大型复杂水工隧洞安全控制有了新“利器”

  近日，从中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司（简称“成都院”）获悉，该院积淀的核心成果《复杂环境长大水工隧洞整体安全稳定控制关键技术及应用》，获得四川省科学技术进步奖一等奖。

  我国水能资源位居世界第一，水电在国家能源安全战略中占了重要地位，是实现“双碳目标”的主力军和先锋队，也是绿色低碳新型电力系统最大调节器，能撬动近3倍的新能源开发。水工隧洞作为大型水电工程核心建筑物之一，承载输水发电、泄水防洪等重要功能，随着水电开发向深远地区推进，日益呈现洞线长、断面大，并与高应力、高水头、高地温等复杂环境耦合的特点，导致在勘察设计、施工建造及运行维护三个阶段均面临新的挑战。有了这一重大科学技术成果，这样一些问题将迎刃而解。

  成都院总工程师、成果负责人夏勇介绍，依托国内外40余座水电和国防工程隧洞，团队通过理论分析、实验研究、研发技术、设备研制和监测反馈等系列手段，提出了水工隧洞岩衬结构整体稳定控制理论及评价体系，构建了复杂环境下隧洞岩衬结构整体承载全过程孪生仿真方法，研发了水工隧洞岩衬结构全周期、全天候、全要素、全空间“四全”健康透明感知系统、动态管控知识平台，创新了岩衬智能建造技术，突破了复杂环境长大水工隧洞建造多项技术瓶颈，实现“更快、更省、更智能”，为工程长期整体安全稳定控制提供“利器”。

  “传统水工隧洞设计主要考虑环向－径向，未考虑轴向影响，理论模型不够完善，难以适应复杂环境长大水工隧洞需求。”夏勇说，岩衬结构轴向－环向－径向整体稳定控制理论，为水工隧洞精准设计提供理论基础。不仅如此，根据隧洞不同定位和所处条件，从功能分类、围岩分级、地质分区、施工分序上，构建“四分”设计评价体系和标准，便可实现长大水工隧洞精确选线、精细设计。

  “基于理论基础，建立的岩衬结构真实仿真方法和一体化分析系统，明显提升隧洞快速精细设计水平，设计效率提高25%。”成都院水工专业负责人唐碧华介绍，基于围岩应力调整、衬砌结构开裂及渗流耦合作用机理，提出了岩衬结构整体承载真实仿真分析方法，真实仿真了水工隧洞岩衬结构性态，节省钢筋用量13%以上，在成都院主编的《水工隧洞设计规范》采纳了该研究成果。

  在以往，由于监测精度不够高，灾害预警不够准，缺陷检查效率低，难以实现透明感知，隧洞建设及运行存在风险。再加上设计－建造控制等多源信息集成化程度低，项目质量协同管控难。因此，对感知技术和管控平台方面做创新，显得极为迫切。

  为此，团队构建适应岩衬结构特点的透明感知技术，实现了感知传感器的科学布置，岩体破裂定位精度提高30%。在坝高世界第一的双江口水电站，多次成功预警施工全套工艺流程洞式溢洪道岩爆等灾害。破裂感知成果还被国际岩石力学学会建议测试方法采纳。

  推动经济社会持续健康发展绿色化、低碳化，是实现高水平发展的关键环节，是建设人与自然和谐共生现代化的内在要求。项目团队在控制理论、仿真方法、感知技术的基础上，研发了多源数据融合的智能动态管控平台，为工程安全优质高效建设提供技术和管理保障，创新了水工隧洞绿色智能建造技术，其中绿色智慧砂石系统实现减量化、资源化100%；混凝土温控节水约30%。

  研究成果相继在地质条件最复杂的锦屏一级、峡谷泄洪功率最大的溪洛渡、抗震级别世界最高的大岗山水电站等众多超大复杂型工程中成功应用。相关工程获得重磅奖项，如溪洛渡与锦屏一级水电站获FIDIC工程建设项目杰出奖。大岗山水电站隧洞工程经受住了泸定地震考验，泄洪洞、输水隧洞均运行正常，有效保障了震后能源供给。

  成都院深入实施创新驱动发展的策略，加快培育新质生产力，深度服务国家重大战略。截至目前，成都院荣获国家科学技术进步奖29项，四川省科学技术奖79项，拥有50多项国际领先的核心技术，努力锻造为国家战略科技力量。（中国电建集团成都勘测设计研究院供稿）