王玉才

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

0 引言

中國已建高混凝土面板堆石壩和在建的、擬建的高混凝土面板堆石壩，已經(jīng)占全世界的60%以上，并且我國在混凝土面板堆石壩壩高、工程規(guī)模和施工技術(shù)等方面都居世界前列，同時(shí)在強(qiáng)震地區(qū)、深覆蓋層、巖溶等不良地質(zhì)條件和高邊坡等不良地形條件下建造了高混凝土面板堆石壩[1]。面板堆石壩在實(shí)踐中具有良好的適應(yīng)地形的優(yōu)勢(shì)，常常在一些復(fù)雜的地形地質(zhì)條件下被采用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2011年我國已建在建100 m以上的混凝土面板堆石壩有94座，且不少面板壩坐落在深厚覆蓋層上，如新疆的察汗烏蘇壩、甘肅的九甸霞?jí)蔚?。先進(jìn)的壩體設(shè)計(jì)方法和變形控制理論有效減少了堆石壩的整體沉降和變形破壞[2-3]?；炷撩姘宥咽瘔蔚拿姘辶芽p問題制約其發(fā)展，面板裂縫的成因主要有面板脫空、溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力等[4-5]。

TRIZ理論誕生60多年以來，國內(nèi)外專家學(xué)者們已對(duì)其逐步消化吸收、觸類旁通，從而在阿奇舒勒研究成果的基礎(chǔ)上也收獲頗豐。實(shí)踐證明，TRIZ方法已成為目前世界上最具吸引力的推動(dòng)國家科技進(jìn)步的理論方法之一，并且對(duì)各種技術(shù)需求、商業(yè)需求和管理需求具有普遍的實(shí)用價(jià)值，越來越受到許多學(xué)者的關(guān)注，提出了以專利分析法和TRIZ為基礎(chǔ)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)流程[6-9]。使用TRIZ矛盾解決原理解決其中的矛盾，或者用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解消除產(chǎn)品的有害功能，并參考實(shí)際產(chǎn)品價(jià)值和理想型方案從而可以選定最優(yōu)方案[10]。

該文針對(duì)混凝土面板堆石壩的面板裂縫問題，主要研究TRIZ方法在面板抗裂問題中的應(yīng)用，以期能對(duì)實(shí)際工程中面板堆石壩的面板抗裂起到理論指導(dǎo)和有效減少裂縫的作用。

1 問題的提出

面板堆石壩以堆石體為支承結(jié)構(gòu)，在其上游表面澆筑混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)的堆石壩，主要由堆石體和防滲系統(tǒng)組成，即面板、趾板、墊層、過渡層、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)組成，如圖1所示。面板堆石壩具有適應(yīng)地質(zhì)條件強(qiáng)、總體變形較小及施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，隨著薄層碾壓施工技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，逐漸成為當(dāng)今水利水電工程建設(shè)的主流壩型之一。其中面板是位于上游表面的薄板防滲結(jié)構(gòu)。建設(shè)初期面板混凝土產(chǎn)生裂縫屬于行業(yè)技術(shù)難題。

根據(jù)TRIZ理論分析得出面板的系統(tǒng)工作原理水庫蓄水時(shí)，混凝土面板堆石壩的面板構(gòu)成整個(gè)壩體的擋水防滲結(jié)構(gòu)。主堆石區(qū)和次堆石區(qū)作為壩體的主體擋水受力結(jié)構(gòu)，通過墊層和過渡層支撐面板，在蓄水期通過面板防滲來進(jìn)行蓄水。主要問題是在混凝土面板堆石壩的面板建設(shè)初期和蓄水期，混凝土面板會(huì)產(chǎn)生裂縫。面板開裂實(shí)況如圖2所示。

2 求解問題

在實(shí)際工程中，針對(duì)建設(shè)初期面板混凝土產(chǎn)生裂縫的技術(shù)難題，從面板混凝土材料、面板混凝土施工技術(shù)和面板工作條件全面地進(jìn)行混凝土面板防裂技術(shù)研究，已經(jīng)取得部分抗裂方法，如①復(fù)合外加劑與混凝土配合比優(yōu)化；②合理配筋；③合理選擇面板混凝土澆筑時(shí)機(jī)和環(huán)境等。

本文針對(duì)面板堆石壩的面板開裂問題，利用TRIZ理論及其系統(tǒng)分析、因果分析和物場(chǎng)分析等方法拓展其他解決面板開裂問題。

2.1系統(tǒng)分析及裁剪方法

系統(tǒng)分析及裁剪如圖3所示。墊層主要功能是鏈接混凝土面板和過渡層，緩沖兩者之間的擠壓作用。裁剪理由：墊層功能可由過渡層替代，改進(jìn)過渡層的材料即可。由裁剪原理得出方案1：裁剪墊層，墊層功能由過渡層替代，改進(jìn)過渡層材料。裁剪后，原來的問題尚未完全解決。

2.2因果分析方法

根據(jù)TRIZ理論的因果分析方法，從人、機(jī)、料、環(huán)境和方法入手進(jìn)行分析，導(dǎo)致面板開裂的主要原因有混凝土水化熱過度、墊層脫空?；炷了療徇^度根本原因是混凝土配合比不穩(wěn)定、混凝土振搗不充分及養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足；墊層脫空的根本原因是堆石體不均勻沉降、自身重力及水壓力擠壓。因果分析方法如圖4所示。

2.3矛盾分析的技術(shù)矛盾

S1.問題：混凝土材料的水化熱過度。

S2.現(xiàn)解決辦法：適當(dāng)添加粉煤灰(15%)。

S3.缺點(diǎn)：影響混凝土早期強(qiáng)度及極限拉伸值。

改善參數(shù)：溫度。

惡化參數(shù)：強(qiáng)度。

創(chuàng)新原理：10預(yù)先作用(預(yù)先對(duì)物體施加改變)；30用柔性殼體或薄膜；22變害為利；40用復(fù)合材料替代。

根據(jù)TRIZ理論的預(yù)先作用(預(yù)先對(duì)物體施加改變)啟發(fā)，得到方案2：粉煤灰在混凝土拌合過程中可以有效起到固體減水劑的作用，降低混凝土的水化熱、彈性模量和滲透性，還能減少混凝土的干縮性。方案2在混凝土攪拌過程中，將部分水和粉煤灰的用量替換成冰水混合物，有效降低混凝土拌合時(shí)的溫度，即預(yù)先對(duì)混凝土的溫度進(jìn)行作用。

2.4矛盾分析的物理矛盾

分析對(duì)象：面板。

S1：定義物理矛盾。

目前，混凝土堆石壩的面板多采用連續(xù)鋼筋混凝土面板的澆筑，一體成型，設(shè)置橫縫和縱縫，為了保證鋼筋混凝土面板的強(qiáng)度、抗剪和防滲等效果，需要較厚的鋼筋混凝土面板；而為了降低面板的自重、容易施工和減少溫度裂縫等，需要較薄的鋼筋混凝土面板。

要求1：厚。

要求2：薄。

S2：實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)理想狀態(tài)，這個(gè)參數(shù)不同要求在什么系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)？

空間1：在靠近壩踵的下半部分。

空間2：在靠近壩頂?shù)纳习氩糠帧?/p>

S3：以上兩個(gè)空間是否交叉？

可以應(yīng)用空間分離。

空間分離推薦的創(chuàng)新原理：1分割原理、2抽取原理、3局部質(zhì)量原理、7嵌套原理、4增加不對(duì)稱性原理、17一維變多維原理、14曲面化原理、20有效作用的連續(xù)性、24借助中介物原理、26復(fù)制原理、29氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理、30柔性殼體原理和40復(fù)合材料原理。

應(yīng)用3局部質(zhì)量原理得到方案3：將原來等厚度的混凝土面板，根據(jù)其受到水壓力的大小(水壓力從壩踵至壩頂由大到小呈線性分布)，變?yōu)闈u變厚度的鋼筋混凝土面板，下部承受較大的水壓力，故設(shè)計(jì)較厚的混凝土面板；上部承受較小的水壓力，故設(shè)計(jì)較薄的混凝土面板。本方案施工難度比等厚度的面板加大。

2.5物場(chǎng)分析

根據(jù)因果分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鋼筋混凝土面板需要大量的鋼筋作為混凝土的骨架，來保證面板的抗壓、抗剪和抗裂等，但是鋼筋用量過度也帶來成本上升。柴亞楠[11]嘗試將TRIZ理論和仿生學(xué)結(jié)合以共同解決工程技術(shù)問題，即將工程技術(shù)問題轉(zhuǎn)換為TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)問題。用物—場(chǎng)模型描述問題，探討問題的理想解。建立鋼筋混凝土的物場(chǎng)模型如圖5所示。

利用TRIZ理論的標(biāo)準(zhǔn)解2.2.2增強(qiáng)物場(chǎng)模型，加大對(duì)工具物質(zhì)的分割程度向微觀控制轉(zhuǎn)換。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解2.2.2增強(qiáng)物場(chǎng)模型，加大對(duì)工具物質(zhì)的分割程度向微觀控制轉(zhuǎn)換，得到方案4：將原有的鋼筋混凝土面板內(nèi)的主要受力鋼筋，替換為一束高強(qiáng)度鋼絲或者鋼纖維混凝土，能夠提供更強(qiáng)的抗裂特性，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也可以增強(qiáng)。但是該方案的成本和施工技術(shù)難度均有所提高。

表1 方案評(píng)價(jià)

3 問題解決方案

TRIZ的理論基礎(chǔ)為技術(shù)系統(tǒng)的演化規(guī)律，是具體分析工具，包括預(yù)期失效判定分析、物質(zhì)場(chǎng)模型、矛盾分析、發(fā)明問題解決算法和理想解分析等，如何運(yùn)用于具體的實(shí)際產(chǎn)品和工程問題，主要包括標(biāo)準(zhǔn)解和知識(shí)效應(yīng)庫、技術(shù)參數(shù)、發(fā)明原理、分離原理和矛盾矩陣等。綜合上述混凝土面板堆石壩的4個(gè)面板抗裂方案，采用優(yōu)化模式，如表1所示。通過對(duì)比分析，可以采用方案2或方案4來減少或者消除混凝土面板堆石壩的裂縫問題。

4 結(jié)束語

TRIZ方法在指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)和工程優(yōu)化過程中，必須找出設(shè)計(jì)中存在的矛盾，然后利用創(chuàng)新原理去解決問題。同時(shí)，工程實(shí)際可能面對(duì)復(fù)雜多層次問題，將TRIZ與其他創(chuàng)新理論相結(jié)合，建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)或工程優(yōu)化的集成創(chuàng)新模型，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論研究?jī)r(jià)值。