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专访钮新强:南水北调关键技术突破对推动我国水利技术进步具有重要意义
2019-12-16 13:40:22   来源:中国水利杂志   评论:0 点击:

南水北调关键技术突破对推动我国水利技术进步具有重要意义
——访中国工程院院士钮新强本刊记者/王慧 韦凤年南水北调工程作为重塑中华水网的系统工程,其规模之巨大、构成之复杂在国内外均属罕见。历经几十年的规划与建设,南水北调工程在水利技术上的集聚、突破与创新令人印象深刻。在南水北调工程通水五周年之际,本刊记者就南水北调规划及工程技术突破采访了中国工程院院士钮新强。中国水利:南水北调工程纵横大半个中国,是重塑中华水网的世纪工程。请您以南水北调中线工程为例,谈谈这项重大工程是如何规划的,有什么特点。钮新强:南水北调工程是解决我国水资源分布与社会生产力布局不相适应矛盾、促进地区经济繁荣和社会可持续发展、维护健康生态环境的特大型基础设施。1952年毛泽东主席说“南方水多,北方水少,如有可能,借点水来也是可以的。”第一次提出了南水北调的宏伟设想;水利部长江水利委员会1959年编制的《长江流域利用规划要点报告》提出从长江上、中、下游分别调水的南水北调总体布局。南水北调工程规划贯彻党中央“从长计议、全面考虑、科学选比、周密计划”的指示,落实“先节水后调水、先治污后通水、先环保后用水”的调水方针,遵循水资源的自然规律和价值规律,正确处理跨流域调水与节水、治污和生态环境保护的关系,以水资源合理配置为基本依据,以生态建设和环境保护为根本目标,以提高用水效率为核心,统筹考虑调水区和受水区的生活、生产和生态用水,进行多方案的科学选比,合理确定南水北调工程的调水规模、总体布局和实施方案,构建适应社会主义市场经济要求的工程建设管理体制和水价形成机制,实现经济效益、社会效益和环境效益的统一,以水资源的可持续利用保障国家经济社会的可持续发展。南水北调中线工程是解决京、津、冀等华北地区水资源短缺,优化水资源配置的一项战略性基础设施工程。中线工程穿越江、淮、黄、海四大流域,工程规模巨大、线路长、各类交叉建筑物众多,涉及社会、经济、环境、工程技术等方方面面,具有地质和气候条件复杂、技术难度大、社会经济关系复杂的特点。因此,中线工程规划是一项巨大而复杂的系统工程,须采取跨部门、跨地区、跨学科联合协作编制,其内容涉及计划、财政、水利、农业、国土、物价、建设、环保等专业和部门;参与工作的技术人员多达几千人,历时几十年,在分析比较了几十种规划方案的基础上,形成了今天的工程总体格局,可以说是凝聚了几代人的心血和智慧。

 

我认为统筹水源区上下游、受水区全范围内的人与自然、社会与经济、供水与用水等关系的“多要素系统规划”是南水北调中线工程规划的一个重要特点。中线工程提出的“中线北调水应与当地水联合运用,实现丰枯互补,以当地水为主,北调水补充,共同保障受水区供水安全”的水资源配置原则,是充分发挥中线工程效益,保障受水区供水安全的基础。中线工程规划设计也充分考虑了调水对水源区的影响,规划实施了丹江口大坝加高以及汉江中下游四项治理工程,在尽可能增加北调水量的同时,最大程度缓解了调水对汉江中下游经济社会、生态环境用水的影响。基于“多要素系统规划”思路规划设计的中线工程,统筹了自然与社会中的多个要素进行系统规划,实现国家范围的水资源优化配置,成为中华水网的关键一环。

中国水利:南水北调中线工程穿越了数个地形地貌大相径庭的省份,工程建设过程中,诸多技术难题被一一克服,创造了数个世界之最,新材料、新工艺、新专利不断涌现。请谈谈工程建设中您印象深刻的难题,及攻克这些难题取得的创新成果。钮新强:南水北调中线工程从陶岔渠首闸至北京团城湖,输水总干线全长1432km,贯穿河南、河北、北京、天津4个省(直辖市),沟通长江、淮河、黄河及海河四大流域。水资源优化配置是一个复杂的系统工程,总体而言,“三先三后”是实施调水工程的基本原则,也适用于调水工程的配置和调度,具体就是要抓住三个“统筹”,实现水资源综合效益的最大化利用。一是中线运行调度关键技术。南水北调中线水资源配置关系到我国水资源优化配置的战略格局,直接影响工程效益与各种水资源的合理利用。水资源配置技术是一项开创性的关键技术,涉及面广、难度大、错综复杂,对此,长江勘测设计研究院(以下简称“长江设计院”)早在工程规划阶段就开展了持续、深入的研究,在水资源调配方面研制了丹江口水库可调水量模型、受水区多水源调度模型以及中线水资源联合调配模型,为中线工程规模确定和运行期的水量分配计划编制提供了技术保障。

 

中线运行调度直接影响着中线工程的运行安全和运行效率,对工程建设目标的实现具有决定性影响,是中线工程的中枢神经。长江设计院早在中线可行性研究阶段,就开始了中线运行调度的研究工作。针对中线总干渠对水位变幅要求高、水力响应慢、调蓄能力小的特点,提出了以主动蓄量补偿原理为基础,适用于不同渠道运行方式的前馈控制策略;采用“二重迭代”方式,解决了渠道非恒定流方程组和节制闸过闸流量方程的非线性耦合问题;针对冰期输水和事故应急调度的特殊运行要求,分别研发了冰期输水调度模型和应急调度模型;在此基础上,研发了中线水量调度系统。中线运行控制研究的相关成果在中线京石段应急供水、总干渠充水试验及总干渠初期通水中得到了广泛的应用,为中线总干渠运行安全和年度调度计划的顺利实施提供了技术支撑。

 

二是丹江口大坝加高工程。为抬高丹江口水库蓄水位,增加调蓄能力,实现多年平均向北方调水95.0亿m3的目标,需要在原坝高98.0m的混凝土重力坝上加高14.6m,以增加库容116.0亿m3。在大坝运行状态下实施如此大规模的加高工程,在世界上尚属首例,面临着系列关键技术难题:

 

第一,大坝加高在初期工程运行条件下进行,加高期间继续担负着防洪、发电和灌溉等任务,初期坝体的检测和处理、加高施工期的水位对加高工程稳定应力以及新老坝体结合面的影响等都是非常重要的关键技术问题。

 

第二,大坝加高工程采用后帮贴坡加高的方式,贴坡厚度约5~14m,与年气温变化影响深度基本相当。新老坝体结合面处在年气温变化影响深度范围内,工作环境复杂,传统的后帮整体式加高方式难以保证新老坝体之间的结合面紧密结合,大坝加高设计理论有待研究。

 

针对丹江口大坝加高工程贴坡混凝土厚度薄、受温度影响大、结合面开裂难以避免的问题,突破传统重力坝后帮整体加高混凝土结合面完全固结的设计原则,在重力坝加高设计理论研究、现场原位试验及大量有限元仿真计算的基础上,提出了“后帮有限结合”加高结构设计新理论和设计方法。该方法在新老坝体结合面设置限位传力榫槽,允许结合面有限开裂以释放温度荷载,采用动态开裂面键槽传剪与有限结合面传压传剪相结合的传力方式,以系统工程措施实现结合面有限开裂,保证新老坝体联合承载。
三是大型膨胀土渠坡处理关键技术。膨胀土是一种遇水膨胀、失水收缩,胀缩效应十分显著的特殊黏性土,历来被公认为土木工程界的“癌症”“世界性难题”。渠道工程的涉水特点使得膨胀土渠坡更为复杂,不仅面临大范围的膨胀变形问题,更要面对难以预测的滑坡问题,工程危害极大。

 

南水北调中线涉及膨胀土387km,膨胀土渠段长、挖深大(最大50m),且渠坡在涉水环境下运行,稳定问题突出,处理技术复杂,国内外尚无先例。如何保障膨胀土渠道顺利建设和运行期的稳定安全是关系到南水北调中线工程成败的重大关键技术难题。

 

工程系统开展了膨胀土渠道稳定关键技术研究,在膨胀土工程特性、破坏机理、处理技术、施工工艺等方面取得突破,攻克了工程膨胀土渠道复杂技术难题,建立了大型膨胀土渠道稳定控制技术体系。①首次提出了膨胀土“三带理论”及“膨胀等级1/3划分方法”,建立了特大型输水工程膨胀土勘察方法及技术标准。②提出了膨胀土边坡浅层蠕动变形和深层结构面控制型折线滑动破坏模式分析理论和方法,解决了长期以来传统稳定分析方法成果与实际情况不匹配的难题。③提出了“护—截—排—固”的膨胀土渠坡综合处理关键技术,攻克了大气影响带胀缩变形、浅表层蠕动变形和较深层~深层结构面控制型边坡稳定难题。

 

四是穿黄隧洞工程。穿黄工程是中线总干渠与黄河的交叉建筑物,是总干渠上建设规模最大、技术最复杂的工程之一,也是控制工期的关键性工程。穿黄工程采用2条盾构隧洞穿越黄河,单洞长4250m,隧洞内径为7.0m,为国内首例采用盾构法施工的软土地层大型高压输水隧洞。穿黄工程技术难度大,超出我国现有工程经验和规范适用范围,面临着三大突出技术挑战:

 

第一,隧洞需要穿越游荡性河段,该河段所处围土为饱和砂土地层,地质条件复杂,内水压达0.51MPa,而同期软土地层水下盾构隧道多为交通隧道或内水压力较低的排水隧道,承受高内水压力的水工输水隧洞没有工程经验参考。

 

第二,软土地层超深竖井问题。因隧洞埋深大,要求南、北两端竖井超深布置,竖井结构设计与防渗技术极具挑战性。

 

第三,软黄土高边坡和地下洞室稳定问题。南岸进口明渠开挖边坡最高达60 m,分布两层软塑状黄土,边坡稳定问题突出。采用钻爆法施工的退水洞从饱和黄土通过,塌落突泥问题突出,处理难度大,施工安全风险极高。

 

针对上述问题,工程在设计理论方法、成套技术等取得了重大技术突破:

 

第一,研发了“结构联合、功能独立”的“盾构隧洞预应力复合衬砌”新型输水隧洞结构形式设计理论方法,并建立了相应的设计控制标准体系。解决穿越黄河多相复杂软土地层高压输水隧洞结构受力和高压内水外渗导致围土失稳破坏难题,较好地适应河床游荡作用引起的纵向动态大变形。

 

第二,研发了竖井井壁设置弧形始发反力座的新型双层衬护竖井结构及双层结构联合受力动态结构设计方法,提出了饱和砂土地层超深竖井工程结构及防渗成套技术,解决了饱和砂土地层结构安全和防渗难题。

 

第三,研发了黄土抽水技术,提出了通过降水提高黄土强度、实现软黄土高边坡施工期及运行期稳定的工程地质分析方法和设计方法。揭示了受卸荷与动水压力控制的黄土过饱和机制及地下洞室突泥发展规律,提出了洞内控制卸荷边界效应、洞周控制卸荷向外扩展,阻断黄土过饱和发展进程的综合处理技术,成功实现了饱和黄土大型洞室安全施工。


 

五是超大规模渡槽工程。中线工程总干渠沿线共有渡槽27座,最大流量420 m3/s,工程规模巨大。其中,湍河渡槽单跨40m,单槽净宽9m,最大流量140m3/s,单跨荷载4800t,最小壁厚仅35cm,造槽机1250t级,是目前世界上最大的U形渡槽。青兰高速交叉渡槽荷载735t/㎡,单跨荷载达1.84万t/㎡,是现有一般荷载条件的2倍,设计及施工技术难度大大超出已有工程。

 

为攻克超大型薄壁输水渡槽的承载问题,提出了“分区折线形”温度荷载加载模式、“纵向分区、环向非同心”预应力设计新理念,形成了超大U形渡槽设计理论和方法,解决了超大U形渡槽结构承载、防裂等技术难题。同时,研发出40m跨1600t超大U形渡槽造槽机安装运行、浇筑施工等机械化施工成套技术和高效施工工法,攻克了超大U形渡槽机械化施工的系列技术难题,填补了大型现浇预应力渡槽槽身机械化施工技术空白。

 

针对工程建设期新增青兰高速交叉渡槽工程分配设计水头小的难题,建立了预应力承重构件与钢筋混凝土挡水构件“既相互独立又协同承载”的“分体式扶壁梯形”低耗水头新型渡槽型式,槽身过水断面同输水干渠,避免了额外的水头损失。

 

六是兴隆水利枢纽工程。中线工程调水后,为解决汉江中下游综合用水需求,促进生态环境、灌溉和航运健康发展,建设了兴隆水利枢纽。兴隆水利枢纽坝址处河道总宽度约2800m,河床呈复式断面,建筑物地基及过流面均为粉细砂层。工程建设存在三大关键技术难题:

 

第一,超宽游荡性河道建设拦河枢纽如何顺应河势,维持河势稳定,保障枢纽综合效益长期稳定发挥,避免航道淤积;

 

第二,针对粉细砂地基承载能力低、沉降量大、允许渗透比降值小、极易发生渗透变形、饱和砂土存在震动液化等特性的大面积地基处理技术;

 

第三,粉细砂抗冲流速小,抗冲刷能力低,工程过流面积大,需要安全可靠的消能防冲设计。

 

为此,工程根据实际地形地质条件提出了“主槽建闸,滩地分流;航电同岸,稳定航槽”的枢纽布置新型式,解决了在超宽蜿蜒型河道建设大型水利枢纽时如何稳定河势和保障安全通航的技术难题。同时,研发了“格栅点阵搅拌桩”多功能复合地基新型式、“H形预制嵌套”柔性海漫辅以垂直防淘墙的多重冗余防冲结构,首次在深厚粉细砂河床上成功建设了大型综合水利枢纽。

中国水利:这些技术创新成果经过五年通水检验,目前运转情况如何,还有什么方面需要改进?

钮新强:中线工程自2014年12月12日正式通水以来,已安全平稳运行5年。2017年丹江口水库最高水位达到167.0m,加高工程各项监测指标、大坝运行状态安全评价表明,丹江口大坝运行正常,状态良好。2018年和2019年总干渠渠首段最高水位和最大流量达到或超过设计工况,总干渠膨胀土渠段、超大型输水渡槽及各类交叉建筑物运行正常,特别是膨胀土渠坡经受住了2016年特大暴雨的考验。中线运行调度、丹江口大坝加高、膨胀土渠坡处理、穿黄隧洞工程、超大型输水渡槽等关键技术创新,为中线总干渠安全平稳运行奠定了坚实的技术基础,是中线工程发挥巨大社会、经济、生态效益的重要保障。

中线工程正式通水以来,向北京、天津等20多座大中城市及100多座县城调水超255亿m3,直接受益人口超过5859万,有效缓解了受水区水资源短缺的局面,满足了城市生活、工业用水需求,并改善了受水区饮用水水质。中线工程通水后,通过限制地下水开采、直接补水、置换挤占的环境用水等措施,有效遏制了华北平原地下水水位快速下降的趋势,累计压采地下水开采量约49亿m3左右,平原区地下水水位明显回升,北京市平原区地下水水位回升达2.88m。此外,中线工程相机向受水区沿线白河、澧河、滹沱河、瀑河等30条河流累计实施生态补水22.94亿m3,为沿线区域生态环境修复发挥了积极作用。实践表明,中线工程显著增加了华北地区的水资源承载能力,对华北的经济环境、生态环境以及社会环境都带来较大的改善,具有重要的战略意义。

 

中线工程结合水源区和受水区的地形特点,采用明渠自流输水方式,解决了一系列明渠输水型调水工程的关键技术问题。但随着我国经济社会的发展,大型跨流域调水工程建设将逐步向地形地质条件更复杂的高海拔、高埋深、高地震烈度、高寒地区转移,将面临高扬程大流量泵、长大深埋隧洞、高架输水建筑物抗震抗断、冻土施工等一系列技术挑战,应尽早开展相关方面的技术研发。

 

中国水利:您认为南水北调中线工程关键技术的突破对推进我国水利水电技术进步有怎样的意义?

钮新强:中线工程是我国跨流域大型调水工程的建筑物博物馆,工程建设涉及大坝加高、膨胀土渠道、大型渡槽、大流量倒虹吸、软土地层大型高压输水隧洞、大直径PCCP压力管道及砂土地基建闸等多项世界级难度技术挑战。工程建设取得了大量技术突破和科研成果,创造了几十项世界第一,获得了近千项专利和国家级工法,并被多部技术标准采纳,对推动我国水利水电技术进步具有重要意义,是我国工程建设者集体智慧的结晶。

中线工程中技术难题的成功攻克为大型调水工程的建设积累了宝贵的建设经验,显著提高了我国在相关基础设施建设领域的技术水平和科研实力,并为水利水电行业培养了一批高素质的科研和建设人才。

南水北调中线工程的技术成果已成功应用于引江济淮工程、鄂北水资源配置工程、珠江三角洲水资源配置工程等国内大型重点水利水电工程,取得了显著的经济社会效益,具有广阔的推广应用前景。


中国水利:结合南水北调中线工程通水五年的实践需求,您对中线后续工程有什么建议?钮新强:中线工程通水五年,向北方调水超255亿m3,是中线受水区供水安全的重要保障,为北方受水区地下水超采综合治理和生态修复提供了水资源保障,是我国最重要的水利惠民工程和生态工程。但是中线工程通水后,也面临着一些新形势和新需求。一是中线受水区人口经济与水资源承载能力严重失衡,随着京津冀协同发展战略和雄安新区的实施,经济社会用水将进一步增加,预测2035年受水区需北调水量将由95亿m3增加到128亿m3。二是由于中线水质优良,受水区人民群众对北调水的依赖日益增强,对中线供水的稳定性提出了新要求,而丹江口水库来水丰枯不均导致中线工程供水年际变化较大,存在多水多调、少水少调的情况。据统计,1956—1998年水文系列中,北调水量达到多年平均95亿m3的年份仅占62%,年最大调水115亿m3,年最小调水量仅53亿m3。三是中线调水后如遇汉江连续枯水年,将给汉江中下游生态环境问题带来较大压力。四是中线总干渠自通水以来,工程运行总体安全平稳,但中线总干渠存在因检修、突发事故等中断或减少供水的风险,且部分水厂以中线北调水为唯一水源,而总干渠为单线输水,一旦供水中断,将会影响下游渠段受水区的正常供水。为缓解汉江流域水资源供需矛盾,提高汉江流域水资源调配能力,增加北调水量,提高中线供水保障能力,在水利部组织指导下,长江设计院开展了引江补汉工程规划和中线在线调蓄工程方案编制工作。引江补汉和在线调蓄等中线后续工程的规划设计中,我们将继续贯彻习近平总书记的生态文明思想,坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时期治水思路,遵循水利部“水利工程补短板,水利行业强监管”的总基调,统筹考虑水源区、受水区的社会、经济、生态等用水需求,为中线后续工程早日开工做好技术支撑工作。2019年11月18日,李克强总理主持召开南水北调后续工程工作会议,强调“要按照南水北调工程总体规划,完善实施方案,抓紧前期工作,适时推进东、中线后续工程建设。”因此,抓紧推进引江补汉工程以及中线在线调蓄工程建设,解决中线水源不足,提高中线供水保障能力,争取早日开工建设,是当前南水北调中线后续工作的当务之急。刊于《中国水利》2019年第23期

 

 

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