研究目的：

1) 測(cè)試和驗(yàn)證設(shè)計(jì)采用的各種技術(shù)參數(shù)；

2) 檢驗(yàn)高壓固結(jié)灌漿對(duì)提高圍巖的品質(zhì)、抗內(nèi)壓及抗?jié)B能力的程度；

3) 了解高壓固結(jié)灌漿對(duì)鋼筋砼襯砌所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，及其松弛系數(shù)，預(yù)應(yīng)力的保持情況；

4) 尋求合理可行的施工方法，施工工藝和工程措施；

5) 選擇合理的灌漿孔深度和壓力。

研究?jī)?nèi)容：

滿足滲透穩(wěn)定準(zhǔn)則的關(guān)鍵是提高圍巖的整體防滲性能，降低圍巖的透水率。提高圍巖的整體防滲性能，唯一可靠的措施是對(duì)圍巖進(jìn)行高壓灌漿處理，特別是對(duì)不良地質(zhì)洞段的灌漿處理，本次固結(jié)灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要內(nèi)容就是開(kāi)展灌漿設(shè)計(jì)及施工的相關(guān)試驗(yàn)研究工作。

1) 為了解在不同圍巖中，高壓固結(jié)灌漿對(duì)提高圍巖的品質(zhì)、抗內(nèi)壓及抗?jié)B能力的效果，試驗(yàn)根據(jù)不同圍巖分類選取三種不同的工程地質(zhì)單元進(jìn)行試驗(yàn)；

2) 為研究圍巖在灌漿前后的物理力學(xué)狀態(tài)及其變化規(guī)律，試驗(yàn)安排在固結(jié)灌漿前、水泥灌漿結(jié)束后、化學(xué)灌漿結(jié)束后三個(gè)不同階段對(duì)圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析其在灌漿前后的變化，評(píng)價(jià)灌漿效果，為高壓隧洞圍巖的穩(wěn)定分析、支護(hù)措施和防滲措施研究提供依據(jù)；

3) 為驗(yàn)證針對(duì)不良地質(zhì)洞段加強(qiáng)灌漿處理措施的合理性，了解斷層裂隙洞段在灌漿后抗內(nèi)壓及抗?jié)B能力的提高程度，進(jìn)行斷層灌漿試驗(yàn)；

4) 為探索化學(xué)灌漿低壓力灌漿情況下，承擔(dān)高壓水的可行性，并為以后主體隧洞化學(xué)灌漿壓力的確定提供依據(jù)，本次試驗(yàn)引入化灌壓力試驗(yàn)；

5) 為了解試驗(yàn)洞的圍巖變形、襯砌變位、鋼筋應(yīng)力及混凝土應(yīng)變的情況，在試驗(yàn)洞布置了相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行各試驗(yàn)階段的同步監(jiān)測(cè)，為試驗(yàn)成果分析提供基礎(chǔ)資料。

研究方法及技術(shù)路線：

考慮到本電站混凝土隧洞最大靜水壓力高達(dá)7.99MPa，超出國(guó)內(nèi)所有已建工程，為進(jìn)一步了解圍巖性狀，優(yōu)化圍巖灌漿等設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到圍巖加固及防滲目的，參考廣蓄一期工程經(jīng)驗(yàn)，招標(biāo)階段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)，開(kāi)展巖體透水性與變形特征復(fù)核研究工作，檢驗(yàn)優(yōu)化高壓灌漿設(shè)計(jì)參數(shù)，確保高壓水道設(shè)計(jì)安全。

根據(jù)工程情況，試驗(yàn)洞位置擬定在前期地質(zhì)探洞，該位置有如下優(yōu)點(diǎn)，一是具備提前實(shí)施試驗(yàn)條件，便于優(yōu)化調(diào)整灌漿等設(shè)計(jì)參數(shù)；二是利用現(xiàn)有地質(zhì)探洞擴(kuò)挖，減少開(kāi)挖及支護(hù)的工程量；三是試驗(yàn)洞與輸水系統(tǒng)隧洞施工不存在干擾，不影響施工工期。

試驗(yàn)洞擬采用1:1的比例尺，現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)按照Ⅰ～Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類圍巖三個(gè)工程地質(zhì)單元進(jìn)行，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)巖體變形測(cè)試（彈性模量、變形模量），高壓壓水試驗(yàn)、超聲波測(cè)試、水力劈裂試驗(yàn)及試驗(yàn)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)分三個(gè)階段分別進(jìn)行檢查：

階段I（固結(jié)灌漿前），主要工作內(nèi)容包括開(kāi)挖后未灌漿巖體試驗(yàn)、襯砌混凝土澆筑及觀測(cè)儀器埋設(shè)。

階段II（水泥灌漿結(jié)束后28d），主要工作內(nèi)容包括數(shù)據(jù)觀測(cè)和階段2現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)。

階段III（化學(xué)灌漿結(jié)束后28d），主要工作內(nèi)容包括數(shù)據(jù)觀測(cè)和階段3現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)不同階段的試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，并與相應(yīng)的數(shù)值模擬成果進(jìn)行對(duì)比及反分析研究，對(duì)灌漿設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

研究必要性：

研究電站運(yùn)行期不同工況下高壓隧洞區(qū)地下水滲流場(chǎng)，論證高壓隧洞與斷層、裂隙等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的滲透穩(wěn)定性，并對(duì)滲透穩(wěn)定性較差區(qū)域的防滲和排水處理措施進(jìn)行研究，提出防滲排水措施；校核高壓隧洞發(fā)生水力劈裂的可能性，為工程防滲加固處理設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)和依據(jù)。

研究?jī)?nèi)容：

確定涵蓋整個(gè)地下廠房及輸水管線區(qū)的水文地質(zhì)單元，研究水文地質(zhì)單元內(nèi)，天然條件下和工程勘探過(guò)程中地下水的補(bǔ)、徑、排條件，構(gòu)建整體的結(jié)構(gòu)面導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)，尤其是對(duì)工程關(guān)鍵部位有影響的導(dǎo)水構(gòu)造，重點(diǎn)論證其連通性和滲透性。對(duì)于輸水管線區(qū)，依據(jù)斷層、裂隙統(tǒng)計(jì)資料分析對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)起控制作用的結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律，研究控水結(jié)構(gòu)面空間幾何特征及水文地質(zhì)性狀，結(jié)合工程部位建立內(nèi)水外滲的三維滲流場(chǎng)數(shù)值模型，確定主要的滲漏通道。對(duì)在高內(nèi)水壓作用下的水道安全性及圍巖滲透穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為結(jié)構(gòu)計(jì)算提供滲流邊界條件等。

研究方法及擬采用的技術(shù)路線：

1）查明涵蓋整個(gè)地下廠房及輸水管線區(qū)的水文地質(zhì)單元，研究水文地質(zhì)單元內(nèi)天然條件下和工程勘探過(guò)程中地下水的補(bǔ)徑排條件，構(gòu)建整體的結(jié)構(gòu)面導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)，尤其是對(duì)工程關(guān)鍵部位有影響的導(dǎo)水構(gòu)造，重點(diǎn)論證其連通性和滲透性。

2）以最新統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)為手段，從巖體裂隙結(jié)構(gòu)面透水性角度，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)滲水結(jié)構(gòu)面的發(fā)育規(guī)律、展布特點(diǎn)及相互連通性，對(duì)研究區(qū)滲水結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分類。

3）建立巖體三維裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流水文地質(zhì)模型

系統(tǒng)復(fù)核已有的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、試驗(yàn)、鉆探和地質(zhì)調(diào)查資料，結(jié)合必要的現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定水文地質(zhì)分區(qū)，查明主要透水?dāng)鄬雍土严兜姆植迹约八鼈冎g的水力聯(lián)系，建立輸水管線及地下廠房區(qū)巖體的滲流分析水文地質(zhì)模型，初步確定水道圍巖控制性結(jié)構(gòu)面及集中滲流通道。

4）地下廠房及輸水管線不同工況下裂隙水滲流模擬

根據(jù)研究區(qū)三維裂隙網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)模型，進(jìn)行不同工況下裂隙水滲流模擬，對(duì)地下水水頭、滲水量進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。特別是對(duì)引水和尾水隧道充、放水等各種工況下的高壓隧洞和地下廠房區(qū)巖體裂隙分布規(guī)律進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)初步確定的集中滲流通道，并結(jié)合試驗(yàn)洞現(xiàn)場(chǎng)高壓壓水試驗(yàn)成果，計(jì)算水道圍巖在高滲壓下的滲透特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖體水力劈裂試驗(yàn)，確定隧洞圍巖的水力劈裂臨界壓力值。

5）高壓水道安全性及圍巖滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在高壓水流作用下，上游調(diào)壓井至岔管等超高水頭段圍巖可能產(chǎn)生高滲透水壓，導(dǎo)致圍巖中的斷裂構(gòu)造張開(kāi)、形成優(yōu)勢(shì)滲流通道并產(chǎn)生水力劈裂現(xiàn)象，從而改變巖體原有的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生侵蝕及泥化等作用，并對(duì)圍巖的滲透穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，擬對(duì)此進(jìn)行專題研究。

• 考慮巖體的非均質(zhì)性和各向異性，建立反映引水隧洞圍巖地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造（控制性結(jié)構(gòu)面及優(yōu)勢(shì)裂隙）以及滲控措施的三維有限元模型。以此計(jì)算高壓引水隧洞的外水壓力和水道充水條件下的內(nèi)水外滲量。

• 考慮鋼筋混凝土襯砌為透水介質(zhì)，隧洞設(shè)計(jì)以圍巖為主體，圍巖和襯砌有條件聯(lián)合承載，從理論上對(duì)圍巖的受力機(jī)理進(jìn)行研究。基于外水壓力計(jì)算結(jié)果，對(duì)充水過(guò)程壓力隧洞的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

• 給出高內(nèi)水壓作用下圍巖的水力劈裂校核準(zhǔn)則。通過(guò)對(duì)高壓引水隧洞圍巖充水過(guò)程中進(jìn)行水力劈裂校核，評(píng)價(jià)其圍巖滲透穩(wěn)定性。

研究必要性：

高壓岔管是本工程關(guān)鍵部位之一，承受高達(dá)8.0MPa的靜水壓力，且抽水蓄能電站的岔管要適應(yīng)抽水、發(fā)電工況雙向水流的水力條件和兩種工況的頻繁切換的特點(diǎn)。在多機(jī)共用一個(gè)引水系統(tǒng)情況下，岔管內(nèi)部和底部水流狀態(tài)復(fù)雜，局部體形和尺寸對(duì)水力參數(shù)有較明顯的影響。內(nèi)部流態(tài)常會(huì)伴有復(fù)雜的二次流、漩渦、脫流等水力現(xiàn)象，使局部水頭損失較大，受力條件相對(duì)較差。

開(kāi)展本研究目的是為了優(yōu)化壓力岔管的結(jié)構(gòu)體型，實(shí)現(xiàn)水力條件較好，各分岔口流速分布和流量分配趨于均勻、合理，并使抽水、發(fā)電工況的水頭損失相對(duì)較小的目的，避免局部流態(tài)的惡化。同時(shí)為簡(jiǎn)化岔管配筋、進(jìn)而簡(jiǎn)化施工難度、保證施工質(zhì)量做好基礎(chǔ)。

研究?jī)?nèi)容：

岔管的設(shè)計(jì)均應(yīng)滿足如下的水力學(xué)要求：1)岔管的水頭損失要小，流態(tài)穩(wěn)定；2)岔管內(nèi)水流不產(chǎn)生大的紊動(dòng)；3)支管尺寸相同的岔管，其水頭損失應(yīng)大致相同；4)當(dāng)一條支管內(nèi)的流量變化時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生大的紊動(dòng)和管壁脈動(dòng)壓力。5)各分岔口流速分布和流量分配趨于均勻、合理。

研究方法及采用的技術(shù)路線：

在多機(jī)共用一個(gè)引水系統(tǒng)情況下，岔管內(nèi)部和底部水流狀態(tài)復(fù)雜，局部體形和尺寸對(duì)水力參數(shù)有較明顯的影響。研究流體流動(dòng)的方法有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種，在對(duì)岔管內(nèi)水流流動(dòng)進(jìn)行研究方面要通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)和三維流場(chǎng)計(jì)算分析，論證并確定岔管的合理體形，使其既滿足水力學(xué)要求，又滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的要求。

1）物理模型試驗(yàn)研究

本工程是一管三機(jī)的岔管型式，在這種多機(jī)共用的體系內(nèi)，水流狀態(tài)復(fù)雜，局部體形和尺寸對(duì)水力參數(shù)有較明顯的影響。對(duì)岔管進(jìn)行水力優(yōu)化，首先結(jié)合已建廣蓄、惠蓄、清蓄及深蓄等岔管的研究成果，對(duì)高壓岔管進(jìn)行方案布置，根據(jù)布置圖紙進(jìn)行水力學(xué)物理模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)包括模型研制、調(diào)試、試驗(yàn)、分析匯總4個(gè)階段。

2）數(shù)值模型試驗(yàn)研究

考慮到物理模型試驗(yàn)條件的限制和測(cè)試精度的問(wèn)題，也只能給出大量試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。通過(guò)數(shù)值模型試驗(yàn)CFD技術(shù)優(yōu)化岔管型式，改善岔管內(nèi)部的水流的流態(tài)能以較少的費(fèi)用和較短的時(shí)間獲得大量有價(jià)值的研究結(jié)果，對(duì)投資大、周期長(zhǎng)、難度高的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)說(shuō)，CFD的優(yōu)點(diǎn)就更為突出。通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算，可得到不同工況下岔管的水流狀態(tài)、岔管的流量分配及水頭損失系數(shù)大小，從而可以確定岔管的優(yōu)良型式；CFD分析代替了大量的實(shí)驗(yàn)從而節(jié)省了大量的人力物力，簡(jiǎn)化和加快工程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)度。

結(jié)合數(shù)值模型試驗(yàn)與物理模型試驗(yàn)對(duì)比分析研究成果，為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)以及切實(shí)可行的工程措施，確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

研究必要性：

高壓鋼筋混凝土岔管是陽(yáng)蓄工程中最重要的建筑物之一。高壓岔管承受的最大靜水壓力為8.0MPa，最大動(dòng)水壓力為11.0MPa，最大內(nèi)徑7.5m，最大PD值為8250t/m，屬于大直徑高水頭的大型岔管，其規(guī)模處于世界前列。鋼筋混凝土襯砌充分依靠圍巖來(lái)承載水壓力，對(duì)地質(zhì)條件要求較高，而由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，一些抽水蓄能電站鋼筋混凝土壓力隧洞在充水后發(fā)生了不同程度的漏水現(xiàn)象，處理過(guò)程往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，須重視高水頭鋼筋混凝土岔管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

研究?jī)?nèi)容：

鋼筋砼岔管的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算主要包含圍巖和襯砌砼兩部分，圍巖穩(wěn)定分析需要計(jì)算圍巖的初始地應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算岔管開(kāi)挖圍巖產(chǎn)生變位、松弛后的二次應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算內(nèi)水壓力作用下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)。襯砌砼結(jié)構(gòu)計(jì)算需要考慮砼在內(nèi)水壓力、外水壓力、灌漿壓力等荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變。

研究方法及采用的技術(shù)路線：

在高水頭壓力作用下，岔管襯砌砼會(huì)開(kāi)裂，作用在襯砌砼上的力不是面力而是滲透體積力，需要運(yùn)用透水隧洞設(shè)計(jì)理論，計(jì)算砼開(kāi)裂后襯砌與圍巖形成的滲流場(chǎng)，將滲壓作為體積力作用到襯砌砼和圍巖上。

考慮陽(yáng)蓄高壓岔管水頭高、結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，除我院對(duì)陽(yáng)蓄高壓鋼筋混凝土岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析外，擬另外委托有經(jīng)驗(yàn)的科研單位采用不同的計(jì)算程序和計(jì)算邊界進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，與我院計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，完善高壓岔管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，確保工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

高壓岔管體型圖

高壓岔管數(shù)值模型

高壓岔管灌漿三維圖

高壓岔管物理模型

參與單位：廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

參與人員：宋春華、饒柏京、黃勇、劉林軍、王匯明、薛繼樂(lè)、萬(wàn)利臺(tái)、王明