“深埋高水頭水工隧洞圍巖技術(shù)”攻克世界難題

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    近日，《深埋高水頭水工隧洞圍巖穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)》榮獲國(guó)家能源科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。該技術(shù)成果提出了適用于極深埋條件下的地應(yīng)力綜合分析方法，首創(chuàng)了深埋脆性巖石的無(wú)損取樣技術(shù)，解決了深埋條件下鉆孔采樣時(shí)巖樣損傷這一世界難題。

 
　　隧洞圍巖施工

　　我國(guó)水電資源豐富，但分布不均，絕大部分集中在西南地區(qū)，而西部地區(qū)典型的地形、地質(zhì)、環(huán)境和水力條件使得在大多數(shù)地下洞室群工程成為水電工程樞紐布置的必然選擇。

　　高應(yīng)力及復(fù)雜的地質(zhì)條件在國(guó)內(nèi)外屬罕見(jiàn)，沒(méi)有相關(guān)可供借鑒的先例和工程經(jīng)驗(yàn)我國(guó)科研人員經(jīng)過(guò)多年的刻苦攻關(guān)，提出并研發(fā)了深埋高水頭水工隧洞圍巖穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)，取得了深埋長(zhǎng)隧洞復(fù)雜初始條件精確描述、深埋長(zhǎng)大硬巖隧洞圍巖穩(wěn)定分析、高應(yīng)力條件下硬巖隧洞支護(hù)優(yōu)化、高外水壓力條件下水工隧洞永久運(yùn)行安全等系列創(chuàng)新解決方案和成果，為水電站引水隧洞的順利貫通和安全運(yùn)行提供了可靠的保障。

　　該技術(shù)成果提出了適用于極深埋條件下的地應(yīng)力綜合分析方法，首創(chuàng)了深埋脆性巖石的無(wú)損取樣技術(shù)，解決了深埋條件下鉆孔采樣時(shí)巖樣損傷這一世界難題，揭示了脆-巖-塑轉(zhuǎn)換特性對(duì)大理巖破裂特征的影響，研發(fā)了能夠描述這種復(fù)雜峰后力學(xué)特征的本構(gòu)模型，建立了脆性巖體破裂擴(kuò)展時(shí)間效應(yīng)的力學(xué)描述方法，解決了深埋圍巖破裂損傷演化特征的描述難題。

　　該技術(shù)成果創(chuàng)新了深埋高應(yīng)力條件下硬巖隧洞的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方法，提出了以應(yīng)力測(cè)試為主、變形監(jiān)測(cè)為輔的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則，成功實(shí)施了大型現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，全面獲得了掌子面推進(jìn)過(guò)程中的破裂損傷、應(yīng)力、變形等圍巖開(kāi)挖響應(yīng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，創(chuàng)新了深埋長(zhǎng)大隧洞圍巖穩(wěn)定動(dòng)態(tài)反饋分析流程，成功引入離散元和顆粒流程序到圍巖破裂行為的直接模擬分析中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圍巖開(kāi)挖響應(yīng)特征的全面捕捉和準(zhǔn)確反饋。

　　針對(duì)保持圍壓是控制破裂和維持延性的關(guān)鍵因素，該技術(shù)成果提出了基于支護(hù)單元力學(xué)特性和工程適用性的支護(hù)設(shè)計(jì)原則，研發(fā)了滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求的支護(hù)新材料和新工藝，提高了應(yīng)對(duì)高應(yīng)力破裂問(wèn)題時(shí)工程措施的針對(duì)性。開(kāi)發(fā)了基于應(yīng)力腐蝕理論的宏觀和細(xì)觀力學(xué)模型，解決了高應(yīng)力下硬巖破裂時(shí)間效應(yīng)的描述及評(píng)價(jià)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深埋硬巖隧洞長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，提出的隧洞復(fù)合式承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，有效解決了高外水條件下隧洞永久運(yùn)行安全問(wèn)題。

　　通過(guò)水電站引水隧洞群建設(shè)的研究與實(shí)施，形成了深埋圍巖復(fù)雜初始條件的全新研究方法、深埋長(zhǎng)大隧洞圍巖穩(wěn)定的全新分析方法和深埋高外水壓力下水工隧洞安全的全新解決方案，填補(bǔ)了我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域中的空白，標(biāo)志著我國(guó)在深埋高水頭隧洞設(shè)計(jì)技術(shù)處于國(guó)際前沿位置，為我國(guó)其他深部地下工程領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)樹(shù)立了信心。二級(jí)水電站引水隧洞的提前貫通和順利發(fā)電，直接經(jīng)濟(jì)達(dá)12.9億元。可替代火電年發(fā)電量239.6億kW.h，年節(jié)約燃煤1130萬(wàn)t，有效減少了有害氣體的排放，具有巨大的生態(tài)環(huán)境效益。

　　研究成果除應(yīng)用于水電工程外，還可廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、核廢料儲(chǔ)存、輸水輸氣等地下工程領(lǐng)域。相信隨著國(guó)家科技創(chuàng)新戰(zhàn)略的推廣，深埋高水頭水工隧洞圍巖穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)必將有更進(jìn)一步的發(fā)展，為確保“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。