第5卷《混凝土坝》编写说明

党林才

1　相对于第1版章的增减

《水工设计手册》(第2版)第5卷包含6章，比第1版增加了2章。全卷内容包括重力坝、拱坝、支墩坝、砌石坝、碾压混凝土坝和混凝土温度应力与温度控制。各章内容与相应的设计规范基本对应，还包括一些尚未写进规范的新知识及发展中的技术内容，以便读者了解。

与第1版相比，本卷前3章的名称和次序没有改变，第4章“砌石坝”是从第1版第4卷《土石坝》分册中移到本卷的，编委会认为砌石坝的工程特性更接近于混凝土坝，故调之;增加了第5章“碾压混凝土坝”，这是全新的内容，系统性强;第1版中“混凝土结构的温度应力与温度控制”一章的名称在第2版中简化为“混凝土温度应力与温度控制”。

2　主要内容的取舍、协调和说明

为了高水准完成本卷的修编工作，卷主编先后召集章主编对各章的内容、重点进行了充分讨论和协调，对旧版内容的取舍进行了研究，体现了实用性、延续性的原则，也满足了科学性、先进性的要求。

“重力坝”一章在第1版以材料力学法为主要计算方法的基础上，增加了有限元法应力计算和承载能力分析，对重力坝的非线性应力分析方法和承载能力研究进行了系统介绍;增加了坝基渗流分析一节，对影响重力坝稳定的重要因素——坝基岩体渗流特性和分析方法的最新研究成果进行了介绍;根据水电行业重力坝规范设计方法的改变，增加了重力坝分项系数极限状态设计法内容，并单独成节;增加了坝体混凝土性能、强度代表值及坝体材料分区的工程实例，便于设计人员参考。部分增加或修改的内容是在第1版出版以后才陆续形成的，因此具有很重要的参考价值。

需要特别说明的是，本卷内容是与编写时我国规范内容相对应的。然而，所有规范都会修订，《手册》第5卷正式出版以后，中华人民共和国能源行业标准《混凝土重力坝设计规范》(NB/T35026—2014)(以下称新规范)，已经国家能源局批准发布，于2014年11月1日起实施，替代了《混凝土重力坝设计规范》(DL5108—1999)(以下称老规范)。而本卷重力坝内容编写时是以老规范为基础的，因此请读者使用时注意新老规范的差别，新规范对老规范的主要修订内容如下:

(1)增加了抗力作用比系数，以更直观地反映极限状态设计表达式的结果。

(2)增加了用有限元方法进行坝基稳定分析设计控制标准的内容。

(3)增加了根据岩体的类别和质量分级确定基岩利用面的内容。

(4)修改了材料性能分项系数和结构系数。

(5)修改了坝基深层抗滑稳定极限状态设计表达式。

(6)对于结构系数，不再区分基本组合和偶然组合。

(7)完善了接触面抗剪断强度标准值取用方法。

(8)坝体混凝土的强度用设计龄期混凝土强度标准值表示。

根据老规范使用过程中反馈的意见，新规范在修订时，重点对材料的抗剪断强度标准值取值与材料分项系数、结构系数的关系做了深入研究，并在6.4.2条中规定“本规范采用抗剪断强度的平均值作为标准值，选取时以试验的小值平均值为基础，结合现场实际情况，参照地质条件类似的工程经验，并可考虑工程处理效果，经地质、试验和设计人员共同分析研究，加以适当调整后确定”，修订了老规范8.4.2条“按现场或室内试验测定成果概率分布的0.2分位值确定”的规定。同时，对老规范的材料分项系数和结构系数进行了较大调整，摘录于表1、表2以便读者对照使用。

拱坝一章调整和新增的内容较多，系统阐述了现代拱坝设计准则、应力分析技术，即多拱梁法和有限元等效应力法及其代表性计算程序，删去了“纯拱法”和“拱冠梁法”;针对地质条件复杂的高拱坝设计，增加了拱坝整体三维非线性有限元分析方法和地质力学模型试验方法及工程应用实例;坝肩抗滑稳定分析，在介绍平面和三维刚体极限平衡法分析基础上，增加了刚体弹簧元法等;列举了大量国内外拱坝、尤其是坝高超过200m的高拱坝的工程实例，方便读者参考。

支墩坝一章基本保留了第1版内容。该坝型近几十年来运用不多，即使有也是坝高不大的中小工程，对于多数设计者来说并不熟悉，对于水头不高、河床较宽、气温温差不大且非寒冷地区的坝址，该坝型仍然是比较适用的，毕竟可以节省材料、降低工程投资，如果结合当地旅游，想造就一道“人造风景”的话，该坝型是可以考虑的。所以，本章重点介绍了该坝型工作原理和适用性、主要特点和设计要求等，也较系统地介绍了国内外几座著名支墩坝的设计、运行等方面的情况，供设计者参考。值得一提的是，国际上著名的巴西和巴拉圭界河上修建的196m高的伊泰普(Itaipu)坝，就是一座支墩坝，该电站装机容量14000MW。另外，随着有限元法计算水平和能力的提高，此类体型复杂大坝的设计也有了更可靠、更方便的方法，本章也相应对有限元计算方面内容进行了增补。

前面已提及，在第1版时，砌石坝一章是编在第4卷《土石坝》分册中的，这次修编根据其材料和结构的特点，将其调在了第5卷《混凝土坝》分册中。砌石重力坝和砌石拱坝的结构特性又分别属于重力坝、拱坝范畴，因此，本章只对砌石坝固有特点及其与混凝土坝分析方法不同之处进行阐述，并着重结合具体工程案例进行分析和说明;增加了20多年来砌石坝设计的一些新内容，对砌石坝发展现状，尤其是近10年来建成的百米级以上的几座高砌石坝进行了介绍。另外，本章还对近几年建成的堆石混凝土坝进行了简要介绍，由于这项筑坝技术还处于起步阶段，工程实例不多，仅限于了解。

碾压混凝土坝，在第1版时还未出现，所以“碾压混凝土坝”一章是全新内容。与之前提到的砌石坝一样，碾压混凝土重力坝和碾压混凝土拱坝的结构特性也分别属于重力坝和拱坝的范畴，相同的内容本章尽量不去重复，重点阐述碾压混凝土坝自身固有特点及其与常态混凝土坝在设计理论、分析方法、关注重点等的不同之处，并结合工程案例进行补充说明。同时，本章对由碾压混凝土筑坝技术演化而成的、刚刚起步应用的贫胶砂砾石坝技术也进行了简要论述。

本卷最后一章是“混凝土温度应力与温度控制”，该章是编写组反复讨论、修改最多的一章，也是篇幅最大的一章。本章的名称不同于第1版时的“混凝土结构的温度应力与温度控制”，也与工作大纲中确定的“混凝土坝温度场、温度应力及温度控制”不一致，编写组认为，后两者都存在一定的局限性，都不能很好地代表本章的内容，故反复易名，但愿这些变化不会让读者失望。对内容上的修编，主要包括3个方面:①突出了现代计算手段和计算方法所带来的优势，强调了有限单元法在混凝土结构温度及温度应力分析中的应用;②根据近年来积累的经验，详细论述了混凝土的裂缝成因及防治技术措施;③在库水温度、碾压混凝土等方面补充了新内容。

3　混凝土坝最新技术发展

近30年，我国水电建设成就辉煌，坝工技术也取得了快速发展，重力坝、拱坝等高坝工程技术已经从追赶国际先进水平，到达到国际先进水平，一些方面甚至引领国际先进水平，成为世界坝工技术发展的重要动力。不断积累的设计和筑坝工程实践经验、不断发展的数值计算分析方法、不断完善的施工装备技术与工艺，都为坝工技术的腾飞式发展奠定了坚实的基础。在本卷编撰中，各章内容充分体现了这些方面最新的发展成果。

譬如，碾压混凝土筑坝技术是一项引进技术，我国20世纪80年代才开始研究，并于1986年建成了我国第一座碾压混凝土重力坝——福建坑口大坝。初试成功后，便普遍推广应用，发展势头迅猛。在充分研究论证的基础上，各工程因地制宜、各尽所能，尽量发挥碾压混凝土在节约水泥用量、简化温控、有利于机械化专业和快速施工等方面的优势，取得了许多重大发明创造和一系列新的技术成就。近十年来，以龙滩、光照、金安桥等200m级高碾压混凝土重力坝和普定、沙牌、蔺河口等高度100m级碾压混凝土拱坝的相继成功建设为标志，我国碾压混凝土筑坝技术已居于国际领先水平，不失为一项“引进、消化吸收，再创新、为我所用”的典范。业界普遍认为，碾压混凝土筑坝技术将成为今后混凝土坝技术发展的大方向。所以，本卷中将碾压混凝土坝作为单独的一章，予以详细介绍。

再如，《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199—94)颁布后，水电行业的重力坝设计规范和拱坝设计规范都按可靠度设计理论进行了套改，提出了基于概率论的分项系数设计法。而水利行业的相应设计规范中，规定采用的仍然还是大多数工程师熟悉的安全系数设计法(俗称“大老K”法)。考虑兼顾水电行业和水利行业的不同要求，本卷修编时，专门就分项系数设计法进行了系统介绍，并与传统的安全系数法平行编排，以便于水电、水利行业不同规范使用者使用。

工程师应该理解，宇宙间第一真理就是变，万物在变，从来也不存在静止、停滞的事物。懂得这一点，也就不难理解设计方法的演变和发展。水工建筑物设计方法，一定是经历了从模拟设计，到经验设计，到半经验与半理论设计，再到理论设计的过程。设计理论的更新便会带来设计方法的升华。水工建筑物设计采用的安全系数设计法可以看作较成熟的半经验半理论设计方法，在这一设计方法中，设计变量被视作固定不变的参数;而基于可靠性的分项系数设计方法，考虑设计变量和作用组合的变异性，毫无疑问，它是符合客观实际和自然规律的。只不过在当前，我们还不能完全把握主要设计变量的变异规律，因而，分项系数设计方法的推广应用还存在一定的局限性。

人们对事物的认识是逐步深入的，进而可以推断，除了设计变量的变异性之外，客观上，人们对事物的认识还存在局限性、模糊性和不可知性，设计方法考虑这些因素的影响，就是当前方兴未艾的风险设计。风险设计表明，水工建筑物没有绝对的安全，但通过风险设计，可以针对可能出现的危害因素，采取预警预防措施和应急处置措施，最大限度发挥其功能效益、降低其灾害损失。因此，风险设计法是可靠性设计方法的升华。

4　混凝土坝的发展方向

从混凝土坝的发展历程可以看到，坝型选择有着鲜明的时代特征。在经济不发达、施工以人力为主的20世纪六七十年代及以前，常见的代表坝型是百米级及以下高度的重力坝、拱坝，中低砌石坝和少数支墩坝;改革开放后，随着技术进步和经济实力增强，我国陆续兴建了一批150～250m级的高混凝土重力坝和拱坝;进入21世纪后，混凝土拱坝的最大坝高已发展到300m级，294.5m高的小湾拱坝已经建成，锦屏一级、溪洛渡、白鹤滩、乌东德、松塔等一批300m级拱坝正在建设或设计中。

近年来混凝土坝的发展趋势表明，随着国家经济实力增强和大型施工机械的普及应用，已经很难见到空腹坝和支墩坝等体型复杂、不便使用大型施工机械的坝型，而基本上都采用了体型简单便于机械化施工的实体重力坝和拱坝。

值得注意的是，碾压混凝土筑坝技术以其施工快速、温控简单、造价经济等优势，从20世纪80年代引进我国到目前，已得到飞跃式发展。上游面防渗从早期的“金包银”到后来的碾压及变态混凝土防渗;坝体分缝从早期的诱导板到后来的切缝;多年来坝体大体积碾压混凝土采用三级配的惯例也在近期得到了发展，贵州乌江沙沱水电站经过大量研究，在部分坝段采用四级配碾压混凝土已经取得成功，可以进一步减少用水量和胶凝材料用量，简化温控措施，降低成本;碾压混凝土层面防渗问题和沿层间弱面的抗滑稳定问题也随着施工工艺、施工管理水平的提高和施工机械性能的不断提高而得到有效改进。从发展趋势看，碾压混凝土筑坝技术将在未来越来越多地被采用，发展前景广阔。

混凝土坝有没有极限高度?重力坝、拱坝还能往更高发展吗?建设更高的混凝土坝，一看有没有必要，二看有没有条件。正如潘家铮院士所言，从中国水利水电建设发展的需要，从西南河谷的自然条件，从我国在材料、设计、施工、科研各领域的发展来看，将来修建400m甚至500m的超超高坝不是没有可能性。但是，具体而言，重力坝随着坝高增加而混凝土量大幅增加，受经济性制约，在目前200m级高重力坝基础上，再大幅增大坝高的空间不大，除非有特别有利的地形地质条件或特殊要求;对于拱坝，目前已发展到300m级，从理论分析，再增加坝高也是可行的，但从风险控制和水库淹没角度，也不宜大幅增加最大坝高。若是调节库容需要，不如考虑多设几个调节水库更加稳妥。

5　编者感言

在本卷编撰过程中，编写组力求将近30年来我国混凝土坝建设的最新发展水平和建设成就包含其中，既符合本书策划伊始就制定的“科学性、实用性、一致性、延续性”原则，又与现行的重力坝设计规范、拱坝设计规范和碾压混凝土坝设计规范等能够很好地配套使用，真正起到“手册”的作用，成为工程师的良师益友。

为了保证《手册》的修编质量，我们首先保证各章主要编撰人员在理论水平与工程经验方面是国内知名专家。他们基本上都是各单位的业务主管或骨干，在编撰《手册》的同时还要完成大量的生产任务，虽任务繁重，编写组成员仍表现出了很强的责任心，对书稿反复讨论修改直到满意为止。初稿完成后，我们邀请了一批国内混凝土坝方面的权威专家学者，集中办公，逐章逐句进行校审并提出建设性意见，使本卷修编的质量多了一层保障。借此机会，我也代表编写组，对专家们孜孜不倦、精益求精的工作态度和辛苦的付出表示衷心感谢!本卷的出版是所有编写组成员和关心手册编撰的所有专家学者集体智慧的结晶，但愿本《手册》能让读者感到满意。

值得说明的是，坝工技术的发展是没有止境的。尽管我国已经是高坝建设大国，勘测、设计、施工和科研各领域都已达到国际先进水平，但是应该看到，西部高坝建设的任务还相当艰巨，建设条件更加复杂，工程设计与施工都将面临前所未有的挑战。从现有的科技水平来看，混凝土坝的设计建设远没有进入“自由王国”，无论是工程地质条件和岩体工程特性，还是筑坝材料特性和坝体结构特性，不论是设计理论、方法和标准，还是作用、作用组合和作用状况，都还需要不断探索、不断创新、不断研究解决新的问题。