Coupled hydro-mechanical effect of a fractured rock mass under high water pressure

To explore the variation of permeability and deformation behaviors of a fractured rock mass in high water pressure,a high pressure permeability test（HPPT）,including measuring sensors of pore water pressure and displacement of the rock mass,was designed according to the hydrogeological condition of Heimifeng pumped storage power station.With the assumption of radial water flow pattern in the rock mass during the HPPT,a theoretical formula was presented to estimate the coefficient of permeability of the rock mass using water pressures in injection and measuring boreholes.The variation in permeability of the rock mass with the injected water pressure was studied according to the suggested formula.By fitting the relationship between the coefficient of permeability and the injected water pressure,a mathematical expression was obtained and used in the numerical simulations.For a better understanding of the relationship between the pore water pressure and the displacement of the rock mass,a 3D numerical method based on a coupled hydro-mechanical theory was employed to simulate the response of the rock mass during the test.By comparison of the calculated and measured data of pore water pressure and displacement,the deformation behaviors of the rock mass were analyzed.It is shown that the variation of displacement in the fractured rock mass is caused by water flow passing through it under high water pressure,and the rock deformation during the test could be calculated by using the coupled hydro-mechanical model.

浅谈中国未来大型水电装备技术挑战与创新

我国水电资源丰富、开发程度处于中等水平,远不及欧洲发达国家。“双碳”战略下,水电作为清洁能源,以其高调节性、高稳定性将在以新能源为主的新型电力系统中发挥“压舱石”作用。资源特点和经济性决定未来水电开发将朝向更高水头(高转速)、更大容量趋势发展,机组将具备高海拔环境运行、超高水头、超大容量的特点。开发难度极高,技术挑战前所未有,亟待攻克。该文从多个角度分析阐述特殊工况下我国水电装备开发面临的问题和技术挑战,探讨关键技术发展趋势以及创新技术应用潜力,为未来水电装备的技术创新和突破提供参考方向。

某过断层深埋高水头TBM输水隧洞围岩-支护结构响应规律

为了研究过断层深埋高水头敞开式TBM输水隧洞支护结构的响应规律,对不同支护方案下某过断层深埋高水头敞开式TBM隧洞围岩与支护结构的响应规律进行对比分析,选出最合适的支护设计方案。建立TBM隧洞动态开挖-支护精细仿真模型,逐个研究动态开挖-支护中围岩、锚杆、钢拱架、初喷混凝土、二衬的响应规律。结果表明:依次支护管棚、锚杆、钢拱架、固结灌浆、衬砌后,围岩拱顶变形分别降为不支护时的59.4%、32.9%、32.9%、4.1%、3.2%。盾尾离开后各响应突增,增幅逐步减缓且最终趋于稳定,衬砌支护后突降并稳定。锚杆应力分布不均,支护后拱腰处锚杆应力比拱顶增加快,各锚杆应力越靠近洞壁处越大。管棚+锚杆+钢拱架+固结灌浆+初喷+二衬可保证安全,但需固结围岩弹性模量、黏聚力及内摩擦角分别提高1.0、1.0、0.21倍。

高水压高应力岩石声波时域传播特性试验研究

地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中,水压力和地应力共同控制着岩石的物理力学特性,研究高水压和高应力对岩石声波传播的影响特性,有利于揭示深部岩体工程开挖时围岩损伤演化、动态力学响应以及水压力和地应力的反演。基于自主研发的高水压高应力岩石声波测试系统,设置多组水压力和轴向静应力等级用于模拟地下水压力和地应力环境,对红砂岩和石灰岩进行声波传播试验。选取岩石声波首波波形,研究岩石声波波速、首波幅值和能量随水压力和轴向静应力的变化关系,构建岩石声学参数的演化经验模型。研究结果表明,当承受的轴向静应力确定时,红砂岩声波波速随水压力的增大呈先上升后下降的变化趋势,2者呈良好高斯函数关系,石灰岩声波波速随水压力的增加先快速升高后缓慢降低。当承受的水压力确定时,2种岩石声波波速随轴向静应力的增大均呈先增加后减小的变化趋势,红砂岩声波波速与轴向静应力呈高斯函数关系,且红砂岩声波波速变化显著,石灰岩变化较小。确定轴向静应力工况下,红砂岩首波幅值和能量随水压力的增加先平缓发展后快速降低,首波幅值与水压力呈指数函数的变化关系;石灰岩首波幅值和能量随水压力的增加先快速增加后平稳发展或略有降低。确定水压力工况下,红砂岩首波幅值和能量随轴向静应力的增加先升高后下降;石灰岩首波幅值和能量随轴向静应力的增大先快速上升后急剧减小。研究成果对深部高水压环境下岩体工程开挖围岩赋存状态表征、应力波传播以及邻近结构的稳定性分析提供理论基础。

800m以上水头三机式抽水蓄能机组研究

我国的资源禀赋的特点是富煤、贫油、少气,促使我国的能源结构主要以化石能源为主。在“双碳”目标的指引下,以非化石能源为主体的新型能源体系必然是未来大势所趋,光电和风电成为新型电力系统下新能源的主力军,但光电和风电存在随机性和波动性,对电网的冲击相对较大,再加之新能源的定价机制还在探索中,所以出现了弃风、弃光等情况。为高效吸收消纳光电、风电等未来供电主力,避免新能源的浪费,保障电网安全。抽水蓄能水电站必然是未来储能主力,而三机式抽水蓄能机组有着更为独特储能优势,包括适用水头更高、水头变幅更宽、响应电网更快、工程造价更低等。本文就结合光电和风电的实际情况,探讨光电和风电作为供电主力下的储能新方案,三机式抽水蓄能机组高质量消纳新能源的研究和探索。

1200 m特高水头钢岔管制造创新与质量控制

为保证1200 m特高水头钢岔管制造质量与工期,长龙山抽水蓄能电站建设者进行了系列创新,并提出了控制措施,通过考察确定钢岔管整体制造、运输至工地的方案,采用控制钢板下料放样、划线、卷制、组拼、焊接等工序来保证钢岔管外形尺寸及内在质量。水压试验表明:在初次水压试验成功基础上提高第二次试验压力值,进一步减小钢岔管成品焊接残余应力,创下国内钢岔管10 MPa水压试验记录。可为类似工程提供参考。

地震波斜入射时不同水深超高水头船闸地震反应分析

基于黏弹性边界的地震动斜入射方法模拟平面SV波和P波不同角度入射情况,采用声固耦合法模拟闸室内动水压力,研究超高水头船闸闸室在不同水深下闸顶位移、加速度和塑性损伤等地震反应。研究表明:地震波斜入射时,超高水头船闸的地震反应随水深变化的规律较垂直入射时明显不同,地震反应的程度一般较垂直入射时更大;相同水深条件下,闸顶水平相对位移峰值、水平加速度峰值多数情况下随入射角增大而增大。超高水头船闸闸室结构地震反应结果受水深变幅影响显著。一般闸墙相对高度为0.2附近的区域更易出现严重受拉损伤,相对水深为0.97时,闸墙临水侧达到严重破坏程度的受拉损伤范围最大。对综合考虑斜入射地震波和闸室内不同水深共同作用有一定的影响。

岩溶地区暗挖轨道交通隧道水压力及衬砌结构优化分析

针对山地岩溶城市高水压暗挖轨道交通车站隧道,在总结我国矿山法隧道防排水型式的基础上,对衬砌结构水压力分布特征和水压力计算方法进行了重点探讨,以期能够兼顾地表生态环境保护和隧道衬砌结构设计优化。以某城市轨道交通车站为工程实例,计算分析了“全封堵型”隧道和“堵排结合型”隧道对应的衬砌结构力学性能,研究成果可为类似隧道工程的设计提供借鉴参考。

桃源水电站船闸输水门高水头不能开启分析及处理

船闸输水廊道工作闸门是完成闸室充泄水的重要金结设备设施,其在船闸通航过程中对闸室进行充泄水从而满足通航需要,它直接关系到船闸正常运行。以桃源水电站船闸输水廊道工作高水头不能开启问题为研究对象,分析不能开启的原因,提出改进建议和措施。

白象山选矿厂提高产能优化实践

白象山选矿厂为了进一步提高生产效率和产能,针对精矿产品质量、生产作业率等指标进行了生产流程优化,提高设备利用率,采用先进生产设备等研究。通过循环使用淘洗机尾矿溢流水,减轻了尾矿大井负荷,提高了磁选机的选别效果,同时优化湿式筛分预选工艺筛孔尺寸,提高了选厂处理能力;通过优化高压辊辊缝及频率等参数,使用新型侧挡板,延长了高压辊辊面的使用寿命,提高了设备利用率;通过使用凿岩台车、深孔钻机等智能采矿设备,改善了选厂给矿状况。现场生产实践表明,通过上述措施优化,有效提高了白象山选厂的产能。

高坝枢纽移动式尾水集鱼方案设计及试验研究

为减缓水电工程建设对鱼类洄游的阻隔影响,高效安全的过鱼设施是恢复鱼类洄游通道的重要工程措施,尤其高水头水电工程过鱼设施建设是当前生态保护的技术难点。首先通过模型试验和数值模拟计算,对乌东德水电站坝下水流条件进行了研究,再结合鱼类洄游路线及其坝下分布预测,提出了一种新型的移动式尾水集鱼箱,并利用电站尾水的诱鱼效果进行集鱼。试验研究表明:根据电站运行情况开展集鱼工作可实现“多点位、全深度、大流量”集鱼,作为辅助集鱼设施,创新方案能够提升集运鱼系统的集鱼效率。研究成果可为高坝枢纽过鱼设施建设及已建工程增建过鱼设施提供技术参考。

长引水道高水头电站不同负荷条件甩荷对蜗壳压力的影响研究

为研究采用集中供水布置型式的长引水道高水头电站蜗壳进口端内水压力极值工况及其内在影响机理,在相同上下游水位的前提下,以有压输水系统瞬变流分析的特征线法(MOC)为基础,融合跟踪机组运行轨迹的单纯形寻优法以及系统状态方程,对单台和两台机组在不同负荷时的甩荷工况进行过渡过程数值模拟计算。结果表明:单机、两机以20%额定功率运行甩荷后易发生首相水锤,为蜗壳进口断面内水压力的极值工况。蜗壳进口端内水压力极值出现在导叶小开度运行时甩部分负荷的工况。蜗壳进口断面内水压力初始值和极值大小与机组负荷相关,机组初始出力越少,引水系统中水头损失越小,蜗壳进口端初始压力越高,甩荷后该断面内水压力值越高,且部分负荷运行甩荷后压力衰减速度越慢。机组运行方式对蜗壳进口端内水压力值及峰值出现时间有一定影响。研究成果可为同类型水电站的设计和运行维护工作提供参考。

大藤峡水利枢纽船闸水力学关键技术研究与实践

大藤峡船闸是目前国内外水头最高的大型单级船闸,其闸室输水功率、阀门水力条件、闸门结构尺寸等多项指标均居世界之最,代表了当今世界船闸建设的最高水平。围绕大藤峡大型船闸安全高效输水、高水头输水阀门空化振动、巨型人字门安全运行等水力学关键技术难题,历经10多年研究和实践,在大型船闸输水系统布置、高水头阀门防空化技术、巨型人字门设计、现场调试技术等方面取得了大量创新成果,成功解决了40 m单级船闸设计、建设和运行难题,在基础理论和核心技术上实现新的突破。总结梳理了大藤峡船闸水力学关键技术研究成果,以期为类似高水头船闸设计研究提供参考。

基于截肢法的高水头长距离压力管道水锤计算分析

洪福水电站始建于1990年,设计水头达到398 m,压力钢管长度超过800 m,是典型的高水头长距离引水电站。经过多年的运行,压力钢管出现了不同程度的锈蚀,需及时进行安全评估。针对洪福水电站的工程特性,本文提出采用截肢法计算压力钢管的最大水锤压力值,结果表明:(1)电站水锤的相为1.63 s,蝶阀的开启关闭时间小于1.63 s时,将发生直接水锤,水锤压力值达3 MPa,在实际运行中应避免;(2)在丢弃满负荷的情况下,电站压力管道将发生第一相水锤,最大水锤压力为76 m,为设计水头的19.1%。相关研究成果可作为压力管道安全复核计算依据。

500MW级冲击式水轮机设计制造可行性研究

针对适用于西藏地区高水头条件的大型冲击式水电机组,从服务国家战略考虑,大唐集团开展某水电站单机容量从250MW优化到500MW级冲击式机组的科研攻坚。通过组织国内相关单位进行科技创新攻坚,从水轮机水力设计、不锈钢转轮锻件制造、转轮锻焊工艺等方面探索500MW级冲击式水轮机设计制造可行性,对于推动制造业的科技创新,突破技术短板,实现产业链整体升级具有重要作用。

复杂地质条件下高压水工隧洞穿河设计研究——以巴基斯坦N-J水电站为例

巴基斯坦N-J水电站引水洞为复杂地质条件下的高水头水工隧洞,其中一段必须从Jhelum河下穿过,该段隧洞存在内外高水头作用,设计相对复杂,可供参考的工程案例不多,系统分析总结相应的技术成果很有必要。解读该工程区域地质、隧洞围岩条件,对比不同布置方案的优劣及可行性,设计思路、参数确定,分析相应的成因、脉络等,形成的系统性技术成果,可供类似工程的设计参考。

高水头区域新建深基坑与既有轨交车站底板的对接

结合苏州某在建地铁连通口项目的施工难点,介绍了一种用于高水头区域新建地下室与既有轨交车站地下室底板对接技术。通过采取空腔土体加固、增加挡土钢板、轨道底板区域周边打降水管井、轨道底板施打可开闭合降水装置以及向底板区域下注浆止水等一系列施工技术,解决了在高水头区域基坑围护破拆、肥槽挖土卸载、底板对接施工过程中,土体坍塌、地下水突涌等问题,达到了降低地下水头的目的,为底板顺利对接创造了条件。

高水头作用下饱和边坡破坏物质点法模拟研究

水是影响边坡稳定的重要因素之一,对于大变形的边坡破坏问题,难以使用有限元等网格方法进行分析,物质点法由于不受网格畸变影响,在模拟岩土大变形问题上有巨大的优势。为了探究高水头作用下,饱和边坡的破坏机理及其破坏行为,使用完全耦合的半隐式物质点算法来模拟饱和滑坡问题。通过一维自重固结模拟来验证物质点算法的正确性,模拟了二维饱和摩尔-库仑土块在高水压作用下其破坏过程,证明物质点算法能够准确捕捉水压及应力的发展过程。模拟了高水头作用下饱和边坡的破坏问题,结果表明,在7 m额外水头作用下,边坡发生整体破坏,由于上下土层的不连续性,破坏主要发生在上层土中,坡脚位移几乎为水平,最大位移约为5 m,坡面的最终位移与实验结果吻合。物质点算法能够较为准确地预测高水头作用下坡体的破坏行为。

抽水蓄能电站高水头偏心铰弧形闸门安装技术

偏心铰弧形闸门安全可靠,是一种高水头、开启频繁情况下普遍应用的高压控制闸门。但其构造较复杂、安装精度要求高,安装过程工序多、交叉干扰大,较常规闸门施工难度大、安全风险高。为此,通过研究拼装前置整体吊装技术、模拟计算门槽一次安装技术及整体定位安装等创新技术,在长龙山抽水蓄能电站下水库导流泄放洞出口偏心铰弧门安装施工中成功应用,实现了高水头偏心铰弧门高效、安全、精确安装。

弧形闸门充压伸缩式水封粘接及安装工艺探析

充压伸缩式水封因其良好的止水效果和经济性,已被广泛应用于各高水头弧形闸门。基于充压伸缩式水封的特殊结构型式,本文分析和总结了潜孔弧形闸门充压伸缩式水封更换及安装调试全过程的施工工艺质量控制内容与要点,有针对性地采取提高其封水效果的措施和方法,经汛期的运行检验,证明采取的质量控制措施取得了良好的效果,彻底消除了水库泄洪设施的运行隐患。