最終確定了溪洛渡拱壩上部高程基礎(chǔ)部分利用弱風(fēng)化上段Ⅲ2級(jí)巖體，中部高程拱端主要置于弱風(fēng)化下段Ⅲ1級(jí)巖體，下部高程基礎(chǔ)為Ⅱ級(jí)和Ⅲ1級(jí)巖體的建基面實(shí)施方案。與可行性研究階段建基面以微新Ⅱ級(jí)巖體為主、僅頂部拱端部分利用Ⅲ1級(jí)巖體的方案比較，建基面平均外移約20m，基礎(chǔ)開挖和大壩混凝土工程量分別減少100多萬m3，獲得近6億元的經(jīng)濟(jì)效益。

2．2 體形優(yōu)化設(shè)計(jì)

拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)是以拱梁分載法分析壩體應(yīng)力為基礎(chǔ)，具有拋物線拱、橢圓拱、多心圓弧拱以及統(tǒng)一二次曲線或混合曲線拱等拱壩幾何模型，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求解給定條件下(如應(yīng)力控制)最優(yōu)設(shè)計(jì)體形的設(shè)計(jì)方法［6］，已成功應(yīng)用于二灘、溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山等特高拱壩的設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了拱壩三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)以及高效制圖AutoCAD，提高了拱壩體形設(shè)計(jì)的高效精控化。

2．3 應(yīng)力分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析是拱壩強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，常用的方法主要有多拱梁法、有限元法。多拱梁法作為一種傳統(tǒng)的分析方法，經(jīng)過長期工程實(shí)踐的考驗(yàn)，形成了以之配套的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。我國多拱梁法程序豐富，不僅能夠計(jì)算多種幾何模型的拱壩靜、動(dòng)應(yīng)力，而且個(gè)別程序?qū)崿F(xiàn)了有限元-多拱梁法耦合計(jì)算，較好地滿足了高拱壩設(shè)計(jì)要求。

河海大學(xué)、北京水利科學(xué)研究院提出的彈性有限元-等效應(yīng)力法及其計(jì)算程序?yàn)楣皦螒?yīng)力有限元分析的實(shí)用化創(chuàng)造了條件。該方法首先以彈性有限元法計(jì)算拱壩應(yīng)力，并將壩體厚向的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為截面內(nèi)力，再用材料力學(xué)的方法計(jì)算厚度方向截面應(yīng)力;結(jié)合壩基周邊薄層單元或加密網(wǎng)格的應(yīng)用，基本消除了壩基周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即可獲得應(yīng)力不隨網(wǎng)格剖分而變化的穩(wěn)定數(shù)值解。通過二灘、溪洛渡等拱壩的應(yīng)用，其成果與多拱梁法相近或更合理，表明彈性有限元-等效應(yīng)力法和多拱梁法既是相互獨(dú)立的應(yīng)力分析方法，又可成為相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充的分析手段。

對于特高拱壩，尤其是基礎(chǔ)較為復(fù)雜的高拱壩，在采用多拱梁法和(或)彈性有限元-等效應(yīng)力法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，要同時(shí)考慮拱壩整體非線性有限元靜力分析和地震作用下的動(dòng)力分析成果，以及壩身泄洪孔口等的影響，以全面衡量大壩結(jié)構(gòu)受力屬性。

高拱壩結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)通常分為高、中、低應(yīng)力區(qū)以及大壩周邊近基礎(chǔ)區(qū)和孔口區(qū)等，分別設(shè)定其混凝土強(qiáng)度指標(biāo)。各區(qū)范圍界定需要在壩體應(yīng)力多方法分析和各種可能狀態(tài)如正常運(yùn)行、施工期應(yīng)力、地震作用等以及各種參數(shù)敏感性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合考慮，合理設(shè)定高、中、低應(yīng)力水平區(qū)及其混凝土強(qiáng)度等級(jí)。特高拱壩的多拱梁法應(yīng)力水平一般控制在9.0～10.0MPa較為適宜，相應(yīng)的混凝土強(qiáng)度以不超過C18040為宜。

2．4 拱座抗滑穩(wěn)定分析

由于拱座抗滑穩(wěn)定分析的研究對象是天然巖體，受到各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面如斷層、軟弱帶、節(jié)理裂隙等的切割，使得一般連續(xù)介質(zhì)假定均不能揭示基礎(chǔ)巖體的實(shí)際受力屬性;加上人們對巖體的物理力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)是通過有限的勘測、試驗(yàn)和分析所得，拱座基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定分析一直以剛體極限平衡法為主要方法。鑒于基礎(chǔ)剛體抗滑假定的局限性，我國學(xué)者還提出了剛體彈簧元法。

針對壩基巖體裂隙結(jié)構(gòu)特征，立足剛體極限平衡法的拱座抗滑穩(wěn)定分析中將剛體滑塊模式主要分為大塊體、小塊體和階梯塊等3種形式，如圖1所示。剛體極限平衡法的計(jì)算公式為大家熟悉的純摩公式和剪摩公式。剪摩公式中因c、f值的變異性差異，由單k安全系數(shù)發(fā)展成對應(yīng)c、f值的分部安全系數(shù)。對于特高拱壩的基礎(chǔ)抗滑分析，我國規(guī)范要求采用抗剪斷公式進(jìn)行計(jì)算，對于特定結(jié)構(gòu)面(如斷層、軟弱帶等)控制的滑塊，建議應(yīng)用純摩公式進(jìn)行計(jì)算，純摩抗滑安全系數(shù)應(yīng)大于1.3。

圖1 拱壩基礎(chǔ)抗滑可能滑塊模式

剛體彈簧元法是將拱座抗力體有限單元化，且網(wǎng)格形態(tài)反映裂隙和軟弱帶等結(jié)構(gòu)面的分布，假定各單元為剛體，單元之間為彈簧連接，即單元之間僅傳遞力，而變位不協(xié)調(diào)。采用該方法可以連同大壩與基礎(chǔ)進(jìn)行整體計(jì)算，得出各種可能滑塊的穩(wěn)定安全系數(shù)。通過溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山等拱壩基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定實(shí)例分析，剛體彈簧元法可以成為與剛體極限平衡法互為驗(yàn)證的分析方法。

由于穩(wěn)定分析中各參數(shù)的隨機(jī)性，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中都免不了各參數(shù)的敏感性分析，并結(jié)合三維非線性有限元分析、整體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)拱座的穩(wěn)定性，這是當(dāng)前高拱壩設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

2．5 整體穩(wěn)定分析與評(píng)價(jià)

拱壩整體穩(wěn)定性是指拱壩與地基系統(tǒng)在極限荷載作用下抵抗變形破壞的能力。拱壩整體穩(wěn)定分析需要考慮材料進(jìn)入非線性工作階段后拱壩與地基內(nèi)力的非線性調(diào)整。三維非線性有限元法和整體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是研究復(fù)雜地基上混凝土拱壩整體穩(wěn)定與超載安全度的有效手段［7］。

2．5．1 拱壩整體非線性有限元分析與安全評(píng)價(jià)

三維非線性有限元法不僅能反映壩與地基的相互作用，而且能合理地反映巖體和混凝土的非線性特性以及基礎(chǔ)斷層、軟弱巖帶等地質(zhì)缺陷的物理力學(xué)特性，分析大壩在各種荷載作用下的應(yīng)力、變形，以及開裂、屈服等破壞現(xiàn)象。常用的分析軟件有TFINE、FLAC、MARC等，其中TFINE軟件是清華大學(xué)立足理想彈塑性模型研制提出的三維非線性有限元法分析程序，屈服條件采用D-P準(zhǔn)則。

非線性有限元法分析的計(jì)算工況包括正常荷載組合和超載工況。正常荷載組合工況重點(diǎn)分析大壩工作屬性，包括壩體應(yīng)力分布及超限應(yīng)力區(qū)、屈服區(qū)、基礎(chǔ)各部位點(diǎn)強(qiáng)度安全系數(shù)等。超載工況特指正常荷載組合中僅水壓超載，并且以超水容重的方式增加水壓。將水壓荷載的超載系數(shù)記為大壩超載安全度。通過逐級(jí)超載，不難得出超載系數(shù)與壩體變形的關(guān)系曲線。如圖2所示，當(dāng)超載系數(shù)K較小時(shí)，大壩變形u與荷載P的關(guān)系呈線彈性關(guān)系;當(dāng)超載系數(shù)增大至K1(當(dāng)荷載P為K1P0，P0為正常水壓)時(shí)，局部拱端出現(xiàn)屈服且屈服區(qū)范圍約為拱厚的1/6，壩體結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)出現(xiàn)開裂，圖中B點(diǎn)即為壩體開裂起始點(diǎn)，K1即為起裂超載系數(shù);繼續(xù)增大水壓荷載，此時(shí)結(jié)構(gòu)雖有局部開裂或屈服擴(kuò)展，但整體仍處于準(zhǔn)線彈性工作狀態(tài)，當(dāng)荷載超過K2P0時(shí)，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)非線性屈服變形，圖中C點(diǎn)為結(jié)構(gòu)非線性變形起始點(diǎn)(準(zhǔn)線彈性工作極限狀態(tài)點(diǎn));當(dāng)超載系數(shù)達(dá)K3時(shí)，開裂屈服區(qū)貫穿壩體和基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體失穩(wěn)，K3稱為拱壩極限超載系數(shù)。

圖2 拱壩超載與變形關(guān)系曲線

2．5．2 拱壩整體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)安全評(píng)價(jià)

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)將結(jié)構(gòu)模型與巖體力學(xué)模型融為一體，能夠直觀地模擬大壩在正常荷載作用下的工作屬性和在超載作用下的破壞過程與超載能力。對于特高拱壩，細(xì)致的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究是一種重要的手段，它可以較好地模擬各種地形地質(zhì)條件，直觀、真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力和破壞特性，還可用來研究壩與基礎(chǔ)裂紋的起始、發(fā)展和貫穿過程，探究其破壞機(jī)制，以及用于重點(diǎn)研究拱壩的薄弱部位，為設(shè)計(jì)加固提供參考，為數(shù)值計(jì)算提供驗(yàn)證。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)屬于破壞試驗(yàn)，研究方法主要有:①超載法;②強(qiáng)度儲(chǔ)備法;③綜合法。3種試驗(yàn)方法中，超載法最容易在模型中實(shí)現(xiàn)，長期以來應(yīng)用廣泛，已積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，而且超載法能夠比較真實(shí)地反映拱壩遭遇突發(fā)洪水等實(shí)際情況的影響。強(qiáng)度儲(chǔ)備法需要更改結(jié)構(gòu)面參數(shù)，而綜合法是一種將超載法和強(qiáng)度儲(chǔ)備法相結(jié)合的方法。

在不考慮滲壓荷載和溫度荷載的作用下，清華大學(xué)開展了20多座高拱壩和特高拱壩的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，通過超水容重的超載方式，得出目前已建和在建高拱壩和特高拱壩的起裂超載系數(shù)K1=1.5～2.0;結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非線性變形的超載系數(shù)K2=3.5～5.0，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

2．6 抗震設(shè)計(jì)

高拱壩抗震設(shè)計(jì)的基本思路是靜載設(shè)計(jì)，動(dòng)載復(fù)核。若不滿足抗震設(shè)計(jì)要求，重新調(diào)整體型或研究抗震措施。動(dòng)載復(fù)核的內(nèi)容如下:首先按照現(xiàn)行水工抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，開展多拱梁法和有限元法動(dòng)力反應(yīng)分析以及壩肩三維剛體極限平衡法動(dòng)力穩(wěn)定分析，初步判斷拱壩的抗震能力。在此基礎(chǔ)上，開展考慮各種影響因素的三維有限元?jiǎng)恿Ψ治龊?或)三維整體動(dòng)力模型試驗(yàn)，結(jié)合高壩抗震設(shè)計(jì)要求及工程類比分析，綜合評(píng)價(jià)大壩抗震能力?？偨Y(jié)二灘、溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山、小灣等特高拱壩的抗震設(shè)計(jì)，我國在高壩抗震分析理論、分析方法和模型試驗(yàn)等諸方面的研究已處于世界領(lǐng)先地位。北京水利科學(xué)研究院、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位在有限元法動(dòng)力分析方面具備了較高的仿真度，可以分析輸入機(jī)制(包括相差、幅差的敏感分析)、地基輻射阻尼及橫縫張開等對大壩動(dòng)力反應(yīng)的影響，以及同時(shí)計(jì)入地基輻射阻尼、橫縫等接觸非線性和(或)材料非線性的三維非線性有限元?jiǎng)恿Ψ治?。北京水利科學(xué)研究院的動(dòng)力模型試驗(yàn)除模擬庫水、橫縫外，還可模擬大壩基礎(chǔ)的主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及邊界阻尼影響等，以反映壩基不均勻輸入。除研究設(shè)計(jì)輸入地震動(dòng)作用下的拱壩抗震能力外，還可研究拱壩抗震的超載能力。

高壩抗震深受設(shè)計(jì)者的高度重視。我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的拱壩設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與拱壩結(jié)構(gòu)抗震安全要求能夠確保大壩長期安全運(yùn)行。距離汶川地震帶較近的沙牌拱壩(高132 m)遭受了遠(yuǎn)超設(shè)防烈度的考驗(yàn)，驗(yàn)證了現(xiàn)代高壩抗震設(shè)計(jì)理論與方法的可靠性。隨著分析技術(shù)的發(fā)展和工程抗震實(shí)例的校準(zhǔn)分析，將不斷豐富和完善高壩抗震分析方法及其配套的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

鑒于Ⅰ級(jí)高壩的重要性，工程抗震采用兩級(jí)設(shè)防，即設(shè)計(jì)地震和校核地震工況，分別采用100年基準(zhǔn)期2%和1%的超越概率確定設(shè)防水準(zhǔn)，并在溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山等特高拱壩設(shè)計(jì)中遵循“極震不潰”的設(shè)計(jì)原則，即大壩一旦遭遇校核烈度等極端地震，大壩仍具有擋水能力而不潰決，表現(xiàn)在拱壩動(dòng)力仿真分析中，要求上下游壩面出現(xiàn)的屈服區(qū)范圍有限且屈服區(qū)不貫穿壩體厚度。

2．7 混凝土材料

特高拱壩混凝土比較理想的性能指標(biāo)組合是強(qiáng)度高、彈性模量適中、極限拉伸值高、線膨脹系數(shù)低、絕熱溫升低、自生體積微膨脹、抗?jié)B抗凍性能優(yōu)等。但在實(shí)際工程中是較難達(dá)到的，不得不考慮拱壩建設(shè)周期和受載齡期，合理利用混凝土后期強(qiáng)度以調(diào)和各項(xiàng)混凝土性能指標(biāo)。

應(yīng)用組合骨料混凝土已建成2座特高拱壩。溪洛渡大壩混凝土采用地下工程洞挖玄武巖作粗骨料，開采灰?guī)r作細(xì)骨料，既發(fā)揮玄武巖強(qiáng)度高、耐磨性能好的骨架作用，又利用灰?guī)r變形性能及熱學(xué)性能較佳的優(yōu)勢，以提高混凝土的耐久性能和抗裂能力。溪洛渡工程對地下工程洞挖料的利用，不僅節(jié)約工程投資，而且有利環(huán)保。錦屏一級(jí)拱壩由于骨料料源選擇有限，為了改善全砂巖混凝土的抗裂性能，混凝土選擇砂巖作粗骨料，大理巖作細(xì)骨料，充分發(fā)揮這兩種骨料的長處，揚(yáng)長避短，取得了非常好的效果。

特高拱壩建設(shè)周期長，采取高摻粉煤灰并充分利用混凝土后期強(qiáng)度是抑制混凝土施工溫控防裂的有效手段。特高拱壩混凝土澆筑工期長達(dá)四五年，拱壩承受庫水壓力時(shí)，主要受力區(qū)混凝土齡期已在1年以上。拱壩混凝土摻入30% ～35%粉煤灰后，混凝土后期強(qiáng)度有一定幅度的增加，與90 d齡期混凝土比較，180～360 d齡期混凝土強(qiáng)度還可提高10%以上;采用180 d設(shè)計(jì)齡期時(shí)，混凝土絕熱溫升比90 d齡期混凝土降低3～4℃，有利于溫控防裂，節(jié)省施工費(fèi)用。近年來，高拱壩混凝土大多利用高摻粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度并采用180 d齡期強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2．8 混凝土溫控防裂

特高拱壩規(guī)模巨大，應(yīng)力水平較高，混凝土強(qiáng)度等級(jí)高;斷面厚度大，一般厚達(dá)50～80 m，大壩混凝土體積多達(dá)數(shù)百萬立方米;加上大江大河上修建的特高拱壩壩身大多布置多層泄洪孔口和臨時(shí)導(dǎo)流底孔(如溪洛渡拱壩壩身設(shè)有7個(gè)泄洪表孔和8個(gè)泄洪中孔，以及10個(gè)導(dǎo)流底孔)，加上孔口閘墩結(jié)構(gòu)等，壩體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。兼顧壩體厚度和壩身孔口布置，混凝土澆筑施工常以橫縫將大壩分為數(shù)個(gè)壩段，單壩段整倉澆筑，最大澆筑倉面多超過1500m2，甚至超過2000 m2。如此大倉面高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的澆筑施工，溫控防裂問題十分突出，尤其是河床大倉面基礎(chǔ)壩段、陡坡基礎(chǔ)壩段以及孔口結(jié)構(gòu)區(qū)等成為特高拱壩溫控防裂的關(guān)鍵。

特高拱壩的溫控防裂，立足于溫度應(yīng)力的仿真分析以及控溫指標(biāo)的合理確定，通過通水降溫的精準(zhǔn)化以及保溫控溫的精細(xì)化，建立了一整套溫控防裂技術(shù)體系［8-9］。二灘、小灣、溪洛渡、錦屏一級(jí)等特高拱壩的建設(shè)實(shí)踐，基本實(shí)現(xiàn)了無危害大壩裂縫的混凝土澆筑施工。通過仿真模擬每一倉混凝土的澆筑過程以及混凝土材料特性隨齡期的變化(包括水化熱、徐變、自生體積變形等)，模擬澆筑后的通水冷卻、表面保溫等溫控措施，獲得壩段或壩體的溫度場、應(yīng)力場及其變化過程，從而為溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫控措施的確定提供依據(jù)。同時(shí)分區(qū)分部位研究制定可行的溫控措施，對河床壩段和陡坡壩段基礎(chǔ)區(qū)、孔口約束區(qū)、其余壩段區(qū)的基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差進(jìn)行控制，各倉混凝土澆筑后，遵循“早冷卻、慢冷卻、小溫差控溫”和圖3所示“三期九段”及壩段豎向“五區(qū)協(xié)調(diào)”溫度控制要求。結(jié)合溪洛渡等拱壩工程研制的智能通水控溫技術(shù)，以及2種不同溫度冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用，較好地實(shí)現(xiàn)了特高拱壩混凝土澆筑施工溫控防裂的控制目標(biāo)。

2．9 基礎(chǔ)處理

拱壩對基礎(chǔ)承載能力、抗變形穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定以及抗?jié)B透破壞等的要求極高。對于基礎(chǔ)巖體中存在的地質(zhì)缺陷(包括各種斷裂和軟弱帶)，進(jìn)行基礎(chǔ)處理是高拱壩不可或缺的內(nèi)容。大壩基礎(chǔ)處理方法主要包括:①對壩基軟弱巖體的混凝土進(jìn)行置換;②固結(jié)灌漿、接觸灌漿;③灌漿帷幕、排水帷幕以及巖溶防滲處理等。特高拱壩基礎(chǔ)通常較為復(fù)雜，一般采用多種方法相結(jié)合的綜合處理方案。例如錦屏一級(jí)拱壩左岸基礎(chǔ)處理幾乎運(yùn)用了所有的處理手段。1949年新中國成立以來，我國在復(fù)雜地基上修建了一系列高拱壩，在地基處理方面取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，解決了諸如龍羊峽、烏江渡、小灣、大崗山、溪洛渡、錦屏一級(jí)等水電工程出現(xiàn)的許多復(fù)雜的地基處理問題。

圖3 拱壩混凝土“三期九段”及“五區(qū)協(xié)調(diào)”控溫示意圖

近年來結(jié)合部分特高拱壩基礎(chǔ)處理實(shí)例，取得了新的研究成果。河床部位多個(gè)壩段基礎(chǔ)需深挖或擴(kuò)挖，其混凝土澆筑不再作為基礎(chǔ)回填，而是作為大壩嵌入基巖的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其混凝土澆筑是與上部結(jié)構(gòu)橫縫相銜接的分塊澆筑，連續(xù)上升澆筑。結(jié)構(gòu)分析和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)表明，如此處理不僅未影響上部結(jié)構(gòu)受力，而且增強(qiáng)了拱壩整體穩(wěn)定性，顯然較通常的基礎(chǔ)回填處理效果更優(yōu)。另外，拱壩壩肩若存在順坡向陡傾裂隙或?qū)倭严睹芗瘞r體，可在拱端下游壩址附近一定范圍內(nèi)的抗力巖體進(jìn)行適量錨索加固，不僅可以大幅度提高抵抗拱推力的作用，而且會(huì)大大增強(qiáng)基礎(chǔ)抗變形穩(wěn)定。溪洛渡、錦屏一級(jí)和大崗山拱壩的壩肩抗力區(qū)均實(shí)施了錨索加固。

2．10 施工技術(shù)

隨著二灘、小灣、溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山、拉西瓦等一大批特高拱壩工程的陸續(xù)建成，特高拱壩施工建設(shè)技術(shù)不斷發(fā)展，尤其在大壩施工仿真技術(shù)、混凝土施工質(zhì)量控制與進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)、大體積混凝土智能控溫技術(shù)、大壩混凝土澆筑4.5 m升層快速施工技術(shù)等方面取得了很大的進(jìn)步和突破。

a．大壩施工仿真技術(shù)。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、VR技術(shù)與現(xiàn)代工程技術(shù)的有機(jī)融合，能全面、快速考慮各類影響因素對工程施工的影響。1980年成都勘測設(shè)計(jì)研究院率先依托二灘工程開發(fā)了混凝土拱壩施工仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備自動(dòng)跳倉功能，能自動(dòng)判斷任意倉面是否滿足間歇期、備倉時(shí)間、機(jī)械干擾、入倉強(qiáng)度、壩塊間壓塊關(guān)系、相鄰塊高差等開倉要求，模擬大壩澆筑過程并計(jì)算工期，制定澆筑計(jì)劃，具有計(jì)算快捷、準(zhǔn)確且直觀的特點(diǎn)。通過30多年的持續(xù)研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新，形成了中國獨(dú)有的模擬仿真分析成套技術(shù)。

b．混凝土施工質(zhì)量與進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)。近年來發(fā)展了拱壩混凝土施工質(zhì)量與進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，從施工期混凝土自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測、施工信息集成與管理、施工與溫控反演仿真、施工反饋控制等4個(gè)環(huán)節(jié)系統(tǒng)地發(fā)展了特高拱壩全壩全過程施工質(zhì)量和進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了特高拱壩施工期工作性態(tài)實(shí)時(shí)可知可控。

c．大體積混凝土智能控溫技術(shù)。為確?；炷潦┕べ|(zhì)量、改善溫控作業(yè)人員工作環(huán)境、提升溫控技術(shù)水平，發(fā)展了大體積混凝土智能溫控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)采集、冷卻通水智能控制。通過系統(tǒng)自動(dòng)采集、智能控制和實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，突破了大體積混凝土智能溫控關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土溫控施工的精細(xì)化和智能化，使得拱壩混凝土溫控從粗放到精細(xì)，真正達(dá)到大體積混凝土溫控“早冷卻、慢冷卻、小溫差”的控溫目的，提高了大體積混凝土的溫控效率。

d．大壩混凝土澆筑4.5 m升層快速施工技術(shù)。特高拱壩工程規(guī)模大，建設(shè)工期長，若能實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)、高強(qiáng)度全年連續(xù)澆筑快速施工，對于縮短施工工期，工程及早投運(yùn)效益顯著。錦屏一級(jí)水電站工程攻克了混凝土澆筑4.5 m升層的溫控防裂、施工工藝、施工組織等三大技術(shù)難題，澆筑混凝土約230萬m3，占大壩混凝土總量的46%，未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。

3 特高拱壩建設(shè)有待深化研究的問題［10］

a．特高拱壩安全評(píng)價(jià)體系建設(shè)。大壩安全事關(guān)國計(jì)民生。壩高低于200 m以下的大壩安全評(píng)價(jià)較為成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富;特高拱壩的安全評(píng)價(jià)，通常要求進(jìn)行專門論證研究，主要參照Ⅰ級(jí)高壩的安全標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)。事實(shí)上，特高拱壩的基礎(chǔ)范圍大，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，水推力巨大，大壩受力屬性及大壩與基礎(chǔ)的相互作用以及作用效應(yīng)等均與一般高壩存在較大差異，需要有配套的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定分析的剛體極限平衡法，剪摩公式中的抗力∑CA項(xiàng)與壩高成平方關(guān)系，而抗力∑Nf和滑動(dòng)力∑T是與壩高成3次方關(guān)系，特高拱壩繼續(xù)沿用剪摩公式及較高的安全控制指標(biāo)，其合理性值得商榷［11］。采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和三維非線性有限元法開展拱壩整體穩(wěn)定分析及超載安全度研究，更需要多個(gè)工程實(shí)踐，逐步形成與方法配套的整體安全度評(píng)價(jià)體系。

b．特高拱壩風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)。特高拱壩具有失事概率低但失事后果嚴(yán)重的特點(diǎn)，因此不僅需要從工程安全角度進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，更要從社會(huì)公共安全角度進(jìn)行設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。特高拱壩的安全風(fēng)險(xiǎn)貫穿于工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行各個(gè)階段，因此，識(shí)別特高拱壩設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行階段的不同風(fēng)險(xiǎn)因素，開展特高拱壩在各個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)特征研究與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，提出風(fēng)險(xiǎn)防范和控制措施十分重要。

c．特高拱壩抗震性能研究。近20年來，結(jié)合一系列高拱壩工程的動(dòng)力響應(yīng)與抗震措施研究，拱壩動(dòng)力仿真分析理論與方法以及大型振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)等方面取得了巨大進(jìn)步，基本滿足了特高拱壩的建設(shè)需要。但與方法配套的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則或方法本身的進(jìn)一步完善，包括區(qū)域地震活動(dòng)性與場地地震安全性評(píng)價(jià)，工程抗震分級(jí)設(shè)防與安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，抗震措施及震害影響，防范地震風(fēng)險(xiǎn)的綜合對策等均需持續(xù)深入研究。

d．特高拱壩安全運(yùn)行健康診斷技術(shù)研究。拱壩安全運(yùn)行健康診斷研究的目的，是建立拱壩安全健康診斷指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)對大壩的全生命周期進(jìn)行管理和分析，及時(shí)對異?，F(xiàn)象作出預(yù)警、評(píng)判，為大壩管理部門的決策判斷提供技術(shù)支撐。通過對已建工程監(jiān)測資料、材料力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力應(yīng)變等的調(diào)查分析，建立合適的計(jì)算分析方法，開展系統(tǒng)反饋分析計(jì)算，提出特高拱壩安全健康診斷的監(jiān)測/檢測方法和指標(biāo)體系。同時(shí)需要開展建筑物內(nèi)部損傷探測、識(shí)別技術(shù)、安全綜合健康檢測評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)的研究，以及高拱壩在滲透壓力、高應(yīng)力水平、循環(huán)荷載作用下的混凝土耐久性研究，并開展錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿以及固結(jié)灌漿、防滲灌漿等的有效工作周期及其維護(hù)措施的研究等，從而對大壩全生命周期的安全運(yùn)行進(jìn)行健康診斷。

4 結(jié)語

拱壩建設(shè)的新浪潮，使拱壩設(shè)計(jì)技術(shù)得到大發(fā)展，分析手段得到大突破，建造技術(shù)得到新飛躍，因而我國特高拱壩建設(shè)成就斐然。隨著一批特高拱壩的建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，我國的混凝土拱壩建設(shè)技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。隨著更多高拱壩和特高拱壩工程的建設(shè)，拱壩建設(shè)技術(shù)將更加完善與豐富。

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