火山影响区高水头引水式水电站勘察关键技术.pdf

火山影响区高水头引水式水电站勘察关键技术 主 要 完 成 人:齐三红、苗栋、闫长斌、杨风威、李清波、杨继华、姚阳、魏斌、娄国川、郭卫新、张党立、李今朝、曾峰、王勇鑫、李高留主要完成单位:黄河勘测规划设计研究院有限公司获 奖 情 况:2022 年度黄河水利委员会科技进步一等奖1 研究背景厄瓜多尔辛克雷水电站(CCS)总装机1500MW,总投资 23 亿美元,年发电量 88 亿kWh,是目前世界上总装机最大的冲击式水电站,也是中国企业海外承建的最大 EPC 总承包水电工程。辛克雷水电站包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道、地下厂房等五大建筑物,主要有世界规模最大的沉砂池、24.8km长输水隧洞、600m 级深竖井等众多建筑物,且工程位于火山活动影响区,地震地质构造活动剧烈,工程地质条件极其复杂,对工程勘察提出了巨大挑战。项目围绕火山灾害影响、坝基 200 余 m 的火山灰地层、沉砂池基础的不均匀沉降、长引水隧洞双护盾 TBM 施工过程中围岩快速判断和安全效能评估、高水头压力管道的勘察评价等重大技术难题进行了十余年的联合攻关,取得了系列创新性成果。2 成果创新点2.1 针对火山活动影响,构建了 Reven-tador 火山模型,揭示了火山致灾链孕灾机理,建立了火山喷发灾害定量化评估体系,提出了火山灰地层精细化处理方法。(1)基于 Reventador 火山历史喷发数据、喷发物现状分布、地质构造特征,选取不同时期的样本进行试验,进行气液固物理化学、放射性、地热变化梯度等特征数据分析,推演火山演化历史,构建了火山喷发模型。结合火山的特点、周边自然地理环境,提出了基于火山模型的火山致灾链,揭示了火山致灾链孕灾机理,为准确评估火山灾害影响奠定基础。(2)建立了火山喷发影响区地质灾害评价技术流程,按照最不利条件,在火山腔室内现有岩浆全部喷发后,采用能量锥模型对火山灾害进行模拟。(3)结合建筑物重要性、火山喷发灾害对建筑物影响概率和火山事件发生可能性,建立 VPC 评估准则 Z=VPC,根据 Z 值,绘制了火山灰灾害风险图和熔岩流灾害风险图,从而实现了对火山灾害定量化评估。(4)采用轴向应变值和动孔压比作为破坏标准对地基土开展动强度特性三轴试验,揭示了以火山灰为主体成分的沉积土,在饱和固结不排水状态下的动强度特性、动孔压和动变形特性。采用振型分解反应谱法和三维动力模型,明晰了火山灰地基沉砂池结构自振特性及度地震工况下基础动应力、位移以及基础沉降特性。提出了放缓上部坝21 治黄科技信息2023 年第 4 期坡解决重力坝坝段抗滑稳定和基础承载力问题,采用振冲碎石桩解决重力坝不均匀沉降问题、混凝土灌注桩解决沉砂池大变形问题的分区精细化处理技术。2.2 针对长距离引水隧洞,构建了围岩快速分级与支护优选机制、滚刀磨损与消耗评价模型、TBM 破岩效率与掘进性能预测方法,形成了一整套基于地质条件的隧洞施工安全效能评估体系。(1)构建了“岩机渣”复合关系模型,探明了 TBM 掘进过程中岩机、机渣、岩渣作用机理,提出了依据掘进参数、设备参数、渣料参数等数据获得岩石单轴饱和抗压强度、完整性系数等参数,进一步根据现有规范对岩体进行分级,实现了围岩快速分级和支护型式选择。(2)基于现场易于获取的实测数据,提出刀圈综合磨损系数 Kc=xRP(xtan+T)/(FnRiS),进一步提出刀圈磨损综合预测模型:S=xRP(xtan+T)/(FnRiKc)。在保留利用 TBM 工作条件等级进行刀具消耗预测的优势下,对已有拟合函数公式进行优化改进;考虑机械设计因素并引入 TBM 滚刀直径影响因子,建立了一种同时考虑地质适宜性和滚刀直径影响的刀具消耗预测模型,计算结果更接近实际耗刀率,更具合理性。提出了一种基于岩渣粒径分布规律的TBM 刀具消耗评价方法,揭示了 TBM 刀具消耗规律与岩渣粗糙度指数、岩渣颗粒级配系数以及岩渣粒径分组比例等参数之间的相关关系,并探讨了不同围岩条件下 TBM 刀具消耗随岩渣粒径分布特征的变化规律。(3)从 TBM 破岩过程能量耗散与转换机制出发,通过探讨岩渣粒径分布与围岩条件、TBM 掘进推力之间的联系,建立了基于岩渣粗糙度指数的 TBM 破岩效率评价方法,并以此评估最佳 TBM 破岩效率对应的最优掘进推力区间。选取关键地质因素并建立物元模型的基础上,提出了基于可拓学理论的TBM 掘进效率评价方法。(4)将 PLSR 和 DNN 进行耦合,充分发挥二者优势,提出基于 PLSR-DNN 耦合方法的 TBM 净掘进速率预测模型,该模型具有收敛速度快、求解稳定和拟合精度高等优点。考虑到 TBM 施工过程中的风险与不确定性,引入区间预测方法,提出了一种基于 Boot-strap-SVR-ANN 算法的 TBM 施工速度区间预测模型。该模型可在一定程度上解决 AR瞬时值/平均值预测未考虑不确定性因素的缺陷,不但具有较好的点预测效果,且预测区间能够将施工速度的实测值完全包络,表现出较高的可靠性。2.3针对高水头电站,提出了深竖井(600m 级)反井钻机施工导孔围岩类别评判方法;构建了基于地应力场、渗流场的高压隧洞衬砌-围岩耦合作用分析模型,确定了最大灌浆压力和最佳深度;研发了在最小地应力/内水压力小于 1.3 的情形下采用钢筋混凝土透水衬砌的支护技术。(1)建立了反井钻机动态参数、渣料形态及返水情况与围岩映射关系,提出了深竖井(600m 级)施工导孔围岩类别评判方法,实现了竖井围岩条件的超前准确评价,破解了制约反井钻机反扩导井施工的突出难题。(2)构建了基于地应力场、渗流场的高压隧洞衬砌围岩耦合作用分析模型,将衬砌内表单位长度渗漏量作为因变量,通过控制边界条件的变化,调整固灌的深度,分析渗漏量的变化,通过敏感性分析确定最佳固灌深度、最大固结灌浆压力。(3)提出了“透水衬砌+钢衬”的高压隧洞新型支护方式,引入安全性评价指标Fs(x)=3(x)pw(x),综合考虑压力隧洞经济性评价指标 s(x)=M固灌(x)+M透水衬(x)+M钢衬(x),构建钢衬与透水衬砌耦合计算模型(下转第 24 页)31治黄科技成果枝大量堆积、易燃、环境污染等问题。(2)研制的高空作业升降平台配置有两套控制器,地面与平台操作人员均可自行控制升降,采取液压支脚和平衡气泡为车体的平衡稳定提供了有力保障,解决了限高设施、标志标牌维护和树枝修剪等高空作业的升降及安全问题。(3)研制的异变电流设施由低压变高压,为户外提供远距离安全可靠的 220V 电力输出,解决了维修养护电动工器具的应急供电需求。(4)研制的料口安全封闭设施由进料安全封闭门和出料袋装卡扣组成,采取进料安全封闭门可有效避免出现安全事故,出料袋装卡扣便于碎料集中回收利用。该项目2020 年12 月获河南河务局科技进步二等奖;2021 年 11 月取得国家新型实用专利;2021 年12 月荣获黄委“新技术、新方法、新材料及其推广应用成果”“三新”认定;2022 年 12 月通过黄委科技项目评审,荣获三等奖。4 示范应用情况移动组合式破碎升降供电一体机研制成功后,先后在孟州黄河所辖工程、孟州市自然资源和规划局林场、孟州市水利局白墙水库、温县河务局大玉兰、武陟第一河务局老田痷等单位得到应用,受到了一线职工的一致好评,实现了一机多用,解决了工程管理中树枝清理、外运问题,并兼具照明、标志标牌维护和树枝修剪等高空作业的功能。5 推广应用前景移动组合式破碎升降供电一体机所具功能比较全面,是较为理想的维修养护机械,且包含物料破碎、作业平台升降、电压逆变供电照明等功能于一体,能够较好地担负水利工程养护任务,利用物料破碎、供电、升降等特定功能为一线职工人提供施工便利,具有轻便、灵活、操作便利、移动快速、安全环保、工作效率高等特点,该机具有较高的创新价值和广阔的推广应用前景。【供稿:焦作孟州河务局 许发文 河南河务局水务集团 何辛】(上接第 13 页)minf(x)=a(r)h(L-x)dr+b(L-x)+cxcL+1Fs3(x),研发了在最小地应力/内水压力小于 1.3 的情形下钢筋混凝土透水衬砌支护技术,确定了钢衬最小长度及安全标准,避免了全洞段钢衬,实现了工程安全稳定运行。3 取得知识产权及获奖情况本项目获得国家发明专利 10 项、实用新型专利 15 项,发表论文 50 余篇,其中 SCI/EI收录 12 篇,专著 5 部,软件著作权 3 项。4 影响或意义2016 年 11 月 18 日,在国家主席习近平和厄瓜多尔总统的共同见证下,电站正式竣工发电,厄瓜多尔从清洁能源进口国变为出口国。研究成果丰富和发展了火山影响区高水头引水式水电工程地质勘察理论与实践,总体上达到国际领先水平。研究成果具有良好的经济效益和社会效益,已成功应用于兰州水源地、天水曲溪城乡供水等工程项目,在南水北调西线、引黄济宁等长距离引调水工程和抽水蓄能电站等高水头工程中具有广泛的推广应用价值。【供稿:设计院 苗栋】42 治黄科技信息2023 年第 4 期