TRIZ方法在面板堆石壩面板抗裂中的應用

王玉才

(甘肅農業大學水利水電工程學院，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、工程規模和施工技術等方面都居世界前列，同時在強震地區、深覆蓋層、巖溶等不良地質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]。面板堆石壩在實踐中具有良好的適應地形的優勢，常常在一些復雜的地形地質條件下被采用。據統計，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、甘肅的九甸霞壩等。先進的壩體設計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]。混凝土面板堆石壩的面板裂縫問題制約其發展，面板裂縫的成因主要有面板脫空、溫度應力和干縮應力等[4-5]。

TRIZ理論誕生60多年以來，國內外專家學者們已對其逐步消化吸收、觸類旁通，從而在阿奇舒勒研究成果的基礎上也收獲頗豐。實踐證明，TRIZ方法已成為目前世界上最具吸引力的推動國家科技進步的理論方法之一，并且對各種技術需求、商業需求和管理需求具有普遍的實用價值，越來越受到許多學者的關注，提出了以專利分析法和TRIZ為基礎的產品結構創新與優化設計流程[6-9]。使用TRIZ矛盾解決原理解決其中的矛盾，或者用TRIZ標準解消除產品的有害功能，并參考實際產品價值和理想型方案從而可以選定最優方案[10]。

該文針對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用，以期能對實際工程中面板堆石壩的面板抗裂起到理論指導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構，在其上游表面澆筑混凝土面板作為防滲結構的堆石壩，主要由堆石體和防滲系統組成，即面板、趾板、墊層、過渡層、主堆石區和次堆石區組成，如圖1所示。面板堆石壩具有適應地質條件強、總體變形較小及施工簡便等優點，隨著薄層碾壓施工技術的不斷進步和完善，逐漸成為當今水利水電工程建設的主流壩型之一。其中面板是位于上游表面的薄板防滲結構。建設初期面板混凝土產生裂縫屬于行業技術難題。

根據TRIZ理論分析得出面板的系統工作原理水庫蓄水時，混凝土面板堆石壩的面板構成整個壩體的擋水防滲結構。主堆石區和次堆石區作為壩體的主體擋水受力結構，通過墊層和過渡層支撐面板，在蓄水期通過面板防滲來進行蓄水。主要問題是在混凝土面板堆石壩的面板建設初期和蓄水期，混凝土面板會產生裂縫。面板開裂實況如圖2所示。

2 求解問題

在實際工程中，針對建設初期面板混凝土產生裂縫的技術難題，從面板混凝土材料、面板混凝土施工技術和面板工作條件全面地進行混凝土面板防裂技術研究，已經取得部分抗裂方法，如①復合外加劑與混凝土配合比優化；②合理配筋；③合理選擇面板混凝土澆筑時機和環境等。

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

2.1系統分析及裁剪方法

系統分析及裁剪如圖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TRIZ理論的因果分析方法，從人、機、料、環境和方法入手進行分析，導致面板開裂的主要原因有混凝土水化熱過度、墊層脫空。混凝土水化熱過度根本原因是混凝土配合比不穩定、混凝土振搗不充分及養護時間不足；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矛盾分析的技術矛盾

S1.問題：混凝土材料的水化熱過度。

S2.現解決辦法：適當添加粉煤灰(15%)。

S3.缺點：影響混凝土早期強度及極限拉伸值。

改善參數：溫度。

惡化參數：強度。

創新原理：10預先作用(預先對物體施加改變)；30用柔性殼體或薄膜；22變害為利；40用復合材料替代。

根據TRIZ理論的預先作用(預先對物體施加改變)啟發，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的溫度，即預先對混凝土的溫度進行作用。

2.4矛盾分析的物理矛盾

分析對象：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鋼筋混凝土面板的澆筑，一體成型，設置橫縫和縱縫，為了保證鋼筋混凝土面板的強度、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：實現技術系統理想狀態，這個參數不同要求在什么系統得以實現？

空間1：在靠近壩踵的下半部分。

空間2：在靠近壩頂的上半部分。

S3：以上兩個空間是否交叉？

可以應用空間分離。

空間分離推薦的創新原理：1分割原理、2抽取原理、3局部質量原理、7嵌套原理、4增加不對稱性原理、17一維變多維原理、14曲面化原理、20有效作用的連續性、24借助中介物原理、26復制原理、29氣壓和液壓結構原理、30柔性殼體原理和40復合材料原理。

應用3局部質量原理得到方案3：將原來等厚度的混凝土面板，根據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)，變為漸變厚度的鋼筋混凝土面板，下部承受較大的水壓力，故設計較厚的混凝土面板；上部承受較小的水壓力，故設計較薄的混凝土面板。本方案施工難度比等厚度的面板加大。

2.5物場分析

根據因果分析結果發現：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理論和仿生學結合以共同解決工程技術問題，即將工程技術問題轉換為TRIZ的標準問題。用物—場模型描述問題，探討問題的理想解。建立鋼筋混凝土的物場模型如圖5所示。

利用TRIZ理論的標準解2.2.2增強物場模型，加大對工具物質的分割程度向微觀控制轉換。根據標準解2.2.2增強物場模型，加大對工具物質的分割程度向微觀控制轉換，得到方案4：將原有的鋼筋混凝土面板內的主要受力鋼筋，替換為一束高強度鋼絲或者鋼纖維混凝土，能夠提供更強的抗裂特性，其結構穩定性也可以增強。但是該方案的成本和施工技術難度均有所提高。

表1 方案評價

3 問題解決方案

TRIZ的理論基礎為技術系統的演化規律，是具體分析工具，包括預期失效判定分析、物質場模型、矛盾分析、發明問題解決算法和理想解分析等，如何運用于具體的實際產品和工程問題，主要包括標準解和知識效應庫、技術參數、發明原理、分離原理和矛盾矩陣等。綜合上述混凝土面板堆石壩的4個面板抗裂方案，采用優化模式，如表1所示。通過對比分析，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 結束語

TRIZ方法在指導產品開發和工程優化過程中，必須找出設計中存在的矛盾，然后利用創新原理去解決問題。同時，工程實際可能面對復雜多層次問題，將TRIZ與其他創新理論相結合，建立產品設計或工程優化的集成創新模型，具有重要的現實意義和理論研究價值。