科技為南水北調(diào)工程提供強(qiáng)大技術(shù)支撐
——“十一五”期間南水北調(diào)工程科技研究進(jìn)展綜述
南水北調(diào)工程是由多項(xiàng)目組成的龐大項(xiàng)目集群，涉及領(lǐng)域多，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行等方面，面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，是水利學(xué)科與多個(gè)邊緣學(xué)科聯(lián)合研究的前沿領(lǐng)域。
“十一五”期間，在科技部等國(guó)家有關(guān)部門的大力支持下，國(guó)務(wù)院南水北調(diào)辦始終把科技工作放在突出位置，工程項(xiàng)目法人、有關(guān)科研院所、高等院校等單位共同參與開展了包括南水北調(diào)工程“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“南水北調(diào)工程若干關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”在內(nèi)的160 多項(xiàng)科技項(xiàng)目研究，內(nèi)容涉及水工結(jié)構(gòu)、工程施工、水力學(xué)、管理、水工材料、水力機(jī)械、環(huán)境、水資源等諸多專業(yè)和領(lǐng)域。南水北調(diào)工程科技工作全面展開，穩(wěn)步推進(jìn)，取得了豐碩成果，為工程建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
“南水北調(diào)工程若干關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目，主要針對(duì)“大型渠道設(shè)計(jì)與施工新技術(shù)研究”、“丹江口大壩加高工程關(guān)鍵技術(shù)研究”、“大型貫流泵關(guān)鍵技術(shù)與泵站聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化”等16 個(gè)工程重大關(guān)鍵技術(shù)展開，重點(diǎn)解決工程建設(shè)急需解決的重大關(guān)鍵樞紐和典型工程建筑物的結(jié)構(gòu)、材料、施工技術(shù)與工藝、設(shè)備等難題，優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證工程建設(shè)質(zhì)量、安全、進(jìn)度，提高工程建設(shè)的技術(shù)和管理水平；減少工程投資，充分發(fā)揮工程的綜合效益，推動(dòng)相關(guān)科學(xué)的新進(jìn)展，保證工程建設(shè)高質(zhì)量高效率有序推進(jìn)。
截至目前，南水北調(diào)工程共取得新產(chǎn)品、新材料、新工藝、新裝置、計(jì)算機(jī)軟件成果63 項(xiàng)；申請(qǐng)國(guó)內(nèi)專利成果110 項(xiàng)，其中發(fā)明專利66 項(xiàng)；獲得專利授權(quán)59 項(xiàng)，其中發(fā)明專利授權(quán)16項(xiàng)；發(fā)表科技論文580 篇，其中向國(guó)外發(fā)表88 篇，出版著作66 萬(wàn)字；已完成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如《渠道混凝土襯砌機(jī)械化施工技術(shù)規(guī)程》等14 項(xiàng)；獲得國(guó)家及省部級(jí)優(yōu)秀科技獎(jiǎng)多項(xiàng)，如“大型渠道混凝土機(jī)械化襯砌成型技術(shù)與設(shè)備”項(xiàng)目獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，其他項(xiàng)目獲大禹水利科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2 項(xiàng)，教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)2 項(xiàng)。
一、大型渠道設(shè)計(jì)與施工新技術(shù)研究。針對(duì)南水北調(diào)工程長(zhǎng)距離輸水，渠道沿線穿越的地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，水文、氣象以及運(yùn)行條件差異變化大的特點(diǎn)，在大型渠道邊坡穩(wěn)定與優(yōu)化技術(shù)、高水頭側(cè)滲深挖方渠道邊坡穩(wěn)定分析、大型渠道新型結(jié)構(gòu)型式、高性能混凝土新材料、大型渠道機(jī)械化襯砌綜合施工工藝、大型渠道機(jī)械化襯砌系列成套設(shè)備等方面取得了大量研究成果，為南水北調(diào)工程 大型渠道設(shè)計(jì)與施工提供了系統(tǒng)的技術(shù)支撐，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在大型渠道機(jī)械化成型技術(shù)裝備設(shè)計(jì)制造、施工工藝和工程技術(shù)方面的空白。通過機(jī)械化襯砌設(shè)備的引進(jìn)、試驗(yàn)和施工實(shí)踐，研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的長(zhǎng)斜振搗滑模和振動(dòng)碾壓襯砌成型機(jī)及其配套設(shè)備，部分成套設(shè)備還遠(yuǎn)銷國(guó)外。
二、丹江口大壩加高工程關(guān)鍵技術(shù)研究。丹江口大壩加高工程是對(duì)20世紀(jì)70年代建成的老壩進(jìn)行貼坡加高，其新老混凝土結(jié)合是關(guān)鍵技術(shù)問題。研究采用產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合機(jī)制，依托項(xiàng)目法人、設(shè)計(jì)單位、科研院所強(qiáng)強(qiáng)組合發(fā)揮理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、原形觀測(cè)相結(jié)合方法，對(duì)新老混凝土結(jié)合狀態(tài)與安全評(píng)價(jià)、新老混凝土結(jié)合面工程措施及灌漿措施、大壩抗震安全問題評(píng)價(jià)、初期工程帷幕耐久性及高水頭下帷幕補(bǔ)灌技術(shù)等大壩加高工程中存在的技術(shù)難題進(jìn)行研究，取得一批研究成果，直接轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)文件，應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)與施工，為保證工程建設(shè)質(zhì)量及施工進(jìn)度提供了強(qiáng)有力的保障。課題取得的部分研究成果已應(yīng)用于目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的大壩加高工程的設(shè)計(jì)與施工，提高了大壩加高技術(shù)水平，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的大壩加高工程設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。
三、大型貫流泵關(guān)鍵技術(shù)與泵站聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化研究。立足我國(guó)南水北調(diào)東線低揚(yáng)程、大流量泵站工程建設(shè)需要，針對(duì)我國(guó)大型貫流泵機(jī)組技術(shù)和設(shè)備主要依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，系統(tǒng)開展研究，開發(fā)了高性能的貫流泵裝置和貫流泵水力模型，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；研究提出了大型貫流泵機(jī)組傳動(dòng)方式、工況調(diào)節(jié)和通風(fēng)方式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；研制了水泵機(jī)組在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，提出了大型貫流泵機(jī)組引進(jìn)方式及建議；創(chuàng)新地采用能量特性法分析泵機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性；建立了泵型選擇合理性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了泵型選擇的評(píng)價(jià)方法等，為實(shí)現(xiàn)大型貫流泵機(jī)組國(guó)產(chǎn)化奠定了一定的基礎(chǔ)。
四、超大口徑PCCP （預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管）結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量控制研究。中線北京段PCCP管道工程長(zhǎng)約55公里，使用雙排內(nèi)徑4米的超大口徑PCCP管道，其制造、安裝等方面特殊工藝對(duì)工程建設(shè)提出一系列新的要求。經(jīng)過幾年的研究探索和工程實(shí)踐，解決了超大口徑PCCP 結(jié)構(gòu)安全與質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)問題，工程已成功建成投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)向北京應(yīng)急輸水。研究提出了PCCP 考慮預(yù)應(yīng)力鋼絲纏絲過程和剛度貢獻(xiàn)的數(shù)值纏絲模型，建立了PCCP 預(yù)應(yīng)力損失模擬分析的斷絲模型；提出了可模擬PCCP 承載能力全過程的數(shù)值分析方法；研發(fā)了預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管設(shè)計(jì)和仿真分析軟件；在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了4m 超大口徑PCCP制造工藝試驗(yàn)、管道結(jié)構(gòu)原型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸安裝試驗(yàn)、管道防腐試驗(yàn)等；首次提出了PCCP 管道糙率測(cè)算的新方法，克服了超大口徑PCCP 管道無(wú)法利用水力實(shí)驗(yàn)直接獲取糙率系數(shù)的困難；首次提出了新建PCCP 工程陰極保護(hù)的保護(hù)電位和電流密度的范圍以及保護(hù)電位分布的數(shù)值計(jì)算方法。
五、大流量預(yù)應(yīng)力渡槽設(shè)計(jì)和施工技術(shù)研究。渡槽是中線工程的重要交叉建筑物之一，其結(jié)構(gòu)與質(zhì)量直接影響到工程效益。通過開展高承載大跨度渡槽結(jié)構(gòu)新型式及優(yōu)化設(shè)計(jì)、大型渡槽新材料新結(jié)構(gòu)、抗震性能與減震措施、施工技術(shù)及施工工藝、耐久性及可靠性、破壞模式與機(jī)理及相應(yīng)的預(yù)防及補(bǔ)救措施等內(nèi)容研究，提出了適用于南水北調(diào)大流量渡槽的新型多廂梁式渡槽優(yōu)化結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，給出了溫度荷載算法，揭示了渡槽結(jié)構(gòu)的自振特性和動(dòng)力結(jié)構(gòu)響應(yīng)的規(guī)律，提出了大型渡槽樁基- 土相互作用計(jì)算分析方法和減震措施，制定了渡槽施工期混凝土養(yǎng)護(hù)與溫控措施和控制要求，提出了混凝土早期裂縫的控制方法。課題的研究成果已應(yīng)用到當(dāng)前的設(shè)計(jì)和施工中，為大型渡槽工程提供了新的結(jié)構(gòu)型式、新的設(shè)計(jì)理論和新的施工技術(shù)、方法，可節(jié)省工程投資，并提高渡槽的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，增加渡槽結(jié)構(gòu)的可靠性。
六、復(fù)雜地質(zhì)條件下中線穿黃隧洞工程關(guān)鍵技術(shù)研究。中線穿黃工程是中線總干渠穿越黃河的關(guān)鍵性工程，也是中線工程中投資較大、施工難度最高、立交規(guī)模最大的控制性建筑物，在國(guó)內(nèi)采用盾構(gòu)方式穿越大江大河尚屬首次。為做好穿黃隧洞的施工，開展了一系列研究，解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下，在穿越黃河游蕩性河段采用泥水平衡法盾構(gòu)施工難題，完成了高壓艙換刀和古樹、大孤石處理和糾偏。完成了軟土地層水底水工隧洞抗震理論及應(yīng)用的研究。研究解決了超深大型豎井設(shè)計(jì)與施工中遇到的一些技術(shù)難題。目前，單洞掘進(jìn)長(zhǎng)達(dá)4.25公里的雙線穿黃隧洞已全線貫通，開創(chuàng)了我國(guó)水利水電工程水底隧洞長(zhǎng)距離軟土施工新紀(jì)錄。
七、膨脹土地段渠道破壞機(jī)理及處理技術(shù)研究。針對(duì)膨脹土（巖）邊坡穩(wěn)定的世界級(jí)難題，以大規(guī)模的膨脹土渠道原型試驗(yàn)為依托，采用地質(zhì)勘察、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、大型靜力模型、離心模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等多種研究手段，對(duì)于膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定問題進(jìn)行深入研究。提出了膨脹土等級(jí)現(xiàn)場(chǎng)快速判別的定性和半定量方法，分析了膨脹土邊坡破壞主要模式，揭示了膨脹土強(qiáng)度的非線性特性，提出了反映裂隙空間分布的穩(wěn)定分析新方法，系統(tǒng)研究了膨脹土渠道邊坡多種工程措施的作用機(jī)理和有效性，提出了膨脹土渠道邊坡的處理原則和思路，為進(jìn)一步研究解決南水北調(diào)中線工程膨脹邊坡穩(wěn)定問題提供了技術(shù)支持。
八、中線工程輸水能力與冰害防治技術(shù)研究。采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的手段深入分析了中線工程的水力特性、運(yùn)行控制模式和控制算法、冰期輸水能力、冰期輸水模式及冰害防治技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)難題。利用面向?qū)ο蠛湍K化建模思想實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜輸水系統(tǒng)的自適應(yīng)建模，開發(fā)了中線工程輸水模擬平臺(tái)；提出閘前常水位和閘前變水位分布式集中控制模式和控制算法；開發(fā)了長(zhǎng)距離輸水渠道控制模型；提出了大型渠道超高設(shè)計(jì)方法；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論開發(fā)了氣溫穩(wěn)定轉(zhuǎn)負(fù)日期預(yù)報(bào)模型；開發(fā)了中線工程冰期輸水模型，研究了中線工程冰期輸水能力，提出中線工程冰期運(yùn)行控制方式和控制算法；采用真冰試驗(yàn)研究了冰蓋力學(xué)特性，分析了攔冰索的攔冰性能，優(yōu)化了攔冰索結(jié)構(gòu)型式。
九、東、中線一期工程沿線區(qū)域生態(tài)影響評(píng)估技術(shù)研究。在《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》確定的受水區(qū)節(jié)水目標(biāo)、地下水控制目標(biāo)和生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的框架下，針對(duì)受水區(qū)水資源供需矛盾突出等問題，進(jìn)一步研究和細(xì)化與南水北調(diào)工程建設(shè)相配套、以生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)為目的的節(jié)水、地下水調(diào)控和河流湖沼濕地恢復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)問題，分析和評(píng)估南水北調(diào)東中線一期工程對(duì)受水區(qū)的相關(guān)生態(tài)影響，開展了生態(tài)水文效應(yīng)與關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)典型示范。提出了由水循環(huán)調(diào)控技術(shù)、水質(zhì)調(diào)控技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估技術(shù)三大部分組成的調(diào)水工程受水區(qū)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估技術(shù)體系。提出了生態(tài)影響評(píng)價(jià)的計(jì)算模型，為調(diào)水工程受水區(qū)生態(tài)影響評(píng)估提供了有效的技術(shù)工具。提出了課題任務(wù)計(jì)劃的兩類示范模式，在山東省平陰縣進(jìn)行了人工濕地公園構(gòu)建技術(shù)的試驗(yàn)和示范研究，在中線工程邯鄲段進(jìn)行了復(fù)合生態(tài)廊道的構(gòu)建與仿真示范。
十、工程建設(shè)與調(diào)度管理決策支持技術(shù)研究。南水北調(diào)工程涉及諸多領(lǐng)域，在建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)過程中所涉及的管理工作已經(jīng)超越了一般管理的范疇。研究中有針對(duì)性地制定了適用于大型工程建設(shè)的項(xiàng)目群管理方法和信息標(biāo)準(zhǔn)，提出了適合南水北調(diào)工程的項(xiàng)目群規(guī)劃、管理技術(shù)及其實(shí)施方案，設(shè)計(jì)了突發(fā)狀況應(yīng)急處置方案和應(yīng)急管理技術(shù)；為工程建設(shè)與調(diào)度管理決策支持系統(tǒng)建設(shè)提供體系結(jié)構(gòu)與集成技術(shù)方案，設(shè)計(jì)群決策支持系統(tǒng)原型系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的信息分類和編碼體系，制定數(shù)據(jù)采集、處理和仿真機(jī)制，設(shè)計(jì)工程施工形象進(jìn)度可視化仿真原型系統(tǒng)；提供數(shù)據(jù)建模、分析方法、挖掘技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘分析算法，設(shè)計(jì)工程建設(shè)與調(diào)度管理數(shù)據(jù)挖掘原型系統(tǒng)；提出南水北調(diào)工程建設(shè)信息采集技術(shù)，形成應(yīng)急處置支持平臺(tái)，為南水北調(diào)工程以及國(guó)內(nèi)類似工程建設(shè)與管理提供了長(zhǎng)期的技術(shù)支持。
