中國水能開發(fā)中的巖石力學(xué) 王思敬院士

1、中國水能開發(fā)中的巖石力學(xué),,王思敬 中國工程院能源與礦業(yè)工程學(xué)部wangsijing@tsinghua.edu.cn,地球－藍(lán)色水球,,,a. 水能資源及其開發(fā)b. 巖石力學(xué)問題及其發(fā)展 c. 進(jìn)展與展望,中國的水能資源及其開發(fā),,中國的水能資源,中國以其水能資源得天獨(dú)厚而居世界首位理論蘊(yùn)藏量為7.9億kW可開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)3.79億kW年發(fā)電量106.76億kWh,中國為什么要進(jìn)行水電開發(fā),進(jìn)行水電開發(fā)不僅僅是因?yàn)橹袊?/p>

2、具有豐富的水能資源，還在于:合理的能源結(jié)構(gòu)的需要有效的環(huán)境保護(hù),能源消耗的結(jié)構(gòu) %,年 2000 2010 2020煤炭 67.9 65.2—63.0 58.6—56.6 石油 23.6 20.9—22.2 21.8—22.8水電 5.2 7.6—6.9 8.6—7.5天然氣 2.2 4.8—7.1

3、7.1—9.7核能 0.36 1.2—1.1 2.9—2.5新能源 0.29 0.5—0.4 1.2—1.1,能源消耗的結(jié)構(gòu) %,發(fā)電所需能源的結(jié)構(gòu) %,年 2000 2010 2020煤炭 72.5 67 60.4水電 24.3 26.7 28.1天然氣 2 3.3

4、 5.2核能 0.6 2 4.2新能源 0.7 1 2.2,發(fā)電所需能源的結(jié)構(gòu) %,中國優(yōu)先發(fā)展的能源,優(yōu)先發(fā)展水電是長期以來我國能源發(fā)展的戰(zhàn)略方針,目前，水電的總裝機(jī)容量近1.0億kW，占可開發(fā)容量的26%，尚有很大的發(fā)展空間 。,未來 15-20 年的目標(biāo),今后15-20年間大量開發(fā)水電，實(shí)施“西電東送”計(jì)劃，是保證國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要舉措之一 。,未來

5、 15-20 年的目標(biāo),專家估計(jì)到2020年，水電總裝機(jī)應(yīng)可達(dá)到2.7億kW,水能開發(fā)率為65%,Total Installed Generating Capacity by Years,,總裝機(jī)發(fā)電容量/年,1億 kW裝機(jī)容量,1970 0.071980 0.231990 0.382000 0.672010*

6、 1.65—1.752020* 2.46—2.7* 預(yù)測數(shù)據(jù),水電裝機(jī)容量 （1億kW）,Schematic Map of Hydropower Stations of 1GW and above in Operation or Under Construction,,100 kW以上的在運(yùn)行或在建的水電站分布圖,Hydro Power Transmission to East,,水電東輸線路

7、,中國地勢西高東低，西南青藏高原有世界屋脊之稱。 大江大河多發(fā)源于此，其中上游水能資源極為豐富。大江大河集中分布在西部各省，尤其是云貴川,不良的地質(zhì)條件,在這些地區(qū)與能源優(yōu)勢相伴生的是地形崎嶇，高山深谷。地質(zhì)復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)性強(qiáng)，巖石破碎，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。工程地質(zhì)條件不良，是制約水電工程安全和造價(jià)經(jīng)濟(jì)的重要因素因此，巖石力學(xué)工程地質(zhì)水文地質(zhì)學(xué)受到極大的關(guān)注,Landmorphology of China,中國地形圖,Geodyna

8、mic system,,,,,,,水電開發(fā),中國水電開發(fā)的三個(gè)階段1950-1970年 發(fā)展緩慢1980-1990年 發(fā)展快速2000年- 高水平－大規(guī)模、飛速發(fā)展,1950s-1970s,50-60年代，以中小型水電站為主，裝機(jī)在100萬kW以下，最大壩高約100m左右。 作為混凝土壩多為重力壩、輕型重力壩、支墩壩、連拱壩和重力拱壩等。這些壩一般具有防洪、供水、發(fā)電等多種功能。,Xin An Ji

9、ang Dam,Xin An Jiang Dam,Fu Zi Ling Dam,,Fu Zi Ling Dam,San Men Xia Dam,,San Men Xia Dam,1980s-1990s,70年代到90年代，我國水電建設(shè)發(fā)展很快，上升了一個(gè)臺(tái)階。興建了一批高于100m，達(dá)到250m的高壩 采用了大型地下廠房，以及面板堆石壩和碾壓混凝土壩技術(shù),80年代到90年代,單水電站裝機(jī)容量達(dá)200-300萬kW葛洲壩（230萬kW

10、）、二灘240m高拱壩（裝機(jī)330萬kW）的興建，以及三峽的動(dòng)工等標(biāo)志了我國水電建設(shè)的新階段。,80年代到90年代,90年代還建設(shè)了我國第一批大型地下廠房，如二灘水電站，以及抽水蓄能電站如廣東流溪河的廣州抽水蓄能電站(240萬kw)、北京十三陵抽水蓄能電站等 。,Ge Zhou Ba Dam,Ge Zhou Ba Dam,Er Tan Dam,Er Tan Dam,,2000年－2020年,進(jìn)入21世紀(jì)以來，出現(xiàn)能源短缺，對(duì)水電能源的需

11、求更是猛增。,2000年－2020年,除三峽建設(shè)外，又安排了龍灘（500萬kW，小灣（420萬kW）等一批水電站開工。其中龍灘為已建和在建的世界最高的碾壓混凝土重力壩（240米）。 小灣為在建設(shè)中的世界最高的雙曲拱壩（290米）。水布埡為世界最高的面板堆石壩（240m）。,新的挑戰(zhàn),三個(gè)世界高壩金沙江溪洛渡瀾滄江小灣雅礱江錦屏正在同時(shí)建設(shè),研究和進(jìn)展,,,在20世紀(jì)中50多年的水電建設(shè)中，遇到很多的地質(zhì)問題。通過工程

12、建設(shè)的實(shí)踐不僅解決了工程問題，而且在理論和方法上也取得了很大的成績。水文工程地質(zhì)和巖石力學(xué)工作顯得越來越受到重視，并得到不斷發(fā)展。,重大工程問題,壩基處理 下游沖刷拱壩設(shè)計(jì)壩肩穩(wěn)定性地下開挖支護(hù)表層深開挖加固,高切坡穩(wěn)定性水庫誘發(fā)地震水庫誘發(fā)滑坡巖石蝕變高地下水壓力大壩－基礎(chǔ)相互作用,壩基,大壩是水電樞紐的核心工程，它的安全是工程的最主要問題 。葛洲壩工程為壩基軟弱泥化夾層的研究，是中國對(duì)軟弱夾層研究的范例。

13、是重力壩壩基抗滑穩(wěn)定性研究的重要突破 。,,,Ge Zhou Ba in Operation,葛洲壩,,,,,,,,,,,下游沖刷,大壩下游溢洪沖刷的作用影響到大壩的抗滑穩(wěn)定性 黃壇口(60年代)、鹽鍋峽(70年代)和雙牌(80年代)電站造成了教訓(xùn) 雙牌電站在6--7年汛期溢流條件下壩下游形成20-25米深的沖刷坑，只得采取加固處理 施工過程中，加固處理尤其困難。,Yan Guo Xia Dam,Yan Guo Xia Dam,雙

14、牌大壩,拱壩,二灘拱壩是中國第一個(gè)建成的240米以上的拱壩 。高拱壩的設(shè)計(jì)和建設(shè)通常對(duì)地質(zhì)和巖石力學(xué)條件有很高的要求。二灘拱壩的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了一系列的工程經(jīng)驗(yàn)。,,在它的建基的研究中提出利用弱風(fēng)化正長巖下部，而不是采用新鮮的未風(fēng)化巖體。 否則如果采用新鮮的未風(fēng)化巖體，則開挖過深。,拱壩,這種巖石分類在高拱壩基巖體力學(xué)參數(shù)的確定和壩基處理中的應(yīng)用是領(lǐng)先的。巖石分類方法的建立是基于對(duì)壩址巖石結(jié)構(gòu)的研究和現(xiàn)場試驗(yàn)的。,拱壩,在巖體結(jié)

15、構(gòu)研究方面提供了”斷續(xù)結(jié)構(gòu)”和連通率概念 。為論證拱壩壩肩三維穩(wěn)定性提供了依據(jù)。,Er Tan Under Construction,Er Tan Under Construction,壩肩拱壩壩肩抗力體是大壩穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位，對(duì)斷層要做認(rèn)真的處理。龍羊峽水電站左壩肩受斷層的切割，采取了硐挖、回填和設(shè)置混凝土鍵等處理措施。,Long Yang Xia Dam,Long Yang Xia Dam,Long Yang Xia Lef

16、t Abutment,,龍羊峽左壩肩,地下開挖,大型地下工程，大跨度的導(dǎo)流洞、大跨度地下廠房及復(fù)雜的地下引水發(fā)電系統(tǒng)對(duì)巖石力學(xué)研究提出了重大的挑戰(zhàn) 。在深部尋找較完整巖體，合理布置地下工程系統(tǒng)，要求進(jìn)行詳盡的勘測工作。,地下開挖,小浪底工程由于發(fā)育互層狀砂巖與泥巖，加以斷層切割，施工中多次發(fā)生塌方，引起施工的困難。后來，加強(qiáng)了監(jiān)控，及時(shí)支護(hù)，工程得以順利完工。,地應(yīng)力地應(yīng)力是制約地下工程穩(wěn)定性的重要因素在二灘水電站的勘探鉆孔中

17、發(fā)現(xiàn)大量餅狀巖芯，表明地應(yīng)力甚高，是國內(nèi)各工程中少見的。,Er Tan Rock Discing,,Er Tan Rock Discing,二灘工程,地應(yīng)力測量結(jié)果表明，高達(dá)40MPa，并在河谷底下應(yīng)力集中，而在岸坡山里應(yīng)力卻比較平緩，約20-30MPa 。地下工程布置在應(yīng)力平緩區(qū)，施工比較順利 。,Er Tan Geostress,,Er Tan Geostress(kg/cm2),,,,,,,,,Er Tan Undergroun

18、d Power House,Er Tan Underground Power House,高切邊坡穩(wěn)定性高陡邊坡穩(wěn)定性是高山峽谷區(qū)建設(shè)大型水電工程難度最高的問題 。在施工中發(fā)生滑動(dòng)，造成重大事故的有漫灣、黃龍?zhí)兜人娬?，而發(fā)生局部邊坡失穩(wěn)的則更常見。,Man Wan Dam,漫灣,漫灣巖體滑坡,Man Wan Landslide Site,,漫灣滑坡地址,表層深開挖,三峽工程永久船閘高邊坡的設(shè)計(jì)、施工是很成功的。 邊坡最高達(dá)17

19、0m,其下部為50-60m高的直立坡 。,三峽船閘開挖,從開挖到峻工歷時(shí)5年，最大位移僅5-6cm,峻工后半年內(nèi)變形即趨于收斂 。,三峽船閘開挖,三峽船閘邊坡施工中爆破及施工程序掌握很嚴(yán)格。 變形系統(tǒng) 監(jiān)測系統(tǒng)完備。 采用和發(fā)展了多種數(shù)值模型，包括粘彈塑性，斷裂蠕變損傷等，進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。,三峽船閘開挖,采用了錨桿，預(yù)應(yīng)力錨索加固。采用了平洞和鉆孔組合的排水防滲措施 。,A bird’s-eye view of the three

20、gorges project,TGP Layout,,TGP Layout,TGP Rock Core,,TGP Rock Core,TGP Shiplock,,TGP Shiplock,TGP Shiplock Section,,三峽船閘剖面,構(gòu)造地震,地殼構(gòu)造穩(wěn)定性和地震活動(dòng)性問題在中國西部是一個(gè)帶普遍性的問題。,,,,,,,,構(gòu)造地震,在二灘水電站等構(gòu)造活動(dòng)地區(qū)選擇“相對(duì)穩(wěn)定地塊”成為工程地質(zhì)學(xué)的重要理論問題 。,誘發(fā)地震,新豐江

21、水庫誘發(fā)地震震級(jí)達(dá)M6.2,大壩產(chǎn)生長50m的縱向裂縫。 根據(jù)微震觀測資料，早就提出了大壩加固方案，而主震是在第一期加固工程發(fā)生后才發(fā)生的，因而避免了大壩潰決災(zāi)害 。,新豐江大壩 誘發(fā)地震,水庫滑坡,水庫滑坡是一種重要的地質(zhì)災(zāi)害。第一例發(fā)生在資水柘溪大壩施工期間，稱塘巖光滑坡 。,柘溪大壩－水庫滑坡,三峽水庫滑坡,三峽工程中有2000多處滑坡，對(duì)有些穩(wěn)定性差的大型滑坡體進(jìn)行了治理 。治理方案中主要為抗滑樁及預(yù)應(yīng)力錨索組合和排水措

22、施 。,三峽水庫滑坡,三峽水庫漲水到135m高程的滑坡處理中已花費(fèi)40億RMB。治理下期蓄水到175m，可能尚需50-100億RMB 。還有一些新的滑坡可能會(huì)發(fā)生，如千將坪。,千將坪滑坡,位于:湖北秭歸青干河－三峽水庫時(shí)間: 2003.7.12 類型: 砂巖、頁巖發(fā)生巖石滑動(dòng)Size: 2400萬方 –-本地區(qū)100年來最大降雨:162.7mm(6. 21- 7.11)蓄水: 到 135m水位深度: 23損失: >

23、;6000 萬 RMB,千將坪滑坡,千將坪滑坡,千將坪滑坡,巖石蝕變,有些工程的設(shè)計(jì)施工難題是因巖體斷裂發(fā)育，而另一些則因巖石蝕變而造成困難。如廣州抽水蓄能電站是花崗巖，其蝕變帶長石等礦物蝕變后成為蒙脫石，形成潛在崩解的膨脹巖石。,Guangzhou Pumping Storage Station,,Guangzhou Pumping Storage Station,Guangzhou PSS Cross Section,Guangz

24、hou PSS Altered Granite,,Guangzhou PSS Altered Granite,Guangzhou PSS Altered Granite,Guangzhou PSS Altered Granite,Guangzhou PSS Altered Granite,Guangzhou PSS Altered Granite,高地下水壓力,有些工程涉及特殊水文地質(zhì)問題 。例如湖南江埡水電站，大壩壩基下40-5

25、0m深部為自流井承壓水層。,高地下水壓力,水庫蓄水后，壩基連同其上下游巖體一起上抬達(dá)10mm，引起對(duì)工程安全的疑慮。通過監(jiān)測和數(shù)值分析證明，這種變形水有限的，而且逐漸趨于收斂 。最近有座大壩巖基抬升達(dá)17mm 。,,,,Jiang Ya dam,大壩－地基相互作用,壩－庫－巖體 一個(gè)系統(tǒng)中的三個(gè)組成部分相互作用可能導(dǎo)致不可預(yù)料的變形，通過某一種作用無法預(yù)測。耦合過程導(dǎo)致了問題的發(fā)生。梅山大壩的變形就是一個(gè)例子。,梅山大壩,

26、壩－基相互作用,梅山大壩是安徽的一個(gè)連拱壩。1963年，水庫完全蓄水后，左壩肩發(fā)生突然位移。采取緊急措施，通過泄水降低水庫水位。付出很大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)對(duì)大壩和巖石進(jìn)行了加固。,壩－基相互作用,壩基相互作用,壩基相互作用,壩基相互作用,壩基相互作用,壩基相互作用,壩基相互作用,壩基相互作用,壩基相互作用,壩－基相互作用,發(fā)展與展望,發(fā) 展,通過大量大型水電站的建設(shè)，工程地質(zhì)學(xué)與巖石力學(xué)領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步,發(fā)展,地球物理學(xué)三維CT技術(shù)

27、斷裂構(gòu)造與地應(yīng)力的地質(zhì)力學(xué)分析巖體的描述與分級(jí)巖體的現(xiàn)場壓剪、拉剪與流變?cè)囼?yàn) CT監(jiān)控下的巖石力學(xué)測試方法 巖體位移監(jiān)測與反分析巖體數(shù)值模擬和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)巖體預(yù)應(yīng)力錨固信息反饋施工原理等,新的挑戰(zhàn),在未來的15至20年內(nèi)，我國的水電開發(fā)將向具有更加復(fù)雜地質(zhì)條件的地區(qū)進(jìn)展,新的挑戰(zhàn),我國西南橫斷山脈和三江地區(qū)（金沙江、瀾滄江、怒江）發(fā)生的活動(dòng)斷裂和地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育，反映了地球內(nèi)動(dòng)力和外動(dòng)力的耦合作用。這些地區(qū)的工程地質(zhì)

28、條件復(fù)雜，自然環(huán)境脆弱，需要認(rèn)真地進(jìn)行前期科研工作。,,金沙江上水電站一覽,溪洛渡壩址,,溪洛渡大壩草圖,小灣水電站,三大高拱壩,三大高拱壩基礎(chǔ)巖石,變形分析結(jié)果,應(yīng)力分析結(jié)果,重大巖石力學(xué)問題,高地應(yīng)力 30～40MPa高陡邊坡 500～1000m深埋卸荷裂隙 300m(錦屏)深部承壓水層 溪洛渡蝕變巖石 三小灣平緩軟弱

29、夾層 溪洛渡不穩(wěn)定邊坡 小灣、錦屏,新的挑戰(zhàn),例如，小灣電站大壩所在峽谷中天然邊坡高達(dá)1000-1200m，修建大壩高300m，壩頂上方開挖加固的邊坡高達(dá)400m，而頂上尚有天然邊坡高300-400m,新的挑戰(zhàn),在雅礱江錦屏水電站、金沙江向家壩水電站等多處發(fā)現(xiàn)極深的卸荷松弛帶，壩肩向山體巖石300m處發(fā)現(xiàn)裂隙張開的現(xiàn)象，影響到高拱壩(300m)的變形和穩(wěn)定性。,錦屏壩址平面圖,,,300m,錦屏壩址

30、平面圖,,,,300m,,小灣左岸邊坡,,,,,小灣水電站地質(zhì)平面圖,小灣水電站,小灣水電站,小灣水電站,展 望,在更為復(fù)雜及不良地質(zhì)條件下進(jìn)行更大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，工程地質(zhì)和巖石力學(xué)遇到新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇,展望—巖土技術(shù),三維數(shù)字虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用 地球空間技術(shù)的應(yīng)用,展望—地質(zhì)系統(tǒng)理論,多學(xué)科交叉融合，發(fā)展非線性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論 發(fā)展人工智能方法和綜合集成原理采用多過程、多尺度耦合分析方法