大型衡器检测中叠加法的几个技术问题的研究

第一篇：大型衡器检测中叠加法的几个技术问题的研究

大型衡器检测中叠加法的几个技术问题的研究

摘 要：从现阶段来看，生产工艺的过程中由于工业经济的不断发展与提高，所以应该对其产品的质量进行不断的提高，在一些比较重要的工序方面需要使用专业的检测衡器（Detection instrument）。尤其是在冶金行业（Metallurgical Industry）和煤炭行业（Coal industry），一些比较大型的衡器也由当初的几十吨变成几百吨，甚至还有上千吨的载荷量（load capacity）。另外，随着物流行业的不断发展和高速公路的不断发展，公路运输也得到了一定程度上的提高，从而能让汽车运输的吨位承受到最大。因此，类似于上述这种大吨位的汽车衡（truck scale），天车称（Crane said）和汽载称（Steam load）。本文的主要研究方向是就大型衡器（Trone）检测中叠加法的主要检测结构（feeler mechanism）、加载点（load point）以及力源稳定（Stable source）等几个方面的技术问题进行简要分析和探讨。

关键词：大型衡器；叠加法；检测中技术问题

中图分类号：TH715.1 文献标识码：A

除了对于一些专用的衡器之外，标准器也是一个比较重大的问题，另外一个问题是在检测时如何更好的安置标准器的具体位置。另外，还有一些专业的衡器也会受到实际生活空间的影响，从而无法评测出安放标准器材的相关机构，因此也构成了一些特殊检测方法的原因。现阶段本文就依据《衡器》一文关于叠加的方法进行问题的检测和研制，希望在叠加法中能够在衡器检定仪的研制过程中给予简要的分析和介绍。

一、检测结构的相关问题

《衡器》一文中关于偏载检测（Partial load detection），其结构看起来比较简单，而对于相关称量检测（Weighing detection），其结构操作和运用起来就比较复杂和困难。所以对于上述所说的检测过程，应该采取多个测力单元（Force measuring unit）：传感器和千斤顶。把传感器和反力架多个并联到显示仪表（indicating instrument）的方式方法。另外一个方面，单个测力单元（Force measuring unit）的重量一般情况是在70kg左右，但是如果该系统具有6套以上的测力系统，那么系统的总重量应该在300kg左右。因此，用上述办法可以有效的解决称量检测的问题，检测的结构也非常简单和不复杂。

二、加载点的相关问题

对于偏载检测（Partial load detection）来说，在检测时的加载点一般而言是在称重时的传感器的上方进行精确检测，其检测点和承载器的接触面积不是特别大，最后《衡器》一文中也曾经提到过对于偏载检测（Partial load detection），在加载点时其主要作用是在称重传感器（load cell）上方的承载器械上面，另外，对于各个称量点，在进行准确度的预测时应该将监测点和承载器械的接触面积不用太大，其中最大的作用是在仅仅一条线上，不用像砝码一样有很大的承受面积，从而让承载器械承受更大的压力。从上述方面来看，使用叠加法（method of superposition）来检测衡器的精确度，可以让承载器（loader）的刚度要求和强度要求相比起砝码测量来说应该更加的精确。经过长时间的研究与实践证明，上述所说的方法不是很大的问题，因此，不管是在力的把握方面还是在点的把握方面，其承载器的受力面积大小方面也比较相同。其造成这样的原因无非就是把力放在面上，应该通过一定的中介然后再传递到承载器上面。举例来说，200t的砝码家在5只传感器的衡器上面，其承载器的平均受力应该在5.6t左右，而秤面上是不会让承载器来分担其重量。

三、力源的稳定性问题

《衡器》一文中关于力源的稳定性问题也提到力源的稳定性主要反映的是系统性的重要控制指标，还能反映到整机的计量性能的精确度问题，在更多的地方，使用千斤顶来作为力的来源，在此基础上使用叠加法来检测衡器。在每一个检测环节的外力作用下会发生不一样的力的变形，所以在作用于传统力的方面其力道是弹性的，因此便在称重显示器上读不到一个比较稳定的数值，很难说明白测量的精确度。另外，在目前来看，叠加法在标准机上来补偿相关力值，其主要的控制装置是电液和压电陶瓷装置。另外，力值的变形一般被分为以下两种：其一，弹性变形（elastic deformation）；其二；几何变形（geometry deformation）。而几何变形又大于弹性变形。因此我们在实验过程中进行了一定程度的改变，相比起弹性变形，主要利用的方法是利用机械千斤顶取代液压千斤顶；相比起几何变形，主要利用的方法是在反力架上增加三角的结构形式。因此，我们可以利用上述方法来解决力源性的相关问题。

结语

综上所述，长期以来，我国在计量基础建设方面的投资资金非常不足，从而造成了一些县级的计量检定单位的标准神器非常不足，从而只存在一些比较小的砝码和汽车检衡车。相比起一些比较大型的企业，其检测的手段应该比较完备。在准大质量的比较仪上得到了大的效果，从而能够顺利的解决装卸的运输费用，方便我们能够进行大砝码的检查工作。

参考文献

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第二篇：关于大型衡器检测方法的研究

关于大型衡器检测方法的研究

摘要:近年来, 随着我国科学技术和经济高速发展,，越来越多的大型衡器在企业、商贸港口、仓储等领域投入使用，但是由于外界各方面的影响，很多问题都在大型衡器的检测工作显现出来。针对这些问题，很多专业人员在个人多年的工作经验中也积累摸索出一些有效的检测方法。本文主要就大型衡器检测方法进行了比较研究，分析和探讨了不同的研究方法。关键词：大型衡器；检测；研究

引言

由于快速、准确、可靠性强的特点，大型衡器作为计量器具在企业生产经营中起到了很重要的作用，在冶金、石化、煤炭等行业的重点工序中，更是要求使用专用衡器。随着工业经济的发展，在生产工艺过程中对产品质量的要求更是越来越高，这就对大型衡器的检测方法的精确性有了更高要求。因此，大型衡器的检测方法的研究是我们推动经济发展必不可少的举措。1.我国近年来大型衡器的使用状况 1.1 大型衡器的概念 所谓衡器，就是测量物体的质量的机械，这种机械一般所采用的原理是力的杠杆平衡。目前衡器应用广泛，它的称量已经由以往的几十吨发展至几百吨，有的地方的大型衡器甚至还有上千吨的载荷。衡器主要由三个部分组成，分别是承重系统、传力转换系统和示值系统。多数大型衡器都是在室外露天环境中使用，灰尘、潮气、雷击等都容易影响安装于秤体基础内的称重传感器、电子元器件，以至于引起称重误差，造成测量不准，严重时甚至会对传感器和电子元器件损坏，使其无法使用测量。现在随着物流行业的迅速发展，在全国各地的运

输量大大增加，现在很多大型汽车将托运上百吨的货物，这就产生汽车衡、车载秤大型衡器。它们结合了现代的电子技术进行配套使用，使它们的功能更为齐全、工作效率更高。但是现在大型衡器已然制造出来，而在运行过程中，没有科学合理地的检测方法，导致准确度不能判断。1.2 我国大型衡器的运行现状

近年来，我国大型衡器虽然不断发展，但计量基础建设仍然没有收到很大重视，加上财政在这项建设上的支持力度和执行力不够，以至于现在的衡器检定站的砝码使用并不广泛，一些衡器检定站的砝码只有10吨左右，检测方法的不够完善直接影响着大型衡器的使用。尤其是在物流业的迅速发展，物流业的迅速发展的现在，各种大型衡器如汽车衡、轨道衡、天车秤等的运行迫切需要有好的方法来检测以保障其稳定运行，对此，有很多大型衡器运行中的问题亟待我们解决。

2、衡器准确度的条件

衡器必须在衡器保证准确度的重大前提下才能稳定运行，而衡器保证准确度的条件是衡器设计制造要合理、使用环境须正常以及衡器要通过检定而准确传递量值。要做到正确的量值传递，一般可以用两种方法来检测贸易结算用衡器。一种是用足量的标准砝码来进行检测，但这种检定衡器用标准砝码的误差应保证在衡器相应秤量最大允许误差的 1/3的范围之内；另外一种检测方法是使用规定的“替代物”来检测，使用这种检测方法时少量标准砝码和替代物结合使用也是可以允许的。在计量性能的检测时要按正确的检测方法，严格按照标准指导操作，然而实际在进行汽车衡、轨道衡等性能的检测时，还是会因检测方法不当等原因，而使检测出的数据不准确，所以在检测时一定要严格遵循规程，掌握正确的检测方法，注意检测范围。除了这些通用衡器，还有一些量大面广的特殊衡器，在特殊衡器的检测过程中，往往出现称量较大，承载器较小的问题，这也是我们需要解决的。

3.大型衡器的检测方法

计量法是我国的大型衡器的检测方法的依据，目前的检测方法 现在我国的大型衡器的检测方法是依据计量法，在计量检定规程中被认可的检测方法，现在就简单介绍下关于大型衡器的几种检测方法。3.1 浅析下标准砝码法

从衡器应用到工业时开始算起，关于衡器的发展已经有一段历史了。关于标准砝码法也是最早开始使用的一种检测方法，它是使用砝码检测被检衡器的全部计量性能。在这种检测方法中，对于砝码误差的要求是被检衡器相应秤量值最大允许误差的 1/3。而被检定衡器，在首次检定时必须测试最大秤量的称量准确度，这是检测的重要步骤。关于这种检测方法后期的使用中，操作的步骤要根据情况而定，如在后续检定时称量测试，若不测试至最大秤量，需要测试至 2/3 最大秤量。但是，标准砝码法在大型衡器的检测中很少使用，因为对于大型衡器来讲需要的吨位很大，少则几十吨，大则上百吨。现在各地的财政支出有限，无法满足检定部门去准备上百吨的标准砝码，所以现在很多检测站都使用很普遍的监测方法，那就是标准砝码替代法，下面我们会讲到这种方法。3.2 简单概述下标准砝码替代法

关于标准砝码替代法是目前关于大型衡器检测的比较常用的方法之一，现在就简单介绍下标准砝码替代法，现在随着物流行业的发展，汽车的运输量的载荷量已达到上百吨，但是现在检定站所具备的的标准砝码的数量不足以对其进行检测即准备的标准砝码数量达不到衡器最大秤量所需的量，这就得需要其他的东西来替代，起到标准砝码的作用。这样的话，就大大地扩宽了检定的范围。我们现在就讲解下检测的方法：首先，我们应将检测站的所有标准砝码统一放在被检衡器的承载器上，检定至需要进行替代的秤量；下一步就得确定秤量的误差以及记录秤量的最小误差，记录完所有数据后，取下所有标准砝码；然后需要将我们所准备的替代物放在被检衡器的承载器上，通过同样的操作方式，使其秤量和上次的误差状态一样，这样才能使两次秤量保持一致；下面就需要对衡器较大秤量进行检定，将第一步中取下的标准砝码放在衡器的承载器；所有的标准砝码都放在衡器后，就可以进行砝码替代了，要不停地进行重复的操作，一定要了解重复性是指在衡器50% 最大秤量进行的。检定出准确的衡器的最大秤量。但是在重复的操作过程中，将会因为方法的原因产生一定的误差，所以我们在使用这种检测方法的时候就应该对重复性的操作阶段进行严格地控制，按照我国检定规程的规定，需要进行一次砝码替代就可以检至衡器的最大秤量的条件是当具有标准砝码的数量达到被检衡器最大秤量的 50%。还有需要注意的是：当被检衡器重复性不大于 0.3e时，允许具有标准砝码的数量为 35% 被检衡器最大秤量就可以进行检定，检至衡器的最大秤量就得进行二次砝码替代的操作。当被检衡器的重复性不大于 0.2e 时，允许只具有标准砝码的数量为20% 被检衡器最大秤量就可以进行检定，那必须进行四次砝码的替代才能检至最大秤量，这就是标准砝码替代法的大致检测方法。31 集成式检测方法

这种方法是使用被测衡器的自有装置确定被称物品质量的约定真值, 主要用于检测被测衡器的动态称量准确度指标。使用这种检测方法的前提, 一是要求被测衡器的静态称量准确度必须达到一定指标, 并且要有一定的软件和硬件条件来保证检测过程正常进行。二是集成式检测方法是针对自动衡器使用的。3.3 探讨下几种可行的大型衡器的检测方法 3大型衡器的检测方法比较

根据计量法，在计量检定规程中被认可的检测方法有以下几种：

(1)标准砝码法。标准砝码法即是使用砝码检测被检衡器的全部计量性能，所使用砝码的误差必须是被检衡器相应秤量值最大允许误差的1/3。但是对于被检定衡器，在首次检定时必须测试最大秤量的称量准确度，而在后续检定时称量测试可根据实际使用情况，如果不测试至最大秤量，至少测试至2/3 最大秤量。这样对于大型衡器来讲就需几十吨，甚至上百吨的标准砝码，如前所述目前各地计量监督部门根本没有如此多的标准砝码，其只好采用替代法，或只检测到前面的部分量程。

(2)标准砝码的替代。当被检衡器最大秤量大于1t 时，没有足够多的标准砝码检测衡器全部计量性能时，允许使用其他恒定载荷替代标准砝码，其前提是至少具备1t 标准砝码，或者是最大秤量50%的标准砝码，两者中应取其大者。在满足以下条件时，标准砝码的数量可以减少，而不是最大秤量的50%。若衡器的重复性误差不大于0.3e，可减少至最大秤量的35%；若衡器的重复性误差不大于0.2e，可减少至最大秤量的20%；重复性误差是将约为最大秤量50%的载荷，在承载器上施加三次来确定的。

如前所述，采用最大秤量的35%的标准砝码需要替代两次，采用最大秤量的20%的标准砝码需要替代四次。在目前一百吨、八十吨大型衡器如此普及的情况下，即是使用35%的标准砝码替代两次，也需要较长的时间和较大的人力物力。更何况随着测试时间的加长，会将一些无关的误差带到称量误差中来。再则，根据以上规定，当只有十吨以下标准砝码的县级计量管理部门，在检测五十吨以上衡器时也无法采用此方法。4 结束语

现在我国大型衡器的发展仍然面临着很多问题，随着科技的发展，很多电子技术将运用到大型衡器中去，经过不断地创新和改革，我国的大型衡器的检测技术才会有新的突破，满足现代市场的需求。所以，我国应加大对计量建设的投资，这样才能跟上我国工业经济发展的节奏。总而言之，现在我国关于大型衡器的检测方法与工业发达的国家相差甚远，我国还需要对该大型衡器的检测方法进入深度探究。

参考文献

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第三篇：溪洛渡电站设计中的重大技术问题研究

溪洛渡电站设计中的重大技术问题研究

肖白云

(成都勘测设计研究院，四川成都610072)摘要：总装机容量达12 600 MW的溪洛渡工程是我国继三峡工程之后的又一座巨型水电工程。工程以水力发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合利用效益。溪洛渡混凝土双曲拱坝足建在基本烈度Ⅷ度的高地震区的特高拱坝。在溪洛渡枢纽设计中，对几个关键技术问题进行了深入的研究，即：大坝基建面的选择、拱坝的体型设计，大坝应力分析，坝肩稳定分析，大坝的抗震设计、泄洪消能和超大型地下洞室群的设计。随着前期工程的进展，这些技术问题将深入研究，并会取得满意结果。关键词：重大技术问题；设计；溪洛渡水电站；金沙江概述

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境，坝址距离宜宾市(金沙江河口)河道里程184km，坝址控制金沙江：流域面积45.44万km2，占金沙江总流域面积的96%。是金沙江上控制性的枢纽工程，业主为中国三峡总公司。电站开发任务以水力发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合利用效益，供电华东、华中地区，兼顾川渝、滇的用电需要。它是金沙江“西电东送”距离最短的骨于电源之一，也是落实国家西部大开发战略，实现“西电东送”的骨于工程。

水库正常蓄水位高程600m，死水位高程540m，汛期防洪限制水位高程560m。大坝壅高水位约230m，形成一座长约200km，平均宽度690m的河道型大水库。水库总库容126.7亿m3，正常蓄水位600m以下的库容115.7亿m3，其中死库容51.1亿m3，调节库容64.6亿m3，具有不完全年调节能力。

电站枢纽在左、右两岸各设一座地下厂房，各安装9台 700MW混流式水轮发电机组，总装机容量12 600MW。初期保证出力3 395MW，多年平均年发电量576.7亿kW•h，其中枯水期电量145.1亿kW•h。

溪洛渡工程综合效益显著：

(1)防洪 水库控制了金沙江流域面积96％，占长江宜昌以上流域面积47.8％，汛期洪水总量约占宜昌洪量的1／3以上。是长江防洪体系的重要组成部分。水库厂游紧临川江，具有控制洪水比重大，距离防洪对象近的特点。利用水库的46.5亿m3防洪库容调蓄洪水，配合其它措施，可以提高下游 沿江重要城市宜宾、泸州和重庆的防洪标准。

三峡水库是长江中下游防洪的主体工程，有防洪库容 221.5亿心，对长江中下游防洪作用巨大，使荆江河段的防洪标准提高到100年以上。溪洛渡水库汛期拦蓄金沙江洪水，减少了直接进入三峡水库的洪量。如与三峡水库联合进行防洪调度，在遭遇特大洪水时，可以减少长江中下游分洪量25～40亿m3，平均防洪效果系数(削减下游分洪量／预留防洪库容)58％。

(2)拦沙 金沙江是一条多泥沙河流，多年平均含沙量1.7kg／m3，在溪洛渡坝址悬移质年输沙量达2.47亿t，推移质年输沙量180万t。通过重庆市寸滩水文站的输沙量有一半来自金沙江。溪洛渡水电站位于金沙江产沙区的末端，利用大坝壅高水位达230m，对河道天然输沙条件的改变较大，有巨大的死库容的优势，辅以水库合理调度，大量拦截泥沙，减少三峡水库的入库泥沙，且使三峡水库入库泥沙颗粒细化，可有效地减少三峡水库库尾的泥沙淤积，有利于三峡水库的长期使用和综合效益的发挥。(3)发电补偿效益 长江水系汛期水量丰沛，各电站汛期电量比重均较大，特别需要调节水库将汛期水量调配到枯水期发电。溪洛渡水库具有64.6亿m3的调节库容，由于它的凋蓄作用，能使三峡、葛洲坝电站的供水期增加一个月，保证出力共增加379.2MW，枯水期电量18.86亿kW•h。使向家坝水电站设计枯水年的枯水期平均出力增加保证出力336MW，发电量13•54亿kW•h。

(4)航运 枢纽位于不通航河段。经水库调节，在枯水期可增加下泄流量约500m3／s，较大地改善下游川江航道的枯水期航运条件。2 枢纽布置

坝区位于豆沙溪沟口至溪洛渡沟口，全长约4km的峡谷河段，在峡谷进口金沙江呈近90°拐弯，峡谷段内河道顺直,谷坡陡峻，临江坡高从进口的大于400m，向下游逐渐降为 300m左右。河谷断面呈窄“U”型，河谷的宽高比约为2，枯水期水面宽70～110m，在水面抬高230m到达正常蓄水位 600m时，水面宽度仅有530m左右。整个峡谷无冲沟，地形十分完整，且在峡谷中段两岸地形向下游略呈收敛之势，具备修建高拱坝的良好的地形条件。

坝区河床基岩及两岸谷坡主要由二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β)组成，系一总体缓倾下游偏左岸的单斜构造，岩层产状在峡谷进口和出口附近有明显转折，形成“陡一缓一陡”的平缓褶曲，峡谷中段产状平缓，倾角3°～5°。岩流层厚达490～540m，岩体致密、坚硬、均一，没有断层分布，发育于岩流层层间和层内的的错动带是其主要的结构面。茅口组石灰岩(P1m)出露于峡谷进口谷底，向下游倾伏于玄武岩之下，在峡谷中段埋深达100m左右。河床冲积层一般厚度15～20 m，在峡谷出口段附近增加为40m左右。大量的地质勘察成果表明，在峡谷河段具有修建高拱坝的工程地质条件。

电站枢纽由拦河大坝、泄洪设施、引水发电建筑物等组成。具有“高拱坝、大泄量、多机组”的特点。根据坝址区河谷狭窄，基岩新鲜完整的地形地质条件，结合金沙江的水文特性及工程的开发目标及综合利用要求，枢纽布置中考虑的原则：

(1)枢纽布置必须紧凑，充分利用峡谷河段的地形地质条件，将枢纽建筑物(含消能区和导流建筑物)全部布置在4km峡谷河段玄武岩出露段之内，与之相匹配，拱坝的坝线位置宜在峡谷中段。

(2)充分利用水库调节库容大的特点，调蓄洪水减少枢纽的下泄流量，降低下游河床消能防冲的难度。(3)由于枢纽泄洪流量大，泄洪功率近100 000MW，居世界高拱坝之首。泄洪消能设施布置采用“分散泄洪、分区消能、按需防护”的原则，由坝身孔口和泄洪隧洞及非常泄洪隧洞等多套泄洪设施共同宣泄洪水。坝下游消能分为两个区：坝下游设二道坝壅高水位形成水垫塘，消刹坝身孔口挑射水流的能量；隧洞出口消能区远离水垫塘，隧洞出口挑射水流在水下碰撞和漩滚消能。这种布置方式增加了运行的灵活性和安全度。

(4)高度重视泄洪雾化对枢纽布置的影响。已建工程的实例表明，狭窄河谷中采用挑跌流的泄洪方式，泄洪雾化是不可避免的，雾化强度及范围均较大。在枢纽布置中首先考虑避让的原则。在强雾化区及较强雾化区不布置水工建筑物；其次对雾化区内的边坡不稳定岩体及其他存在地质缺陷的岩体采取挖除或其它工程加固措施，加强坡面排水，确保两岸边坡的稳定性。

(5)河芥狭窄，不具备布设坝后厂房的条件，利用河床左右两岸地形地质条件基本对称，山体雄厚，围岩条件好的特点，将18台机组均匀分设在左、右两岸的地下厂房，每座厂房装机容量6 300MW。

(6)初期施工导流采用断流围堰、隧洞导流、基坑全年施工的方案。在左右两岸共布置6条大断面导流隧洞。在枢纽布置时尽量考虑将导流隧洞与永久建筑物相结合，后期略加改建便可成为永久建筑物。这样不仅减少工程量节省投资，而且使处于狭窄河谷的枢纽布置更加紧凑。(7)兼顾分期蓄水提前发电，提早发挥工程效益，降低工程总投资。

对多个枢纽布置方案进行了全面的技术经济比较，提出推荐的枢纽布置方案(参见图2)，其优点如下：(1)充分利用玄武岩出露的4km长的峡谷河段布设整个水工枢纽。坝轴线选择在峡谷中段，地形微向下游收敛，河床覆盖层厚<15m，基岩面相对隆起，有利于减小坝体高度。利用在坝轴线亡游约500m的缓坡台地布置电站进水口，该缓坡台地高程在550～650m之间，使进水口的开挖边坡降低到150m以下，且大坝和进水口之间可以设泄洪隧洞进水口，缩短了泄洪洞长度。

(2)坝身孔口泄洪流量可达30 000m3／s，占枢纽总泄量的60％。下泄水流顺应河势，归槽条件好，对岸坡稳定影响相对较小，且能节省投资。多套泄洪设施可灵活运用。下游消能区沿河床纵向和横向拉开，避免对下游河床的集中冲刷。

(3)坝址区左岸属四川省，右岸属云南省，在左右两岸各设一座装机6 300MW的地下厂房，满足向华中2回±500kV直流输电和向华东2回±600kV直流输电的需要，同时也兼顾了川、滇两省的用电要求。(4)有利于分期蓄水，提前发电。初期施工导流采用断流围堰、隧洞导流、基坑全年施工的方案。后期在坝身设两层导流底孔。在410m高程布置6个5mXl0m导流底孔，在 450m高程设4个4.5mX8m的导流底孔。在大坝尚未完建、坝体灌浆至580m、高程的情况下，即可蓄水至死水位540m发电，并能妥善解决发电后按设计标准要求的度汛问题。能提前8个月发电，可多获得约78.8亿kW•h电能。

(5)枢纽布置紧凑，工程量小。主体工程的工程量包括：石方明挖1 970万m3，石方洞挖1 580万m3，混凝土和钢筋混凝土1 300万m3，钢筋、钢材36万t。关键技术问题 在溪洛渡枢纽设计中，对几个关键的技术问题进行了深入的研究，即：大坝建基面的选择、拱坝的体型设计、大坝的静动应力分析、坝肩稳定分析、大坝的抗震设计、泄洪消能和超大型地下洞室群设计。3.1 大坝的建基面选择

坝址区自然条件优越，山高谷深，两岸地形完整对称，河道顺直，河谷为窄“U”型，其宽高比小于2，坝址区出露490～520m厚的二叠系峨眉山玄武岩，河床坝基及两岸坝肩均置于玄武岩之上，是理想的修建混凝土双曲拱坝的坝址。

选择大坝建基面时，考虑坝高达278m，承受总水推力约 l 400万t，对基础的要求较高，因此将拱坝基本上置于微一新和弱风化下段的玄武岩岩体上，拱坝坝肩、坝基岩体质地坚硬，以整体块状和次块状结构为主，完整性、均匀性好，能够满足拱坝承载能力及坝基变形的要求。大坝建基面高程确定为332m，最大坝高278m，初步拟定的拱端的平均嵌深左岸48.0m，右岸55.7m，在嵌深上适当留有余地。3.2 双曲拱坝的体型设计

(1)坝体应具有较大的整体刚度，以改善坝身开孔后对拱坝整体刚度削弱的不利影响；通过加强坝体刚度，提高坝体整体性，改善地震反映较强的坝体中上部位应力条件，提高大坝的抗震能力。

(2)在满足坝体强度要求的前提下，采用扁平拱布置，尽量使拱推力转向山体内部，改善坝肩稳定条件。(3)大坝应具有较强的适应坝基变形、坝基变模浮动及变模各向异性的能力；在各种计算工况下，均有较好的应力、变形状况；大坝的应力、变形变化幅度合理，并能兼顾提前发电需要。

(4)在双曲拱坝布置中，考虑不设纵缝，简化温控措施，加快施工进度，提高拱坝整体性。控制上游倒悬度，改善施工期应力条件。尽量使体型简单，方便施工。

(5)要求建基面规则、纵坡平顺，避免产生应力集中。按此要求，经各种拱圈线形的优化设计及综合比较，推荐抛物线双曲拱坝，其体型参数见表1。表1 抛物线双曲拱坝体型参数特性表 ________________________________________ 项目 参数 项目 参数

________________________________________ 坝高（m）278 厚高比 0.248 拱冠顶厚（m）14.0 弧高比 2.511 拱冠底厚（m）69.0 上游倒悬度 0.217 拱端最大厚度（m）75.70（360m高程拱端）坝体混凝土量（万m3）685.6 顶拱中心角（°)93.54 坝基开挖量（万m3）540 最大中心角（°)96.21（480m高程）单位坝高柔度系数 10.68 顶拱中心线弧长（m）698.07 ________________________________________ 采用我院开发的ADSC—CK拱梁分载法计算程序，对推荐的抛物线双曲拱坝进行位移、应力计算，并采用水科院结构所ADASO拱梁分载法静动力分析程序水科院抗震所SD—TAM88拱梁分载法静动力分析程序以及浙江大学ADAO拱梁分载法静动力分析程序进行辅助验证。计算分析表明：在自重荷载作用下，上下游坝面基本处于受压状态，局部产生的拉应力与水沙、温度荷载下的拉应力发生部位不同。水沙荷载作用下的最大主拉应力的出现部位在自重荷载作用下则出现最大主压应力，荷载组合作用下坝体拉应力相互抵消，拱坝体型设计是合理的.3.3 坝体应力分析、(1)应力控制标准 应力控制标准系根据《混凝土拱坝设计规范》和《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定，以国内外高拱坝容许应力标准为基础，结合我国近期高拱坝的建设经验及溪洛渡拱坝工程特点，本着安全可靠、经济合理、施工方便等要求而确定的。溪洛渡拱坝应力分析以拱梁分载法为主。相配套的容许应力控制标准见表2和表3。

表2 拱坝应力控制标准

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容许拉应力（MPa）混凝土抗压 强度安全系数

荷载组合 容许压应力（MPa）

------------------

上游面 下游面

------------------

基本组合 9.0 1.2 1.5 4.0 特殊组合[无地震］ 10.0 1.5 1.5 3.5

------------------

表3 特殊组合（有地震）工况应力控制标准

------------------

混凝土设计强度（MPa）容许压应力（MPa）容许拉应力（MPa）

------------------12.9 2.4 30 15.4 2.9 36 17.9 3.3

------------------

注：混凝土设计强度定义为在标准制作和养护条件下．20cm立方体试件，180d龄期，具有85%保证率。离差系数Cυ≤0.15的极限抗压强度。

(2)坝体应力分析

坝体应力分析以多拱梁法为主，有限元法及模型试验为辅。通过对各种工况包括施下：期的坝体应力分析以及甚础特性等参数的敏感性分析，拱坝应力分布良好，应力水与二滩拱坝相当，不仅满足设汁要求，而且对基础变模的浮动具有较好的适应能力。坝身设有表孔、中孔后，对大坝整体应力分布从拱坝整体稳定无影响，仪导致孔口附近局部应力集中，通过配筋即可解决。大坝混凝土强度以R180 350控制。

采用拱梁分载法(9拱17梁)，在荷载基本组合工况和特殊荷载组合工况下，坝体应力位移汁算成果见表

4、表5

表4 荷载基本组合工况下的坝体应力成果

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基本组合Ⅰ 基本组合Ⅱ 基本组合Ⅲ 荷载工况

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数值（高程m）数值（高程m）数值（高程m）

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最大主压应力（MPa）上游坝面 下游坝面 6.64（480）8.81（520）6.99（332）5.24（480）6.12（480）9.06（520）

最大主拉应力（MPa）上游坝面 下游坝面-0.75（480）-0.32（332）-1.02（610）-1.17（610）-0.88（480）-0.31（3321）

最大径向位移（cm）坝体 基础 12.60（520）3.80（332）6.43（440）2.74（332）12.15（480）3.77（332）

最大切向位移（cm）坝体 基础 3.39（480）2.77（440）1.81（440）1.68（400）3.33（480）2.78（440）

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注：基本组合Ⅰ：上游正常蓄水位＋相应下游水位＋泥沙压力＋自重＋温重

基本组合Ⅱ：上游死水位+下游最低尾水位+泥沙压力自重+温升基本组合Ⅲ：上游正常蓄水位十相应下游水位十泥沙压力+自重＋温升

表5 特殊荷载组合工况下的坝体应力成果

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项目 上游坝面 下游坝面

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最大主压应力（MPa)/(高程m）6.56/480 9.84/520 最大主拉应力（MPa)/(高程m）-1.07/520-0.29/332 最大位移（mm)/(高程m）径向 切向 坝体/（高程mm）13.22/520 3.56/480 基础/（高程m）3.70/332 2.94/440

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从计算结果可知：

在基本组合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工况作用下，坝体最大径向位移12.6cm，坝基河床最大径向位移3.8Cm，坝体位移平顺光滑；坝休应力状态良好，坝体大部分处于受压状态，只在中部高程坝踵部位局部出现拉应力，最大主拉、主压应力值满足应力控制标准。说明抛物线体型设计符合要求。

在特殊荷载组合工况下，坝体应力满足应力控制标准，应力分布规律及最大位移、最大应力出现部位与基本组合相似，主要差别在于上游坝踵拉应力增大，增幅约30％。线弹性有限元法计算结果表明：坝体位移对称、均匀与拱梁分载法计算成果一致；坝体拉应力主要受上游面控制，从拉应力区分布及拉应力值综合判断，坝体拉应力满足设计要求；坝体压应力主要受下游面控制，从压力区分布及压应力值总和判断，坝体压应力满足设计要求。

3.4 坝肩稳定分析

从坝址区的地形地质分析，对拱坝坝肩稳定有利，主要表现为：河谷狭窄，地形完整对称，山体雄厚；坝肩出露的岩体为坚硬、完整的去武岩，具有较高的强度。坝肩岩体内无特定的陡倾角结构面发育，只有稀疏、短小、挤压紧密的陡倾角裂隙发育(其连通率<10％～20％)。对坝肩稳定不不利的因素是玄武岩内层间层内错动带较发育，错动带物质大多由坚硬的玄武岩角砾碎块组成，但大多挤压较紧密，是拱坝坝肩稳定控制性底滑面。

坝肩抗滑稳定分析以刚体极限平衡法为主，坝肩抗力休的侧滑面为一套极不发育的节理裂隙；底滑面为特定的层间层内错动带，倾角平缓，面有起伏，连续性较好。

按照地质勘探揭示的裂隙产状及层间层内错动带的产状、分布和位置，列出坝肩各种町能的滑移面组合，按规范要求，采用刚体极限平衡法进行坝肩稳定计算，结果见表6。

计算结果表明，纯摩、剪摩安全系数均达到并超过规范要求，稳定性较好。

除此之外，采用目前国内的多种计算程序进行静、动荷载作用下的坝体应力分析、拱座稳定分析和大坝的地震反应分析，计算结果表明：在不同荷载组合工况下，拱座基本上无不良应力分布，拱坝应力分布较为理想；左右岸拱肩的稳定安全系数满足要求；坝体设计符合地震设防要求。

表6 各典型滑动块体稳定安全系数

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滑块编号 滑块高程（m)底滑面左岸 纯摩

剪 摩

滑块高程（m）底滑面右岸 纯摩 剪摩

------------------334.59 C3 1.46 3.66 380.66 C4 1.88 3.98 2 344.41 C4 1.53 3.83 498.16 C7 3.79 9.06 3 357.95 5层内总体 1.46 3.76 537.65 C8 7.28 18.93 4 342.42 Lc5-34 1.67 4.04 387.78 5层内总体 1.72 3.77 5 395.88 6层内总体 1.43 3.94 419.56 Lc6-49 3.91 8.71 6 376.43 Lc6-14 1.75 4.53 424.29 6层内总体 1.85 4.19 7 488.90 8层内总体 1.69 5.47 499.94 8层内总体 3.22 7.69 8 476.16 Lc8-40 1.72 5.49

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3.5 拱坝抗震设计

溪洛渡水电站位于南北向的峨边一金阳断裂，北东向莲峰断裂及北西向马边一盐津隐伏断裂带所围限的雷波一永善三角形块体之中南部，块体面积约1 600km2，断裂不发育，具有良好的稳定性。坝址区地震危险性主要自块体东部马边地震带强震的波及影响。1989～1990年国家地震局对溪洛渡水电站进行了地震基本烈度复核和地震危险性分析，坝址区地震基本烈度为Ⅷ度，相应的基岩水平峰值加速度为0.18g；100年超越概率0.02时，基岩水平峰值加速度0.32g。总库容l 26.7亿m3，最大坝高278m，溪洛渡混凝土双曲拱坝坝顶高程610m，坝高超过世界上最高的格鲁吉亚英古里坝，溪洛渡拱坝、英古里拱坝和小湾拱坝都是建在基本烈度Ⅷ度的高地震区的特高拱坝。根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073—2000)规定，拱坝抗震设计类别为甲类。由于坝高大于250m，其抗震安全性须进行专门研究。

按现行设计规范要求，进行如下计算分析：①动力拱梁分载法进行拱坝强度动力分析；②线弹性有限元反应谱法进行拱坝强度动力分析；③线弹性有限元时程法进行拱坝强度动力分析；④采用刚性极限平衡法和刚体弹簧元法进行拱坝坝肩动力稳定分析。

围绕以下几个问题开展专题研究：

①坝体横缝张开对坝体动力反应的影响：在强震作用下，拱坝中、上部会产生很大的拱向拉应力，抵消静态压应力的拉应力，将使基本不能抗拉的横缝张开，并随着突变的地震作用而反复开合，使坝体应力重分布，拱向应力显著降低，拱坝的强度反应成为一个复杂的三维边界接触的非线性动力问题，直接关系到抗震安全性的评价，因此研究了坝体横缝张开对坝体动力反应的影响；②地基辐射阻尼对坝体动力反应的影响：拱坝在地震作用的过程中，存在波动能量向远域地基的、辐射。人为截断地基边界，造成截断边界上波的反射作用，加大了拱坝动力反应。因此，在遭遇强震时应考虑波动能量向远域地基逸散的辐射阻尼影响；③地震动非均匀输入对坝体动力反应的影响：采用柯依纳波作为输入地震波，分析地震运动沿坝的相差幅差、分析对拱坝动力反应的影响；④综合考虑地基辐射阻尼，坝体横缝张开对坝体动力反应的影响；⑤动力模型试验，模型坝体模拟了横缝布置并设置人工阻尼边界。

拱坝抗震设计的各项研究，均采用目前国内外先进的计算方法和模型试验手段，结合工程类比进行了全面的分析和科技攻关。研究工作联合了国内高水平的科研单位、大专院校及知名专家共同完成。计算研究及模型试验成果表明，溪洛渡高拱坝在遭遇设防烈度地震时，其强度及稳定性均能满足抗震设计要求，主要结论如下：

(1)大坝自振频率相对较低，呈现出各阶模态分布密集的特点。在正常蓄水位及低水位运行时，大坝第一阶振型呈反对称，第二、三阶振型呈正对称。正常蓄水位时，大坝基频1.18～1.25Hz，基本周期0.80～0.85s。

(2)采用拱梁分载反应谱法和线弹性有限元反应谱法的分析结果基本一致，仅数值上有一定的差异。坝体压应力满足设计要求，有一定的安全裕度。坝体的高拉应力区集中出现在坝体中上部，由地震时的拱向拉应力产生。在正常蓄水位情况，拉应力值超过标准的坝体面积与坝体总面积之比〈0.4％，低水位时其比值<5％。

(3)反应谱作用下的地震反应与人工波作用下的计算结果基本相似。输入不同的地震时间历程，对动应力的分布规律影响不大。

(4)地基辐射阻尼对动应力的分布规律影响不大，但拱坝地震反应显著降低。最大拱向应力值减小25％～40％，最大梁向应力值减小25％～50％。

(5)地震运动幅差相差对坝体动应力综合影响不显著。

(6)强震作用下，坝体横缝张开，坝体应力重分布，顶部拱冠梁附近的高拉应力被释放。正常蓄水位及低水位运行时原出现高拉应力部位的拉应力远小于应力控制标准。综合高拉应力区分布范围及应力集中影响区以外的坝体应力值，坝体应力满足设计要求。如考虑坝体材料的非线性，则消除了上游坝踵出现的局部应力集中现象，拉应力满足应力控制标准。

(7)设计地震作用下，坝踵出现局部开裂，计算深度〈5m。裂缝相对稳定，大坝整体稳定能够得到保证。

(8)模型试验表明，设计地震时，坝体最大应力不超过坝体材料强度控制标准。模型坝在3.9倍设计地震时发生损伤，5.2倍设计地震时左右坝肩附近由显著开裂迹象，其它部位仍尤可见损伤。坝体发生明显损伤迹象之后，其震后静承载能力末见异常，表明拱坝自身有优异的抗震性能。

(9)采用刚体极限平衡法及刚体弹簧元法进行的坝肩动力稳定计算分析表明，坝肩动力稳定满足设计要求。

(10)按照坝体混凝土分区方案，在拱冠梁附近中上部区域及坝基附近区域采用180d龄期抗压强度为36MPa的混凝土，其动、静迭加的抗压、抗拉允许应力分别为17.7MPa及3.3MPa，计算及模型试验成果均表明，拱坝强度满足抗震设计要求。

在强震作用下，横缝的最大开度不大于10mm，不会导致横缝间止水破坏，从这一角度分析，勿需设置抗震钢筋来保证大坝的整体性。

3.6 泄洪消能

金沙扛：径流丰沛，洪水峰高量大，洪水过程较长，洪水过程线多呈复峰型。坝址处多年平均流量4 620m3／s，年径流

量1 460亿m，相当于黄河径流量的3倍，水库正常蓄水位以下库容虽有115.7亿m3，但与年径流量相比，水库库容系数较小，调蓄洪水能力有限，每年均要频繁泄洪。

电站千年一遇洪水洪峰流量43 700m3/s，万年一遇洪水洪峰流量52 300m3／s泄洪功率近100 000MW，位居世界高拱坝之首，约为已建的二滩电站泄洪功率的3倍，与国内外部分已建成的高拱坝泄洪功率比较参见表7。

溪洛渡工程泄洪消能功率高，具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点。国外高拱坝工程的泄洪功率相对较小，已建薄拱坝中泄洪功率最大的是洪都拉斯的唉尔卡洪拱坝，泄洪功率15 500MW；国内已建工程中，泄洪功率最大的是二滩水电站，泄洪功率为39 000MW，均远远小于溪洛渡工程100 000MW的泄洪功率。因此，溪洛渡工程泄洪消能问题十分突出，是世界水平的高难度问题。

表7 国内外部分高拱坝枢纽泄洪功率比较

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序号 工程名称 国家 坝高/（m）落差Z（m）Q（m3•s)流量（m3•s)泄洪功率 N（MW）河槽宽

B（m）

岩基岩性 完建年份

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设计1 溪洛渡 中国 278 205 52300 10000 枯水期 70～110 率武岩 2 二滩枢纽 中国 240 166.3 23900 39000 80～100 正长岩 1998年 3 二滩坝身 中国 240 166.3 16300 26500 80～100 正长岩 1998年 4 唉而卡洪 洪都拉斯 231 184 8590 15500 ≈100 石灰岩 1985年 5 里•罗克斯 南非 107 70.5 21500 14800 135 泥岩 已建 卡博拉•巴萨 莫桑比克 136.5 102.9 13300 13400 100 片麻岩 1975年 7 莫西洛克 美国 185 103.6 7800 8100 ≈70 玄武岩卡里巴 赞比亚 128 85 9500 8080 120 片麻岩 1962年 9 英古里 前苏联 272 230 2500 5040 25 白云岩 石灰岩 1982年 卡瓦基 日本 140 100 4400 4570 30 1981年 11 莫拉丁其 南斯拉夫 220 175 2200 3890 35 1975年 12 隔河岩 中国 151 100 2780 20700 120 石灰岩 1997年 13 东风 中国 173 110 14200 15000 50 石灰岩 1994年 14 李家峡 中国 165 119 6300 73500 ≈50片 岩、混合岩

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为解决泄洪消能问题，结合坝址区地形地质条件，溪洛渡工程泄洪消能设计以“分散泄洪、分区消能、按需防护”为原则，采用坝身孔口、两岸泄洪洞和适当台数机组共同承担泄洪任务的布置方案。主要泄水建筑物由坝身7个表孔、8个深孔和两岸5条泄洪洞组成。

在设计中解决了以下关键技术问题：

(1)增大坝身孔口泄量

溪洛渡河道顺直，基岩裸露，抗冲流速高，有条件增大坝身孔口泄洪流量，减轻坝外泄洪任务，从而缩小泄洪洞的规模，或者保持原有泄洪洞的规模，减少泄洪洞数量，降低工程造价，经济效益显著。

坝身采用表孔、深孔相结合，分层出流，上下差动，空中扩散，水舌空中碰撞。射流水舌在入水处纵向尽可能的分散；在水舌不砸岸坡的条件下，充分利用下游水深大的特点，使水舌横向拉开与扩散，有效地削弱人水射流的集中程度；利用射流和淹没水跃的消能原理在水垫塘中集中消刹下泄洪水的能量，并减少水舌冲击压力，以减轻射流对水垫塘底板的冲刷破坏。并对水垫塘进行衬护。形成“分层出流、水舌碰撞、水垫塘消能”的消能方式。通过坝身孔口泄洪功率达到57 000MW，为二滩的2倍，是技术上的重大突破。

多个水力学模型试验的成果表明，针对坝身设7个12.5mXllm表孔和8个6mX6.7m的深孔的设计方案，通过表孔采用舌形坎或差动坎，缩短表孔闸墩、优化表孔和深孔体型等工程措施后，当坝身宣泄30 000m3／s流量时，表孔和深孔水舌能适当碰撞、剪切形成散落状水股，水舌扩散充分。碰撞后的水舌大量掺气，形成掺气水流，消能效果较好。多股水流入射坝下水垫塘后，在水垫塘内形成复杂的三元水流，在水垫塘内纵向、横向和垂向扩散，加之与水垫塘边壁的碰撞折冲，下泄水流剧烈紊动消能。利用水垫塘内水深达80m左右的有利条件，大大地减少底板上的动水压力。水垫塘底板上的最大时均压强仅为13mX9.8MPa，在设计的允许范围之内。

通过模型试验，验证溪洛渡拱坝坝身宣泄30 000m3/s流量，坝身孔口泄流能力，水流流态，消能效果，水垫塘底板上的最大时均冲击压力和底板稳定均能满足要求。再通过拱坝泄洪振动水弹性模型试验，坝身泄洪时诱发的坝体振动是有感振动，其数量级不会对坝体安全构成威胁，也不会对环境和人造成危害。通过多项指标的综合分析，下游河道具有承受由坝身孔口下泄30 000m3／s流量的能力。因此设计采用坝身孔口宣泄30 000m3／s流量是可行的。坝身泄洪消能指标与国内外高拱坝工程比较见表8。

(2)采用反拱型水垫塘

溪洛渡工程的泄洪消能设计采用坝身设两层孔口，坝后设水垫塘消能的布置方式。这样布置方式使枢纽布置紧凑，泄洪水流方向与原河道基本一致，顺应河势，避免下泄水流对两岸的直接顶冲，是一种既安全又经济的布置方式。在设计中首先注意水垫塘的开挖不能危及大坝的坝肩安全，水垫塘的边坡不宜太高；其次，水垫塘底板的稳定性。因为大量的能量在水垫塘内消刹，一旦水垫塘底板失去稳定，河床基岩遭受冲刷，势必影响大坝及坝肩的稳定。

溪洛渡水电站坝址河谷形态为对称的窄“U”型，枯水期水面宽70～1lOm，河床420m高程以下的坡度较缓，仅为20°～25°，420m以上则为55°～75°陡坡。从适应河谷形态，减少岸坡的开挖，增加底板稳定的安全度考虑，采用反拱形底板水垫塘。

注：L一水垫塘长度；b1b2一水垫塘顶底宽：T一水垫塘水深。

表8 高拱坝坝身泄洪消能指标比较表

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水垫塘尺寸 塘内单位水 体消能率 最大冲击动 水压力

坝高（m）

总泄流量（m3/s)坝身泄流量（m3/s)水头 坝身泄洪

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工程名称 工况

功率 L T b1/b2

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（m）（MW）（m）(m）（m)kW/m3 ×9.8kga

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小湾 292 校核 20572 15260 226.6 33900 400 48 180/70 12.3 设计 14682 9060 221.8 19700 42 8.2 拉西瓦 250 校核 6000 6000 213 12500 217 36 104/60 20.5 11.5 设计 4000 3740 8350 30 16.8 二淮 240 校核 23900 13600 166.3 2660 330 57 126/40 13.5 14.1 设计 20600 13200 166.3 21500 54 11.5 构皮滩 225 校核 29100 29100 148.3 42400 311 77 140/70 15.3 14.5

设计 23600 23600 150.4 35900 72 13.4 摩西罗克 184 7800 7800 103.6 8100 140 73 10-12 15 溪洛渡 278 校核 50153 30902 193.3 59734 78.6 224/107 11.5 15.1 设计 40921 21717 191.5 41588 400 73.2 8.6 8.4

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注：L-水垫塘长度；b1b2-水垫塘顶底宽；T-水垫塘水深。

为研究水垫塘内的水流特性，专门制作了枢纽整体模型，并开展了反拱型水垫塘底板的整体稳定和局部稳定的试验研 究，得出以下结论：

①反拱型水垫塘的流态与平底板水垫塘没有本质的区别，坝身多股射流，在水垫塘内形成复杂的流动结构，塘内水流紊动和混掺剧烈，消能比较充分。采用先进的测试手段，细致地分析了水垫塘复杂的三元流动结构，按照不同的受力情况对水垫塘各部位进行适当的保护，可以保证工程的安全运行。②反拱型底板的受力特性与平底板不同。平底板块以升浮稳定为控制条件，其抗力主要是单块的自重和锚固力，一旦止水破坏，抽排系统失效，动水压力沿裂缝传到板块底部，对底板稳定形成直接危险，特别是水垫塘动水压力较大的水舌入水区，容易产生底板块失稳。反拱型水垫塘底板，当动水压力产生的上举力超过底板块自重时，底板块间形成拱，靠拱端产生的推力来维持其稳定。反拱型底板在上举力作用下产生的推力在摩擦力和锚筋剪切的力的耗损下传至拱底，因此拱端产生的推力不会很大，拱座容易保持稳定。③反拱各底板块上举力相关性差，各单块底板稳定失稳受相邻两块底板制约大，从而保证了各单块底板有足够大的稳定性；反拱型底板较之平底板有更大的安全度，在模型上不设抽排和止水措施，也末见底板块发生失稳。

(3)大泄量的“龙落尾”泄洪隧洞

溪洛渡工程40％的泄量山两岸多条泄洪洞负担，单洞泄量高达4 000m3/s。泄洪隧洞分流后可减轻坝下消能防冲的负担和泄洪雾化的影响，增大枢纽泄洪设施运行的灵活性利可靠性。由于水库设有46.5亿m3防洪库容，汛期库水位基本上要维持在560m运行，汛期泄洪设备主要为泄洪洞和坝身深孔。泄洪洞加上部分机组运行可以宣泄常年洪水。因此，对泄洪洞的安全运行要求颇高。

根据枢纽布置，泄洪隧洞长1.3～1.8km，平面上布置要转弯，泄洪洞水头高，反弧段流速达45m/s以上。在总结国内外大型泄洪洞设计和运行经验的基础上，提出进口为有压段，后经地下工作闸门室接无压洞，无压洞洞内“龙落尾”型式，将总能量的80％左右集中在尾部占全洞洞长的15％的洞段之内。泄洪隧洞洞内流速大多控制在25m／s左右，仅在龙落尾段流速才由25m／s增加至反弧段末端的45m/s。这种布置型式的优点：绝大多数洞段由于流速低，不致产生空化空蚀，衬砌要求低；高速水流集中，减少衬砌工程量，增加了洞身运行的安全度。由于出口水流流速较大，挑射水舌能挑至主河床，水流归槽条件好；加之高流速无压段短且与大气连通条件好，水流表层自掺气充分，提高了水流的空化数，增加高流 速段抗空化空蚀能力。

(4)将一条导流洞改建为泄洪洞溪洛渡电站采用全年断流围堰隧洞导流的导流方式，左布岸各设3条18mX20m导流隧洞。其中左右岸各2条导流洞拟与厂房尾水洞相结合，将剩下的2条中的1条改建为泄洪隧洞。山于水头高(约200m)、泄量大(3000m3/s)、技术难度大，在“八五”、九五”攻关基础上，进行了多种体型的对比试验，深入研究改建中存在的关键技术难题，提出采用竖井旋流与孔板消能整流相结合的消能方式和竖井与洞塞相站合消能的方式，并经模型试验验证，消能率达90％，洞内流速控制在25m/s左右，这两种改建方式都是可行的。由于导流洞结合段内流速低、压力小，在结构上不需要作特殊处理，完全可以利用原导流洞。竖井段结构简单，投资不入片：可以提前施了，改建占用直线工期少，因此被设计采纳。

枢纽整体模型试验和单体水力模型试验表明，这会枢纽泄洪建筑物的设计方案，其泄洪能力、消能效果和布置格局是安全可行的，完全可以在遭遇特大洪水时投入使用。3.7 超大型地下洞室群设计

溪洛渡水电站装机容量12 600MW，发电厂房分左、右两岸对称布置。每个厂房各装机9台，单机700MW。左、右岸地下工程包括地下厂房、主变室、尾水调压室、引水隧洞、尾水隧洞、母线洞、电缆竖井以及交通洞、通风洞等辅助洞室，形成规模巨大的地下洞室群。主厂房尺、(长X宽X高)430.3mX28.4mX75.1m，地下洞室总开挖量近1 500万m3，超过已建的二滩、拉格朗德二级以及丘吉尔电站地下厂房。厂区洞室多、尺寸大、布置密集、立体交叉，在世界上是没有先例的。参见图3。

在地下工程的设计中，工程布置、围岩稳定评价以及加固处理措施等都属关键技术问题，对工程建设的安全性和经济性影响甚大，设计给予了充分重视。溪洛渡工程两岸地下厂房洞室群的水平和垂直埋深均大于300m。围岩新鲜坚硬、完整性好，呈块状结构，断层不发育，以Ⅰ、Ⅱ类围岩为主，围岩成洞条件好。初始地应力场以构造应力为主，最大主应力为15.0～20.0MPa属中等地应力水平。岩层近水平展布、垂直裂隙不发育，主要

构造形迹为近水平的岩流层层间层内构造错动带。岩体内地下水活动弱，透水性低，水文地质条件相对较简单。两岸均具备修建大型地下洞室群的良好工程地质条件。

缓倾角层间、层内错动带对大跨度顶拱、高边墙及洞室交叉部位围岩的稳定不利。影响围岩稳定的因素很多，结构面的组合、地下水的运移规律、施工程序、开挖方法、围岩力学参数等都有一定的不确定性，这些不确定因素给超大型地下洞室群的设计、施工及围岩临时与永久支护带来极大的困难。在溪洛渡工程的研究设计中，结合“九五”国家科技攻关和特殊专题研究，开展了前所未有的分析、试验研究工作，重点研究地下厂房洞室群围岩稳定与支护、合理的施工顺序、无支护时围岩静力稳定特性、有支护时围岩静力稳定特性(包括弹塑性损伤有限元分析、FLAC3D拉格朗日元分析及三维地质力学模型试验)和洞室群的抗震稳定分析。建立了地下洞室群的动力分析系统和施工动态仿真分析模拟系统。利用这些先进方法和手段能充分考虑优化开挖顺序、确定加锚支护参数、施工爆破参数，对地下厂房洞室群的围岩稳定作出合理的评价，使地下厂房的设计有较大的提升和突破。结束语

成都勘测设计院积几十年的经验，集中优势力量，针对工程规模大、技术难度高、设计周期短等问题，在可研设计中注意采用国内外最新的科研成果和新技术。针对重大技术问题列出专题，与国内的科研单位和大专院校通力合作，并依托国家“九五”科技攻关，攻克了这些技术难题，保证了可研报告的质量。目前溪洛渡工程已批准立项开工，我们将在下阶段设计和工程实施的过程中，继续深化研究和落实这些重大技术问题。

(编辑：胡少华)收稿日期：2004-04-07 作者简介：肖白云，成都勘测设计研究院，教授级高工、溪洛渡工程设计总工程师。来源:中国水利科技网

第四篇：溪洛渡电站设计中的重大技术问题研究(上)

溪洛渡电站设计中的重大技术问题研究（上）

摘要：总装机容量达12 600 MW的溪洛渡工程是我国继三峡工程之后的又一座巨型水电工程。工程以水力发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合利用效益。溪洛渡混凝土双曲拱坝足建在基本烈度Ⅷ度的高地震区的特高拱坝。在溪洛渡枢纽设计中，对几个关键技术问题进行了深入的研究，即：大坝基建面的选择、拱坝的体型设计，大坝应力分析，坝肩稳定分析，大坝的抗震设计、泄洪消能和超大型地下洞室群的设计。随着前期工程的进展，这些技术问题将深入研究，并会取得满意结果。

关键词：重大技术问题；设计；溪洛渡水电站；金沙江概述

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境，坝址距离宜宾市(金沙江河口)河道里程184km，坝址控制金沙江：流域面积45.44万km2，占金沙江总流域面积的96%。是金沙江上控制性的枢纽工程，业主为中国三峡总公司。电站开发任务以水力发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合利用效益，供电华东、华中地区，兼顾川渝、滇的用电需要。它是金沙江“西电东送”距离最短的骨于电源之一，也是落实国家西部大开发战略，实现“西电东送”的骨于工程。

水库正常蓄水位高程600m，死水位高程540m，汛期防洪限制水位高程560m。大坝壅高水位约230m，形成一座长约200km，平均宽度690m的河道型大水库。水库总库容126.7亿m3，正常蓄水位600m以下的库容115.7亿m3，其中死库容51.1亿m3，调节库容64.6亿m3，具有不完全年调节能力。

电站枢纽在左、右两岸各设一座地下厂房，各安装9台 700MW混流式水轮发电机组，总装机容量12 600MW。初期保证出力3 395MW，多年平均年发电量576.7亿kW?h，其中枯水期电量145.1亿kW?h。

溪洛渡工程综合效益显著：

(1)防洪 水库控制了金沙江流域面积96％，占长江宜昌以上流域面积47.8％，汛期洪水总量约占宜昌洪量的1／3以上。是长江防洪体系的重要组成部分。水库厂游紧临川江，具有控制洪水比重大，距离防洪对象近的特点。利用水库的46.5亿m3防洪库容调蓄洪水，配合其它措施，可以提高下游

沿江重要城市宜宾、泸州和重庆的防洪标准。

三峡水库是长江中下游防洪的主体工程，有防洪库容 221.5亿心，对长江中下游防洪作用巨大，使荆江河段的防洪标准提高到100年以上。溪洛渡水库汛期拦蓄金沙江洪水，减少了直接进入三峡水库的洪量。如与三峡水库联合进行防洪调度，在遭遇特大洪水时，可以减少长江中下游分洪量25～40亿m3，平均防洪效果系数(削减下游分洪量／预留防洪库容)58％。

(2)拦沙 金沙江是一条多泥沙河流，多年平均含沙量1.7kg／m3，在溪洛渡坝址悬移质年输沙量达2.47亿t，推移质年输沙量180万t。通过重庆市寸滩水文站的输沙量有一半来自金沙江。溪洛渡水电站位于金沙江产沙区的末端，利用大坝壅高水位达230m，对河道天然输沙条件的改变较大，有巨大的死库容的优势，辅以水库合理调度，大量拦截泥沙，减少三峡水库的入库泥沙，且使三峡水库入库泥沙颗粒细化，可有效地减少三峡水库库尾的泥沙淤积，有利于三峡水库的长期使用和综合效益的发挥。

(3)发电补偿效益 长江水系汛期水量丰沛，各电站汛期电量比重均较大，特别需要调节水库将汛期水量调配到枯水期发电。溪洛渡水库具有64.6亿m3的调节库容，由于它的凋蓄作用，能使三峡、葛洲坝电站的供水期增加一个月，保证出力共增加379.2MW，枯水期电量18.86亿kW?h。使向家坝水电站设计枯水年的枯水期平均出力增加保证出力336MW，发电量13?54亿kW?h。

(4)航运 枢纽位于不通航河段。经水库调节，在枯水期可增加下泄流量约500m3／s，较大地改善下游川江航道的枯水期航运条件。枢纽布置

坝区位于豆沙溪沟口至溪洛渡沟口，全长约4km的峡谷河段，在峡谷进口金沙江呈近90°拐弯，峡谷段内河道顺直,谷坡陡峻，临江坡高从进口的大于400m，向下游逐渐降为 300m左右。河谷断面呈窄“U”型，河谷的宽高比约为2，枯水期水面宽70～110m，在水面抬高230m到达正常蓄水位 600m时，水面宽度仅有530m左右。整个峡谷无冲沟，地形十分完整，且在峡谷中段两岸地形向下游略呈收敛之势，具备修建高拱坝的良好的地形条件。

坝区河床基岩及两岸谷坡主要由二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β)组成，系一总体缓倾下游偏左岸的单斜构造，岩层产状在峡谷进口和出口附近有明显转折，形成“陡一缓一陡”的平缓褶曲，峡谷中段产状平缓，倾角3°～5°。岩流层厚达490～540m，岩体致密、坚硬、均一，没有断层分布，发育于岩流层层间和层内的的错动带是其主要的结构面。茅口组石灰岩(P1m)出露于峡谷进口谷底，向下游倾伏于玄武岩之下，在峡谷中段埋深达100m左右。河床冲积层一般厚度15～20 m，在峡谷出口段附近增加为40m左右。大量的地质勘察成果表明，在峡谷河段具有修建高拱坝的工程地质条件。

电站枢纽由拦河大坝、泄洪设施、引水发电建筑物等组成。具有“高拱坝、大泄量、多机组”的特点。根据坝址区河谷狭窄，基岩新鲜完整的地形地质条件，结合金沙江的水文特性及工程的开发目标及综合利用要求，枢纽布置中考虑的原则：

(1)枢纽布置必须紧凑，充分利用峡谷河段的地形地质条件，将枢纽建筑物(含消能区和导流建筑物)全部布置在4km峡谷河段玄武岩出露段之内，与之相匹配，拱坝的坝线位置宜在峡谷中段。

(2)充分利用水库调节库容大的特点，调蓄洪水减少枢纽的下泄流量，降低下游河床消能防冲的难度。

(3)由于枢纽泄洪流量大，泄洪功率近100 000MW，居世界高拱坝之首。泄洪消能设施布置采用“分散泄洪、分区消能、按需防护”的原则，由坝身孔口和泄洪隧洞及非常泄洪隧洞等多套泄洪设施共同宣泄洪水。坝下游消能分为两个区：坝下游设二道坝壅高水位形成水垫塘，消刹坝身孔口挑射水流的能量；隧洞出口消能区远离水垫塘，隧洞出口挑射水流在水下碰撞和漩滚消能。这种布置方式增加了运行的灵活性和安全度。

(4)高度重视泄洪雾化对枢纽布置的影响。已建工程的实例表明，狭窄河谷中采用挑跌流的泄洪方式，泄洪雾化是不可避免的，雾化强度及范围均较大。在枢纽布置中首先考虑避让的原则。在强雾化区及较强雾化区不布置水工建筑物；其次对雾化区内的边坡不稳定岩体及其他存在地质缺陷的岩体采取挖除或其它工程加固措施，加强坡面排水，确保两岸边坡的稳定性。

(5)河芥狭窄，不具备布设坝后厂房的条件，利用河床左右两岸地形地质条件基本对称，山体雄厚，围岩条件好的特点，将18台机组均匀分设在左、右两岸的地下厂房，每座厂房装机容量6 300MW。

(6)初期施工导流采用断流围堰、隧洞导流、基坑全年施工的方案。在左右两岸共布置6条大断面导流隧洞。在枢纽布置时尽量考虑将导流隧洞与永久建筑物相结合，后期略加改建便可成为永久建筑物。这样不仅减少工程量节省投资，而且使处于狭窄河谷的枢纽布置更加紧凑。

(7)兼顾分期蓄水提前发电，提早发挥工程效益，降低工程总投资。

对多个枢纽布置方案进行了全面的技术经济比较，提出推荐的枢纽布置方案(参见图2)，其优点如下：

(1)充分利用玄武岩出露的4km长的峡谷河段布设整个水工枢纽。坝轴线选择在峡谷中段，地形微向下游收敛，河床覆盖层厚

第五篇：溪洛渡电站设计中的重大技术问题研究(下)

溪洛渡电站设计中的重大技术问题研究（下）

3.3 坝体应力分析、(1)应力控制标准 应力控制标准系根据《混凝土拱坝设计规范》和《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定，以国内外高拱坝容许应力标准为基础，结合我国近期高拱坝的建设经验及溪洛渡拱坝工程特点，本着安全可靠、经济合理、施工方便等要求而确定的。溪洛渡拱坝应力分析以拱梁分载法为主。相配套的容许应力控制标准见表2和表3。

(2)坝体应力分析

坝体应力分析以多拱梁法为主，有限元法及模型试验为辅。通过对各种工况包括施下：期的坝体应力分析以及甚础特性等参数的敏感性分析，拱坝应力分布良好，应力水与二滩拱坝相当，不仅满足设汁要求，而且对基础变模的浮动具有较好的适应能力。坝身设有表孔、中孔后，对大坝整体应力分布从拱坝整体稳定无影响，仪导致孔口附近局部应力集中，通过配筋即可解决。大坝混凝土强度以R180 350控制。

采用拱梁分载法(9拱17梁)，在荷载基本组合工况和特殊荷载组合工况下，坝体应力位移汁算成果见表

4、表5

从计算结果可知：

在基本组合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工况作用下，坝体最大径向位移12.6cm，坝基河床最大径向位移3.8Cm，坝体位移平顺光滑；坝休应力状态良好，坝体大部分处于受压状态，只在中部高程坝踵部位局部出现拉应力，最大主拉、主压应力值满足应力控制标准。说明抛物线体型设计符合要求。

在特殊荷载组合工况下，坝体应力满足应力控制标准，应力分布规律及最大位移、最大应力出现部位与基本组合相似，主要差别在于上游坝踵拉应力增大，增幅约30％。线弹性有限元法计算结果表明：坝体位移对称、均匀与拱梁分载法计算成果一致；坝体拉应力主要受上游面控制，从拉应力区分布及拉应力值综合判断，坝体拉应力满足设计要求；坝体压应力主要受下游面控制，从压力区分布及压应力值总和判断，坝体压应力满足设计要求。

3.4 坝肩稳定分析

从坝址区的地形地质分析，对拱坝坝肩稳定有利，主要表现为：河谷狭窄，地形完整对称，山体雄厚；坝肩出露的岩体为坚硬、完整的去武岩，具有较高的强度。坝肩岩体内无特定的陡倾角结构面发育，只有稀疏、短小、挤压紧密的陡倾角裂隙发育(其连通率

溪洛渡水电站坝址河谷形态为对称的窄“U”型，枯水期水面宽70～1lOm，河床420m高程以下的坡度较缓，仅为20°～25°，420m以上则为55°～75°陡坡。从适应河谷形态，减少岸坡的开挖，增加底板稳定的安全度考虑，采用反拱形底板水垫塘。

为研究水垫塘内的水流特性，专门制作了枢纽整体模型，并开展了反拱型水垫塘底板的整体稳定和局部稳定的试验研

究，得出以下结论：

①反拱型水垫塘的流态与平底板水垫塘没有本质的区别，坝身多股射流，在水垫塘内形成复杂的流动结构，塘内水流紊动和混掺剧烈，消能比较充分。采用先进的测试手段，细致地分析了水垫塘复杂的三元流动结构，按照不同的受力情况对水垫塘各部位进行适当的保护，可以保证工程的安全运行。②反拱型底板的受力特性与平底板不同。平底板块以升浮稳定为控制条件，其抗力主要是单块的自重和锚固力，一旦止水破坏，抽排系统失效，动水压力沿裂缝传到板块底部，对底板稳定形成直接危险，特别是水垫塘动水压力较大的水舌入水区，容易产生底板块失稳。反拱型水垫塘底板，当动水压力产生的上举力超过底板块自重时，底板块间形成拱，靠拱端产生的推力来维持其稳定。反拱型底板在上举力作用下产生的推力在摩擦力和锚筋剪切的力的耗损下传至拱底，因此拱端产生的推力不会很大，拱座容易保持稳定。③反拱各底板块上举力相关性差，各单块底板稳定失稳受相邻两块底板制约大，从而保证了各单块底板有足够大的稳定性；反拱型底板较之平底板有更大的安全度，在模型上不设抽排和止水措施，也末见底板块发生失稳。

(3)大泄量的“龙落尾”泄洪隧洞

溪洛渡工程40％的泄量山两岸多条泄洪洞负担，单洞泄量高达4 000m3/s。泄洪隧洞分流后可减轻坝下消能防冲的负担和泄洪雾化的影响，增大枢纽泄洪设施运行的灵活性利可靠性。由于水库设有46.5亿m3防洪库容，汛期库水位基本上要维持在560m运行，汛期泄洪设备主要为泄洪洞和坝身深孔。泄洪洞加上部分机组运行可以宣泄常年洪水。因此，对泄洪洞的安全运行要求颇高。

根据枢纽布置，泄洪隧洞长1.3～1.8km，平面上布置要转弯，泄洪洞水头高，反弧段流速达45m/s以上。在总结国内外大型泄洪洞设计和运行经验的基础上，提出进口为有压段，后经地下工作闸门室接无压洞，无压洞洞内“龙落尾”型式，将总能量的80％左右集中在尾部占全洞洞长的15％的洞段之内。泄洪隧洞洞内流速大多控制在25m／s左右，仅在龙落尾段流速才由25m／s增加至反弧段末端的45m/s。这种布置型式的优点：绝大多数洞段由于流速低，不致产生空化空蚀，衬砌要求低；高速水流集中，减少衬砌工程量，增加了洞身运行的安全度。由于出口水流流速较大，挑射水舌能挑至主河床，水流归槽条件好；加之高流速无压段短且与大气连通条件好，水流表层自掺气充分，提高了水流的空化数，增加高流速段抗空化空蚀能力。

(4)将一条导流洞改建为泄洪洞溪洛渡电站采用全年断流围堰隧洞导流的导流方式，左布岸各设3条18mX20m导流隧洞。其中左右岸各2条导流洞拟与厂房尾水洞相结合，将剩下的2条中的1条改建为泄洪隧洞。山于水头高(约200m)、泄量大(3000m3/s)、技术难度大，在“八五”、九五”攻关基础上，进行了多种体型的对比试验，深入研究改建中存在的关键技术难题，提出采用竖井旋流与孔板消能整流相结合的消能方式和竖井与洞塞相站合消能的方式，并经模型试验验证，消能率达90％，洞内流速控制在25m/s左右，这两种改建方式都是可行的。由于导流洞结合段内流速低、压力小，在结构上不需要作特殊处理，完全可以利用原导流洞。竖井段结构简单，投资不入片：可以提前施了，改建占用直线工期少，因此被设计采纳。

枢纽整体模型试验和单体水力模型试验表明，这会枢纽泄洪建筑物的设计方案，其泄洪能力、消能效果和布置格局是安全可行的，完全可以在遭遇特大洪水时投入使用。

3.7 超大型地下洞室群设计

溪洛渡水电站装机容量12 600MW，发电厂房分左、右两岸对称布置。每个厂房各装机9台，单机700MW。左、右岸地下工程包括地下厂房、主变室、尾水调压室、引水隧洞、尾水隧洞、母线洞、电缆竖井以及交通洞、通风洞等辅助洞室，形成规模巨大的地下洞室群。主厂房尺、(长X宽X高)430.3mX28.4mX75.1m，地下洞室总开挖量近1 500万m3，超过已建的二滩、拉格朗德二级以及丘吉尔电站地下厂房。厂区洞室多、尺寸大、布置密集、立体交叉，在世界上是没有先例的。参见图3。

在地下工程的设计中，工程布置、围岩稳定评价以及加固处理措施等都属关键技术问题，对工程建设的安全性和经济性影响甚大，设计给予了充分重视。溪洛渡工程两岸地下厂房洞室群的水平和垂直埋深均大于300m。围岩新鲜坚硬、完整性好，呈块状结构，断层不发育，以Ⅰ、Ⅱ类围岩为主，围岩成洞条件好。初始地应力场以构造应力为主，最大主应力为15.0～20.0MPa属中等地应力水平。岩层近水平展布、垂直裂隙不发育，主要构造形迹为近水平的岩流层层间层内构造错动带。岩体内地下水活动弱，透水性低，水文地质条件相对较简单。两岸均具备修建大型地下洞室群的良好工程地质条件。

缓倾角层间、层内错动带对大跨度顶拱、高边墙及洞室交叉部位围岩的稳定不利。影响围岩稳定的因素很多，结构面的组合、地下水的运移规律、施工程序、开挖方法、围岩力学参数等都有一定的不确定性，这些不确定因素给超大型地下洞室群的设计、施工及围岩临时与永久支护带来极大的困难。在溪洛渡工程的研究设计中，结合“九五”国家科技攻关和特殊专题研究，开展了前所未有的分析、试验研究工作，重点研究地下厂房洞室群围岩稳定与支护、合理的施工顺序、无支护时围岩静力稳定特性、有支护时围岩静力稳定特性(包括弹塑性损伤有限元分析、FLAC3D拉格朗日元分析及三维地质力学模型试验)和洞室群的抗震稳定分析。建立了地下洞室群的动力分析系统和施工动态仿真分析模拟系统。利用这些先进方法和手段能充分考虑优化开挖顺序、确定加锚支护参数、施工爆破参数，对地下厂房洞室群的围岩稳定作出合理的评价，使地下厂房的设计有较大的提升和突破。结束语

成都勘测设计院积几十年的经验，集中优势力量，针对工程规模大、技术难度高、设计周期短等问题，在可研设计中注意采用国内外最新的科研成果和新技术。针对重大技术问题列出专题，与国内的科研单位和大专院校通力合作，并依托国家“九五”科技攻关，攻克了这些技术难题，保证了可研报告的质量。目前溪洛渡工程已批准立项开工，我们将在下阶段设计和工程实施的过程中，继续深化研究和落实这些重大技术问题。