三峽工程水工建筑物關(guān)鍵技術(shù)

鈕新強

三峽工程水工建筑物關(guān)鍵技術(shù)

鈕新強

Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, China

a r t i c l e i n f o

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Received 29 March 2016

Revised form 26 June 2016

Accepted 1 August 2016

Available online 19 September 2016

三峽

大孔口重力壩

壩后背管

變頂高尾水洞

穩(wěn)定拱

全襯砌船閘

三峽工程是治理和開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程，是當(dāng)今世界最大的水利樞紐工程。其工程規(guī)模和綜合效益巨大，工程技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計難度超出了世界已建水利水電工程，在工程設(shè)計研究過程中提出并運用了一系列新的設(shè)計理論和方法，攻克了多層大孔口泄水重力壩、巨型機組水電站、高水頭大型連續(xù)多級船閘等重要水工建筑物的多項關(guān)鍵技術(shù)難題。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.前言

三峽工程壩址位于湖北省宜昌市三斗坪鎮(zhèn)，控制流域面積約106km2，多年平均流量為14 300 m3·s–1，多年平均年徑流量為4.51×1011m3。工程開發(fā)的主要任務(wù)是防洪、發(fā)電、航運和水資源利用。水庫正常蓄水位為175 m，相應(yīng)庫容為3.93×1010m3；汛期防洪限制水位為145 m，防洪庫容為2.215×1010m3。電站總裝機容量為22 500 MW，多年平均發(fā)電量為8.82×1010kW·h。

三峽水利樞紐的總體格局為[1]：泄洪壩段位于河床中部，兩側(cè)分別為左、右岸廠房壩段和非溢流壩段，電站廠房分列在廠房壩段壩后，通航建筑物布置在左岸，茅坪溪防護工程布置在右岸上游茅坪溪出口，右岸白巖尖山體布置地下電站，如圖1所示。攔河大壩為混凝土重力壩，壩軸線全長2309.5 m，壩頂高程為185 m，最大壩高181 m。電站建筑物由壩后式電站、地下電站和電源電站組成，共安裝32臺700 MW和2臺50 MW水輪發(fā)電機組。通航建筑物由船閘和垂直升船機組成；船閘為雙線連續(xù)五級船閘，年單向設(shè)計通過能力為5×107t；升船機最大提升高度為113 m，最大過船規(guī)模為3000 t級。

三峽工程在工程規(guī)模、綜合利用效益和技術(shù)水平等許多方面都位居世界前列，設(shè)計難度超出了國內(nèi)外已建水利水電工程，在樞紐水工建筑物設(shè)計中面臨一系列極具挑戰(zhàn)性的重大技術(shù)難題[2]。本文選取大壩、壩后電站、地下電站和五級船閘等水工建筑物，闡述在三峽設(shè)計中所研究的重大工程科學(xué)問題及實踐情況。

圖 1. 三峽工程樞紐布置。

2.重力壩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1. 高水頭超大泄量泄洪消能技術(shù)

三峽大壩設(shè)計流量為98 800 m3·s–1、校核流量為124 300 m3·s–1；三期截流流量為10 300 m3·s–1，三期圍堰擋水發(fā)電期設(shè)計流量為72 300 m3·s–1、校核流量為83 700 m3·s–1。泄洪建筑物具有泄洪流量大、運行水頭高、目標(biāo)任務(wù)多等特點，同時因電站裝機容量大、機組臺數(shù)多，需盡量縮短泄洪壩段長度[3]。經(jīng)多年研究論證，對流道體型結(jié)構(gòu)和閘門設(shè)備布置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，成功實現(xiàn)了三層泄洪大孔口的立體交錯布置[4]。最終確定泄洪壩段前緣長度為483 m，分為23個壩段，23個深孔布置在壩段中間，進(jìn)口底高程為90 m，孔口尺寸為7 m×9 m；22個表孔跨橫縫布置，堰頂高程為158 m，孔寬8 m；22個底孔跨橫縫布置在表孔正下方，進(jìn)口底高程為56 m或57 m，孔口尺寸為6.0 m×8.5 m，三層孔口的布置如圖2所示。應(yīng)用該創(chuàng)新布置，不僅很好地滿足了三期截流、圍堰擋水發(fā)電期度汛以及永久運行期泄洪排沙和必要時降低庫水位等多目標(biāo)運行的要求，并且大大縮短泄洪壩段長度，減小兩岸岸坡開挖，節(jié)省了工程投資。

泄洪深孔的最大特點是運用時間長、泄洪流速大，過流面的空蝕空化問題突出。為此對有壓短管和有壓長管兩種布置型式，以及明流段斜槽方案、跌坎摻氣方案和突擴摻氣方案進(jìn)行了深入比較，最終采用有壓短管跌坎摻氣方案[5]。跌坎摻氣方案的設(shè)計難點在于運行水位變幅大、明流泄槽短，既要保證低水位運行時形成穩(wěn)定空腔，又要避免高水位運行時水流直接挑入反弧段。通過一系列試驗研究，跌坎摻氣布置在第一條縱縫處，距有壓出口約11 m，跌坎型式采用跌坎高度1.5 m、坎后底坡坡度1:4的組合，該技術(shù)為泄洪深孔長期安全運行提供了重要保障。

導(dǎo)流底孔的最大特點是孔口跨縫布置、過孔泥沙量大，過流面的泥沙磨損和空蝕空化問題突出。通過大量的科學(xué)研究，確定采取綜合解決措施。一是采用適當(dāng)加大孔口尺寸的有壓長管布置型式，減小孔內(nèi)流速；二是設(shè)置抗沖磨混凝土跨縫板，避免孔中分縫的不利影響，增強過流面的抗沖磨能力；三是進(jìn)口預(yù)留攔沙槽，減少過孔泥沙量[6]。

三峽泄洪建筑物泄量大、水頭高，泄洪功率巨大。針對三層泄洪孔口立體交錯布置的特點，結(jié)合壩下消能區(qū)的實際情況，表孔和深孔采用挑流消能，挑流鼻坎大、差動布置，水舌落點前后錯開，極大地減小了沖刷深度。導(dǎo)流底孔運行水位變幅近70 m，采用挑面流消能，22個底孔采用不同的進(jìn)口高程與鼻坎體型的最優(yōu)組合，并在消能區(qū)右側(cè)設(shè)置隔流墩，各種運行條件下均獲得了良好的水流流態(tài)和消能效果，壩下沖淤形態(tài)得到有效控制。

三峽泄洪建筑物已投入運行10多年，其中，經(jīng)受了2012年最大入庫洪峰流量71 200 m3·s–1(約相當(dāng)于20年一遇洪水)的考驗，泄洪建筑物運行調(diào)度正常。深孔水力學(xué)監(jiān)測資料表明，在庫水位172.60 m運行時，進(jìn)口水面平穩(wěn)，壓力短管段高頻噪聲譜級小于5 dB，無明顯的空化現(xiàn)象；深孔泄槽跌坎下游能形成穩(wěn)定的底空腔，空腔負(fù)壓約–0.5×9.81 kPa，泄槽底部水流最低摻氣濃度達(dá)2.2 %，能滿足減蝕要求。2012年實測消能區(qū)沖淤地形資料表明，河床中部沖坑最低高程為23.5m，折算沖坑至壩址坡度均緩于1:5；消能區(qū)左右兩側(cè)的沖坑高程均高于導(dǎo)墻的基礎(chǔ)高程，泄洪壩段下游沖刷是安全的。

圖 2. 壩體三層孔口布置示意圖。

2.2.大孔口結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

如圖3所示，三峽重力壩泄洪壩段在同一壩段布置表孔、深孔和導(dǎo)流底孔三層孔口，壩體開孔率高(平面33 %、立面32 %、體積31 %)、孔口尺寸大、作用水頭高(深孔設(shè)計水頭為85 m)、運用頻繁、運用水位變化大、結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，在世界上均無先例。在三峽多層大孔口重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在國內(nèi)率先開展了鋼筋混凝土非線性有限元裂縫分析和非線性配筋設(shè)計方法研究，系統(tǒng)分析了孔口配筋與裂縫性狀的關(guān)系，并據(jù)此提出了減小孔口應(yīng)力和裂縫寬度的有效綜合措施。

圖3.重力壩泄洪壩段三維示意圖。

傳統(tǒng)孔口配筋一般采用應(yīng)力圖形法，無法了解孔口裂縫分布與寬度，而孔口配置鋼筋的目的除保證其承載力滿足要求外，更主要的是限制裂縫寬度。對于三峽大壩深孔這種承受水壓力大、孔周結(jié)構(gòu)單薄、應(yīng)力狀態(tài)較差的大型孔口結(jié)構(gòu)，僅運用應(yīng)力圖形法配筋是不夠的。為此引入鋼筋混凝土非線性有限元進(jìn)行孔口裂縫分析，混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用正交各向異性非線性模型，受拉應(yīng)力–應(yīng)變曲線不考慮下降段，受壓時彈性模量按式(1)計算[7]：

式中，σi為i方向的主應(yīng)力；εiu為等效單軸應(yīng)變；εiu為相應(yīng)于最大應(yīng)力εic的等效單軸應(yīng)變；E0為原點切線彈性模量；Es為相應(yīng)于最大應(yīng)力σic的割線模量，Es=σic/εic。

混凝土裂縫采用片狀裂縫模型，在某一增量荷載作用時，若主拉應(yīng)力大于抗拉強度，則該方向混凝土開裂，同時彈性模量取零。以往認(rèn)為基于片狀裂縫模型的非線性分析無法得到裂縫寬度，但通過采用最大拉應(yīng)力單元開裂判斷準(zhǔn)則和改進(jìn)非線性迭代流程[8]，可獲得較真實的裂縫寬度。三峽大壩的非線性分析中，鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用帶硬化段的彈塑性模型，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑移關(guān)系采用雙彈簧單元模擬。

根據(jù)計算結(jié)果，大壩深孔有壓段拉應(yīng)力達(dá)2～3 MPa，拉應(yīng)力深度最大達(dá)8.5 m，即使配置4～5層直徑為40 mm的鋼筋，裂縫寬度也不能滿足要求。依據(jù)孔口拉應(yīng)力的形成機理，創(chuàng)新提出大壩橫縫止水后移、利用縫間外水來平衡孔口內(nèi)水，提高大壩橫縫灌漿高程、增強側(cè)向剛度，減小孔口應(yīng)力[9]。采用上述措施后，深孔有壓段的孔口應(yīng)力明顯減小，孔周一般只需布置3排鋼筋就能滿足允許最大裂縫寬度0.20 mm的裂縫控制要求。

在壩高最大的泄2壩段深孔有壓段事故門槽前后及深孔明流段孔口周圍布置了52支鋼筋計，實測各部位鋼筋應(yīng)力均較小，鋼筋應(yīng)力監(jiān)測值的過程線表明鋼筋的應(yīng)力主要受庫水位變化影響。三峽重力壩多層大孔口結(jié)構(gòu)設(shè)計中所提出的以應(yīng)力圖形法求得的鋼筋用量為基礎(chǔ)，通過調(diào)整鋼筋布置與鋼筋用量，以鋼筋混凝土非線性有限元求得裂縫寬度滿足設(shè)計要求的非線性配筋設(shè)計方法得到了成功應(yīng)用，目前該方法已被《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL191—2008)[10]采用。

3.電站設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1. 壩后電站淺埋鋼襯鋼筋混凝土壓力管道結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

三峽壩后電站引水管道采用單機單管，最大引用流量為966.4 m3·s–1，壓力管道管徑達(dá)12.4 m，最大設(shè)計水頭為139.5 m，HD2值達(dá)21 450 m2，處于世界同期最高水平[11]。如何選擇壓力管道的結(jié)構(gòu)型式，保證良好的引水條件、壩體和壓力管道結(jié)構(gòu)的安全性，是三峽壩后電站的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

三峽壩后電站壓力管道直徑大，若采用壩內(nèi)埋管，存在對壩體結(jié)構(gòu)削弱大、施工干擾大、工期長等突出問題；若采用壩后全背管，高HD值壓力管道存在側(cè)向穩(wěn)定問題，尤其是抗震穩(wěn)定問題突出，結(jié)構(gòu)安全難以保證。為解決上述問題，研究提出了壩后淺埋鋼襯鋼筋混凝土新型壓力管道(簡稱壩后淺埋背管)，即采用下游壩面預(yù)留淺槽，管道埋入壩面以下約1/3管徑，鋼襯與鋼筋混凝土聯(lián)合承載，如圖4所示。

圖4.引水壓力鋼管預(yù)留淺槽布置與鋼襯鋼筋混凝土管道示意圖。

針對三峽壩后淺埋背管，通過大量數(shù)值分析、1:2大比尺仿真結(jié)構(gòu)模型試驗、多組小比尺仿真結(jié)構(gòu)模型試驗和結(jié)構(gòu)整體抗震試驗，在對鋼襯鋼筋混凝土聯(lián)合承載機理進(jìn)行充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上，提出了壩后淺埋背管“等安全度”聯(lián)合承載的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，即視壓力管道鋼襯與外包混凝土為復(fù)合結(jié)構(gòu)聯(lián)合承載，以復(fù)合結(jié)構(gòu)總安全系數(shù)不小于2.0為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，鋼襯及外包混凝土鋼筋強度利用率相近為設(shè)計準(zhǔn)則。假定極限承載狀態(tài)下，管道外包混凝土開裂，由鋼襯與鋼筋承擔(dān)全部的設(shè)計內(nèi)水壓力，按照式(2)進(jìn)行鋼板厚度和外包混凝土結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計，同時控制正常使用極限狀態(tài)外包混凝土裂縫寬度小于0.30 mm。

式中，K為結(jié)構(gòu)總安全系數(shù)；P、r為設(shè)計內(nèi)水壓力(N·mm)和鋼管半徑(mm)；t、t3為鋼管壁厚度和鋼筋折算厚度(mm)；σs、fyk為鋼板屈服強度和鋼筋抗拉強度(N· mm–2)；φ為焊縫系數(shù)。

三峽左岸電站至今已安全運行14年，2008—2013年試驗蓄水期背管監(jiān)測資料表明：背管管頂、管側(cè)及底部的鋼筋和鋼襯的應(yīng)力變化規(guī)律與設(shè)計分析一致，175 m水位背管斜直段部位的鋼筋和鋼襯的最大應(yīng)力分別為118 MPa和93 MPa，分別約為允許應(yīng)力的63 %和46 %；背管上彎段管道混凝土未發(fā)現(xiàn)裂縫，斜直段管道混凝土表面裂縫寬度小于0.3 mm，三峽鋼襯和鋼筋混凝土聯(lián)合承載壓力管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計是安全可靠的。根據(jù)三峽壩后淺埋背管設(shè)計方法和實踐經(jīng)驗，對現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了修編，相關(guān)技術(shù)已在新編《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SL281—2003)中采用[12]。

3.2. 地下電站變頂高尾水洞設(shè)計技術(shù)

三峽地下電站單機最大引用流量為991.80 m3·s–1，額定水頭為85.0 m，按照傳統(tǒng)設(shè)計方法，需要設(shè)置大規(guī)模的尾水調(diào)壓室，但地下電站所在的白巖尖山體單薄、塊體發(fā)育，高挖空率導(dǎo)致洞室群圍巖穩(wěn)定問題突出。

為此，采用理論分析、數(shù)值仿真和模型試驗等手段，深入研究了水輪機安裝高程、尾水有壓段長度及下游水位三者之間的關(guān)系，突破電站尾水洞傳統(tǒng)的有壓洞或無壓洞設(shè)計理論，提出一種明滿流混合流動的新型尾水洞——變頂高尾水洞，并建立了相應(yīng)設(shè)計理論和設(shè)計方法。其工作原理是利用下游水位的變化與變頂高尾水洞有壓段長度的相互關(guān)系，來滿足水輪機不同淹沒水深時，甩負(fù)荷過渡過程中尾水管進(jìn)口真空度的要求。如圖5所示，當(dāng)下游水位較低時，水輪機的淹沒水深較小，此時無壓明流段長、有壓滿流段短，過渡過程中負(fù)水擊壓力小，尾水管進(jìn)口真空度滿足規(guī)范要求。隨著下游水位的升高，盡管無壓明流段的長度逐漸縮短，有壓滿流段的長度逐漸增長，負(fù)水擊壓力越來越大，但水輪機的淹沒水深也逐漸增大，正、負(fù)兩方面的作用相抵，使尾水管進(jìn)口真空度仍能控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)，從而起到尾水調(diào)壓室的作用。采用變頂高尾水洞，可取消尾水調(diào)壓室，簡化地下洞室群布置，提高圍巖穩(wěn)定性[13]。

圖5.變頂高尾水洞示意圖。

在變頂高尾水洞的體型設(shè)計中，首先根據(jù)下游最低尾水位，確定此工況下有壓滿流段的最大長度，視為變頂高的起點，再根據(jù)尾水位變化情況、出口流速及地形、地質(zhì)條件，確定尾水洞出口底板高程和底寬，最后選擇出口斷面的頂部高程和尾水洞頂面曲線。在變頂高尾水洞頂縱剖面線的擬定中，可在水擊壓力用剛性水錘計算公式，并且假定水錘壓力的極值和瞬時波高同時發(fā)生的前提下，按照式(3)給出的微分方程積分，得到有壓滿流段長度L與分界面斷面積F(L)，或者L與洞頂高程Z之間的關(guān)系[14]。按照該式計算所得變頂高尾水洞頂部縱剖面線為拋物線，在實際工程設(shè)計中，為方便施工，絕大部分采用斜直線，且洞底采用略緩于或等于頂坡的斜直線，以減小隧洞的高度。

式中，q為水輪機流量Q(t)與基準(zhǔn)流量Q0之比；(H2+?ΔZ)為下游淹沒水深與無壓明流段水位波動的疊加；L和F(L)分別為有壓滿流段的長度和分界面斷面積。

應(yīng)用上述設(shè)計方法，三峽地下電站變頂高尾水洞的設(shè)計體型如圖6所示，針對設(shè)計方案，在國內(nèi)首次開展了帶模型機的大比尺水、機、電聯(lián)合過渡過程試驗研究，進(jìn)行各種工況下的大波動、小波動過渡過程試驗，定量給出機組調(diào)保參數(shù)值：蝸殼進(jìn)口壓力升高最大值為149 mH2O(≤160 mH2O, 1 mH2O = 9806.65 Pa)，機組最大轉(zhuǎn)速升高為50.7 %(≤55 %)，尾水管真空度最大值為5.5 mH2O (≤8.0 mH2O)；最小水頭下，負(fù)荷階躍變化5 %時，頻率變幅小于4.2 %，可在半個波內(nèi)趨于穩(wěn)定；機組90 %滿出力時突甩10 %負(fù)荷，頻率變幅小于8 %，可在一個波內(nèi)趨于穩(wěn)定，機組小波動穩(wěn)定性能較好。該試驗正確反映了變頂高尾水洞水力特性對機組運行穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響，揭示了變頂高尾水洞在恒定流和非恒定流狀態(tài)下的水力特性[15]。變頂高尾水洞技術(shù)將調(diào)壓設(shè)施的體型由豎向布置的調(diào)壓室變?yōu)闄M向布置的尾水洞，相同之處是均利用自由水面形成水擊波的反射，不同之處是前者的水位波動是質(zhì)量波，后者是重力波，實現(xiàn)了尾水調(diào)壓方式的創(chuàng)新。

3.3. 淺埋超大地下洞室圍巖穩(wěn)定拱設(shè)計方法

受樞紐布置和地形地質(zhì)條件的限制，三峽工程地下廠房布置于右岸白巖尖山體中，主廠房洞室上覆巖體最薄處不足1倍廠房跨度，圍巖頂拱厚度顯然不滿足現(xiàn)行地下廠房規(guī)范要求，主廠房頂拱的穩(wěn)定是地下廠房設(shè)計需解決的重大關(guān)鍵技術(shù)問題。對于淺埋、大跨度、高邊墻地下洞室，圍巖頂拱設(shè)計尚無成熟的理論和方法可循。三峽地下廠房設(shè)計通過對地下洞室圍巖穩(wěn)定拱形成條件和力學(xué)機制、大型洞室圍巖穩(wěn)定性的主控因素及影響規(guī)律等開展系統(tǒng)研究，提出了淺埋超大地下洞室圍巖穩(wěn)定拱設(shè)計方法，并在三峽地下電站中進(jìn)行了成功應(yīng)用[16]。

在傳統(tǒng)拱理論的基礎(chǔ)上，對淺埋地下洞室?guī)r體的拱效應(yīng)及穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，揭示了地下洞室圍巖頂拱承載的力學(xué)機制，即：①通過頂拱一定范圍內(nèi)巖體形成具有拱效應(yīng)的主壓應(yīng)力區(qū)，支撐和轉(zhuǎn)移洞室圍巖開挖不平衡載荷；②當(dāng)洞室埋深不足，頂拱圍巖主壓應(yīng)力等值線不閉合，拱效應(yīng)將消失，頂拱易失穩(wěn)，將出現(xiàn)坍塌和隆起破壞。

地下洞室圍巖穩(wěn)定拱的內(nèi)涵是一種同時滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和材料強度要求的圍巖承載拱，其形成需要滿足兩個力學(xué)條件[16]：①結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件，也即頂拱巖體中能形成等值線閉合的主壓應(yīng)力區(qū)，拱座巖體能夠提供穩(wěn)定的支撐；②材料強度條件，也即同時滿足抗壓及抗剪強度控制標(biāo)準(zhǔn)，見式(4)。對于穩(wěn)定拱的確定方法，可根據(jù)圍巖二次應(yīng)力場中主應(yīng)力方位變化特征確定，如圖7所示。

圖6.三峽地下電站輸水系統(tǒng)縱剖面圖。

式中，σ為拱形內(nèi)巖體的主壓應(yīng)力；Kν為巖體的完整性系數(shù)；Rc為巖石的飽和單軸抗壓強度；cm、?m分別為巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

地下洞室上覆巖體厚度對頂拱區(qū)域圍巖的穩(wěn)定有著重要的影響，直接關(guān)系到頂拱圍巖穩(wěn)定拱的形成。如圖8所示，在地質(zhì)環(huán)境和水平應(yīng)力一定的條件下，洞室埋深與穩(wěn)定拱的形成密切相關(guān)，存在形成穩(wěn)定拱的最小埋深。通過對不同埋深對洞室圍巖穩(wěn)定拱的影響規(guī)律研究，根據(jù)洞室頂拱圍巖中能否形成穩(wěn)定的主壓應(yīng)力拱圈，建立了洞室頂拱最小上覆巖體厚度的判別準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，提出了淺埋超大地下洞室圍巖穩(wěn)定拱設(shè)計方法。

將所提出的淺埋超大地下洞室圍巖穩(wěn)定拱設(shè)計方法應(yīng)用于三峽右岸地下電站建設(shè)中，突破了規(guī)范“主洞室上覆巖體厚度不宜小于2倍洞寬”的限制，建成了國內(nèi)外開挖斷面尺寸最大且埋深不足1倍的大型淺埋式地下廠房。監(jiān)測表明，主廠房頂拱巖體最大變形為2.2 mm，拱座最大變形為8.1 mm，頂拱及拱座錨桿最大應(yīng)力值基本在150 MPa以內(nèi)，至2008年年初，圍巖變形已收斂，支護應(yīng)力測值趨穩(wěn)定。這表明地下廠房頂拱在既定的巖體強度、巖體結(jié)構(gòu)以及初始地應(yīng)力等條件下，采用上述的淺埋超大洞室圍巖穩(wěn)定拱設(shè)計方法作為三峽地下廠房的設(shè)計依據(jù)是合適的、可靠的，能夠保障洞室圍巖穩(wěn)定，滿足工程安全的要求，為解決淺埋超大地下洞室圍巖穩(wěn)定控制難題提供了設(shè)計理論和方法。

4.五級船閘設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

4.1. 高水頭大流量船閘輸水技術(shù)

三峽雙線連續(xù)五級船閘設(shè)計總水頭為113 m，級間最大工作水頭為45.2 m，船閘按照年單向通過能力5×10 t設(shè)計，通航凈空18 m，閘室有效尺寸為280.0 m×34.0 m ×5.0 m，線路總長6442 m。三峽船閘是目前世界上規(guī)模和級間水頭最大、技術(shù)最復(fù)雜的船閘[17]。

三峽船閘設(shè)計輸水時間為12 min，一次輸水水體達(dá)2.37×105m3，其綜合水力指標(biāo)居世界最高水平，對輸水系統(tǒng)性能提出了極為嚴(yán)格的要求。如何在滿足輸水時間要求的前提下保障閘室停泊條件和輸水廊道及閥門設(shè)備的運行安全，是水力設(shè)計需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[18,19]。三峽船閘輸水系統(tǒng)采用在閘室兩側(cè)對稱布置輸水主廊道，閘室底部采用4區(qū)段8分支廊道等慣性分散出水加蓋板消能的型式，其優(yōu)良的動力平衡特性及經(jīng)蓋板與閘室水墊對出水能量的兩次耗散，保證了閘室輸水的快速、平穩(wěn)。采取在輸水末期恰當(dāng)時機動水關(guān)閥至小開度，待水位齊平，即時開啟人字閘門的聯(lián)合措施，避免過大反向水頭對人字閘門和閘室停泊條件的不利影響，經(jīng)有水調(diào)試和運行期檢驗，各工況下均可使閘室水位的慣性超高(降)值控制在0.1 m以內(nèi)(人字閘門運行的允許值為0.2 m)。輸水系統(tǒng)的布置如圖9所示。

圖7.地下洞室頂拱圍巖穩(wěn)定拱形狀確定方法。

圖8.不同埋深下主廠房洞室穩(wěn)定拱形狀。

圖9.三峽船閘輸水系統(tǒng)布置圖。

防止閥門段廊道和閥門發(fā)生空蝕及聲振是高水頭船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題，閥門后廊道低壓程度與閥門段是否發(fā)生空化空蝕和聲振直接相關(guān)。設(shè)計的主要目標(biāo)是盡可能提高閥門底緣工作空化數(shù)σ，其與工作水頭、輸水流量、閥門型式、埋深、啟閉方式、廊道體型、輸水廊道阻力與慣性長度大小及其分布等諸多因素有關(guān)，如式(5)：

式中，σ為閥門底緣工作空化數(shù)；HT為輸水系統(tǒng)閘室水位與閥門后廊道頂高程的相差值；Lnp為收縮斷面后的廊道慣性換算長度；Hn為閥門開度為n時的水頭；α為廊道擴大前后的面積比；μn為閥門開度為n時的流量系數(shù)；ξ2為輸水閥門后廊道段阻力系數(shù)；ξn為開度為n時考慮閥門后廊擴大的閥門段阻力系數(shù)。

三峽船閘圍繞提高閥門工作空化數(shù)這一核心技術(shù)問題，提出了以“高空化數(shù)輸水廊道+閥門快速開啟+底擴廊道體型+門楣自然通氣”為核心的高水頭船閘閥門防空化綜合技術(shù)，具體為：

(1) 利用良好的巖體，采用了隧洞式輸水主廊道與閘首、閘室結(jié)構(gòu)分開的布置型式，并利用降低閥門段廊道高程對船閘主體結(jié)構(gòu)的工程量影響甚微的特點，以合理加大閥門段廊道埋深為主要措施實現(xiàn)提高閥門工作空化數(shù)。

(2) 閥門快速開啟的優(yōu)點是可利用閥門開啟過程的慣性水頭，大大提高門后水流壓力及空化數(shù)；同時又不易形成慢速開啟時貼附閥門而加強底緣空化的旋滾。三峽船閘充分利用輸水廊道長的特點，采用快速開閥措施增加閥門開啟過程的慣性水頭，大大提高門后水流壓力及空化數(shù)。

(3)閥門廊道體型的改變在較大程度上導(dǎo)致門后水流流態(tài)乃至壓力、收縮斷面流速等水力參數(shù)的變化，經(jīng)過綜合比較，提出了結(jié)構(gòu)簡單、受力明確的底擴廊道體型。由于底擴體型的特有流態(tài)，門后水流過流斷面增大、收縮程度減小，降低了射流收縮斷面流速，明顯提高了門后壓力和空化數(shù)；有效改善了閥門空化初生條件，導(dǎo)致底擴體型閥門臨界空化數(shù)減小；因此底擴體型閥門相對空化數(shù)明顯增大，其抗空化能力大大優(yōu)于傳統(tǒng)的頂擴體型[20]。

(4)我國獨創(chuàng)的帶負(fù)壓坎的門楣自然通氣措施，已在葛洲壩1#～3#船閘成功應(yīng)用。結(jié)合三峽船閘條件，對不同縫隙體型、坎高進(jìn)行了系列優(yōu)化，最終選定了擴散型的門楣體型。試驗表明，該體型在閥門開啟過程中通氣通暢，基本消除了閥門正常運行條件下的水流空化，同時閥門單邊開啟、事故停機、緊急動水關(guān)閉等非正常運行工況存在的不同程度底緣空化均得到有效抑制。

在設(shè)計水力指標(biāo)下對船閘輸水系統(tǒng)的水力特性和閥門空化情況進(jìn)行了全面觀測[21,22]，結(jié)果表明，各閘室輸水系統(tǒng)運行正常，充水全過程閘室各區(qū)段出水均勻，無明顯縱橫向水流流動趨勢，水面流態(tài)平穩(wěn)。實測閘室水面最大上升(下降)速度為4.04 m·min–1，輸水最大流量為700 m3·s–1，各閘首輸水時間均為10 min左右，與設(shè)計允許值12 min相比有較大富余。各閘室船舶系纜力均不大，閘室停泊條件良好。輸水過程中，除開閥之初(約15 s)、頂止水脫離門楣形成沖擊射流噪聲外，中間閘首閥門段不同部位水下噪聲100 kHz聲譜級在50～460 s時段內(nèi)有間斷升高現(xiàn)象，但最大譜級差在20 dB以內(nèi)，無明顯空化噪聲，閘首無異常聲響；門楣在0.02～0.66開度范圍內(nèi)自然通氣量大于0.1 m3·s–1，進(jìn)氣穩(wěn)定；閥門開啟過程中，啟閉機運行平穩(wěn)，最大啟閉力為1398 kN，在設(shè)計的1800 kN啟閉機容量范圍內(nèi)。實踐表明，三峽船閘輸水閥門防空化綜合技術(shù)是成功的。

4.2. 全襯砌船閘設(shè)計理論

三峽雙線連續(xù)五級船閘布置在壩址左岸，每線船閘有6個閘首、5個閘室，長1.6 km的主體建筑需沿山體深挖(最深170 m)后建造，若采用傳統(tǒng)重力式船閘結(jié)構(gòu)，開挖及混凝土量巨大、工期長、高邊坡復(fù)雜[23]。基于三峽船閘地質(zhì)條件，研究提出了“全襯砌船閘”新型式，將閘首和閘室墻全部采用鋼筋混凝土薄襯砌結(jié)構(gòu)，通過專門研制的拉剪型高強錨桿，將襯砌體與巖體形成聯(lián)合受力體，共同承受人字閘門、水壓力和船舶等荷載，可有效減少開挖和混凝土量，降低高邊坡難度。世界首座“全襯砌船閘”——三峽雙線五級船閘于2003年建成投運，閘室典型斷面示意見圖10，相對于傳統(tǒng)的重力式結(jié)構(gòu)，減少巖石開挖8.4×106m3，節(jié)省混凝土6×106m3，縮短工期 9個月。

圖10.三峽船閘閘室典型剖面圖。

全襯砌船閘的結(jié)構(gòu)受力需要考慮混凝土、巖體、錨桿三者的共同協(xié)調(diào)工作，相關(guān)計算分析必須考慮襯砌與巖體之間的接觸關(guān)系，且混凝土與巖體均存在非線性力學(xué)行為，因此，全襯砌船閘結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計要比一般船閘復(fù)雜得多，研究建立了全襯砌船閘全套的設(shè)計理論、方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[24]。

全襯砌船閘結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵是解決襯砌結(jié)構(gòu)與巖體接觸關(guān)系的準(zhǔn)確模擬，傳統(tǒng)的接觸面本構(gòu)假定接觸面閉合時，界面能承擔(dān)不超過剪切強度的切向力，界面張開時則無切向剛度和切向力。事實上，由于開挖后巖體表面不是絕對平整，和混凝土之間會形成咬合力，即使巖體與混凝土襯砌之間有一定的張開，切向咬合力仍然存在。三峽襯砌結(jié)構(gòu)在溫度作用下有時某部位會與巖體脫開，即巖體與襯砌接觸面會部分張開，這時若采用傳統(tǒng)界面本構(gòu)關(guān)系，就大大低估了巖體與襯砌界面實際的切向咬合力，為此，提出了能考慮巖體與襯砌界面切向咬合力的襯砌結(jié)構(gòu)與巖體接觸面的本構(gòu)關(guān)系。假設(shè)接觸面初始法向間隙為d，兩個切向的初始間隙為dt′和ds′，在荷載增量作用下產(chǎn)生的縫面兩側(cè)法向、切向的相對位移增量分別為ΔWn、ΔVt和ΔVs，則襯砌結(jié)構(gòu)與巖體接觸面的物理方程如式(6)所示[24]：

式中，σn為接觸面法向應(yīng)力；τt、τs為接觸面切向應(yīng)力；Kn為縫面單位面積的法向剛度；Kt、Ks為縫面單位面積的切向剛度；sgn(∑ΔVt) 表示相對位移差∑ΔVt的符號。

由于墻后巖體作用，襯砌墻厚度對墻體的受力條件不起主要作用，閘室薄襯砌墻厚度主要取決于錨桿在墻中的結(jié)構(gòu)布置和施工要求，提出襯砌墻最小厚度根據(jù)式(7)擬定[25]：

式中，δR為錨桿抗拔出最小厚度；δD為錨頭厚度；δC為保護層厚度。

襯砌式結(jié)構(gòu)需通過高強錨桿保證混凝土與巖體的聯(lián)合受力，錨桿不但要承受滲透水壓產(chǎn)生的拉力，還要承受由于襯砌結(jié)構(gòu)變形所產(chǎn)生的剪力。錨桿在襯砌墻混凝土中的承載力由混凝土抗拔剪力錐或錨桿強度控制，錨桿的強度應(yīng)滿足式(8)[27]：

式中，Pu為錨桿承受的拉力；Vu為錨桿承受的剪力；Pc為混凝土拉拔錐達(dá)到屈服破壞時受到的拉力；Vc為混凝土拉拔錐達(dá)到屈服破壞時受到的剪力；Ps為錨桿達(dá)到屈服強度時承受的拉力；Vs為錨桿達(dá)到屈服強度時承受的剪力；V1為錨桿強度安全系數(shù)，取1.9；φ1為系數(shù)，取1；φ2為系數(shù)，取0.85。

襯砌與巖體之間的高強錨桿設(shè)置了能自由變形的“自由段”，有效減小了錨桿對襯砌墻體切向變形的約束，降低錨桿內(nèi)的剪應(yīng)力，改善錨桿跨縫處的應(yīng)力條件，充分發(fā)揮錨桿抗拉強度大而抗剪強度低的特點。

截至2015年12月，三峽船閘已通航運行12年，并歷經(jīng)5年的水庫正常蓄水位運行，各項監(jiān)測成果為：①鎖口錨桿最大拉應(yīng)力，一般均在100 MPa以內(nèi)；②邊坡地下水，絕大多數(shù)排水洞處測壓管水位低于相應(yīng)洞底高程，邊坡地下水位已降至設(shè)計水位以下，且有一定的富裕度；③直立墻墻背滲壓，各測點部位基本無滲壓，墻背和支持體背的排水管起到了很好的排水降壓效果；④閘首和閘室墻變形，各閘首頂部向閘室的最大位移為7.1 mm，閘首頂部與底部向閘室的相對位移在5 mm以內(nèi)，南、北坡各閘室頂部管線廊道向閘室方向的最大水平位移為6.9 mm；⑤直立坡高強結(jié)構(gòu)錨桿應(yīng)力，僅兩支錨桿應(yīng)力計最大拉應(yīng)力超過100 MPa，為227.5 MPa，實測應(yīng)力遠(yuǎn)小于錨桿強度的設(shè)計值。上述監(jiān)測成果表明，船閘邊坡變形是穩(wěn)定的，邊坡地下水和墻背滲壓、閘首和閘室墻變形、高強結(jié)構(gòu)錨桿應(yīng)力等均在設(shè)計允許范圍內(nèi)。

5.結(jié)語

在設(shè)計和建設(shè)中面對諸多重大技術(shù)挑戰(zhàn)，三峽工程建設(shè)始終走科技創(chuàng)新之路，堅持跨行業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新，堅持原始創(chuàng)新與引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新，堅持面向解決工程建設(shè)重大問題的技術(shù)創(chuàng)新。先后攻克了高水頭大流量泄洪消能技術(shù)、多層大孔口重力壩結(jié)構(gòu)技術(shù)、巨型電站結(jié)構(gòu)技術(shù)、大型高水頭船閘技術(shù)等重大難題，取得了世界領(lǐng)先的水工建筑物科技創(chuàng)新成果。工程自2008年開始實施正常蓄水位175 m試驗性蓄水以來，2010—2015年連續(xù)6年均達(dá)到正常蓄水位，全面發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運、供水等綜合效益，經(jīng)歷了最大入庫洪峰流量71 200 m3·s–1的考驗。樞紐各建筑物投運以來的監(jiān)測結(jié)果表明，變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等項目監(jiān)測值均小于設(shè)計計算值，建筑物性態(tài)正常，運行安全可靠。三峽工程的成功實踐，極大地提高了我國水利水電建設(shè)的整體技術(shù)水平，在三峽工程中研發(fā)的大量創(chuàng)新技術(shù)，已在世界上的后續(xù)水利水電項目中廣泛推廣應(yīng)用，對推動世界水利水電行業(yè)技術(shù)進(jìn)步起到了巨大的作用。

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 340–349

Xinqiang Niu. Key Technologies of the Hydraulic Structures of the Three Gorges Project. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.006