三峡工程应用技术基础理论的

三峡工程应用技术基础理论的研究摘要：三峡水利枢纽应用基础的研究，是由国家自然基金委员会与三峡开发总公司联合组织的大型综合性研究活动。结合三峡工程生产实际，对三峡工程泥沙问题；通航建筑物应用基础；高边坡基础理论；混凝土材料及水工建筑物安全监测五个方面进行了系统的研究探讨，不少成果可以直接应用于三峡工程建设中，这些研究也推动了我国工程应用基础的提高。关键字：仿真模拟岩体力学混凝土耐久性高掺粉煤灰《三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究》是1994年国家自然科学基金委员会和中国长江三峡工程开发总公司联合资助和领导下开展的一项大型综合性研究。所谓“应用基础”实际是指工程设计、工程施工应用技术的基础理论。经过5年研究。取得了预期的成果，已于1999年6月在三峡坝区通过国家科委组织的专家组验收。此项研究涉及三峡工程的几个关键问题，侧重于从应用基础理论上解决工程疑点和难点，在研究中理论与工程实际相结合。所获成果，对三峡工程有的具有直接应用价值，有的需要在工程进展中加以验证。从专家意见中反映出，这些研究推动了我国相关领域工程应用基础理论水平的提高，一些技术还可以推广应用到其它水利水电工程上去。现将研究的内容和取得的成果按以下五个课题予以介绍：1三峡工程泥沙问题研究三峡枢纽上游年输沙量大，枢纽建成后，大量泥沙将在水库内淤积，坝下游河道则发生冲涮，若不加以妥善解决，将影响水库寿命和枢纽效益的充分发挥。本课题研究了以下内容。1.1几个泥沙基础问题主要有：淤积物的密实度及干容重变化研究；泥沙起动规律研究；推移质运动特性和输沙率研究；底层泥沙交换、状态概率及推悬比研究；水流挟沙力研究。1.2坝区泥沙淤积和坝下河道演变内容有：通航建筑物引航道防淤清淤措施研究；电站引水防沙措施研究；河道床面粗化研究；河道床面形态和阻力；坝下游河道演变及河型转化。1.3数学模型和实体模型技术研究进行了模型沙特性研究；实体模型变率研究；实体模型图像分析系统；长系列试验方法比较；数学模型试验中a系数研究；回流区泥沙淤积计算。杯向匙关于泥沙的基瓜础理论研究，留在水库淤积物拐密实过程、泥写沙起动规律、谎冲积河道阻力俘和床面粗化、倒推移质运动特蛙性、底层泥沙早交换和水流挟跟沙力等问题上狐都获得了创新护性的研究成果速。对于通航建闻筑物引航道的惹防淤清淤措施喘、电站的引水刷防沙方案已为烂设计部门所采聚用。对于实体滴模型中的模型暂沙特性研究、谁模型变率的影中响、长系列试婶验方法以及数伯学模型中不平维衡输沙恢复饱躬和系数，回流籍区泥沙淤积等意都作了深入的过分析和探讨，舌其研究成果有炸助于澄清三峡努工程泥沙科研彻中长期存在的枪不同认识，本碧课题中建立的竹实体模型图象虚分析系统能够骂在短时间内量挡测大面积水域蚀的流场，是一冬项十分有用的汽新技术。稀2套通航建筑物的碌应用基础研究况飘烂本课题对三峡挽工程通航建筑纲物的通航条件倡、船闸水力学壤、船舶运行仿矿真模型和船舶况技术应用中的速一系列基础理喂论问题进行了牙研究。验2.1筝枢纽泄洪对坝在区通航条件的具影响焰案耻从枢纽泄洪对搂上下游航道通四航条件的影响哲、电站调峰非炒恒定流对通航持条件的影响、丢通航水流条件山的航行判据的执研究表明，通所过采取相应的印措施，优化船瞧闸与电站的运床行方式，可以成达到坝区通航只条件的要求。撒2.2三船闸输水系统衔和闸阀门水力液学解决以下技骤术难题瓜股(1)凯输水系统水力按学：三峡永久沉船闸输水系统醋采用了黑4壳区段介8顾支管，顶支孔福出水，盖板消扩能的动力平衡荷系统，它可使继水流均匀分布涝于整个闸室平笛面，从而可减钳少闸室输水所翅导致的非恒定收流水面波动和叮局部水流紊动艺。通过试验及库计算分析得出俘，支孔形状、毅廊道雷诺数、羡廊道阻力、支赌孔高宽比、支薪孔总面积与廊仇道面积比等，看是影响出流的叛一些因素，并锣提出了改进意公见。废代(2)划船闸阀门水动验力学特性。约肉(3)杰阀门空化特性贿及控制空化措咸施。双社(4)誉阀门流激振动哄特性及减振措拌施。饭把(5)布船闸人字闸门所运行动水阻力萄。光艇(6)详船闸水工模型斤试验缩尺效应令。坐2.3品船闸运行过程沃仿真模拟试验惧菜驶采用计算机仿遗真模拟方法对佩船闸输水及船迷舶过闸过程进奉行模拟，其优记点是经济、快曲速、宜于长期许保留，预演过训程整体性强。熊主要模拟过程顷有：船闸输水汗过程仿真、航奶行条件的快时恩模拟、船舶航斧行条件实时模饺拟器的研究、习船闸运行可行歼性分析。挥芒写本课题的主要馆研究成果：如柴超高水头大流铲量的阀门水力夫学、通航建筑父物的通航条件迹和船舶试验技棋术研究等都已后达到国际领先归水平。对于非锯恒定流减压模角型试验方法和悼试验设备的研笨制、阀门段廊永道流态特征和辈急变分离流机龄理、门楣通气撕减少空蚀的综菌合措施、分散有输水系统中出冬水支孔流量分枕配规律、泄洪澡产生引航道往尼复流的机理、播小尺度船模的坦相似性等研究兵成果都已应用勿于三峡工程设良计，并据此修丘改了《船闸设护计规范》中的坝输水系统部分埋条文，成果具奶有广泛的推广任价值。惩3饺三峡船闸高边伐坡若干基础理即论研究弯求诊此轮高边坡研扰究基本上是国浊家八五科技攻贸关三峡研究的蜘延续和深化，当内容侧重于工茄程岩体力学的即应用基础理论帜。由于研究工挤作与永久船闸离高边坡施工平滚行进行，因此骆研究成果除了搬一部分可以用掏于指导反馈设饲计和施工以外走，大部分成果搜对我国高边坡似工程，特别是申卸荷高边坡工价程，可为设计徒提供理论武器代和较先进的分灰析手段。融3.1材关于岩体力学吩性质的研究嗓峰劲三峡坝区的闪破云斜长花岗岩弓属性良质优的颜岩体。由于建吗闸开挖体坡高替(宴170m)仪、体长梳(回1610m)杀、堑深呢(扫67m)盏；由于山体下庙部诱发的地应蔽力释放；由于喉风化和岩体结出构面的发育发场展；导致岩体舱宏观力学性质器与按常规试验颠获得的力学数昌值之间存在差惠异，而且在开备挖后会有性质接弱化的趋势。魔束关通过研究，在蛛试验与调查基婆础上，建立了秆岩体宏观力学读参数模拟理论堪，提供能较真插实反映现场岩降体性质的参数津值。如岩体的进变形模量，微捏新岩体可取为优20惩～只30GPa机。研究表明，摄岩石在三向应油力状态下，卸趟围压可导致岩逆石的开裂。开苏挖后的高边坡浊，岩体同时存忙在加载和卸荷辰，卸荷效应会番引起岩性区域袍的重新划分，疑从坡表至深层纪出现程度不同古地岩体变形、穷松动和开裂。跃研究认为区内吴花岗岩体存在恰着卸荷流变效榴应，此种流变蚕可通过正、反魄分析予以界定招。去3.2衬高边坡岩体稳抱定分析方法的勤研究和应用收岸示在具有不同理惠论背景的岩体经破坏机理研究箭分析基础上，首采用各种不同富的方法对高边陕坡的稳定进行越了分析计算。趟以反映变形规处律和变形量。腥呈卸分析使用的方事法不同于过去蚊较明显的是，售在计算模型中杂较多地运用了际脆性理论。如虚有的藏引进、开发、蹦应用热“捷断裂损伤介质毫分析系统廊”方，对高边坡进夹行了断裂损伤巨弹塑性与流变棵分析；有的针翼对三峡船闸高健边坡建立了脆恳弹粘性理论分村析的计算模型诉；亦有数家单寸位采用其它方封法试图解释三灭峡船闸高边坡诉卸荷岩体的变彻形和非连续性挠问题，如离散尿元法碗(伞DEM)日、不连续变形遵分析法随(梁DDA)谦、数值流形方阶法及卸荷非线厅性分析。味扫躺从分析结果看粘，在三峡船闸现高边坡不同断跨面的特征点上较，在垂直于船尚闸轴线方向上更，最大水平位元移大都不超过械50mm野。清华大学用全断裂损伤流变里模型计算的位麦移量在坡顶最断大，为京100娃～死300mm嘱，其它部位为丘50mm款左右。给出的机流变量，即开皇挖结束后继续叙随时间发展的遗位移量为戏5mm邮，收敛期为一快年。驶携倘此外，有的运逐用潘家挣塑性潜力学的上下限峰理论，用组合娃塌滑体的刚体恋极限平衡分析村方法，给出高真边坡整体稳定淹问题中沿最大苗可能滑动面滑葵动的边坡体稳鞭定安全系数大智于案5慌。海漆润完成的其它成抢果有：对渗流喷水荷载、爆破准动力荷载的分贯析研究；用锚趴固模型的流变膛损伤分析方法绞研究锚固机理鸡等。塔4咳三峡工程混凝招土原材料研究闹织筹本课题结合三丰峡工程的需要篮，以提高混凝骑土的耐久性为谷中心，研究混话凝土的配合成至份，配置出高丙性能混凝土、精抗冲耐磨混凝案土、微膨胀水耐泥和灌浆改性注超细水泥等方称面都有所创新绞，其中改性超取细水泥灌浆已初在三峡工程中岗试用。研究成泳果的水平总体丈上处于国际前恢列。炒4.1罪混凝土耐久性延及破坏机理梢输叛本课题侧重研拘究混凝土自身卧因素对耐久性垒的影响。对混晃凝土原材料特尸性进行分析，零找出不利因素惧，提出改进的我措施，从提高仙混凝土自身的店性能来达到抵场抗外界环境的搂影响，从而提亡高了大坝混凝不土的耐久性。邪寿(1)旦对大坝混凝土远所用水泥及粉忆煤灰性能进行怎了试验研究。不对三峡大坝所敢用中热硅酸盐蛾水泥和低热矿染渣硅酸盐水泥回的性能进行了蕉全面的性能测怕试分析，均符抛合国家规定指率标。中热水泥餐的含碱量可达固到小于厚0.55%(誉熟料小于打0.5%)家，低热水泥的男含碱量可达到率小于尸1.0%便的指标。对粉海煤灰品质、水建化速度和贫钙唯问题进行了全街面的研究。粉耳煤灰在拌制混红凝土时有三种汗效应并产生三沿种势能：形态凭效应产生减水义势能；火山灰钥活性效应，使雅粉煤灰具有受表激活反应妥的势能；微集缘料效应造成致洪密势能。粉煤强灰的水化速度成与温度有密切茎关系，且随时眠间增长而增加努。混凝土在绢20C色下，粉煤灰在股3蜓～流4艳年中仍在水化俗，只是水化速筒率缓慢，因而信强度也是在缓朱慢增加。沃紧(2)馒三峡大坝混凝推土必须使用高刊效减水剂和引串气剂。在确定谈高掺一级粉煤贝灰的前提下，栏必须选用与粉箭煤灰相适应的喷高效减水剂至惕关重要，两者焦配合应用，在蝴降低每锁m撞3牵混凝土的用灯水量方面，能腹产生叠加效应毙。能使总减水桃率达到程20%云～逮30%验。掺入引气剂澡后能使混凝土炸抗冻性能大幅咏度提高，也提环高了混凝土韧泄性和抗折强度耳。匙昂(3)锁混凝土的微观酒结构研究试验椅得出：刊①烛水胶比对孔隙养率和孔径分布限有较大的影响馋，水胶比大，瓣孔隙率就高，酷大于冷100nm萄的孔增加；床②播每血m奇3栋混凝土用水量住降至别100kg吩以下，总孔隙冠率大大降低；骆③盐掺入穗30%寨、蚕50%夹、周70%面的一级粉煤灰以，浆体总孔隙镰率随掺量增加道而增加，但孔兰径大于翅100nm宵的有害孔仍较派少，小于必20nm浊的无害孔增加歉。级路遭水泥浆体于集笔料界面存在富躺水层，较多的疲SO击3平溶解于此，造费成人波Aft纷富集和移Ca(OH)秆2替晶体的择优取东向生长，构成陷混凝土中的薄中弱部位。当水斩胶比降低，对肿界面结构有所扣改善；掺加秋20%你或者猫40%览粉煤灰及高效者减水剂和引气捉剂后，改善了苹界面结构，但黄粉煤灰应低于馋50%亚。说4.2污微膨胀型中热弹和低热水泥研愿究成果缸归垮研究成果表现暗在两方面：第承一，已研制出飞微膨胀型中热篇及低热水泥；鹅第二，对两种般膨胀源氧化镁烈及钙钒石的膨亡胀机理，微膨趋胀中热和低热毒水泥的膨胀机扫理有了了解。刃4.3赢高掺粉煤灰大篮坝混凝土荐侵付由于优质粉煤惹灰的大量掺入惨，其需水量比纱为两90%摧左右，加之高喂效减水剂联合妇使用，产生叠购加效应，使每哲m尺3摆混凝土的用水险量减少距20%特～萍30%舱，由于用水量惨降低加上高掺壶粉煤灰，就使牢得水泥用量可分以大大降低，白得到质量较好忘的混凝土。许4.4浙抗冲磨高性能洞混凝土研究协酸远三峡工程特种羽混凝土原设计说是采用贿C稼40掉抗冲磨混凝土喝，这种混凝土捉曾用于葛洲坝刺水利枢旷纽的特殊部位肌。本课题研究晴出参C后60昼抗冲磨高性能罗混凝土，它的祖特点是限制水允泥浆体积在混辅凝土中的总含漫量，掺入高活睬性掺合料颜-乘硅粉和优质粉恶煤灰取代水泥领，以减少水泥香用量，选用与驻之相匹配的高饥效减水剂及膨介胀剂，使裙C祖60土抗冲磨高性能逃混凝土的水泥谷用量降至捧330kg粗，掺合料的总恭重量达况37%来。用铁矿石粗勉骨料制备的抗瑞冲磨高性能混稼凝土必28d私抗压强度可以酸达到戴89.6MP者a尖，抗冲磨失重探率又比诵C利60邪低扇40%脊，抗冲击韧性污提高微1.8嫩倍，但单价较场C愁60如高。蚀安贡研究表明抗冲痒磨混凝土的改刘性机理是由于鹅大量极细的活摔性掺合料水化丘后生成得尖C-S-H料凝胶改善了集枪料与兵水泥胶体的界普面结构，使总唯孔隙率减少样25%盾，有害孔减少性，使混凝土密轿实性大大提高宰。泉4.5尾大坝基础处理港水泥灌浆材料甜改性及其机理割研究滑洋晌三峡大坝防渗柄帐幕设计标准艘要求蒙ω厌≤鸦0.01L/手(min·m锈·m)题，在细微裂隙随发育的大坝基注岩，用普通水少泥灌浆无法灌扛入的地段。采浊用超细磨水泥惨灌浆能达到设尾计要求且不污哄染环境。躲哪1)防超细磨水泥主眠要性能如下：植斩筛①岩细度洒D9净5阿≤顺1继6尊μ坟m旬，平均中值粒麦径小于胁4暗μ劝m废。匙足惧②蛾浆材的稳定性怖和流动性，当燥W/C忌＝虚1.0籍时，析水率小庄于否5%尺。芽国晕③铜强度：煮3d讨为夸52.5MP肢a医，陆28d成为诊72.5MP稻a沙。车摘启④曾膨胀率：视3d目不小于梳0.15%夕，苗28d盟不大于椅0.60%盟。退迷(2)X金光衍射分析现恼场灌浆情况，耗可以看出绝大袋部分水泥熟料低已水化成垃C-S-H富凝胶、晌Ca(OH)腿2说和钙矾石电(盟Aft)片，仅有少数石牺英烈(温SiO旱2裕)疼及碳化的惑CaCO赞3犹，所以水泥结术石强度高，无兰体积收缩。鸦5朝三峡水工建筑精物安全监测与绘反馈设计盆屠宗本课题分五个链专题：安全监裂控系统结构与造方案优化，安荷全监测信息分凭析的新理论与吃新方法，安全互监测高刷新技术及自动租化监测系统，脱混凝土坝施工赠期仿真计算与理温控反馈设计欺，开放式大型狸通用水工结构站分析系统原理拜及研制技术等丧。叹5.1缸安全监控系统阀结构与方案优裹化研究渐望搜三峡工程包括靠永久船闸、升守船机、左岸大赶坝及厂房、泄芦洪坝段、右岸滨大坝及厂房、芬茅坪溪防护坝盟等建筑遭物的监测系统雹，另外还有专劲项监测、地质吴环境及其他监育测，其中仅永寺久性测点就有钉6000制多个，是当今研世界上最庞大嫁的安全监测系帅统。为此，对医总体结构、监革测仪器布置和触变形监测网等浊进行了全面系恨统地优化研究末。扣损(1)叔总体结构优化复针对三峡工程蓝大坝特点及安逗全分析、评价补和监控的要求尺，对安全监测唇系统总体结构像，议依据信息可靠绞、有序采集、周保存、查询、矩调用等原则，幸应用优化理论乞，将原设计大控坝三级监控耳(态建筑物、分区侨和工程监测中床心田)同改为二级监控两(盏建筑物，监测娇中心于)集，从而减少了浑结构层次，提角高了系统的可齐靠性，节约了吐费用。牢内(2)充监测仪器布置轮优化结合技术序设计和招标设饿计，依据少而决精等原则，对愁监测仪器的布半置进行优化研贺究。经优化后搏，变形和渗流毙监测仪器、设湾备数量减少约衔1/2可，应力应变监难测减少约粥2/3扛，水力学和动毒力监测减少约道1/2守，监测费用减象少辣1秋亿元以上，经铜济效益显著。乘谜(3)比变形监测网络挡化对变形控制砖网和倒垂等进屠行优化研究，似突破常用的模牛拟法，提出用傻解析法的优化冠方季案，构成目标遥函数。以精确刘、可靠、灵敏顺度和费用等作盲为约束条件，泽形成一个二次键规划模型，并顽以此编制变形篇监测网自动化都分析软件。应舅用这一个优化厉软件，对升船救机及临时船闸怖高边坡施水平监测网进蚂行了优化设计推。岭5.2窗安全监测信息蜜分析新理论和企新方法耳灌评安全监测的主链要目的是通过摧监测资料的分渐析和反分析，土对水工建筑物朋的安全状况作悬出综合分析、当安全评价和监薄控。为此，针历对三峡主要水愚工建筑物在施因工期、蓄水期州和运行期的不啊同特点，吸收吗国内外安全检跃测领域的最新模信息分析理论齿和方法，提出食了安全监测信珍息分析的理论煌和方法。主要纺分三大类：稠女(1)搏综合分析和安闷全评价的理论夜和方法用层次案分析和模糊评赠判及其相结合童、突变理论、骤多级灰关联分僵析、可靠度理饼论等方法和理赶论，依据实测买资料对大坝的扣实测性态进行恋综合分析和安做全评价。应用研可靠度理论方翠法，以风险分金析为基础，建目立大坝安全风卫险评估的框架魄。插色(2)底结合已建工程淋和三峡大坝的胳典型坝段券(装泄洪寇2弯号坝段等战)师，建立了施工麦期的特殊监控招模型，时空分滋布的确定性模林型及反分析模莲型，多测点监纵控模型因子集滤分析模型，另女外还提出用数绒学滤波法分离馒时效分量，采阵用回归与时序行模型，用瑞利块分布研究监控风模型中环境量躲对效是应量的滞后效驼应等。议曲(3)及拟定变形监控泻指标拟定的理吵