研究目的：

1) 測試和驗證設計采用的各種技術參數；

2) 檢驗高壓固結灌漿對提高圍巖的品質、抗內壓及抗滲能力的程度；

3) 了解高壓固結灌漿對鋼筋砼襯砌所產生的預壓應力，及其松弛系數，預應力的保持情況；

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。

研究內容：

滿足滲透穩定準則的關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圍巖進行高壓灌漿處理，特別是對不良地質洞段的灌漿處理，本次固結灌漿現場試驗主要內容就是開展灌漿設計及施工的相關試驗研究工作。

1) 為了解在不同圍巖中，高壓固結灌漿對提高圍巖的品質、抗內壓及抗滲能力的效果，試驗根據不同圍巖分類選取三種不同的工程地質單元進行試驗；

2) 為研究圍巖在灌漿前后的物理力學狀態及其變化規律，試驗安排在固結灌漿前、水泥灌漿結束后、化學灌漿結束后三個不同階段對圍巖的物理力學指標進行現場測試，分析其在灌漿前后的變化，評價灌漿效果，為高壓隧洞圍巖的穩定分析、支護措施和防滲措施研究提供依據；

3) 為驗證針對不良地質洞段加強灌漿處理措施的合理性，了解斷層裂隙洞段在灌漿后抗內壓及抗滲能力的提高程度，進行斷層灌漿試驗；

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

5) 為了解試驗洞的圍巖變形、襯砌變位、鋼筋應力及混凝土應變的情況，在試驗洞布置了相關監測儀器進行各試驗階段的同步監測，為試驗成果分析提供基礎資料。

研究方法及技術路線：

考慮到本電站混凝土隧洞最大靜水壓力高達7.99MPa，超出國內所有已建工程，為進一步了解圍巖性狀，優化圍巖灌漿等設計參數，達到圍巖加固及防滲目的，參考廣蓄一期工程經驗，招標階段進行現場模型試驗，開展巖體透水性與變形特征復核研究工作，檢驗優化高壓灌漿設計參數，確保高壓水道設計安全。

根據工程情況，試驗洞位置擬定在前期地質探洞，該位置有如下優點，一是具備提前實施試驗條件，便于優化調整灌漿等設計參數；二是利用現有地質探洞擴挖，減少開挖及支護的工程量；三是試驗洞與輸水系統隧洞施工不存在干擾，不影響施工工期。

試驗洞擬采用1:1的比例尺，現場模型試驗按照Ⅰ～Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類圍巖三個工程地質單元進行，開展現場巖體變形測試（彈性模量、變形模量），高壓壓水試驗、超聲波測試、水力劈裂試驗及試驗過程中的監測。

試驗分三個階段分別進行檢查：

階段I（固結灌漿前），主要工作內容包括開挖后未灌漿巖體試驗、襯砌混凝土澆筑及觀測儀器埋設。

階段II（水泥灌漿結束后28d），主要工作內容包括數據觀測和階段2現場巖體試驗。

階段III（化學灌漿結束后28d），主要工作內容包括數據觀測和階段3現場巖體試驗。

通過對不同階段的試驗成果進行分析，并與相應的數值模擬成果進行對比及反分析研究，對灌漿設計參數和工藝設備進行優化調整。

研究必要性：

研究電站運行期不同工況下高壓隧洞區地下水滲流場，論證高壓隧洞與斷層、裂隙等復雜地質構造的滲透穩定性，并對滲透穩定性較差區域的防滲和排水處理措施進行研究，提出防滲排水措施；校核高壓隧洞發生水力劈裂的可能性，為工程防滲加固處理設計提供技術參數和依據。

研究內容：

確定涵蓋整個地下廠房及輸水管線區的水文地質單元，研究水文地質單元內，天然條件下和工程勘探過程中地下水的補、徑、排條件，構建整體的結構面導水網絡，尤其是對工程關鍵部位有影響的導水構造，重點論證其連通性和滲透性。對于輸水管線區，依據斷層、裂隙統計資料分析對地下水運動起控制作用的結構面發育規律，研究控水結構面空間幾何特征及水文地質性狀，結合工程部位建立內水外滲的三維滲流場數值模型，確定主要的滲漏通道。對在高內水壓作用下的水道安全性及圍巖滲透穩定性問題進行分析和評價，為結構計算提供滲流邊界條件等。

研究方法及擬采用的技術路線：

1）查明涵蓋整個地下廠房及輸水管線區的水文地質單元，研究水文地質單元內天然條件下和工程勘探過程中地下水的補徑排條件，構建整體的結構面導水網絡，尤其是對工程關鍵部位有影響的導水構造，重點論證其連通性和滲透性。

2）以最新統計分析技術為手段，從巖體裂隙結構面透水性角度，統計研究區滲水結構面的發育規律、展布特點及相互連通性，對研究區滲水結構面進行分類。

3）建立巖體三維裂隙網絡滲流水文地質模型

系統復核已有的現場測試、試驗、鉆探和地質調查資料，結合必要的現場水文地質條件調查和現場試驗，確定水文地質分區，查明主要透水斷層和裂隙的分布，以及它們之間的水力聯系，建立輸水管線及地下廠房區巖體的滲流分析水文地質模型，初步確定水道圍巖控制性結構面及集中滲流通道。

4）地下廠房及輸水管線不同工況下裂隙水滲流模擬

根據研究區三維裂隙網絡地質模型，進行不同工況下裂隙水滲流模擬，對地下水水頭、滲水量進行預測預報。特別是對引水和尾水隧道充、放水等各種工況下的高壓隧洞和地下廠房區巖體裂隙分布規律進行評價。

根據初步確定的集中滲流通道，并結合試驗洞現場高壓壓水試驗成果，計算水道圍巖在高滲壓下的滲透特性，結合現場巖體水力劈裂試驗，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定性評價

在高壓水流作用下，上游調壓井至岔管等超高水頭段圍巖可能產生高滲透水壓，導致圍巖中的斷裂構造張開、形成優勢滲流通道并產生水力劈裂現象，從而改變巖體原有的結構，產生侵蝕及泥化等作用，并對圍巖的滲透穩定性產生不利影響，擬對此進行專題研究。

• 考慮巖體的非均質性和各向異性，建立反映引水隧洞圍巖地層巖性、地質構造（控制性結構面及優勢裂隙）以及滲控措施的三維有限元模型。以此計算高壓引水隧洞的外水壓力和水道充水條件下的內水外滲量。

• 考慮鋼筋混凝土襯砌為透水介質，隧洞設計以圍巖為主體，圍巖和襯砌有條件聯合承載，從理論上對圍巖的受力機理進行研究。基于外水壓力計算結果，對充水過程壓力隧洞的安全性進行評價。

• 給出高內水壓作用下圍巖的水力劈裂校核準則。通過對高壓引水隧洞圍巖充水過程中進行水力劈裂校核，評價其圍巖滲透穩定性。

研究必要性：

高壓岔管是本工程關鍵部位之一，承受高達8.0MPa的靜水壓力，且抽水蓄能電站的岔管要適應抽水、發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。在多機共用一個引水系統情況下，岔管內部和底部水流狀態復雜，局部體形和尺寸對水力參數有較明顯的影響。內部流態常會伴有復雜的二次流、漩渦、脫流等水力現象，使局部水頭損失較大，受力條件相對較差。

開展本研究目的是為了優化壓力岔管的結構體型，實現水力條件較好，各分岔口流速分布和流量分配趨于均勻、合理，并使抽水、發電工況的水頭損失相對較小的目的，避免局部流態的惡化。同時為簡化岔管配筋、進而簡化施工難度、保證施工質量做好基礎。

研究內容：

岔管的設計均應滿足如下的水力學要求：1)岔管的水頭損失要小，流態穩定；2)岔管內水流不產生大的紊動；3)支管尺寸相同的岔管，其水頭損失應大致相同；4)當一條支管內的流量變化時，不應產生大的紊動和管壁脈動壓力。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路線：

在多機共用一個引水系統情況下，岔管內部和底部水流狀態復雜，局部體形和尺寸對水力參數有較明顯的影響。研究流體流動的方法有理論分析、實驗研究和數值模擬三種，在對岔管內水流流動進行研究方面要通過水力學模型試驗和三維流場計算分析，論證并確定岔管的合理體形，使其既滿足水力學要求，又滿足結構強度方面的要求。

1）物理模型試驗研究

本工程是一管三機的岔管型式，在這種多機共用的體系內，水流狀態復雜，局部體形和尺寸對水力參數有較明顯的影響。對岔管進行水力優化，首先結合已建廣蓄、惠蓄、清蓄及深蓄等岔管的研究成果，對高壓岔管進行方案布置，根據布置圖紙進行水力學物理模型試驗，模型試驗包括模型研制、調試、試驗、分析匯總4個階段。

2）數值模型試驗研究

考慮到物理模型試驗條件的限制和測試精度的問題，也只能給出大量試驗的統計結果。通過數值模型試驗CFD技術優化岔管型式，改善岔管內部的水流的流態能以較少的費用和較短的時間獲得大量有價值的研究結果，對投資大、周期長、難度高的實驗研究來說，CFD的優點就更為突出。通過三維數值計算，可得到不同工況下岔管的水流狀態、岔管的流量分配及水頭損失系數大小，從而可以確定岔管的優良型式；CFD分析代替了大量的實驗從而節省了大量的人力物力，簡化和加快工程的設計與優化進度。

結合數值模型試驗與物理模型試驗對比分析研究成果，為工程設計提供科學的依據以及切實可行的工程措施，確保電站安全穩定運行。

研究必要性：

高壓鋼筋混凝土岔管是陽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，最大動水壓力為11.0MPa，最大內徑7.5m，最大PD值為8250t/m，屬于大直徑高水頭的大型岔管，其規模處于世界前列。鋼筋混凝土襯砌充分依靠圍巖來承載水壓力，對地質條件要求較高，而由于地質條件的復雜性，一些抽水蓄能電站鋼筋混凝土壓力隧洞在充水后發生了不同程度的漏水現象，處理過程往往費時費力。因此，須重視高水頭鋼筋混凝土岔管的結構設計計算。

研究內容：

鋼筋砼岔管的結構分析計算主要包含圍巖和襯砌砼兩部分，圍巖穩定分析需要計算圍巖的初始地應力場，計算岔管開挖圍巖產生變位、松弛后的二次應力場，計算內水壓力作用下圍巖的應力場。襯砌砼結構計算需要考慮砼在內水壓力、外水壓力、灌漿壓力等荷載作用下的應力、應變。

研究方法及采用的技術路線：

在高水頭壓力作用下，岔管襯砌砼會開裂，作用在襯砌砼上的力不是面力而是滲透體積力，需要運用透水隧洞設計理論，計算砼開裂后襯砌與圍巖形成的滲流場，將滲壓作為體積力作用到襯砌砼和圍巖上。

考慮陽蓄高壓岔管水頭高、結構體型復雜，除我院對陽蓄高壓鋼筋混凝土岔管結構進行三維有限元計算分析外，擬另外委托有經驗的科研單位采用不同的計算程序和計算邊界進行結構分析計算，與我院計算結果進行對比分析，完善高壓岔管的結構設計參數，確保工程的安全穩定運行。

高壓岔管體型圖

高壓岔管數值模型

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設計研究院有限公司

參與人員：宋春華、饒柏京、黃勇、劉林軍、王匯明、薛繼樂、萬利臺、王明