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。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。泻2.2慈船闸输水党系统和闸笋阀门水力眉学解决以蝇下技术难抚题皂(1)放输水系统邪水力学：漏三峡永久哥船闸输水龟系统采用芒了钻4土区段补8驶支管，顶岁支孔出水涝，盖板消尤能的动力挺平衡系统垦，它可使洋水流均匀焰分布于整骨个闸室平扇面，从而幸可减少闸庆室输水所父导致的非贯恒定流水呆面波动和淘局部水流巡紊动。通霸过试验及坝计算分析聪得出，支保孔形状、碧廊道雷诺喊数、廊道沫阻力、支毫孔高宽比恐、支孔总赔面积与廊娱道面积比勾等，是影造响出流的瑞一些因素帅，并提出任了改进意毙见。暴(2)愿船闸阀门脏水动力学相特性。填(3)泻阀门空化除特性及控跃制空化措低施。惨(4)壁阀门流激费振动特性器及减振措浩施。我(5)夹船闸人字坟闸门运行扩动水阻力汗。界(6)兼船闸水工窑模型试验晨缩尺效应存。睬2.3钻船闸运行趟过程仿真欢模拟试验绕采用计算近机仿真模辞拟方法对喂船闸输水垂及船舶过吊闸过程进赛行模拟，摇其优点是叉经济、快渐速、宜于栋长期保留俩，预演过践程整体性倘强。主要腥模拟过程窜有：船闸岛输水过程跪仿真、航蚕行条件的中快时模拟雾、船舶航摔行条件实粉时模拟器社的研究、阻船闸运行伍可行性分端析。漂本课题的专主要研究翅成果：如裂超高水头餐大流量的蔬阀门水力寒学、通航葛建筑物的因通航条件半和船舶试早验技术研坛究等都已粒达到国际镇领先水平扫。对于非扩恒定流减乌压模型试向验方法和尚试验设备舍的研制、泼阀门段廊追道流态特雅征和急变硬分离流机裹理、门楣惨通气减少管空蚀的综柳合措施、丰分散输水回系统中出暴水支孔流叼量分配规助律、泄洪怜产生引航榆道往复流码的机理、勇小尺度船刚模的相似锦性等研究世成果都已塞应用于三继峡工程设轮计，并据梢此修改了映《船闸设捧计规范》包中的输水青系统部分寇条文，成挡果具有广壁泛的推广晨价值。港3情三峡船闸星高边坡若开干基础理览论研究粪此轮高边虚坡研究基均本上是国宜家八五科蜂技攻关三忠峡研究的谱延续和深泰化，内容越侧重于工阴程岩体力贞学的应用葛基础理论篮。由于研倾究工作与时永久船闸土高边坡施肆工平行进赛行，因此互研究成果陶除了一部塞分可以用均于指导反驻馈设计和务施工以外第，大部分笼成果对我阀国高边坡希工程，特强别是卸荷塞高边坡工控程，可为渗设计提供斩理论武器股和较先进证的分析手录段。相3.1砖关于岩体备力学性质捎的研究改三峡坝区馅的闪云斜袭长花岗岩浩属性良质咬优的岩体载。由于建序闸开挖体范坡高胁(馆170m罩)尾、体长溉(伪1610垃m)这、堑深列(钩67m)钱；由于山赶体下部诱沸发的地应通力释放；次由于风化普和岩体结煎构面的发活育发展；糟导致岩体晶宏观力学少性质与按黑常规试验伟获得的力黄学数值之秀间存在差求异，而且规在开挖后独会有性质忌弱化的趋防势。验通过研究础，在试验饺与调查基梨础上，建柱立了岩体杂宏观力学李参数模拟运理论，提牲供能较真朝实反映现秒场岩体性晴质的参数交值。如岩惭体的变形各模量，微挤新岩体可迁取为勿20调～侦30GP挪a过。研究表助明，岩石匀在三向应诞力状态下弯，卸围压辅可导致岩宝石的开裂弦。开挖后鹅的高边坡踢，岩体同郊时存在加网载和卸荷汗，卸荷效开应会引起劝岩性区域潮的重新划摇分，从坡番表至深层件出现程度竹不同地岩帝体变形、胁松动和开疫裂。研究奔认为区内秆花岗岩体虫存在着卸洪荷流变效篇应，此种仇流变可通草过正、反亲分析予以兽界定。倚3.2凉高边坡岩泰体稳定分奇析方法的吗研究和应扁用犹在具有不鼠同理论背施景的岩体盛破坏机理裁研究分析选基础上，葵采用各种石不同的方何法对高边言坡的稳定灾进行了分蕉析计算。胳以反映变粪形规律和诱变形量。沈分析使用会的方法不架同于过去爷较明显的锈是，在计舰算模型中屠较多地运呆用了脆性捐理论。如局有的钓引进、开炒发、应用拥“胁断裂损伤垮介质分析暂系统恢”泄，对高边晨坡进行了覆断裂损伤门弹塑性与培流变分析堵；有的针茫对三峡船灰闸高边坡材建立了脆盾弹粘性理奸论分析的谣计算模型退；亦有数酸家单位采拿用其它方阔法试图解饶释三峡船哪闸高边坡势卸荷岩体报的变形和慎非连续性茧问题，如涝离散元法洲(悬DEM)认、不连续炼变形分析充法走(拣DDA)壮、数值流谨形方法及昂卸荷非线口性分析。括从分析结译果看，在蛮三峡船闸郊高边坡不贸同断面的塑特征点上熟，在垂直弦于船闸轴蜂线方向上赵，最大水晓平位移大赠都不超过倚50mm作。清华大孤学用断裂军损伤流变甩模型计算辞的位移量经在坡顶最败大，为父100播～冠300m萄m季，其它部嫂位为够50mm帅左右。给叨出的流变屑量，即开悬挖结束后饶继续随时相间发展的肾位移量为伯5mm营，收敛期污为一年。于此外，有妥的运用潘瓣家挣塑性设力学的上闷下限理论扣，用组合铺塌滑体的绳刚体极限绢平衡分析拒方法，给孩出高边坡欢整体稳定荡问题中沿症最大可能抱滑动面滑丽动的边坡符体稳定安廊全系数大言于申5六。待完成的其呀它成果有赖：对渗流融水荷载、杯爆破动力曾荷载的分辽析研究；宾用锚固模掌型的流变位损伤分析聚方法研究咱锚固机理庸等。帆4休三峡工程间混凝土原蹦材料研究摩本课题结探合三峡工克程的需要母，以提高销混凝土的拒耐久性为哲中心，研蜡究混凝土削的配合成帖份，配置晒出高性能拢混凝土、挺抗冲耐磨匹混凝土、曾微膨胀水纤泥和灌浆严改性超细期水泥等方伤面都有所容创新，其妈中改性超劳细水泥灌公浆已在三援峡工程中血试用。研射究成果的主水平总体瞒上处于国征际前列。僵4.1帝混凝土耐揭久性及破旨坏机理标本课题侧继重研究混量凝土自身授因素对耐娱久性的影予响。对混攻凝土原材瓦料特性进堤行分析，讨找出不利计因素，提槽出改进的霸措施，从原提高混凝止土自身的碍性能来达唱到抵抗外起界环境的质影响，从会而提高了片大坝混凝答土的耐久存性。剑(1)鞋对大坝混背凝土所用塔水泥及粉课煤灰性能鞭进行了试得验研究。扭对三峡大很坝所用中桂热硅酸盐权水泥和低匹热矿渣硅效酸盐水泥阅的性能进喂行了全面喊的性能测榴试分析，急均符合国晚家规定指申标。中热内水泥的含扒碱量可达爹到小于黑0.55地%(坚熟料小于灵0.5%暑)僚，低热水爆泥的含碱旺量可达到时小于彼1.0%及的指标。县对粉煤灰纺品质、水让化速度和耗贫钙问题喜进行了全须面的研究全。粉煤灰阁在拌制混骄凝土时有疗三种效应宴并产生三忠种势能：药形态效应会产生减水愤势能；火甩山灰活性辽效应，使悼粉煤灰具涂有受激活咸反应及的势能；悼微集料效佣应造成致逝密势能。若粉煤灰的型水化速度俩与温度有愈密切关系深，且随时击间增长而禁增加。混雅凝土在胁20C甩下，粉煤筐灰在疼3触～区4伴年中仍在鸣水化，只宪是水化速分率缓慢，牌因而强度像也是在缓彼慢增加。期(2)隐三峡大坝胸混凝土必蛛须使用高母效减水剂初和引气剂露。在确定内高掺一级绘粉煤灰的绣前提下，柜必须选用昂与粉煤灰捆相适应的劲高效减水左剂至关重晨要，两者怎配合应用揪，在降低加每到m佳3晒混凝土的狮用纲水量方面烤，能产生秀叠加效应践。能使总叨减水率达钟到种20%酒～塘30%求。掺入引址气剂后能零使混凝土仍抗冻性能会大幅度提对高，也提庙高了混凝波土韧性和叮抗折强度三。秒(3)嚼混凝土的谷微观结构泪研究试验海得出：歼①冰水胶比对歼孔隙率和华孔径分布皮有较大的帮影响，水遵胶比大，虽孔隙率就寒高，大于富100n姨m撒的孔增加腊；惨②捧每隙m邪3侵混凝土用叹水量降至茧100k膏g嘴以下，总亲孔隙率大跳大降低；凉③络掺入劈30%砌、舰50%舰、译70%馆的一级粉脆煤灰，浆嫌体总孔隙封率随掺量伏增加而增式加，但孔沸径大于设100n席m盗的有害孔及仍较少，疑小于犹20nm量的无害孔孟增加。氧水泥浆体僵于集料界蚀面存在富展水层，较粉多的很SO傍3反溶解于此疗，造成人庸Aft厕富集和座Ca(O蚁H)按2派晶体的择段优取向生吐长，构成棍混凝土中查的薄弱部庄位。当水掉胶比降低只，对界面探结构有所蚁改善；掺免加免20%萝或者既40%判粉煤灰及归高效减水踏剂和引气惨剂后，改酿善了界面棵结构，但扯粉煤灰应确低于似50%色。券4.2矮微膨胀型丘中热和低衰热水泥研份究成果弃研究成果附表现在两搭方面：第钉一，已研谈制出微膨牙胀型中热略及低热水恨泥；第二仙，对两种盒膨胀源氧载化镁及钙眉钒石的膨票胀机理，糊微膨胀中腰热和低热届水泥的膨毁胀机理有推了了解。连4.3跑高掺粉煤坑灰大坝混油凝土域由于优质贤粉煤灰的塘大量掺入裙，其需水蛇量比为谦90%唐左右，加漂之高效减膝水剂联合脱使用，产抽生叠加效累应，使每并m瓶3谅混凝土的速用水量减扎少烤20%筐～淋30%滔，由于用乖水量降低宫加上高掺亲粉煤灰，哑就使得水盒泥用量可德以大大降晓低，得到舱质量较好汗的混凝土猛。迁4.4括抗冲磨高哨性能混凝容土研究腊三峡工程幅特种混凝畏土原设计域是采用瑞C纸40变抗冲磨混瞒凝土，这皮种混凝土钩曾用于葛同洲坝水利振枢咬纽的特殊呼部位。本恢课题研究耐出税C称60沿抗冲磨高挨性能混凝卫土，它的网特点是限差制水泥浆贸体积在混舱凝土中的酿总含量，粗掺入高活划性掺合料立-半硅粉和优蹈质粉煤灰肾取代水泥臣，以减少晴水泥用量交，选用与矛之相匹配秩的高效减国水剂及膨嘉胀剂，使局C拥60厨抗冲磨高适性能混凝乖土的水泥至用量降至否330k据g宇，掺合料诸的总重量胶达弓37%动。用铁矿墨石粗骨料探制备的抗坟冲磨高性才能混凝土磁28d代抗压强度午可以达到维89.6租MPa第，抗冲磨剪失重率又贼比蒜C沟60锈低创40%垦，抗冲击欢韧性提高印1.8就倍，但单痕价较牧C彻60辰高。巡研究表明绘抗冲磨混纷凝土的改奥性机理是耻由于大量吗极细的活冠性掺合料诉水化后生触成得渐C-S-插H或凝胶改善属了集料与翁水泥胶体积的界面结提构，使总挥孔隙率减美少炼25%誓，有害孔在减少，使贿混凝土密盈实性大大陕提高。扔4.5驾大坝基础淘处理水泥吊灌浆材料赢改性及其保机理研究坡三峡大坝达防渗帐幕姥设计标准视要求烛ω并≤搅0.01旅L/(m迹in·m踢·m)犁，在细微截裂隙发育义的大坝基精岩，用普滤通水泥灌哗浆无法灌喉入的地段井。采用超唇细磨水泥抬灌浆能达停到设计要水求且不污骡染环境。壤1)孕超细磨水大泥主要性声能如下：跃落①铜细度忽D9迹5匆≤害1边6秒μ望m抬，平均中算值粒径小下于绵4疫μ算m泛。门

痰求②姨浆材的稳赞定性和流隔动性，当卷W/C木＝昨1.0垃时，析水俩率小于蛇5%锅。饶

久句③躺强度：抄3d摆为据52.5唉MPa柴，嫌28d艳为拒72.5畜MPa筋。代

船次④凡膨胀率：圾3d原不小于冤0.15雪%刃，敬28d命不大于蝇0.60桨%闸。扒(2)著X饿光衍射分踩析现场灌芬浆情况，溉可以看出顾绝大部分武水泥熟料斯已水化成掩C-S爷-H镇凝胶、茶Ca(O林H)骑2抹和钙矾石桂(门Aft)取，仅有少悄数石英祥(遵SiO据2副)睁及碳化的培CaC爹O锯3献，所以水池泥结石强千度高，无掉体积收缩衬。装5签三峡水工孩建筑物安灰全监测与妥反馈设计柳本课题分暂五个专题沉：安全监误控系统结泼构与方案幸优化，安贸全监测信柳息分析的利新理论与指新方法，槽安全监测平高新技术端及自动化史监测系统苦，混凝土枯坝施工期猾仿真计算喜与温控反资馈设计，苍开放式大层型通用水北工结构分触析系统原仍理及研制孤技术等。盲5.1溪安全监控籍系统结构示与方案优婆化研究除三峡工程瘦包括永久陕船闸、升雾船机、左竞岸大坝及伪厂房、泄除洪坝段、倾右岸大坝闪及厂房、密茅坪溪防蜂护坝等建怪筑绒物的监测长系统，另绢外还有专广项监测、臭地质环境望及其他监绒测，其中开仅永久性当测点就有逃6000夹多个，是缸当今世界与上最庞大片的安全监谱测系统。害为此，对侨总体结构赵、监测仪悠器布置和腹变形监测敢网等进行芝了全面系葛统地优化施研究。嗓(1)厌总体结构倡优化针对剑三峡工程依大坝特点裤及安全分忙析、评价瞒和监控的级要求，对刊安全监测夸系统总体废结构，依董据信息可礼靠、有序弹采集、保画存、查询艘、调用等么原则，应刺用优化理栽论，将原旋设计大坝谦三级监控肢(床建筑物、伸分区和工很程监测中欲心武)闷改为二级回监控尺(河建筑物，汪监测中心赶)跌，从而减罩少了结构土层次，提材高了系统闯的可靠性齐，节约了影费用。钉(2)悔监测仪器密布置优化朴结合技术键设计和招共标设计，其依据少而撒精等原则攀，对监测龟仪器的布催置进行优悲化研究。菌经优化后执，变形和容渗流监测坐仪器、设伞备数量减愤少约朋1/2筛，应力应付变监测减长少约夏2/3爸，水力学悦和动力监装测减少约陆1/2焦，监测费恩用减少循1千亿元以上条，经济效点益显著。扁(3)圾变形监测棕网络化对豪变形控制脆网和倒垂剃等进行优骡化研究，冰突破常用钩的模拟法烫，提出用蛮解析法的竟优化方案肢，构成目桑标函数。忙以精确、亿可靠、灵踩敏度和费还用等作为驰约束条件万，形成一蜓个二次规迈划模型，孕并以此编专制变形监语测网自动弓化分析软刑件。应用这这一个优故化软件，帝对升船机岸及临时船军闸高边坡茄水平监测评网进行了邻优化设计膛。至5.2殿安全监测凝信息分析盾新理论和他新方法直安全监测芽的主要目鬼的是通过跃监测资料较的分析和鞭反分析，励对水工建秤筑物的安肿全状况作逗出综合分板析、安全状评价和监瓦控。为此睁，针对三凯峡主要水柴工建筑物缠在施工期破、蓄水期葬和运行期园的不同特辆点，吸收饼国内外安蜻全检测领路域的最新拌信息分析守理论和方粪法，提出劈了安全监脚测信息分睡析的理论弱和方法。泥主要分三冤大类：顾(1)愉综合分析减和安全评边价的理论贱和方法用央层次分析布和模糊评狗判及其相礼结合、突戏变理论、透多级灰关嫌联分析、并可靠度理震论等方法欧和理论，觉依据实测苏资料对大皮坝的实测铁性态进行扒综合分析缘和安全评即价。应用蛮可靠度理搞论方法，久以风险分饶析为基础丈，建立大惹坝安全风或险评估的傅框架。萄(2)杏结合已建眼工程和三穗峡大坝的圾典型坝段粮(区泄洪需2匙号坝段等撞)蛇，建立了西施工期的乘特殊监控轿模型，时养空分布的凉确定性模瓶型及反分桶析模型，命多测点监角控模型因糖子集分析岔模型，另降外还提出痒用数学滤跟波法分离胜时效分量核，采用回享归与时序根模型，用于瑞利分布福研究监控筹模型中环闭境量对效梳应量的滞侨后效应等倚。态(3)高拟定变形态监控指标裹拟定的理摧论和方法侦主要包括势用结构分写