TRIZ方法在面板堆石坝面板抗裂中的应用

2020-06-27王玉才

农业工程 2020年5期

王玉才

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州730070)

0 引言

中国已建高混凝土面板堆石坝和在建的、拟建的高混凝土面板堆石坝，已经占全世界的60%以上，并且我国在混凝土面板堆石坝坝高、工程规模和施工技术等方面都居世界前列，同时在强震地区、深覆盖层、岩溶等不良地质条件和高边坡等不良地形条件下建造了高混凝土面板堆石坝[1]。面板堆石坝在实践中具有良好的适应地形的优势，常常在一些复杂的地形地质条件下被采用。据统计，截至2011年我国已建在建100 m以上的混凝土面板堆石坝有94座，且不少面板坝坐落在深厚覆盖层上，如新疆的察汗乌苏坝、甘肃的九甸霞坝等。先进的坝体设计方法和变形控制理论有效减少了堆石坝的整体沉降和变形破坏[2-3]。混凝土面板堆石坝的面板裂缝问题制约其发展，面板裂缝的成因主要有面板脱空、温度应力和干缩应力等[4-5]。

TRIZ理论诞生60多年以来，国内外专家学者们已对其逐步消化吸收、触类旁通，从而在阿奇舒勒研究成果的基础上也收获颇丰。实践证明，TRIZ方法已成为目前世界上最具吸引力的推动国家科技进步的理论方法之一，并且对各种技术需求、商业需求和管理需求具有普遍的实用价值，越来越受到许多学者的关注，提出了以专利分析法和TRIZ为基础的产品结构创新与优化设计流程[6-9]。使用TRIZ矛盾解决原理解决其中的矛盾，或者用TRIZ标准解消除产品的有害功能，并参考实际产品价值和理想型方案从而可以选定最优方案[10]。

该文针对混凝土面板堆石坝的面板裂缝问题，主要研究TRIZ方法在面板抗裂问题中的应用，以期能对实际工程中面板堆石坝的面板抗裂起到理论指导和有效减少裂缝的作用。

1 问题的提出

面板堆石坝以堆石体为支承结构，在其上游表面浇筑混凝土面板作为防渗结构的堆石坝，主要由堆石体和防渗系统组成，即面板、趾板、垫层、过渡层、主堆石区和次堆石区组成，如图1所示。面板堆石坝具有适应地质条件强、总体变形较小及施工简便等优点，随着薄层碾压施工技术的不断进步和完善，逐渐成为当今水利水电工程建设的主流坝型之一。其中面板是位于上游表面的薄板防渗结构。建设初期面板混凝土产生裂缝属于行业技术难题。

根据TRIZ理论分析得出面板的系统工作原理水库蓄水时，混凝土面板堆石坝的面板构成整个坝体的挡水防渗结构。主堆石区和次堆石区作为坝体的主体挡水受力结构，通过垫层和过渡层支撑面板，在蓄水期通过面板防渗来进行蓄水。主要问题是在混凝土面板堆石坝的面板建设初期和蓄水期，混凝土面板会产生裂缝。面板开裂实况如图2所示。

2 求解问题

在实际工程中，针对建设初期面板混凝土产生裂缝的技术难题，从面板混凝土材料、面板混凝土施工技术和面板工作条件全面地进行混凝土面板防裂技术研究，已经取得部分抗裂方法，如①复合外加剂与混凝土配合比优化；②合理配筋；③合理选择面板混凝土浇筑时机和环境等。

本文针对面板堆石坝的面板开裂问题，利用TRIZ理论及其系统分析、因果分析和物场分析等方法拓展其他解决面板开裂问题。

2.1系统分析及裁剪方法

系统分析及裁剪如图3所示。垫层主要功能是链接混凝土面板和过渡层，缓冲两者之间的挤压作用。裁剪理由：垫层功能可由过渡层替代，改进过渡层的材料即可。由裁剪原理得出方案1：裁剪垫层，垫层功能由过渡层替代，改进过渡层材料。裁剪后，原来的问题尚未完全解决。

2.2因果分析方法

根据TRIZ理论的因果分析方法，从人、机、料、环境和方法入手进行分析，导致面板开裂的主要原因有混凝土水化热过度、垫层脱空。混凝土水化热过度根本原因是混凝土配合比不稳定、混凝土振捣不充分及养护时间不足；垫层脱空的根本原因是堆石体不均匀沉降、自身重力及水压力挤压。因果分析方法如图4所示。

2.3矛盾分析的技术矛盾

S1.问题：混凝土材料的水化热过度。

S2.现解决办法：适当添加粉煤灰(15%)。

S3.缺点：影响混凝土早期强度及极限拉伸值。

改善参数：温度。

恶化参数：强度。

创新原理：10预先作用(预先对物体施加改变)；30用柔性壳体或薄膜；22变害为利；40用复合材料替代。

根据TRIZ理论的预先作用(预先对物体施加改变)启发，得到方案2：粉煤灰在混凝土拌合过程中可以有效起到固体减水剂的作用，降低混凝土的水化热、弹性模量和渗透性，还能减少混凝土的干缩性。方案2在混凝土搅拌过程中，将部分水和粉煤灰的用量替换成冰水混合物，有效降低混凝土拌合时的温度，即预先对混凝土的温度进行作用。

2.4矛盾分析的物理矛盾

分析对象：面板。

S1：定义物理矛盾。

目前，混凝土堆石坝的面板多采用连续钢筋混凝土面板的浇筑，一体成型，设置横缝和纵缝，为了保证钢筋混凝土面板的强度、抗剪和防渗等效果，需要较厚的钢筋混凝土面板；而为了降低面板的自重、容易施工和减少温度裂缝等，需要较薄的钢筋混凝土面板。

要求1：厚。

要求2：薄。

S2：实现技术系统理想状态，这个参数不同要求在什么系统得以实现？

空间1：在靠近坝踵的下半部分。

空间2：在靠近坝顶的上半部分。

S3：以上两个空间是否交叉？

可以应用空间分离。

空间分离推荐的创新原理：1分割原理、2抽取原理、3局部质量原理、7嵌套原理、4增加不对称性原理、17一维变多维原理、14曲面化原理、20有效作用的连续性、24借助中介物原理、26复制原理、29气压和液压结构原理、30柔性壳体原理和40复合材料原理。

应用3局部质量原理得到方案3：将原来等厚度的混凝土面板，根据其受到水压力的大小(水压力从坝踵至坝顶由大到小呈线性分布)，变为渐变厚度的钢筋混凝土面板，下部承受较大的水压力，故设计较厚的混凝土面板；上部承受较小的水压力，故设计较薄的混凝土面板。本方案施工难度比等厚度的面板加大。

2.5物场分析

根据因果分析结果发现：钢筋混凝土面板需要大量的钢筋作为混凝土的骨架，来保证面板的抗压、抗剪和抗裂等，但是钢筋用量过度也带来成本上升。柴亚楠[11]尝试将TRIZ理论和仿生学结合以共同解决工程技术问题，即将工程技术问题转换为TRIZ的标准问题。用物—场模型描述问题，探讨问题的理想解。建立钢筋混凝土的物场模型如图5所示。

利用TRIZ理论的标准解2.2.2增强物场模型，加大对工具物质的分割程度向微观控制转换。根据标准解2.2.2增强物场模型，加大对工具物质的分割程度向微观控制转换，得到方案4：将原有的钢筋混凝土面板内的主要受力钢筋，替换为一束高强度钢丝或者钢纤维混凝土，能够提供更强的抗裂特性，其结构稳定性也可以增强。但是该方案的成本和施工技术难度均有所提高。

表1 方案评价

3 问题解决方案

TRIZ的理论基础为技术系统的演化规律，是具体分析工具，包括预期失效判定分析、物质场模型、矛盾分析、发明问题解决算法和理想解分析等，如何运用于具体的实际产品和工程问题，主要包括标准解和知识效应库、技术参数、发明原理、分离原理和矛盾矩阵等。综合上述混凝土面板堆石坝的4个面板抗裂方案，采用优化模式，如表1所示。通过对比分析，可以采用方案2或方案4来减少或者消除混凝土面板堆石坝的裂缝问题。