地下工程在中国水利工程中的应用与发展

(1)我国水利工程中的地下工程。近年来我国已建和在建的水工隧洞长达400多km,地下厂房近50座。水电站的引水隧洞、调压井和地下厂房都是规模巨大的地下工程。我国已经建成的四川福堂水电站的引水隧洞长达19.3km;四川的太平驿引水隧洞直径9m,长10.6km;我国已经建成的大断面水工隧洞(衬砌后净断面积大于140m2,或者跨度大于12m)有22处,其中二滩的导流隧洞断面尺寸为17.5m×23m,三峡二期的地下厂房尾水隧洞断面尺寸达24m×36m,是目前我国尺寸最大的隧洞。大朝山水电站的地下厂房高61.3m,宽28m,长225m;小浪底水电站地下主厂房高61.44m,宽26.2m,长251.5m;二滩地下电站主厂房高65.7m,宽30.7m,长280.3m。即将修建的向家坝地下厂房的跨度达33m,高度为75m。即将兴建的溪洛渡水电站,左右岸各建长430m,宽28.4m,高76.1m 的地下厂房;加上主变室、调压室和各种地下隧洞,总开挖岩石为1500万m3。对这些规模巨大的地下工程的除了需妥善解决洞室围岩稳定问题外,还将面临高地应力、活动断层、外水压力、突水以及泥石流等一系列重大挑战。

在地下洞室的研究方面,除各种基于岩石力学的计算分析以外,我国也注意对于大型洞室采用先进的科技手段进行模型试验。例如采用光纤量测,机器人开挖自动采集等进行的模型试验。在这领域我国的科研水平与国际先进水平的差距不是很大。

跨流域的调水工程是解决地区水资源短缺的重要途径之一。目前已经建成的调水工程有:江苏省的江水北调工程、江苏省的维沭河工程、广东省的东(江)深(圳)引水工程、天津与河北的引滦济津、引滦济唐工程、辽宁省的引碧入大(连)工程、山东省的引黄济青工程、山东省的梁济运河工程、山西省的引黄入晋工程、青海的大通河向甘肃秦王川引水工程等。这些引水主要靠渠系、管道和隧洞,其中隧洞基本是无压的。青海到甘肃的引水工程干线全长86.9km,共建隧洞33座,总长度75.11km,其中最长的盘道岭隧洞洞长15.72km,断面为4.2m×4.2m。虽然地质条件十分恶劣,但在施工中还是创造了最大月进尺1300.8m,日进尺65.6m 的隧洞掘进纪录。万家寨引黄入晋工程,输水总干线长44.35km,其中隧洞11座,总长42.3m;南干线全长101.7km,其中隧洞7座,总长98.5km,南干线最长的7号洞长42.9km,为我国已建的最长的水工隧洞。而全长85km 的大伙房输水隧洞正在动工兴建,这是辽河“东水西调”工程中的重点项目。它从浑江的桓仁水库引水,经大伙房水库调节,向沈阳等6市供水,这将是我国最长的输水隧洞。

南水北调工程是迄今为止世界上最大的水利工程。首先启动了东线和中线的第一期工程,主体工程投资达1240亿元。近期(2010年前后)将从长江流域向北调水400亿m3。这一工程涉及到的岩土工程关键技术包括:①丹江口大坝加高14.6m,左岸土石坝地基处理和坝体加固。②中线工程干渠全长1420km,跨越88条河流,33次穿越铁路,133次与高等级公路交叉。其中穿越一部分膨胀土地区,如何防渗减糙是极为重要课题;而越(穿)过黄河更是一个难题。③西线工程中涉及寒冷、高海拔、深覆盖、复杂地质条件等问题。其中大直径引水隧洞的比例很高,其设计施工将是对于岩土工程的巨大挑战。结合南水北调工程开展的岩土工程难题的研究是很有挑战性的。

(2)地下工程的支护设计理论。在20世纪中期,人们普遍采用“普氏塌落拱理论”设计隧道。在认识“普氏理论”不足的情况下,由奥地利学者L.V.Rebcewicz等人在60年代总结提出“新奥法”(NATM)的隧道施工方法,随后“新奥法”成为隧道支撑设计施工的主要理论。70年代末,该法传入我国,使我国的隧道设计有了认识上的飞跃,使隧洞充分发挥围岩的自承能力,支护结构与围岩共同工作,保证了隧道的稳定和经济合理。可以说“新奥法”是人们对地下洞室工程设计思想划时代的标志,促进了现代地下工程的一系列新概念和新理论的形成,大大加速了地下工程在各工程领域的发展。

“新奥法”不仅仅是一种隧道施工的方法,也不等于喷锚支护本身。它是岩土工程中信息化设计和信息化施工思想的体现。只有正确地应用岩石力学的原理,综合考虑围岩与支护的共同工作,采用合理的开挖手段和适时的支护措施,才能保证洞室的安全与经济。但“新奥法”也存在无法准确反映隧道受力情况,难于定量设计的缺点。支护结构设计的“挪威法”兴起于20世纪70年代,以后发展为“现代挪威法”,理论日趋完善,是一种有前途的理论方法。

(3)地下工程科研工作的进展。(www.xing528.com)

1)理论与机理研究。与在土力学中一样,在岩石力学中,从单一的固体力学向多场耦合、多相耦合研究发展。例如在裂隙岩体中建立水-岩-热耦合的非线性动力模型对于水利水电工程、地热利用、核废料处理等领域有重要意义。

由于岩体破坏失稳与结构面的发育程度、组合特征有密切关系,而它们又是天然地质历史的产物,表现出极为复杂的随机性和模糊性。各种不确定性的理论和方法受到人们的重视。各种数理统计与概率论、可靠度、优化、神经网络、模糊数学、灰色理论、混沌与分形、信息化方法等被用以描述因果关系的破缺和亦此亦彼的互补率的破缺问题。提出了所谓的“智能岩石力学”。对于复杂的、充满不确定性的岩土材料与工程问题,应用这些理论是有其合理性的。进行必要的探讨是一条有希望的途径。但是它们的应用前提是大量的资料和信息的积累,是丰富的经验的科学的总结。

2)数值计算。数值计算大大加强和拓宽了人们解决岩体工程问题的能力,从而成为岩体工程中的一个重要的分支。数值计算深入岩体工程的各个领域:渗流计算、应力变形计算、极限平衡的数值计算、动力反应分析、不同岩土之间及其与结构物之间的共同作用计算等等。在计算方法上又可以分为确定性方法计算与不确定性方法计算(随机有限元、神经网络、专家系统),正分析与反分析,连续介质单元法与离散介质单元法。随着塑性力学理论和计算技术的发展,岩土力学中传统的极限平衡和极限分析法更为完善,计算精度和效率也有所提高。一个重要特征是三维边坡稳定分析的理论和方法已日趋成熟并获得实际应用。岩体本来是不连续或者是不完全连续的介质,而早期的数值计算是直接从固体力学中引进的,首先将不连续的岩体假设为连续介质,随后在空间上将其离散化。采用的方法包括:有限单元法、有限差分法、边界单元法、有限条法、有限线法、无单元法以及各种方法的组合。首先考虑岩土问题不连续性的计算是边界面单元的设立和边界面模型的应用。它主要模拟不同材料间的接触问题。20世纪70年代以后,针对岩体的节理与构造面问题,离散单元法(DEM,Discrete Element Method)被Cundall提出和得到较多的应用,目前已经发展了二维和三维的计算程序。80年代我国学者石根华对于岩体的非连续性问题提出了块体理论,发展了非连续变形计算(DDA,Discontinuous Deformation Analysis)目前也已经开发了二维和三维的计算程序。石根华于1991年以拓扑流形和微分流形为基础提出了流形元法(MEM,Manifold Element Method)。利用有限覆盖的技术将连续与非连续介质综合考虑。可以统一解决有限元、DDA、解析方法的计算问题。该法经十余年的发展,已经比较完善,在工程实际应用方面有广阔的前景。颗粒流法(PFC,Particle Flow Code)是离散元法的分支,它可以有效地模拟大变形问题,模拟崩塌跌落过程。数值计算大大地提高了人们解决实际边值问题的能力,成为大型岩体工程,包括岩体地下工程、岩体坝基和岩体高边坡工程设计的不可缺少的手段。

3)岩体的试验研究。岩体试验研究方法包括现场与室内试验两种。它与数值计算方法相辅相成,互相验证。目前对于大型地下工程的设计已不限于用常规的单轴压缩试验确定岩石参数,大型的三轴刚性伺服实验机应用于岩石材料在全应力路径下的参数测定。电镜扫描、CT 技术应用于岩体材料的微观与细观的结构观测研究。各种地应力测量技术,如应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X 射线法、重力法等广泛应用于地下工程的现场测试。

物理模型试验能够更真实地反映各结构间的时间、空间的相对关系,模拟它们在施工和运行中过程中的性状,在水利水电工程设计中受到重视。但是地下洞室的模型试验由于难度太大而发展缓慢。以往的试验也限于二维、小比尺及高度简化的试验条件。例如1985年进行的二滩地下厂房二维模型试验,比尺为1∶350,应力场假设为均匀的,模型平面置于地面,无法模拟重力。由于地下水电站向着超大型、多洞室、高地应力的方向发展,进行地下厂房洞室群的大型三维地质力学模型试验已经提到日程上来了。清华大学、中国水科院及与有关国际研究机构合作,结合溪洛渡地下厂房,采用离散化多主应力面三维加载系统,步进机械臂和微型掘进机技术,微型高精度位移量测技术,声波测试技术,光纤测量技术以及内窥摄影技术,解决了地下洞室群地质力学模型试验中的复杂三维地应力仿真,隐蔽开挖模拟机内部量测等关键技术。为我国大西南地区的大型洞室试验研究开辟了途径。