三峡工程应用技术基础理论的研究

  《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。

4.1 混凝土耐久性及破坏机理

    本课题侧重研究混凝土自身因素对耐久性的影响。对混凝土原材料特性进行分析，找出不利因素，提出改进的措施，从提高混凝土自身的性能来达到抵抗外界环境的影响，从而提高了大坝混凝土的耐久性。

    (1)对大坝混凝土所用水泥及粉煤灰性能进行了试验研究。对三峡大坝所用中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥的性能进行了全面的性能测试分析，均符合国家规定指标。中热水泥的含碱量可达到小于0.55%(熟料小于0.5%)，低热水泥的含碱量可达到小于1.0%的指标。对粉煤灰品质、水化速度和贫钙问题进行了全面的研究。粉煤灰在拌制混凝土时有三种效应并产生三种势能：形态效应产生减水势能；火山灰活性效应，使粉煤灰具有受激活反应的势能；微集料效应造成致密势能。粉煤灰的水化速度与温度有密切关系，且随时间增长而增加。混凝土在20C下，粉煤灰在3～4年中仍在水化，只是水化速率缓慢，因而强度也是在缓慢增加。

    (2)三峡大坝混凝土必须使用高效减水剂和引气剂。在确定高掺一级粉煤灰的前提下，必须选用与粉煤灰相适应的高效减水剂至关重要，两者配合应用，在降低每m³混凝土的用水量方面，能产生叠加效应。能使总减水率达到20%～30%。掺入引气剂后能使混凝土抗冻性能大幅度提高，也提高了混凝土韧性和抗折强度。

    (3)混凝土的微观结构研究试验得出：①水胶比对孔隙率和孔径分布有较大的影响，水胶比大，孔隙率就高，大于100nm的孔增加；②每m³混凝土用水量降至100kg以下，总孔隙率大大降低；③掺入30%、50%、70%的一级粉煤灰，浆体总孔隙率随掺量增加而增加，但孔径大于100nm的有害孔仍较少，小于20nm的无害孔增加。

    水泥浆体于集料界面存在富水层，较多的SO₃溶解于此，造成人Aft富集和Ca(OH)₂晶体的择优取向生长，构成混凝土中的薄弱部位。当水胶比降低，对界面结构有所改善；掺加20%或者40%粉煤灰及高效减水剂和引气剂后，改善了界面结构，但粉煤灰应低于50%。

4.2 微膨胀型中热和低热水泥研究成果

    研究成果表现在两方面：第一，已研制出微膨胀型中热及低热水泥；第二，对两种膨胀源氧化镁及钙钒石的膨胀机理，微膨胀中热和低热水泥的膨胀机理有了了解。

4.3 高掺粉煤灰大坝混凝土

    由于优质粉煤灰的大量掺入，其需水量比为90%左右，加之高效减水剂联合使用，产生叠加效应，使每m³混凝土的用水量减少20%～30%，由于用水量降低加上高掺粉煤灰，就使得水泥用量可以大大降低，得到质量较好的混凝土。

4.4 抗冲磨高性能混凝土研究

    三峡工程特种混凝土原设计是采用C₄₀抗冲磨混凝土，这种混凝土曾用于葛洲坝水利枢纽的特殊部位。本课题研究出C₆₀抗冲磨高性能混凝土，它的特点是限制水泥浆体积在混凝土中的总含量，掺入高活性掺合料-硅粉和优质粉煤灰取代水泥，以减少水泥用量，选用与之相匹配的高效减水剂及膨胀剂，使C₆₀抗冲磨高性能混凝土的水泥用量降至330kg，掺合料的总重量达37%。用铁矿石粗骨料制备的抗冲磨高性能混凝土28d抗压强度可以达到89.6MPa，抗冲磨失重率又比C₆₀低40%，抗冲击韧性提高1.8倍，但单价较C₆₀高。

    研究表明抗冲磨混凝土的改性机理是由于大量极细的活性掺合料水化后生成得C-S-H凝胶改善了集料与
水泥胶体的界面结构，使总孔隙率减少25%，有害孔减少，使混凝土密实性大大提高。

4.5 大坝基础处理水泥灌浆材料改性及其机理研究

    三峡大坝防渗帐幕设计标准要求ω≤0.01L/(min·m·m)，在细微裂隙发育的大坝基岩，用普通水泥灌浆无法灌入的地段。采用超细磨水泥灌浆能达到设计要求且不污染环境。

    1)超细磨水泥主要性能如下：

    ①细度D95≤16μm，平均中值粒径小于4μm。
    ②浆材的稳定性和流动性，当 W/C＝1.0时，析水率小于5%。
    ③强度：3d为52.5MPa，28d为72.5MPa。
    ④膨胀率：3d不小于0.15%，28d不大于0.60%。

    (2) X光衍射分析现场灌浆情况，可以看出绝大部分水泥熟料已水化成 C-S-H凝胶、Ca(OH)₂和钙矾石
(Aft)，仅有少数石英(SiO₂)及碳化的 CaCO₃，所以水泥结石强度高，无体积收缩。

5 三峡水工建筑物安全监测与反馈设计

    本课题分五个专题：安全监控系统结构与方案优化，安全监测信息分析的新理论与新方法，安全监测高
新技术及自动化监测系统，混凝土坝施工期仿真计算与温控反馈设计，开放式大型通用水工结构分析系统原理及研制技术等。

5.1 安全监控系统结构与方案优化研究

    三峡工程包括永久船闸、升船机、左岸大坝及厂房、泄洪坝段、右岸大坝及厂房、茅坪溪防护坝等建筑
物的监测系统，另外还有专项监测、地质环境及其他监测，其中仅永久性测点就有6000多个，是当今世界上最庞大的安全监测系统。为此，对总体结构、监测仪器布置和变形监测网等进行了全面系统地优化研究。

    (1)总体结构优化针对三峡工程大坝特点及安全分析、评价和监控的要求，对安全监测系统总体结构，
依据信息可靠、有序采集、保存、查询、调用等原则，应用优化理论，将原设计大坝三级监控(建筑物、分区和工程监测中心)改为二级监控(建筑物，监测中心)，从而减少了结构层次，提高了系统的可靠性，节约了费用。

    (2)监测仪器布置优化结合技术设计和招标设计，依据少而精等原则，对监测仪器的布置进行优化研究。经优化后，变形和渗流监测仪器、设备数量减少约 1/2，应力应变监测减少约2/3，水力学和动力监测减少约1/2，监测费用减少1亿元以上，经济效益显著。

    (3)变形监测网络化对变形控制网和倒垂等进行优化研究，突破常用的模拟法，提出用解析法的优化方
案，构成目标函数。以精确、可靠、灵敏度和费用等作为约束条件，形成一个二次规划模型，并以此编制变形监测网自动化分析软件。应用这一个优化软件，对升船机及临时船闸高边坡水平监测网进行了优化设计。

5.2 安全监测信息分析新理论和新方法

    安全监测的主要目的是通过监测资料的分析和反分析，对水工建筑物的安全状况作出综合分析、安全评价和监控。为此，针对三峡主要水工建筑物在施工期、蓄水期和运行期的不同特点，吸收国内外安全检测领域的最新信息分析理论和方法，提出了安全监测信息分析的理论和方法。主要分三大类：

    (1)综合分析和安全评价的理论和方法用层次分析和模糊评判及其相结合、突变理论、多级灰关联分析、可靠度理论等方法和理论，依据实测资料对大坝的实测性态进行综合分析和安全评价。应用可靠度理论方法，以风险分析为基础，建立大坝安全风险评估的框架。

    (2)结合已建工程和三峡大坝的典型坝段(泄洪2号坝段等)，建立了施工期的特殊监控模型，时空分布的确定性模型及反分析模型，多测点监控模型因子集分析模型，另外还提出用数学滤波法分离时效分量，采用回归与时序模型，用瑞利分布研究监控模型中环境量对效应量的滞后效应等。

    (3)拟定变形监控指标拟定的理论和方法

    主要包括用结构分析法和数学监控模型拟定监控指标。

5.3 安全监测高新技术及自动化监控系统

    鉴于三峡工程的特殊要求，决不允许中断监测和采集数据，这就要求安全监测系统能精确、稳定、可靠、长期而又实时地采集数据。为此，在吸收目前国内外传感器(主要是变形、裂缝等)及自动化监测技术的基础上，有针对性地开发和研制精度高、稳定可靠的自动化监测仪器和设备，对稳定性检查，对监测系统的构成和选型提出优化方案等。

5.4 混凝土坝仿真计算与施工期温控反馈设计

    混凝土高坝，工程规模大、工期长、施工和自然条件复杂，使设计与实际施工有一定差别。为此，开展混凝土坝仿真计算与施工期温控反馈设计的研究，对优化设计和施工，提高混凝土坝的设计施工水平具有重要的科学意义和实用价值。对此进行下列研究，并取得了相应的成果。

    ①提出了一整套混凝土高坝的仿真计算新方法；②研究了通仓浇筑重力坝和碾压混凝土重力坝温度应力的特点和规律及其与常规柱状浇筑重力坝的差别；③编制了混凝土坝和基础温度场、渗流场和位移场反分析软件；④研制了混凝土高坝施工期温控反馈设计软件。⑤对三峡大坝进行系统仿真计算，提出了合理的温控措施。

5.5 开发式大型通用水工结构分析系统原理及研制技术

    对以下几个方面进行了研究：①系统设计原理及实施方法；②系统工具环境的设置；③系统应用软件
的引进和开发；④计算机新技术在大型水工结构分析系统中的应用。

    上述研究成果，大部分已用于三峡工程设计，为优化设计提供了理论基础，为创造一流的三峡工程提供了技术保证。