论水电工程边坡分类

相对其他工程而言,水电工程边坡规模大,所处的地质环境条件更加复杂。随着我国水电工程的大开发,在高山峡谷中修建了不少高坝,边坡开挖高达300m以上,而且在开口线之上还可能存在数百米甚至千米以上的自然边坡,坡度陡峻,高边坡的稳定性问题已经成为工程建设中的关键技术问题。为揭示边坡特征,方便描述、交流和评价,进行科学的边坡分类就具有重要的理论和现实意义。在收集分析国内外边坡分类体系的基础上,笔者结合多年来的工程实践认为,已有的边坡分类方法不能完全适应水电工程边坡状况,有必要进行改进与完善。根据针对性、体现本质、层次性和系统性等4个原则,本文提出了水电工程边坡分类框架:第1层次按边坡与所在工程位置关系划分;第二层次按边坡重要性和危害性进行边坡分级;第三层次按边坡特征、几何特征和变形破坏特征进行分类;在第四层次分类中,再依据其物质组成、坡体结构、坡度、高度、变形机制、破坏形式、变形范围和边坡的危险源分别进行了进一步的分类。文中首次提出了边坡分级表、峻坡与悬坡、高边坡与超高边坡的分界线、以及环境边坡按危险源的分类方法。建议峻坡与悬坡的分界为60°,高边坡与超高边坡分界为80m,>300m的边坡为特高边坡,并指出采用坡体结构进行分类,能揭示边坡可能变形破坏的边界条件和失稳模式,其工程应用性更强。

浅谈EPC模式下的水电工程索赔应注意的问题

以某水电工程为背景,介绍了EPC模式下常见的施工索赔范围,较为深入的探讨了EPC模式下索赔证据的收集以及索赔计算,对指导各分包商和总承包商做好索赔工作具有重要的意义。

西南水电高陡岩石边坡工程关键技术研究

我国西南地区山高谷深,水力资源丰富,高坝大库工程较多。由于特定的地形地质条件,高陡边坡稳定问题突出,成为制约水电资源开发和工程建设的关键技术问题之一。立足于西南水电岩石边坡工程实践,结合边坡工程科研成果,总结分析边坡工程的主要技术特点和关键技术问题,提出边坡工程研究思路和研究内容;在此基础上,从边坡地质条件、设计理论与方法、实施过程控制等方面,对边坡深裂缝成因、坡体结构、参数取值、安全控制标准、加固设计方法、反馈分析等若干关键技术问题,进行一些探索,提出一些新的认识。研究成果在水电工程边坡设计和建设过程中得以成功应用,特别是由深卸荷松弛岩体组成的锦屏一级特高边坡(530 m)和大岗山特高边坡(420 m)实施效果良好,对边坡工程勘察设计和岩石力学理论研究具有借鉴意义。

锦屏一级水电站f5断层置换硐及其交叉硐段稳定性及支护结构设计研究

f5断层为锦屏一级水电站坝区内规模最大的一条断层,为提高坝肩岩体质量,设置f5–1,f5–2平硐及4条斜井对其进行置换。综合诸多研究成果,对设置置换网格的必要性进行论述。采用三维有限元方法模拟天然地形与地质条件,仿真跟踪置换硐群开挖步序,从应力、变形等多角度评价置换硐整体稳定性,并与监测成果进行对比,分析表明:f5–1和f5–2平硐整体上满足施工期稳定性要求,局部硐段受断层影响支护力不足。对f5–2平硐采取预应力锚杆、钢拱架支护及加厚喷层和提前施作二次衬砌2种补强措施进行数值模拟分析,2种补强措施均能使平硐满足稳定要求,在考虑支护效果、施工等因素下,认为提前施作二次衬砌更为合理;对于平硐与斜井交叉部位,建议在平硐施做完成后对交叉部位前后10 m进行衬砌支护,再对斜井进行开挖,此时衬砌最大压应力不超过6.5 MPa,最大拉应力不超过1.7 MPa;f5–1平硐与5#传力硐交叉部位,建议先对5#传力硐施作衬砌支护,再对部分较薄岩柱固结灌浆,然后再进行平硐施工。数值分析成果为置换硐支护措施的设计提供科学依据,对其他类似工程具有较强的借鉴意义。

深埋混凝土抗剪结构加固设计方法及其在大型边坡工程治理中的应用

传统边坡治理技术均采用坡面加固,即使采用抗滑桩、锚索等加固措施的治理深度大多小于80 m,对于存在主控结构面埋深大、强度低的大型潜在滑体的边坡工程,其加固治理尚无成熟方法,一般采用避让和减载等被动方法。以锦屏I级水电站左岸边坡为例,系统阐述在大型边坡工程治理中,深埋混凝土抗剪结构的加固原理及运用条件、洞线设计及洞型选择、开挖方式及施工程序设计、回填混凝土结构及灌浆设计。三维数值分析与现场实践表明,在具有深埋滑裂面的岩石边坡治理工程中,这种结构措施具有置换、补强及抗剪等综合作用,是行之有效的加固治理方法。研究成果可对类似边坡工程问题提供经验和借鉴。

锦屏一级水电站软弱岩体高水头弱化效应的试验研究

在建的锦屏一级水电站蓄水后坝基(肩)软弱岩体在高水头作用下的弱化效应是工程建设十分关心的问题。为揭示这种弱化效应,提出一套岩体水压弱化效应的试验研究方法:采用岩体形成过程–力学条件模拟,力学参数控制三轴压缩全过程试验的手段制备岩体试件,对岩体试件进行现今天然状态与1~4 MPa静水压力的系列三轴压缩试验(围压为5,10,15,20,25,30 MPa)。试验结果及分析表明,在浅部低应力岩体中弱化效应十分显著,强度参数中的内摩擦因素f的弱化程度在13%以内,c的弱化程度随静水压力的升高而急剧增大,最大可达100%;变形模量的弱化程度在20 MPa围压以下随静水压力的升高而增大,随围压的升高而减小,围压达到20 MPa后则基本无弱化现象。同时,建立了不同静水压力工况下岩体力学参数预测模型。这些成果已在锦屏一级水电站工程建设中得以应用,研究方法为岩体力学性能的试验室研究开辟了新的有效途径。

瀑布沟水电站地下厂房洞室群防渗排水设计

水电站地下厂房洞室群防渗排水设计对地下洞室群的稳定、工程运行安全等具有十分重要的意义。结合瀑布沟水电站厂区地下洞室群三维有限元渗流分析和计算,对厂区防渗排水系统进行方案布置、参数设计,并根据工程蓄水运行以来的监测资料,对防渗排水措施进行初步分析评价。

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。

特高拱坝基础破坏、加固与稳定关键问题研究

特高拱坝的坝基条件大都比较复杂,基础岩体的破坏、加固与稳定评价出现一些关键新问题:坝基岩体力学参数合理取值;坝踵、坝趾基础开裂机制;坝肩非典型软弱蚀变带的处理;贴角区灌浆时机选择;坝趾锚固力损失评价以及大坝-基础非线性稳定分析等。传统的分析方法和加固处理措施日益受到挑战。结合实际工程,就如上问题涉及的研究方法、处理措施进行抛砖引玉的讨论和分析。针对这些新问题,无论数值模拟还是物理试验,都应该采用细宏观尺度的转变方法,并作为非线性方法的理论基础,进一步完善发展,以更好地指导实际工程的优化设计和建设。

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。

辉绿岩非线性流变模型及蠕变加载历史的处理方法研究

分级加载的流变试验方法采用单个岩样进行试验,可避免岩样离散性对流变变形的影响,但后级载荷的变形量包含前面各级载荷产生的蠕变变形,很容易引起混淆。详细分析流变介质对加载历史的记忆效应,并给出考虑加载历史的蠕变数据处理的具体步骤和数学依据。同时,对大岗山水电站坝基辉绿岩三轴流变试验曲线进行整理,分析其典型的流变特性。根据不同应力水平下的蠕变试验曲线,提出由瞬弹性Hooke体、黏弹塑性村山体、非线性黏塑性体串联而成的岩石非线性黏弹塑性流变模型。该流变模型通过引入非线性黏塑性体可以描述岩石流变的减速、等速特别是加速蠕变阶段。推导非线性黏弹塑性模型的三维蠕变方程,利用不同应力水平下岩石蠕变试验曲线,对流变参数进行反演。结果表明,非线性流变模型计算曲线与试验曲线较吻合,证实所建模型的正确性与合理性。

复杂岩质高边坡工程安全监测三维可视化分析

应用自主研发的岩石边坡工程安全监测三维可视化分析系统(SlopeMoni3D),以锦屏一级水电站左岸高边坡工程为例,建立安全监测分布式分析平台,对边坡安全监测系统与赋存地质条件进行虚拟现实可视化分析。以三维云图的可视化形式对安全监测获得的左岸边坡开挖区域浅表、深部变形发展趋势及锚索测力计锚固力在相同时段变化量的空间分布进行综合分析,完成边坡整体稳定性和变形趋势的分析评估。分析结果表明:(1)以虚拟现实可视化方式解析复杂岩质边坡工程区域地质条件,可直观表达各监测项目测点布置与地质结构的相互关系,便于监测成果与地质条件和施工信息的综合分析;(2)借助三维可视化分析平台所提供的监测数据管理和监测数据场三维云图绘制等功能,可直观比较相同监测时间段不同监测项目所获得监测物理量的三维云图分布,便于从地质、施工等方面综合分析边坡各区域的变形趋势和稳定状态。

边坡爆破开挖对邻近已有洞室影响研究

边坡爆破施工振动对邻近已有洞室的影响及其控制是工程中的关键技术问题。新建边坡在与已有洞室间距比较小的情况下进行爆破开挖,爆破开挖产生的爆破波会危及已有洞室围岩和衬砌结构的安全与稳定性。结合锦屏一级水电站左岸坝肩边坡施工爆破对洞室影响的分析课题,应用动力有限元数值模拟,研究不同的边坡与已有洞室间距、岩体阻尼比、最大单响药量情况下边坡爆破振动对洞室围岩和衬砌结构的影响问题。根据洞壁质点振动速度允许值与洞室衬砌在边坡爆破振动波作用下的动拉应力值,考虑不同阻尼比,得出不同围岩级别下,不同边坡与洞室间距的最大单响药量控制:III类岩体边坡,坡面距已有洞室20,50 m时,边坡开挖爆破最大单响药量分别控制在100和300 kg以内;IV类岩体边坡,坡面距已有洞室20,50 m时,边坡开挖爆破最大单响药量分别控制在150和450 kg以内,研究结果为实际工程的施工和设计提供参考和依据。

瀑布沟水电站地下厂房洞室群施工期围岩位移特征分析

根据监测资料分析地下厂房洞室群的整体变形量级及空间分布情况。结合地质资料和开挖施工进度,以主厂房为例,从位移量、深度规律、位移速率等方面分析地质因素和施工因素对位移的影响,及二者的相互影响效果。研究结果表明:主厂房变形较大部位集中在岩锚梁部位和下游边墙;上游断层影响效应不明显,下游有无断层部位位移量差异较大,临近部位交叉施工对下游围岩位移影响较大,施工因素强化了地质因素的影响力度;变形是多种因素共同作用的结果,而地质因素和开挖施工是变形产生、发展的主要影响因素;地质条件差的部位变形较大的规律并不完全正确,施工不当的会加大结构面的影响效果,使围岩位移加剧,即使在无结构面的情况下,也会造成围岩大变形;一般断层通过的部位变形表现为"张开"位移,变形在穿过结构面部位差异明显。断层对变形的规律也是复杂多样,与其强度和所处位置有很大关系,有待进一步的研究。爆破是开挖施工的主要手段,其技术研究有很高的学术价值和经济意义。

树木对滚石拦挡效应研究

树木对滚石有显著的拦挡效应。在对滚石与树木碰撞概率理论分析的基础上,设计树木对滚石拦挡效应试验,对滚石与树木碰撞的概率、滚石与树木碰撞后运动距离和碰撞前后速度及动能的变化进行研究。得到滚石与单排树木碰撞的概率、与多排树木碰撞的概率、与树木至少发生k次碰撞概率和至少与树木碰撞k次所需树木排数的计算分析方法,并通过试验验证其准确性;分析滚石与树木碰撞后运动距离的变化,得到滚石与树木碰撞后和未碰撞相比,在平台运动距离降低80%～100%的占试验总数的44.86%,而超过20%的比例达到85.11%;提出滚石与树木每碰撞一次,碰撞后的速度为碰撞前的55%,动能为30%。在此基础上,得到树木作为危岩体被动防治措施时,所需树木排数的计算方法。所得成果可为将树木作为危岩体防治措施时确定树木排数提供依据,对坡面地质灾害的防治有实际意义。

特高拱坝施工期数字监控方法、系统与工程应用

依据混凝土坝数字监控的理论,从主要目的、基本内容和工作模式3个方面论述了特高拱坝施工期数字监控方法,介绍了特高拱坝施工期数字监控系统,提出了利用该系统开展特高拱坝施工期数字监控的工程应用模式。特高拱坝施工期数字监控系统的工程应用表明,运用该系统可以实时开展大坝工作性态评估,降低事故风险,同时可以为施工期动态设计提供决策支持。

振冲碎石桩法地基处理在阴坪水电站中的应用

振冲碎石桩可通过对软弱地基进行置换及挤密形成复合地基,以提高地基变形模量和承载力,改善地基不均一性,减少不均匀沉降,并有效防止地基地震液化。作为一种较成熟的地基处理方法,该方法已得到广泛应用,但一般处理范围较小且处理深度不大。通过使用大功率机械设备并采取相应工程措施,在复杂工程地质条件下,可以应用振冲碎石桩对地基进行大面积、大深度处理,并有效解决地基砂土液化问题、承载力问题及抗剪强度问题。

水轮机顶盖取水技术及其在姚河坝水电站的应用

针对姚河坝水电站过机水流多硬质泥沙的特性及水轮机的结构特点,将机组冷却供水系统设计与KVAERN-ER公司无接触主轴密封和泵板装置组合结构设计有机结合起来,使顶盖的排水变废为宝,实现了水轮机顶盖取水与水泵供水的联合供水方式。既保证了机组供水的可靠性,又可根据机组的实际运行情况灵活选择顶盖取水或水泵供水,这一机组冷却供水系统操作简单、运行可靠、节能降耗,并可实现自动控制,可供中高水头水电站设计参考。

二滩水轮机枯水期降低水库水位运行研究

通过对二滩水电站水轮机在枯水期降低水库水位运行的可行性论证,并结合其中涉及到的水文、动能经济、水工建筑物等诸多影响因素的综合论证结论,提出了水轮机降低最小运行水头后的能量指标、空蚀特性和稳定运行范围以及应注意的问题,对已建、在建和前期的水电站机组运行和设计具有一定的参考意义。

溪洛渡水电站高拱坝建基面处理与安全监测

金沙江溪洛渡水电站大坝为我国目前已建和在建装机容量最大的高拱坝。开挖揭示大坝建基面局部存在Ⅲ2、Ⅳ级岩体和层间、层内错动发育等地质缺陷,河床坝段基岩面以下20 m处存在约15%的Ⅲ2级岩体,严重影响大坝及基础的整体稳定。通过优化建基面设计和置换混凝土、加强固结灌浆、刻槽、锚固、防渗和清基等一系列的处理措施,建基面岩体质量得到了明显的改善。监测成果显示,随坝段浇筑混凝土上升,建基面应力和沉降均匀增大,相邻坝段差异沉降较小,坝基防渗性能好,坝基和坝体的整体稳定性较好。总结溪洛渡水电站高拱坝建基面处理和监测,对类似工程具有指导和借鉴作用。