郑州大学-水利科技发展趋势

水利科技发展趋势李宗坤教授/博导郑州大学水利与环境学院水利科技发展趋势2019/8/82主要内容第一部分：水工建筑新技术第二部分：防洪减灾第三部分：农村水利水利科技发展趋势2019/8/83第一部分水工建筑新技术主要内容引言水工结构的发展历程碾压砼坝砼面板堆石坝堤防工程水工结构研究的热点问题水利科技发展趋势2019/8/841.1前言20世纪70年代开始，国家科委和水利电力部把水利水电工程建设的关键技术难题列为国家科研计划项目。此后经过“五五”、“六五”、“七五”、“八五”、“九五”5次科技攻关，我国筑坝技术取得了很大发展；尤其在碾压砼坝、面板堆石坝、高拱坝、抽水蓄能电站建设技术等方面取得了重大进展。水利科技发展趋势2019/8/851.1前言“五五”期间主要针对葛洲坝建设中出现的技术难题，组织科研力量，建立了北京、武汉、南京、宜昌等科研基地，进行了大量的实用技术和超前储备技术的研究，完成了大批高水平的科研成果，为葛洲坝工程的顺利建设及三峡工程的科学决策提供了依据。水利科技发展趋势2019/8/861.1前言“六五”、“七五”期间（1986－1990）把高土石坝的关键技术、深厚覆盖层基础上的建筑技术，大型地下洞室快速施工技术与围岩稳定和支护技术，复杂地基的勘探与基础处理的设计，施工技术，高土坝原型观测和土工离心模型试验技术等方面列为国家科技攻关项目，研究工作结合天生桥一级水电站（坝高178m）和鲁布革水电站（坝高101m）两堆石坝的设计和施工进行，取得一批高水平的成果，为坝高160m的黄河小浪底斜墙堆石坝和坝高186m的瀑布沟水电站心墙堆石坝的设计提供了依据。水利科技发展趋势2019/8/871.1前言“八五”期间在高砼拱坝的设计新理论和计算方法，包括高强度，大体积砼材料及其力学性能方面，结合当时兴建的二滩水电站拱坝（坝高240m）和李家峡水电站拱坝（坝高165m）的设计工作，取得了可喜成果。水利科技发展趋势2019/8/881.1前言进入21世纪后全世纪面临着水问题的空前挑战。我国作为和平崛起的大国，正处于全面建设小康社会的关键时期，然而，受人类活动与气候变化的影响，我国面临着水资源短缺、水环境恶化、水灾害频繁、水土流失加剧等问题，已经成为全社会的共识，应对水危机的严峻挑战，必然要遵循科学治水的原则，需要科学技术的强大支持。因此，加速发展水利科技不仅是水利建设的需要，也是我国经济社会发展的需要。水问题涉及很广，下面仅介绍水工结构工程的发展。水利科技发展趋势2019/8/891.2水工结构的发展历程水工结构是研究各种水工建筑物型式、强度和稳定性以及重要性评价的一门综合性工程学科，涉及面极为广泛，就水工建筑物本身而言，也是种类繁多，各有特色。这里仅选择具有“水工”特色的“坝”作为代表给予介绍。从材料与结构分析的角度看，无论何种水工建筑物，最终总可以划规砼结构或土石结构。主要内容综述大体积砼的温度应力及其控制水利科技发展趋势2019/8/8101.2.1综述(1)水工建筑物的发展历程古代：公元前2900年，古埃及在尼罗河上建造了一座15m，长240m的挡水坝。春秋战国时期，中国就在黄河下游沿岸修建堤防，经历代整修加固，形成了长约1500km的黄河大坝。公元前256～251年，兴建并沿用至今的岷江都江堰工程，利用鱼嘴分水，飞河堰泄洪、排沙，宝瓶水饮水，充分发挥了调节与控制水流的作用，工程布置之巧妙、合理，堪称是一件科学与艺术结合的精品。水利科技发展趋势2019/8/8111.2.1综述(1)水工建筑物的发展历程20世纪：坝工建设的高峰期最大坝高已达335m（前苏联、罗拱坝）西方发达国家大型水利水电工程建设已基本结束，水电能源的开发已接近饱和，如法国、瑞士水力资源的开发程度（已开发量/可开发量）已近100％，德国、瑞典、挪威、意大利、日本已分别达到80％～90％，美国和加拿大已接近70％～80％。我国的开发率按电量算至今仍不够20％。水利科技发展趋势2019/8/8121.2.1综述(1)水工建筑物的发展历程21世纪：建设高峰在中国三峡水利枢纽坝高181m，坝全长2309m，总库重393亿m3，总装机1820万kw，年发电量847亿kw.h，双线五级船闸。我国自己设计、自己施工。水利科技发展趋势2019/8/813水利科技发展趋势2019/8/814水利科技发展趋势2019/8/815水利科技发展趋势2019/8/816水利科技发展趋势2019/8/817水利科技发展趋势2019/8/8181.2.1综述二滩发电站位于四川雅砻江上，双曲拱坝，坝高240m，是目前我国已建成的最高拱坝，世界第三高双曲拱坝，装机6×55万kw，地下厂房。我国设计、中外联合施工。水利科技发展趋势2019/8/819二滩水利枢纽水利科技发展趋势2019/8/820二滩水利枢纽水利科技发展趋势2019/8/8211.2.1综述小浪底水利枢纽土坝高154m，全长1667m，坝基为砂砾石覆盖层，厚30～40m，最高处达80m左右。左岸砂页岩体内形成洞群、塔群，地质条件复杂，技术难度大，堪称世界之最该工程中美联合设计、中外联营体施工。水利科技发展趋势2019/8/822水利科技发展趋势2019/8/8231.2.1综述(2)坝工建设的发展趋势A:坝型选择方面随着大型施工机械的发展，碾压混凝土坝和面板堆石坝有着明显的优势，可以缩短工期、提前发挥效益。我国已建50m以上的碾压混凝土坝28座，全世界已建的碾压混凝土坝209座，我国占19.1％位居第一，日本占17.2％位居第二。我省有石漫滩。水利科技发展趋势2019/8/8241.2.1综述(2)坝工建设的发展趋势A:坝型选择方面混凝土面板堆石坝是20世纪60年代末重新崛起的坝型，我国已建成的有70多座，坝高100m以上的有30多座。河南盘石头105m，规划中的河口村水电站，砼面板坝高180m。水利科技发展趋势2019/8/8251.2.1综述(2)坝工建设的发展趋势B:建坝高度越来越高，趋向200～300m级，如在建的和设计中的高坝有小湾（292m）、拉西瓦（250m）、西洛渡（273m）、锦屏一级（303m）、白鹤滩（275m）、虎跳峡（278m）。水利科技发展趋势2019/8/8261.2.2大体积砼的温度应力及其控制(1)大体积砼裂缝的成因及防裂措施大体积砼裂缝是常见的，难以避免的，“无坝不裂”。A:裂缝种类（按其深度不同分）贯穿裂缝：破坏结构的整体性和稳定性，危害大；深层裂缝：部分地切断结构面，有一定危害性；表面裂缝：危害性小，但会发展成深层或贯穿裂缝。水利科技发展趋势2019/8/8271.2.2大体积砼的温度应力及其控制(1)大体积砼裂缝的成因及防裂措施B:成因—温度应力由于水泥水化热的作用，砼内部温度急剧上升，此时砼弹性模量小，徐变度大，升温引起的压应力不大；在后期砼逐步冷却，温度降低时，弹性模量比较大，徐变小，在一定约束下会产生较大的拉应力。如：三峡，岩基上的闸墩。砼抗拉强度一般仅为抗压强的1/10。水利科技发展趋势2019/8/8281.2.2大体积砼的温度应力及其控制(1)大体积砼裂缝的成因及防裂措施C:防裂技术砼结构内出现大的裂缝，通过修补很难恢复结构的整体性，主要是预防为主。①结构形式：浇筑分缝分块尺寸控制在15m×15m；约束越强，分缝间距应越小。水利科技发展趋势2019/8/8291.2.2大体积砼的温度应力及其控制(1)大体积砼裂缝的成因及防裂措施C:防裂技术②材料配合比设计：选择极限拉应力变大，水化热低，收缩变形小的配合比。加添加剂（如Mgo微膨胀砼），用在大坝的强约束部位，微膨胀会在一定程度上补偿温度收缩，达到温控防裂目的。水利科技发展趋势2019/8/8301.2.2大体积砼的温度应力及其控制(1)大体积砼裂缝的成因及防裂措施C:防裂技术③温度控制：控制三个温差（基础温差、内外温差、上下层温差）。这三个温差都与砼内部的最高温度有关；控制砼内部温度:入仓温度、冷却；减小内外温差：表面保温（外贴保温板、喷涂泡沫保温材料等）。水利科技发展趋势2019/8/8311.2.2大体积砼的温度应力及其控制(2)温度场和温度应力的仿真分析仿真计算----系指用数值算法（通常为有限元法）模拟砼坝分块分层的浇筑过程及竣工后几十乃至数百年的运行过程，计算坝内温度场，应力坝的时空分布与变化。计算水利科技发展趋势2019/8/8321.2.2大体积砼的温度应力及其控制要考虑的因素：环境要素：气温、水温、水位、风速、云量、日照施工进度：各块各层的浇筑日期，浇筑层厚温控措施：砼浇筑温度、水管冷却、表面保温、层面洒水、喷雾、养护坝体结构：分缝分块、孔洞材料特性：材料分区、各种热学参数与力学参数水利科技发展趋势2019/8/8331.2.2大体积砼的温度应力及其控制(3)今后的研究课题砼坝的实际温度场、应力场的时空变化极其复杂，尽管工程中采取严格控制措施，裂缝仍然难以避免，仿真分析还局限于假定条件之下的预测分析，难以反映实际施工时的真实情况。因此，进一步研究与改进计算方法，开发能对实际施工过程进行跟踪，反馈与实时仿真分析软件系统，以指导施工和调整施工措施，确保工程质量，是温度应力和温度控制领域今后研究的课题。水利科技发展趋势2019/8/8341.3碾压砼坝发展概况碾压砼坝的特点碾压砼的施工特点高碾压砼重力坝的层面抗滑稳定尚待解决的问题水利科技发展趋势2019/8/835水利科技发展趋势2019/8/8361.3.1发展趋势20世纪20年代末，碾压砼经常用于高速公路路基和机场路面，当时被称为贫砼，干贫砼。1941年首次建议将碾压砼用于大坝施工。1960～1961年碾压砼首次用于围堰施工，台湾石门大坝。1961～1980理论上不断发展，大量室内试验对碾压砼材料进行了全面研究。水利科技发展趋势2019/8/8371.3.1发展趋势20世纪80年代开始，进入正式筑坝阶段1981年，日本建成89m高的岛地川RCD重力坝1982年，美国建成52m高的全碾压的RCC重力坝――柳溪坝我国第一座RCC坝：1986年建成的福建坑口水电站坝，H=56.8m。水利科技发展趋势2019/8/838世界总数：250余座其中我国45座（50m以上28座），居世界第一，日本第二。目前建设情况：最高坝：拱坝129m（中国）重力坝192m（龙滩RCC坝，中国）1.3.1发展趋势水利科技发展趋势2019/8/8391.3.2碾压砼坝的特点优点：施工速度块（对高坝，每周可实现垂直上升2.5m～3.0m，低坝的速度更快），采用碾压方法。设备利用率高，如卡车，推出机，震动碾等。施工费用低（造价低）。不设纵缝，减少了模板用量，提高了安全性。砼中水泥用量少，60～90㎏/m3，可降低温度应力。水利科技发展趋势2019/8/840施工机械－－自卸汽车水利科技发展趋势2019/8/841推土机履带式推土机水利科技发展趋势2019/8/842小型挖机履带式液压挖掘机水利科技发展趋势2019/8/843震动碾水利科技发展趋势2019/8/8441.3.2碾压砼坝的特点缺点：抗裂能力低，坝体降温速度慢（粉煤灰使水化热散发推迟）。沿层面抗剪性能低，抗渗性能差，层面扬压力大，高RCC坝的抗滑稳定不满足要求。由大量试验和计算分析得知，当坝高不超过82m，层面抗滑稳定安全系数K≥3.00，满足规范要求；当H＞100m时，层面抗滑稳定可能成为设计控制因素。水利科技发展趋势2019/8/8451.3.3碾压砼的施工特点(1)RCC配合比：A.低水泥（60~90㎏/m3）B.高粉煤灰掺量（90~110㎏/m3）由于掺粉煤灰致使砼早期强度降低，设计一般采用90d强度作为标准；而对耐久性的影响，尚需进一步研究。水利科技发展趋势2019/8/8461.3.3碾压砼的施工特点(2)运输运输速度快，要求连续性，自卸汽车和皮带运输较