四 创新争辉

建所50年来，我所为我国水利水电建设作出了巨大贡献，同时为我所争辉，故特请在职与退休的专家撰写创新争辉文章有以下36篇：

1	水工混凝土温度应力与温度控制	朱伯芳
2	拱坝体形优化及几个重要问题研究	朱伯芳
3	混凝土坝的夏季施工问题	丁宝瑛
4	粉煤灰混凝土的研究和应用	甄永严
5	混凝土坝安全监测工作概况	经萱禄
6	混凝土坝与地基联合作用仿真分析	陈平
7	混凝土断裂特性研究及应用	于骁中、张武功
8	混凝土耐久性研究及应用	曹建国
9	边界元方法及其在工程中的应用	陈平
10	云峰大坝响声由何而来？	赵佩钰、关英俊、经萱禄
11	长江三峡工程混凝土配合比优化试验研究	甄永严
12	岩石水力学及其在水利水电工程中的应用	陈重华、陈平、李雪春
13	钢衬钢筋混凝土压力管道结构的研究与应用	董哲仁
14	我所在碾压混凝土筑坝技术发展中的创新	姜福田、陈改新
15	面板堆石坝面板混凝土研究及应用	杨德福、马锋玲
16	碾压混凝土拱坝大仓面碾压混凝土温度控制技术	胡平
17	光测弹性力学在水利水电工程中的应用	张晓宇
18	混凝土面板堆石坝接缝止水材料及新型止水结构的研究与应用	郝巨涛、傅元茂、赵波
19	预应力技术的研究与应用	刘致彬
20	高分子材料研究及在水利水电工程的应用	买淑芳
21	大坝安全监测技术研究及应用	张进平、卢正超
22	科学研究与工程实践相结合的几点体会	沙慧文
23	为我国电测技术在水工结构中的应用与核电站建设作贡献	金学龙
24	碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆技术研究及应用	黄国兴
25	混凝土徐变与收缩性能的试验研究	惠荣炎、黄国兴
26	氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术	张国新
27	碾压混凝土石粉掺合料研究及应用	陈改新
28	渠道输水系统防渗抗冻胀新材料新设备研究与开发	鲁一晖
29	水工混凝土结构的检测、评估与修补加固技术	孙志恒
30	创优质工程  为人民造福	王国秉
31	参加天荒坪抽水蓄能电站上池沥青混凝土施工	贾金生
32	宝泉抽水蓄能电站上水库面板沥青混凝土施工	岳跃真
33	丰满大坝长期安全性全面治理可行性方案研究评价	鲁一晖
34	新型外加剂开发	纪国晋
35	赴三峡总公司试验中心作技术咨询	黄国兴
36	结构材料研究所前三十年的变迁	李智岭

水工混凝土温度应力与温度控制

朱伯芳

1955年进行响洪甸拱坝设计时，在我国首次进行了从施工期到运行期全面的温控计算，并发表了我国在混凝土坝温度控制方面最早的两篇文章，引起了国内普遍关注。文中首次提出了浇筑层水化热温升的理论解和有热源水管冷却的二维精确解和三维近似解。

1958年水利水电科学研究院成立，在结构材料所内设立了一个温控研究组，成员有王同生、丁宝瑛、郭之章和笔者等人。当时一大批混凝土坝投入设计和施工，我们几个人几乎跑遍了全国大型混凝土坝工地。我们在这一阶段提出了非均质弹性徐变体的两个基本定理、基础块温度应力影响线、寒潮应力、相邻坝块高差等大量研究成果，并为一系列大型混凝土坝提出了温度应力和热学性能研究报告。1963—1964年写出了第一本专著“水工混凝土结构的温度应力和温度控制”初稿，该书系统地阐述了水工混凝土温度应力和温度控制的基本原理和工程措施，并首次在国内介绍了有限元法和断裂力学（当时称为裂缝理论），1966年5月已印出清样，本计划当年出书，不幸十年动乱开始，一直拖到1976年才出版。我们本来计划于1965年开始进行有限元法和断裂力学的试验研究，混凝土断裂韧度试模都已加工好了，但形势剧变，全组人员于1965年初下放到刘家峡水电站工地搞“设计革命”，有限元和断裂力学的研究计划胎死腹中，我国混凝土断裂力学研究被推迟了10年。十年动乱中，研究工作被迫中断。1969年水科院被撤消，作者被下放到三门峡工地，住在聊蔽风雨的土坯房中，无所事事，遂邀请宋敬廷同志合作进行有限元研究，编制了我国第一个有限元温度徐变应力仿真程序等5个程序，为葛洲坝、乌江渡、龙羊峡、三门峡改建等工程提供了大量计算成果，并为三门峡坝进行了国内第一次仿真计算，充分展现了有限元的优势。1979年水科院恢复后，温度应力专题研究也得以恢复。参加温度应力研究的有朱伯芳、丁宝瑛、张国新、许平、王同生、郭之章、宋敬廷、王国秉、胡平、岳耀真、杨萍、杨波、黄淑萍、刘毅、梁建文、张翼、李玥、吴龙王申 等同志。我们经多年研究，完成了以下工作。

1．建立了水工混凝土温度应力与温度控制较完整的理论体系

过去虽然发展了分缝分块、水管冷却、预冷骨料等防裂措施，但缺乏水工混凝土温度应力与温度控制的理论体系的指导，国内外实际上仍然是“无坝不裂”。经过多年努力，我们建立了水工混凝土温度应力与温度控制比较完整的理论体系，包括各种水工混凝土结构温度应力变化的基本规律和主要特点、一整套实用的计算方法、一套高效的有限元仿真计算方法和程序、温度应力控制准则及重要部位必须长期保温的理念。在这一理论体系的指导下，已实现了从“无坝不裂”到“无裂缝坝”的历史性跨越。

（1）柱状浇筑块温度应力

研究了浇筑块形状对温度应力的影响，指明了“薄块长间歇”的危害性；提出了基础温差及上下层温差应力计算方法及其与浇筑块长度的关系，研究成果获广泛应用并为拱坝和重力坝规范采用。

（2）气温变化引起的温度应力

提出了一整套由气温变化引起的浇筑块、重力坝和拱坝的温度应力计算方法，包括气温日变化、寒潮和年变化，以上计算方法已为新编拱坝和重力坝设计规范所采用。还发表两篇文章，提出坝段越冬温度应力计算与运行期气温和水温年变化在重力坝和拱坝中引起的温度应力，利用这套计算方法可以对施工期和运行期的表面保温层进行设计。

（3）重力坝温度应力

国内外过去对重力坝温度应力研究很少，对重力坝温度应力基本规律缺乏了解。我们进行了系统研究，提出通仓浇筑重力坝温度应力的特点是，内部温度降低缓慢容易产生上游劈头裂缝，上下层温差可产生较大的拉应力，基础温差应与自重及最低水位叠加，孔口超冷以及应采用较大抗裂安全系数等。

提出重力坝上游面劈头裂缝成因分析及其预防措施：加强上游面表面保温、缩小横缝间距、增加止水至坝面距离、尽可能降低坝内温度，减小内外温差等。

提出碾压混凝土坝温度应力与温度控制的基本规律和主要特点：水化热温升略低、抗裂能力较常态混凝土略低、仓面大、热量倒灌多、横向通仓浇筑易发生上游面劈头裂缝、纵向通仓浇筑、一浇混凝土在两岸就受基岩约束，给温控带来困难，以及垫层混凝土薄层长间歇，极易发生裂缝。

提出重力坝加高温度应力计算方法、温度应力控制准则以及解决新老混凝土结合面脱开的技术措施等，为丹江口大坝加高所采纳。

（4）拱坝温度荷载与温度应力

我国过去采用美国垦务局公式计算拱坝温度荷载，忽略了气候条件及封拱温度，计算结果与实际情况相差很远。我们提出一套新的拱坝温度荷载计算公式与库水温度计算公式，为拱坝规范和水工荷载规范采用。提出考虑库水位的变化及寒冷地区有永久保温板的拱坝温度荷载计算方法。

提出碾压混凝土拱坝温度荷载计算与接缝设计原则，国内外初期建设的碾压混凝土拱坝不设横缝，我们指出如果不能在低温季节浇完全坝，或地处寒冷地区、坝体准稳定温度场较低，碾压混凝土拱坝不设横缝是不可行的。还提出碾压混凝土拱坝设置横缝的原则、埋设水管的必要性，并建议用预制混凝土块形成横缝，这些建议均为目前兴建的碾压混凝土拱坝所采纳。

（5）水闸与船坞的温度应力

过去国内外均未研究水闸和船坞温度应力，我们首次进行了研究，指出水闸和船坞虽建于软基上，基础约束作用很小，但先浇筑的闸底板等已充分冷却，对上面闸墩或坞墙形成约束仍可能引起贯穿裂缝，提出了一个级数解法和一个简化解法计算水闸与船坞的温度应力。

（6）基础梁温度应力

提出了弹性半平面上基础梁温度应力的切贝雪夫多项式解法，计算方便，精度高，得到许多设计规范采用。

马斯洛夫教授提出了文克尔地基梁解法，但没有给出地基抗力系数，因此在实际工程中未能应用。笔者用弹性力学给出了地基抗力系数，并根据梁与地基相对刚度进行分类给出了一个实用算式，还在《土木工程学报》上发表“地基上混凝土梁的温度应力”一文，指了目前土木工程中采用的计算方法之不足。

（7）氧化镁混凝土筑坝

氧化镁混凝土筑坝是我国首创，曹泽生、唐明述及有关单位做了大量工作，我们也做了一些工作，提出氧化镁混凝土筑坝的六大差别：室内外差别，即原型混凝土膨胀变形比室内试验结果小，地区差别（南方比北方效果好），时间差别（薄壁混凝土降温快，氧化镁混凝土膨胀变形来不及发展），基础温差与内外温差的差别（氧化镁对基础温差变形有补偿作用，对内外温差将加大表面拉应力），坝型差别（对重力坝基础约束区有补偿作用，拱坝则较复杂），以及内含与外掺氧化镁差别，内含氧化镁煅烧温度高（1450℃左右），外掺轻烧氧化镁煅烧温度低（900～1100℃），两者膨胀量及膨胀时间均不同；内含氧化镁在正规水泥厂内生产，质量有保证；外掺氧化镁目前由小厂生产，质量难以保证，大型工程很少采用。

提出氧化镁混凝土膨胀变形计算公式。

（8）混凝土徐变理论研究

提出非均质弹性徐变体的两个基本定理：

【定理1】 满足比例变形条件且泊松比为常量的非均质弹性徐变体，若无温度变化，部分边界给定外力，部分边界位移为零，则在边界力和体积力的作用下，徐变不影响其应力状态，只影响其应变，并可用徐变柔量计算。

【定理2】 满足比例变形条件且泊松比为常量的非均质弹性徐变体，若体积力为零，部分边界给定已知位移，部分边界外力为零，则在温度变化和边界已知强迫位移的作用下，其位移与弹性体位移完全相同，不受徐变影响，应力则受徐变影响，并可用松弛系数计算。

提出弹性徐变应力有限元隐式解法、晚龄期混凝土结构简谐应力分析的等效模量法，以及弹性模量、徐变度和松弛系数的表达式等，均获广泛应用。

（9）抗裂安全系数

以前坝工规范中采用抗裂安全系数为1.3～1.8，进一步考虑试件尺寸效应、湿筛影响和时间效应，抗裂安全系数实际只有0.55～1.11，抗裂安全系数偏低是大体积混凝土出现大量裂缝的根本原因。目前混凝土温控水平已显著提高，已有可能适当提高抗裂安全系数，笔者建议按极限拉伸计算的安全系数K₁=1.6～2.2，按抗拉强度计算的安全系数K₂=1.4～1.9。《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005根据笔者建议已把K₁从1.3～1.8提高到1.5～2.0。

2．有限元仿真计算的高效算法和程序

有限元是目前计算温度应力的重要方法，但混凝土坝分块分层浇筑，仿真计算需要密集网格和大量时步，计算量惊人。我们提出了一套高效算法，包括多层复合单元、分区异步长算法、水管冷却等效热传导方程和复合算法等，使模拟混凝土坝实际施工过程进行仿真计算成为可能。

开发的有限元仿真程序有：

（1）1972年笔者与宋敬廷合作，编制了我国第一个二维有限元弹性徐变温度应力仿真程序，对三门峡重力坝进行了我国第一次仿真应力分析，显示了有限元的巨大优势，为三门峡改进、乌江渡、葛洲坝、龙羊峡等工程提供了大量计算成果。

（2）丁宝瑛、王国秉、胡平等开发了三维有限元弹性徐变应力程序（混凝土结构温控防裂全过程仿真计算软件包），为很多工程提供了计算成果。

（3）张国新开发了SAPTIS三维非线性有限元徐变应力程序，除实体单元外，还有节理单元、非线性功能及高效求解器，广泛用于实际工程。

（4）许平开发了SIMU DAM三维有限元温度徐变应力程序，程序具有较强的自动化功能，已用于多项实际工程。

3．混凝土高坝全过程温度与应力仿真决策支持系统

混凝土坝只在少数几个观测断面埋设了少量观测仪器，在施工期和运行期，对坝体内部的温度场和应力场的变化实际是不够了解的。在水利部国科司的大力支持下，我们开发了混凝土坝全过程温度和应力仿真决策支持系统，它包括三个子系统：① 全坝全过程仿真和预报子系统，从浇筑第一方混凝土开始到投入运行，进行现场全过程仿真，并可在不同时刻对后续温度场和应力场进行预报；② 温度场反分析子系统；③ 决策支持子系统；已在几个新老工程中应用，获得良好效果。

4．全面温控、长期保温、结束“无坝不裂”历史

到上世纪五十年代，混凝土坝温控措施包括分缝分块、水管冷却、预冷骨料及表面保温已相继提出，但实际上仍然是“无坝不裂”，Dworshak、Revelstoke等坝的裂缝还相当严重，经较深入研究，笔者发现主要原因是人们对表面保护在认识上存在误区，由于施工中往往是一次大寒潮后出现一批裂缝，因此长期以来人们只重视混凝土早期的表面保护，而忽略后期的表面保护。研究结果表明，如果在严格控制基础温差、做好水平浇筑层面和接缝面的短期表面保护外，还能做好上下游表面的长期表面保护，就能防止裂缝的出现，结束“无坝不裂”的历史，近年江口拱坝及三江河拱坝，竣工后都未出现裂缝。

在三峡三期工程开始前，经过计算分析，笔者建议三峡三期工程在大坝上下游表面用3～125px厚聚苯乙烯泡沫板长期保温，在施工中得到执行，加上三期工程中进行了全面的严格的温度控制，到目前为止，未发现一条裂缝。实践经验表明，温度应力理论是正确的，只要全面温控、长期保温，就可以防止裂缝，结束无坝不裂的历史。

在我国首次实现了从“无坝不裂”到“无裂缝坝”的历史性跨越，我们还提出了在不同地区、不同坝型、坝体不同部位对表面保护的不同要求。

5．编写出版专著

（1）《水工混凝土结构的温度应力与温度控制》（1976），本书较全面地阐述了水工混凝土结构温度场和温度应力场的变化规律、计算方法和控制温度、防止裂缝的技术措施。

（2）《大体积混凝土温度应力与温度控制》（1999），本书建立了大体积混凝土温度应力与温度控制比较完整理论体系，包括：各种水工混凝土结构温度应力变化的基本规律和主要特点，一整套工程实用的计算方法，一套完整的、高效的数值仿真算法，温度应力控制标准及控制温度防止裂缝的技术措施。

（3）《有限单元法原理与应用》（第一版1979，第二版1998），本书系统地阐述了有限单元法的基本原理及其在各种工程问题的应用，其特点是力学概念清晰，出版至今近三十年仍颇受读者欢迎，一再重印。

我们的研究成果在实际工程中获广泛应用，并被重力坝、拱坝、船坞、水工混凝土结构及水工荷载等国家规范大量采用。“水工混凝土温度应力研究”成果于1982年度获国家自然科学三等奖，“混凝土高坝全过程仿真分析及温度应力的研究应用”成果获2000年度国家科技进步二等奖，“大体积混凝土徐变应力研究”成果获1998年度水电部科技进步二等奖，“混凝土高坝全过程仿真分析及温度应力的研究与应用”成果获1999年度水利部科技进步二等奖。

拱坝体形优化及几个重要问题的研究

朱伯芳

1949年以前我国没有混凝土拱坝，上世纪五十年代建成响洪甸和流溪河两拱坝之后，混凝土拱坝得到迅速发展，我国已建成的拱坝数量早已居世界首位，目前在建的锦屏一级拱坝(305m)、小湾拱坝（292m）和溪洛渡拱坝（278m）的高度均超过了世界最高的英古里拱坝（272m），一个国家同时兴建三座世界上最高的混凝土拱坝是史无前例的，何况我国还同时在兴建拉西瓦拱坝（250m）等一大批其他混凝上拱坝，我国拱坝建设的规模在全世界是空前的。

笔者有幸参加了我国第一座拱坝——响洪甸拱坝的设计，在我国首次进行了混凝土坝温度控制的全面分析，并提出了浇筑层水化热温升理论解和有热源水管冷却解法，1957年调入水利水电科学研究院之后，也一直致力于混凝土拱坝的研究，特别是1978年以来，对拱坝体形优化及几个重要问题进行了深入研究，取得了大量有价值的成果。参加本专题研究的有朱伯芳、厉易生、贾金生、饶斌、杨波、张国新、许平、宋敬廷、谢钊、张武、栾丰等同志，主要进行以下几方面研究工作：

1．拱坝满应力设计方法

拱坝满应力设计是作者提出的拱坝优化的初步方法，它是在坝体中面（或上游面）形状已确定的情况下，利用满应力条件决定坝体厚度，使材料强度得到充分利用。满应力设计只考虑了应力条件，还需要进行适当修改，以满足其它条件。满应力设计由计算机自动完成，计算很快，计算方法很简单，能给出一个满足应力条件的很节省的方案，比以前利用经验公式给出的初始方案要好得多。

2．拱坝体形优化

拱坝体形优化是用数学规划方法求出拱坝的体形，包括拱坝中面（或上游面）的形状和坝体厚度的变化。

（1）拱坝体形优化的数学模型

拱坝体形优化就是用n个设计变量表示拱坝的体形，然后用数学规划法求出n个设计变量的解，它们满足全部约束条件，并使目标函数取最小值。

拱坝体形优化能否在实际工程中推广应用，关键在于数学模型。国外拱坝优化虽然搞了多年，但未能实际应用，就是由于数学模型脱离实际。我们建立了实用化的数学模型，主要有两点：第一，采用实用的几何模型，以多项式描述拱冠梁剖面，水平拱采用单心圆、多心圆、椭圆、抛物线、对数螺旋线、统一二次曲线等常用型式，容易为设计人员接受，但体型参数通过优化决定；第二，约束条件符合拱坝设计规范；因此优化结果满足设计规范要求。

实际经验表明，以坝的造价或体积为目标函数求得的拱坝最经济体形，与以坝的最小安全系数为目标函数求得的最安全体形，坝体主要几何特征十分相似，这就表明，拱坝体形优化的实质是坝体结构力学特性的优化，材料强度得到了最充分的发挥，“最经济”与“最安全”是坝体力学特性优化的两种不同表现形式。

（2）内力展开法

以前结构优化主要采用Schmit的应力展开法，但应力与拱坝厚度之间是高度非线性关系，应力线性展开精度低，收敛很慢。

内力是与荷载保持平衡的，当结构尺寸变化时，荷载基本保持不变，所以内力的变化也不大。基于这一原理，作者提出了在结构优化中应用的内力展开法，即把结构控制点的内力（包括轴力、弯矩、剪力、扭矩等）展开为一阶泰勒级数。

内力展开法的收敛速度比应力展开会要快得多。内力展开法是一个普遍方法，不仅适用于拱坝，也可用于其他结构的优化。

（3）ADASO程序

我们研制的ADASO程序具有强大的应力分析和优化功能：（1）可对各种拱型进行优化，包括单心圆、双心圆、抛物线、椭圆、双曲线、统一二次曲线、对数螺线、混合曲线等；（2）可考虑各种约束条件；（3）可考虑分期施工、蓄水；（4）可考虑静荷载加地震荷载。该程序计算成果比较合理，得到包括小湾拱坝在内的广泛应用。

在拱坝体形优化中，同时对各种拱型进行优化，求得各自最优体形，然后优中选优，决定最终采用的体形，因此，工作效率和设计质量都大大提高。

（4）工程应用

我们建立了合理而实用的数学模型，并且有步骤地，由小型到中型、到大型、到特大型，把拱坝优化应用到实际工程中，在应用中不断改进数学模型和计算方法。到目前为止，已应用于瑞洋拱坝（高54.5m）、江口拱坝（高140m）、拉西瓦拱坝（高250m）等100个以上实际工程，一般可节省坝体混凝土5%～30%，收到了明显的经济效益和社会效益。

3．有限元等效应力及其允许值

有限元法有强大的计算功能，但坝因坝踵应力集中，未能用于拱坝设计。由于岩体存在裂隙及材料塑性变形，实际上应力集中不一定那么严重。我们提出了有限元等效应力法及相应的应力控制标准，为新编拱坝设计规范所采纳，从而为有限元法应用于拱坝开辟了道路。

我们同时用有限元等效应力法和多拱梁法对国内外十几座拱坝进行了计算，发现两种方法算出的压应力数值相近，但有限元等效应力法的拉应力比多拱梁法约大25%；因此采用有限元等效应力法时，允许压应力不变，允许拉应力可从1.20MPa放宽到1.50MPa，这些研究成果已纳入新编拱坝设计规范。

有限元等效应力法应用于重力坝也是合适的。

4．混凝土标号与混凝土强度等级

过去我国混凝土坝一直采用基于90d龄期的混凝土标号，《混凝土重力坝设计规范》DL 5108-1999改用基于28d龄期的混凝土强度等级，由于水坝施工周期长达数年，笔者认为这一改变欠妥。当时正在编制中的水利行业《混凝土重力坝设计规范》和电力行业《混凝土拱坝设计规范》原稿也拟采用混凝土强度等级C，在笔者提出意见后，经专家会议审议，均已决定采用混凝土标号R（但拟采用C₉₀和C₁₈₀符号）。

经研究，工业与民用建筑工程采用混凝土强度等级C是合理的，水坝工程采用混凝土强度等级C是不合理的，应该继续采用混凝土标号。

5．特高拱坝的抗压安全系数

我国混凝土拱坝设计规范要求90d龄期混凝土抗压安全系数不小于4.0，由于工程重要，特高拱坝安全系数本应适当提高，但实际情况正好相反，目前一些特高拱坝设计中，反而把抗压安全系数改为180d龄期不小于4.0，如按90d龄期核算，安全系数实际上已降低到3.5左右，欠妥。

对国内外拱坝实际采用安全系数进行分析后，发现中国特高拱坝安全系数偏低。换算成我国标准的拱坝抗压安全系数，国外有些高拱坝在4.46～8.67之间，绝大多数在4.5～5.2之间，没有一个小于4.4的，而前苏联和中国的3个特高拱坝安全系数最低，英古里3.90，二滩坝3.64，小湾坝3.75。因此必需适当提高特高拱坝的抗压安全系数。具体意见是特高拱坝的抗压安全系数按设计龄期90d、375px立方体试件、80%强度保证率考虑，最好取4.50，至少不应低于4.00；如设计龄期为180d，最好取5.00，至少不应低于4.50。

6．混凝土坝安全评估与监控方法的现代化

现行混凝土坝设计中采用的应力分析（拱梁分载法）和稳定分析（刚体极限平衡法）方法基本上是七八十年前的老方法，均存在着不足，现行混凝土坝施工期和运行期安全评估方法也存在着不足，因此提出混凝土坝安全评估的有限元全程仿真与强度递减法，简称SR法，可以模拟混凝土坝从基础开挖、混凝土浇筑、接缝灌浆到投入运行的全过程，可以求得比较符合实际的应力和变形状态，并对大坝安全作出比较切合实际的评价，可以克服现行安全评估方法的各种缺陷。

在设计阶段采用SR法，对坝的设计方案进行比较精细的安全评估，如法国加日拱坝、托拉拱坝、中国梅花拱坝和响水拱坝那样的事故是可以避免的。在施工阶段，进行现场仿真分析，可随时了解当时大坝的应力状态，并可预报后期大坝应力状态，如发现问题可及时采取对策，像柯因布兰拱坝那样的重大事故有可能避免。在运行阶段，采用全程仿真可以对大坝的安全状态作出比较切合实际的评估，对陈村拱坝和丰满重力坝进行的安全评估证实了这点。

7．渗流场分析的夹层代孔列法

渗流场对拱坝应力和变形有重要影响，排水孔是渗流场中的奇点，如何考虑排水孔的作用是渗流场有限元分析的一个难点。为此，笔者提出杂交元法，张有天提出边界元与有限元耦合法，王镭等提出子结构法，这些方法用来分析单个坝段是方便的，但用于分析拱坝全坝地基的渗流场，仍有困难。笔者提出以等效排水夹层代替排水孔列，利用普通三维渗流程序，即可分析有排水孔的三维渗流场。

夹层法计算与排水孔附近加密网格的有限元计算结果表明，在建基面上，两种计算结果不但竖向力相等，弯矩也相等，即力学作用完全相同，但用夹层法计算时，划分网格已不必考虑排水孔间距和直径，结点数量大大减少，前处理也非常简单。

“拱坝优化方法、程序与应用”1998年获国家科学进步二等奖，“高拱坝体型优化及结构设计研究”1992年获能源部科技进步一等奖，“高拱坝应力控制标准研究”2002年获中国电力科学技术一等奖。

混凝土坝的夏季施工问题

丁宝瑛

我国幅员广大，水利资源丰富。自改革开放以来，大型水利水电工程不断开发，设计、科研和施工项目如雨后春笋般不断增加。但是，这些开发的工程大多地处北纬30度以南，由于工程浩大，工期要求很短，不可避免的要求全年施工，因而夏天也要进行混凝土浇筑，这就造成夏季施工的困难问题，如何解决这一问题，经与设计、施工与高校等有关单位密切合作，研究总结出以下几方面的措施，经工程实践证明，措施可行、效果显著，基本上能有效地解决混凝土坝夏天高速施工问题。

（1）选择高镁水泥或外掺轻烧MgO膨胀剂：一般水泥厂的水泥产品含有极少量的MgO矿物成份，一般不超过4.5%。MgO含量小于3%的水泥配制的混凝土不会产生膨胀，MgO含量超过5.0%的水泥配制的混凝土可能产生破坏的后果。如果在制备混凝土时选择MgO含量3.5%~5.0%的水泥，则混凝土会产生微量的膨胀，这种微量膨胀会抵消结构混凝土温降收缩变形，从而减小混凝土结构裂缝的发生。

（2）尽可能采用石灰岩骨料：我国大型水利水电工程目前多地处大西南，恰好这些地方的岩石多数为石灰岩层，因为石灰岩的热膨胀系数较小，据一些工程单位的试验，河卵石骨料制备的混凝土的热膨胀系数为10×10^-6/℃，而石灰岩骨料混凝土的热胀系数只有（5~7）×10^-6/℃，混凝土结构因冷缩产生的拉应力可减小50%左右，能够大大减少结构混凝土裂缝的发生。所以在选择混凝土骨料时，应该进行技术经济比较，尽量选择石灰岩人工骨料。

（3）预冷骨料降低混凝土浇筑温度：国内预冷骨料混凝土最高水平为7℃，但是一般工程单位能做到的入仓温度为17~18℃，一般要求温控不高的工程，可以满足要求，要求严格的工程还要采用其他的工程措施。

（4）采用塑料冷却水管削减水化热温升高峰：以往冷却水管采用的是1吋钢管，一是造价贵，二是施工麻烦，近年来改用塑料水管，造价低而施工方便。现场试验证明，用2吋塑料管的冷却效果相当于1吋钢管，但用水量比用钢管大。过去冷却水由统一冷冻厂制冷水，由总水管送到坝前，再由支管输到蛇形管，由于这一套系统施工麻烦，需时较长，冷却水住往不能及时通水，所以不能达到预期的冷却效果，因而设计人员对于采用冷却水管的措施表示疑虑。近年来市场上有单个机组移动式冷水系统设备出售，解决了长途输水的困难，冷却水管的冷却效果可以得到保证，因而这一措施在设计中也被肯定。

（5）表面保护措施被广泛重视：这一措施的使用相当久远，但是表面保护材料的研究却相当落后，直到近10年来聚苯乙烯塑料板的使用，才找到一种合适的材料，从而得到广泛的应用。表面保护的灵活运用，一方面可以防止混凝土冷量损失和热量灌入，另一方面可以减小内外温差，都对防止结构混凝土裂缝有很好的作用。

此外一些常规的通用的简单的措施，如仓面喷雾、表面流水、冷水拌和等，与以上各种措施的不同组合，可以解决夏季热天混凝土施工，满足温控设计的要求，最大限度地避免结构混凝土裂缝。

几十年来温控专题组与各有关单位密切合作，对各种温控措施进行了理论分析和具体工程计算，为设计和施工提供了一些帮助，承担多项国家科技攻关项目与部级重点项目，取得大量科研成果，为国家的水利水电建设做了一定贡献。

参加本专题研究的先后有丁宝瑛、王国秉、黄淑萍、胡平、孙计平、岳跃真、朱绛、董福品、杨萍等同志。

“高混凝土拱坝防裂技术及其在东风工程中的应用”研究成果获1992年度国家科技进步二等奖，“普定混凝土拱坝全断面碾压混凝土施工”研究成果，获1998年度国家科技进步一等奖。“湖南东江水电站双曲拱坝坝后背管的设计与施工”研究成果获1992年度国家科技进步三等奖，“东风双曲拱坝防治裂缝的研究”成果获1992年度能源部科技进步一等奖，“水工补偿收缩混凝土快速建坝”研究成果获1993年度电力部科技进步二等奖，“碾压混凝土拱坝大仓面碾压混凝土温控技术研究”成果获1996年度电力部科技进步二等奖，“二滩拱坝温度徐变应力研究”成果获1990年度能源部科技进步三等奖，“东风混凝土拱坝温控防裂优化设计与特殊浇筑块的温度应力分析”研究成果获1991年度能源部科技进步三等奖。

粉煤灰混凝土的研究和应用

甄永严

粉煤灰是由燃煤电厂粉煤炉烟道气体中收集的粉末。在我国粉煤灰数量大而分布范围广，不利用对环境污染十分严重。结合水工混凝土的特点和要求，粉煤灰是水工混凝土良好的掺合料。我所在上世纪七十年代就开始研究粉煤灰和粉煤灰混凝土。从水工混凝土为了节约水泥而掺用粉煤灰，一直到把粉煤灰作为“功能材料”对水工混凝土进行改性，在水工混凝土中全面推广应用粉煤灰。受水电部的委托负责组织水电系统的粉煤灰研究工作，解决了一系列的关键技术问题，并首先提出了超量取代粉煤灰混凝土配合比设计方法（后被当时的国标采用），提高了混凝土质量，我所的研究工作从室内的性能研究与编制粉煤灰应用国家标准到工程推广应用，有力地推动了粉煤灰在水工混凝土中的应用。在水工混凝土中掺粉煤灰被认为是几十年来我国坝工技术取得的重要进展之一。我所从粉煤灰的微观结构、颗粒形貌、活性机理、物化特性，以及粉煤灰混凝土拌和物特性和硬化混凝土的力学、变形、热学、耐久、抗裂等性能进行全面的研究。

先后参加本专题研究的有甄永严、杜佩瑜、趙庚、沙慧文、杨德福、杜小春等同志。在粉煤灰的研究、应用及推广中解决了以下关键技术问题：

（1）粗粉煤灰的利用问题

在二十世纪七十年代，我国火电厂还缺少电收尘器，所收集的粉煤灰多为粗灰（当时还没有分级标准），含碳量较高，质量较差，应用效果不好，影响粉煤灰的推广应用。针对粗灰问题，研究了两条措施，一是采取磨细的措施，使粉煤灰需水量比由105%以上降低到100%左右，从原来对混凝土起增水作用变为具有一定的减水效果。同时，还大大地提高了粉煤灰火山灰活性，提高了粉煤灰质量；二是超量取代，这是一种有效地利用较粗粉煤灰的方法，即在混凝土配制时用部分粉煤灰代砂子，在贫混凝土配合比设计时用超量取代法。上述两种措施，为利用粗粉煤灰提供了有效途径。

（2）“贫钙”问题

该问题直接牵涉到在混凝土中能否掺用粉煤灰及掺多少粉煤灰，不解决所谓“贫钙”问题将直接影响粉煤灰在水工混凝土中的推广应用。为此，我们调查了早期高掺量粉煤灰的三门峡和欧阳海水电工程，通过钻芯取样检测发现，分别于23年后和16年后两个工程混凝土抗压强度都在继续增长，不存在混凝土由于高掺粉煤灰而强度退缩问题。后又对岩滩和普定两工程碾压混凝土（粉煤灰掺量更高）进行试验研究，研究结论是，岩滩大坝碾压混凝土粉煤灰掺量可达70%，而普定碾压混凝土坝也能掺65%，若要超过，应作全面论证。所以不用担心掺粉煤灰会使混凝土后期强度倒缩。

（3）粉煤灰混凝土的耐久性问题

粉煤灰混凝土的耐久性好坏，直接影响到粉煤灰在水工混凝土中的推广应用，特别是高掺粉煤灰的碾压混凝土，而且当时国内外尚缺少这方面研究成果。我们结合岩滩和普定两座碾压混凝土进行粉煤灰最大掺量和抗冻耐久性研究。研究成果显示，高掺粉煤灰40%的碾压混凝土抗冻等级可达F400，解决了粉煤灰混凝土的耐久性问题。

另外，在福建池潭和广西大化水电站大坝混凝土中推广应用粉煤灰，大化水电站大坝内部混凝土掺量已达57%（包括代砂部分），取得了良好的效果。

粉煤灰的研究成果，共获部科技进步三等奖1次、二等奖2次，国家科技进步三等奖1次。普定碾压混凝土耐久性研究拓宽了碾压混凝土应用部位和地区，使碾压混凝土可用于大坝耐久性部位和寒冷地区。该课题是普定碾压混凝土拱坝快速施工新材料新技术一部分，获得部科技进步一等奖和国家科技进步一等奖。

混凝土坝安全监测工作概况

经萱禄

二十世纪50年代初期，在丰满和位于淮河上游的几座混凝土坝仅开展了位移、沉陷等简单的外部观测工作，随后开始在上犹江、响洪甸、流溪河等混凝土坝内零星地埋设了温度计、应变计、应力计等仪器，并安装了垂线观测设备等。直到二十世纪50年代末期才对新安江、三门峡等大型混凝土坝系统地开展了较大规模的内、外部观测工作。这些大坝工程的观测设计和仪器安装埋设基本上是水科院协同有关单位进行的，而当时所用的内部观测仪器主要是依靠瑞士和日本进口的。

1958年作者从日本归国，被分配到水科院结构材料所工作。作者在日本时从事大坝安全监测工作，并与日本共和电力公司技术协作，生产了差动电阻式系列（又名卡尔逊）仪器，因而在回国时带回一整套仪器及图纸。由于当时国内建设需要大量观测仪器，结构材料所趙佩钰所长委派作者和林世卿等人到南京、上海等地寻求协作单位。最初上海教育仪器厂同意协助制造内部观测仪器，而由科培仪表厂生产比例电桥。林世卿同志则长期蹲点驻厂协助，这才使我国自制仪器有了良好的开端。由于国内水利水电工程对观测仪器的需求量逐渐增大，水电部令直属单位南京水利电力仪表厂（南京自动化设备厂前身）也生产此类仪器，由此自上世纪六十年代初起我国水利水电工程就全部使用了国产观测仪器。该仪器的稳定性良好，宜埋于混凝土内长期使用。目前已广泛地应用于其他领域的土建工程中，长期监测及掌握建筑物的运行状态，以确保安全。

1958年和1960年水科院结构材料所先后举办了两期混凝土坝观测人员训练班，加强了基层单位的技术力量。由作者主要负责和观测组有关同志于1960年合作编著出版了《混凝土坝内部观测》一书。1964年中国水利学会委托结构材料所负责召开了水工建筑物原体观测学术讨论会。

在应变计观测资料整理方面，由于观测工作要求应变计有很高的长期稳定性，因此测值中除含有偶然误差外，还可能存在系统误差，这就会对资料的整理和分析带来困难。观测组于1964年提出了以统计理论为基础的一整套观测资料分析方法，可随时控制观测误差的出现，并应用“连”的检验法，检查测值是否有系统误差存在，该法于二十世纪70年代由成都计算机应用研究所，将该方法编制了程序，并应用于龚咀混凝土重力坝观测资料分析，取得了良好的效果。

1964年，结构材料所观测组首次对柘溪大头坝用有效弹性模数方法进行了实测应力分析，其成果发表于《水利学报》上。陶家发同志对应变计进行了动态观测试验，获得了良好成果。这证实了在某一频率范围内，该仪器完全可以应用于动态观测，从而扩大了该仪器的应用范围。

总的来说，在1966年以前观测组的工作重点是协助工厂进行仪器的制作，并与有关工程单位协作进行观测仪器的布置与埋设等工作。此外，还进行了对观测工作的普及、交流、推广和促进等工作。

在1966年以后的10年期间，一些中央的科研机构和设计单位被撤消或外迁，但一些基层单位的有关人员仍在仪器研制、资料分析和安全监测等方面继续作出了一定的贡献。如林世卿同志在二十世纪60年代初期由水科院下放后辗转调至南京水利电力仪表厂，“文革”期间储海宁和吕刚两同志也相继调至南京。他们都在观测仪器或二次仪表方面作出了成绩和贡献，但水科院的观测工作几乎处于停顿状态。

二十世纪70年代后期水科院结构材料所恢复重建，但原观测组人员调回的很少，这阶段的工作，重点是保证观测仪器的质量及增加品种、培养新生力量、资料分析，以及了解国内外研究动态等方面。

1982年作者和林世卿制定了六项观测仪器仪表的国家标准，该项目1985年获国家科技进步三等奖。这里值得一提的是林世卿同志将原有四芯仪器改为五芯，并对仪表的线路作了改进。这一措施大大地提高了差动电阻式仪器的性能，即电缆的最大长度由原来100米增长至6000米，基本不受导线间的不等值变化对测值的影响，因而大大地提高了量测的稳定性及精度。

1984年在葡萄牙召开的“Safety of Dams”国际会议上，作者代表我国所提出的“A genecal view on the safety monitoring of concrete dams in China”一文中介绍了我国使用五芯电桥的情况，并在大会上作了报告，在会上即刻受到澳大利亚代表的赞扬。澳方代表认为这一改进克服了目前在使用差动电阻式仪器上的缺点，随后他们向我国订购了一批这种仪器，并得到了好评。

1985年在瑞士召开的第15届国际大坝会议上，作者与林世卿共同提出了一篇名为“New advanced in elactic wire resistance type meters”（电阻式仪器的新进展）的文章中，详述了其原理及试验和实测成果。这篇报告受到了一些国家的重视，尤其是著名的瑞士胡根堡厂家曾表示愿意投资并要求技术合作。该公司曾派经理赴南京访问过。

为了培养新生力量，作者先后招收了3名研究生，张进平即是其中之一。他对刘家峡与新安江两水电站的钢蜗壳及其外围钢筋混凝土的长期观测资料进行了分析，并建立了涉及实际断面的力学模型，进行了有限元计算，以验证观测分析成果。对新安江水电站蜗壳上的钢板计及钢筋计首次用示波器记录了充水与放水时的应力变化过程，得出了钢蜗壳与外围钢筋混凝土联合作用成果，并对“从实测应变计算应力中的徐变问题”进行了研究，期望在现有徐变理论水平上，提高计算效率，使应力分析工作更好地发挥作用。以上两专题都提出了研究报告。

研究生印倍乐对69m高的恒山拱坝的位移进行了回归分析，这在外部观测资料分析方面作出了很好的开端。总之，水科院结构材料所原型观测组是我国大坝安全监测工作起步最早的，它促进了全国各水利水电工程的安全监测工作，随后国内的坝工的监测工作逐步得到充实和发展。二十世纪70年代末至80年初，为了使国内有关人员及时了解并掌握国内外在安全监测方面的动态，作者搜集了国内外大量资料，编写了“我国混凝土坝工建筑物原型观测工作的进展”、“国外关于坝工的原型观测与安全监控的若干情况”、“大坝安全监测的发展趋势”、“国外关于混凝土坝原型观测中若干问题的简介”等报告。庄万康同志编写了“混凝土坝位移观测资料分析方法综述”与“长期观测数据的误差处理方法的探讨”等文章。

目前在国内无论在观测仪器设备生产方面或实际大坝安全监测工作方面似乎都能看到水科院结构材料所留下的影子，譬如在南京生产监测仪器设备的三个单位，都有原水科院结构材料所观测人员参与着。林世卿同志于1994年退休后自办新厂，也生产各类坝工监测仪器，并增加了品种，提高了灵敏度等，部分仪器设备应用于三峡工程。林世卿同志不幸于2000年得了白血病而故世，他爱人接受了这一严酷的事实，继续了他的事业。为了纪念他和作者的永恒友谊，于2002年将其工厂更名为“南京林经岩土工程监测仪器有限公司”继续生产。

混凝土坝与地基联合作用仿真分析

陈平

本项目研究是在参加龙滩水电站坝型比选阶段提出来的。在龙滩水电站坝型比选阶段，比较了拱坝、面板堆石坝及重力坝3种坝型。拱坝方案由法国Coyne et Bellier公司进行了设计咨询，该公司进行了拱坝方案的三维有限元弹塑性计算，计算模型中考虑了3条断层（F₂、F₆₀、F₆₆），但法国人的计算存在以下三个问题：（1）断层F₁及F₄对工程影响较大，计算中未予考虑。（2）未进行初始渗流场分析，法国人假定山体中地下水位与河水齐平，但实际上山体中地下水位很高，由这一假定可能引出重大误差甚至错误。（3）蓄水后未进行渗流场分析，而是把原本是分散的渗流荷载简化为直接作用在帷幕上的全水头水压力。由于存在以上重大问题，使得地基F₂断层计算的相对位错过大。为此法国Coyne et Bellier公司的咨询报告建议对F₂断层采取规模巨大的工程处理措施，致使拱坝方案完全失去了优越性。中国水科院结构材料所张有天同志在研究了法国Coyne et Bellier公司的咨询报告后，向设计单位（中南勘测设计研究院）提出了上述看法，设计单位委托中国水科院对龙滩水电站拱坝方案进行复核分析。

复核分析的计算采用与法国Coyne et Bellier公司相同的计算域，类似的网格划分，大部分单元采用二次等参单元，模型中增加了F₄断层，考虑了与F₂断层平行的岩石层面的非线性特性，将拱坝坝身单元由1层单元增为2层单元。分析方法采用了增量荷载法。在计算过程中，应力分析考虑了地基的非线性影响。

复核分析的渗流计算作了初始渗流场和蓄水后的渗流场分析，应力计算作了初始应力场、坝建成后的应力场、蓄水后的应力场分析。复核分析与法国Coyne et Bellier公司分析的最大差别就是F₂断层的相对位错。我们的计算结果最大相对位错为2.3mm，而法国人的计算结果是15 mm。由于位错减小，F₂断层的处理工程量可大幅度减小，此外坝体的应力分析结果也更接近实际。

本项研究的关键技术如下：

1．增量荷载法，对于拱坝，增量荷载法应采取如下计算步骤：

（1）计算初始渗流场h₀及相应的渗流荷载f₀。

（2）计算初始应力场：按初始应力实测资料，由岩石自重、构造力及初始渗流荷载对山体初始应力场s_R(0)进行回归分析。

（3）坝基开挖：坝基开挖前要修筑围堰，进行基坑排水，山体渗流场由h_o变为h₁，相应的渗流荷载为f₁，计算由增量渗流荷载Δf₁=f₁-f₀及因开挖应力释放产生的山体应力场增量Δs_R(1)，则坝基开挖后山体应力场为。

（4）坝体竣工：坝体浇筑应考虑坝体温度荷载的影响，按浇筑过程再分为若干计算步进行增量应力分析。在初设阶段，也可暂不考虑坝体的温度荷载，按坝体整个浇筑完成，横缝灌浆前作为一个计算步。在坝体施工的同时，山体中的排水隧道也在施工。计算在山体排水隧道完成后的渗流场h₂及渗流荷载f₂，计算渗流荷载增量Δf₂=f₂-f₁及坝体自重作用下大坝与地基的应力增量分别为Δs_D(2)及Δs_R(2)，则坝体竣工后大坝与地基应力场分别为，。

（5）大坝蓄水：大坝横缝及帷幕灌浆完成并蓄水，大坝近似按不透水介质考虑，计算蓄水后山体因绕坝渗流所形成的渗流场h₃及渗流荷载f₃，计算渗流荷载增量Δf₃=f₃-f₂，坝上下游面水压力及大坝建基面扬压力作用下大坝与地基应力增量分别为Δs_D(3)及Δs_R(3)，则蓄水后大坝及地基应力分别为、。

在上述计算过程中，应力分析应考虑地基的非线性影响，即使进行弹性分析，也必须采用上述增量荷载法。如果将各种荷载，如自重、水压力、渗流荷载、温度荷载等都同时作用于大坝，而不从研究地基初始应力场和初始渗流场开始，按工程面貌变化过程作增量荷载分析，则会得出错误的结果。

2．应力场与渗流场的耦合问题。一般来说，对拱坝设计，应当考虑应力场与渗流场之间的相互影响，若不考虑应力场与渗流场的耦合问题，将使计算结果偏于不安全。在龙滩水电站拱坝方案的分析中，未能考虑应力场与渗流场的相互影响的耦合问题，但随着研究工作的深入，在国家“八五”科技攻关项目中，对拉西瓦拱坝和小湾拱坝的分析中都考虑了应力场与渗流场的耦合问题。

3．连续降雨对工程的影响。初始渗流场是降雨间歇时段的平均值，若遇长历时较大降雨，地下水位将暂态性上升，对两岸边坡及坝肩稳定是一个必须考虑的重要工况。在降雨过程中，山体渗流场变化是与时间相关的问题，必须用裂隙网络水力学进行分析。

本项研究成果成功应用于龙滩水电站重力拱坝与地基联合作用分析、漫湾水电站重力坝与地基联合作用分析、拉西瓦水电站拱坝与地基联合作用及坝肩稳定分析，以及小湾水电站重力拱坝与地基联合作用分析。

参加本项研究的有张有天、王镭、陈平等同志。

“龙滩、漫湾水电站混凝土坝与地基联合作用仿真分析”研究成果获1991年度能源部电力科学技术进步二等奖，又获1993年度国家科学技术进步三等奖。

混凝土断裂特性研究及应用

于骁中  张武功

混凝土坝是我国大中型水利枢纽和水电站的主要挡水建筑物。从大量调查得知，混凝土坝的主要病害有裂缝、滲漏、冻融破坏、冲刷、磨损和空蚀，以及环境水侵蚀等，其中最主要的病害是裂缝。

对混凝土坝裂缝危害性的评估和加固措施的研究是很重要的课题，特别当出现重大裂缝时，需要深入进行分析研究。所幸，自上世纪六、七十年代以来，由于电子计算机与有限单元法的不断发展，使我们可以进行越来越大规模的计算。在此期间，力学研究的新分支断裂力学也得以发展，并且被引入混凝土结构中，产生了混凝土断裂力学。这两方面的结合，就可以更有效地研究混凝土坝的裂缝问题。上世纪七十年代，我所就开始了混凝土断裂力学和有限单元法的研究工作。先后参加本专题研究的有于骁中、居襄、曹建国、王秀军、张彥秋、郭桂兰、周家聪、张武功等同志。

我所混凝土断裂力学研究始于1974年， 起因是探讨用线弹性断裂力学研究密云水库溢洪道闸墩裂縫的可能性。1977年后结合柘溪大头坝劈头裂缝的研究，使混凝土断裂力学的研究取得了较大的进展。

本专题主要研究混凝土坝与闸墩等大体积混凝土的裂缝问题。混凝土断裂参数是表征混凝土断裂特性的，也是混凝土断裂力学应用于工程实践的关键。最主要的参数是断裂韧度K_IC和断裂能G_F。对混凝土断裂特性进行了以下研究：

１）进行了大量混凝土断裂韧度K_IC的试验研究和理论分析, 以便阐明裂缝端微裂缝区，亚临界扩展长度，混凝土的抗拉强度、骨料粒径及试件尺寸等因素对K_IC的影响，提出了确定K_IC的公式和线弹性断裂力学的应用条件。

２）由于混凝土坝中的裂缝多数是复合型裂缝，因此进行了混凝土复合型裂缝的断裂准则的理论和试验研究，提出了包括准则和裂缝转角的工程断裂判据，其中一些判据已用于混凝土坝裂缝稳定分析。

３）进行了大量混凝土断裂能G_F的试验研究，主要采用三点弯曲梁和紧凑拉伸试件，研究了Ｇ_F与抗拉强度的关系，骨料粒径与试件尺寸对G_F的影响，取得了一批试验成果，同时也开展了非线性断裂力学的研究。

对混凝土坝的严重裂缝首先应分析其产生的原因，其次应研究其现在及发展后对混凝土坝的危害性，最终的目的是决定是否要加固及加固的原则。因此裂缝危害性评估包括以下四项内容：

1）裂缝原因分析，视坝体为连续介质，常采用材料力学和弹性力学方法。

2）采用断裂力学分析裂缝的稳定性，求出在不利荷载组合下裂缝的发展过程和裂缝的形状及长度。

3）采用材料力学和弹性力学方法分析在各种可能缝长下坝体的应力和稳定性，判断裂缝对坝体的结构安全度的影响，给出现有的安全度。

4）根据现场观测裂缝对大坝运行与大坝耐久性的影响，综合评估裂缝对坝的危害，并提出是否要加固及加固原则的建议。

   由上可见，确定各种荷载下裂缝的长度是关键，对此断裂力学是比较有效的方法。

 用线弹性断裂力学分析了密云水库第一溢洪道闸墩裂缝、柘溪单支墩大头坝上游面裂缝、湖南镇梯形坝坝踵裂缝、峡山水库溢洪道闸墩裂缝、侵窝水库混凝土溢流坝闸墩裂缝，以及陈村重力拱坝105米高程裂缝影响与稳定性等问题。

由于骁中主编出版了《岩石与混凝土断裂力学》一书，“混凝土断裂力学研究及其在水工结构中的应用”一文获1988年度水电部论文二等奖，“混凝土断裂力学在柘溪大头坝裂缝研究和加固中的应用”研究成果获1991年度国家科技进步三等奖。

水工混凝土耐久性的研究及应用

曹建国

在上世纪八十年代，我所成立水工混凝土耐久性专题组，至今已近三十年，一直由李金玉同志任专题组长，在该专题组工作过的有曹建国、范沈抚、杜小春、徐文雨、邓正刚、关遇时、林莉、田军涛、李芳、韩本正、王爱勤等同志。这三十年来，混凝土耐久性专题组进行了大量研究工作，取得了丰硕的科研成果，主要研究成果如下：

（1）通过调查提出“全国水工混凝土建筑物耐久性和老化病害处理调查报告”

原水电部于1985年组织中国水科院、南京水科院与长江水科院等9个单位对全国32座混凝土大坝和40余座钢筋混凝土水闸等水工混凝土建筑物耐久性和老化病害的调查，由中国水科院执笔编写了“全国水工混凝土建筑物耐久性和老化病害处理调查报告”，该报告对推动水工混凝土耐久性研究起到了重大作用。

（2）混凝土抗冻性研究方面成果有：

①通过混凝土在冻融过程中宏观特性和微观结构的测试，得出了混凝土冻融破坏机理；

②硬化混凝土气泡性质（平均直径、比表面积、气泡间距系数）对混凝土抗冻性有较大影响，抗冻混凝土的气泡间距系数一般不宜超过400mm；

③C60高强混凝土抗冻性不能满足F300要求，但C80、C100等级高强混凝土具有超常抗冻性，其抗冻等级大于F1200。高强混凝土冻融破坏机理是冻融过程中正负温度交替变化而产生疲劳应力所致。

④初步提出适合于我国国情，以混凝土结构安全使用寿命为目标的混凝土抗冻性定量化设计方法及相关技术条件。

（3）压力水作用下混凝土渗漏溶蚀是混凝土中水化产物Ca(OH)₂随渗漏而不断流失，引起其他水化产物不断分解，并逐步失去胶凝性的一种侵蚀现象。在压力水作用下，混凝土中Ca(OH)₂的溶蚀速度初期逐步增大、中期基本稳定、而后期又逐渐呈下降趋势。当Ca(OH)₂溶出（以CaO计）达25%时，混凝土抗压强度下降36%左右、抗拉强度下降66%左右。

（4）高浓度及应力作用下混凝土硫酸盐侵蚀试验结果表明，在浓度高达80000mg/L情况下，无论混凝土处于浸泡条件或干湿循环条件，应力的作用均会加速混凝土的硫酸盐侵蚀破坏。应力等级越高，其腐蚀速度越快。在40%应力（抗压强度）等级时，经3个月浸泡或20个干湿循环，混凝土试件即发生断裂破坏；在浓度10000~30000mg/L浸泡情况下，当应力等级大于40%时，会明显地加速混凝土 硫酸盐侵蚀破坏，而干湿循环条件下，应力等级达50%时，混凝土抗侵蚀系数与无应力的相比无明显下降。

（5）为提高混凝土耐久性而研发的新材料新工艺

①高抗冻（F300）粉煤灰混凝土与超抗冻（F600）混凝土

②铁矿石骨料超高强抗冲磨混凝土

③高强低弹复合混凝土（防渗墙）墙体材料

④低强低弹塑性混凝土（防渗墙）墙体材料

⑤低热高抗裂新型大坝混凝土

⑥混凝土防碳化涂料

⑦复合保温保湿防护材料

⑧抗硫酸盐侵蚀防腐材料

⑨柔性抗冲磨涂层材料

⑩混凝土表面保温抗裂喷涂技术

11柔性全封闭抗冲磨喷涂技术

以上研发的新材料、新工艺应用情况如下：

（1）高抗冻粉煤灰混凝土成功应用于三峡大坝工程；

（2）低强（28d强度大于5.0MPa）、低弹（500~700MPa）塑性混凝土用于三峡二期土石围堰混凝土防渗墙工程；

（3）高强（28d强度大于50MPa）、低弹（21.5GPa）复合混凝土用于四川冶勒100m深混凝土防渗墙工程；

（4）复合保温保湿喷涂技术应用于江西下会坑水电站大坝表面保温工程；

（5）抗硫酸盐侵蚀防腐涂料应用于江苏省滨海县混凝土海堤应急防护工程；

（6）柔性全封闭抗冲磨喷涂技术成功应用于贵州东风大坝中孔抗冲磨处理；

（7）防碳化涂料用于珠窝与落坡岭溢流坝段上部启闭机大梁、门机大梁及支柱等防碳化处理。

混凝土耐久性专题组李金玉与曹建国两同志将近30年研究成果总结编写出版了专著《水工混凝土耐久性的研究与应用》。

“混凝土防渗墙墙体料及接头型式研究”研究成果获1997年度电力工业部科技进步二等奖，“混凝土耐久性关键技术研究及工程应用”研究成果获2004年度国家科技进步二等奖。

 

 

 

边界元方法及其在工程中的应用

陈平

本项目是国家“六五”科技攻关专题项目“水电站大型地下洞室围岩稳定及支护的研究与实践”中的一个子题。专题项目由昆明勘测设计研究院负责，主要结合鲁布革水电站工程进行研究。

鲁布革水电站工程是我国“六五”至“七五”期间水电建设的重点工程。鲁布革水电站是珠江上源南盘江左岸支流黄泥河最下游的一个梯级电站，电站装机容量600MW，开发方式为混合式，具有高坝、长引水道、高水头、全地下式厂区建筑物等特点。鲁布革水电站是中国水电建设中第一个部分引用外资，对外开放的工程。电站引水系统工程（压力隧洞、调压井、高压钢管道）通过国际招标，由日本大成公司中标承建。电站引水系统工程于1984年11月24日开工，1988年8月16日完工，比合同提前123天。电站的主要机电设备及施工机械大多从国外引进，基本上反映了八十年代国际水电建设的先进水平。整个电站的设计与施工得到了世界银行聘请的特别咨询团（SBC）、澳大利亚雪山公司（SMEC）、挪威咨询团（AGN）的技术咨询。在设计上许多项目采用了新布置、新结构、新材料、新工艺、新设备，有的项目突破了当时现行规范的规定，许多项目的设计达到国内领先水平，并接近或达到了国际同期水平。

边界元方法是上世纪七十年代迅速发展起来的一种数值方法，它的出现来源于有限元方法的局限性。

众所周知，土坝渗流、混凝土坝渗流、各种闸坝的绕坝渗流、边坡渗流、地下水运动、地下洞室渗流都具有渗流自由面。由于自由面的位置是待求的，因而这类渗流分析是非线性问题。对这类有自由面的渗流问题，传统的有限元分析方法是将自由面作为可变边界处理，在迭代过程中修改自由面位置，使网格发生相应变形，直到自由面位置稳定为止。这一方法虽然被成功地应用于渗流问题的分析，但在应用中也遇到了许多难以解决的问题，特别是当初始自由面假定位置与最终自由面的位置相差较大时，将使网格因过分变形而致畸变，影响解题精度，以致在计算过程中常要对网格进行重新剖分。

有限元方法只能模拟有限介质，而在工程中却经常遇到无限介质问题（半无限及全无限平面或空间体），有限元为了能够进行计算，只好截取一定的计算范围，并加上相应的边界条件，这样不仅降低计算精度，而且有时甚至歪曲计算结果。

张有天同志在研究的实践中认识到，边界元方法为上述问题的解决开辟了一条新路。边界元方法与有限元方法相比有两个特点，一是仅对边界进行离散；二是采用无限介质中点荷载或点源的理论解为基本公式。由于仅对边界进行离散，单元维数减少了一个，不仅简化了单元划分中数据处理工作量，而且结点数目显著减少，节约计算时间；由于基本公式是针对无限介质的，可以直接处理无限介质而无须人为划定计算边界，以及边界元方法不涉及求解域内部，因而自由面的迭代计算要便利的多，收敛也快。但边界元方法也有缺点，它不适合用来求解较复杂的非均质域问题。

张有天同志带领他的课题组的同志们，努力学习，刻苦工作，成功地运用边界元方法解决了半无限域的渗流问题与岩石力学中地下洞室围岩应力分析问题。结合鲁布革水电站工程，进行了地下厂房地应力趋势分析及地下厂房开挖三维应力分析。

本项目研究关键技术是间接法及其修正、地下洞室开挖的数值模拟、初始地应力场的分析、夹层非线性分析、有排水孔的渗流分析、角点处理与锚杆模拟等。

边界元研究实践表明，对于内域问题，当部分边界给定位移条件时，用间接边界元法常难得出满意的结果，尤其是对非均质问题和有弯曲作用的复杂应力问题。间接边界元法常采用精度较低的常单元，一般来说，计算离散误差总是随着剖分加密而减小，最终收敛于精确解。但是对于间接边界元法，即使剖分很细，仍有显著误差。虽然有人对此问题进行了研究，并作了一些修正，但均未彻底解决问题。张有天同志通过研究发现，对于有位移边界条件等的内域问题，仅当其刚体位移（包括刚体平移和刚体转动）为零时，用间接边界元法才能求得正确解。从理论上彻底地解决了这个问题。

本项目研究成果成功应用于鲁布革水电站地下厂房三维边界元分析与鲁布革水电站地下厂房区地应力场趋势分析。

参加本项研究的有张有天、王镭、陈平等同志。

张有天同志及其同事在边界元研究工作中作了许多开创性的工作，发表了数十篇文章，编写出版了《边界元方法及其在工程中的应用》一书，详细地介绍了边界元方法及有关程序，为推广边界元方法及其应用作出了贡献。

“水电站大型地下洞室围岩稳定及支护的研究与实践”研究成果获1987年度国家科学技术进步二等奖。

云峰大坝响声由何而来？

赵佩钰  关英俊  经萱禄

1978年秋，我和结构材料所的同志们正在商量工作时，忽然接到于忠副院长打来电话，非常、非常着急，得知吉林云峰水电站的大坝基础下部多次发生很大响声，事关云峰大坝下游两岸中朝两国人民生命财产安危，上级要求我立即前往云峰水电站，负责调研，并要求将每天工作进展情况用电报向北京报告。当时我深感任务紧迫，责任重大，不容推辞。

当晚我就和关英俊、经萱禄二位老工程师乘车去沈阳，翌日清晨由沈阳转车去丹东后，立即乘汽车到云峰水电站。

本项任务由水利电力部负责组织实施，参加人员有中科院地球物理研究所与地质研究所、东北电管局、水利水电建设总局、东北水利水电勘测设计院、水科院结构材料与抗震所等单位的近20人。东北电管局局长赵庆夫任组长（负责生活保障、车辆安排）、赵佩钰任副组长（负责调研业务），水总郑顺伟副总工任小组秘书。

云峰大坝右侧系中国领土，大坝左侧系朝鲜领土，为便于管理，朝方施工的大坝也由中方管理，电厂在中方一侧，由中方施工和管理。

考虑到大家对云峰大坝情况还不十分熟悉，决定先用1-2天时间进行现场考察了解有关大坝响声的情况。关英俊、经萱禄和我三人共同考察了大坝坝顶、表面和坝内及大坝溢流面等。首先我们到大坝坝顶仔细观察，没有发现有什么较大的裂缝，我院抗震所陈厚群同志在坝上安设了地震仪，也未发现有什么地震反应。随后漫步走到大坝东端中朝两国交界处，与正在值班的中方警卫人员交谈，据说他们在坝顶上值班时，曾多次听到过大坝下部有时发出很大的声响，但并未见到有什么其它迹象。

我们从坝顶沿扶梯下到大坝的检查廊道，廊道灯光不够亮，发现许多坝段伸缩缝均漏水，渗漏最大的地方如同下雨。走出检查廊道后到溢流坝段，只见溢流坝面杂草丛生，在接缝部位还长出不少小树，个别的竟高达1-2米，但也未现有地震震环的现象。

在技术小组全体会上，大家交换意见后，商定一部分同志到云峰水电站周围几十公里内外的地震网站考察是否有地震记录可供参考，其余同志或在坝区或到水库上游居民点进行考察了解有无地震前现象，如犬吠，鸡鸣，牲畜不安等。

中朝两国有关领导非常重视云峰大坝响声问题，特派各自主管部门的领导赶到云峰水电站，中国水利电力部副部长李锡铭正在东北地区考察工作，奉命转到云峰现场；朝方也派当年云峰大坝施工时的总工程师、时任朝鲜水利部副部长及四位高级工程师也赶到现场，他们的到来，增加了我们技术小组同志们的信心。

中朝双方随即组成了联合技术组，各派四位工程师参加。在听取了赵佩钰副组长介绍中方近日调研情况和下一步工作打算后，双方领导均表示同意继续开展调研，朝方负责在水库左侧朝鲜境内了解地震情况，而中方负责在库区及中方一侧调研地震情况。

三天过后，中朝双方调研小组陆续返回，陈厚群小组在云峰电站附近的几个中国地震观测站均未观测到有地震记录，其他很多人在水库中方地区也未发现有地震迹象，只是中科院地质所同志提出有可能是水库炸鱼引起的响声。事后从电厂记录的响声日期和次数来看，在我国中秋节日前后，响声次数较多，其它时间较少，这可能是节日期间农民在水库炸鱼次数增多有关。朝方同志反映，在朝方一侧也未发现地震迹象，只是提出发现中方在库区有水中作业情况（即水中炸鱼，朝方不便直接提出）。

中方技术小组同志们进行热烈讨论，既然未发现有地震迹象，但又听到很大响声，有时且较频繁，怀疑是否因水中炸鱼引起的？但是炸鱼地点离大坝较远，用雷管炸鱼，药量也不是太大，能否产生很大的响声，意见不一，为了验证决定进行现场试验。

研究后建议在第二天，由电厂工作人员和中科院地质所同志到坝前2-3km处的水库中进行人工爆破，并将此意见告知朝方，征得同意。

1978年，当时我国通讯设备十分落后，爆破人员和在坝顶上的科研人员无法通话联系，只好预先商定在中午12点整进行首次引爆，隔五分钟后再引爆一次，以资对比。十二点刚过，忽然听到比较清脆而且很大的响声，但站在坝顶上并未感受到像新丰江水库地震和60年代邢台大地震后的多次余震的地面颤动，声响也大不一样。几分钟过后，又听到一次很脆很大响声，我们心中十分高兴，可能这就是“大坝下面响声”的来源吧。

为了核实连忙走到大坝左侧，到中朝边界线上值勤的中方战士那里询问，他们说：“和过去听到的响声是一样的”。我们心中都明白了，云峰大坝基础响声的原因不是地震也不是水库蓄水后诱发地震引起的，而是水库中炸鱼所致。当时水库水位不是太高，位于上游面泄洪闸门一半左右高度的位置，声响清脆是否和钢闸门震动有关，但尚需查明。水中爆破，冲击波在库水中传播较在空气中迅速是肯定的。中方技术小组讨论后认为水库中炸鱼是云峰大坝坝顶听到的多次巨响的原因，而不是因地震或水库诱发地震引起的。

中朝联合小组分别向自己国家的水利部副部长汇报，并得到认可，我随后立即电告水科院于忠副院长，并由李锡铭副部长向水利部钱正英部长汇报。十多天来，同志们不怕艰苦、连续工作，终于解决了难题，让中朝两国有关领导放了心，让云峰水电站鸭绿江下游两岸人民放了心，大家脸上都露出了好久未见的笑容。

事后，得知李先念总理听到汇报后，对水库炸鱼十分不满，由国务院指示吉林省立即下令停止炸鱼，违者将予法办。从1978年至今已30年了，再未听到云峰大坝基础发现响声。水科院向水电部交出了一份满意的答卷。

1978年秋中朝云峰大坝异常响声调研组人员合影

长江三峡工程混凝土配合比优化试验研究

甄永严

受长江三峡工程开发总公司工程建设部的委托，结构材料所自1996年元月至1998年4月（历时2年多）进行了三峡工程混凝土配合比优化试验研究，在此期间，首先对混凝土原材料，即外加剂、粉煤灰、水泥和骨料进行试验优选，以及骨料碱活性检验。在此基础上，进行了三峡二期工程混凝土配合比优化和性能试验，以及全级配混凝土性能试验。三峡工程混凝土配合比设计试验项目是当时国内水利水电工程混凝土配合比设计试验内容最多、历时最长、费用最高的试验项目。

参加本项目试验研究的有甄永严、黄国兴、贾金生、陈改新、姜福田、李金玉、惠荣炎、曹建国、王秀军、林莉、孙金刚等同志。

1、原材料优选

（1）水泥：结合三峡工程具体情况，优选水泥时，除考虑强度和水化热以外，还应注意水泥碱含量和比表面积。要求所使用的中热水泥除满足有关标准技术指标外，还希望水泥的碱含量低些，比表面积小些，并含有3.5%~5.0%的MgO。所选葛洲坝、湖特和华新三个水泥厂生产的中热水泥都能满足三峡工程要求。

（2）粉煤灰：三峡工程要求使用Ⅰ级粉煤灰，经过对10个电厂粉煤灰的优选，其中平圩、珞璜、南京和神头四个电厂的Ⅰ级粉煤灰较好，而其中又以平圩灰为最好。三峡工程强调使用Ⅰ级灰，是为了充分利用粉煤灰的三个效应及固体减水剂的效果。

（3）外加剂：对近20种高效减水剂和8种引气剂进行优选试验，优选出3种高效减水剂与2种引气剂。

（4）骨料：对骨料的优选主要是对闪云斜长花岗岩粗骨料和班状花岗岩人工砂进行物理性能、级配及最佳砂率等试验，并用多种方法检测骨料碱活性，检测结果所用花岗岩骨料为非碱活性骨料。

2、混凝土配合比的优化

混凝土配合比优化共进行了约150个配合比成分的试拌工作。优化目标是最小的单位用水量，因为水胶比是决定混凝土强度和耐久性的主要因素，在满足和易性的条件下，力求单位用水量最小。为此，在混凝土配合比优化过程中，采取了降低水胶比、加大粉煤灰掺量的技术路线，坚持采用Ⅰ级粉煤灰、高效减水剂和引气剂的技术措施，使四级配混凝土单方用水量从115kg降至85kg左右。这是提高三峡工程混凝土质量的关键，在大坝混凝土中掺Ⅰ级灰在国内是个突破，也是大体积水工混凝土向配制高性能混凝土迈进了一步。

除大坝混凝土外，对碾压混凝土、抗冲磨混凝土、结构混凝土以及预应力混凝土都进行了配合比优化，并按设计要求提出了推荐的混凝土配合比。

对优化配合比混凝土进行力学、变形、热学、耐久等性能试验，并进行了全级配混凝土性能试验，取得大量有价值的试验成果。

3、推荐的优化配合比混凝土技术经济效果

影响混凝土质量的因素很多，分析混凝土技术经济效果是在满足全部设计要求的条件下，与设计提出的混凝土配合比进行比较。混凝土性能包括内容很多，用单项性能比较很难显出混凝土技术优势。因此采用优化前后混凝土抗裂指数进行比较。计算结果表明，各标号优化配合比混凝土抗裂指数均比设计配合比混凝土的大，这说明优化配合比混凝土抗裂性好。

混凝土配合比经过优化后，除了取得以上的技术效果外，也取得了可观的经济效果。经估算三峡工程混凝土配合比通过优化可节约费用2亿元以上。

4、工程应用情况

三峡工程混凝土的优化，由于前期科研工作的投入和到位，取得了显著的技术经济效果。在施工中采取了各种具体确保混凝土质量的措施，加强了混凝土的原材料的质量管理和混凝土的抽样检测，浇筑的大坝质量良好。截止2003年5月15日，二期工程单元工程评定共70492个，全部合格，优良率为84.55%，其中主体工程混凝土单元工程评定48596个，全部合格，优良率为85.83%。也应该看到，二期工程大坝上、下游面也出现了一些裂缝。根据专家的研究分析，一致认为裂缝性质是表面的、浅层的。是由于较大的内外温差与结构设计欠妥导致混凝土产生裂缝。三峡三期工程大坝上、下游面采用了聚苯板表面保护措施后，至今尚未发现裂缝。实践证明，经配合比优化的混凝土，认真做好混凝土的养护和表面保护工作，是防止混凝土产生裂缝的重要和必要的措施。

岩石水力学及其在水利水电工程中的应用

陈重华  陈平  李雪春

岩石水力学是岩石力学的一个前沿分支，上世纪40年代前苏联的学者开始针对地下水在裂隙岩石中的运动进行了缝隙水力学试验，1995年我国学者首次提出岩石水力学（Rock Hydraulics）这个名词，以取代岩石渗流学，这是一个标志性的的进步。水在裂隙岩体中的流动而形成的荷载对水利水电工程的安全至关重要，中国水利水电科学研究院结构所以张有天教授为学术带头人的研究小组自上世纪80年代开始对水在裂隙岩体中的运动规律开展了深入的研究，先后参加本项工作的人员有张武功、王镭、陈平、苏亦农、刘中、陈重华、李雪春、卢正超、徐昕、窦铁生、陈庆中、陆峰等。完成的主要研究项目包括国家自然科学基金面上项目《降雨及地下水对岩石边坡稳定的影响》、国家自然科学基金重大项目《岩土与水工建筑物的相互作用》中第3课题《水在裂隙岩体中的运动与水工建筑物的相互作用》、电力工业部重点科研项目《地下结构渗流荷载和外水压力研究》、国家自然科学基金委员会和中国长江三峡工程开发总公司联合资助国家自然科学基金重大项目《三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究》中的第3课题《三峡船闸高边坡若干基础理论研究》。以上研究项目紧密结合我国水利水电建设工程设计，采用先进技术，对岩石水力学在更广和更深的层次上开展了较有系统的研究，近20年理论和应用研究成果已大体上构成了“岩石水力学”的学术和应用体系，取得以下有突破性和开拓性的成果：

（1）按裂隙面几何自相似特性，引用分维几何成果，用计算机生成人工裂隙，研究恒定和非恒定渗流规律，并用数值方法进行了岩体渗流与应力耦合作用分析。

（2）对裂隙岩体的离散介质和等效连续介质模型的渗流特性分布及其适用范围进行了较深入研究，并首次采用初流量方法实现了三维规则裂隙网络有自由面的渗流分析。

（3）对若干大型水电工程进行了复杂岩体渗透张量反分析。

（4）利用子结构方法模拟排水孔幕较好地解决了大坝岩基扬压力、边坡和洞室的水荷载及渗漏分析等难题。

（5）提出了水工隧洞外水压力的分项折减系数的新概念，有利于研究解决深埋隧洞设计问题。

（6）考虑了工程修建的全过程，在数值分析中应用了改进子结构方法分析水工建筑物与地基的相互作用，发展了仿真计算。

“裂隙岩体中水的运动与水工建筑物的相互作用”研究成果获电力部1994年度科学技术进步一等奖。

以上成果已用于鲁布革、洪家渡、天生桥一级与二级、漫湾、龙滩、拉西瓦、小湾、李家峡、八盘峡、映秀湾、索风营、锦屏、羊湖等水电站，以及十三陵、天荒坪与广州等抽水蓄能电站，还有三峡永久船闸及高边坡、黄河小浪底水利枢纽、引滦入津、甘肃省引大入秦、万家寨引黄入晋、新疆引额济乌、南水北调东线穿黄隧洞、南水北调中线等工程，其中在坝工方面的应用见陈平教授编写的“混凝土坝与地基联合作用仿真分析”文章，以下介绍在水工地下结构方面的获奖应用成果。

（1）西藏401工程引水隧洞外水压力、衬砌强度及围岩稳定分析。

401工程引水隧洞全长5883m，位于西藏自治区浪卡子县扎马龙村以北的山体内。1995年底因工程质量问题，被迫停止引水。该洞地下水位较高（最高320m水头），内水压力相对较低（最高40m水头），处理设计难度较大。经比较，决定采用“固结灌浆、系统排水孔和衬砌局部补强的处理方案”。为此研究小组对0+000～2+700m桩号段隧洞的地下三维渗流场进行了反馈分析和工程对策研究，为合理布置系统排水孔和原衬砌补强处理提供了计算依据。上述处理方案于1997年初实施完成，经电站运行试验，衬砌工作正常，证明该处理方案是合理的。该项目获国家电力公司1999年度科学技术进步三等奖。

（2）隧洞衬砌外水压力研究及其在万家寨引黄工程中的应用（南干线7#隧洞）

该项目具体内容为隧洞衬砌外水压力研究及其在引黄入晋南干线7#深埋长隧洞管片式衬砌设计中的应用。研究工作从裂隙岩体中水的运动规律研究入手，解决了水工隧洞衬砌设计中的一个困扰设计人员的的难题，即如何正确确定水工隧洞衬砌的外水压力。项目的技术创新点如下：

① 提出了有排水孔单元及排水子结构分析方法，可以较精确地模拟大量小尺寸排水孔对渗流场的影响；

② 发现隧洞衬砌外水压力为地下水位至隧洞轴线的全水头压力乘以综合修正系数b=b₁′b₂′b₃的客观规律，可以通过分析较准确地求得作用于衬砌的外水压力。这一分析得到工程实践的证实；

③ 研究了高地下水位条件下隧洞混凝土管片衬砌应力分析方法及理论，从而保证了在高水头作用下管片衬砌的安全。

上述理论用于引黄工程7#隧洞混凝土管片设计，管片衬砌由875px减薄至625px，由于管片衬砌洞长为40.9km，共减少高标号预制混凝士6.167万m³，减少钢筋约5446吨,减少石方开挖6.475万m³，按标书单价核算，较奥地利D2公司原标书的设计节约投资1.35亿元，约占7#洞总造价的15％。该项目获2003年度水利部大禹水利科学技术二等奖。

以张有天教授为首的研究人员二十多年来共发表有关论文数十篇。 2005年4月张有天教授编写的专著《岩石水力学与工程》由国家科学技术著作出版基金资助出版，对岩石水力学及其在工程的应用做出了全面的论述和总结。

钢衬钢筋混凝土压力管道结构的研究与应用

董哲仁

钢衬钢筋混凝土压力管道是一种新型结构，具有经济、安全和施工简便等优点。上世纪80年代初期，我国东江和紧水滩水电站率先采用了钢衬钢筋混凝土下游坝面压力管道设计方案。可是，当时国内外均无设计技术规范可以遵循或借鉴，对于这种新结构的设计尚缺乏经验，因此迫切需要开展科学研究，为这种新型结构的设计提供结构分析计算方法。

结构材料研究所是国内最早开展这种新型结构研究的科研机构。上世纪80年代初在赵佩钰所长的倡导下，由李伯芹教授级高级工程师领导的课题组率先开展了紧水滩水电站下游坝面压力管道的三维光测弹性力学试验，为设计部门提供了坝体和压力管道的结构应力分析成果，成为紧水滩工程设计的可靠技术支撑。其后，课题组在董哲仁教授的领导下，结合国家“七五”“八五”科技攻关项目、国家自然科学基金项目以及三峡工程研究项目，继续对这种新型结构的结构应力分析方法等进行了系统的研究。采取的技术路线是计算分析与仿真材料结构模型试验相结合，从物理模型试验和原型观测分析中提炼数学模型和计算方法。这项研究历时15年，最终提出了一套较为完整的结构计算分析的方法体系，为这种新型结构的设计奠定了坚实的理论基础。参加课题组工作的研究人员先后有沈星源、王我宁、杜振坤、张武、夏朴淳、董福品、鲁一晖等，他们都为该课题研究做出了贡献。

钢筋混凝土压力管道的设计原则是钢衬与外围钢筋混凝土联合承载，同时在工作内水压荷载作用下，允许外围混凝土出现若干裂缝。这种三维复杂结构在加载过程中，结构的不同部位陆续呈现材料线性、非线性和开裂等复杂的应力~应变状态。在荷载方面，除内水压荷载外，尚需考虑变温荷载及坝体变位对结构应力的影响。在裂缝宽度控制方面，需要计算在常规荷载作用下的裂缝宽度与温度变化引起的裂缝张合度。

在研究工作初期，通过大量、不同比尺的仿真材料模型试验，力图找出这种新型结构的力学特征和破坏机理，进而研究钢衬与钢筋混凝土联合承载的可靠性及结构的安全度；在研究的中后期，则集中研究结构分析计算方法。自1982年起陆续提出了混凝土开裂前后联合承载的结构计算公式；推导出以正交各向异性材料为基础的准解析递推公式，这套计算方法1986年在《水利学报》上发表，1990年又在《美国机械工程学报》上发表（Transactions of the ASME, Journal of Pressure Vessel Technology , Feb.1990,Vol.112）；推导出确定经济管径的优化准则和公式；提出了优化配筋和钢板选择的优化设计方法；阐述了温度场和温度应力分析方法；推导出混凝土径向裂缝宽度值的半解析计算公式与温变条件下径向裂缝张合量计算公式等。全面阐述了钢衬钢筋混凝土压力管道的结构布置原则、结构设计安全准则，以及安全系数的选取等设计方法问题，提出了新型管道结构总刚度概念和结构总刚度计算公式。

1987年开发了大型钢筋混凝土非线性计算程序NARC，1990年完成了三峡水电站钢衬钢筋混凝土压力管道的非线性有限元分析。在分析中考虑了钢衬与外围钢筋混凝土的联合受力包括间隙的计算处理，混凝土的弹塑性和开裂、裂缝的扩展、裂后的非线性性质，开裂后钢筋与混凝土的交互作用等，从而完成了管道结构从弹性阶段直至破坏的全过程分析。这项成果是我国应用非线性有限元进行水工结构工程分析的最早实例。

三峡水电站引水压力管道直径12.4m，为巨型结构，规模世界第一。1985年即三峡工程论证阶段，结构材料所就向长江委设计院提出了推荐采用钢衬钢筋混凝土压力管道方案的建议，并提交了论证报告。其后10年间又结合国家“七五”和“八五”科技攻关项目，开展了非线性有限元全过程仿真分析计算，裂缝宽度计算和结构优化计算，其绝大部分成果被设计部门采用，成为设计这种新型结构的重要依据。经过反复论证，三峡工程最终采用浅槽式钢衬钢筋混凝土压力管道结构，实现了技术重大突破。

云南省依萨河二级水电站的水头高达994米，是国内第二高水头电站。在方案比选中曾考虑常规明管方案，但因钢板加工难度大而被否决。1991年夏应水电部昆明勘测设计院邀请，董哲仁教授参加在工程现场召开的技术研讨会，在会上董哲仁建议采用钢衬钢筋混凝土管道方案，指出新结构既能保证安全又可把钢管钢板厚度减薄到22mm。随后我所与昆明院科研所合作，开展了原型材料原尺寸结构破坏模型试验研究和非线性有限元全过程分析，全面应用了已经取得的理论成果，提出了结构工况、结构优化、开裂分析、间隙数值等翔实数据。研究报告中提出的技术建议，包括钢板厚度、钢筋分布和配筋率以及外围钢筋混凝土厚度等大多被设计部门所采用。依萨河二级水电站于1994年投产，运行正常，成为世界上第一个采用钢衬钢筋混凝土明管结构的工程。这项研究成果发表在1995年英国出版的《水电站与大坝》杂志（《The International Journal on Hydropower & Dams》Jan. 1995, Vol.2）。

此外，还完成了李家峡、五强溪和龙滩（方案）等水电站工程的钢筋混凝土压力管道的计算分析和仿真材料模型试验，解决了关键技术问题。

课题组先后发表论文23篇，出版专著《钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析》（1998）。在我国2003年修编的《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003）中，研究成果提出的设计原则以及正交各向异性计算递推公式和混凝土裂缝宽度计算公式被标明“董哲仁公式”列入规范。

“钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析”研究成果获2000年度水利部科学技术进步一等奖，“高水头钢衬钢筋混凝土明管结构试验及非线性分析”研究成果获1996年电力工业部科技进步二等奖，另外还获省部级科技进步三等奖3项。

在我所的推动下，与相关设计、科研部门密切配合，钢衬钢筋混凝土压力管道这种新型结构至今已经在我国14座水电站工程中得到广泛应用。

董哲仁在三峡工程工地，背景为钢筋混凝土压力管道上弯段

结构材料所在碾压混凝土筑坝技术发展中的创新

姜福田  陈改新

水科院结构材料所于1979年开始进行碾压混凝土筑坝技术的研究与应用，先后参加本专题研究的有姜福田、季小弟、汪津滨、朱仰曾、秦明豪、吕小彬、黄国兴、陈改新、纪国晋等同志。30年来，我所在碾压混凝土筑坝技术（材料）研究方面取得以下创新成果：

1、国内首先研究高掺粉煤灰碾压混凝土

早在1981年2月水利部派出水科院水工混凝土技术考察组赴日本，考察岛地川坝和大川坝碾压混凝土筑坝技术。我所在吸收国外经验的基础上，没有照搬日本岛地川坝和美国柳溪坝贫胶材碾压混凝土的经验，而是依据我国国情提出高掺粉煤灰碾压混凝土研究的新思路。

1983年5月，在厦门机场进行了较大规模高掺粉煤灰碾压混凝土现场试验，水泥用量70kg/m³、粉煤灰用量85kg/m³，粉煤灰掺量为55%。相继1984年福建省沙溪口水电站开关站浇筑了2万m³高掺粉煤灰碾压混凝土，水泥用量68kg/m³、粉煤灰用量107kg/m³，粉煤灰掺量为61%。自此确定了我国碾压混凝土坝发展的基本方向，即筑坝方法为通仓、薄层连续浇筑，碾压混凝土拌和物采用高掺粉煤灰和低水泥用量。该成果获1986年度水电部科技进步三等奖。这一成功的RCC筑坝模式，进而推广到坑口坝、岩滩坝等，以及以后修建的龙滩高坝。

2、人工砂中石粉利用

1987年岩滩大坝工程混凝土骨料采用人工砂石料，当时施工规范规定人工砂中石粉含量不得大于12%，因此生产人工砂时排出大量石粉，占用农田堆放。为解决占用农田难题，我所进行了碾压混凝土利用石粉的研究，经优化岩滩坝高掺粉煤灰碾压混凝土人工砂中石粉最优含量为16%~18%。岩滩坝高掺粉煤灰碾压混凝土利用石粉改善碾压混凝土和易性与可碾性的经验，很快被各大工程采纳，并促成《水工碾压混凝土施工规范》修改，即人工砂中石粉含量由原允许10%~12%改为10%~22%。

3、碾压混凝土层面结合问题

1988年在岩滩坝进行了碾压混凝土层间结合面力学和渗透性能的研究。这项研究课题一直延续至今，目前正进行现场层面质量检控和全级配碾压混凝土层间结合性能研究。

4、解决了碾压混凝土的抗冻性问题

70年代美国ACI-207委员会曾经对碾压混凝土的抗冻性提出质疑。1987年，我国在严寒地区修建观音阁坝和潘家口下池碾压混凝土坝，对碾压混凝土的抗冻性特别重视，并开展专题研究。研究结果表明，高掺粉煤灰碾压混凝土具有较好的抗冻性，但是选择的引气剂要适当，含气量3%~5%，掺量比普通混凝土高。

5、主编和参编碾压混凝土标准

（1）主编《水工碾压混凝土试验规程》。提出了碾压混凝土稠度（工作度）和含气量测定仪器和方法，并编入试验规程。

（2）参编《水工碾压混凝土施工规范》中第7章质量管理与评定，该成果获1995年度水利部科技进步二等奖。

6、研发成功碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆技术

普定和温泉堡碾压混凝土拱坝预埋了两套灌浆管路，实际应用过程中效果不好，在第一次封拱灌浆后，第二套灌浆管路被堵死，不能实现重复灌浆。我所承担国家“九·五”科技攻关项目“碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆研究”，研制出用于重复灌浆的出浆盒，并提出了单回路重复灌浆系统。该成果已成功用于沙牌、蔺河口、毛坝关、招徕河、玄妙观、鱼简河、峡口、长潭等15个碾压混凝土拱坝工程。该成果填补了国内空白，获2004年度中国电力科技进步一等奖。

7、变态混凝土的变态机理及变态浆材的改性优化

通过室内仿真试验确定了变态混凝土的加浆率和加浆方法，研究阐述了碾压混凝土的变态过程和机理。经国电信息中心查新，研究提出的变态掺浆材料流动度测定方法、掺浆材料配合比计算方法和变态混凝土仿真试验方法等均未见公开文献报道，初步形成了一套科学、规范的变态混凝土试验方法，填补了该领域的空白，对完善和发展有中国特色的碾压混凝土筑坝技术具有理论价值和实践意义。

变态混凝土技术（GEVR）已被多个国家RCC坝施工采用，如越南、缅甸、西班牙、巴基斯坦、伊朗等国家。

8、研制成功碾压混凝土坝层面允许间隔时间的检测仪器并提出评定方法

结合龙滩工程开展了高温环境下缓凝高效减水剂对碾压混凝土凝结时间的影响规律，以及与胶凝材料的适应性研究，提出了碾压混凝土层面允许间隔时间和提高层间结合强度的技术措施。层面允许间隔时间检测方法已被纳入《水工混凝土试验规程》（SL 352-2006）。

9、多元胶凝粉体理论用于碾压混凝土石粉及胶凝材料优化

该研究是在国家自然基金研究成果基础上针对龙滩工程开展的。主要思路是将水泥、粉煤灰、石粉作为三元粉体胶材体系，在满足混凝土设计要求的基础上，通过研究浆体的流变性能和力学性能，以及混凝土其它性能，确定了石粉的最佳掺量，降低了碾压混凝土的用水量，胶凝材料用量也有较大幅度降低。优化后不同部位碾压混凝土配合比的水泥用量降低了（5~10）kg/m³，粉煤灰用量降低了（15~40）kg/m³。

10、研发出碾压混凝土新型掺合料

国外碾压混凝土的掺合料除粉煤灰外，还有火山灰及其它具有活性效应的掺合料。我国只有大朝山坝采用了凝灰岩粉和磷矿渣粉做掺合料，其余全部采用粉煤灰做掺合料。我所结合景洪工程开展了碾压混凝土新型掺合料的研究，提出利用当时丰富的矿渣资源复合石灰石粉作为景洪坝碾压混凝土的掺合料，在此基础上进行了混凝土配合比优化和性能试验，混凝土各项性能检测结果全部满足设计要求，解决了缺乏粉煤灰资源地区修建碾压混凝土坝的问题。同时该研究方法和理论及取得的成果为我国其它缺少粉煤灰资源地区修建碾压混凝土坝提供了新思路。

面板堆石坝面板混凝土研究及应用

杨德福  马锋玲

中国水科院结构材料所是国内最早开展混凝土面板堆石坝面板混凝土性能研究的单位之一，在混凝土面板防裂和耐久性方面取得了大量的试验研究成果和丰富的工程实际经验，先后参加了国内多个面板堆石坝面板混凝土的试验研究，并参编了《混凝土面板堆石坝施工规范》DL/T 5128-2001、《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T 5016-1999和SL228-98。参加本项研究的有杨德福、马锋玲、杜小春、贾树云、王秀军等同志。

在“七五” 、“八五”期间，我所相继承担了西北口、万安溪、天生桥、十三陵等混凝土面板堆石坝混凝土面板的防裂及耐久性研究。特别是“九五”期间，针对水布垭200m级高混凝土面板堆石坝，又承担了国家“九五”科技攻关专题项目“面板混凝土抗裂及耐久性研究”，以及国家自然科学基金资助项目“200米级高混凝土面板堆石坝的应用基础研究”。 另外，新疆乌鲁瓦提、西藏查龙、青海海潮坝、甘肃九甸峡及山西西龙池抽水蓄能电站等坝面板混凝土的设计，又为寒冷地区修建混凝土面板堆石坝积累了一定的经验。

本项研究主要取得了以下高质量研究成果：

（1）在万安溪面板坝工程面板混凝土中，打破惯例，超量掺入粉煤灰代替部分水泥和细砂，明显减少了水泥用量和改善了当地不良的粗砂的级配；开拓性地研究采用了三复合外加剂（木钙缓凝剂、DH₉引气剂、FE高效减水剂），取得了优良的综合效果。以上两项措施并优化混凝土配合比，克服了混凝土原材料的缺陷，配制出了性能优良的混凝土，对防止面板裂缝十分有利。坍落度仅75px，但和易性良好，能在100m长的溜槽中下滑而不分离，特别有利于施工和保证质量。经工程检查，一期面板无裂缝，二期面板仅在左右岸有少量裂缝（可能与坝体沉降有关）。直接经济效益超过100万元。

（2）采用混凝土孔结构理论，研究了混凝土性能的改善机理，提出混凝土的孔结构和界面过渡区是面板混凝土改性的关键所在。采用优质掺合料、增强密实剂、合成纤维或钢纤维等新材料，对面板混凝土进行了改性试验研究，解决了获得高强、低弹、低收缩特性混凝土的途径并提出系统的技术措施，研究取得的成果更加提高了面板的抗裂性、抗渗性和抗溶蚀耐久性，对防止面板裂缝具有重要作用和实用价值。此外，还试验研究了混凝土表面养护剂和粘贴土工膜等的效果，为进一步提高面板混凝土抗裂性能和强化措施做了有益的探索。

（3）对影响混凝土面板裂缝的各种主要因素进行分析研究，得出混凝土的抗拉强度、极限拉伸、徐变变形、面板基础的刚度或阻力系数、面板温度和干缩变化时的综合温差，以及混凝土的热膨胀系数等都对面板裂缝具有显著影响，而面板中的配筋率和钢筋直径对面板裂缝影响较小。研究成果不仅从定性上而且定量地建立了各种影响因素与面板长度之间开裂与否的相关关系，这为防止面板裂缝问题明确了主攻方向，还为面板抗裂计算和采取相应防裂措施提供了依据。

(4) 根据弹性基础长条面板受力分析和采用极限变形概念进行理论推导与分析，对混凝土面板开裂的机理进行了研究。从理论上解决了200m级高坝特长面板可以做到不裂缝的关键技术问题。

(5) 面板混凝土抗溶蚀耐久性的研究得出以下成果：深入分析了混凝土溶蚀机理；阐明了混凝土孔隙与渗透溶蚀的关系；全面系统研究了各种因素对混凝土溶蚀的影响；对高水头高水力梯度作用下渗透溶蚀对混凝土面板危害程度进行了判断，室内试验研究成果表明，混凝土可承受极大的水力梯度，若实际工程面板不存在裂缝或缺陷，可采用较高的水力梯度设计面板；确定了表征面板混凝土抗溶蚀耐久性的技术指标；建立了估算混凝土面板耐久年限的计算方法；提出改善或提高面板混凝土抗溶蚀耐久性的各种措施等。该研究成果对200m级高坝面板混凝土抗溶蚀耐久性给出了明确的结论。

(6) 进行了面板结构受力分析和配筋方法探讨，为混凝土面板设计提供了理论参考。面板的纵向和横向配筋率可分别降低到0.3%和0.2%；面板边缘抗压碎的加强钢筋可以取消。面板合理配筋研究成果对修建面板堆石坝，尤其对200m级高坝面板的配筋，具有重要指导意义并可获得较大的经济效益。

本项研究成果的获奖情况是，“面板堆石坝混凝土面板防裂技术”研究成果获1995年度水利部科技进步二等奖；1992年～1997年承担的电力工业部重点科研项目“混凝土面板的裂缝及防治”，依托工程为万安溪面板坝工程，该项成果获1998年度国电公司电力科学技术进步三等奖；“200米级高混凝土面板堆石坝的应用基础研究”成果获2004年度水利部大禹水利科学技术进步二等奖；1999年～2002年承担的国家电力公司重点科研项目“峡谷地区高面板堆石坝关键技术应用研究”成果获2005年度中国电力科学技术奖二等奖。

碾压混凝土坝大仓面碾压混凝土温度控制技术

胡平

中国水利水电科学研究院结构材料所在大体积混凝土施工应力与温度控制方面的研究工作始于20世纪60年代，是国内进行混凝土高坝温控分析实力较强的单位，具有一支高水平的专业队伍。文革后水科院恢复建院，结构材料所组建了专门从事大体积混凝土温度应力与温度控制研究的专题组。1978年以来，参加本专题的研究人员先后有丁宝瑛、王国秉、黄淑萍、胡平、孙计平、岳耀真、朱绛、董福品、杨萍等。2003年以后，随着水科院体制的不断改革，温度控制研究的团队也在不断扩大重组，已经逐步形成了一个集院士、教高、高工、博士、研究生等研究人员与一体的高效研究团队，成为国内温控研究的重要力量。数十年来，在朱伯芳院士、丁宝瑛教授等老一辈科学家的带领下，中国水科院温控团队长期从事混凝土坝温控的理论研究和工程实践，主持和参与了国家七.五、八.五、九.五科技攻关、国家重大自然科学基金项目等研究工作，积累了丰富的经验，取得大量的研究成果。通过国家科技攻关项目和部重点项目的支撑，结合国内外近百座混凝土坝的科研工作的实践经验总结，获得了一系列有关混凝土坝的施工应力和温度控制方面的重要结论，取得了丰硕的研究成果，并广泛应用于实际工程中。

在数值分析技术方面，中国水利水电科学研究院结构材料所结合混凝土大坝（常态、碾压混凝土）尤其是高混凝土坝的温度场、温度应力特点，进行了深入的研究开发，取得了重大的突破，开发出一整套混凝土坝温度场、应力场仿真分析数值计算软件包，该软件包具有实验数据分析、水库水温分析、网格自动剖分（建模）、温度场仿真分析、应力场仿真分析、成果整理及分析、实测结果反馈分析等功能。经过多年的应用和不断完善，该软件包已具备正确模拟混凝土坝温度场与应力场所需的各种功能，众多仿真分析成果已得到实际工程的检验。近三十年来，经过不断的研发和完善，该软件包一直在国内处于领先水平，并且已广泛应用于国内外数十座大中型水电站工程，解决了许多工程技术难题，取得了积极的社会效益和良好的经济效益。其中“混凝土结构温控防裂研究全过程仿真计算软件包”和 “水库水温数值分析软件”，2004年通过中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权登记。

碾压混凝土筑坝技术在中国已有30年的实践与发展历史。碾压混凝土温度控制研究作为其中的关键问题之一，也已经历了几十年的探索与发展过程。早在上世纪70年代末，我所的科研人员就针对碾压混凝土的温度控制问题，开始了一系列的研究工作，取得了大量的研究成果，并在许多工程中得到成功应用。

碾压混凝土坝有三个核心问题——稳定、防渗、防裂，其中防裂是关系到大坝工程成败的重要问题，因为一些关键部位的裂缝，不仅会影响到大坝的使用功能（如防渗、泄洪等），还有可能影响到大坝的稳定和安全。因此如何防止危害性裂缝的产生，是温度控制研究要解决的关键问题。

碾压混凝土有两点不利于防裂，一是碾压混凝土材料的极限拉伸一般低于常态混凝土，因此与常态混凝土相比，抗裂能力较差；二是由于在碾压混凝土大坝施工中，通常不采用水管冷却措施，部分采取通水冷却的区域，一般也只有一期冷却，之后坝体温度仅依靠自然散热，坝内高温持续时间长（尤其是重力坝），坝体温度要降到稳定或准稳定温度场需要很长的一个过程。因此在很长时间里坝内持续高温，当低温季节或遇寒潮时，会因较大的内外温差而引起坝体表面裂缝。

碾压混凝土的裂缝主要由温度应力所致，按照裂缝产生的时间，可分为施工期裂缝、建成早期裂缝和后期裂缝三种。

施工期坝内温度高，气温骤降等很容易会引起过大的内外温差，从而在混凝土表面引起超标拉应力，导致表面开裂。施工期的裂缝不仅会发生在低温季节，高温季节遇连续阴雨或温度骤降时，同样会出现这个问题。另外，如果夏季高温季节停工，遇到汛期渡汛坝体过水，如果水温较低也会因冷击引起混凝土的表面裂缝；之后在老混凝土上浇筑新混凝土，当新老混凝土温差过大时，也有可能因老混凝土的约束而引起应力过大导致裂缝。

大坝建成早期，坝表面一定范围内的混凝土温度逐步下降，约束区的混凝土与基础的温差加大，遇低温季节、水库蓄水冷击等因素时，易在上下游坝面引起较深的裂缝。上游面的浅层裂缝如果进水，则会因水力劈裂的作用发展成深层裂缝，部分会穿透防渗体，对大坝的防渗和安全带来不利影响。另外由于大坝建成早期内部混凝土温度较高，遇冬季低温季节，内外温差加大，尤其是当遇寒潮时极易出现表面裂缝，并逐渐发展成深层裂缝。

随着大坝的长期运行，坝体内部温度缓慢下降，使约束区混凝土的基础温差、和高、低温季节浇筑的混凝土的上下层温差不断加大。当这两种温差引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，也会导致混凝土产生裂缝。这种裂缝会出现在大坝长期运行之后。

另外，碾压混凝土坝上游二级配防渗混凝土和溢流面的抗冲耐磨混凝土，都因水泥用量高，水化热温升高，尤其容易出现裂缝，该两处的裂缝又会直接影响大坝的使用甚至安全。

因此，在对碾压混凝土坝进行温度控制研究时，必须针对碾压混凝土材料和碾压混凝土筑坝技术的特点，对碾压混凝土坝施工期及运行期的温度及温度应力进行三维有限元仿真计算分析。在有可能产生裂缝的关键时期，对大坝的温度及温度应力加以严格控制，对特殊阶段和特殊问题进行专门的研究，确定符合工程实际、满足设计要求的大坝不同部位、不同分区混凝土的温控防裂措施。

我所在碾压混凝土坝施工应力与温度控制方面的研究工作始于20世纪70年代末，近30年来，通过依托国家科技攻关项目、国家自然科学基金项目和部重点项目的支持，结合国内数十座碾压混凝土坝科研工作的实践经验总结，开拓并逐步完善了碾压混凝土坝温度控制的理论和方法，获得了一系列有关碾压混凝土坝的施工应力和温度控制方面的重要结论。已针对普定、沙牌、招徕河、蔺河口、流波、山口岩、务川沙等碾压混凝土拱坝的分缝型式、分缝位置、分缝数目、温控标准和温控防裂措施，以及龙滩、岩滩、观音阁、大朝山、桃林口、景洪、汾河二库、索风营、光照等碾压混凝土重力坝的温控标准和温控防裂措施等问题，均进行了深入细致的仿真分析研究，解决了大量的实际工程中的难题，研究成果已广泛应用于实际工程中，多次获得国家和省部级科技进步奖多项。其中参加研究的国家“八五”科技攻关项目“普定碾压混凝土拱坝筑坝新技术研究”获1998年度国家科技进步一等奖、“混凝土高坝全过程仿真分析及温度应力的研究与应用” 获2001年度国家科技进步二等奖、“碾压混凝土拱坝大仓面碾压温度控制技术研究” 独立获得1996年度能源部科技进步二等奖、“七五”国家科技攻关项目“东风水电站混凝土拱坝温度徐变应力分析”获1991年度能源部科技进步三等奖、“二滩混凝土拱坝温度徐变应力分析”获1990年度能源部科技进步三等奖。

光测弹性力学在水利水电工程上的应用

张晓宇

上世纪五十年代初，因国防工业用电需要，在江西上犹江建设一座水电站，因坝址河床狭窄，选用坝顶溢流的坝内式厂房，即在大体积混凝土坝内部留一个大孔口，中间布置水电站厂房。当时还没有有限元法，大体积混凝土坝内大孔口的结构计算存在一些困难，除采用一些近似方法计算外，又选用光弹性法进行试验研究，为设计提供应力资料。

在清华大学力学教研室的教授指导下，进行了平面光弹性试验。试验分水压和自重两部分，水压在恒温箱中进行，模型的上游面承受按三角形分布的水压力，温度由110℃逐渐降到室温，将应力冻结在模型里；自重试验在离心机上进行，用离心力模拟重力。也是用冻结法，离心机上模型匣内温度由110℃逐渐降到室温，然后取出模型，这时自重的应力也冻结在模型里。水压和自重两个模型分别在光弹仪上观测，并计算出两者的应力。光弹试验的应力结果出来后，设计方对原设计作了修改，节省了很多钢材。

以后光弹性试验广泛地用于水电工程，如新安江重力坝下游坝面溢流、刘家峡副坝坝内挖孔、柘溪单支墩大头坝等。

1956年从捷克进口了一台光弹仪，同时进口了一些光弹性材料，这些材料做的模型很快就产生时间边缘效应，而且不能退火清除，严重地影响试验成果。因此请我所化学试验室帮忙研制光弹性材料。1958年化学试验室研制成环氧类光弹性材料和一整套一次固化——脱模去边——二次固化的工艺。这种环氧板边缘效应小，且可退火清除，可用于常温试验和冻结试验，这为光弹性试验更好地应用于水利水电工程创造了条件。

水利水电工程大都是大体积和形状复杂的结构，平面光弹性试验不能满足工程建设的需要，要求研究三维光弹性试验，首先要制作合格的模型。最早采用熔接法铸造三维光弹模型，就是用熔点较低的石腊、地腊或低熔点的合金做成芯模，固定在外模上，向外模内注入含有一定百分比的固化剂的液态环氧树脂，在40℃左右低温固化7~9天，环氧固化成型后，拆去外模，将整块模型加温到芯样材料的熔点，将熔化的芯样材料倾倒干净，然后再将模型放入恒温箱内，加热到100~120℃，恒温24~48小时，进行二次固化和退火处理，三维模型就铸造完成。到上世纪80年代，芯模都用硅橡胶做成，硅橡胶的优点是富有弹性，适应性好，环氧模型成型过程的初应力小。

三维模型在冻结温度下加载，逐渐降到常温将应力冻结在模型里。按照需要的断面对模型进行切片和切条，再进行正射和斜射等观测，得到各点的应力条纹值和主应力倾角就可算出各点的应力分量和主应力方向。应用偏光显微镜观测，使观测到的应力和倾角值更准确。

三维光弹性应力分析常用来研究复杂的三维结构的内部应力和孔口应力集中等问题。从1958年开始就完成了以礼河重力坝、白莲河混凝土蜗壳、盐锅峡混凝土方蜗壳等三向光弹试验。上世纪80年代以来，对一些重要的大型水电站都进行三维光弹试验，如坝高157米东江双曲拱坝的三维光弹试验结果表明，进水口由于结构的刚度较大，对坝体强度不仅不会削弱，反而起了加强作用；安康水电站的厂坝联合结构，证明厂房对坝的稳定起到好的作用；三峡溢流坝段有溢流表孔、中孔和导流底孔等三层孔口，断面十分复杂，也用三维光弹性试验给出溢流孔闸墩、溢流坝面、坝踵和导流底孔的三维应力。

上世纪80年代初，又开展了激光全息光弹试验。全息干涉法用于测定180m高的龙羊峡拱坝的三维振型，分析了正反对称的八个振型，这是常规试验方法达不到的。同时测出拱坝坝顶中部的最大径向位移为43mm。根据岩石强度理论，应用全息光弹性法，对白山水电站地下厂房围岩可能产生的初始破裂范围进行模型试验。研究结果表明，围岩的最大破裂深度达8m，设计的预应力锚杆长度为20m是偏于安全的。

大化水电站大坝与地基的变形分析曾采用激光散斑干涉法，获得了较好的研究效果。散斑干涉法可以测定大坝、地基及地下结构围岩的变形。

光弹性试验还可研究复杂地基上的大坝和坝基内的应力情况，如大黑汀水库溢流坝段的地基具有软弱夹层，稳定分析时进行光弹性模型试验。试验中坝基采用不同的弹性模数，还模拟了地基岩层界面的摩擦系数，分析了稳定研究中大坝与地基的应力状态。试验的结果表明，采用深井桩等工程措施之后，坝体和岩基均是稳定的。

参加本专题研究的有傅新民、张晓宇、胡积龄、陈际明、方永留、王国秉、马迁、李伯芹、沈振荣、钱蕴壁、董哲仁、沈星原、张博庭、南东亚、王我宁、杜振坤、宋宝洪、吴致芳、王月秋等同志。

参编出版专著《水工建筑物光测应力分析》一部，“地下洞室光测模型试验及在工程中应用”研究成果获1990年度能源部科技进步二等奖。

混凝土面板堆石坝接缝止水材料和新型止水结构的研究与应用

郝巨涛  傅元茂  赵波

中国水科院结构材料所是国内较早开展止水材料研究的单位之一，至今已经取得了丰硕的研究成果和可喜的成果产业化业绩。早在上世纪六十年代，我所在国内首先开始塑料止水带的研究，随后又研究出了橡塑止水带。“六·五”期间，参照国外经验，开始从事非硫化丁基橡胶嵌缝止水材料的研究，并在浙江亭下水库混凝土重力坝的大坝裂缝修补、鸭绿江太平湾混凝土重力坝伸缩缝处理等工程中应用，得到了令人满意的效果，为国家节省了大量外汇。嵌缝止水材料的研究项目还获得了化工部科技进步三等奖。

“七·五”期间，为了满足国内刚刚起步的混凝土面板堆石坝工程建设的要求，根据水电规划总院的委托，我所研究将上述嵌缝止水材料和改性沥青填料应用于西北口面板坝，以替换国外通用的IGAS嵌缝填料，节省外汇，初步取得了满意的应用效果。

“八·五”期间，针对嵌缝止水材料在十三陵上池混凝土面板工程应用中存在的问题，包括流动止水能力、与混凝土的粘结性能等，我所开始了对面板堆石坝常规止水结构的改进研究，并结合十三陵工程开发出了GB复合止水板，用以替换表层止水中嵌缝材料的普通盖板。同时，结合天生桥一级面板坝工程，开展了铜止水结构、塑胶止水带和流动性填料止水结构工作机理、材料性能技术要求和止水结构设计方法的试验研究，并通过试验论证了GB复合铜止水、GB复合止水带优异的抗绕渗能力，初步提出了嵌缝填料的流动止水概念。这一时期的止水材料研究成果成为我所1997年成立的北京科海利工程技术有限公司的核心产业技术。

“九·五”期间，在233m高水布垭面板坝研究，以及与之相应的国家“九·五”攻关和国家自然科学基金重点项目研究中，通过嵌缝填料的大模型试验、止水结构的大模型试验、铜止水的数值分析计算和模型试验等一系列研究，我所在面板坝常规三道止水结构的基础上研究出了GB新型止水结构，提出了铜止水的结构设计方法，以及与止水结构配套的系列止水材料和施工工艺，并在国内200m级高面板坝中应用，解决了高面板坝接缝止水的关键技术难题。根据国家“九·五”攻关项目鉴定意见，GB系列止水材料及铜止水结构分析的研究成果达到了国际领先水平。

“十·五”期间，在洪家渡、三板溪面板坝的面板坝接缝止水研究和工程实践中，我所进一步完善了“九·五”期间的研究成果，并将研究成果纳入了行业规范。2002年根据吉林台面板坝结构抗震提出的止水自愈要求，我所又研究出了GB自愈型止水结构，并在吉林台面板坝工程中得到应用。

目前我所研究的面板坝止水结构和止水材料已在国内包括水布垭、洪家渡、三板溪等许多面板坝中获得应用，并在马来西亚的Bakun面板坝、老挝的Nam Nugm 2面板坝等国外工程中也得到应用，其中百米以上面板坝已超过20座。参加该项研究工作的先后有胡锦学、王荣芬、傅元茂、陈肖蕾、贾金生、吕小彬、杜振坤、鲁一晖、郝巨涛、关遇时、许临、瞿扬、邓正刚、赵波、程传明、窦铁生、马福明、颜元亮等同志。

我所混凝土面板堆石坝新型止水结构的主要研究成果如下：

1、 GB新型止水结构

面板坝常规止水结构型式通常采用三道止水，即在表层接缝设置有盖板保护的塑性嵌缝填料，在接缝中部设置止水带，在接缝底部设置铜止水。工程实践表明，该止水型式中的中部止水带在施工中很难与混凝土紧密结合，常发生漏水。为此，我所在“九·五”期间提出了新型止水结构型式，该型式将中部止水带提至表层，采用在趾板和面板中预埋的角钢和固定螺栓将止水带固定在缝口位置。为了适应大接缝位移，将表层止水带设计成变形能力很大的波形；同时为了确保止水带在大接缝张开情况下承受高水压力作用，在止水带下面的缝口处设置了支撑橡胶棒，橡胶棒应确保在止水运行过程中能够滞留在缝口，不被压入接缝以发挥支撑作用。另外，确保止水结构的可靠性，新型止水结构仍在波形止水带上设置了塑性嵌缝材料，并采用GB复合盖板对塑性嵌缝材料进行封闭。GB新型止水结构型式首先在福建122m高的芹山面板坝获得了应用，其渗漏量小于5升/秒。此后，GB新型止水结构型式在233m高的水布垭面板坝、205m高的巴贡面板坝、186m高的三板溪面板坝、180m高的洪家渡面板坝等一系列高面板坝中得到应用。

2、 铜止水的结构分析

铜止水耐久性好、抗绕渗能力强、现场施工安装方便，在水工结构接缝止水中获得普遍应用。以前由于很少对铜止水进行结构分析，铜止水的设计均以经验为主。对于重要的工程，则需用止水模型试验进行论证，试验盲目性大。“九·五”期间，我所针对200m级面板坝的面板接缝位移和作用水压力要求，成功地开展了铜止水薄壳结构的大变形数值分析计算，提出了铜止水结构的应力水平概念对不同结构参数的铜止水进行了应力分析，得到了在不同接缝剪切位移作用下铜止水结构的应力水平。随后，在洪家渡面板坝的止水研究中，以先前的数值分析结果为基础，进行了有接缝的铜止水模型试验，初步建立了铜止水结构的设计方法。该方法在洪家渡、三板溪、巴贡等一系列高面板坝中得到了应用，并被写入了水工建筑物止水带行业规范，初步解决了铜止水结构的设计问题，使铜止水设计由单纯经验型发展到了半理论、半经验型。

3、 自愈型止水结构

新疆吉林台面板坝坝高157m，按照9度地震烈度设计。按照设计要求，面板止水应能确保周边缝漏水后具备足够的自愈能力。为此，我所提出了包括GBW遇水膨胀型嵌缝止水材料的自愈型止水结构。即在表层塑性嵌缝止水材料中，贴近波形止水带一侧布置了一部分GBW，作为止水结构的自愈防线。经过试验论证，GBW遇水膨胀型止水材料遇水后自身体积可以膨胀100～150％，且不发散，对接缝漏水有自愈作用。同时，采用大型振动试验机对止水结构试验进行了动荷载试验，验证了GB填料的高阻尼性及其隔震、减震作用，论证了止水结构在振动状态下可以满足吉林台的止水要求。自愈型止水结构已在吉林台面板坝中获得了应用。

我所研发的接缝止水材料产品主要有：

1、 GB类止水材料

GB类止水材料为非硫化橡胶类材料，分为两类。一类是用于一般建筑物接缝和混凝土表面缺陷修补的止水条和止水板；另一类是用于面板坝面板接缝顶部的柔性填料。GB类止水材料的性能可以达到国外Sika公司IGAS的技术指标要求，而其耐久性优于IGAS，且其为冷料嵌填，施工方便。“九·五”以来针对面板坝接缝止水的特殊要求，开发出的GB柔性填料具有优异的流动止水性能，施工性能也进一步得到改善，满足了国内混凝土面板坝工程建设的需求。同时与国内同类材料相比，还具有斜坡不流淌的特点。近十年来，GB类止水材料已经成为北京中水科海利公司的主要经营产品。

2、 GB复合盖板

GB复合盖板为专利产品，其研发起源于上世纪九十年代的北京十三陵抽水蓄能电站上库的面板止水工程。试验研究表明，在橡胶板、止水带、铜止水等止水材料上复合GB材料可以极大地改善这些止水材料与混凝土的粘结性能和抗绕渗性能。根据这一成果开发出的GB复合橡胶止水板，已经成为混凝土面板坝面板接缝表层嵌缝填料止水的关键组成部分，并在国内推广使用。复合GB的橡胶止水板包括三元乙丙橡胶板、天然橡胶止水板和氯丁橡胶止水板。GB复合止水铜片也在面板坝中得到应用，GB-三元乙丙复合板、GB-土工膜复合板等还成功用于多个水工混凝土面板裂缝修补工程。另外根据工程需要，还开发了十字形和T形接头，解决了施工中止水板的连接问题。

3、 橡胶止水带系列产品

结构材料研究所开发的橡胶止水带产品，性能可以满足甚至超过国家标准和行业标准要求。在止水带设计方面，还进行了橡胶材料的长期强度试验研究和宽橡胶板的强度试验研究，根据这一成果建立的止水带厚度设计公式已列入相关行业规范。根据面板坝面板周边缝的运行特点，还开发了适应大接缝变形的波形止水带，并已在国内外许多高混凝土面板坝的面板周边缝止水中应用，极大地提高了接缝止水的可靠性。波形止水带还在国内大型渡槽的伸缩缝中得到应用。此外根据工程需要还开发了现场硫化接头仪，可以在工地现场实现止水带的对接。

4、 加筋橡胶止水盖板

针对北方寒冷地区冬季水库结冰后，流冰和冰盖对止水盖板的破坏作用，开发了加筋橡胶止水盖板，用于寒冷地区面板坝的面板接缝表层止水结构。冰凌对盖板的破坏主要是刺穿破坏，为提高盖板的抗刺穿能力，在橡胶盖板中复合有加筋材料。这种加筋橡胶板已在北方寒冷地区的面板坝中使用。

5、 GBW遇水膨胀型嵌缝止水材料

GBW也是一种非硫化型橡胶嵌缝止水材料，遇水后体积可自由膨胀1.5倍，在接缝中可在混凝土表面之间产生接触压力，毋需粘接即具有止水能力。GBW膨胀后析出物少、不发散，可满足高水压和长期反复浸泡的要求，已在国内水工混凝土建筑物的修补（包括水下修补）及工民建工程中得到应用。GBW还具有自愈止水能力，是结构材料所提出的面板坝周边缝自愈型止水结构的核心材料。当由于某种原因接缝漏水时，GBW可以愈合封堵渗漏通道。这种止水材料已在新疆的吉林台面板坝中获得应用。

6、 聚硫密封胶

聚硫密封胶粘接性能好，变形能力强，可用于混凝土结构变形缝的接缝止水。由于聚硫密封胶具有优异的耐老化、耐水、耐酸、耐碱、耐油类介质浸泡等性能，工程用途十分广泛。结构材料所开发的聚硫密封胶除用于一般接缝止水外，还在大型渡槽、污水处理厂等工程中获得应用。

7、 止水材料配套粘结剂

止水材料与混凝土的粘接是关键。目前开发的有单组分和双组分两种类型的粘结剂。单组分粘结剂适合干燥混凝土面的粘接，施工简便；双组分粘结剂还可在潮湿环境下应用，拓宽了GB嵌缝材料、GB复合型止水材料在工程中的应用范围。试验结果表明，双组分粘结剂经过长期水中浸泡、高低温、300次冻融循环后，粘接强度与常温条件相比不下降，而且均大于GB止水材料自身的强度，破坏面100%为GB止水材料破坏。

涉及面板坝止水材料和新型止水结构研究的“高面板坝新型止水结构、新型止水材料及应用”研究成果获得2001年度中国电力科学技术三等奖、“200m级高混凝土面板堆石坝的应用基础研究”获得2004年度大禹水利科学技术二等奖、“峡谷地区高混凝土面板堆石坝关键技术应用研究”获得2005年度中国电力科学技术二等奖，研究成果还编入了《水工建筑物止水带技术规范》（DL/T 5215 – 2005）和《水工建筑物塑性嵌缝密封材料技术标准》（DL/T 949-2005），同时获得国家发明专利1项、实用新型专利7项。

预应力技术的研究与应用

刘致彬

预应力技术——包括预应力混凝土技术、预应力锚固技术及体外预应力技术等。我所对预应力技术进行了理论研究和科学试验，并获得了许多具有实用价值的研究成果。

1、预应力混凝土技术

所谓预应力混凝土技术，就是根据混凝土结构设计的需要，人为地引入某一反向荷载，用以部分或全部抵消正常荷载在结构中所产生的拉应力。结合具体工程，我所主要对弧形闸门预应力混凝土闸墩及预应力混凝土衬砌隧洞进行了一些研究：

（1）  弧形门新型预应力混凝土闸墩

结合五强溪、岩滩、漫湾、天生桥一级等水电站进行了传统的锚块式预应力闸墩的试验研究。设计人员最关心的问题之一是锚块与闸墩连接断面（简称颈部）的应力状态。当颈部应力不能满足设计要求时，有时还布置几束斜锚索以增加颈部预压应力。

分析已建和在建的预应力混凝土闸墩结构可以看出，一是各工程的锚索布置方式、数量及吨位差异很大；二是所有这些预应力闸墩的一个共同特点是锚索预应力和弧门推力均不在一条直线上。虽然它们可以全部或部分抵消弧门推力所产生的拉应力，但不可避免地造成钢材浪费。因此发展高效预应力混凝土结构，要在降低成本或提高结构使用性能的基础上节省钢材。通常以预应力总吨位和弧门推力之比值作为衡量锚索布置的经济指标，比值越小，则锚索布置越趋合理。国外这一比值多为1.8-1.2，而我国此比值多在2.0以上，甚至个别工程达到3.0以上。显然，锚索布置普遍偏多，是不经济的。

试验结果表明，弧门推力所产生的拉应力分布，在颈部断面是两侧大而中间小，呈马鞍形，大小相差较大。而传统设计方法锚索所产生的预压应力分布，在颈部断面虽也是两侧大中间小，但大小相差无几，说明中间部位预压应力没能发挥作用，造成浪费。新型预应力混凝土闸墩的工作原理是，采用传力梁结构，利用支座反力，将锚索预应力的作用点转移到弧门推力作用线附近，这样两者在颈部断面所产生的应力分布接近一致，而且在颈部拐角处都有应力集中现象。由于充分发挥了预压应力的作用，因而使预应力总吨位与弧门推力之比值等于或小于1，这是传统设计方法不可能达到的经济指标。

应当指出，锚块内预留槽或传力梁结构，只在施工中存在，待张拉锁定后，用混凝土回填以恢复锚块的整体性。运行后，弧门推力是作用在整体锚块上，与传统设计方法的锚块没有任何差别。

（2）  预应力混凝土衬砌隧洞

高水头、大直径引水隧洞，除钢筋混凝土和钢板衬砌外，还常采用预应力混凝土衬砌，主要是节省钢材、降低成本和提高隧洞的抗裂能力。在混凝土衬砌一定间距内，预埋管道，并在衬砌混凝土内预留张拉槽口。待混凝土达到设计强度后，从槽口的一端穿入锚索，通过变角张拉装置，千斤顶在槽口外对锚索进行张拉，从而使混凝土衬砌环内产生预压应力。天生桥一级水电站，4条引水隧洞内径均为9.6m、衬砌厚度0.7m，承受内压水头130m。1997年在1^#洞进口部位选取6m长试验段进行方案比较及施工工艺试验。不同吨位及不同间距的锚索布置，4种不同位置的张拉锚固槽口，其尺寸并各不同。在张拉过程中，除测量隧洞内表面的压缩变形外，还测量混凝土内的应变计、钢筋计以及混凝土和围岩之间的接触情况。为了解张拉荷载沿锚索长度上的分布规律，首先在钢绞线不同位置安装传感器，并在专门拉力墩上进行标定，建立荷载——读数一一对应关系；然后将该绞线编入锚索并穿入孔道内。这样在张拉过程中，通过传感器读数就可以知道锚索不同位置的荷载大小。

2  预应力锚固技术

施加在锚索上的张拉荷载可由锚固段的顶端向下传递，亦可由灌浆体的底部向上传递，这取决于锚索在灌浆体内的锚固方法，通常称为拉力型和压力型。前者锚索埋置在灌浆体内，张拉后，锚索周围灌浆体处于受拉状态进而出现拉伸裂缝。在腐蚀性地基中，对要求具有耐久性的锚索是不利的。压力型的张拉荷载是通过锚索直接传至灌浆体底部的锚板上，因为锚索与灌浆体之间是脱开的。荷载由承压板沿着锚孔向上推压灌浆体并传给周围岩体。

锚索周围环形灌浆体内的应力状态是一个复杂的问题，直到目前很少有关其力学特性的研究，特别是灌浆体薄层、锚孔岩壁、锚索状况等等不确定因素总要影响灌浆体内的局部应力分布。我所上世纪90年代曾对这一问题进行过室内试验及现场试验，并提出改进意见如下：

（1）提出复合型锚固方式

在室内用石膏模型试验比较了传统的拉力型和压力型荷载的传递规律，并提出一种介于二者之间锚固方式，称为复合型，其目的是使锚固段的应力分布趋于均匀。尽管两端应力稍大而中间偏小，但最大拉应力和剪应力值却减小一半，其优点是明显的。

（2）采用电阻式位移传感器监测钢绞线应力分布

1994年参加国家“八五”科技攻关项目，在李家峡水电站现场进行高边坡岩锚试验，其目的主要是通过原型锚索的变形观测，获得沿锚固段长度上实际荷载分布，作为分析张拉荷载传递规律、锚固机理及合理锚固段长度的重要依据。

岩锚试验区选在左坝肩沟口下游附近，面积约400m²，三种锚固体系共16孔，分上、中、下三层布置。上层为6孔60吨级高强锚杆（f32）；中层为6孔100吨级锚索；下层为4孔300吨级锚索。采用电阻式位移传感器观测自由段及锚固段内钢绞线上拉力的分布。

（3）分散压力型锚固方式研究与应用

四川省铜头水电站拱坝坝肩加固，由于基岩较差，原设计在锚固段需要进行扩大孔径，以增加锚固力。当时因无扩孔设备，即使改进扩孔设备，但扩孔速度十分缓慢而影响施工进度。根据室内试验成果，提出改进压力型锚固方式，即在锚固段内设两块锚垫板，采用无粘结钢绞线，分别锚固在两块锚板上。和成勘院、大连拉伸机械厂合作，现场完成21孔分散压力型锚索，取得良好效果。由于灌浆体大部分受压缩，避免了拉伸裂缝的出现，因而增加了锚固效果和防腐蚀保护的可靠性。

（4）镦头锚固体系的改进

钢丝束镦头锚固体系应用于水电工程较早，但在施工过程中十分不便，特别是等长下料与现场镦头，若有一端镦头不合格，则该根钢丝便报废，浪费钢材。1989年岩滩水电站预应力混凝土闸墩施工过程中就遇到钢丝镦头多半不合格。当时水工预应力技术交流会正在该工地召开，多数专家建议改为一端镦头一端夹片锚固体系，经现场试验完全能够满足设计要求，从而大大加快施工进度，减少了钢材的浪费，取得了显著的经济效益。随后，这种锚固体系在麻石大坝加固、水口水电站等工程中得到了应用。

3  体外预应力锚固技术

体外预应力有别于传统的将预应力筋埋置于混凝土内的另一种预应力结构形式。体外预应力筋与结构的联系一般是通过锚具和转向块作用于结构上。

对于体外预应力加固技术，国内外均进行过一些研究和应用，但主要限于简支梁（如桥梁等）等基本构件的加固补强。我所在以往研究和应用的基础上，结合北京市斋堂水库的溢洪道、泄洪洞弧形闸门支承结构的补强加固工程，提出采用单根高强低松弛预应力钢绞线体外预应力锚固技术结构补强加固，该种补强加固技术已获专利。

目前预应力技术水平业已发展到可以适应各种工程条件的需要，预应力荷载从几十kN到1万kN以上的各种预应力锚索或锚杆，或单独使用，或成组使用，或用于临时工程，或用于永久性工程。既可作为补强加固现有建筑物的手段，也可用于新的工程设计，以及施工阶段——作为解决施工过程中出现特殊问题的应急办法。

预应力技术因其特有的优良特性使其发展很快，应用范围十分广阔，应用数量日益增多，致使它成为坝工建设中不可或缺的技术。

高分子材料研究及在水利水电工程的应用

买淑芳

水科院建院不久，即开始高分子材料专题研究工作，针对水利水电工程的需要开展新型工程材料的开发研究，用于水工建筑物的补强、加固，把修补材料、修补技术研究列为专门研究方向，在国内是最早的一家。借鉴国内外高分子材料领域中的最新研究成果，创造性地引用到水利水电建设中,并不断开发新材料、开辟新的应用领域。先后参加本专题研究的有高念祖、郭定中、索隆曼、买淑芳、方瑞良、陈贻研、梅梅、吴怀国、方文时等同志，研究开发的主要新材料有：

1、抗冲磨环氧砂浆

上世纪六十年代初，当人们还不十分了解环氧树脂，而且国内原材料很有限的情况下，我所已率先开始了树脂砂浆的研究，并于1963年在新安江电站厂房顶溢流面实际应用，作为抗冲刷保护层面积3860㎡。当时如此大面积露天应用环氧砂浆材料国内外均为少见，此后又在青铜峡、刘家峡、三门峡等工程推广应用，并为各工程局培训技术人员。

2、潮湿水下环氧材料

自上世纪70年代开始研究合成水下环氧固化剂并研制水下环氧砂浆。以往必须把砼烘干再施工，现可在水中施工。如高井渡槽受唐山地震影响地基沉陷、槽身错动、严重渗漏、边坡管涌无法正常运行，影响京郊工农业用水,采用水下环氧材料及相应的技术措施由潜水员配合施工,成功地治理了渡槽，解决了京郊工农业用水的燃眉之急，节省了重建渡槽的一切费用、时间及所占用的耕地, 获得北京市政府的好评和奖励。随后海子水庫泄洪洞气蚀破坏的修补、以礼河电厂毛家村水库泄洪洞大面积防渗处理（该工程长期不予验收处理后评为优质工程）、太平湾电站、引滦隧洞等一系列工程中成功应用，其固化剂已形成商品，该成果获北京市政府和水利部科技成果奖，并收编入《中国科技成果大全》。

3、弹性环氧材料

环氧砂浆涂层因固化收缩和温度变化出现开裂，长期困扰施工及管理单位，我们研制成功的弹性环氧材料具有类似橡胶的弹性行为，成功解决新安江电厂老环氧砂浆层的开裂问题。80年代初试用，经20多年后现拟将整个溢流面全部使用弹性环氧涂层,替代60年代的老涂层。此外太平湾电站22孔泄洪道一期混凝土的贯穿裂缝全部采用弹性环氧砂浆处理,该材料得到使用单位的认可和好评。

4、“海岛结构”环氧材料：

首次把高分子材料研究领域中的最新技术成果多相多组份高分子“合金”技术,即具有“海岛结构”的环氧材料引入水利水电工程防护材料领域。以提高环氧材料的断裂韧性为前提，解决水工建筑物抗高速(≥40m/s)含砂水流冲刷磨损问题,该“海岛结构”环氧固化物比普通环氧材料断裂韧性提高约10倍;对流速40m/s的含砂水流抗冲磨强度提高40%以上;低温强度、抗裂性均优于普通环氧材料。此成果正经过中间试验转向实际应用，已获得国家科委中小企业技术创新基金的资助.

5、水下不分散混凝土

在新拌混凝土中掺入高分子材料改善混凝土的组成及配比，提高混凝土内聚力和水中抗分散性，从根本上解决水下混凝土的质量问题。该混凝土在水中不分散、不离析、自流平、自密实、水陆强度比高,既可在淡水中施工也可在海水中施工使用。该项目是国家自然科学基金资助项目及电力工业重点项目,通过部级鉴定评定为国际先进水平。国家科委成果管理办公室向全国发文推荐采用，列为国家级科技成果重点推广项目。该成果已形成正式产品，在天津前扶松花江大桥江中桥墩、天津市海堤加固、葛洲坝电站大江电厂尾水冲坑的修复等工程中采用，满足工程要求。此外在矿井建设、引滦入津输水隧洞修补工程、市政工程高层建筑地下水的治理、电站前池底板水中浇注混凝土等均获得成功。

6、化学灌浆材料

该项目是国家“九五”攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”中“混凝土裂缝的检测、诊断和修补技术的研究”的一个子题。针对国内混凝土工程普遍存在的裂缝问题，及市场化灌材料品种和性能单一的缺点，而研制的一种新型化学灌浆材料。采用高分子材料中新的技术手段—互穿聚合物网络技术研制出性能好、适应性强的化灌材料新品种—环氧/聚氨酯互穿聚合物网络（EP/PUR-IPN）灌浆材料。将聚胺酯单体或予聚体按一定配方和比例与环氧树脂混合,解决相互混溶和同步固化问题,制备EP/PUR-IPN,经差示扫描量热仪测玻璃化转变温度和红外光谱测试，证实了互穿聚合物网络的生成。该灌浆材料有良好的粘接力、强度和变形性能，能在低温和潮湿有水条件使用，即可封缝堵水，也可补强加固灌浆，一种浆材多种用途。专家评定认为：“将互穿聚合物网络技术应用于化学灌浆材料的研究，思路新颖、理论上先进、具有创新性，该新型化学灌浆材料结合了环氧和聚氨酯灌浆材料各自的性能优点，克服各自的局限性，是一种性能全面的多功能化学灌浆材料，在工程实践中得到了成功应用，收到很好的效果。该项研究总体达到国际领先水平”。

7、保温防渗复合材料

受中国三峡总公司委托研制新型混凝土坝保温-防渗复合板.以挤压泡沫塑料替代模压泡沫塑料,其压缩强度由94kpa提高到349kpa，导热系数由0.041 W／(m·K)降到0.030 W／(m·K)，保温性能好，坚固耐用；组成复合板的防渗膜抗渗压力>2.0Mpa、抗拉强度17Mpa、 伸长率达720%，防渗功能好、强度高、适应变形能力强。该复合板可内贴法施工，也可外贴法施工，大大简化施工步骤，缩短工期，减少工程造价；可长期粘贴在混凝土坝表面，既有保温作用，又有防渗作用；既适用于常态混凝土坝，也适用于碾压混凝土坝。
   制备复合板所用粘合剂是从国内外多种聚合物乳液优选、配制而得, 水中粘接强度高，适用于水工建筑物；该复合板表面经防老化处理, 其特点是耐老化性能好、耐磨擦、耐雨淋，可有效保护泡沫塑料板，延长使用年限，而且可调配至混凝土颜色，外表平整美观，已在三峡、李家峡等大型工程试用。

8、聚氨酯嵌缝密封和涂膜防渗材料

受天津设计院委托，针对河北省岳城水库溢洪道混凝土伸缩缝的特点，研制了可灌注的嵌缝密封材料，在岳诚水库、柘林电站混凝土伸缩缝处理中应用。

以环氧树脂和聚氨酯两种材料作为混凝土表面防水和表面微细裂缝封闭处理的防渗涂膜，在山东峡山水库闸墩混凝土微细裂缝的治理及表面保护、天津宽河泵站、陡河电厂、北京换热器厂地下车间等渗漏处理中应用。

承担的其它研究项目有

⑴ 国家自然科学基金重点项目“水工混凝土建筑物老化病害的防治及评估的研究” 中子题“表面涂层与混凝土基底联合作用破坏机理研究”。

⑵ 电力部重点项目“大坝水下裂缝修补技术研究”中“水下化学灌浆材料的研究”

⑶ 电力部重点项目“大渗漏量、高流速溶洞地层堵漏和防渗技术”中“封堵粒料与抗水流冲击PMC堵水材料及堵水技术研究”

另外还负责编制了《水下不分散混凝土试验规程》（DL/T5117-2000）、《聚合物改性水泥砂浆试验规程》（DL/T5126-2001）、《环氧树脂砂浆技术规程》（DL/T5193-2004）等三个标准。

美国《化学文摘》(CHEMICAL ABSTRACTS)摘录了水下不分散混凝土的研究成果(见Vol. 122,1995  122:246682b )，俄罗斯科学院 全俄科技情报所文摘杂志《РЕФЕРАТИВНЫЙ ЖУРНАЛ》19.ХИМИЯ,摘录了聚合物改性水泥砂浆的研究成果见14  MOCKBA  1994  (14 M303.)。

1996年由买淑芳编著出版了《混凝土聚合物复合材料及其应用》专著。《潮湿水下环氧补强材料的研究与应用》研究成果获1980年度水电部科技进步三等奖、《水下不分散混凝土的研究与应用》研究成果获1994年度电力部科技进步三等奖、《混凝土裂缝的检测、诊断和修补技术的研究》研究成果获2004年度北京市科技进步三等奖。

大坝安全监测技术研究与应用

张进平  卢正超

水科院结构材料所原型观测专题组是我国最早从事大坝观测工作的研究集体。通过引进、吸收、创新、推广，紧密配合国内水利水电工程建设，促进了我国大坝安全监测技术水平的提高和发展，培养了一大批活跃在我国水利水电大坝安全监测事业的知名专家学者和技术人员。

1969年之前，参加本专题研究的有陶家发、庄万康、林世卿、经萱禄、王雪松、舒立富、曾修级、梁学礼、趙志仁、惠荣炎、李永贵、王挺正、储海宁、金学龙、林体楷、韩绍英等同志，主要完成以下工作：

（1）进行了差动电阻式、弦式传感器、坐标仪、引张线、水管式倾斜仪等内、外部观测仪器的试制和试验，观测仪器布置设计及安装埋设，期间得到了苏联专家B.B布林可夫的基础性的指导；（2）引进了日本差阻式仪器及整套图纸，并组织协调生产，实现了仪器国产化；（3）编写了国内外混凝土观测仪器布置图汇编，混凝土坝结构观测仪器埋设详图；（4）举办了全国性观测技术培训班，先后到上犹江、流溪河、新安江、三门峡、刘家峡、柘溪、恒山、云峰、桓仁、青铜峡等工地和设计部门约20多个单位传授技术；（5）在实践基础上，编著了“混凝土坝的内部观测”一书（1960）；（6）开展了应变计组资料整理分析及差阻式应变计动态观测等研究。

1978年以来，参加本专题研究的有经萱禄、庄万康、张进平、孟凡宏、夏朴淳、朱仰曾、黎利兵、卢正超、赵春、李素梅、裴安荣等同志，主要完成以下研究工作：

（1）调研国内外大坝安全监测情况，积极开展和宣传大坝安全监测工作，发表了国外关于混凝土大坝原型观测与安全监控的若干情况、混凝土坝位移观测资料分析方法综述、苏联混凝土坝的安全监测和原型研究的若干进展、法国大坝安全监测技术等文章。

（2）主编了6项国家标准（差动电阻式应变计GB3408-82，差动电阻式钢筋计GB3409-82，差动电阻式测缝计GB3410-82，差动电阻式孔隙压力计GB3411-82，电阻比电桥GB3412-82，埋入式铜电阻温度计GB3413-82）；还主编了《大坝观测仪器系列型谱》，并将我国独创的差阻式仪器五芯测法介绍到国外，受到了广泛关注。

（3）承担了国家“七·五”科技攻关项目“龙羊峡大坝安全监测微机数据处理系统（1986-1990）”、部重点项目“已建高混凝土坝实际性态的原型观测研究”、“已建重力坝安全程度评估和安全监控准则的研究”。国电公司重大项目课题“混凝土大坝安全监测系统研究”（1998-2000）与“龙滩地下洞室围岩监测信息反馈系统研究”（2002-2004）、国家自然科学基金重点项目“高拱坝真实工作性态仿真和设计的理论与方法”（2006-2009）、国家“十一·五”科技支撑计划重点项目“水库大坝安全信息监测与预测预警技术研究（2006-2009）”等。

（4）提出了分布式位移统计分析模型，得到了广泛应用。

（5）完成了二十几个大中型工程的安全监测管理及分析系统，其中包括龙羊峡、东北电网“7厂8坝（丰满、云峰、白山、红石、桓仁、回龙山、太平湾）”、二滩施工期 (1998)、小浪底(1998-2003)、龙滩地下洞室围岩(2002-2004)、小湾水电站边坡(2003-2005)以及万家寨（1998）、柘溪（1998）、大黑汀（1999）、潘家口（1999）、陈村（2000）、盐锅峡（2000）、深圳水库（2001）、洪门（2001）、后河（2004）、英那河（2004）、音河（2004）、十三陵（2005）、东风（2005）、陡河（2005）等。

（6）承担了多项工程的监测资料分析、安全评价、监控指标拟定，这些工程包括潘家口（1992、1998）、大黑汀（1993）、二滩施工期（一期1997，二期1998、蓄水期2000）、小浪底（2003）、太平湾（2003）、白山（2004）、红石（2004）、重庆江口（2004）、丰满（2005）、五强溪（2005）、西流水（2005）、铜头（2006）、公伯峡（2006）等。

（7）开发了大坝CT诊断系统。

（8）主编了《混凝土大坝安全监测技术规范》（SDJ336-1989》以及参编《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178-2003》。

（9）培养硕士研究生4名。

（10）参加三峡、小浪底、东风等多个工程的鉴定及验收。

二十多年来，工作重心主要集中在监测资料管理分析系统及相关问题的研究开发。在多年的系统研发中，注意吸收了国内外同类系统的成功经验，充分利用了最新的硬、软件资源，以及监测资料分析方法研究中的新成果，在监测信息系统的实用性、可视化、个性化以及自动化综合分析推理上积累了较丰富的经验，得到了国内外专家的好评。完成的小浪底水利枢纽工程安全监控系统，是目前我国结构最复杂、规模最大的安全监控系统，获2004年中国水科院科技进步特等奖。该系统采用基于专家系统的综合分析推理系统进行在线/离线分析监控枢纽建筑物安全，具有以下几项突破与创新：

（1）提出安全监控系统开发的三个“面向”：面向工程的实测数据，考虑数据系列的缺损、自动化监测的“过滤饱和”；面向工程可能的安全问题，针对工程的具体问题组织有关信息进行深入分析；面向用户，提供多种工具，满足管理人员、分析人员的不同层次需要。

（2）采用了人工智能技术，开发大坝安全监测信息综合分析推理系统。作为枢纽工程安全监控系统的核心，综合分析推理系统以发现结构异常、确定异常程度为主要目标，可以满足在线监控及离线分析的需要。

完成以上任务的技术路线是：

（1）单测点的信息最大限度的定量化，确定测点的时效发展趋势；

（2）利用专家系统技术使综合推理部分结构化；

（3）分析人员离线综合分析提供了充分有效的数据及模型支持。

小浪底工程安全监控系统有以下几个特点：

（1）基于四类“库”，即数据库、方法库、模型库、知识库；

（2）实现两个“结合”，即监测信息来源上仪器采集信息与人工巡视检查信息相结合，安全监控中监测信息与专家经验相结合；

（3）完成三个“综合”，即监测信息综合时分别按相同监测项目综合、按相同工程部位综合、按相同物理过程综合；

（4）构建了一个“核心”，即专家系统推理机，知识库与推理机相分离，专家知识经验总结为规则可扩充；

（5）提供三项“支持”，即数据支持（监测项目测点的合理组织、监测信息的可视化及定量化分析）、模型支持（单点统计模型、一维及二维分布统计模型、确定性模型、混合模型、神经网络模型、灰色系统模型、正反分析等）、扩展支持（自动推理得到结果，发出不同级别的技术报警）。

“差动电阻式应变计等六项国家标准”项目获1982年度水电部科技进步三等奖与1985年度国家科技进步三等奖，“大坝观测仪器系统型谱”研究成果获1984年度水电部科技进步三等奖，《混凝土大坝安全监测技术规范》获1992年度电力部科技进步二等奖，“大坝安全监测的位移分布数学模型”研究成果获1992年度电力部论文三等奖。

科学研究与工程实践相结合的几点体会

沙慧文

   2008年是建院五十周年，也是结构材料研究所建所50周年的喜庆日子。五十年的历程，几代人的努力，水科院已成为全国水利水电科学研究与开发的中心，享誉国内外。

   回顾自己的经历，往事历历在目。从青年到中年，直到老年，我的工作和成长都是和结构材料研究所的发展息息相关的。几十年里，我按照我院倡导的坚持科研与工程实践相结合的方向，努力工作、积极探索、敢于创新，在为水利水电建设服务的实践中取得科研成果，也逐步成长为具备承担国家科技攻关项目和部重点科研课题的技术骨干。

1958年建院时，我和原电力部水电科学研究院的同志，从东郊定福庄迁到木樨地结构大楼。遵照院、所领导以及水利老专家们关于“混凝土材料的研究要紧密结合工程，着重提高混凝土的耐久性和抗裂性能”的精神，当时我们这一辈年轻人，意气奋发，听党的话，勤奋工作与学习，科研成果接连不断。1968年开始，一批批知识分子被下放到工地劳动锻炼，接受再教育。我和许多同志被下放到三门峡工地，在黄河边的土坯房里工作和生活了近十年，经历了繁重的体力劳动锻炼和艰苦的生活磨练。然而，在那个岁月里，大家仍然心怀祖国，以“革命加拼命，拼命干革命”的精神，创造条件开展科研工作，为三门峡的改建、黄河泥沙的治理及水轮机的抗磨等问题进行试验研究。

   值得庆幸的是，1979年我国科学的春天终于到来，水科院得以重建，我又回到北京。经历了下放十年，我已步入中年，但我仍决心继续坚持沿着科研紧密结合工程实际的道路，努力实干，一直到退休。从那以后的岁月，是我一生中最充实，也是出成果最多的时期，现在回想起来仍然兴奋不已。下面是几件亲身经历记忆深刻的实例。

一. 外加剂是改善混凝土性能必不可少的组分，研制和开发外加剂应随着建坝技术的进步与时俱进，有所创新。上世纪50年代，国内外广泛应用木钙类减水剂和松香类引气剂。但随着科学的发展，这两类外加剂已不能满足工程要求。水科院恢复重建后的上世纪80年代初，根据工程需要我着手开发新品种引气剂（代号801）。为了充实知识，我到北大进修界面化学课程。参照表面活性剂的特性，从化学结构组成入手，设计配方优选材料，同时与松香类引气剂进行对比。通过引气剂匀质性、砂浆和混凝土试验，以及显微镜测定气泡参数等试验研究，又到丰满、故县、向阳闸和白山等工程进行现场试验，取得充分的科学实验资料以后，推广应用到十几个水利工程。1985年，801引气剂在首届全国科技成果交流交易会上展出，并被推荐列入“优秀科技成果汇编”中。该成果获得院科研成果一等奖及水电总局的科技进步奖。以后，我又根据工程需要进行了引气减水剂的复合，开发缓凝减水剂、引气防冻剂等，也在一些工程中得到应用。研究成果都已写成论文发表。

二. 碱骨料反应是影响和危害混凝土耐久性的重要问题。我所1958起步开展研究，初期建立了三人的专题组，分工我从事化学分析。但从实践中，我发现仅从化学分析角度进行研究是不够的。为了更深入地研究这一课题，我到地质学院选修有关课程，还带着偏光显微镜到中科院地质所实习岩相分析。通过工作经验的积累，我总结出要评判骨料是否具有碱活性，必须采取多种方法。首先采用岩相法了解砂石的矿物组分和岩相，再用化学法、砂浆棒法，甚至混凝土柱法进行评判。除此之外，还要到工地现场察看和调研，并参考和借鉴国内外的经验。随着工作深入，知识面也扩宽了。我先后承担了柘溪、水口、三峡等水利水电工程和多项部队军工项目，以及北京东方广场等工程的碱骨料反应的实验研究。得到部队首长和有关单位的好评，为我院、我所争得了荣誉。1995年，空军某设计局，特地来函表示，我所提供的报告“对高质量、高速度地完成国家重点项目作出了贡献”。1997年，海军某勘察设计处也来函，对所提供的成果和工作态度给予很高的评价，它“体现了科技工作者的科学、严谨、奉献的精神风貌”，“所提供的报告，为工程的顺利实施提供了宝贵的科学依据”。这些来函我都珍藏至今，没有公布。这些赞誉既是对我工作的肯定和信任，也是一名科学研究工作者应尽的职责。

三. 上世纪80年代初期，所里分配我负责“粉煤灰混凝土的碳化、钢筋锈蚀研究和工程调查”。这是国家计委下达的“粉煤灰混凝土三项特性研究”中的一项，也是科研与工程相结合的重点课题。进行这项工作，要了解粉煤灰的成份、进行化学分析、观察微观形貌、测定碳化深度，以及进行钢筋锈蚀电化学试验等。此外，还要到现场调研，我们选择了已经运行十几年的欧阳海水利灌区，检测掺粉煤灰大坝混凝土的碳化深度，并钻孔取芯样，测定混凝土的强度及抗渗性能等。在取得充分的科学数据基础上，提出了明确的结论，对粉煤灰的推广和综合利用起到了积极的作用。1988年，“粉煤灰混凝土三项特性研究”成果获院科技进步一等奖，1989年获能源部电力科学技术进步三等奖。该成果已写成论文发表，并于1990年在“发展中国家水泥混凝土学术交流会”上交流。

四. 每当回想起1987年到1989年三进内蒙响水拱坝施工保温层，我的心情总难以平静。响水坝位于内蒙赤峰市克什克腾旗西南的西拉沐伦河上，是一座混凝土薄拱坝。当地气候恶劣，冬季极端最低气温达零下34.1°C，夏季最高气温为34.9°C。 1987年大坝发现裂缝，根据观测和计算分析是由于大坝混凝土内外温差造成的，需要采取保温措施。赤峰市水利局领导专程来京，委托我所对大坝进行保温，并对保温材料作表面保护。在双曲拱坝坝面敷设整体保温层是前人没有做过的，国外也没有先例。当时我正负责国家“七五”攻关子题项目“混凝土保温、保湿方法及有关材料的研究”。面对响水垻工程遇到的难题，没有别的选择，只能知难而进，我义不容辞地接受了这项任务。为了使保温层耐久,达到预期效果，研制了新的粘结剂配方，精心选材并设计了施工方案。为检测保温层的效果，还在混凝土坝内埋设了测温仪器。在施工现场，我们只去了两个人，调配粘结剂都是自己动手，同时还要指导工人如何粘贴。我因患有高血压，心肌供血不足等疾病，在现场呼吸常感不畅，血压有时很高。当时，工地只有一名卫生员，电站站长很担心我的健康，深怕我病倒在工地，就让卫生员背着药箱经常巡视，关注我的病情。为了完成大坝的整体保温层施工，我带病坚持工作，直到完成任务后才回北京。

   令人欣慰的是，十几年过去了保温层仍然完好。1996年8月该水电站苗书记来北京，亲自告诉我说：“保温层很牢固，八年了一点没脱落”。1996年10月，苗书记又代表水电站和开发公司，特地来信表示感谢。1999年9月，苗书记和我通电话，再次报告喜讯说：“苯板保温层粘结仍然牢固，已经十多年了，没有脱落，表面保护层也完好”。苗书记的来信保存至今，这是边远地区人民对我所工作的嘉奖和信任。保温层使响水坝耐久性提高了，也使我的心感到安慰和踏实。

   以上是我亲身经历的坚持科研与工程实际相结合的几点体会，也是我工作中成长的几段回忆。我为国家的水利水电建设所作的一些贡献，凝聚着党和人民对我的培养，以及同志们对我的支持和协作。我衷心感谢党、感谢同志们对我的支持和关怀。

祖国江河源远流长，水利工作者任重道远，愿水科院结构材料所与时俱进，事业辉煌。

照片4-2    响水拱坝垻面保温层

为我国电测技术在水工结构中的应用与核电站建设作贡献

金学龙

脆性材料大坝结构模型试验应力分析，是1956年底在清华大学水利系由国内几个单位合作首次进行了广东流溪河拱坝及淮河响洪甸拱坝结构模型试验。当时参加此项工作的除清华大学外，还有原水电科学院的汪成梁同志、原水利科学院的谭一中同志、原中科院水工室的金学龙和大连工学院等单位。与此同时原水电科学院筹建脆性材料结构模型试验室，并进行了模型材料研制，模型加工工艺与加荷方式等研究，本人负责电测技术研究工作，于1957年开始了正式试验。1959年本人在国内首次成功地进行了支墩坝储备安全强度的结构模型破坏试验。我国混凝土徐变、自生体积变形、混凝土应力松弛及弹性后效试验等也是由水科院结构材料所首先进行的。

1958年在天津大学召开的全国水工仪器研制学术交流会上，本人代表水科院结构材料所和清华大学水利系，向大会介绍了流溪河拱坝结构模型试验中的电测技术，题为“电测技术在水工建筑中的应用及其存在问题”，得到与会的有关同志们的很大兴趣。此后华东水利学院、武汉水利学院、华北水电学院等单位相继开展了水工结构模型试验工作。

1959年水电部工程管理司在北京举办了水利工程管理研究班，由5位苏联专家和十几位国内有关专家和工程人员讲授。本人受结构材料所推荐，在研究班讲授“电测技术在水工建筑中的应用及其存在的问题”。此讲稿被编入研究班教材，由水电部工管司编辑出版。

石泉水电站在水轮发电机的安装工程中，本人参加了采用电阻应变仪调整水轮发电机推力瓦受力方法研究，成功地完成了石泉水电站3台机组安装，推力瓦的受力均匀使12块推力瓦的最大温差仅3~4℃。该成果1983年发表在安康水电站施工技术期刊和1980年由电力工业出版社出版的“水轮发电机安装经验选编”书中。此法被水电部在国内推广应用。

1984年结构材料所成立核电站的结构和混凝土方面研究课题，本人进行有关调研工作，并于1985年参加广东大亚湾核电站的前期工作，负责筹建工地土建试验室（按法国和英国标准），在设备的采购中尽量选用国产设备来替代进口设备，不但节约了10多万美元，并按期完成交付使用，整个试验室的标准达到了法国和英国规范要求。混凝土养护室温度达到20℃±1℃的控制要求（可能国内首次），得到了法国、英国、美国、日本等国专家们的认可和好评，还受到了核工业部的通报表扬，核电站建设方也授予我双增双节标兵称号，并接受了羊城晚报记者的采访和报导。

除试验室仪器设备由国家质检部门定期检定外，试验数据、质量控制、运行管理等不需再由国家质检部门审批。

核电站的核岛混凝土是按法国标准生产，而常规岛是按英国标准生产。两者混凝土最大的不同点为骨料最大粒径，法国为25mm、英国为20mm。由此要建两套人工骨料生产线。这样不仅增加经费还增加砂石料生产场地。因此我提出骨料最大粒径采用25mm的统一的砂石料生产线的建议及论证。在各方的研究协调下采纳此建议，节省了相当可观投资，并加快了骨料生产进度。

核电站试验室全套模式在我国援建巴基斯坦核电站建设中被推广应用。

本人编写了广东核电站混凝土工程总结报告，系统地叙述成功的经验并介绍中、法规范和标准的不同，为中国核电站混凝土规范编制提出了许多本人的建议和看法。

编写了广东核电站土建混凝土施工管理和质量控制一文，发表于大亚湾核电站建设经验汇编第一辑，于1992年由原子能出版社出版。

总之，本人在大亚湾核电站工作的7年期间为维护国家的尊严和形象做出了自己应有的贡献，也为水科院结构材料所增得了光彩。

碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆技术研究与应用

黄国兴

碾压混凝土拱坝施工时不预埋冷却水管，靠低水泥用量发热量小和薄层浇筑散热，因此在水库蓄水前封拱时坝体达不到稳定温度就对径向横缝或诱导缝灌浆，随水库蓄水坝体混凝土温度下降，混凝土收缩有可能使已灌浆的径向缝或诱导缝又张拉开，故需进行二次灌浆（即重复灌浆）。因此立项研究碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆技术具有很大实用价值。

“碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆技术研究与应用”是国家“九·五”科技攻关项目——“沙牌碾压混凝土拱坝筑坝配套技术研究”中“高碾压混凝土拱坝分缝及建坝材料特性研究”专题中的一个子题。本子题攻关目标是，在重复灌浆系统的合理布置、灌浆材料优选和灌浆工艺的研究基础上，进行重复灌浆模拟试验，探索不同缝隙开度和不同浆材等条件下重复灌浆的效果，以指导碾压混凝土拱坝诱导缝现场重复灌浆。根据以上攻关目标，确定本子题主要研究内容为重复灌浆系统的合理布置和重复灌浆盒的研究、重复灌浆的施工工艺的研究、重复灌浆材料优选试验，以及重复灌浆室内模拟试验等。本子题关键技术是研制重复灌浆盒与室内模拟试验。由黄国兴、陈改新、纪国晋等同志承担该项目研究。

碾压混凝土拱坝重复灌浆技术研究项目曾在国家“八·五”科技攻关中某单位进行过研究，但没有成功。因此国家“九·五”攻关再次列项进行研究。本项目经过近三年的攻关研究，取得以下研究成果：

（1）研制出可进行重复灌浆的穿孔管橡胶套阀出浆盒，该重复灌浆盒由橡胶套、带孔钢管和管接头组成。其开环压力为0.1MPa~0.2MPa，具有安装方便、重复出浆效果好、便于冲洗、价格便宜等特点，该成果填补了国内空白。

（2）通过浆材优选试验，研制出抗压强度高、粘度低、胶体率大、稳定性好等优良性能的改性超细水泥（掺加复合矿粉）浆材，该浆材能灌入缝宽为0.20mm~0.30mm的微细裂缝，适用于碾压混凝土拱坝小开度接缝的重复灌浆。

（3）重复灌浆系统布置应采用预埋一套可重复利用的灌浆管路系统，其具有造价低、安装容易、节省工期、可多次重复灌浆等特点，为了便于冲洗管路，灌浆管路系统应采用单回路布置。

（4）结合沙牌碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆工程，设计了200×140×2500px（长×宽×高）重复灌浆大模型，模型设计巧妙地设计成固定块与移动块两部分，而移动块又利用滚动摩擦原理和缝面涂刷界面隔离剂等措施，使移动块移动不需卧式千斤顶，而只需大板手拧拉杆螺母松紧就可调节缝的宽度，接缝宽度由预埋的CF-15型电阻式测缝计量测，诱导板尺寸与实际工程用的相同。重复灌浆大模型先后进行了三次灌浆试验，即进行了2次重复灌浆试验。重复灌浆试验结果表明，穿孔管橡胶套阀重复出浆盒完全能进行重复灌浆，且容易冲洗管路，用水胶比1.0的改性超细水泥浆材能灌入缝宽0.25mm左右的接缝，从钻取芯样缝面情况来看，重复灌浆效果令人满意。

本项目研究成果——重复灌浆成套技术应用于沙牌碾压混凝土拱坝诱导缝重复灌浆工程获得成功，重复灌浆效果令人满意，后来又在陕西省蔺河口与毛坝关，湖北省招徕河、玄庙观、峡口、麒麟观、马渡河、利川龙桥、云龙河，贵州省鱼简河、落脚河、沙坝、三江河，广东省长潭等15座碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆工程中得到成功应用，另外四川省锦屏水工隧洞衬砌回填混凝土与管片间隙也采用了重复灌浆技术。从1999年至今，重复灌浆出浆盒用量近10000个。

本子题项目研究成果——重复灌浆成套技术填补了国内空白，包含本子题的专题“高碾压混凝土拱坝分缝及建坝材料特性研究”成果获四川省科技进步三等奖，包括本子题的课题“沙牌碾压混凝土拱坝筑坝配套技术研究”项目研究成果，2004年获中国电力科技进步一等奖，2005年获国家科技进步二等奖。

本项目研究的重复灌浆成套技术，不仅可用于碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆，而且可用于混凝土重力坝纵缝、混凝土拱坝横缝的重复灌浆。同时还可用于混凝土坝导流底孔与导流隧洞封堵顶部缝隙等重复灌浆工程，该项技术具有广阔的应用前景。

混凝土徐变与收缩性能的试验研究

惠荣炎  黄国兴

我所在赵佩钰所长的领导下于1958年开始了混凝土徐变专题研究，从研制徐变试验设备开始，至今已有整整50年了。混凝土徐变是在恒定荷载作用下混凝土变形随时间延长而不断增加的现象。单位应力作用下的徐变变形称徐变度，混凝土徐变度是大坝观测资料分析与温控计算必不可少的数据。因此混凝土徐变试验是一项很重要的试验工作。

徐变试验研究首先由伍国梁同志从零开始，在苏联专家的指导与帮助下，开展了简支梁受弯徐变与杠杆式压缩徐变试验，参加混凝土徐变试验研究工作的有伍国梁、易冰若、周乾父、舒立富、庄万康、金学龙、惠荣炎、史杰、黄国兴、申杰华、王秀军、甄永严、张承志等同志。

混凝土徐变试验技术较复杂，需要混凝土徐变试验加荷设备（徐变试验机）、变形量测仪器、试件密封措施，以及恒温徐变试验室控制装置等。在1958年时，以上仪器设备都没有，都需进行逐一研究解决。由于杠杆式压缩徐变机太笨重，1959年由伍国梁同志负责研制成功了弹簧式徐变机，1961年金学龙同志负责混凝土弹性后效试验研究（即徐变试件加荷一段时间后卸荷，研究徐变变形恢复性能）。上世纪八十年代，徐变专题组长惠荣炎同志在研制徐变试验仪器设备方面做了大量工作，徐变试验机从弹簧式徐变机、半自动液压徐变机到全自动液压稳压徐变机，不仅有单轴压缩徐变机与拉伸徐变机，还研制了三轴徐变机；不仅有湿筛二级配混凝土小试件（f150×450mm）徐变机，还研制了原级配混凝土大试件（f450×900mm）徐变试验机（最大吨位达1000kN）；变形量测仪器从千分表、杠杆引伸仪、差动式电阻应变仪到位移传感器；混凝土徐变试件密封材料从石腊、沥青、乙烯乳胶到紫铜皮（厚0.2mm），不断提高混凝土试件密封效果。早在上世纪六十年代初就建成恒温（20℃±2℃）徐变试验室，到上世纪八十年代初建成恒温（20℃±2℃）、恒湿（60%±5%）徐变试验室，可以承担建工、铁道部门委托徐变试验（试件不密封），同时兼作干缩试验室。

本世纪初惠荣炎与王秀军两同志研制成功了混凝土应力松弛试验机。王秀军同志负责研制成功了徐变自动检测与数据处理系统，实现了检测自动化，填补了国内空白。另外，还研制成功2000kN大吨位液压徐变试验机。

我所研制的弹簧式压缩徐变机被国内不少单位所采用。至今，我所徐变试验技术一直处于国内领先地位。

混凝土徐变专题研究面向生产，为工程服务，先后为桓仁、刘家峡、龙羊峡、潘家口、东江、大化、岩滩、五强溪、东风、漫湾、李家峡、三峡、小湾、龙滩等大中型水利水电工程提供混凝土徐变资料，提交徐变试验报告近百篇。除承担委托徐变试验外，还进行了拉伸徐变、三轴徐变、大试件徐变、应力松弛及弹性后效等试验研究，发表论文10余篇。另外，接受铁道科学研究院与中国建筑科学研究院等单位委托的轨枕与结构混凝土徐变试验。上世纪八十年代，惠荣炎与黄国兴两同志协助朱伯芳院士与吴中伟院士培养混凝土徐变硕士研究生3名，还为兄弟单位培养混凝土徐变试验技术人员。

混凝土收缩包括干燥收缩（干缩）、化学收缩（水泥水化引起体积收缩）与碳化收缩等。平常所做混凝土干缩试验结果实际上不仅有干燥收缩（这是主要收缩量），而且还包含化学收缩与碳化收缩。混凝土收缩试验需量测收缩变形的仪器与干缩试验室，最早量测收缩变形的仪器为弓形螺旋测微仪，该仪器精度低、人为误差大，且费时费力。上世纪八十年代由黄国兴同志设计制作了千分表立式收缩仪，即将干缩试件固定在架子上，试件上方安装千分表，直接测读千分表读数，该仪器精度较高、人为误差小，且省时省力。后来又采用位移传感器立式收缩仪来量测收缩变形，其精度更高，更省时省力。以上两种立式收缩仪在不少科研单位及三峡总公司试验中心等单位得到推广应用。

上世纪八十年代末，在徐变专题组所做的混凝土徐变和收缩试验研究成果基础上，参考国内外大量资料，由黄国兴同志执笔，与惠荣炎、易冰若两同志合作编著出版了专著《混凝土的徐变》，该书是我国第一部全面系统论述有关混凝土徐变理论与徐变试验技术方面专著。后来，又由黄国兴同志执笔，与惠荣炎同志合作编著出版了《混凝土的收缩》一书，该书也是我国第一部全面系统论述混凝土收缩理论与收缩试验技术的专著。以上两部专著都填补了国内这方面的空白。

石灰石粉用做碾压混凝土掺合料的研究与应用

陈改新

通过高掺量粉煤灰改善碾压混凝土的性能，获得良好技术经济效益已成为中国碾压混凝土筑坝技术的共识。截至2005年，我国已建成的碾压混凝土坝，除了大朝山碾压混凝土重力坝以外，其余都使用了低水泥用量高掺粉煤灰混凝土配合比方案，粉煤灰掺量一般为50%～70%。景洪水电站位于云南西双版纳境内的澜沧江干流中下游，拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高108m，混凝土总量约393万m³，工程附近没有粉煤灰资源。中国水科院结构材料所在进行景洪碾压混凝土配合比设计时，没有照搬大朝山碾压混凝土的经验，而是通过对工程周边可用资源的调查，基于“多元胶凝粉体复合效应”理论，经过试验提出了“石灰石粉+磨细矿渣”双掺料方案，成功应用于景洪水电站碾压混凝土坝。2006年10月，在碾压混凝土坝体钻出直径197mm、长14.13m混凝土芯样，芯样表面光滑、密实、无气孔，证明了石灰石粉用作碾压混凝土掺合料在技术上的可行性。将石灰石粉当作掺合料组分进行碾压混凝土配合比设计和施工，在国内外尚属首次。这里面凝聚了中国水科院结构材料所20年来在石粉综合利用方面不断开拓与创新的历程——石灰石粉代砂、石灰石粉部分替代粉煤灰、石灰石粉用做碾压混凝土掺合料。

中国水科院结构材料所对石灰石粉在碾压混凝土中的应用研究始于1987年。当时岩滩水电站碾压混凝土坝已开工建设，中国的碾压混凝土筑坝技术尚处于探索阶段，《水工碾压混凝土施工暂行规定》(SDJS14-86)限定了人工砂中石粉含量不得大于12%，致使岩滩石灰岩人工砂石骨料生产排出的大量石粉只能丢弃。废弃石粉的堆放不仅污染环境，而且占用农田。后经充分试验研究认识到，提高砂料中的石粉含量可以改善碾压混凝土和易性与可碾性，岩滩水电站大坝碾压混凝土人工砂中石粉含量提高到16%～18%时最优，解决了石粉的排放难题。岩滩高掺粉煤灰碾压混凝土利用石粉改善碾压混凝土和易性与可碾性的经验，很快被其他碾压混凝土工程采纳，并写入《水工碾压混凝土施工规范》(SL53-94)。

2001年7月世界最高的龙滩碾压混凝土重力坝开工建设，中国水科院结构材料所承担了原材料选择、质量控制、配合比优化、全级配混凝土特性等工程科研和技术咨询服务，其中高掺粉煤灰、富胶凝材料用量碾压混凝土中石粉含量的优化是研究的重点。结合龙滩水电站大坝碾压混凝土进行的试验研究表明，石灰石粉中微细颗粒的形貌与中热硅酸盐水泥颗粒相似，在水泥、粉煤灰、石粉组成的三元粉体体系中能发挥 “填充效应”；在富胶凝材料碾压混凝土中，用石灰石粉部分替代粉煤灰不影响碾压混凝土的工作性，但会造成碾压混凝土抗压强度略有下降；对于龙滩大坝碾压混凝土，用石灰石粉替代28kg/m³粉煤灰配制的碾压混凝土各项性能和基准混凝土相比均没有降低，经济效益明显。龙滩水电站大坝碾压混凝土关于富胶凝材料体系石粉含量的优化研究取得的研究成果，为景洪水电站大坝碾压混凝土采用石灰石粉作为掺合料组分奠定了坚实基础。

2003年10月景洪水电站开工建设，初期碾压混凝土施工采用了粉煤灰掺合料方案，粉煤灰的公路运距600km以上，很快就遇到高运输成本和供应保障的双重压力。2004年3月中国水科院结构材料所接受云南华能澜沧江水电开发公司委托，开展了“景洪水电站大坝混凝土掺合料及配合比试验研究”工作。通过对工程周边可用原材料资源的调查，将研究重点锁定在“石灰石粉”和“磨细矿渣”上。研究的掺合料方案包括磨细矿渣、石灰石粉、石灰石粉+磨细矿渣、石灰石粉+粉煤灰等4种。研究结果表明，磨细矿渣活性高，单独作为碾压混凝土掺合料强度增长快，水化热温升高、超强幅度大，温控难度大；石灰石粉单独用做碾压混凝土掺合料能保证碾压混凝土在低水泥用量下的和易性与可碾性，以及碾压施工工艺的实现，但由于石灰石粉活性微弱，为满足设计要求的力学性能和耐久性，需要提高碾压混凝土的水泥用量；在石灰石粉中掺加30%的粉煤灰能够进一步降低碾压混凝土的用水量，改善和易性与可碾性；“石灰石粉+磨细矿渣”双掺料方案中的石灰石粉可调节掺合料的活性和颗粒粒径分布，降低碾压混凝土绝热温升，改善和易性与可碾性，石灰石粉与磨细矿渣的比例可视磨细矿渣活性的大小在(70～40)：(30～60)之间调整。综合比较分析认为，对于景洪水电站大坝碾压混凝土，采用“石灰石粉+磨细矿渣”双掺料方案具有显著的技术经济优势。

2004年8月20日，云南华能澜沧江水电开发公司组织召开专家咨询会，与会专家一致认为，“石灰石粉+磨细矿渣”双掺料可替代粉煤灰用于景洪水电站工程的碾压混凝土施工。之后经过参建各方的共同努力，完成了现场双掺料生产工艺试验、碾压混凝土生产性试验，制定了完善的质量控制标准和施工工法。从2005年4月起，“石灰石粉+磨细矿渣”双掺料正式应用于大坝碾压和常态混凝土的施工，至2007年底浇筑各类混凝土共213万m³，节省投资数千万元。

将石灰石粉作为掺合料组分引入碾压混凝土掺合料体系中，替代传统粉煤灰，实现了无粉煤灰地区的碾压混凝土快速施工。大朝山水电站碾压混凝土曾使用过“磨细磷矿渣+凝灰岩粉”双掺料。和凝灰岩粉相比，石灰石粉具有易于粉磨加工、能耗低、粒形好、与硅酸盐水泥能良好亲和匹配，以及降低混凝土用水量（需水量比小于100%）等优点；更具优势的是，石灰岩的储量丰富，地域分布广，容易获得，可用性强，为在粉煤灰资源匮乏地区推广碾压混凝土筑坝提供了一条新途径。该项目研究成果于2007年获得云南省科技进步二等奖。目前云南在建的糯扎渡、金安桥、戈兰滩、居甫渡及橄榄坝等水电工程已确定采用“石灰石粉+磨细矿渣”双掺料方案。我国西南地区水能资源丰富，规划和在建的水电工程多，石灰岩矿分布广泛，因此石灰石粉用做碾压混凝土掺合料将具有广阔的应用前景。

MgO微膨胀混凝土筑坝技术研究

张国新

用含有活性MgO的水泥拌制的混凝土具有微膨胀性能。与一般的混凝土膨胀剂不同，MgO混凝土的微膨胀性具有延迟性、不回缩等特点，这种延迟膨胀性可以部分补偿温降收缩，因此有助于防裂。刘家峡、白山等建于北方气候恶劣地区的混凝土坝裂缝较少的事实最早证明了MgO膨胀性最防裂的作用，此后国内在室内试验和大坝观测资料分析的基础上，总结了MgO混凝土的变形特性，并通过内掺、外掺的方式将MgO混凝土逐步应用于填塘、导流洞封堵等水工结构的局部。1999年开始国内开始尝试将外掺MgO用于整体拱坝。

我所1968年就在刘家峡原型观测分析报告中提出了膨胀性自生体积变形对防裂的作用。后来朱伯芳院士、丁宝瑛教高等相继提出了模拟MgO混凝土膨胀的数学模型，并结合仿真分析计算MgO混凝土的微膨胀性对混凝土结构应力的影响。2000年朱伯芳院士发表了题为“论微膨胀混凝土筑坝技术” 的论文，系统讨论了MgO微膨胀混凝土应用中的技术问题，在肯定MgO微膨胀性对防裂的作用的同时，提出了著名的3个“差”：“时间差”、“地区差”、“室内外差”，为外掺轻烧MgO混凝土的应用指明了方向。2001年笔者自对广东长沙坝的仿真分析工作，开始了对MgO膨胀性能及仿真分析方法的深入研究，先后提出了考虑温度历程效应的增量模型和基于化学反应动力学规律的反应动力学模型等计算分析模型并开发了相应软件，先后用于广东的长沙坝，贵州的三江河、鱼简河、沙坝、黄花寨等拱坝及龙滩RCC重力坝等全坝外掺轻烧MgO的大坝仿真分析与温控措施研究，取得良好效果。

1  MgO微膨胀混凝土的变形性能与反应动力学分析模型

根据我所的观测资料分析结果和国内有关单位的室内试验结果，MgO混凝土的膨胀性具有如下特性：（1）MgO混凝土的膨胀速率与温度成正比，温度越高膨胀速率越快;（2）膨胀量单调增加，温升时膨胀，温降时仍然膨胀；（3）膨胀具有收敛性，温度越高收敛越快；（4）长期变形稳定不回缩，常温养护20年后仍然以每年1~2微应变的速率膨胀；（5）常温长期养护后虽然膨胀缓慢，但膨胀能仍然存在，一旦提高养护温度后膨胀速率又会明显增大；（6）极限膨胀量取决于MgO的含量，当所有的活性MgO全部反应完毕后混凝土便不再膨胀。

根据如上变性特性，在2001年作者提出了考虑温度效应的MgO混凝土膨胀性数学模型，并用以对广东长沙坝的进行了仿真模拟，正确解释了长沙坝裂缝产生的原因。其后在不断应用中对模型进行了改进，于2004年提出了反应动力学模型。

MgO水化成为Mg(OH)₂本质上是一种化学反应，膨胀只是这种化学反应的物理表现，应该遵从化学反应的一般规律。瑞典化学家根据热力学原理推导著名的方程，已为大量试验所验证，成为化学领域的著名方程。根据方程，笔者推导了MgO混凝土的膨胀动力学模型模型。

计算结果表明，反应动力学模型能很好地反映温度对膨胀变形的影响。与国内其他模型相比，动力学模型具有精度高与能很好地反应MgO膨胀特性等特点。已将该模型加入到作者开发的大型仿真分析软件SAPTIS，并用于多个工程的仿真分析。

2  外掺轻烧MgO微膨胀混凝土在拱坝快速施工中的应用

2000年广东建成了第一座全坝外掺MgO、不分缝、无温控措施的拱坝—长沙坝，该坝建成后第一个冬季即在拱座和拱冠附近出现了贯穿裂缝。采用和长沙坝相同的设计理念，贵州建成了全坝外掺MgO的沙老河拱坝，该坝不分缝，无温控措施，且施工未避开高温季节，建成后又未及时蓄水，第一个冬季即产生5条贯穿性裂缝，最大缝宽达9mm。我所对以上两座坝进行了仿真分析，正确解释了裂缝成因，并在仿真分析过程中完善了分析模型。

通过对长沙坝、沙老河拱坝外掺MgO效果的仿真分析，得出如下结论：（1）在目前5%掺量限制之下，常温条件下MgO膨胀能提供70~130με的微膨胀；（2）这些膨胀应变并不是都能补偿温度收缩，早龄期的膨胀对补偿收缩作用不大，即有效膨胀量要小于上述值；（3）在MgO的膨胀量可以保证的条件下，可以使拉应力降低0.5~1MPa，可以补偿10℃左右的温降；（4）外掺MgO只能作为辅助温控措施，不能因此取消所有其他温控措施。

此后，利用我们自己开发的仿真分析软件SAPTIS陆续对贵州设计中的三江河、鱼简河、务川沙、黄花寨、落脚河等拱坝进行了仿真分析，通过仿真分析提出了大坝的分缝方案和温控措施。以上各坝除黄花寨拱坝正在建设中外，其余均已建成投入运行。观测结果表明，仿真分析结果反映了大坝的工作状态。

在对以上整体拱坝的仿真分析与分缝方案研究的过程中，逐步形成了整体拱坝外掺氧化镁仿真分析与分缝方案研究思路：（1）根据初步确定的施工过程在不分缝、不掺MgO的条件下对拱坝进行整体仿真，计算整坝的应力状态；（2）确定应力超标部位的MgO掺量，最多可取上限的5%；（3）进行掺MgO后的整坝仿真分析，计算大坝的应力状态；（3）根据应力超标情况分缝，再计算分缝后的坝体应力；（4）调整MgO含量和分缝位置，直至坝体应力状态满足抗裂要求；（5）进行大坝自浇筑、封拱灌浆、蓄水到长期运行的拱坝的温度和应力的变化过程，并计算各时刻等效应力。

通过研究与实践，逐步形成了一套外掺MgO快速浇筑拱坝的思路，即外掺轻烧MgO、混凝土浇筑避开高温季节、适当分缝。已建成的几座拱坝的成功运行证明，这套外掺MgO简化温控、快速施工的思路是正确的。

3  结语

MgO微膨胀混凝土已有近50年的研究和应用历史，我所是最早开展MgO筑坝技术研究的单位之一，做过大量研究工作。尤其是近几年，在MgO膨胀混凝土应用的基本理论、膨胀量仿真模型、外掺MgO在拱坝中的应用等方面，取得了丰硕的研究成果。

MgO混凝土的微膨胀性可以补偿温降收缩，对防裂有利，但作用是有限的。在目前规范规定的MgO含量5％限制之下，采用外掺MgO方式，如果MgO的膨胀性能够保证，可以提供100με左右的膨胀量，可补偿10℃左右的温降收缩。尚不能完全取代分缝和温控措施。对于百米级拱坝采用外掺MgO加适当分缝的方式，并尽量在低温季节施工，可以做到简化温控措施快速浇筑的目的。外掺MgO拱坝的分缝方案及必要温控措施，需要通过有限元仿真分析方法来确定。

外掺MgO的均匀性和活性，是外掺MgO微膨胀混凝土应用的关键，掺和不均不但无利还会有害，活性不够则起不到应有的作用。因此，在应用中首先要注意MgO的选材，保证原材料质量，其次要通过试验确定合理的掺量和膨胀特性，在施工中要特别注意质量控制，保证拌合均匀，保证浇筑后的混凝土的膨胀性满足设计要求。

MgO的膨胀性对大坝防裂的作用是可以肯定的，但是对其膨胀量和补偿温降收缩的作用要正确分析，避免盲目乐观，不能完全取代温控。同时，要充分考虑朱院士提出的“时间差”、“地区差”和‘室内外差’，对不同地区不同工程结合具体情况通过仿真分析的方式，确定其温降补偿作用和相应的其他防裂措施。

渠道输水系统防渗抗冻胀新材料新设备研究与开发

鲁一晖

2003年至2005年中国水科院以北京中水科工程总公司的名义申请与承担了国家“863”项目“渠道输水系统防渗抗冻胀新材料新设备与水量监控产品研制及产业化开发”工作，项目总负责人为贾金生副院长。这是我院首次承担国家“863“项目，意义不同寻常，责任重大。

我国水资源紧缺但流失严重，灌区渠系水的利用系数平均只有0.46，远低于欧美等发达国家，已严重制约国民经济的可持续发展。渠道渗漏还带来渠道冻胀破坏、湿陷变形、化学侵蚀等一系列问题，已成为节水防污型社会建设的关键环节之一。为提高全民节水意识，以经济手段强化水资源配置，大力普及量水设施也已成为十分迫切的任务。当前渠道量水计量工作仍然十分薄弱，一方面渠道量水中缺乏相应的测量技术和设备；另一方面部分测量设备价格高昂，非灌区所能承受。渠道输水系统防渗抗冻胀新材料新设备与水量监控产品研制及产业化开发列入国家高科技研究发展计划，其意义是十分重大的。

本项目由北京中水科工程总公司与陕西杨凌航天节水科技股份有限公司共同承担。结构材料所及北京中水科海利工程技术公司承担了“渠道输水系统防渗抗冻胀新材料新设备研制及开发”课题研究与开发工作。参加本项研究工作的有鲁一晖、郝巨涛、陈改新、孙志恒、曹建国、马锋玲、纪国晋、雷爱中、刘增宏、赵波、王少江等。本项目主要研究内容如下：

1  沥青混凝土衬砌成套技术

本项研究形成了一整套集材料、施工设备等于一体的沥青混凝土衬砌技术，与目前常用的水泥混凝土衬砌技术相比，沥青混凝土衬砌技术具有渗漏量小、适应变形能力强、不需设置伸缩缝、抗冻胀好、施工速度快、不需后期养护、造价基本持平等特点。通过调研提出我国推广应用沥青混凝土节水衬砌技术的主要问题是施工设备配套、施工工艺及改性沥青防渗材料等问题。通过研究和初步工程应用取得如下技术成果：

（1）合作开发了沥青混凝土衬砌配套摊铺机械，包括摊铺机、斜坡喂料车和牵引台车。摊铺机具有预压实功能，预压密实度可达90％，完全达到甚至超过大型摊铺机的预压实效果。喂料车在斜坡上运行自如。牵引台车在斜坡顶牵引摊铺机、喂料车和振动碾，运行可靠。

（2）开发并完善了沥青混凝土衬砌施工技术，包括远红外施工缝处理技术、沥青混凝土冷施工封闭层技术和包括铜止水的衬砌与刚性建筑物接头连接技术，这些技术的实施将有力地保障沥青混凝土衬砌的效果，确保接缝不漏水、封闭层防护不流淌、衬砌与其他建筑物接头连接可靠。

（3）开发了改性沥青材料的浓缩稀释技术，解决了改性沥青的贮存稳定性问题，使改性沥青这一性能优异的材料可以应用于交通不便的偏远水利工地，解决北方寒冷地区衬砌的低温裂缝问题。开发了以改性沥青为主的衬砌板防渗技术，改性沥青衬砌板在预制场集中生产，衬砌板可冷铺装施工，不需复杂的施工机械，该技术完全适用于小型渠道的衬砌施工。

上面成果适应于国内工程实际情况。配套施工机械结构简单、衬砌摊铺效果好、预压实功能较强、造价低廉，衬砌施工工艺技术可靠，可以满足大型衬砌工程的需要，并已于2004年在红旗渠供水工程南谷洞水库获得应用；改性沥青现场掺配技术解决了北方衬砌低温抗裂性较差的问题，与改性沥青相应的衬砌板防渗技术填补国内空白，适用于小型渠道衬砌工程，并于2005年在新疆的渠道工程中采用。这些技术将为国内推广沥青混凝土节水衬砌技术起到重要推动作用，项目开展的应用工程也将在国内起到重要的示范作用。

2  渠道输水系统止水填缝材料

本研究旨在开发一种适合渠道输水系统的高性能填缝材料，其性能要求如下：

（1）对混凝土材料、石材等工程材料有很好的粘结性能；（2）耐具有较好的耐水性能抗化学物质的侵蚀；（3）抗冻融性能；（4）耐候性能；此外，还有其他性能，如力学性能、抗水流冲刷性能等等；同时还要考虑材料施工性能。这些都是在材料的开发过程中要一并考虑解决的技术问题。

课题组研制的新型适合渠系环境的止水填缝材料为双组分产品，能适应渠基冻胀变形且实现了冷施工，能够在常温下进行施工，固化后具有一定的强度、变形性、耐久性、且与基面有良好粘结性。

本研究在提高材料的弹性和粘结性的同时改进了材料的耐水性，并针对渠基应用环境作了材料的粘结性能、耐低温性能、长期耐水性、耐化学介质性等性能测试。

3  渠系混凝土抗硫酸盐侵蚀专用外加剂

我国沿海、西南和西北地区灌溉水源中的硫酸盐等对渠系衬砌混凝土的化学侵蚀非常严重，导致这些地区的混凝土工程一年后就遭到破坏，严重影响工程安全运行，迫切需要研制提高渠系混凝土抗硫酸盐侵蚀的专用外加剂。通过试验研究本工作取得以下研究成果：

（1）优选出满足要求的抗硫酸盐侵蚀剂，其抗硫酸盐侵蚀系数＞1.0。

（2）提出了符合渠系运行条件的混凝土抗硫酸盐侵蚀干湿循环试验方法，用于评价材料的抗侵蚀性能。

（3）抗侵蚀混凝土的抗渗性和抗冻性均优良。

（4）完成抗硫酸盐侵蚀剂的产品化工作，2005年已向工程使用单位提供抗硫酸盐侵蚀剂产品。

在上述研究成果的基础上，提出针对渠系混凝土运行特点的“硫酸盐侵蚀干湿循环试验方法”（企业标准）。

4  环保型高性能水泥基修补材料

目前输水渠道混凝土衬砌渗漏和薄层剥蚀破坏修补材料存在施工质量不易控制、修补后易开裂、与老混凝土粘结强度低及冻融易剥落等缺点。为了填补现有修补材料存在的不足，本项目主要研制适合我国高寒、干旱缺水的“三北”地区输水渠道修补的环保型高性能水泥基材料。

在传统水泥基修补材料的基础上，掺加高性能抗冻引气剂与高活性超细矿物粉体，以改善修补材料的抗冻性和抗渗性。引入纳米级增韧改性胶粉和抗裂纤维，以提高修补材料的抗裂性与施工和易性，开发了适用于输水渠道混凝土衬砌渗漏和剥蚀破坏修补的环保型高性能水泥基修补材料。

所研制的环保型修补材料，其环保主要体现在两方面，一是组成该材料的原材料选用环保型的，对环境无污染；二是材料的使用在工地现场即开即用，可减少施工的粉尘。

5  环保型混凝土防渗补强新材料

通过分析混凝土常用补强材料及其局限性和无机掺合料的补强机理，选用多种无机混凝土掺合料进行多组分材料试验研究，比较掺无机掺合料的混凝土和普通混凝土(砂浆)的抗压与抗折强度、安定性、抗渗与抗冻性能，选定以磨细废渣为主要成分，掺加微量纳米微粉的环保型混凝土补强剂，混凝土防渗补强剂正在申请发明专利。通过试验得出以下结论：

（1）初步优选的抗冻防渗剂掺量经试验认为在3%～5%较合适，而超细矿粉在抗冻防渗剂中是作为“添加剂”微量使用的，其掺量可控制在0.1%～0.3%的范围内。采用这种环保型混凝土抗冻防渗剂除显著改善混凝土强度等力学性能外，还可极大改善节水工程混凝土最重要的抗渗性和抗冻性。

（2）掺抗冻防渗剂的改性试件与普通试件的对比试验结果表明，前者的凝结硬化能力提高，砂浆抗压强度与抗折强度等均比后者有所提高。

（3）掺无机混凝土抗冻防渗剂后，由于磨细废渣封堵了毛细孔，而高活性的超细矿粉又封堵了水泥和磨细废渣中的微孔，使混凝土的孔隙率大幅下降，有效地提高了混凝土的密实度，阻滞了渗水的通道，从而提高了混凝土（砂浆）的抗渗性，改性后其砂浆和混凝土的抗渗性大约提高30%。

（4）掺混凝土抗冻防渗剂后，极大地改善了混凝土内部的孔结构，封堵了孔径小于150nm的微孔，使混凝土的密实度大大增强，减少了混凝土结构内的孔隙水存量，从而避免了由于孔隙水结冰膨胀而产生裂缝导致的混凝土结构破坏。其抗冻性可提高30%以上。

（5）掺混凝土抗冻防渗剂可改善混凝土的抗碳化能力。

（6）掺混凝土抗冻防渗剂后，砂浆和混凝土的孔结构和密实度得到一定的改善，混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力得到提高。

6  新型土壤固化剂

在土壤固化剂研究方面，重点针对黄土固化的抗渗与抗冻性，研究了两个材料体系固化剂：

（1）“高钙粉煤灰—水泥—硬石膏—激发素”体系固化剂，用于粘性土和黄土的固化。

（2）“硅酸盐熟料—硫铝酸盐熟料—石膏—石灰”体系固化剂，用于粘性土固化。

同时，研究了PN固化剂固化黏土和固化沙土力学性能特性，通过试验表明掺加PN固化剂形成的固化土比纯黏土强度有了显著的提高。对于不同的土壤PN固化剂固化效果不同，沙性土壤经固化后具有比黏性土较高的强度。

借助高性能分散剂、多元复合材料等新材料、新技术，开发出具有高强度、高抗渗性、高抗冻性的SK-T系列渠系土壤固化剂（针对不同种类的土壤有专门优化的固化剂品种，从而形成一个系列化的产品），固化土的强度可以达15MPa，渗透系数小于10^-8cm/s，抗冻等级大于F50，使土壤固化剂的性能跨上了一个新的台阶。

本项目主要研究成果如下：

重大标志性成果1项：    建立渠系沥青混凝土衬砌防渗成套技术

本研究形成了一整套集材料、施工设备等于一体的沥青混凝土防渗衬砌成套技术，与目前常用的水泥混凝土衬砌技术相比，沥青混凝土衬砌技术具有渗漏量小、适应变形能力强、不需设置伸缩缝、抗冻胀好、施工速度快、不需后期养护、造价基本持平等特点。

该技术核心内容包括：①水工沥青混凝土衬砌施工摊铺设备；②水工沥青混凝土防渗衬砌的改性沥青防渗材料的研制。其中水工沥青混凝土摊铺机的成功研制，填补了国内在水工沥青混凝土施工核心设备方面的空白。

研制出新产品6项：

（1）改性沥青母体材料

（2）沥青混凝土防渗预制板材料

（3）弹性填缝密封材料

（4）SK-T渠系土壤固化剂

（5）混凝土减缩剂

（6）渠系混凝土抗硫酸盐侵蚀专用外加剂

申报专利2项，其中发明专利1项：

（1）减缩剂，实用新型专利，申请号：200420059731.5；

（2）渠系土壤固化剂，发明专利，申请号：200510051457.6；

产业化与示范情况：

（1）渠系混凝土抗硫酸盐侵蚀专用外加剂已形成产业化生产，并应用到实际工程。

（2）研制出的改性沥青材料与沥青混凝土防渗预制板技术，已在新疆建设兵团农七师的渠道中示范应用。

其余产品均完成中试工作，随时可投入生产。

以往结构材料所的工作多集中于水库大坝这样一类大中型工程，对水利工程的渠道知之甚少。通过此项研究与开发工作，使我们对水利工程中渠系工程有了系统与全面的了解，可利用我们的专业经验、专业技术与专业知识，为水利建设与发展服务，是一种荣幸，更是一种义务。

水工混凝土结构的检测、评估与修补加固技术

孙志恒

1、前言

为了适应我国水利水电建设事业的迅猛发展和市场的需要，中水科海利工程技术有限公司设置了工程检测评估与修补加固中心（以下简称“工程部” ），工程部依靠中国水利水电科学研究院结构材料研究所雄厚的技术力量和水工结构与新材料等方面的丰硕研究成果，专门从事混凝土建筑物检测、评估和修补加固的施工业务，10年来参与了100余座有关水电站和水库大坝、厂房结构、引水隧洞、拦河闸、输水渡槽等结构的检测与评估项目，以及上百个水利水电工程的补强、加固、防渗、防冲磨处理等项目的工程实践，培养了一支素质较高的专用化施工队伍，积累了丰富的工程经验。在混凝土工程的现场检测、安全评估与修补加固施工等方面业绩，在国内同行中享有盛誉。

2、水工建筑物无损检测

中心拥有从美国、瑞士等国引进的最新探地雷达、混凝土超声测定仪、钢筋锈蚀仪、粘接强度测定仪、钢筋定位仪、氯离子含量测定仪、回弹仪、孔隙测定仪等国内外先进无损检测设备和仪器，可以承担混凝土建筑物缺陷普查，现场检测混凝土强度、混凝土抗冻标号、混凝土的剥蚀程度、冲蚀程度、混凝土碳化深度、钢筋锈蚀、混凝土氯离子含量、混凝土的渗透系数、混凝土的密实度、混凝土的裂缝宽度及深度、混凝土底板是否脱空、结构变形、衬砌混凝土的厚度及外水压力、浆砌石钩缝砂浆的强度等项目。

3、混凝土建筑物安全评估

拥有专业技术人员及专门的软件，承担了丰满大坝、黄河三盛公拦河闸、北京三家店拦河闸、安徽宿县拦河闸、引滦入津输水隧洞、京密引水渠50余座混凝土建筑物等水利工程的安全评估，完成了天生桥水电站、尼尔基水电站、蒲石河水电站及北京斋堂水库闸墩预应力计算，为工程节省了大量资金。

  

 4、水工混凝土建筑物修补加固处理

拥有先进的专用施工机具、修补新技术和专用修补材料，可以承担混凝土建筑物的补强加固、防渗堵漏、防冲磨、防碳化、磨损及破碎的修复、混凝土裂缝补强及防渗处理、伸缩缝防渗处理、钢筋锈蚀处理及预应力锚固等工程施工。主要业务范围及配套技术见表1。

表1    业务范围及配套技术

业务范围	配套技术
1、混凝土建筑物渗漏与裂缝的修补加固	※防渗堵漏技术                  ※化学灌浆技术 ※特种水泥灌浆技术              ※水下裂缝灌浆技术 ※防碳化处理技术                ※预应力加固技术 ※GB复合防水板覆盖防渗技术     ※钢板粘贴补强加固技术 ※碳纤维复合材料补强加固技术
2、水工混凝土建筑物大面积开裂、剥蚀、冲坑的修补	※聚合物混凝土技术              ※抗冲磨喷涂材料与技术 ※弹性环氧砂浆技术              ※有机和无机涂层技术 ※聚脲弹性体抗冲磨喷涂技术
3、水下不分散混凝土材料与施工	※水下不分散混凝土材料          ※水下不分散混凝土施工技术
4、混凝土保温防渗喷涂	※保温防渗喷涂材料              ※保温防渗喷涂技术

 

创优质工程  为人民造福

王国秉

值此结构材料研究所成立五十周年之际，表示衷心的祝贺。

回忆起国家“八五”建设期间，我院科研体制改革逐步深化，国家科委大力倡导科研院所面向生产、面向市场，把科研成果转化为生产力。

1994年1月我所与甘肃省水电勘测设计院第二总队组成联营体中标承担引大入秦盘道岭隧洞衬砌混凝土缺陷处理施工任务，在科研改革的大潮中迈出了坚实的一步。

甘肃省引大入秦工程是一项跨流域的调水工程，即引青海省大通河水灌溉甘肃省秦王川86万亩农田，工程总干渠长87km。盘道岭隧洞是引大入秦工程总干渠中的关键工程之一，是我国当时最长的一条无压引水隧洞，长达15.73km。隧洞设计流量为32m³/s，设计纵坡1/1000。隧洞断面为拱直墙型带仰拱式底板，成洞净宽4.20m，净高4.40m。该洞于1987年由日本熊谷组株式会社中标承建，采用新奥法施工，并于1991年完成。由于隧洞所处地质条件复杂多变，围岩为砂质泥岩或砂质泥岩夹层，岩性很差，遇水软化崩解，塑性流变显著；加上隧洞断面型式及新奥法施工中存在一些问题，导致隧洞二次衬砌混凝土拱墙和底板产生了4千余条纵（斜）向裂缝，渗漏十分严重。

这些裂缝对隧洞的危害性很大，一是外部硫酸根离子含量较高的围岩水内渗，将会对洞体混凝土产生较严重的侵蚀破坏；二是内水通过这些裂缝外渗会导致围岩软化，造成洞体裂缝进一步恶化，危及隧洞的长期安全运行。因此处理好该隧洞衬砌混凝土裂缝是迫切需要解决的技术难题。

经多方调查分析和论证，引大工程指挥部决定采纳我所建议的补强和防渗处理方案：

（1）从洞内向围岩打6m长锚杆，加固稳定围岩。

（2）对隧洞进行回填灌浆。

（3）用GB止水材料嵌填渗漏伸缩缝。

（4）对开度d≥0.25mm的裂缝用聚氨酯复合浆材做化学灌浆防渗补强处理。

为了更好地完成施工任务，我所成立了领导小组，成员有黄国兴、王国秉、贾金生、甄永严、于骁中，由黄国兴、王国秉任组长，并由黄国兴、王国秉、甄永严轮流在工地全面负责施工。由所任命郭立富、韩本正分别担任裂缝化灌和环向施工缝处理技术负责人。

该工程在洞体长、时间短、难度大的情况下，采用了我所一系列具有国内领先水平的新材料、新工艺和新技术，通过全体施工人员10个多月的日夜奋战，终于圆满地完成了任务。工程竣工后，经过严格的质量检测和通水考验取得了显著效果。

1995年9月该工程项目通过省级竣工验收，并被评为优质工程。引大工程指挥部特授予结构材料所“创优质工程，为引大争辉”锦旗，予以表彰。该项目化学灌浆技术研究荣获1996年度水利部科技进步三等奖。水科院引大工程项目部还被水利部评为1995年度安全文明生产先进集体。由于该项目合同额较大，致使我所1994年合同额跃居全院第二，经济效益也有较大增长。

通过引大工程实践，更坚定了我所面向生产、面向市场、锐意改革的步伐。

引大入秦工程已于1994年10月胜利通水，正在发挥巨大效益，对解决我国大西北干旱贫困地区的农业灌溉及人畜饮水问题具有特别重要意义。随着秦王川这片千年旱塬的全面开发，昔日的大漠荒滩与黄土秃山已变成绿洲。引大长河的流水欢歌将铭记结构材料所的功绩。

祝愿结构材料所在新时期与时俱进，再创辉煌，为国家作出更大贡献！

天荒坪抽水蓄能电站上池面板沥青混凝土施工

——科研工程化和科研国际化的实践回顾

贾金生

我院结构材料所成立五十周年之际，邀请我写一篇定题回顾文章，思考良久，交上一篇短文。从1999年3月离开所，至今已有9年。9年前的事对当前的发展不一定有帮助，回顾当时的思考与实践过程，只能权作迟了9年的总结。不妥之处望同志们指正。

一、科研工程化是科技人员走向市场的有效途径

1993年，由于科研任务比较少，全所一年大概只有200多万元合同额，很多年轻同志没有任务，不少同志或调离或出国，形势比较艰难。如何创出一条新路，给大家找到发展的平台成为当时面对的首要问题。时任所长董哲仁教高，领导大家于当年的3月创办了电科公司并希望我出任经营部长，为此我曾专门请教课题组长朱伯芳院士何去何从，朱先生非常开明地表示鼎力支持，并说“小贾啊，目前科研非常困难，虽然你离开对课题组损失很大，但支持你到所里经营”。朱先生说到做到，在时间上、经济上给了我最大的支持。正由于有了这种支持才使我能全身心地投入到新的工作中去。当时所里的年轻人心劲很高、人心很齐，老同志又比较放手，一时热火朝天。试着搞了不少非专业的经营，论证了不少非专业的发展项目，遗憾的是效果都不太好。1993年底我接任结构材料所副所长并担任所办的北京电科公司总经理以后，如何走向市场还一直是个问题。1994年，梁瑞驹院长、董哲仁副院长等提出了水科院2241发展战略，其中就有科研工程化、科研产品化、科研国际化和科工贸一体化的指导思想。经过反复学习和多次讨论，电科公司的发展逐步坚定了走“四化”之路。科研产品化的思路引导了水工止水材料系列产品的发展，科工贸一体化的思路引导了科海利止水材料生产厂的兴办。

从1994年开始，引大入秦盘道岭隧洞衬砌混凝土裂缝处理、十三陵抽水蓄能电站上池止水材料供货、天津引滦入津隧洞止水渗漏处理、山西引黄入晋工程咨询等一系列工程任务的承接，使电科公司的发展走向了良性而有一定规模的发展之路，道路虽然困难重重，但也让大家看到了科技人员的优势所在，实现了课题组小作坊式作业到集中力量集中技术优势为工程全面服务的转变，全所年合同额也有200多万元很快提升到1000万元以上，很多年轻同志在新的形势下找到了自己的发展平台。

二、科研国际化的可持续发展在于不断创新

水工沥青混凝土在国内的发展有比较长的历史，但主要是浇注式施工，工艺复杂，质量较差。1994年，在原副院长沈崇刚教高和时任水科院副院长董哲仁教高的引荐和指导下，电科公司与德国水工沥青混凝土专业公司签订了合作协议，确定了共同投标天荒坪抽水蓄能电站上池面板沥青混凝土施工并共同开拓水工沥青混凝土市场的原则。记得那时大家英语水平都不高，为确保准确理解和顺利沟通，于骁中老所长特请了居襄博士担任第一次与德国公司商讨协议的翻译，并为双方合作提供咨询意见。居襄博士很好地完成了任务，并为我们介绍了施工代理与设计代理费率的区别，以及国际代理的常规做法，他的咨询为双方良好的合作起到了非常关键的作用。

杜振坤同志从一开始就介入了双方的合作，但由于语言问题，我们两个陪同出席标前会及投标准备的整个过程中，他吐字如金，从头到尾几乎一言未发。之后的两个月，他克服种种困难，依靠自学很快达到了合作所需要的英语要求，做到这一点是非常不易的。天荒坪工程施工中标后，杜振坤、郝巨涛、孙志恒、卢正超、林乐佳、张均等同志代表电科公司与国际专家一道花了两年时间完成了该工程施工。为了合作的顺利和工程的完成，鲁一晖、陶英作为所领导，于骁中、甄永严、黄淑萍作为公司副总经理，都做了大量的后勤支持工作，尤其是鲁一晖、陶英、黄淑萍等同志起到了冲锋在前尽全力解决涉及到的方方面面问题的作用，如工地工程师家属遇到的难题、来人接待及设备海关手续等，于骁中、甄永严、沈崇刚等老同志则起到了随时指导和把关的重要作用，如费率确定、人员选派、重大争议化解等。大家团结奋斗，不计个人得失，边提高英语水平边熟悉专业，并一起翻译出版了水工沥青施工专著，发表了多篇文章。回过头看，工作的难度和劳动量都是很大的，取得的经济效益和锻炼出的人才队伍为此后的发展奠定了很好的基础。

   科研国际化是科技人员走向市场后需要长期面对的问题，只有融入国际竞争、参与国际竞争，不断请进来、走出去，结合国情勇于创新才能在市场的激烈竞争中始终处于有利地位。科研国际化的首要之点，与科研工程化、产品化、科工贸一体化一样在于不断创新，离开了创新，离开了创新人才的不断成长都是难以持续发展的。结构材料所在天荒坪水工沥青混凝土施工之后，先后承担了上海大众汽车测试车道、河南南谷洞及宝泉工程等沥青混凝土施工项目，最好地诠释了科研国际化、科研工程化之路。作为参与者之一，对所里在这方面取得的新进展，由衷地感到高兴与振奋！

宝泉抽水蓄能电站上水库面板沥青混凝土施工

岳跃真

宝泉抽水蓄能电站位于河南省新乡市辉县境内，总装机容量1200MW，工程枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统及地面出线场、下水库等组成。上水库工程主要包括大坝、库区防渗、库底排水、浆砌石副坝等。主坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝顶长度600.37m，上游坝坡1：1.7，下游坝坡1:1.5，最大坝高94.80m；副坝为浆砌石重力坝，坝顶长度201.05m，最大坝高43.9m。总库容约776万m³。上水库主坝和库岸周边采用沥青混凝土面板防渗，库盆底部采用粘土铺盖防渗，这是继美国LUDINGTON工程之后，世界上第二个采用此类防渗结构的工程。沥青混凝土防渗面板总防渗面积约16.6万m²。防渗面板采用简式结构，自下往上分别为厚1500px碎石垫层、250px整平胶结层、250px防渗层及2mm玛蹄脂封闭层。面板最大斜面长度约110m，坡度1:1.7。

宝泉工程上水库沥青混凝土防渗面板的施工由北京中水科工程总公司承担，合同额为8700万元。2006年3月1日进场，2007年11月完成沥青混凝土的施工，2008年3月10日通过蓄水验收。参加本项工程施工的有岳跃真、郝巨涛、关遇时、刘增宏、杨伟才、张福成、曹建国、陈慧、李永光、薛建光、宋宝洪、黄昊、瞿扬、杨东、孙建、孟丽娟等同志。

本工程的特点如下：

（1）坡度较陡

在国内采用沥青混凝土防渗的抽水蓄能电站中，宝泉工程的库岸和坝坡坡度最陡，为1：1.7。

（2）因库岸和坝坡采用沥青混凝土防渗，而库底采用粘土防渗，沥青混凝土与底部混凝土廊道的连接结构复杂，施工难度较大。

（3）库岸和坝坡垫层料的铺筑、沥青混凝土施工及库底的粘土铺筑施工交叉进行，相互干扰、相互制约。

（4）宝泉工程是国内类似工程中第一个由国内承包商承包沥青混凝土面板施工的工程，对推动我国水工沥青混凝土的发展和进步具有较大的推动作用。

本面板沥青混凝土工程施工创新点如下：

（1） 砂石骨料加工和矿粉的生产

沥青混凝土对骨料的分级、针片状含量等要求较高，为保证宝泉工程沥青混凝土所需的骨料具有较高的品质，建造了干法生产的骨料加工系统，系统包括中碎系统和细碎系统，生产的骨料粒径分级为0～2mm、2mm～5mm、5mm～8mm、8mm～13mm、13mm～19mm。生产的骨料级配稳定、各级料比例均衡，生产能力为100t/h，能很好地满足沥青混凝土生产的要求。

（2）研发了主绞车及喂料车

宝泉工程研发的主绞车整机重约100t，具备牵引摊铺机、喂料车、振动碾、自行走和侧面上料的功能。研发的斜坡喂料车的容积为8t，行走速度为40m/s。

（3）研发了斜坡摊铺机

研发的Voegele S-1800-2专用斜坡摊铺机附有双压实梁，摊铺宽度2.5m－5m，摊铺宽度通过液压系统自动调整，摊铺厚度0－300mm，摊铺速度为0－20m/min，无极变速，适用斜坡最大倾角为32^o。沥青混合料摊铺的预压实度可达90%以上。

（4）研制了封闭层涂刷设备

封闭层采用热改性沥青玛蹄脂，施工时采用热涂刷，涂刷温度180～200℃，涂刷厚度2mm。封闭层涂刷厚度太薄，防紫外线的能力不足；涂刷厚度太厚，易形成流淌。针对封闭层施工的要求，本公司与西安理工大学合作开发了封闭层的搅拌和涂刷设备，搅拌设备采用导热油加热，可对沥青和矿粉进行加热和搅拌，搅拌锅的容积为1.5m³。涂刷机的涂刷宽度为2m，在涂刷过程中可对沥青玛蹄脂进行加热。该设备可保证玛蹄脂的温度满足涂刷要求，从而保证涂刷的厚度和均匀性。

（5）弧线段曲面部位采用摊铺机摊铺

在防渗面板曲面部位的沥青混凝土摊铺时，充分利用了摊铺机的变宽度摊铺功能。由于所用摊铺机的熨平梁具有液压伸缩功能，摊铺宽度可以在3~5m之间变化。对于各曲面部位，采取下窄上宽（凹弧段）或下宽上窄（凸弧段）的摊铺方式，此种方式的摊铺避免了大量的人工摊铺，有利于保证施工质量和提高效率。

（6）施工质量控制的专项试验

施工过程中动态的质量控制是保证沥青混凝土施工质量的必要手段。本次施工的质量控制中除了开展常规的试验控制原材料的质量、混合料的制备质量外，还进行了现场取芯进行了圆盘试验与芯样的Van Asbeck斜坡稳定性试验。为了检测接缝处的施工质量，在接缝处取芯进行了极限拉伸试验，试验结果表明接缝处的质量良好。

在宝泉项目的实施过程中，项目部加强管理、科学组织、精心施工、优化设备配置、合理安排工序，将机械摊铺强度提高到800吨/天，确保工程按期完工。工程施工单位工程质量优良率达92％，合格率100％，为宝泉工程按期发电和创国优工程奠定了良好的基础。

宝泉抽水蓄能电站上水库采用库岸沥青混凝土与库底粘土联合防渗的形式，系国内首创。本沥青混凝土防渗结构复杂，坡度较陡，施工交叉较多，且是类似工程中第一座由国内承包商承建的工程。在本项目沥青混凝土的施工中，本公司在充分吸收国外先进技术的同时，施工设备和施工技术均有不少创新，形成了一套拥有自主知识产权的成套施工技术，培养了一支水工沥青混凝土专业施工队伍。宝泉工程沥青混凝土施工质量优良，全面完成了创一流精品工程的目标。

丰满大坝长期安全性评价与全面治理可行性方案研究

鲁一晖

丰满大坝是我国最早的混凝土高坝，由于建坝时的施工技术水平差，施工质量低劣，大坝建成以来即存在着一些严重的先天性缺陷，如混凝土强度偏低，不合理的分缝分块造成坝体整体性较差，扬压力偏高，渗漏、冻胀、化学溶蚀等因素引发的老化现象不断发展。大坝在不利的环境下已经蓄水运行近七十年，虽经上世纪五十年代的续建、改建和以后多年的持续维修加固，大坝存在的缺陷得到了一些处理，大坝老化进程也有所缓解，但坝体混凝土强度偏低、渗漏、扬压力偏高、溶蚀及冻胀等影响大坝长期安全性问题依然突出，迫切需要在国内外已有的研究成果及工程加固成功经验的基础上，全面评价大坝的长期安全性，并在此基础上论证大坝全面加固方案，为大坝全面加固处理设计提供技术依据。

在对以往丰满所作大量工作的基础上，评价其长期安全性，研究全面加固方案具有典型意义。为此，2006年东北电网有限公司委托中国水利水电科学研究院和中国大坝委员会全面负责本项工作。中国水利水电科学研究院和中国大坝委员会组织了国内外专家进行现场调研、资料分析和国内外工程案例研究，最终提出丰满大坝长期安全性评价报告和大坝全面加固方案。

贾金生副院长主持、鲁一晖所长负责了该项目的研究工作。张家宏硕士、李新宇博士、刘志彬教授、王国秉教授、陈改新教授、张国新教授及郑璀莹博士等结构材料所的部分专家、同志与研究生们，参加并完成了这一具有挑战性的工作。

丰满水利枢纽位于第二松花江上游吉林市东南16km处，电站装机容量为1002.5MW，是东北电网的骨干电厂，负责调峰、调频、事故和检修备用等任务，兼有防洪、灌溉及城市供水等综合作用。该枢纽由混凝土重力坝、泄洪隧洞、发电引水隧洞、右岸一、二期坝后式电站厂房及左岸三期河岸式电站厂房等组成。始建于1937年，1942年水库蓄水，1943年第一台机组发电，1953年大坝全部建成。丰满大坝为混凝土重力坝，最大坝高91.7m，总库容109.88亿m³，坝址区地震基本烈度为7度，设防烈度为8度。

本项研究的技术路线是，依靠专家分析论证，总结分析国内外类似工程研究成果和经验，通过对可资利用或借鉴的国内外典型工程的实地考察，在以往大量研究评价成果的基础上，归纳与总结出丰满大坝长期安全性评价意见，提出丰满大坝全面加固设计可资借鉴的各种可能全面治理方案。

通过研究得出对丰满大坝长期安全性的评价意见和全面加固建议方案如下：

1  对丰满大坝长期安全性的评价意见与建议

(1) 大坝混凝土质量与整体性差

由于历史原因，大坝混凝土没有明确的设计指标，只规定了水泥用量。混凝土施工质量很差，存在大量低强混凝土、蜂窝空洞等严重缺陷。同时，坝体被纵缝与各种子纵缝和子横缝严重切割，且施工期间纵缝没有灌浆、水平施工缝未打毛处理，因此大坝的整体性很差。

大坝结构纵缝的存在会增加大坝的拉应力和拉应力范围，会增加大坝的水平位移。在地震情况下，按整体计算，坝踵、上部坝头和下游折坡处部位均会出现拉应力，如考虑纵缝存在情况会更加不利。尤其对坝基应力状态的影响更大，特别是各柱状块上游面会出现较大拉应力。

(2) 大坝抗滑稳定及结构安全裕度偏低

由于大坝整体性差，存在低强混凝土及施工纵缝的不利影响，使大坝处于较高且较复杂的应力状态。分析结果表明，在今后高水位遇地震条件下可能出现结构物的局部损坏。

纵缝的存在不利于承受正反向地震荷载的反复作用。在正反向地震荷载作用下，可能会造成大坝失稳或破坏。因此，所采用的综合治理方案必须使大坝的整体性得到改善，以保证在各种荷载作用下大坝的安全和稳定。

(3) 大坝渗漏问题突出、混凝土耐久性差

丰满大坝的渗漏途径是沿坝体混凝土裂缝和接缝而形成，使大坝混凝土遭受溶蚀、冻融和冻胀破坏。而渗漏、溶蚀和冻融、冻胀破坏通常是同时出现又互相加重，导致大坝混凝土的持续老化和力学性能持续的降低。

影响丰满大坝耐久性的根本原因是渗漏问题。渗漏引起坝体混凝土的溶蚀破坏和密实性的下降，使坝体混凝土处于饱水状态。冬季大坝混凝土受冻破坏，表层脱落而深层冻胀，坝顶上抬，加剧了大坝混凝土的老化。

经过采取局部修补、外包混凝土等措施，大坝混凝土的老化问题得到了一些改善，但仍存在很多问题，如大坝上游面混凝土的修补加固不全面，未能形成完全封闭的防渗系统；上下游面外包混凝土的厚度有限，在上游面防渗和下游面排水不彻底的情况下难以有效阻止大坝表层负温区混凝土的进一步劣化；新浇筑的溢流面混凝土出现较多裂缝，还存在新老混凝土结合差；水平施工缝冻胀脱开等诸多问题。

因此，遏制由于严重渗漏而引起的大坝混凝土快速劣化趋势，是丰满大坝补强加固处理方案应解决的首要问题。

(4) 大坝泄洪能力不足

丰满水库在洪水基本资料，防洪预报方面存在一定的问题，调洪计算不符合现有的规范要求，丰满水库现有的泄洪能力不能满足要求。因此，丰满大坝综合治理方案中，要考虑增设坝体泄洪设施，增加泄量，以满足可调节万年一遇洪水的要求，并确保大坝的防洪安全。

(5) 需对地质断层活动性及地震参数准确性进行补充论证

对坝基F67断层带进行垂直、水平变位的监测是必要的， F67断层属松花江断裂的一部分，其活动性需要进行补充论证。坝址区地震参数的选取与论证，非常重要。应进一步论证现有地震参数的合理性与科学性。

(6) 论证全面的、综合性的大坝加固处理方案

由于丰满大坝在不利的环境下已经蓄水运行六十多年，虽经上世纪五十年代的续建、改建和以后多年的持续维修加固，大坝存在的缺陷得到了一些处理，大坝老化进程也有所缓解，但坝体混凝土强度偏低、渗漏严重、扬压力偏高、溶蚀及冻胀等影响大坝长期安全性问题依然突出。因此，迫切需要在总结与借鉴国内外已有的研究成果及工程加固成功经验的基础上，提出全面的、综合性的大坝加固处理方案，使丰满大坝的病害问题得到全面的、根本性解决，保证大坝安全运行和延长电站使用寿命，继续为国家的经济建设与社会发展做出更大的贡献。

2  丰满大坝全面治理方案可行性研究

本次丰满大坝全面治理方案可行性研究，是在充分借鉴国内外大坝加固经验的基础上，结合丰满大坝实际，按照“彻底解决、不留后患、技术可行、经济合理”的原则，对大坝加固及重建等各种技术方案进行深入研究和充分论证，科学选择丰满大坝全面加固技术方案。

大坝渗漏问题突出、混凝土耐久性差, 大坝混凝土强度与整体性差, 大坝抗滑稳定及结构安全裕度偏低等问题，尚不能采用同一种技术措施完全解决，必须采用不同技术措施进行综合治理。

（1）大坝主要病害和缺陷的治理措施

A 上游表面防渗措施

上游面混凝土叠合层防渗、上游面混凝土墙与柔性防渗膜联合防渗、上游面沥青混凝土防渗、上游面混凝土墙防渗、上游面PVC复合柔性防渗体系防渗、上游面挂钢丝网喷混凝土防渗。

B 坝体防渗加固技术措施

坝体置换混凝土防渗、坝体混凝土灌浆防渗、坝体开槽防渗加固。

C 坝体加固技术措施

纵缝的补强加固治理—混凝土塞+水平预应力锚索、预应力锚索加固、下游面的加固治理─下游面外包高性能混凝土、坝体局部灌浆处理。

D 其他加固措施

坝基帷幕加强处理、坝基坝体排水、坝顶防渗处理。

（2）丰满大坝综合治理可供选择方案

1）大坝上游面防渗水下施工综合治理方案（Ⅰ）

①将水位降至预定水位(有两种选择，一种是降至高程242m；另一种是降至高程225m)，疏浚丰满大坝上游河床距坝面15m范围内的淤泥，以进行PVC复合柔性防渗体系施工前的准备。对丰满大坝坝体上游面的蜂窝、狗洞等缺陷进行安装前修补。对坝面，特别是拟安装固定零件部位的明显低强（或因冻融、溶蚀等原因被破坏）混凝土，进行补强加固；

②在上游面水下安装PVC复合柔性防渗体系，彻底解决坝体渗漏严重的问题。上游面水上部分可采用安装PVC复合柔性防渗体系防渗或喷聚脲防渗方法；

③在坝体下游面和坝顶外包高性能混凝土，以防止目前坝体下游面和坝顶表层混凝土质量进一步恶化，并解决坝体下游面和坝顶混凝土冻胀问题，增强坝体抗滑稳定安全。其中坝体下游面外包混凝土厚度约4~5m，坝顶外包混凝土厚度1m~2m；

④为了增强坝体整体性，在坝体内部和部分存在软弱夹层的坝基设置预应力锚索，对坝体内混凝土质量很差、渗漏严重的部位进行局部灌浆之外，一个重要的措施就是在坝体纵缝部位设置混凝土塞与水平预应力锚索。

⑤对坝基防渗帷幕进行补充灌浆，并增设坝基和坝体排水，以降低坝基和坝体扬压力，提高坝体抗滑稳定安全性；

本方案突出优点是可以直接在坝体上游面形成完整的防渗体系，对水库运行的影响程度比较小。

2）大坝上游面防渗干场施工综合治理方案（Ⅱ）

①在坝体上游面安装一外径34m、壁厚5mm的半圆形拱围堰，形成一工作区域不小于8m×18m的干场施工环境；

②在坝体上游面重新形成防渗体系，即在坝体上游面采用预应力混凝土叠合层、或混凝土防渗墙、或沥青混凝土防渗墙、或混凝土墙与柔性防渗膜联合防渗等措施，重新在坝体上游面形成一道防渗体系，以彻底解决目前丰满大坝存在的渗漏严重以及由此引发的其他问题。

③、④、⑤与方案Ⅰ相同。

本方案的突出优点是在坝体上游面形成了干场施工环境，可以对坝体上游面质量低劣的混凝土进行彻底处理。其缺点是部分河床坝段施工过程中，水库需要控制水位运行。

3）大坝坝内置换混凝土防渗综合治理方案（Ⅲ）

①在靠近坝体上游面的纵缝部位通过切割置换原有混凝土，重新形成一道2m宽的高性能混凝土防渗墙，在尽量不影响枢纽正常运行的前提下彻底解决目前丰满大坝存在的渗漏严重以及由此引发的其他问题；

②在坝体下游面和坝顶外包高性能混凝土，其中坝体下游面外包混凝土厚度约4～5m，坝顶外包混凝土厚度1m~2m；

③新老混凝土之间加设排水，以防止目前坝体下游面和坝顶表层混凝土质量进一步恶化，并解决坝体下游面和坝顶混凝土冻胀问题，增强坝体抗滑稳定安全性；

④在坝体内部和部分存在软弱夹层的坝基设置预应力锚索，对坝体内混凝土质量很差、渗漏严重的部位进行局部灌浆，以增强坝体整体性。

⑤对坝基防渗帷幕进行补充灌浆，并增设坝基和坝体排水，以降低坝基和坝体扬压力，提高坝体抗滑稳定安全性。

该方案的突出优点是在坝体和坝后施工，对枢纽运行的影响程度很小。但该方案无法彻底解决坝体上游面A块混凝土存在的问题。

4）丰满大坝坝体灌浆防渗综合治理方案（Ⅳ）

①在靠近坝体上游面的一定范围内，对坝体混凝土和坝基进行全面灌浆处理，形成有效的防渗屏障。

②在坝体下游面和坝顶外包高性能混凝土，其中坝体下游面外包混凝土厚度约4~5m，坝顶外包混凝土厚度1m~2m；

③、④、⑤与方案Ⅲ相同。

该方案的优点是可在不降低水库水位，不影响水电站的正常发电和下游供水的前提下，解决目前丰满大坝存在的渗漏严重以及由此引发的其他问题。

受丰满大坝加固施工不影响东北电网的正常运行和不影响下游地区防洪安全和供水的前提条件限制，上述4个方案，均立足于以大坝坝体防渗为着眼点的综合治理措施。

丰满大坝的全面治理工作是一复杂的系统工程，丰满大坝综合治理所推荐的方案，既要满足技术可行，又要强调方法的安全可靠。以上方案是在全面考虑与总结国内外类似工程成功与失败案例，结合丰满工程实际而提出，同时借鉴了国内外成功实践。就丰满大坝的现状及环境等条件而言，每一方案都具有相当的施工难度和复杂的不确定性。

丰满大坝全面治理下一段工作中，将对各类方案进行更进一步的比较、论证与优化，以至于开展现场试验论证工作，为最终方案的选定提供关键的试验技术数据。

丰满大坝全景

新型混凝土外加剂开发

纪国晋

外加剂在混凝土中的掺量很少，但能显著改善和提高混凝土的各项性能。现代混凝土的技术进步与外加剂的发展和应用是密不可分的，外加剂技术已成为混凝土学科的一个重要分支而得到越来越多的关注。中国水科院结构材料所是国内最早开展混凝土外加剂应用技术研究的单位之一，经历了我国外加剂发展的各个阶段，从上世纪50年代修建梅山水库开始就着手进行引气剂的应用研究，到后来的糖钙、木钙、萘系高效减水剂等不同类型的外加剂在水工混凝土中的应用技术研究。

从上世纪九十年代开始，结构材料所由外加剂的应用技术研究进入到产品的开发和推广应用领域，经过多年的研发，形成了SK系列混凝土外加剂，包括高效减水剂、缓凝型和早强型减水剂、引气减水剂、泵送剂、引气剂、抗硫酸盐侵蚀剂等多个品种不同功能的系列外加剂。这些产品先后用于延边小合龙水电站、青海公伯峡水电站、天津引水工程、大连英那河水库扩建、青海拉西瓦水电站、河南盘石头水电站等工程。

进入本世纪，结构材料所又着手进行最新一代减水剂——聚羧酸系高性能减水剂的研发工作。与目前国内普遍采用的萘系高效减水剂系列相比，聚羧酸高性能减水剂具有以下几方面的优势：（1）碱含量低。聚羧酸减水剂一般为酸性，氢氧化钠中和带入的钠盐量少，有利于混凝土中总碱量的控制；（2）减缩性能好，有利于提高混凝土的抗裂性；（3）保坍性能好，更有利于混凝土的运输和浇筑；（4）振实性好，有利于施工，降低劳动强度；（5）聚羧酸减水剂所需原材料基本无毒无害，无萘系减水剂合成所必须的甲醛和工业萘，反应条件温和，生产过程简单，易操作，无工业三废，生产清洁无污染，其合成和使用更有利于环保。

聚羧酸高性能减水剂可用于配制高工作性、高耐久性等高性能混凝土。上世纪90年代，意大利MABEI公司的聚羧酸高性能减水剂在三峡工程中第一次使用。此后10余年，国外的MASTER公司、SIKA公司以及GRACE公司的聚羧酸减水剂先后进入中国市场。本世纪初，国内的上海建科院率先完成了具有自主知识产权的聚羧酸减水剂的合成工艺。

2006年结构材料所开始采用国内原材料合成聚羧酸高性能减水剂。项目初期由所内利用自有资金立项研发，后期得到了院青年专项基金的资助。产品开发经过了实验室内合成技术路线、分子结构设计和合成工艺的优选等阶段，确定了聚羧酸减水剂的合成技术参数和性能检测，并完成了工厂的中试生产和性能检测。目前可生产醚类和酯类两个系列、不同浓度（20%~40%）的系列聚羧酸系高性能减水剂，并于2007年下半年由中试开始正式生产，进入市场销售阶段。

赴三峡总公司试验中心作技术咨询

黄国兴

1995年5月初时任中国水科院院长高季章同志带领水力学所、岩土所与结构材料所的所长们赴三峡工地与中国三峡总公司商谈合作事宜，其中有一项就是结构材料所派专家到三峡总公司试验中心作技术把关、技术咨询等工作。当时三峡总公司试验中心人员主要来自水电三局科研所与水电八局科研所，技术力量显得不足，三峡总公司要求中国水科院派专家到其试验中心工作。为此我所与三峡总公司签订了聘用合同（每年签一次），从1995年5月~2003年4月派两名专家，从2003年5月~2007年4月派一名专家。在长达12年中，我所赴三峡总公司试验中心工作的人员有黄国兴、甄永严、惠荣炎、沙慧文、邓正刚、陈改新、马锋玲、曹建国、宋宝洪等，甄永严同志在三峡工作有4年多（1996~2000年），黄国兴同志在三峡工作长达7年多（2000~2007年）。

1995年5月~2007年4月，我所派赴三峡总公司试验中心工作的专家，为中国三峡总公司试验中心做了大量工作，主要有以下几方面：

（1）为三峡总公司试验中心仪器设备购置提供咨询

我所派赴专家提出需增购仪器设备的建议，如混凝土冻融试验机、混凝土动弹模测定仪、混凝土干缩测试仪、混凝土抗剪仪、混凝土冲磨仪等，使该试验中心能满足三峡工程主要混凝土性能试验要求。

（2）编写三峡二期工程混凝土配合比试验大纲

1995年7月我所派赴三峡总公司试验中心专家承担编写三峡二期工程混凝土配合比试验大纲任务，该试验大纲包括混凝土原材料优选、混凝土配合比设计试验、混凝土性能试验、确定推荐混凝土配合比等，是当时我国水电系统试验内容最全、试验工作量最大、试验费用最高的一个混凝土配合比试验大纲。

（3）审查三峡二期工程混凝土配合比设计试验总报告

当时三峡二期工程混凝土配合比试验，先由中国水科院与长江科学院两家牵头分别做配合比试验，试验中心作校核试验，最后由试验中心编写混凝土配合比试验总报告，该总报告由我所派赴专家审查。

（4）起草制定中国长江三峡工程标准

我所派赴专家承担起草的中国长江三峡工程标准有《混凝土总碱量限值标准》（TGPS 07-1998）、《碾压混凝土施工质量控制及单元工程质量评定标准》（TGPS.T14-2000）、《地下电站工程喷锚支护原材料技术要求与检验》（TGPS.T31-2005）、《地下电站喷锚支护质量检验》（TGPS. T32-2005），以及《右岸地下电站工程喷射混凝土与注浆材料配合比技术要求》等。

（5）修订中国长江三峡工程标准

我所派赴专家负责修订的中国长江三峡工程标准有《混凝土用粗骨料质量标准及检验》（TGPS.T01-2003）、《混凝土用细骨料质量标准及检验》（TGPS.T02-2003）、《混凝土用水泥技术要求及检验》（TGPS.T03-2003）、《混凝土用粉煤灰技术要求及检验》（TGPS.T04-2003）、《混凝土用外加剂技术要求及检验》（TGPS.T05-2003）、《混凝土生质量控制及检验》（TGPS.T06-2003）、《混凝土总碱量限值标准》（TGPS.T07-2003）、《混凝土配合比设计技术规定》（TGPS.T08-2003）等8个。

（6）负责编写申请实验室认可用的质量手册与程序文件，并担任质量体系质量负责人

2001年三峡总公司试验中心向中国实验室认可委员会提出实验室认可申请，申请必须有质量手册与程序文件，为此我所派赴专家承担了编写质量手册与30个程序文件的任务，其工作量很大，历经半年多时间才完成。

另外，还担任试验中心质量管理体系的质量负责人。

（7）解决三峡三期围堰碾压混凝土强度检验评定标准问题

本来碾压混凝土抗压强度检验评定标准按照《水工碾压混凝土施工规范》（DL/T 5112-2000）要求做不成什么问题，但西北院监理提出，D/T 5112-2000与《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144-2001）的强度检验标准不同，水工碾压混凝土也属于水工混凝土，而两规范强度检验评定标准却不同，到底用哪个标准？这就成了问题。为此本所派赴专家对以上两规范强度检验评定标准进行了深入研究，发现DL/T 5112-2000的规定有一些问题，最后采用DL/T 5144-2001规范的标准进行碾压混凝土强度验收。对这个问题还专门写了一篇“对水工混凝土强度检验评定标准的评定”文章在2006年第1期《水力发电》杂志上发表。

（8）负责对三峡大坝混凝土进行抗裂性分析

针对三峡二期工程——溢流坝段垂直裂缝问题，2003年三峡总公司试验中心决定对三峡大坝混凝土进行抗裂性分析，并与二滩拱坝混凝土进行抗裂性比较，该工作由我所派赴专家负责。从上世纪六十年代以来，水工混凝土材料抗裂指数计算公式有好几个，经研究分析，发现以往这些计算公式都或多或少存在问题，如考虑因素不全，物理意义不明确等。为此新建立了一个混凝土材料抗裂指数计算公式，该公式考虑因素全面，物理意义明确。还专门写了一篇“试论水工混凝土抗裂性”文章在2007年第7期《水力发电》杂志上发表。

（9）为施工单位解决喷射混凝土与围岩粘结强度不满足设计要求问题

三峡右岸地下厂房采用375px厚钢纤维喷射混凝土作永久衬砌。设计要求喷射混凝土与围岩粘结强度不小于1.0MPa（Ⅰ、Ⅱ类岩石），但施工单位采用钻芯拉拔法检测结果均达不到1.0MPa，且成功率低。为此我所派赴专家对该问题进行了深入探讨，指出《水电水利工程喷锚支护施工规范》（DL/T 5181-2003）存在一些问题，钻芯拉拔法检测结果是很难达到1.0MPa的，后改用喷大板劈拉法检测，其检测结果均满足设计要求。也就是说，喷射混凝土与围岩粘结强度设计指标应根据不同检测方法确定不同值。为此特写了一篇“喷射混凝土与围岩粘结强度合理指标的探讨”文章在2007年第2期《水力发电》杂志上发表。

（10）创造一种喷射混凝土与围岩粘结强度新检测方法——喷射轴拉法

我所派赴专家在探讨喷射混凝土与围岩粘结强度合理指标过程中，发现电力行业标准（DL/T 5181-2003）附录中规定的3种喷射混凝土粘结强度检测方法都或多或少存在问题，最主要问题是，这三种检测方法的检测结果均不能真实反映喷射混凝土与围岩粘结情况。为此经半年多研究，创造一种新检测方法——喷射轴拉法，该检测方法既不钻芯又不挖槽，而是立钢模喷射成型试件，对试件无损伤，另外该检测方法加荷有保证不偏心措施。因此该方法检测结果能真实反映喷射混凝土与围岩粘结情况，喷射轴拉法已于2007年3月现场试验获得成功，现三峡右岸地下厂房施工正在使用。

（11）编辑、修改、审查《三峡工程混凝土试验研究文集》

三峡总公司试验中心成立以来，对三峡工程混凝土原材料、混凝土配合比、混凝土性能以及施工专题做了大量试验研究工作，取得很多有价值的试验研究成果，为此三峡总公司试验中心决定编辑出版《三峡工程混凝土试验研究文集》，由我所派赴专家负责选择试验研究报告，并进行修改、审查，最后编辑成含60篇文章的《三峡工程混凝土试验研究文集》。

（12）审查溪洛渡与向家坝工程混凝土配合比试验报告

从2004年开始，三峡总公司试验中心的主要任务是进行溪洛渡、向家坝、白鹤滩三个工程混凝土试验，以上三个工程均由中国长江三峡总公司负责建设。我所派赴专家承担以上三个工程混凝土配合比试验报告的审查工作。

（13）审查日常三峡工程混凝土原材料与混凝土质量抽检报告，以及专题试验研究报告等。

从以上我所派赴专家为三峡工程所做工作来看，我所对长江三峡工程建设的贡献是巨大的。

结构材料研究所前三十年的变迁

李智岭

中国水科院结构材料研究所始建于1958年，当时由中国科学院水工研究室、水利部水利科学研究院、电力部水电科学研究院三个单位的水利水电工程结构材料专业组合建成。经过十来年的建设发展，水科院结构材料研究所已是专业结构比较齐全、有相当试验研究水平的国内水电工程混凝土结构材料研究中心，解决了不少我国大中型水利水电工程设计、建设中的混凝土结构材料的关键技术问题。然而，由于众所周知的原因，上世纪六十年代末到七十年代，结构材料研究所和许多设计、科研院所一样，机构被撤销、人员被下放。此后，结构材料研究所大部分人员被下放，试验室停止运行、设备闲置，研究业务终止，所内财产只留几人看守。

随着国内政治经济形势的变化发展，上世纪七十年代末，上级决定恢复重建结构材料研究所，并责成由于骁中同志负责，关英俊、李智岭、史文华三同志参加,着手进行结构材料所的恢复重建工作。恢复重建工作的第一要务是人才，首先要把下放的科研人员调回，同时吸纳适合本所工作的其他人才。于是，按结构材料专业设置，研究拟订所需人才名单，送人事部门向有关单位发送商调函件或派专人前去所在单位洽谈调动事宜。在上级领导和相关单位大力支持下，从1978年开始至1980年，大部分下放人员重新回归复岗，赵佩钰同志回到结材所后，水科院正式任命赵佩钰同志为结构材料研究所所长，于骁中、李智岭两同志为副所长，共同领导全所职工积极开展各项研究与试验工作。我所还不断吸纳和培养新生力量，至1989年，结构材料所已经是人才济济。恢复重建的第二要务是试验室恢复、修缮、建设和设备的调试、率定和配置等。经过几年的努力，试验室旧貌换新颜并有所增建；原有的试验设备得以维护调整到最佳状态，还从国内外选购了一些新设备，满足了科研新开拓项目试验研究的需求。

结构材料研究所恢复重建后，主要研究水利水电工程混凝土坝、输水管道、水电站厂房和地下工程等结构与材料问题，还承接省市自治区地方工程关键技术问题的研究。此外，还为水利水电建设培养博士、硕士研究生，以及组织技术推广和人才培训等任务。发展到1989年时，我所主要研究以下几方面内容： ⑴水工混凝土结构分析、设计和试验方面——有坝体应力分析、坝基稳定分析、拱坝体形优化设计、大坝温度应力分析和温度控制设计、下游坝面压力管道结构设计与研究、混凝土断裂力学研究等，还有静力模型试验，大坝安全监测与资料分析研究等；⑵水工混凝土试验研究方面有混凝土原材料——水泥、粉煤灰、骨料、外加剂等，混凝土性能—力学性能、变形性能、热学性能、耐久性能，还有特种混凝土，如碾压混凝土、硅粉混凝土、钢纤维混凝土、膨胀混凝土、沥青混凝土等试验研究；⑶高分子聚合物材料的研究应用方面有防水止水材料、嵌缝材料、修补材料、聚合物混凝土材料等试验研究。

1985年开始由计划经济逐步过渡到市场经济的科技体制改革，树立以市场为导向、以科技为基础，注重科技成果的社会效益和经济效益的指导思想，对内实行课题承包制，对外实行有偿合同制，也就是由国家事业费开支变为有偿合同制和科学基金制改革，这是我所科研体制的重大变迁。

恢复重建后的结构材料研究工作，不仅拓宽了研究的传统领域和具有多项创新成果，还在测试与计算手段方面逐步进行了革新，并普遍以计算机及自编软件专业程序技术，取代了旧有的传统的模型试验研究手段，如光弹试验与脆性材料结构模型试验相继取消。有些混凝土性能试验设备也已改为程控操作，测试仪器设备的改进，更提高了试验研究成果质量的水平。截至上世纪八十年代末，结构材料研究所已经拥有较雄厚的科技力量，全所职工高达96人，其中教授级高级工程师6人、高级工程师16人（其中博士生导师1人、硕士生导师13人）、工程师33人等。

结构材料研究所从一九五八年建所到一九八九年，曾先后为国内的上犹江、新安江、新丰江、桓仁、三门峡、柘溪、刘家峡、潘家口、湖南镇、东江、安康、乌江渡、漫湾、龙羊峡、李家峡、拉西瓦、五强溪、鲁布革、天生桥、三峡、紧水滩、丰满、二滩、岩滩、引滦入津、东风等近三十个大中型水利水电工程的建设提供了科研成果。这期间，全所共获国家科技进步奖8项，获省部级科技进步奖16项。此外，还先后编写出版专著10本，译著6本及水利水电科学研究院科学研究论文集5集。

结构材料研究所前三十年的发展进步和取得的成就，都是在上级党政领导下，经过全所职工团结奋斗共同努力的结果。我相信结构材料所的未来将发展得更快，取得成绩将更辉煌。