摘要：三峽水利樞紐應用基礎的研究，是由國家自然基金委員會(huì )與三峽開(kāi)發(fā)總公司聯(lián)合組織的大型綜合性研究活動(dòng)。結合三峽工程生產(chǎn)實(shí)際，對三峽工程泥沙問(wèn)題；通航建筑物應用基礎；高邊坡基礎理論；混凝土材料及水工建筑物安全監測五個(gè)方面進(jìn)行了系統的研究探討，不少成果可以直接應用于三峽工程建設中，這些研究也推動(dòng)了我國工程應用基礎的提高。

　　關(guān)鍵詞：仿真模擬；巖體力學(xué)；混凝土耐久性；高摻粉煤灰

　　《三峽水利樞紐工程幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的應用基礎研究》是1994年國家自然科學(xué)基金委員會(huì )和中國長(cháng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司聯(lián)合資助和領(lǐng)導下開(kāi)展的一項大型綜合性研究。所謂“應用基礎”實(shí)際是指工程設計、工程施工應用技術(shù)的基礎理論。經(jīng)過(guò)5年研究。取得了預期的成果，已于1999年6月在三峽壩區通過(guò)國家科委組織的專(zhuān)家組驗收。

　　此項研究涉及三峽工程的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，側重于從應用基礎理論上解決工程疑點(diǎn)和難點(diǎn)，在研究中理論與工程實(shí)際相結合。所獲成果，對三峽工程有的具有直接應用價(jià)值，有的需要在工程進(jìn)展中加以驗證。從專(zhuān)家意見(jiàn)中反映出，這些研究推動(dòng)了我國相關(guān)領(lǐng)域工程應用基礎理論水平的提高，一些技術(shù)還可以推廣應用到其它水利水電工程上去�，F將研究的內容和取得的成果按以下五個(gè)課題予以介紹：

　　1、三峽工程泥沙問(wèn)題研究

　　三峽樞紐上游年輸沙量大，樞紐建成后，大量泥沙將在水庫內淤積，壩下游河道則發(fā)生沖涮，若不加以妥善解決，將影響水庫壽命和樞紐效益的充分發(fā)揮。本課題研究了以下內容。

　　1.1 幾個(gè)泥沙基礎問(wèn)題

　　主要有：淤積物的密實(shí)度及干容重變化研究；泥沙起動(dòng)規律研究；推移質(zhì)運動(dòng)特性和輸沙率研究；底層泥沙交換、狀態(tài)概率及推懸比研究；水流挾沙力研究。

　　1.2 壩區泥沙淤積和壩下河道演變

　　內容有：通航建筑物引航道防淤清淤措施研究；電站引水防沙措施研究；河道床面粗化研究；河道床面形態(tài)和阻力；壩下游河道演變及河型轉化。

　　1.3 數學(xué)模型和實(shí)體模型技術(shù)研究

　　進(jìn)行了模型沙特性研究；實(shí)體模型變率研究；實(shí)體模型圖像分析系統；長(cháng)系列試驗方法比較；數學(xué)模型試驗中a系數研究；回流區泥沙淤積計算。

　　關(guān)于泥沙的基礎理論研究，在水庫淤積物密實(shí)過(guò)程、泥沙起動(dòng)規律、沖積河道阻力和床面粗化、推移質(zhì)運動(dòng)特性、底層泥沙交換和水流挾沙力等問(wèn)題上都獲得了創(chuàng )新性的研究成果。對于通航建筑物引航道的防淤清淤措施、電站的引水防沙方案已為設計部門(mén)所采用。對于實(shí)體模型中的模型沙特性研究、模型變率的影響、長(cháng)系列試驗方法以及數學(xué)模型中不平衡輸沙恢復飽和系數，回流區泥沙淤積等都作了深入的分析和探討，其研究成果有助于澄清三峽工程泥沙科研中長(cháng)期存在的不同認識，本課題中建立的實(shí)體模型圖象分析系統能夠在短時(shí)間內量測大面積水域的流場(chǎng)，是一項十分有用的新技術(shù)。

　　2、通航建筑物的應用基礎研究

　　本課題對三峽工程通航建筑物的通航條件、船閘水力學(xué)、船舶運行仿真模型和船舶技術(shù)應用中的一系列基礎理論問(wèn)題進(jìn)行了研究。

　　2.1 樞紐泄洪對壩區通航條件的影響

　　從樞紐泄洪對上下游航道通航條件的影響、電站調峰非恒定流對通航條件的影響、通航水流條件的航行判據的研究表明，通過(guò)采取相應的措施，優(yōu)化船閘與電站的運行方式，可以達到壩區通航條件的要求。

　　2.2 船閘輸水系統和閘閥門(mén)水力學(xué)解決以下技術(shù)難題

　�。�1）輸水系統水力學(xué)：三峽永久船閘輸水系統采用了4區段8支管，頂支孔出水，蓋板消能的動(dòng)力平衡系統，它可使水流均勻分布于整個(gè)閘室平面，從而可減少閘室輸水所導致的非恒定流水面波動(dòng)和局部水流紊動(dòng)。通過(guò)試驗及計算分析得出，支孔形狀、廊道雷諾數、廊道阻力、支孔高寬比、支孔總面積與廊道面積比等，是影響出流的一些因素，并提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

　�。�2）船閘閥門(mén)水動(dòng)力學(xué)特性。

　�。�3）閥門(mén)空化特性及控制空化措施。

　�。�4）閥門(mén)流激振動(dòng)特性及減振措施。

　�。�5）船閘人字閘門(mén)運行動(dòng)水阻力。

　�。�6）船閘水工模型試驗縮尺效應。

　　2.3 船閘運行過(guò)程仿真模擬試驗

　　采用計算機仿真模擬方法對船閘輸水及船舶過(guò)閘過(guò)程進(jìn)行模擬，其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟、快速、宜于長(cháng)期保留，預演過(guò)程整體性強。主要模擬過(guò)程有：船閘輸水過(guò)程仿真、航行條件的快時(shí)模擬、船舶航行條件實(shí)時(shí)模擬器的研究、船閘運行可行性分析。

　　本課題的主要研究成果：如超高水頭大流量的閥門(mén)水力學(xué)、通航建筑物的通航條件和船舶試驗技術(shù)研究等都已達到國際領(lǐng)先水平。對于非恒定流減壓模型試驗方法和試驗設備的研制、閥門(mén)段廊道流態(tài)特征和急變分離流機理、門(mén)楣通氣減少空蝕的綜合措施、分散輸水系統中出水支孔流量分配規律、泄洪產(chǎn)生引航道往復流的機理、小尺度船模的相似性等研究成果都已應用于三峽工程設計，并據此修改了《船閘設計規范》中的輸水系統部分條文，成果具有廣泛的推廣價(jià)值。

　　3、三峽船閘高邊坡若干基礎理論研究

　　此輪高邊坡研究基本上是國家八五科技攻關(guān)三峽研究的延續和深化，內容側重于工程巖體力學(xué)的應用基礎理論。由于研究工作與永久船閘高邊坡施工平行進(jìn)行，因此研究成果除了一部分可以用于指導反饋設計和施工以外，大部分成果對我國高邊坡工程，特別是卸荷高邊坡工程，可為設計提供理論武器和較先進(jìn)的分析手段。

　　3.1 關(guān)于巖體力學(xué)性質(zhì)的研究

　　三峽壩區的閃云斜長(cháng)花崗巖屬性良質(zhì)優(yōu)的巖體。由于建閘開(kāi)挖體坡高（170m）、體長(cháng)（1610m）、塹深（67m）；由于山體下部誘發(fā)的地應力釋放；由于風(fēng)化和巖體結構面的發(fā)育發(fā)展；導致巖體宏觀(guān)力學(xué)性質(zhì)與按常規試驗獲得的力學(xué)數值之間存在差異，而且在開(kāi)挖后會(huì )有性質(zhì)弱化的趨勢。

　　通過(guò)研究，在試驗與調查基礎上，建立了巖體宏觀(guān)力學(xué)參數模擬理論，提供能較真實(shí)反映現場(chǎng)巖體性質(zhì)的參數值。如巖體的變形模量，微新巖體可取為20～30GPa.研究表明，巖石在三向應力狀態(tài)下，卸圍壓可導致巖石的開(kāi)裂。開(kāi)挖后的高邊坡，巖體同時(shí)存在加載和卸荷，卸荷效應會(huì )引起巖性區域的重新劃分，從坡表至深層出現程度不同地巖體變形、松動(dòng)和開(kāi)裂。研究認為區內花崗巖體存在著(zhù)卸荷流變效應，此種流變可通過(guò)正、反分析予以界定。

　　3.2 高邊坡巖體穩定分析方法的研究和應用

　　在具有不同理論背景的巖體破壞機理研究分析基礎上，采用各種不同的方法對高邊坡的穩定進(jìn)行了分析計算。以反映變形規律和變形量。

　　分析使用的方法不同于過(guò)去較明顯的是，在計算模型中較多地運用了脆性理論。如有的引進(jìn)、開(kāi)發(fā)、應用“斷裂損傷介質(zhì)分析系統”，對高邊坡進(jìn)行了斷裂損傷彈塑性與流變分析；有的針對三峽船閘高邊坡建立了脆彈粘性理論分析的計算模型；亦有數家單位采用其它方法試圖解釋三峽船閘高邊坡卸荷巖體的變形和非連續性問(wèn)題，如離散元法（DEM）、不連續變形分析法（DDA）、數值流形方法及卸荷非線(xiàn)性分析。

　　從分析結果看，在三峽船閘高邊坡不同斷面的特征點(diǎn)上，在垂直于船閘軸線(xiàn)方向上，最大水平位移大都不超過(guò)50mm.清華大學(xué)用斷裂損傷流變模型計算的位移量在坡頂最大，為100～300mm，其它部位為50mm左右。給出的流變量，即開(kāi)挖結束后繼續隨時(shí)間發(fā)展的位移量為5mm，收斂期為一年。

　　此外，有的運用潘家掙塑性力學(xué)的上下限理論，用組合塌滑體的剛體極限平衡分析方法，給出高邊坡整體穩定問(wèn)題中沿最大可能滑動(dòng)面滑動(dòng)的邊坡體穩定安全系數大于5。

　　完成的其它成果有：對滲流水荷載、爆破動(dòng)力荷載的分析研究；用錨固模型的流變損傷分析方法研究錨固機理等。

　　4、三峽工程混凝土原材料研究

　　本課題結合三峽工程的需要，以提高混凝土的耐久性為中心，研究混凝土的配合成份，配置出高性能混凝土、抗沖耐磨混凝土、微膨脹水泥和灌漿改性超細水泥等方面都有所創(chuàng )新，其中改性超細水泥灌漿已在三峽工程中試用。研究成果的水平總體上處于國際前列。