三峽工程應用技術理論研究論文

導語：三峽工程應用技術理論研究論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：三峽水利樞紐應用基礎的研究，是由國家自然基金委員會與三峽開發總公司聯合組織的大型綜合性研究活動。結合三峽工程生產實際，對三峽工程泥沙問題；通航建筑物應用基礎；高邊坡基礎理論；混凝土材料及水工建筑物安全監測五個方面進行了系統的研究探討，不少成果可以直接應用于三峽工程建設中，這些研究也推動了我國工程應用基礎的提高。

關鍵詞：仿真模擬巖體力學混凝土耐久性高摻粉煤灰

《三峽水利樞紐工程幾個關鍵問題的應用基礎研究》是1994年國家自然科學基金委員會和中國長江三峽工程開發總公司聯合資助和領導下開展的一項大型綜合性研究。所謂“應用基礎”實際是指工程設計、工程施工應用技術的基礎理論。經過5年研究。取得了預期的成果，已于1999年6月在三峽壩區通過國家科委組織的專家組驗收。

此項研究涉及三峽工程的幾個關鍵問題，側重于從應用基礎理論上解決工程疑點和難點，在研究中理論與工程實際相結合。所獲成果，對三峽工程有的具有直接應用價值，有的需要在工程進展中加以驗證。從專家意見中反映出，這些研究推動了我國相關領域工程應用基礎理論水平的提高，一些技術還可以推廣應用到其它水利水電工程上去。現將研究的內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淤積，壩下游河道則發生沖涮，若不加以妥善解決，將影響水庫壽命和樞紐效益的充分發揮。本課題研究了以下內容。

1.1幾個泥沙基礎問題

主要有：淤積物的密實度及干容重變化研究；泥沙起動規律研究；推移質運動特性和輸沙率研究；底層泥沙交換、狀態概率及推懸比研究；水流挾沙力研究。

1.2壩區泥沙淤積和壩下河道演變

內容有：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；河道床面形態和阻力；壩下游河道演變及河型轉化。

1.3數學模型和實體模型技術研究

進行了模型沙特性研究；實體模型變率研究；實體模型圖像分析系統；長系列試驗方法比較；數學模型試驗中a系數研究；回流區泥沙淤積計算。

關于泥沙的基礎理論研究，在水庫淤積物密實過程、泥沙起動規律、沖積河道阻力和床面粗化、推移質運動特性、底層泥沙交換和水流挾沙力等問題上都獲得了創新性的研究成果。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計部門所采用。對于實體模型中的模型沙特性研究、模型變率的影響、長系列試驗方法以及數學模型中不平衡輸沙恢復飽和系數，回流區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識，本課題中建立的實體模型圖象分析系統能夠在短時間內量測大面積水域的流場，是一項十分有用的新技術。

2通航建筑物的應用基礎研究

本課題對三峽工程通航建筑物的通航條件、船閘水力學、船舶運行仿真模型和船舶技術應用中的一系列基礎理論問題進行了研究。

2.1樞紐泄洪對壩區通航條件的影響

從樞紐泄洪對上下游航道通航條件的影響、電站調峰非恒定流對通航條件的影響、通航水流條件的航行判據的研究表明，通過采取相應的措施，優化船閘與電站的運行方式，可以達到壩區通航條件的要求。

2.2船閘輸水系統和閘閥門水力學解決以下技術難題

(1)輸水系統水力學：三峽永久船閘輸水系統采用了4區段8支管，頂支孔出水，蓋板消能的動力平衡系統，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致的非恒定流水面波動和局部水流紊動。通過試驗及計算分析得出，支孔形狀、廊道雷諾數、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，并提出了改進意見。

(2)船閘閥門水動力學特性。

(3)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。

(5)船閘人字閘門運行動水阻力。

(6)船閘水工模型試驗縮尺效應。

2.3船閘運行過程仿真模擬試驗

采用計算機仿真模擬方法對船閘輸水及船舶過閘過程進行模擬，其優點是經濟、快速、宜于長期保留，預演過程整體性強。主要模擬過程有：船閘輸水過程仿真、航行條件的快時模擬、船舶航行條件實時模擬器的研究、船閘運行可行性分析。

本課題的主要研究成果：如超高水頭大流量的閥門水力學、通航建筑物的通航條件和船舶試驗技術研究等都已達到國際領先水平。對于非恒定流減壓模型試驗方法和試驗設備的研制、閥門段廊道流態特征和急變分離流機理、門楣通氣減少空蝕的綜合措施、分散輸水系統中出水支孔流量分配規律、泄洪產生引航道往復流的機理、小尺度船模的相似性等研究成果都已應用于三峽工程設計，并據此修改了《船閘設計規范》中的輸水系統部分條文，成果具有廣泛的推廣價值。3三峽船閘高邊坡若干基礎理論研究

此輪高邊坡研究基本上是國家八五科技攻關三峽研究的延續和深化，內容側重于工程巖體力學的應用基礎理論。由于研究工作與永久船閘高邊坡施工平行進行，因此研究成果除了一部分可以用于指導反饋設計和施工以外，大部分成果對我國高邊坡工程，特別是卸荷高邊坡工程，可為設計提供理論武器和較先進的分析手段。

3.1關于巖體力學性質的研究

三峽壩區的閃云斜長花崗巖屬性良質優的巖體。由于建閘開挖體坡高(170m)、體長(1610m)、塹深(67m)；由于山體下部誘發的地應力釋放；由于風化和巖體結構面的發育發展；導致巖體宏觀力學性質與按常規試驗獲得的力學數值之間存在差異，而且在開挖后會有性質弱化的趨勢。

通過研究，在試驗與調查基礎上，建立了巖體宏觀力學參數模擬理論，提供能較真實反映現場巖體性質的參數值。如巖體的變形模量，微新巖體可取為20～30GPa。研究表明，巖石在三向應力狀態下，卸圍壓可導致巖石的開裂。開挖后的高邊坡，巖體同時存在加載和卸荷，卸荷效應會引起巖性區域的重新劃分，從坡表至深層出現程度不同地巖體變形、松動和開裂。研究認為區內花崗巖體存在著卸荷流變效應，此種流變可通過正、反分析予以界定。

3.2高邊坡巖體穩定分析方法的研究和應用

在具有不同理論背景的巖體破壞機理研究分析基礎上，采用各種不同的方法對高邊坡的穩定進行了分析計算。以反映變形規律和變形量。

分析使用的方法不同于過去較明顯的是，在計算模型中較多地運用了脆性理論。如有的引進、開發、應用“斷裂損傷介質分析系統”，對高邊坡進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算模型；亦有數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性問題，如離散元法(DEM)、不連續變形分析法(DDA)、數值流形方法及卸荷非線性分析。

從分析結果看，在三峽船閘高邊坡不同斷面的特征點上，在垂直于船閘軸線方向上，最大水平位移大都不超過50mm。清華大學用斷裂損傷流變模型計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，即開挖結束后繼續隨時間發展的位移量為5mm，收斂期為一年。

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

4三峽工程混凝土原材料研究

本課題結合三峽工程的需要，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水泥等方面都有所創新，其中改性超細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。

4.1混凝土耐久性及破壞機理

本課題側重研究混凝土自身因素對耐久性的影響。對混凝土原材料特性進行分析，找出不利因素，提出改進的措施，從提高混凝土自身的性能來達到抵抗外界環境的影響，從而提高了大壩混凝土的耐久性。

(1)對大壩混凝土所用水泥及粉煤灰性能進行了試驗研究。對三峽大壩所用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥的性能進行了全面的性能測試分析，均符合國家規定指標。中熱水泥的含堿量可達到小于0.55%(熟料小于0.5%)，低熱水泥的含堿量可達到小于1.0%的指標。對粉煤灰品質、水化速度和貧鈣問題進行了全面的研究。粉煤灰在拌制混凝土時有三種效應并產生三種勢能：形態效應產生減水勢能；火山灰活性效應，使粉煤灰具有受激活反應的勢能；微集料效應造成致密勢能。粉煤灰的水化速度與溫度有密切關系，且隨時間增長而增加。混凝土在20C下，粉煤灰在3～4年中仍在水化，只是水化速率緩慢，因而強度也是在緩慢增加。

(2)三峽大壩混凝土必須使用高效減水劑和引氣劑。在確定高摻一級粉煤灰的前提下，必須選用與粉煤灰相適應的高效減水劑至關重要，兩者配合應用，在降低每m3混凝土的用水量方面，能產生疊加效應。能使總減水率達到20%～30%。摻入引氣劑后能使混凝土抗凍性能大幅度提高，也提高了混凝土韌性和抗折強度。

(3)混凝土的微觀結構研究試驗得出：①水膠比對孔隙率和孔徑分布有較大的影響，水膠比大，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，總孔隙率大大降低；③摻入30%、50%、70%的一級粉煤灰，漿體總孔隙率隨摻量增加而增加，但孔徑大于100nm的有害孔仍較少，小于20nm的無害孔增加。

水泥漿體于集料界面存在富水層，較多的SO3溶解于此，造成人Aft富集和Ca(OH)2晶體的擇優取向生長，構成混凝土中的薄弱部位。當水膠比降低，對界面結構有所改善；摻加20%或者40%粉煤灰及高效減水劑和引氣劑后，改善了界面結構，但粉煤灰應低于50%。

4.2微膨脹型中熱和低熱水泥研究成果

研究成果表現在兩方面：第一，已研制出微膨脹型中熱及低熱水泥；第二，對兩種膨脹源氧化鎂及鈣釩石的膨脹機理，微膨脹中熱和低熱水泥的膨脹機理有了了解。

4.3高摻粉煤灰大壩混凝土

由于優質粉煤灰的大量摻入，其需水量比為90%左右，加之高效減水劑聯合使用，產生疊加效應，使每m3混凝土的用水量減少20%～30%，由于用水量降低加上高摻粉煤灰，就使得水泥用量可以大大降低，得到質量較好的混凝土。

4.4抗沖磨高性能混凝土研究

三峽工程特種混凝土原設計是采用C40抗沖磨混凝土，這種混凝土曾用于葛洲壩水利樞紐的特殊部位。本課題研究出C60抗沖磨高性能混凝土，它的特點是限制水泥漿體積在混凝土中的總含量，摻入高活性摻合料-硅粉和優質粉煤灰取代水泥，以減少水泥用量，選用與之相匹配的高效減水劑及膨脹劑，使C60抗沖磨高性能混凝土的水泥用量降至330kg，摻合料的總重量達37%。用鐵礦石粗骨料制備的抗沖磨高性能混凝土28d抗壓強度可以達到89.6MPa，抗沖磨失重率又比C60低40%，抗沖擊韌性提高1.8倍，但單價較C60高。

研究表明抗沖磨混凝土的改性機理是由于大量極細的活性摻合料水化后生成得C-S-H凝膠改善了集料與

水泥膠體的界面結構，使總孔隙率減少25%，有害孔減少，使混凝土密實性大大提高。

4.5大壩基礎處理水泥灌漿材料改性及其機理研究

三峽大壩防滲帳幕設計標準要求ω≤0.01L/(min·m·m)，在細微裂隙發育的大壩基巖，用普通水泥灌漿無法灌入的地段。采用超細磨水泥灌漿能達到設計要求且不污染環境。

1)超細磨水泥主要性能如下：

①細度D95≤16μm，平均中值粒徑小于4μm。

②漿材的穩定性和流動性，當W/C＝1.0時，析水率小于5%。

③強度：3d為52.5MPa，28d為72.5MPa。

④膨脹率：3d不小于0.15%，28d不大于0.60%。

(2)X光衍射分析現場灌漿情況，可以看出絕大部分水泥熟料已水化成C-S-H凝膠、Ca(OH)2和鈣礬石

(Aft)，僅有少數石英(SiO2)及碳化的CaCO3，所以水泥結石強度高，無體積收縮。

5三峽水工建筑物安全監測與反饋設計

本課題分五個專題：安全監控系統結構與方案優化，安全監測信息分析的新理論與新方法，安全監測高

新技術及自動化監測系統，混凝土壩施工期仿真計算與溫控反饋設計，開放式大型通用水工結構分析系統原理及研制技術等。

5.1安全監控系統結構與方案優化研究

三峽工程包括永久船閘、升船機、左岸大壩及廠房、泄洪壩段、右岸大壩及廠房、茅坪溪防護壩等建筑

物的監測系統，另外還有專項監測、地質環境及其他監測，其中僅永久性測點就有6000多個，是當今世界上最龐大的安全監測系統。為此，對總體結構、監測儀器布置和變形監測網等進行了全面系統地優化研究。

(1)總體結構優化針對三峽工程大壩特點及安全分析、評價和監控的要求，對安全監測系統總體結構，

依據信息可靠、有序采集、保存、查詢、調用等原則，應用優化理論，將原設計大壩三級監控(建筑物、分區和工程監測中心)改為二級監控(建筑物，監測中心)，從而減少了結構層次，提高了系統的可靠性，節約了費用。

(2)監測儀器布置優化結合技術設計和招標設計，依據少而精等原則，對監測儀器的布置進行優化研究。經優化后，變形和滲流監測儀器、設備數量減少約1/2，應力應變監測減少約2/3，水力學和動力監測減少約1/2，監測費用減少1億元以上，經濟效益顯著。

(3)變形監測網絡化對變形控制網和倒垂等進行優化研究，突破常用的模擬法，提出用解析法的優化方

案，構成目標函數。以精確、可靠、靈敏度和費用等作為約束條件，形成一個二次規劃模型，并以此編制變形監測網自動化分析軟件。應用這一個優化軟件，對升船機及臨時船閘高邊坡水平監測網進行了優化設計。

5.2安全監測信息分析新理論和新方法

安全監測的主要目的是通過監測資料的分析和反分析，對水工建筑物的安全狀況作出綜合分析、安全評價和監控。為此，針對三峽主要水工建筑物在施工期、蓄水期和運行期的不同特點，吸收國內外安全檢測領域的最新信息分析理論和方法，提出了安全監測信息分析的理論和方法。主要分三大類：

(1)綜合分析和安全評價的理論和方法用層次分析和模糊評判及其相結合、突變理論、多級灰關聯分析、可靠度理論等方法和理論，依據實測資料對大壩的實測性態進行綜合分析和安全評價。應用可靠度理論方法，以風險分析為基礎，建立大壩安全風險評估的框架。

(2)結合已建工程和三峽大壩的典型壩段(泄洪2號壩段等)，建立了施工期的特殊監控模型，時空分布的確定性模型及反分析模型，多測點監控模型因子集分析模型，另外還提出用數學濾波法分離時效分量，采用回歸與時序模型，用瑞利分布研究監控模型中環境量對效應量的滯后效應等。

(3)擬定變形監控指標擬定的理論和方法

主要包括用結構分析法和數學監控模型擬定監控指標。

5.3安全監測高新技術及自動化監控系統

鑒于三峽工程的特殊要求，決不允許中斷監測和采集數據，這就要求安全監測系統能精確、穩定、可靠、長期而又實時地采集數據。為此，在吸收目前國內外傳感器(主要是變形、裂縫等)及自動化監測技術的基礎上，有針對性地開發和研制精度高、穩定可靠的自動化監測儀器和設備，對穩定性檢查，對監測系統的構成和選型提出優化方案等。

5.4混凝土壩仿真計算與施工期溫控反饋設計

混凝土高壩，工程規模大、工期長、施工和自然條件復雜，使設計與實際施工有一定差別。為此，開展混凝土壩仿真計算與施工期溫控反饋設計的研究，對優化設計和施工，提高混凝土壩的設計施工水平具有重要的科學意義和實用價值。對此進行下列研究，并取得了相應的成果。

①提出了一整套混凝土高壩的仿真計算新方法；②研究了通倉澆筑重力壩和碾壓混凝土重力壩溫度應力的特點和規律及其與常規柱狀澆筑重力壩的差別；③編制了混凝土壩和基礎溫度場、滲流場和位移場反分析軟件；④研制了混凝土高壩施工期溫控反饋設計軟件。⑤對三峽大壩進行系統仿真計算，提出了合理的溫控措施。

5.5開發式大型通用水工結構分析系統原理及研制技術

對以下幾個方面進行了研究：①系統設計原理及實施方法；②系統工具環境的設置；③系統應用軟件

的引進和開發；④計算機新技術在大型水工結構分析系統中的應用。

上述研究成果，大部分已用于三峽工程設計，為優化設計提供了理論基礎，為創造一流的三峽工程提供了技術保證。