三峡工程应用技术基础理论的研究

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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。

　　关键词：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。

　　关于泥沙的基础理论研究，在水库淤积物密实过程、泥沙起动规律、冲积河道阻力和床面粗化、推移质运动特性、底层泥沙交换和水流挟沙力等问题上都获得了创新性的研究成果。对于通航建筑物引航道的防淤清淤措施、电站的引水防沙方案已为设计部门所采用。对于实体模型中的模型沙特性研究、模型变率的影响、长系列试验方法以及数学模型中不平衡输沙恢复饱和系数，回流区泥沙淤积等都作了深入的分析和探讨，其研究成果有助于澄清三峡工程泥沙科研中长期存在的不同认识，本课题中建立的实体模型图象分析系统能够在短时间内量测大面积水域的流场，是一项十分有用的新技术。

　　2、通航建筑物的应用基础研究

　　本课题对三峡工程通航建筑物的通航条件、船闸水力学、船舶运行仿真模型和船舶技术应用中的一系列基础理论问题进行了研究。

　　2.1 枢纽泄洪对坝区通航条件的影响

　　从枢纽泄洪对上下游航道通航条件的影响、电站调峰非恒定流对通航条件的影响、通航水流条件的航行判据的研究表明，通过采取相应的措施，优化船闸与电站的运行方式，可以达到坝区通航条件的要求。

　　2.2 船闸输水系统和闸阀门水力学解决以下技术难题

　　（1）输水系统水力学：三峡永久船闸输水系统采用了4区段8支管，顶支孔出水，盖板消能的动力平衡系统，它可使水流均匀分布于整个闸室平面，从而可减少闸室输水所导致的非恒定流水面波动和局部水流紊动。通过试验及计算分析得出，支孔形状、廊道雷诺数、廊道阻力、支孔高宽比、支孔总面积与廊道面积比等，是影响出流的一些因素，并提出了改进意见。

　　（2）船闸阀门水动力学特性。

　　（3）阀门空化特性及控制空化措施。

　　（4）阀门流激振动特性及减振措施。

　　（5）船闸人字闸门运行动水阻力。

　　（6）船闸水工模型试验缩尺效应。

　　2.3 船闸运行过程仿真模拟试验

　　采用计算机仿真模拟方法对船闸输水及船舶过闸过程进行模拟，其优点是经济、快速、宜于长期保留，预演过程整体性强。主要模拟过程有：船闸输水过程仿真、航行条件的快时模拟、船舶航行条件实时模拟器的研究、船闸运行可行性分析。

　　本课题的主要研究成果：如超高水头大流量的阀门水力学、通航建筑物的通航条件和船舶试验技术研究等都已达到国际领先水平。对于非恒定流减压模型试验方法和试验设备的研制、阀门段廊道流态特征和急变分离流机理、门楣通气减少空蚀的综合措施、分散输水系统中出水支孔流量分配规律、泄洪产生引航道往复流的机理、小尺度船模的相似性等研究成果都已应用于三峡工程设计，并据此修改了《船闸设计规范》中的输水系统部分条文，成果具有广泛的推广价值。

　　3、三峡船闸高边坡若干基础理论研究

　　此轮高边坡研究基本上是国家八五科技攻关三峡研究的延续和深化，内容侧重于工程岩体力学的应用基础理论。由于研究工作与永久船闸高边坡施工平行进行，因此研究成果除了一部分可以用于指导反馈设计和施工以外，大部分成果对我国高边坡工程，特别是卸荷高边坡工程，可为设计提供理论武器和较先进的分析手段。

　　3.1 关于岩体力学性质的研究

　　三峡坝区的闪云斜长花岗岩属性良质优的岩体。由于建闸开挖体坡高（170m）、体长（1610m）、堑深（67m）；由于山体下部诱发的地应力释放；由于风化和岩体结构面的发育发展；导致岩体宏观力学性质与按常规试验获得的力学数值之间存在差异，而且在开挖后会有性质弱化的趋势。

　　通过研究，在试验与调查基础上，建立了岩体宏观力学参数模拟理论，提供能较真实反映现场岩体性质的参数值。如岩体的变形模量，微新岩体可取为20～30GPa.研究表明，岩石在三向应力状态下，卸围压可导致岩石的开裂。开挖后的高边坡，岩体同时存在加载和卸荷，卸荷效应会引起岩性区域的重新划分，从坡表至深层出现程度不同地岩体变形、松动和开裂。研究认为区内花岗岩体存在着卸荷流变效应，此种流变可通过正、反分析予以界定。

　　3.2 高边坡岩体稳定分析方法的研究和应用

　　在具有不同理论背景的岩体破坏机理研究分析基础上，采用各种不同的方法对高边坡的稳定进行了分析计算。以反映变形规律和变形量。

　　分析使用的方法不同于过去较明显的是，在计算模型中较多地运用了脆性理论。如有的引进、开发、应用“断裂损伤介质分析系统”，对高边坡进行了断裂损伤弹塑性与流变分析；有的针对三峡船闸高边坡建立了脆弹粘性理论分析的计算模型；亦有数家单位采用其它方法试图解释三峡船闸高边坡卸荷岩体的变形和非连续性问题，如离散元法（DEM）、不连续变形分析法（DDA）、数值流形方法及卸荷非线性分析。

　　从分析结果看，在三峡船闸高边坡不同断面的特征点上，在垂直于船闸轴线方向上，最大水平位移大都不超过50mm.清华大学用断裂损伤流变模型计算的位移量在坡顶最大，为100～300mm，其它部位为50mm左右。给出的流变量，即开挖结束后继续随时间发展的位移量为5mm，收敛期为一年。

　　此外，有的运用潘家挣塑性力学的上下限理论，用组合塌滑体的刚体极限平衡分析方法，给出高边坡整体稳定问题中沿最大可能滑动面滑动的边坡体稳定安全系数大于5。

　　完成的其它成果有：对渗流水荷载、爆破动力荷载的分析研究；用锚固模型的流变损伤分析方法研究锚固机理等。

　　4、三峡工程混凝土原材料研究

　　本课题结合三峡工程的需要，以提高混凝土的耐久性为中心，研究混凝土的配合成份，配置出高性能混凝土、抗冲耐磨混凝土、微膨胀水泥和灌浆改性超细水泥等方面都有所创新，其中改性超细水泥灌浆已在三峡工程中试用。研究成果的水平总体上处于国际前列。