研究目的：

1) 测试和验证设计采用的各种技术参数；

2) 检验高压固结灌浆对提高围岩的品质、抗内压及抗渗能力的程度；

3) 了解高压固结灌浆对钢筋砼衬砌所产生的预压应力，及其松弛系数，预应力的保持情况；

4) 寻求合理可行的施工方法，施工工艺和工程措施；

5) 选择合理的灌浆孔深度和压力。

研究内容：

满足渗透稳定准则的关键是提高围岩的整体防渗性能，降低围岩的透水率。提高围岩的整体防渗性能，唯一可靠的措施是对围岩进行高压灌浆处理，特别是对不良地质洞段的灌浆处理，本次固结灌浆现场试验主要内容就是开展灌浆设计及施工的相关试验研究工作。

1) 为了解在不同围岩中，高压固结灌浆对提高围岩的品质、抗内压及抗渗能力的效果，试验根据不同围岩分类选取三种不同的工程地质单元进行试验；

2) 为研究围岩在灌浆前后的物理力学状态及其变化规律，试验安排在固结灌浆前、水泥灌浆结束后、化学灌浆结束后三个不同阶段对围岩的物理力学指标进行现场测试，分析其在灌浆前后的变化，评价灌浆效果，为高压隧洞围岩的稳定分析、支护措施和防渗措施研究提供依据；

3) 为验证针对不良地质洞段加强灌浆处理措施的合理性，了解断层裂隙洞段在灌浆后抗内压及抗渗能力的提高程度，进行断层灌浆试验；

4) 为探索化学灌浆低压力灌浆情况下，承担高压水的可行性，并为以后主体隧洞化学灌浆压力的确定提供依据，本次试验引入化灌压力试验；

5) 为了解试验洞的围岩变形、衬砌变位、钢筋应力及混凝土应变的情况，在试验洞布置了相关监测仪器进行各试验阶段的同步监测，为试验成果分析提供基础资料。

研究方法及技术路线：

考虑到本电站混凝土隧洞最大静水压力高达7.99MPa，超出国内所有已建工程，为进一步了解围岩性状，优化围岩灌浆等设计参数，达到围岩加固及防渗目的，参考广蓄一期工程经验，招标阶段进行现场模型试验，开展岩体透水性与变形特征复核研究工作，检验优化高压灌浆设计参数，确保高压水道设计安全。

根据工程情况，试验洞位置拟定在前期地质探洞，该位置有如下优点，一是具备提前实施试验条件，便于优化调整灌浆等设计参数；二是利用现有地质探洞扩挖，减少开挖及支护的工程量；三是试验洞与输水系统隧洞施工不存在干扰，不影响施工工期。

试验洞拟采用1:1的比例尺，现场模型试验按照Ⅰ～Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类围岩三个工程地质单元进行，开展现场岩体变形测试（弹性模量、变形模量），高压压水试验、超声波测试、水力劈裂试验及试验过程中的监测。

试验分三个阶段分别进行检查：

阶段I（固结灌浆前），主要工作内容包括开挖后未灌浆岩体试验、衬砌混凝土浇筑及观测仪器埋设。

阶段II（水泥灌浆结束后28d），主要工作内容包括数据观测和阶段2现场岩体试验。

阶段III（化学灌浆结束后28d），主要工作内容包括数据观测和阶段3现场岩体试验。

通过对不同阶段的试验成果进行分析，并与相应的数值模拟成果进行对比及反分析研究，对灌浆设计参数和工艺设备进行优化调整。

研究必要性：

研究电站运行期不同工况下高压隧洞区地下水渗流场，论证高压隧洞与断层、裂隙等复杂地质构造的渗透稳定性，并对渗透稳定性较差区域的防渗和排水处理措施进行研究，提出防渗排水措施；校核高压隧洞发生水力劈裂的可能性，为工程防渗加固处理设计提供技术参数和依据。

研究内容：

确定涵盖整个地下厂房及输水管线区的水文地质单元，研究水文地质单元内，天然条件下和工程勘探过程中地下水的补、径、排条件，构建整体的结构面导水网络，尤其是对工程关键部位有影响的导水构造，重点论证其连通性和渗透性。对于输水管线区，依据断层、裂隙统计资料分析对地下水运动起控制作用的结构面发育规律，研究控水结构面空间几何特征及水文地质性状，结合工程部位建立内水外渗的三维渗流场数值模型，确定主要的渗漏通道。对在高内水压作用下的水道安全性及围岩渗透稳定性问题进行分析和评价，为结构计算提供渗流边界条件等。

研究方法及拟采用的技术路线：

1）查明涵盖整个地下厂房及输水管线区的水文地质单元，研究水文地质单元内天然条件下和工程勘探过程中地下水的补径排条件，构建整体的结构面导水网络，尤其是对工程关键部位有影响的导水构造，重点论证其连通性和渗透性。

2）以最新统计分析技术为手段，从岩体裂隙结构面透水性角度，统计研究区渗水结构面的发育规律、展布特点及相互连通性，对研究区渗水结构面进行分类。

3）建立岩体三维裂隙网络渗流水文地质模型

系统复核已有的现场测试、试验、钻探和地质调查资料，结合必要的现场水文地质条件调查和现场试验，确定水文地质分区，查明主要透水断层和裂隙的分布，以及它们之间的水力联系，建立输水管线及地下厂房区岩体的渗流分析水文地质模型，初步确定水道围岩控制性结构面及集中渗流通道。

4）地下厂房及输水管线不同工况下裂隙水渗流模拟

根据研究区三维裂隙网络地质模型，进行不同工况下裂隙水渗流模拟，对地下水水头、渗水量进行预测预报。特别是对引水和尾水隧道充、放水等各种工况下的高压隧洞和地下厂房区岩体裂隙分布规律进行评价。

根据初步确定的集中渗流通道，并结合试验洞现场高压压水试验成果，计算水道围岩在高渗压下的渗透特性，结合现场岩体水力劈裂试验，确定隧洞围岩的水力劈裂临界压力值。

5）高压水道安全性及围岩渗透稳定性评价

在高压水流作用下，上游调压井至岔管等超高水头段围岩可能产生高渗透水压，导致围岩中的断裂构造张开、形成优势渗流通道并产生水力劈裂现象，从而改变岩体原有的结构，产生侵蚀及泥化等作用，并对围岩的渗透稳定性产生不利影响，拟对此进行专题研究。

• 考虑岩体的非均质性和各向异性，建立反映引水隧洞围岩地层岩性、地质构造（控制性结构面及优势裂隙）以及渗控措施的三维有限元模型。以此计算高压引水隧洞的外水压力和水道充水条件下的内水外渗量。

• 考虑钢筋混凝土衬砌为透水介质，隧洞设计以围岩为主体，围岩和衬砌有条件联合承载，从理论上对围岩的受力机理进行研究。基于外水压力计算结果，对充水过程压力隧洞的安全性进行评价。

• 给出高内水压作用下围岩的水力劈裂校核准则。通过对高压引水隧洞围岩充水过程中进行水力劈裂校核，评价其围岩渗透稳定性。

研究必要性：

高压岔管是本工程关键部位之一，承受高达8.0MPa的静水压力，且抽水蓄能电站的岔管要适应抽水、发电工况双向水流的水力条件和两种工况的频繁切换的特点。在多机共用一个引水系统情况下，岔管内部和底部水流状态复杂，局部体形和尺寸对水力参数有较明显的影响。内部流态常会伴有复杂的二次流、漩涡、脱流等水力现象，使局部水头损失较大，受力条件相对较差。

开展本研究目的是为了优化压力岔管的结构体型，实现水力条件较好，各分岔口流速分布和流量分配趋于均匀、合理，并使抽水、发电工况的水头损失相对较小的目的，避免局部流态的恶化。同时为简化岔管配筋、进而简化施工难度、保证施工质量做好基础。

研究内容：

岔管的设计均应满足如下的水力学要求：1)岔管的水头损失要小，流态稳定；2)岔管内水流不产生大的紊动；3)支管尺寸相同的岔管，其水头损失应大致相同；4)当一条支管内的流量变化时，不应产生大的紊动和管壁脉动压力。5)各分岔口流速分布和流量分配趋于均匀、合理。

研究方法及采用的技术路线：

在多机共用一个引水系统情况下，岔管内部和底部水流状态复杂，局部体形和尺寸对水力参数有较明显的影响。研究流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟三种，在对岔管内水流流动进行研究方面要通过水力学模型试验和三维流场计算分析，论证并确定岔管的合理体形，使其既满足水力学要求，又满足结构强度方面的要求。

1）物理模型试验研究

本工程是一管三机的岔管型式，在这种多机共用的体系内，水流状态复杂，局部体形和尺寸对水力参数有较明显的影响。对岔管进行水力优化，首先结合已建广蓄、惠蓄、清蓄及深蓄等岔管的研究成果，对高压岔管进行方案布置，根据布置图纸进行水力学物理模型试验，模型试验包括模型研制、调试、试验、分析汇总4个阶段。

2）数值模型试验研究

考虑到物理模型试验条件的限制和测试精度的问题，也只能给出大量试验的统计结果。通过数值模型试验CFD技术优化岔管型式，改善岔管内部的水流的流态能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、难度高的实验研究来说，CFD的优点就更为突出。通过三维数值计算，可得到不同工况下岔管的水流状态、岔管的流量分配及水头损失系数大小，从而可以确定岔管的优良型式；CFD分析代替了大量的实验从而节省了大量的人力物力，简化和加快工程的设计与优化进度。

结合数值模型试验与物理模型试验对比分析研究成果，为工程设计提供科学的依据以及切实可行的工程措施，确保电站安全稳定运行。

研究必要性：

高压钢筋混凝土岔管是阳蓄工程中最重要的建筑物之一。高压岔管承受的最大静水压力为8.0MPa，最大动水压力为11.0MPa，最大内径7.5m，最大PD值为8250t/m，属于大直径高水头的大型岔管，其规模处于世界前列。钢筋混凝土衬砌充分依靠围岩来承载水压力，对地质条件要求较高，而由于地质条件的复杂性，一些抽水蓄能电站钢筋混凝土压力隧洞在充水后发生了不同程度的漏水现象，处理过程往往费时费力。因此，须重视高水头钢筋混凝土岔管的结构设计计算。

研究内容：

钢筋砼岔管的结构分析计算主要包含围岩和衬砌砼两部分，围岩稳定分析需要计算围岩的初始地应力场，计算岔管开挖围岩产生变位、松弛后的二次应力场，计算内水压力作用下围岩的应力场。衬砌砼结构计算需要考虑砼在内水压力、外水压力、灌浆压力等荷载作用下的应力、应变。

研究方法及采用的技术路线：

在高水头压力作用下，岔管衬砌砼会开裂，作用在衬砌砼上的力不是面力而是渗透体积力，需要运用透水隧洞设计理论，计算砼开裂后衬砌与围岩形成的渗流场，将渗压作为体积力作用到衬砌砼和围岩上。

考虑阳蓄高压岔管水头高、结构体型复杂，除我院对阳蓄高压钢筋混凝土岔管结构进行三维有限元计算分析外，拟另外委托有经验的科研单位采用不同的计算程序和计算边界进行结构分析计算，与我院计算结果进行对比分析，完善高压岔管的结构设计参数，确保工程的安全稳定运行。

高压岔管体型图

高压岔管数值模型

高压岔管灌浆三维图

高压岔管物理模型

参与单位：广东省水利电力勘测设计研究院有限公司

参与人员：宋春华、饶柏京、黄勇、刘林军、王汇明、薛继乐、万利台、王明