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RCC拱坝研究的开拓者

来源: 作者: 发布时间:2012年06月06日 00:51 浏览次数:

――记广西大学土木建筑工程学院教授张仲卿
(全文登载于《科学时报》2002年9月25日第一版)



    碾压混凝土(Rolled Compacted Concrete,简称RCC)筑坝技术,自问世以来至20世纪80年代初,世界各国都是用在重力坝建设上。近十几年来,这种状况有了突破,已被逐渐推广应用到拱坝施工。实现这一突破的主要贡献者,就是广西大学土木建筑工程学院博士生导师张仲卿教授。
    张仲卿1964 年毕业于成都科技大学水利系,从事水工建筑专业教学和科研工作38年,曾先后主持设计大龙洞等5个大中型水库电站;主持完成了岩滩、三峡、长洲、百色和龙滩等大型水电站的15项科研项目,以及“八五”、“九五”国家重点科技攻关项目子题3项;发表学术论文32篇,出版了《碾压混凝土拱坝》、《三峡水电站压力管道结构分析》两本专著;获得省部级科技进步奖4项,广西优秀论文奖2项。他努力把科研与生产紧密结合起来,为国家和地方的重点工程建设服务,提供了许多有意义的数据,作出了积极的贡献,被誉为“科研与生产结合的范例”。



RCC拱坝研究的第一人




    RCC筑坝技术自20世纪70年代问世以来,已在世界各国普遍应用,在我国尤为迅速,因为与常规混凝土相比,RCC具有可节约单位水泥用量、水化热温升低、施工工艺简单、工期短等优点,更适应我国大规模工程建设的要求。
    以往RCC主要用在重力坝上,用于拱坝很少。其原因是,拱坝的结构作用与重力坝有本质区别,拱坝采用的是超静定结构,主要通过拱的作用,将上游水压力荷载传达到两岸坝基。常规拱坝施工,是用横缝将坝体分割为许多独立的坝块进行浇筑,在坝块冷却到适当温度后再对横缝灌浆,形成整体,以发挥拱的作用。这与RCC不设或少设横缝、大仓面薄层浇筑、连续上升、简化温控的施工原则不相符。
    RCC拱坝的优点,吸引了许多中国学者和工程师,也吸引了张仲卿。1984年 月,原国家水电部部长钱正英到广西检查工作,对正在建设的岩滩水电站提出,要把岩滩围堰作为三峡三期围堰的试围堰。张仲卿听后,头脑中闪现了一个能否把RCC用于拱坝施工的念头。岩滩围堰混凝土量高达M3,按常规方法施工,需要 天。采用RCC重力围堰也要 天。要是采用RCC坝围堰,不仅工期可大大缩短,而且比RCC重力围堰可节约混凝土约9万M3。他的想法得到广西水电设计院的支持,很快一项RCC拱围堰试验项目得以立项,由此拉开了他RCC拱坝研究的序幕。他结合54. 5m高岩滩上游围堰工程,通过模型试验和理论分析,对采用RCC拱围堰的可行性进行研究后,在1986年第3期《红水河》杂志上,发表了《RCC拱围堰的设计计算和试验研究》论文,提出了RCC拱坝新概念,阐述了RCC拱围堰的布置特点、稳定计算和应力分析方法,分缝方法、围堰的运行状态及施工方法,解决了修建RCC拱坝的关键技术难题,为发展RCC拱坝奠定了基础。
    1988年1月,由张仲卿主持的岩滩RCC拱型围堰正式动工,只用了5个月工程顺利竣工。这是世界上第一个碾压混凝土拱围堰,比南非Knellpoort拱坝还早,其技术具有开创性。大坝建成当年就经受了多次洪水冲击,安然无恙。
    RCC在岩滩拱型围堰的成功,极大地鼓舞了张仲卿,在此基础上,他又开始了新的研究,对RCC拱坝的坝肩稳定、应力分析、裂缝影响、施工工艺、反馈分析和承载力等方面开展了孜孜不倦地探索。他负责完成的国家“八.五”重点科技攻关项目子题《龙滩RCC重力坝承载能力研究》,揭示了RCC重力坝沿层面呈台阶式破坏和基础破坏两种模式。经电力工业部鉴定,该研究成果达到国际先进水平。他主持研究的“九.五”国家重点科技攻关子题《高RCC拱坝承载能力研究》,发现了RCC拱坝沿层面破坏的机理,采用仿真结构模型研究RCC承载能力及温度应力,其研究水平居国内国际前列。
    1991年,他在《红水河》杂志第3期上发表论文《碾压混凝土拱坝设计》,同年10月他应邀出席了在北京举行的国际RCC大坝学术会议,论文被收入大会论文集,并在大会上宣读;1992年其论文《RCC拱坝设计和应力分析研究》在《水利学报》上发表,进一步论述了RCC拱坝的体形、裂缝、应力、稳定等问题,论文被俄罗斯《动力》杂志摘录。这些研究成果都是具有开创性的。
    1997年张仲卿对RCC拱坝研究,进入了一个新的阶段,他有幸参与高132米四川沙牌RCC拱坝的研究,并第一次在研究中采用了大规模仿真结构模型。此前,也有人用过此类模型,但规模都比较小。正是这一研究方法的创新,使他在分缝、应力、温度等方面的研究取得了较好的成果。
    十几年来,张仲卿为岩滩、沙牌等重大工程建设提供了许多有意义的数据和建议。特别是经过一系列深入研究,他提出的“采用不分缝通仓薄层连续上升施工方法,产生的温度裂缝不会危及低拱坝安全”的新观点,引起了我国水电工程著名专家的高度重视。我国水力资源丰富,有大量的中、小型拱坝要建设,如这一创新理论成立,将对我国水电事业的发展具有重要的意义。在正常条件下,建一座60-80m高的拱坝,采用常规混凝土拱坝技术,需要2-3年时间,而采用RCC拱坝技术却只要一个冬春。同时,RCC拱坝,还可降低工程建设成本,以温泉堡、普定RCC拱坝为例,节省资金都在1000万元以上,约占整个工程投资的5%。
    RCC在拱坝的应用与创新,推动了我国RCC拱坝的建设。1994年,高75米的普定RCC拱坝和高48米的温泉堡RCC拱坝相继建成。目前,世界上已建成和正在建的RCC拱坝有16座,除南非建成3座小型RCC拱坝外,其余都建在我国。特别是正在兴建中高132米的四川沙牌RCC拱坝,是目前世界上最高的RCC拱坝,标志着我国RCC拱坝建设达到了一个新的高度。在推进我国RCC拱坝发展中,张仲卿功不可没,潘家铮院士称赞他,“是中国从事RCC拱坝研究的开拓者之一”。“他的研究紧密结合工程实际进行,是贯彻中央科研面向生产、生产依靠科研方针的良好范例”。 



造世界最大的引水压力管 


    走进宽敞的广西大学结构实验室,只见静力台上安放着两个直径1米多、外面衬着钢筋的钢弯管,科研人员正忙着将上千条检测线往仪器上接。张教授告诉记者,这是按1:9建立的三峡水电站钢衬钢筋引水压力管上、下弯段模型。
    三峡工程是举世瞩目的我国第一大水电工程,电站总装机容量达18200MW ,电站共有26台机组,单机容量700MW,设计水头(含水击压力)7141米。要保证如此巨大容量的发电机正常发电,需要建造能输送1000m3/s流量引水压力管道。根据设计,管道的直径为12. 4米,比四层楼房还要高,为世界水电站引水压力管之最,比目前美国大苦力水电站管径12. 2米管道还大0. 2米。
    引水压力管道,是电站的大动脉,稍有闪失,就会危及电站安全。因此,建造技术要求极高,美国大苦力水电站压力管所用的钢板厚度达54mm。这给三峡工程建设出了一道很大的难题,目前我国能生产的最厚钢板只有36mm。如采用进口钢板,不仅要花费大量外汇,增加工程造价,而且一旦输出国中止钢板供应,整个三峡工程将陷入瘫痪。三峡总公司经过再三斟酌,决定采用国产钢板。用36mm钢板建造直径为12. 4m压力管道,这在国内外都没有经验可以借鉴。况且,国外修建压力管道多数采用明管,即,管道露出坝面;而三峡水电站采用的是半埋管,将钢衬钢筋混凝土,压力管道一半包在大坝内,这在国内外也是首次。为了解决建造大型压力管道技术难题,保证三峡工程安全和顺利进行,三峡开发总公司1994年1月在北京召开专家组会议,就此进行了专题研讨。张作为专家组成员参加会议,并在会上介绍岩滩电站建造10. 8m压力管技术和实验研究情况,引起了专家们的极大兴趣。经过讨论,决定把引水压力管道下弯段研究工作交广西大学承担。
    全国有如此众多从事水工研究的名牌大学、国家科研大院大所,作为“小弟弟”的广西大学,为何能争得事关三峡电站安全的重要项目?这主要因为6年前张仲卿就已经对大型压力管进行过研究。
  1985年,岩滩水电站刚进入设计,就遇到电站引水大压力管难题,设计部门经过招标,选定广西大学承担此项研究任务。张仲卿此前虽然对压力管有过研究,但面对要建造10. 8m、当时世界最大直径的引水压力管,心里还是没有底。可想到岩滩电站是国家“七五”重点工程,对加快广西经济发展具有十分重大的意义,他还是勇敢地挑起了重任。
    在他的带领下,课题组以敢于“第一个吃螃蟹”的精神,大胆创新,采用模拟自重、用伸缩节消除两端水压力引起的助向力等新技术,经过4年的努力,于1992年7月完成了研究任务,保证了岩滩水电站按期投入运营。
    科学是老老实实的学问,来不得半点虚伪,需要付出艰苦的劳动。作为举世瞩目的我国第一大工程,每一项施工技术都不能有半点马虎。用36mm钢板建造12. 4m压力管道,究竟是否可行,需要通过科学计算、试验加以验证。张仲卿身感自己责任的重大。没有经验,就不断通过试验、总结、提高;再试验,再总结,再提高,直到找到最科学、最经济、最可靠的技术、方法;任务重,他一年到头很少休息,把精力都用到科研中。正是这种对工程高度责任感和科学态度,8年来,他带领课题组先后承担了三峡钢衬钢筋混凝土引水压力管道大比尺结构模式试验研究、引水压力管道上弯段结构模式试验研究、引水压力管道大比尺结构模式试验研究等三个研究项目,前两项研究,经专家组审定,已用于1-14#机组段设计;第三项研究,正在顺利进行之中,今年年底各项检测数据便可出来。
    对引水压力管相关项目的研究,过去也有不少人做过,但仅限于平面或小三维仿真模型,而张仲卿所做的研究有四个显著的特点:一是采用了大比例尺三维仿真结构模型;二是将管芯用于三维模型,解决了检测压力管水压难题;三是对压力管应用大规模非线性有限元计算,计算节点达到几万个;四是用试验解决温度应力,改变了过去仅靠计算的做法。因此,得出的实验数据更能反映客观实际。
    创新是使事物不断完善的过程。对压力管每一次试验方法、结果的审查,与会专家会提出几十个、上百个问题,促使张仲卿与课题组的同志不断思考、深入研究、反复论证,为回答专家们的质询,撰写的稿子就几十页。而创新成功往往又在坚持之中。对把芯管用于三维模型这一新方法,有人曾认为不行,与原型不相似。双方就此进行了长达两年的争论。在激烈的辩论中,课题组不少人失去了信心,张仲卿仍坚信这一新方法可行,没有放弃,经过反复论证、计算,在得出的计算结果与设计部门的基本一致后,2002年元月在北京召开的研讨会上,最终得到专家组的认可,同意了有芯管方案。这一创新,又得到了潘家铮院士的高度评价,认为“这是广西大学一大贡献”。


消除龙滩水电站发电进水口旋涡



    位于广西壮族自治区天峨县境内的龙滩水电站,是“西部大开发”十大标志工程之一,电站总装机容量为630万KW,年发电量185亿度,仅次于三峡水电站,是世界第七大电站。
    龙滩水电站发电厂房全部设在左岸地下,水流流近大坝后则转回左岸,形成了一个大回流,水流旋涡呈漏斗状,是一种吸气旋涡,对水电站运行极为有害,它会将空气带入进水口、引水道和水轮机室,使压力引水管和机组产生振动和噪音,形成掺水气流,影响过水流量,减少机组出力。同时,污物通过旋涡过多的吸附到拦污栅上,会造成水头损失。因此,消除进水口前的回流及回流引起的旋涡,是龙滩水电站建成成后能否正常运行的关键环节。为了解决这一难题,设计单位国家电力公司中南勘测设计院面向全国进行招标,选中广西大学为研究单位。从1993年开始,张仲卿带领课题组又担负起消除龙滩电站发电进水口旋涡的科研重任。
    他们经过研究分析,认为要避免产生旋涡,水电站进水口的高程应在最低水位以下,并有一定淹没深度。根据著名的J・Lgordon公式计算,得出的高程为341. 89m,但通过整体模式试验得到的结果,要求高程在350米,进水口才不会产生旋涡,按此算出公式中的应系数C=1. 13。于是,他们对该公式进行了修改,从而增加了这一公式的适用范围。
    修正后的公式,虽解决了进水口的旋涡问题,却又增加了淹没水深,这仅是治标,而没达到治本的的目的。于是,张仲卿与课题组同中南院一道,先后制订了11方案,最后发现,产生旋涡的主要原因是进水口的体形问题。是由于水流受凸型物体影响而形成旋涡。
    找到产生旋涡的基本原因后,他们提出将9台机组进水口前缘由阶梯形改为直线。这样一改,回流虽然还存在,但已远离进水口,进水口前的旋涡也就没有了。
    科学就是使复杂的问题简单化。“一条直线”解决了水电站发电进水口的旋涡难题,这看起来似乎非常简单,然而,找到这条直线,张仲卿与他的同事们却为此付出了8年的时间。至今他们已完满地从理论与实践上解决了消除电站发电进水口旋涡这一难题,其研究方案已被设计院采用。按常规,碾压混凝土坝电站发电厂都是建在地下,都会遇到进水中旋涡的问题,这一研究成果不仅可用于龙滩水电站,而且也适用其它混凝土坝电站的建设。
    30多年来,张仲卿为培养水电科技人才、水电建设和科研事业作出了贡献,党和人民也给了他荣誉,1996年,他获得了国务院政府特殊津贴,荣获广西先进工作者称号。年过“花甲”的他不满足已有成绩,他说,趁着自己身体还好,要为国家建设再作些贡献,多培养些人才。老骥伏枥,志在千里。张仲卿像一匹不知疲倦的老马,为了水利事业,仍驰骋在祖国的大江南北。(贺根生 陈瑞群)


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