高拱坝地质力学模型试验方法与应用

    国务院学位委员会在学科简介中为土木工程所下的定义是：
“土木工程(Civil Engineering)是建造各类工程设施的科学技术
的统称。它既指工程建设的对象，即建造在地上、地下、水中的
各种工程设施，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设
计、施工、保养、维修等专业技术”。土木工程是一个专业覆盖
面极广的一级学科。
    英语中“Civil”一词的意义是民间的和民用的。“Civil En—
gineering”一词*初是对应于军事工程(Military Engineering)
而诞生的，它是指除了服务于战争设施以外的一切为了生活和生
产所需要的民用工程设施的总称，后来这个界定就不那么明确
了。按照学科划分，地下防护工程、航天发射塔架等设施也都属
于土木工程的范畴。
    土木工程是国家的基础产业和支柱产业，是开发和吸纳我国
劳动力资源的一个重要平台，由于它投人大、带动的行业多，对
国民经济的消长具有举足轻重的作用。改革开放后，我国国民经
济持续高涨，土建行业的贡献率达到1／3；近年来，我国固定资产
的投入接近甚至超过GDP总量的50％，其中绝大多数都与土建行
业有关。随着城市化的发展，这一趋势还将继续呈现增长的势头。
    相对于机械工程等传统学科而言，土木工程诞生得更早，其
发展及演变历史更为古老。同时，它又是一个生命力极强的学
科，它强大的生命力源于人类生活乃至生存对它的依赖，甚至可
以毫不夸张地说，只要有人类存在，土木工程就有着强大的社会
需求和广阔的发展空间。
    随着技术的进步和时代的发展，土木工程不断注入新鲜血
液，呈现出勃勃生机。其中工程材料的变革和力学理论的发展起
 着*为重要的推动作用。现代土木工程早已不是传统意义上的砖
瓦灰砂石，而是由新理论、新技术、新材料、新工艺、新方法武
装起来的为众多领域和行业不可或缺的大型综合性学科，一个古
老而又年轻的学科。
    综上所述，土木工程是一个历史悠久、生命力强、投入巨
大、对国民经济具有拉动作用、专业覆盖面和行业涉及面极广的
一级学科和大型综合性产业，为它编写一套集新颖性、实用性和
科学性为一体的“简明系列专辑”，既是社会的召唤和需求，也
是我们的责任和义务。
    清华大学土木工程系是清华大学建校后成立*早的科系之
一，历史悠久，实力也比较雄厚，有较强的社会影响和较广泛的
社会联系，组编一套“简明土木工程系列专辑”，既是应尽的责
任也是一份贡献，但面对土木工程这样一个覆盖面极广的一级学
科，我们组编实际起两个作用：其一是组织工作，组织广大兄弟
院校及设计施工部门的专家和学者们编写；其二是保证质量的作
用，我们有一个较为完善的专家库，必要时请专家审阅、定稿。
    简明土木工程系列专辑包括以下几层含义：简明，就是避免
不必要的理论证明和繁琐的公式推导，采用简洁明快的表述方法，
图文并茂，深入浅出，浅显易懂；系列，指不是一本书而是一套
书，这套书力争囊括土木工程涵盖的各个次级学科和专业；专辑，
就是以某个特定内容编辑成册的图书，每本书的内容可以是某种
结构的分析与计算，某个设计施工方法，一种安装工艺流程，某
种监测判定手段，一个特定的行业标准，等等，均可独立成册。
    这套丛书不称其为“手册”而命名为“系列专辑”，原因之
一是一些特定专题不易用手册的方法编写；原因之二是传统的手
册往往“大而全”，书厚且涉及的技术领域多，而任何一个工程
技术人员在某一个阶段所从事的具体工作又是针对性很强的，将
几个专业甚至一个项目的某个阶段集中在一本“大而全”的手册
势必造成携带、查阅上的不方便，加之图书的成本过高，编写机
构臃肿，组织协调困难，出书及再版周期过长，以致很难反映现
 代技术飞速发展、标准规范规程更新速度太快的现实。考虑到这
些弊端，这套系列专辑采用小开本，在选题上尽量划分得细一
些，视专业、行业、工种甚至流程的不同，能独立成册的绝不合
二为一，每本书原则上只讨论一个专题，根据专题的性质和特点
有的书名仍冠以“手册”两字。
    这套系列专辑的编写严格贯彻“新颖性、实用性、科学性”
三大原则。
    新颖性，就是充分反映有关新标准、新规程、新规范、新理
论、新技术、新材料、新工艺、新方法，老的、过时的、已退出
市场的一律不要。体现强劲的时代风貌。
    实用性，就是避免不必要的说理和冗长的论述，尽可能从实
用的角度用简洁的语言以及数据、表格、曲线图形来表述；深入
浅出，让人一看就懂，一懂能用；不是手册，胜似手册。
    科学性，就是编写内容均有出处，参考文献除国家标准、行
业标准、地方标准必须列出以外，尚包括引用的论文、专著、手
册及教科书。
    这套系列专辑的读者对象是比较宽泛的，它包括大专院校师
生，土木工程领域的管理、设计、施工人员，以及具有一定阅读
能力的建筑工人。它既可作为土建技术人员随身携带及时查阅的
手册，又可选作大专院校、高职高专的教材及专题性教辅材料。
   
   
    2005年10月于清华园
 前言
  当前，在水工设计中为什么还需要做结构模型试验?不是已
经有了高速、高精度的数值模拟技术吗?这是当前工程设计中遇
到的迫切需要回答的。然而，清华大学水利系脆性结构实验室的
成长发展过程，可以清晰地说明这个问题。
    1956年，当时的苏联专家高尔竞柯来到清华大学，建议成
立水工结构实验室，目的在于研究坝工结构的应力与稳定，这在
当时的中国来说还是**次。水工结构实验室建成后，首先给广
东流溪河做了拱坝试验，主要是研究大坝的水力特性，到1958
年“大跃进”时期，实验室又先后开展了轻石浆混凝土材料拱坝
模型试验和陈村拱坝结构模型试验，目的在于研究大坝的应力分
布规律。
    20世纪60年代后，清华大学承担了密云水库和青石岭水库
的设计。青石岭拱坝坝高125m，地基复杂，当时这成为了设计
人员无法计算的难题，清华大学水利系针对此提出了模型试验方
法，自此翻开了关于模拟复杂地基上修建拱坝的研究新篇章，并
派人到意大利Bergmo ISMES学习，开始了地质力学模型试验。
    “文化大革命”后，1978年面临高坝上马，实验室先后与当
时的西北勘测设计研究院和成都勘测设计研究院协作，开始了龙
羊峡重力拱坝、李家峡拱坝及二滩高拱坝的整体稳定和基础处理
研究，从多方面研究大坝和地基的稳定。此后，我国高拱坝建设
一般都需要进行稳定模型试验，要回答稳定安全度和地基处理的
合理性，而这些即使应用高精度大规模计算也是难以奏效的。例
如，当前世界的高拱坝英古里坝、锦屏一级坝、溪洛渡坝和小湾
坝等都做了地质力学模型试验，以回答工程设计中的问题。
    多年来，清华大学水利系的老师们从无到有，从试验技术理
 论到实践，进行了艰苦的探索，并对材料试验理论、材料相似理
论和数据量测理论等进行了摸索创新，为我国的高坝建设做出了
贡献。其试验的成果《高坝水工结构模型试验》曾获得国家科技
进步奖二等奖，主要成果也被编入我国水利行业标准《混凝土拱
坝设计规范》(SL282—2003)和电力行业标准《混凝土拱坝设
计规范》(DL／T5436—2006)。
    40多年来，在张光斗先生指导下，参加试验工作的主要有
陈兴华、周维垣、杨若琼、王宙、杨强、沈大利、林鹏、刘耀儒
等人，他们为试验付出了血汗!配合试验工作的还有剡公瑞、强
天驰、赵吉东、黄岩松、刘元高、陈欣等人，以及中国水电顾问
集团所属的多个勘测设计研究院的大力支持，在此一并致谢!
    本书是在前人相关研究基础上，对我们试验工作的粗浅总
结，40多年来工作很难用这么短的篇幅进行描述，详细试验成
果可参考相关文献和生产报告，大量深入细致的总结尚有待今后
同仁们的努力。
    本书的出版希望能激发同行的兴趣，推动我国的高坝地质力
学模型试验研究的进一步发展。时间紧迫，书中疏漏之处在所难
免，敬请读者批评指正。
    作者
    2007年10月于清华园