三峽工程應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究

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摘要：三峽水利樞紐應(yīng)用基礎(chǔ)的研究，是由國家自然基金委員會與三峽開發(fā)總公司聯(lián)合組織的大型綜合性研究活動。結(jié)合三峽工程生產(chǎn)實(shí)際，對三峽工程泥沙問題；通航建筑物應(yīng)用基礎(chǔ)；高邊坡基礎(chǔ)理論；混凝土材料及水工建筑物安全監(jiān)測五個方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究探討，不少成果可以直接應(yīng)用于三峽工程建設(shè)中，這些研究也推動了我國工程應(yīng)用基礎(chǔ)的提高。

　　關(guān)鍵詞：仿真模擬；巖體力學(xué)；混凝土耐久性；高摻粉煤灰

　　《三峽水利樞紐工程幾個關(guān)鍵問題的應(yīng)用基礎(chǔ)研究》是1994年國家自然科學(xué)基金委員會和中國長江三峽工程開發(fā)總公司聯(lián)合資助和領(lǐng)導(dǎo)下開展的一項(xiàng)大型綜合性研究。所謂“應(yīng)用基礎(chǔ)”實(shí)際是指工程設(shè)計(jì)、工程施工應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)理論。經(jīng)過5年研究。取得了預(yù)期的成果，已于1999年6月在三峽壩區(qū)通過國家科委組織的專家組驗(yàn)收。

　　此項(xiàng)研究涉及三峽工程的幾個關(guān)鍵問題，側(cè)重于從應(yīng)用基礎(chǔ)理論上解決工程疑點(diǎn)和難點(diǎn)，在研究中理論與工程實(shí)際相結(jié)合。所獲成果，對三峽工程有的具有直接應(yīng)用價值，有的需要在工程進(jìn)展中加以驗(yàn)證。從專家意見中反映出，這些研究推動了我國相關(guān)領(lǐng)域工程應(yīng)用基礎(chǔ)理論水平的提高，一些技術(shù)還可以推廣應(yīng)用到其它水利水電工程上去。現(xiàn)將研究的內(nèi)容和取得的成果按以下五個課題予以介紹：

　　1、三峽工程泥沙問題研究

　　三峽樞紐上游年輸沙量大，樞紐建成后，大量泥沙將在水庫內(nèi)淤積，壩下游河道則發(fā)生沖涮，若不加以妥善解決，將影響水庫壽命和樞紐效益的充分發(fā)揮。本課題研究了以下內(nèi)容。

　　1.1 幾個泥沙基礎(chǔ)問題

　　主要有：淤積物的密實(shí)度及干容重變化研究；泥沙起動規(guī)律研究；推移質(zhì)運(yùn)動特性和輸沙率研究；底層泥沙交換、狀態(tài)概率及推懸比研究；水流挾沙力研究。

　　1.2 壩區(qū)泥沙淤積和壩下河道演變

　　內(nèi)容有：通航建筑物引航道防淤清淤措施研究；電站引水防沙措施研究；河道床面粗化研究；河道床面形態(tài)和阻力；壩下游河道演變及河型轉(zhuǎn)化。

　　1.3 數(shù)學(xué)模型和實(shí)體模型技術(shù)研究

　　進(jìn)行了模型沙特性研究；實(shí)體模型變率研究；實(shí)體模型圖像分析系統(tǒng)；長系列試驗(yàn)方法比較；數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)中a系數(shù)研究；回流區(qū)泥沙淤積計(jì)算。

　　關(guān)于泥沙的基礎(chǔ)理論研究，在水庫淤積物密實(shí)過程、泥沙起動規(guī)律、沖積河道阻力和床面粗化、推移質(zhì)運(yùn)動特性、底層泥沙交換和水流挾沙力等問題上都獲得了創(chuàng)新性的研究成果。對于通航建筑物引航道的防淤清淤措施、電站的引水防沙方案已為設(shè)計(jì)部門所采用。對于實(shí)體模型中的模型沙特性研究、模型變率的影響、長系列試驗(yàn)方法以及數(shù)學(xué)模型中不平衡輸沙恢復(fù)飽和系數(shù)，回流區(qū)泥沙淤積等都作了深入的分析和探討，其研究成果有助于澄清三峽工程泥沙科研中長期存在的不同認(rèn)識，本課題中建立的實(shí)體模型圖象分析系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)量測大面積水域的流場，是一項(xiàng)十分有用的新技術(shù)。

　　2、通航建筑物的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

　　本課題對三峽工程通航建筑物的通航條件、船閘水力學(xué)、船舶運(yùn)行仿真模型和船舶技術(shù)應(yīng)用中的一系列基礎(chǔ)理論問題進(jìn)行了研究。

　　2.1 樞紐泄洪對壩區(qū)通航條件的影響

　　從樞紐泄洪對上下游航道通航條件的影響、電站調(diào)峰非恒定流對通航條件的影響、通航水流條件的航行判據(jù)的研究表明，通過采取相應(yīng)的措施，優(yōu)化船閘與電站的運(yùn)行方式，可以達(dá)到壩區(qū)通航條件的要求。

　　2.2 船閘輸水系統(tǒng)和閘閥門水力學(xué)解決以下技術(shù)難題

　?。?）輸水系統(tǒng)水力學(xué)：三峽永久船閘輸水系統(tǒng)采用了4區(qū)段8支管，頂支孔出水，蓋板消能的動力平衡系統(tǒng)，它可使水流均勻分布于整個閘室平面，從而可減少閘室輸水所導(dǎo)致的非恒定流水面波動和局部水流紊動。通過試驗(yàn)及計(jì)算分析得出，支孔形狀、廊道雷諾數(shù)、廊道阻力、支孔高寬比、支孔總面積與廊道面積比等，是影響出流的一些因素，并提出了改進(jìn)意見。

　?。?）船閘閥門水動力學(xué)特性。

　?。?）閥門空化特性及控制空化措施。

　　（4）閥門流激振動特性及減振措施。

　?。?）船閘人字閘門運(yùn)行動水阻力。

　?。?）船閘水工模型試驗(yàn)縮尺效應(yīng)。

　　2.3 船閘運(yùn)行過程仿真模擬試驗(yàn)

　　采用計(jì)算機(jī)仿真模擬方法對船閘輸水及船舶過閘過程進(jìn)行模擬，其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、快速、宜于長期保留，預(yù)演過程整體性強(qiáng)。主要模擬過程有：船閘輸水過程仿真、航行條件的快時模擬、船舶航行條件實(shí)時模擬器的研究、船閘運(yùn)行可行性分析。

　　本課題的主要研究成果：如超高水頭大流量的閥門水力學(xué)、通航建筑物的通航條件和船舶試驗(yàn)技術(shù)研究等都已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。對于非恒定流減壓模型試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備的研制、閥門段廊道流態(tài)特征和急變分離流機(jī)理、門楣通氣減少空蝕的綜合措施、分散輸水系統(tǒng)中出水支孔流量分配規(guī)律、泄洪產(chǎn)生引航道往復(fù)流的機(jī)理、小尺度船模的相似性等研究成果都已應(yīng)用于三峽工程設(shè)計(jì)，并據(jù)此修改了《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中的輸水系統(tǒng)部分條文，成果具有廣泛的推廣價值。

　　3、三峽船閘高邊坡若干基礎(chǔ)理論研究

　　此輪高邊坡研究基本上是國家八五科技攻關(guān)三峽研究的延續(xù)和深化，內(nèi)容側(cè)重于工程巖體力學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論。由于研究工作與永久船閘高邊坡施工平行進(jìn)行，因此研究成果除了一部分可以用于指導(dǎo)反饋設(shè)計(jì)和施工以外，大部分成果對我國高邊坡工程，特別是卸荷高邊坡工程，可為設(shè)計(jì)提供理論武器和較先進(jìn)的分析手段。

　　3.1 關(guān)于巖體力學(xué)性質(zhì)的研究

　　三峽壩區(qū)的閃云斜長花崗巖屬性良質(zhì)優(yōu)的巖體。由于建閘開挖體坡高（170m）、體長（1610m）、塹深（67m）；由于山體下部誘發(fā)的地應(yīng)力釋放；由于風(fēng)化和巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育發(fā)展；導(dǎo)致巖體宏觀力學(xué)性質(zhì)與按常規(guī)試驗(yàn)獲得的力學(xué)數(shù)值之間存在差異，而且在開挖后會有性質(zhì)弱化的趨勢。

　　通過研究，在試驗(yàn)與調(diào)查基礎(chǔ)上，建立了巖體宏觀力學(xué)參數(shù)模擬理論，提供能較真實(shí)反映現(xiàn)場巖體性質(zhì)的參數(shù)值。如巖體的變形模量，微新巖體可取為20～30GPa.研究表明，巖石在三向應(yīng)力狀態(tài)下，卸圍壓可導(dǎo)致巖石的開裂。開挖后的高邊坡，巖體同時存在加載和卸荷，卸荷效應(yīng)會引起巖性區(qū)域的重新劃分，從坡表至深層出現(xiàn)程度不同地巖體變形、松動和開裂。研究認(rèn)為區(qū)內(nèi)花崗巖體存在著卸荷流變效應(yīng)，此種流變可通過正、反分析予以界定。

　　3.2 高邊坡巖體穩(wěn)定分析方法的研究和應(yīng)用

　　在具有不同理論背景的巖體破壞機(jī)理研究分析基礎(chǔ)上，采用各種不同的方法對高邊坡的穩(wěn)定進(jìn)行了分析計(jì)算。以反映變形規(guī)律和變形量。

　　分析使用的方法不同于過去較明顯的是，在計(jì)算模型中較多地運(yùn)用了脆性理論。如有的引進(jìn)、開發(fā)、應(yīng)用“斷裂損傷介質(zhì)分析系統(tǒng)”，對高邊坡進(jìn)行了斷裂損傷彈塑性與流變分析；有的針對三峽船閘高邊坡建立了脆彈粘性理論分析的計(jì)算模型；亦有數(shù)家單位采用其它方法試圖解釋三峽船閘高邊坡卸荷巖體的變形和非連續(xù)性問題，如離散元法（DEM）、不連續(xù)變形分析法（DDA）、數(shù)值流形方法及卸荷非線性分析。

　　從分析結(jié)果看，在三峽船閘高邊坡不同斷面的特征點(diǎn)上，在垂直于船閘軸線方向上，最大水平位移大都不超過50mm.清華大學(xué)用斷裂損傷流變模型計(jì)算的位移量在坡頂最大，為100～300mm，其它部位為50mm左右。給出的流變量，即開挖結(jié)束后繼續(xù)隨時間發(fā)展的位移量為5mm，收斂期為一年。

　　此外，有的運(yùn)用潘家掙塑性力學(xué)的上下限理論，用組合塌滑體的剛體極限平衡分析方法，給出高邊坡整體穩(wěn)定問題中沿最大可能滑動面滑動的邊坡體穩(wěn)定安全系數(shù)大于5。

　　完成的其它成果有：對滲流水荷載、爆破動力荷載的分析研究；用錨固模型的流變損傷分析方法研究錨固機(jī)理等。

　　4、三峽工程混凝土原材料研究

　　本課題結(jié)合三峽工程的需要，以提高混凝土的耐久性為中心，研究混凝土的配合成份，配置出高性能混凝土、抗沖耐磨混凝土、微膨脹水泥和灌漿改性超細(xì)水泥等方面都有所創(chuàng)新，其中改性超細(xì)水泥灌漿已在三峽工程中試用。研究成果的水平總體上處于國際前列。