火山影响区高水头引水式水电站勘察关键技术.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
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