深埋引水隧洞围岩-支护系统长时力学特性及安全性评价与控制研究

The diversion tunnel for Jinping II Hydropower Station is currently the largest group of hydropower tunnels in China, which has the characteristics of deep embedded depth, long length and large diameter. In allusion to the problem of structural damage occurred during the long operation of deep-lying diversion tunnel, we use the surrounding rock, anchor and lining as a complete system, then carried out systematic research through indoor rheological experiments, model test, test equipment development, theoretical analysis and numerical simulation. Through analyzing the aging properties and the overall mechanical response characteristics of the system, We can reveal the mechanism of high stress, the long-term failure mechanism of the mortar anchor system, and the long-term coupling mechanism of the system of the surrounding rock, anchor, and lining. Then we can establish the limitation coupling mechanics model and numerical analysis method of the surrounding rock and supporting system, develop micro-seismic-sensing technology that is partially destroyed by the surrounding rocks and supporting systems of the water tunnel, invent the rapid imaging automatic detection robot of the full-line support structure of the water tunnel, ascertain the structural state, force characteristics and mechanical response laws of water tunnel under high stress and circulating water in and out of circulation, and eventually establish the long-term safety evaluation index and control method of the tunnel surrounding rock, anchor, lining and its combined system . The research results provide reliable theoretical and technical support for the long-term stability of the water tunnel.

锦屏二级水电站引水隧洞具有埋深大、洞线长和洞泾大的突出特点，是目前世界上规模最大的水工隧洞工程。针对深埋引水隧洞长期运行过程中出现的结构破坏问题，将围岩、锚杆和衬砌作为一个完整的系统，通过室内流变试验、模型试验、检测设备研发、理论分析和数值模拟开展系统研究，深入分析其时效特性及系统整体力学响应特性，揭示高应力下硬岩时效破裂机制、砂浆锚杆系统长期失效机制，以及围岩-锚杆-衬砌所构成系统的长期耦合作用机制，建立围岩-支护系统时效耦合力学模型和数值分析方法，研发长大引水隧洞围岩与支护系统局部破坏的微震实时感知技术，研制长大引水隧洞全线支护结构快速成像自动检测机器人，探明高应力和循环内外水运行环境下引水隧洞结构、受力特征和力学响应规律，建立隧洞围岩、锚杆和衬砌各自及其组合系统的长期安全评价指标和控制方法。研究成果为确保引水隧洞运行的长期稳定性提供可靠的理论与技术支撑。

项目通过四年的科技攻关，针对深埋引水隧洞围岩-支护系统时效力学特性、安全性评价与控制方法取得了多项创新进展，无论是在理论方法、成果指标，还是人才培养方面，均实现了项目预期的研究目标..（1）理论技术：.1)揭示了锦屏深部开挖损伤大理岩在高应力、高孔压环境下的时效力学特性和变形破坏机理，建立了综合考虑时效损伤和孔压效应的深部硬岩时效力学模型；.2) 基于深部硬岩相似理论和物理模型试验，模拟了引水隧洞围岩-支护协同承载系统在长期运行过程中的变形演化和破坏过程，明确了承载系统的时效变形规律和长时力学响应特性。.3) 研制了长大引水隧洞运营期全线支护结构性态检测的多元协同自动检测机器人，研发了实时采集光学图像和三维声学成像的可视化人机交互系统，实现了水上控制系统和水下探测装置一体化的设备研发，实现了长大引水隧洞全线支护结构的快速成像和识别检测。.4) 建立了隧洞围岩-锚杆-衬砌协同承载体系的可靠度分析模型，提出了隧洞围岩-锚杆-衬砌协同承载体系的均匀设计响应面有限元可靠度实现方法和流程，分析了围岩-锚杆-衬砌组合承载系统的承载机理及其长时性能演化特性，提出了适合隧洞组合承载系统动态工作性态的劣化支护设计和控制方法。.研究成果为锦屏引水隧洞长期稳定性分析提供了可靠的理论方法，为长大引水隧洞自动检测、衬砌破坏修复技术提供了重要支撑，保障了引水隧洞的长期安全运行。.（2）成果指标：.在国内外核心期刊发表论文43篇，其中SCI收录22篇，EI收录14篇；出版专著1部；授权发明专利8项、软件著作权3项；研究成果获湖北省科技进步一等奖1项（项目负责人排名第1）。.（3）人才培养：.项目负责人获得2018年度科技部中青年科技创新领军人才，并入选2019年度国家万人计划科技创新领军人才，培养了硕士生5人，博士生4人，培养的研究生崔洁获得2019年度“博士研究生国家奖学金”、“中国科学院院长优秀奖”，项目负责人李邵军获得2019年度中科院优秀导师奖。