水工结构专业委员会
摘 要 2002年世界各国在建高度60m以上的大坝349座，其中中国88座，土耳其60座，伊朗45座，日本40座，印度11座，西班牙11座，六个国家占了比较大的比例。碾压混凝土坝、面板坝、拱坝和沥青混凝土防渗坝是国内外发展比较快的大坝类型，我国在碾压混凝土坝、面板坝和拱坝的关键技术研究和高坝建设等方面已居世界先进水平，在沥青混凝土防渗坝方面也取得了一定进步。本文综述了过去几年在高坝建设上所取得的重要进展。
关键词 碾压混凝土坝 面板坝 拱坝 沥青混凝土防渗坝
一、高碾压混凝土坝
自1986年福建坑口重力坝完建以来，我国已建成碾压混凝土坝46座，其中碾压混凝土拱坝8座，最高为沙牌碾压混凝土拱坝。目前正在施工的大坝有19座，其中最高的为招徕河碾压混凝土拱坝(高107m)。高124m的沙牌碾压?昆凝土拱坝、高192m的龙滩碾压混凝土重力坝一期分别于1997年、2001年开工，标志着我国碾压混凝土坝的筑坝技术达到新的水平。
1．200m级高碾压混凝土重力坝
“九五”期间，以龙滩为依托，国家组织了“200m级高碾压混凝土重力坝筑坝关键技术”课题的攻关研究。课题包括高碾压混凝土重力坝设计方法、高碾压混凝土重力坝渗流分析和防渗结构以及碾压混凝土性能和耐久性等3项专题研究。
在高碾压混凝土重力坝设计方法专题研究中，针对高碾压混凝土重力坝的特点，结合龙滩工程的实际，对坝体应力计算方法和承载能力、施工期温度应力分析和温控防裂措施、高气温多雨条件下碾压混凝土坝施工技术、碾压混凝土施工层面处理和坝体快速施工技术等问题进行了研究，研究工作以江垭(高131m)、大朝山(高11lm)和涌溪三级(高86.5m)碾压混凝土重力坝施工现场为试验场地，采用现场、室内试验研究和分析计算相互结合的方法，考虑了新理论的运用、新计算分析方法的提出、设计参数取值标准的选择、判别准则的拟订等一系列设计环节的协调配套，以建立适合我国高碾压混凝土重力坝特点的设计方法。研究成果已直接应用于龙滩工程。
高碾压混凝土重力坝渗流分析和防渗结构研究专题系统研究了碾压混凝土本体与层面的渗透特性，对斜层平推铺筑法的层面抗渗效果进行了评价，提出了满足碾压混凝土高坝防渗抗裂要求的变态混凝土配合比，提出了以变态混凝土作为大坝防渗结构一部分的结论，并设计出供龙滩及类似工程应用的防渗设计方案。该项研究研制了现场压水试验设备及其试验方法，完善了碾压混凝土重力坝渗流计算技术，对依托工程的防渗结构进行了论证。研究表明，龙滩采用变态混凝土和二级配碾压混凝土作为基本防渗结构是可行的，可以满足防渗和耐久性要求。碾压混凝土材料性能和耐久性研究专题进行了考虑防渗抗裂要求的碾压混凝土配合比优化、碾压混凝土在不同水力梯度作用下的渗透溶蚀特性、高温缓凝减水剂及新型掺和料，以及碾压混凝土性能和耐久性关键技术的研究。提出了碾压混凝土配合比的数据库和计算机辅助设计方法、龙滩大坝4个分区的优化配合比、碾压混凝土渗透溶蚀机理、含层面碾压混凝土的系列性能、新型高温缓凝减水剂及其缓凝机理、层面保塑砂浆技术、磷矿渣和凝灰岩复合掺和料代替粉煤灰等研究成果，成果已经用于大朝山碾压混凝土坝。
2．100m以上高碾压混凝土拱坝
“九五”期间，以沙牌为依托，国家组织了“lOOm以上高碾压混凝土拱坝关键技术”课题的攻关研究。课题包括高碾压?昆凝土拱坝分缝及筑坝材料特性、碾压混凝土拌和设备的研制、高碾压混凝土拱坝的快速施工、高碾压混凝土拱坝现场快速质量检测技术以及高碾压混凝土拱坝原型观测等5项专题研究。
高碾压混凝土拱坝分缝及筑坝材料特性研究专题根据沙牌的实际情况，研究了坝体的温度应力、坝体分缝方案的优化以及提高筑坝材料抗裂能力的问题。研究取得的lOOm级高碾压混凝土拱坝配套技术，包括诱导缝设置方法、仿真计算程序、诱导缝成缝和重复灌浆技术、预埋高密度聚乙烯冷却水管、高精度绝热温升测试仪及高铁低铝的水泥成分选择等，已应用于实际工程。其中接缝重复灌浆技术对于工程及早发挥效益至关重要，该技术包括灌浆管路布置、橡胶套阀出浆盒以及超细水泥灌浆材料，大比尺模型结果表明可进行3次灌浆(含两次重复灌浆)，且灌浆效果令人满意。这些高碾压混凝土拱坝配套技术具有推广应用前景。
碾压混凝土拌和设备研制专题研制出的200m3/h连续强制式混凝土搅拌机具有搅拌时间短、结构简单、所需功率小、可靠性高、操作简单等特点，特别适合于快速连续生产混凝土的需要。该设备已经应用于沙牌和索风营工程。
高碾压混凝土拱坝的快速施工专题研究开发的施工模拟程序软件，能够指导沙牌的后续施工，进行进度预测；开发的lOOm级负压溜管技术用于解决碾压混凝土入仓高差为lOOm的技术问题，在运输过程中不致分离；研究的变态混凝土技术可以替代常态混凝土，具有施工速度快、温控措施简化、质量可靠的特点；改进的皮带输送机将推动峡谷地区碾压混凝土坝技术的应用。
高碾压混凝土拱坝现场快速质量检测技术专题研制的快速综合测试仪，可测试碾压混凝土的压实密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量和弹性波波速等多种力学参数；研制的碾压混凝土施工质量管理系统可以对施工过程中的检测数据进行存储、查询、计算、绘图和制表，并进行分析评估。本专题在国内外首创电动势法测试碾压混凝土层面初凝时间，是目前唯一能在分子层面直接测试碾压混凝土初凝时间的方法，成果不仅可用于碾压混凝土，也适用于常态混凝土。
高碾压混凝土拱坝原型观测专题进行了大坝原型观测设计研究、原型观测成果分析及反馈分析应用研究、碾压混凝土埋人式测缝计的研制以及旋流竖井原型观测设计研究。专题紧密结合沙牌实际，研究成果直接应用于依托工程，为确保沙牌的安全可靠运行及发挥综合工程效益起到了作用。
3．围堰
碾压混凝土施工快捷，工艺简单，不少围堰都采用了碾压混凝土施工，如大朝山围堰高52m，施3282天完成。三峡继纵向围堰后，在第三期横向围堰(高115m，长580m)碾压混凝土达167万m3，原计划于4个月内完成挡水发电，由于施工组织严密，下部用自卸汽车，上部用塔带机，提前17天完成。月浇筑强度47.6万m3，日浇筑强度2.1万m3，小时浇筑强度1278m3，平均日上升1.2m，经钻芯样检查，质量很好。
最近还有龙滩上围堰 (高89.7m)、构皮滩上围堰(高72.6m)，将陆续兴建，碾压混凝土量也将达到47万m3和110万m3。
二、混凝土面板堆石坝
近几年混凝土面板坝建设在国内发展很快。“九五”期间，结合水布垭面板坝，国内开展了200m级高混凝土面板堆石坝的关键技术研究，研究专题包括水布垭筑坝材料工程特性研究、水布垭坝体应力变形分析研究、强震区面板坝动力分析研究、面板混凝土抗裂耐久性研究、适应大变形的接缝止水结构和止水材料研究、新型检测设备及资料反馈分析研究。
对于水布垭，人们最关心的问题是，是否会发生坝体沉陷导致面板断裂，周边缝位移致使止水失效。因此，一方面提高堆石体压实质量，减小坝体变形；另一方面提高面板的抗裂性和耐久性，研究适应大变形的止水结构型式和止水材料。在筑坝材料研究方面，研究了硬、软岩石料的工程特性(重点是变形特性)，合理应用开挖料，通过自愈性研究确定垫层料、小区料，通过现场爆破试验、现场碾压试验进行堆石体变形特性的研究和反演分析。在堆石体应力变形研究方面，对堆 石体的流变特性进行了研究，在流变模型及其参数确定方面取得进展，进行了水布垭面板坝考虑堆石体流变因素后的应力变形状态研究，为大坝优化设计提供了依据。在面板开裂耐久性方面，对混凝土抗裂性能及其影响因素进行了研究，进行了面板抗裂分析，研究了面板的合理配筋率和配筋位置，据此提出了面板的抗裂措施；进行了混凝土溶蚀机理的研究，对混凝土溶蚀耐久性年限进行了估算。在周边缝止水结构方面，对常规止水结构进行了论证，提出了具有更高安全性的新型止水结构型式，对自愈性止水结构进行了研究；在止水材料方面，改进了的国产塑性嵌缝止水材料，在性能上已经超过了国外的相关材料；底部铜止水在设计方法方面有所突破；另外其他配套止水材料及其施]132艺方面也取得了较大进展。这些研究成果已基本可以满足200m级高面板坝建设的需要。
强地震区面板坝的动力研究以黑泉和吉林台面板坝为依托，①进行了二维、三维面板坝振动模型试验，对各试验方案得到了自振频率、阻尼比和振型等动力特性，为验证和改进计算方法和程序提供了系统全面的资料；②研究提出了面板坝三维有效应力非线性动力分析方法和程序，对紫坪铺进行了动力分析和抗震安全评价；③研究了堆石体的动变形特性，开发了 等效线性静动力耦合计算方法和程序，对吉林台面板坝的坝坡稳定、面板抗裂和止水结构安全性进行评价；④采用经过验证的等效线性方法对黑泉面板坝进行了三维动力分析，提出了有效工程抗震措施；⑤建立了大型振动台土石料模型试验相似率，研究了用大型振动台模型试验研究面板坝动力特性和地震动力反应的试验技术，证明了其合理性，并将其应用于实际工程中。另外以吉林台为依托，面板坝止水结构的动力试验分析也取得了进展，提出今后进行面板坝接缝动力分析时，应考虑止水材料对接缝计算模型的影响，以便得出合理的接缝动力响应。理论分析和试验研究都表明，混凝土面板堆石坝的抗震能力较强。以上这些成果为面板坝的动力分析和设计提供了依据，为今后的改进和完善奠定了基础。
随着面板坝建设的发展，这一坝型的设计准则也同时在发生变化，施工技术也在不断改进。从经济上考虑，要求面板更薄，配筋更少，过渡层厚度更小。重新考虑堆石分区，堆石碾压中少用或不用水。挤压边墙施工技术改变了广泛采用的整修大坝上游表面及在混凝土浇筑前将其保护起来的碾压法，目前正在公伯峡面板坝进行试验研究。
三、混凝土高拱坝
混凝土高拱坝已成为大型水利枢纽的主要坝型之一。1998年，高240m的二滩拱坝投入运行；2002年，高292m的小湾拱坝开工建设。小湾将成为世界第一高拱坝，其开工标志着我国高拱坝建设已经达到新的水平。
“九五”期间，结合小湾拱坝，国家组织开展了300m级高拱坝的抗震技术、结构问题以及枢纽设计关键技术三项课题的研究。
300m级高拱坝抗震技术研究课题包括地震危险性分析和地震动输入机制研究、高拱坝地震分析方法和坝肩动力稳定性研究、高拱坝抗震应力控制标准和抗震结构工程措施研究三项专题内容。①课题紧密结合溪洛渡(坝高273m)、锦屏(高305m)和小湾工程实际，针对我国水电建设中地震危险性评定过程中存在的不完善之处进行了攻关，成果有效提高了大型工程抗震设计的安全性，将地震输入机制和场地效应的研究推向了一个新的研究领域和水平。②提出了高拱坝抗震设计专门论证方法和显式有限元时域波动分析程序，并应用于龙羊峡竣工验收和溪洛渡的抗震设计。③提出了高拱坝抗震应力控制标准和抗震结构工程措施，包括对设置底缝的评价、横缝的设置和抗震钢筋，提出了布设减震装置取代钢筋的设想，并结合小湾给出了具体方案和减震效果。
300m级高拱坝结构问题研究课题包括高拱坝应力控制标准研究、高拱坝新型合理体型研究、高拱坝坝基稳定研究三项专题内容。①课题结合小湾、溪洛渡拱坝，对高拱坝应力控制标准进行了研究，包括拱坝的设计应力、混凝土可用强度和拱坝应力控制标准，分析了拱坝应力水平系数和安全系数，研究成果对高拱坝的合理应力控制标准提供了理论依据，对高拱坝设计具有指导意义。②进行了高拱坝体形优化关键技术研究，从多拱梁优化发展到有限元优化，静力优化发展到动力优化，单目标优化发展到多目标优化，使拱坝优化技术更接近于工程实际，提出的抛物线新体形方案已被小湾等工程采用。③进行了坝肩岩体力学参数研究、渗流场及渗流控制措施研究、拱坝与地基整体失稳机理研究以及坝肩坝基加固措施研究，成果对高拱坝设计具有重要参考价值和推广应用前景。
300m级高拱坝枢纽设计关键技术研究课题包括小湾、溪洛渡高拱坝大流量泄洪关键技术研究、超大型洞 室群合理布置及围岩稳定研究、坝址 和近库岸滑坡体稳定性研究、小湾高 拱坝施工技术研究等专题内容。①针 对小湾、溪洛渡，开展了泄洪消能方案优化、水垫塘的冲刷及底板稳定性、拱坝泄洪共振、泄洪雾化、将导流洞改为泄洪洞等内容的研究，不仅具有重要理论价值，对工程设计也具有指导意 义。②结合小湾、溪洛渡进行了超大型地下洞室群关键技术问题的研究，在初始地应力场、渗流控制与优化、围岩稳定及支护方式、地下洞室群的合理布置、合理施工顺序、施工系统仿真、抗震稳定性诸方面有所创新，提高了我国超大型地下洞室群的设计水平。③结合小湾、溪洛渡进行了滑坡体稳定性研究，查明了不同类型的边坡状况，确定了堆积物、滑坡群的成因机制，提出了加固方案；完善了基于塑性力学上限定理的边坡稳定三维极限分析方法，通过离心试验研究了小湾堆积体下部基岩的阻滑效应，另外提出了滑坡非线性动力学模型分析方法。④在施工技术方面，针对小湾开展了坝肩开挖、坝体混凝土浇筑、接缝灌浆、中后期导流程序、施工强度和工期、洞室群施工等多项研究并取得进展，对确保工程顺利进行提供了保证。
四、沥青混凝土防渗技术
近年来，沥青混凝土防渗结构在我国坝工建设中的应用又有新的进展。目前我国已建成沥青混凝土心墙土石坝12座，沥青混凝土面板土石坝(含蓄水库)28座，在建的沥青混凝土防渗护面的堆石坝(蓄水库)有3座，沥青混凝土心墙坝有3座，还有相当数量的拟建工程也将采用沥青混凝土防渗结构。
水工沥青混凝土防渗技术在我国已基本成熟，与国外先进水平的差距主要表现在国内还没有形成一家掌握先进施工技术、拥有先进施工设备技术(特别是水工沥青混凝土摊铺机技术)的专业施工队伍。值得注意的是，我国自行研制的沥青混凝土摊铺机已具有一定技术水平，相关关键技术已获得专利，研制的摊铺机在重庆洞塘、新疆坎尔其和甘肃峡口得到应用，效果令人满意。
(执笔：贾金生、郝巨涛、鲁一晖)注：本文已收录在《中国水利学会专业学术综述(第五集)》。
责任编辑 李计初