高坝技能是水电建设中的要害技能，也是多年来国家科技攻关的要点，为推进我国西部地区水电资源开发与使用发挥了重要效果。当时，咱们现已凝聚了一系列具有较深理论和重要实用价值的新效果及新经历；面向未来，对拟建的高坝及时提出新的要求和对其间的严峻技能问题展开深入研讨是十分必要的。
我国工程院院刊《我国工程科学》刊发《我国高坝建设和科技攻关》一文，介绍了我国大坝建设的展开和特征，归纳了高坝建设中的地质勘探、坝工技能、泄洪消能、坝基处理和髙边坡处理等方面的科技效果和使用水平，展望了我国高坝展开前景并指出往后高坝科技攻关要点。
半个世纪以来,特别是近20年来,我国先后已建成了一批大坝。据不完全统计,到1999年,已建成坝高15 m以上的大坝约2.4万座,已建、在建坝高150 m以上的大坝有16座(表1)。
通过国家科技攻关,在坝高、坝型、坝基处理、泄洪消能和高边坡处理等要害坝工技能方面均有新的展开。这些成就为21世纪初我国大型水电站高坝的建设积累了较丰厚的经历,并标志着我国已跻身于国际高坝建设的先进队伍。
到现在为止,我国已建最高的大坝是四川二滩坝,坝高为240 m。它是一座混凝土双曲拱坝,在国际同类坝型中摆放第4位(原苏联英古里坝坝高271.5 m,意大利瓦依昂坝坝高262 m,瑞士莫瓦桑坝坝高250.5 m)。现在,我国已建、在建各种坝型中最高的大坝见表2。
我国首要选用的坝型有:混凝土坝和土石坝。前者包含重力坝、拱坝、碾压混凝土重力坝、碾压混凝土拱坝、连拱坝、支墩坝等;后者包含防渗墙堆石(或土石)坝、面板堆石坝、定向爆炸堆石坝等。近年来,碾压混凝土坝和面板堆石坝展开迅速,已被全国广泛选用,高混凝土拱坝也在进一步展开。上述3种坝型各有自己的特征和宽广的展开前景。
它具有全断面薄层碾压、简化温控办法、加速施工速度、下降工程造价等长处,是展开的新坝型。我国在建最高的碾压混凝土重力坝为湖南江垭坝,在建最高的碾压混凝土拱坝是四川沙牌坝。这些大坝代表了现在我国的水平。国外已建高碾压混凝土坝有:日本浦山坝(坝高156 m)、宫濑坝(坝高155 m);在建的有哥伦比亚拉米尔一级坝(坝高188 m)。
这也是展开的新坝型。首要特征是能够使用当地材料、在土石坝中坝体断面小、坝内滋润线低、施工不受气候影响和导流渡汛简略,某些适宜条件下可较多地下降造价、缩短工期。现在,我国建成最高的面板堆石坝是贵州天生桥一级大坝,可代表我国的水平。国外已建高面板堆石坝有:墨西哥的阿瓜密尔巴坝(坝高187 m),巴西的阿里亚坝(坝高160 m),还有美国的新国库坝和巴西的辛戈坝(坝高均为150 m)等。
包含重力坝、双曲拱坝和拱形重力坝在内。拱坝具有较大的超载才能,可使用拱的效果充分发挥材料强度,坝体厚度较小,节省工程量。我国高混凝土拱坝在高坝中占有适当比重且有新展开。已建、在建高混凝土坝有:二滩双曲拱坝、龙羊峡重力拱坝、三峡重力坝、乌江渡拱形重力坝等。国外建成高混凝土拱坝较多,例如:原苏联英古里双曲拱坝,意大利瓦依昂坝,瑞士莫瓦桑坝、康特拉坝(坝高220 m)和南斯拉夫姆拉丁其坝(坝高220 m)等。高重力拱坝有:原苏联萨扬舒申斯克坝(坝高245 m)、美国胡佛坝(坝高221 m)和格兰峡坝(坝高216 m)等。
我国已建坝高150 m以上的仅有黄河小浪底土质心墙堆石坝。国外已建高心墙土石坝有:原苏联努列克坝 (坝高300 m) , 哥伦比亚瓜维奥坝 (坝高247 m) , 加拿大买加坝 (坝高242 m) 和美国奥罗维尔坝 (坝高230 m) 等。高心墙堆石坝有:墨西哥奇科森坝 (坝高261 m) , 哥伦比亚契伏坝 (坝高237 m) 和土耳其凯班坝 (坝高207 m) 等。
我国高坝泄洪单宽流量、总泄量和泄洪功率均居国际前列,现在泄洪量超越2×104m3/s的有20多座大坝,其间三峡大坝泄量1.025×105m3/s,溪洛渡、五强溪、水口等大坝泄量均大于5×104m3/s。而国外泄洪量超越1×104m3/s的已建高坝仅6座(伊朗迪兹拱坝选用竖井式泄洪隧洞,泄量仅为0.59×104m3/s)。在泄洪功率方面,二滩、构皮滩、溪洛渡等坝别离到达2.65×107kW、3.16×107kW和7.309×107kW。这使我国处理泄洪消能问题难度增大。通过屡次国家科技攻关,在多种联合消能,加大坝身泄洪,强化水舌空中涣散、磕碰、涣散落水点和减小冲击力、树立二道坝构成水垫塘消能和隧洞内消能等方面均有新的展开。
①杂乱岩坝基处理。已成功地选用归纳处理办法,如龙羊峡坝肩用传力槽塞、传力洞塞、网格局混凝土置换洞室和抗剪洞室,中高固结灌浆等,所用置换洞室混凝土量高达1.2×105m3;
④砂砾石地基处理。已建的混凝土防渗墙深度在70 m以上,塑性混凝土防渗墙也已在水口、十三陵大坝使用;
⑤可使用岩体研讨。意图在于削减坝基开挖,充分使用岩体,合理确认大坝建基面。曾对二滩坝基要点攻关,所提出的坝基合理开挖使用原则,已用于二滩和李家峡大坝,取得了明显经济效益。国外高坝根底处理,防渗帷幕超越200 m深的高坝有:土耳其凯班坝(幕深350 m),南斯拉夫姆拉丁其坝(幕深300 m)和瑞士大狄逊坝(幕深200 m)等。
它直接关系到大坝安全和经济效益。我国曾产生过柘溪、天生桥二级、漫湾、龙羊峡等处较多的滑坡问题。近年来,环绕该问题进行国家科技攻关的重要工程有:三峡库岸和船闸高边坡安稳,龙羊峡近坝库岸滑坡处理,天生桥二级高边坡管理等。特别是天生桥二级天然和工程高边坡总高达380 m,对管理做了许多科研工作,全面研讨地质条件,剖析多种变形和损坏机理包含“变温类似材料”模仿,最终选用减载,许多预应力锚索,抗滑桩,还做了地上地下排水工程,成功地按捺了巨大规划的滑坡。管理滑坡面积高达5.0×105m2,总开挖量达4.10×106m3,这样的处理规划是国内外稀有的。
高坝技能是水电建设中的要害技能,也是多年来国家科技攻关的要点。通过屡次国家科技攻关,取得了大批具有较深理论和重要实用价值的新效果和新经历。
可制作大比例(1∶2000和1∶500)的地形图,地质五颜六色影像图并展开地震地质、岩溶、边坡失稳等现象查询。
MS植物胶小口径金刚石钻进在砂砾石层可取原位不扰动岩心,大口径(1200 mm)全断面钻进在中等硬度岩体可钻进60m深度,小口径双层单动金刚石钻进可取脆弱夹层岩心。
浅层反射波地震勘探、瑞利波、电磁波、CT、地震波CT等技能都有新展开,还引证国外物探技能和量测仪器,使用情况杰出。例如,地质雷达(电源为电磁波)有:美国SIR-8型、SIR-4型;加拿大EKKO-1000型、EKKO-100型;日本YL-R2型。美国岩性探测仪(震源为太阳风),测深可达500～1000 m;瑞典深孔水下岩石三向应力气测设备,测深达300 m。
研发了系列化岩体力学及原位监测仪器,进步了围岩变形测验精度,完成了数据主动收集和处理。
以普定拱坝为例。①大坝为双曲非对称拱坝,全体结构,坝体不设纵缝灌浆,有诱导缝并预埋重复灌浆系统;②提出并选用了温度徐变应力剖析的数学模型和碾压混凝土全体拱坝三维仿真温度应力剖析办法;③大坝防渗处理是在近水面用二级配富胶凝材料的碾压混凝土,层间喷洒特种水泥——粉煤灰缓凝净浆;④在施工方面选用全断面通仓接连填筑技能,包含真空溜管、轿车和缆机运送、可调式全悬臂钢模板。还研讨成功无损快速检测混凝土质量的面波仪、高温缓凝剂、BW200型振荡碾样机和深槽高速皮带机等。
①开发和研发了较多的面板堆石坝核算程序及坝体非线性有限元数学模型;②对坝体材料功能、合理级配、接缝止水、根底处理、齿墙连接、面板分缝、堆石体过水渡汛和渗流模型等,展开的研讨均取得了新效果和新经历;③对面板施工研发并选用了无轨滑模,使工艺简略和做到经济建坝;④江西东津面板堆石坝使用垫层挡水,排水层排水取得成功,水深37.9 m,削减水头95%,坝体渗流坡降仅为0.034;⑤浙江舍网面板堆石坝,坝高36.5 m,成功地用半湿喷法喷混凝土做面板,实验28天抗压强度为28.5MPa,抗拉强度达2.26 MPa;⑥新疆乌鲁瓦提面板堆石坝,坝高135 m,它使用当地砂卵石料筑坝,节省了较多出资;⑦十三陵水库坝面和全库库盆,用钢筋混凝土防渗板来满意抽水蓄能电站库水位变幅大和骤降大的要求,技能上有新前进。
①提出坝与坝基耦合地震动摇呼应时域核算形式, 已用于拱坝动力剖析, 得出了‘地基辐射阻尼效应可下降拱坝动力影响’的定论,对强震区高拱坝规划有重要意义;②在高拱坝安稳和安全度剖析方面,提出拱坝沿地基滑动的形式及应力剖析办法,可算出滑动进程并给出拱坝安全度;③展开了裂隙岩体渗流基本理论、三维裂隙渗流网络的模型及渗流场与应力场耦合的三维非线性有限元剖析;④在拱坝体型优化方面,已编制出核算机程序,可考虑静力和地震效果,操控坝踵开裂,也可引进安稳安全系数为约束条件进行优化,还可用曲率半径方程一致描绘拱圈型式进行混合线型的体型优化,选出最佳体型和相应参数。
例如,陕西健康大坝用宽尾墩与消力池联合消能;河北潘家口大坝用宽尾墩与挑流联合消能;广西岩滩大坝用宽尾墩与戽式消力池消能;湖南五强溪用表孔宽尾墩,底孔挑流和消力池联合消能等。各种消能型式单宽流量均超越220 m3/s·m。
二滩、小湾、溪洛渡、拉西瓦、构皮滩等大坝的泄洪落差都在200m以上,研讨选用坝身表孔、中孔和岸边隧洞联合消能,选用适宜的孔口体型,鼻坎高程,挑角安置,使多股水舌空中磕碰后涣散落点。还在坝后建二道坝,构成水垫塘用来操控水流对塘底板的冲击力,其操控值为160 kPa左右,塘内单位水体消能率在10～20 kW/m3。
小浪底泄洪洞洞径为14.5 m,最大水头140 m,用3道孔板消能。经水力学实验,每级孔板均匀消降水头达20 m。四川沙牌大坝用旋涡式竖井消能,洞内流速可降到20 m/s。
配制成新式混凝土防渗墙材料。其间,高强度低弹模刚性混凝土有复合混凝土、微风化骨料混凝土和轻骨料(陶粒)混凝土;塑性混凝土有低弹模中强度粘土和膨润土混凝土,低弹模低强度膨润土混凝土。
研发成CFG型超声波槽孔检测仪。可测槽孔的宽度、深度、孔壁斜率及孔底淤积厚度等。
开发岩质高边坡安稳剖析和点评核算机软件系统,包含各种边坡失稳形式的安稳剖析,开始构成了边坡安稳剖析系统,已在多项工程上运用。
为削减开挖爆炸对岩质高边坡岩体危害,研讨开发了爆炸网络技能,预裂小直径低爆炸速炸药结构等,对加固技能提出群锚增效效应,预应力群锚锚固参数优化和先锚后挖等对策。
在高边坡监测和反响剖析方面,已提出可考虑开挖和加固进程的反响剖析办法,编制了监测材料数据管理系统软件。
建成大型高功能三向振荡台,它是进行结构,包含大坝在内的抗震实验的首要设备,可按恣意实测或人工地震模仿地震的再现,研讨建筑物包含大坝的实在地震效果下的反响。
建成大型土工离心模型实验机,最大长处是能在与原型等应力条件下研讨岩土工程(包含高土石坝)的应力变形状况及其损坏进程。
我国水电资源的70%以上散布在西部。为可持续展开战略所决议,在国家施行西部大开发政策的一起,作为洁净动力的西部水电资源的开发具有重要意义,与此有关的高坝建设无疑会加速步伐。因而,对21世纪初拟建的高坝(表3)及时提出新的要求和对其间的严峻技能问题展开深入研讨是十分必要的。例如:⑴处理300m量级的高拱坝技能(如锦屏一级、小湾、溪洛渡等高坝);⑵处理坝高200～300 m的面板堆石坝技能,包含土质或沥青混凝土防渗墙土石坝的技能;⑶处理高碾压混凝土坝技能(如龙滩碾压混凝土重力坝,坝高216.5 m)和坝高150 m以上量级的碾压混凝土拱坝技能;(4)处理狭隘坝址的高坝施工、大流量的导流技能(如溪洛渡、小湾、龙滩等高坝施工期1%～2%频率的导流流量将到达1×104m3/s上下)等。在结合各座高坝的详细情况执行上述课题研讨时,笔者提出如下主张:
我国高坝建设现在还处于展开阶段,坝高超越200 m的二滩拱坝仅是刚刚建成。国际上已建200 m以上的高坝有28座(其间坝高200～250 m量级的有22座,坝高250～300 m量级的有6座)。这些高坝均通过多年运转检测,实践证明其技能老练、建坝经历丰厚。学习他们的经历,特别是在高坝纽带优化安置、高坝安稳和坝体应力剖析、强地震区建高坝、杂乱地基处理、泄洪消能技能、高坝施工技能和高坝安全监测等方面的经历是很有必要的,这可使我国高坝建设少走弯路,避免大的失误。
针对严峻技能问题进行科技攻关是卓有成效的经历。200～300 m量级的高坝技能不同于100～150 m量级的大坝,其杂乱性和难度要大许多。由于每座大坝各有其特性,已有的效果难于悉数处理问题,需求重新的水平上针对21世纪初拟建的详细大坝之技能要害进一步深入研讨,这样做决不是重复攻关。笔者以为下述各方面可考虑作为攻关课题内容：
①高坝,特别是狭隘坝址上高拱坝的纽带优化安置;②高拱坝拱座安稳剖析、鉴定和坝体应力剖析;③高拱坝地震风险剖析和动力可靠性剖析(包含有用的抗震办法研讨);④碾压混凝土拱坝和重力坝向高大型展开的要害技能;⑤高坝消能防冲的最佳型式;⑥合适高坝建设用的混凝土特性研讨。
①面板堆石坝向高大型展开的要害技能 (包含在深覆盖层上建高面板堆石坝和高土质或沥青混凝土防渗土石坝的技能) ;②高土石坝的抗震安全性研讨;③高土石坝边坡监测、报警和有用加固办法和新工艺;④高土石坝的原型观测和剖析。
青海沟后坝,坝高71 m,是选用面板堆石坝,坝体为砂砾石,该坝建成蓄水后产生垮坝事端。这是我国仅有失事的面板堆石坝。经查询研讨以为,失事的技能原由于:面板与防浪墙底止水失效,库水从面板顶灌入坝体引起漫溢、冲蚀、塌滑而导致溃坝。首要经历有:①砂砾石填筑的面板坝也应有坝体分区,对级配和浸透功能应有要求并应设排水反滤设备;②严厉操控填筑层厚度,要求填筑密实,避免不均匀沉降;③确保面板周边缝、笔直缝、顶部与防浪墙连接缝的止水质量,避免有漏水通道;④在防浪墙结构的安稳、强度和答应的沉降变形等方面要满意规则要求。这一经历不只对面板堆石坝,并且对一切大坝,特别是高坝建设均极为重要。对新技能的使用一定要着重全面把握其方法,避免片面了解和缺少严厉技能把关。
如饱满大坝是30年代建筑的,是一座混凝土重力坝,坝高91.7 m,质量上有严峻缺点。通过屡次研讨选用补强改造技能(如进步大坝全体性、对坝基坝体和纵缝作灌浆处理、上下游坝面防渗处理、34#～36#坝段根底开裂处理等归纳办法)后,进步了工程防洪规范和大坝安全度,也确保了发电效益。我国高龄大坝较多,应将老坝改造视为大坝建设的组成部分。它的改造为老坝补强供给了经历。
