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
2021-10-12 
本文摘要:南水北调关键技术突破对推展我国水利技术变革具备最重要意义到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,其规模之极大、包含之简单在国内外皆科少见。几经几十年的规划与建设,南水北调工程在水利技术上的核心区、突破与创意令人印象深刻印象。 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专访了中国工程院院士钮新强。中国水利:南水北调工程交错大半个中国,是重塑中华水网的世纪工程。

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南水北调关键技术突破对推展我国水利技术变革具备最重要意义到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,其规模之极大、包含之简单在国内外皆科少见。几经几十年的规划与建设,南水北调工程在水利技术上的核心区、突破与创意令人印象深刻印象。

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专访了中国工程院院士钮新强。中国水利:南水北调工程交错大半个中国,是重塑中华水网的世纪工程。请求您以南水北调中线工程为事例,谈谈这项根本性工程是如何规划的,有什么特点。

钮新强:南水北调工程是解决问题我国水资源产于与社会生产力布局不相适应对立、增进地区经济繁荣和社会可持续发展、确保身体健康生态环境的特大型基础设施。1952年毛泽东主席说道南方水多,北方水少,如有可能,借点水来也是可以的。第一次明确提出了南水北调的宏大设想;水利部长江水利委员会1959年编成的《长江流域利用规划要点报告》明确提出从长江上、中、下游分别调水的南水北调总体布局。

南水北调工程规划秉持党中央从长计议、全面考虑到、科学选比、周密计划的命令,实施再行节水后调水、再行治污后通水、再行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,正确处理横跨流域调水与节水、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显然目标,以提升用水效率为核心,专责考虑到调水区和受水区的生活、生产和生态用水,展开多方案的科学选比,合理确认南水北调工程的调水规模、总体布局和实施方案,建构适应环境社会主义市场经济拒绝的工程建设管理体制和水价构成机制,构建经济效益、社会效益和环境效益的统一,以水资源的可持续利用确保国家经济社会的可持续发展。南水北调中线工程是解决问题京、津、冀等华北地区水资源紧缺,优化水资源配备的一项战略性基础设施工程。中线工程穿过江、淮、朱、海四大流域,工程规模极大、线路宽、各类交叉建筑物众多,牵涉到社会、经济、环境、工程技术等方方面面,具备地质和气候条件简单、技术难度大、社会经济关系简单的特点。因此,中线工程规划是一项极大而简单的系统工程,需采行跨部门、跨地区、跨学科牵头协作编成,其内容牵涉到计划、财政、水利、农业、国土、物价、建设、环保等专业和部门;参予工作的技术人员多达几千人,历时几十年,在分析较为了几十种规划方案的基础上,构成了今天的工程总体格局,可以说道是汇聚了几代人的心血和智慧。

我指出专责水源区上下游、受水区仅有范围内的人与自然、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最重要特点。中线工程明确提出的中线北调水不应与当地水牵头运用,构建丰枯有序,以当地水居多,北调水补足,联合确保受水区供水安全性的水资源配备原则,是充分发挥中线工程效益,确保受水区供水安全性的基础。

中线工程规划设计也充分考虑了调水对水源区的影响,规划实行了丹江口大坝加宽以及汉江中下游四项管理工程,在尽量减少北调水量的同时,仅次于程度减轻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,专责了大自然与社会中的多个要素展开系统规划,构建国家范围的水资源优化配备,沦为中华水网的关键一环。中国水利:南水北调中线工程穿过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解决,建构了数个世界之最,新材料、新工艺、新的专利不断涌现。

请求谈谈工程建设中您印象深刻印象的难题,及攻下这些难题获得的创意成果。钮新强:南水北调中线工程从陶岔渠首闸至北京团城湖,引水总干线全长1432km,跨越河南、河北、北京、天津4个省(直辖市),交流长江、淮河、黄河及海河四大流域。水资源优化配备是一个简单的系统工程,总体而言,三先三后是实行调水工程的基本原则,也限于于调水工程的配备和调度,明确就是要逃跑三个专责,构建水资源综合效益的最大化利用。

一是中线运营调度关键技术。南水北调中线水资源配备关系到我国水资源优化配备的战略格局,直接影响工程效益与各种水资源的合理利用。水资源配备技术是一项开创性的关键技术,涉及面甚广、可玩性大、错综复杂,回应,长江勘测设计研究院(以下全称长江设计院)早于在工程规划阶段就积极开展了持续、了解的研究,在水资源调配方面研制了丹江口水库固定式水量模型、受水区多水源调度模型以及中线水资源牵头调配模型,为中线工程规模确认和运营期的水量分配计划编制获取了技术确保。中线运营调度直接影响着中线工程的运营安全性和运营效率,对工程建设目标的构建具备决定性影响,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,就开始了中线运营调度的研究工作。针对中线总干渠对水位变幅拒绝低、水力号召快、调蓄能力小的特点,明确提出了以主动蓄量补偿原理为基础,限于于有所不同渠道运营方式的前馈控制策略;使用二重递归方式,解决问题了渠道非恒定流方程组和镇抚闸过闸流量方程的非线性耦合问题;针对冰期引水和事故应急调度的类似运营拒绝,分别研发了冰期引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。

中线运营掌控研究的涉及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合水中获得了普遍的应用于,为中线总干渠运营安全性和年度调度计划的成功实行获取了技术承托。二是丹江口大坝加宽工程。为压低丹江口水库蓄水位,减少调蓄能力,构建多年平均值向北方调水95.0亿m3的目标,必须在原坝高98.0m的混凝土重力坝上加宽14.6m,以减少库容116.0亿m3。在大坝运营状态下实行如此大规模的加宽工程,在世界上尚属首例,面对着系列关键技术难题:第一,大坝加宽在初期工程运营条件下展开,加宽期间之后承担着防洪、发电和灌溉等任务,初期坝体的检测和处置、加宽施工期的水位对加宽工程平稳形变以及新的杨家坝体融合面的影响等都是十分最重要的关键技术问题。

第二,大坝加宽工程使用后帮贴坡加宽的方式,贴坡厚度大约5~14m,与年气温变化影响深度基本非常。新的杨家坝体融合面处在年气温变化影响深度范围内,工作环境简单,传统的后老大整体式加宽方式无法确保新的杨家坝体之间的融合面紧密结合,大坝加宽设计理论尚待研究。

针对丹江口大坝加宽工程贴坡混凝土厚度厚、不受温度影响大、融合面裂开难以避免的问题,突破传统重力坝后老大整体加宽混凝土融合面几乎溶的设计原则,在重力坝加宽设计理论研究、现场原位试验及大量有限元建模计算出来的基础上,明确提出了后老大受限融合加宽结构设计新的理论和设计方法。该方法在新的杨家坝体融合面设置限位传力榫槽,容许融合面受限裂开以获释温度荷载,使用动态裂开面键槽传剪与受限融合面传压传剪结合的传力方式,以系统工程措施构建融合面受限裂开,确保新的杨家坝体牵头支撑。

三是大型收缩土渠坡处置关键技术。收缩土是一种遇水收缩、酸化膨胀,痰限效应十分明显的类似黏性土,历年来被普遍认为为土木工程界的癌症世界性难题。渠道工程的过河特点使得收缩土渠坡更加简单,不仅面对大范围的收缩变形问题,更加要面临难以预测的滑坡问题,工程危害很大。

南水北调中线牵涉到收缩土387km,收缩土渠段长、凿深大(仅次于50m),且渠坡在过河环境下运营,平稳问题引人注目,处置技术简单,国内外尚无先例。如何确保收缩土渠道成功建设和运营期的平稳安全性是关系到南水北调中线工程胜败的根本性关键技术难题。

工程系统积极开展了收缩土渠道平稳关键技术研究,在收缩土工程特性、毁坏机理、处置技术、施工工艺等方面获得突破,攻下了工程收缩土渠道简单技术难题,创建了大型收缩土渠道平稳控制技术体系。①首次明确提出了收缩土三带理论及收缩等级1/3区分方法,创建了特大型引水工程收缩土勘查方法及技术标准。②明确提出了收缩土边坡浅层收缩变形和深层结构面掌控型折线滑动毁坏模式分析理论和方法,解决问题了长期以来传统平稳分析方法成果与实际情况不给定的难题。③明确提出了护拦排固的收缩土渠坡综合处理关键技术,攻下了大气影响带胀限变形、深表层收缩变形和较深层~深层结构面掌控型边坡平稳难题。

四是穿着黄隧洞工程。穿着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仅次于、技术最简单的工程之一,也是掌控工期的关键性工程。穿着黄工程使用2条盾构隧洞穿过黄河,单洞长4250m,隧洞内径为7.0m,为国内首例使用盾构法施工的软土地层大型高压引水隧洞。穿着黄工程技术难度大,远超过我国现有工程经验和规范适用范围,面对着三大引人注目技术挑战:第一,隧洞必须穿过闲逛性河段,该河段所处围土为饱和状态砂土地层,地质条件简单,内水压约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灌溉隧道,忍受低内水压力的水工引水隧洞没工程经验参照。

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第二,软土地层超深竖井问题。因隧洞挖出深大,拒绝南、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,硬黄土低边坡和地下洞室平稳问题。南岸进口明渠开凿边坡最低约60m,产于两层硬塑状黄土,边坡平稳问题引人注目。使用铁环爆法施工的弃水洞从饱和状态黄土通过,塌落突泥问题引人注目,处置可玩性大,施工安全性风险极高。针对上述问题,工程在设计理论方法、成套技术等获得了根本性技术突破:第一,研发了结构牵头、功能独立国家的盾构隧洞预应力填充衬砌新型引水隧洞结构形式设计理论方法,并创建了适当的设计掌控标准体系。

解决问题穿过黄河静电学简单软土地层高压引水隧洞结构受力和高压内水外渗造成围土失稳毁坏难题,较好地适应环境河床闲逛起到引发的横向动态大变形。第二,研发了竖井井壁设置弧形终到反力座的新型双层衬护竖井结构及双层结构牵头受力动态结构设计方法,明确提出了饱和状态砂土地层超深竖井工程结构及防渗成套技术,解决问题了饱和状态砂土地层结构安全性和防渗难题。第三,研发了黄土抽水机技术,明确提出了通过降水提升黄土强度、构建硬黄土低边坡施工期及运营期平稳的工程地质分析方法和设计方法。

说明了了受卸荷与动水压力掌控的黄土过饱和机制及地下洞室突泥发展规律,明确提出了洞内掌控卸荷边界效应、洞周掌控卸荷向外拓展,切断黄土过饱和发展进程的综合处理技术,顺利构建了饱和状态黄土大型洞室安全性施工。五是超大规模渡槽工程。中线工程总干渠沿线共计渡槽27座,仅次于流量420m3/s,工程规模极大。

其中,湍河渡槽单横跨40m,单槽净宽9m,仅次于流量140m3/s,单横跨荷载4800t,大于壁薄仅有35cm,造槽机1250t级,是目前世界上仅次于的U形渡槽。青兰高速交叉渡槽荷载735t/㎡,单横跨荷载约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远超过有数工程。为攻下超大型薄壁引水渡槽的支撑问题,明确提出了分区腰线形温度荷载读取模式、横向分区、环向非同心预应力设计新理念,构成了超大U形渡槽设计理论和方法,解决问题了超大U形渡槽结构支撑、防裂等技术难题。

同时,研发出有40m横跨1600t超大U形渡槽造槽机加装运营、吊装施工等机械化施工成套技术和高效施工工法,攻下了超大U形渡槽机械化施工的系列技术难题,空缺了大型现浇预应力渡槽槽身机械化施工技术空白。针对工程建设期追加青兰高速交叉渡槽工程分配设计水头小的难题,创建了预应力顶盖构件与钢筋混凝土推开水构件既互相独立国家又协同支撑的分体式扶壁梯形低耗水头新型渡槽型式,槽身过水断面同引水干渠,防止了额外的水头损失。

六是兴隆水利枢纽工程。中线工程调水后,为解决问题汉江中下游综合用水市场需求,增进生态环境、灌溉和航运身体健康发展,建设了兴隆水利枢纽。

兴隆水利枢纽坝址处河道总宽度大约2800m,河床呈圆形复式断面,建筑物地基及过流面皆为粉细砂层。工程建设不存在三大关键技术难题:第一,超宽闲逛性河道建设拦河枢纽如何迎合河势,保持河势平稳,确保枢纽综合效益长年平稳充分发挥,防止航道淤积;第二,针对粉细砂地基承载能力较低、下陷量大、容许渗入径流量值小、不易再次发生渗入变形、饱和状态砂土不存在震动液化等特性的大面积地基处置技术;第三,粉细砂抗冲流速小,外用冲刷能力较低,工程过流面积大,必须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明确提出了主槽建闸,滩地分流;航电同岸,平稳航槽的枢纽布置新型式,解决问题了在超宽蜿蜒型河道建设大型水利枢纽时如何平稳河势和确保安全性通航的技术难题。同时,研发了格栅图形加热桩多功能填充地基新型式、H形钢架嵌套柔性海漫相结合横向以防快活墙的多重校验防冲结构,首次在很深粉细砂河床上顺利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,还有什么方面必须改良?钮新强:中线工程自2014年12月12日月通水以来,已安全性稳定运营5年。2017年丹江口水库最低水位超过167.0m,加宽工程各项监测指标、大坝运营状态安全性评价指出,丹江口大坝运营长时间,状态较好。2018年和2019年总干渠渠首段最低水位和仅次于流量超过或多达设计工况,总干渠收缩土渠段、超大型引水渡槽及各类交叉建筑物运营长时间,尤其是收缩土渠坡遭受寄居了2016年特大暴雨的考验。

中线运营调度、丹江口大坝加宽、收缩土渠坡处置、穿着黄隧洞工程、超大型引水渡槽等关键技术创新,为中线总干渠安全性稳定运营奠下了扎实的技术基础,是中线工程充分发挥极大社会、经济、生态效益的最重要确保。中线工程月通水以来,向北京、天津等20多座大中城市及100多座县城调水超强255亿m3,必要获益人口多达5859万,有效地减轻了受水区水资源紧缺的局面,符合了城市生活、工业用水市场需求,并提高了受水区饮用水水质。中线工程通水后,通过容许地下水开采、必要补水、移位挤占的环境用水等措施,有效地遏止了华北平原地下水水位较慢上升的趋势,总计力采行地下水开采量大约49亿m3左右,平原区地下水水位显著回落,北京市平原区地下水水位回落约2.88m。此外,中线工程照相机向受水区沿线白河、澧河、滹沱河、瀑河等30条河流总计实行生态补水22.94亿m3,为沿线区域生态环境修缮充分发挥了大力起到。

实践中指出,中线工程明显减少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给较小的提高,具备最重要的战略意义。中线工程融合水源区和受水区的地形特点,使用明渠自流引水方式,解决问题了一系列明渠引水型调水工程的关键技术问题。

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但随着我国经济社会的发展,大型横跨流域调水工程建设将逐步向地形地质条件更加简单的高海拔、低挖出浅、低地震烈度、高寒地区移往,将面对低扬程大流量泵、长大埋藏隧洞、高架引水建筑物抗震抗断、冻土施工等一系列技术挑战,不应尽快积极开展涉及方面的技术研发。中国水利:您指出南水北调中线工程关键技术的突破对前进我国水利水电技术变革有怎样的意义?钮新强:中线工程是我国横跨流域大型调水工程的建筑物博物馆,工程建设牵涉到大坝加宽、收缩土渠道、大型渡槽、大流量推倒虹吸、软土地层大型高压引水隧洞、大直径PCCP压力管道及砂土地基础设施闸等多项世界级可玩性技术挑战。

工程建设获得了大量技术突破和科研成果,建构了几十项世界第一,取得了近千项专利和国家级工法,并被多部技术标准接纳,对推展我国水利水电技术变革具备最重要意义,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顺利攻下为大型调水工程的建设累积了宝贵的建设经验,明显提升了我国在涉及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育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顺利应用于谓之江济淮工程、鄂北水资源配备工程、珠江三角洲水资源配备工程等国内大型重点水利水电工程,获得了明显的经济社会效益,具备辽阔的推广应用前景。中国水利:融合南水北调中线工程通水五年的实践中市场需求,您对中线先前工程有什么建议?钮新强:中线工程通水五年,向北方调水超强255亿m3,是中线受水区供水安全性的最重要确保,为北方受水区地下水超采综合治理和生态修缮获取了水资源确保,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,也面对着一些新形势和新的市场需求。

一是中线受水区人口经济与水资源承载能力相当严重流失,随着京津冀协同发展战略和雄安新区的实行,经济社会用水将更进一步减少,预测2035年受水区需北调水量将由95亿m3减少到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倚赖日益强化,对中线供水的稳定性明确提出了新的拒绝,而丹江口水库来水丰枯失衡造成中线工程供水年际变化较小,不存在多水多调、较少水少调的情况。多达,19561998年水文系列中,北调水量超过多年平均值95亿m3的年份仅有占到62%,年仅次于调水115亿m3,年大于徵水量仅有53亿m3。三是中线调水后如时逢汉江倒数枯水年,将给汉江中下游生态环境问题带给较小压力。

四是中线总干渠自通水以来,工程运营总体安全性稳定,但中线总干渠不存在因检修、脑溢血事故等中断或增加供水的风险,且部分水厂以中线北调水为唯一水源,而总干渠为单线引水,一旦供水中断,将不会影响下游渠段受水区的长时间供水。为减轻汉江流域水资源供需矛盾,提升汉江流域水资源调配能力,减少北调水量,提升中线供水确保能力,在水利部的组织指导下,长江设计院积极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。谓之江补汉和在线调蓄等中线先前工程的规划设计中,我们将之后秉持习近平总书记的生态文明思想,坚决节水优先、空间平衡、系统管理、两手发力新时期水利思路,遵循水利部水利工程补短板,水利行业强劲监管的总基调,专责考虑到水源区、受水区的社会、经济、生态等用水市场需求,为中线先前工程早日动工作好技术承托工作。

2019年11月18日,李克强总理主持人开会南水北调先前工程工作会议,特别强调要按照南水北调工程总体规划,完备实施方案,抓住前期工作,主动前进东、中线先前工程建设。因此,抓住前进谓之江补汉工程以及中线在线调蓄工程建设,解决问题中线水源严重不足,提升中线供水确保能力,谋求早日动工建设,是当前南水北调中线先前工作的当务之急。


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