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南水北调中线干线工程科技工作进展与需求

时间:2018-08-11
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   南水北调中线工程主要解决京津和华北地区城市缺水问题,通过将汉江优质水引入北方,缓解京津、华北地区城市用水矛盾,缓和城市挤占生态与农业用水的矛盾,增加工业发展活力,改善生态环境,控制地下水超采。
南水北调中线一期工程设计多年平均调水95亿m3,输水工程(中线干线工程)由南向北基本自流输水,以明渠为主,北京段和天津段采用管涵。干线工程全长1400多km,与之交叉的河流、道路、电力线路等全部采用立体交叉方式,沿线布置渠道、管道、渡槽、倒虹吸、涵洞、隧洞、泵站、节制闸、分水闸、退水闸、保水堰等各类建筑物2385座。
中线干线工程沿线穿越膨胀(岩)土、湿陷性黄土、高地下水、煤矿采空区等不良地质渠道,且沿线无调节水库,在设计、建设、输水调度等方面,面临诸多挑战。
一、建设期开展的关键技术研究及成果
建设期,中线工程共开展科技项目研究50余项(不包括设计单位开展的三维计算、河工模型试验和施工现场开展的小型试验项目等),其中由于技术难度大,有6个课题被列为国家“十一五”科技支撑计划课题,1个项目被列为“十二五”科技支撑计划项目。这些科技项目取得的创新成果,在工程设计和施工中推广应用,保证了工程建设进度和质量,同时有力促进了国内大型调水工程设计、施工和建设管理技术水平的提高。
1.膨胀土(岩)渠道工程关键技术
南水北调中线工程涉及膨胀土(岩)渠道累计长度约387km,约占输水干线总长的27%。中线工程膨胀土渠段最大挖深达50m左右,且分布地域广,大气及土体干湿变化大,膨胀土胀缩作用更为突出,膨胀土稳定性控制更加困难。与铁路和公路等工程相比,水利工程渠道长年涉水,渠道边坡稳定问题更加复杂。
中线工程膨胀土(岩)的研究成果直接用于工程设计、方案优化、施工和质量控制。值得一提的是,通过研究,对单一换填非膨胀黏性土的方案进行了比较大的优化和调整,有效减少了非膨胀土料的使用,减少了征地与移民,最大程度节约土地资源和降低工程成本,取得了明显的经济效益、社会效益和环境效益。
2.总干渠高填方渠道关键技术
中线工程填方高度超过6m的渠段共长约139.5km,全填方渠道长约66.3km,最大填方高度达23m。高填方一旦失稳,将危及渠道两岸人民群众生命财产安全。
高填方渠道的复杂性主要来自三方面:一是我国没有填方渠道设计规范,目前工程设计主要参照土石坝或堤防设计规范,但中线工程填方渠道设计工况与土石坝或堤防存在很大差别;二是长距离线性工程沿线地质条件多变、填筑料源不一,加上填筑时间顺序先后差异,渠道差异沉降问题较突出;三是填方渠道风险源多,对这样一个巨型线性工程原有的监测技术难以有效进行实时、连续的监控。


高填方段回填土厚度检查


该课题成果主要体现在四个方面:一是优化了穿堤建筑物与渠道结合部位的设计与施工,减小和控制了沉降差异;二是对渠段分段填筑所形成缺口的回填料、施工工艺和措施等进行优化,缩短了工期;三是提出渠道预警预测指标体系及预警预测模型,进而提出中线工程自动化安全监控的支撑技术与建议方案;四是研制开发了高填方碾压施工质量实时监控技术,为高填方碾压施工质量的全过程、精细化在线控制提供了新的途径。
3.超大口径PCCP关键技术
    南水北调中线北京段工程在我国首次采用了4m超大口径PCCP,工程的结构安全和建设质量要求高,超大口径管道的使用对制造、运输、安装、吊装的难度加大,国内没有相关设计、施工规范。

南水北调中线干线北京段首次采用4m超大口径PCCP

   通过该课题,成功解决了超大口径PCCP结构安全与质量控制的关键技术问题。课题研究成果全面运用于南水北调工程设计、建设和试运行中。
4m超大口径PCCP的成功运用标志着我国PCCP的研制和应用技术等取得了历史性突破,对我国PCCP相关规范的制定具有指导意义。
4.穿黄隧洞工程关键技术
南水北调中线穿黄工程是中线的关键性工程。在国内采用盾构方式穿越大江大河尚属首次,且穿黄河段为典型的游荡性河段,地质条件复杂。穿黄隧洞为大型有压水工隧洞,内水压力大于0.5MPa,隧洞内径7m,外径8.7m,并需考虑地震的不利影响。

穿黄工程纵剖面示意图

   该课题对穿黄隧洞、大型超深竖井的工作性态、抗震特性进行深入研究,并通过穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验研究,真实模拟隧洞水土环境和受力条件,验证设计方案、提出优化措施,提供了试验依据。
5.超大型渡槽关键技术
南水北调中线总干渠包括梁式输水渡槽18座、涵洞式渡槽9座,共计27座。输水渡槽具有跨度大、流量大、体型大、自重大、荷载大、结构复杂等特点,是技术最复杂、工程建设管理难度最大的项目之一。
课题系统地解决了南水北调中线工程上的大流量预应力渡槽设计和施工中的关键技术难题,为渡槽工程的建设及安全运行提供了科技支撑和技术保障。
6.总干渠穿越煤矿采空区问题
南水北调中线工程总干渠通过或邻接10多个煤矿采空区及煤矿区,存在压煤和渠道通过采空区的稳定问题。部分煤矿开采年代长,开采过程及形成的采空区条件复杂,国内外缺少成熟的技术手段和相关经验,也没有水利行业相关规范规程作为确定煤矿采空区注浆处理验收标准的依据,工程建设具有挑战性。
课题提出了大型输水渠道下煤矿采空区的基础处理措施及注浆处理的验收标准,成功应用于河南禹州采空区处理工程中。通过对采空区监测数据的有效管理与分析及渠道变形稳定标准研究,开发了禹州采空区沉陷预测预警系统。
7.总干渠供水调度方案
南水北调中线一期工程总干渠工程的供水调度研究在国内没有先例,如何保障如此规模宏大、输水过程状况复杂、控制节点多、技术要求高且渠道调蓄能力有限的总干渠运行安全,是南水北调中线工程必须解决的难点问题之一。
课题建立的供水计划生成模型、冰期输水调度模型、总干渠水力学模型等,是中线总干渠运行调度的技术基础,已充分应用到年度调水方案中。另外研究成果还为调度应急预案提供了技术支撑。
8.中线工程输水能力与冰害防治技术
南水北调中线工程在冬季运行时,黄河以北渠段会出现不同的冰情。本课题通过理论分析、数值模拟和试验模拟相结合的方法,研究南水北调中线干线工程输水能力与冰害防治关键技术问题,为中线工程的运行、调度提供科技支撑。
主要技术成果包括以下几个方面:一是确定了南水北调中线工程冰期的最大输水能力和冰期运行控制方法,实现了冰期安全输水;二是开发了冰情分析与预报及冰期输水控制模型,优化了冬季供水过程,典型工况的转换时间由14~15天缩短至4~5天,降低了渠道衬砌损坏有关的维修费用,减少了运行成本;三是提出的拦冰措施在中线工程得到应用,为防治极端冰害起到了积极作用。
 二、运行期的技术需求
2014年12月12日,南水北调中线干线工程正式全面通水。通水3年多来,工程不仅显现出巨大的经济社会效益,生态效益也十分显著。而进入运行管理阶段,又对技术管理和科技创新工作提出了新任务和新要求。
1.保障工程安全平稳运行的重大关键技术需求
南水北调工程建成后,仍然存在特殊渠段边坡稳定问题、渠道衬砌抗浮稳定问题、渠道渗漏问题等危及工程安全的问题,需要通过迅速、准确地监测数据来判断工程状态,确保工程安全。
中线工程全程采用自流输水方式,全线无调节水库,黄河以北地区700多km渠道涉及冬季输水结冰问题,需要进一步研究完善冰期输水的调度运行方案等,确保供水安全。

运行期继续开展冰期输水冰情原型观测研究


中线总干渠水质安全决定着工程的成败。通水以来,水质稳定达到Ⅱ类,但由于中线工程运行管理特性,水质保障工作也有其脆弱性。在工程通水后,中线总干渠内水质水生态问题出现了一些新的以及在前期工作中未得到充分重视的问题,需要进一步研究防范水生态问题的措施和与水厂等建立联动机制,确保水质安全。
2.维修维护主要需求
通水运行以来,部分渠道衬砌板出现了裂缝、冻胀、剥蚀、塌陷、隆起等各种缺陷;部分建筑物局部如渡槽结构缝等,出现渗漏等。从工程安全角度,要求及早消除缺陷和渗漏影响,防止缺陷或损伤扩大;从通水角度,要求尽量降低对调度运行的影响,需要开展不断水情况下的水下修复研究及生产性试验,优化施工工艺及流程等,做好技术储备。
3.应急抢险主要需求
南水北调工程一旦发现渗漏,或者渠段监测一旦出现超过警戒值的变形或裂缝等,如何快速、准确寻找渗漏源头,通过何种检测手段准确、高效地检测和判断损伤位置、大小、危害程度、发展趋势等,对组织应急抢险或修复具有重要意义。另外,由于南水北调工程的特性,有些大型通用抢险设备实施困难,影响工程应急抢险的质量和效率。
4.中线干线工程创新发展的需求
南水北调中线干线工程建设的十年,也是科技蓬勃发展的十年,初步设计中的工程巡检、维护、检修、安全监测等方案,与目前的现代化水平有一定差距,影响了提质增效的要求,需要进行利用新科技等进行更新改造。如何利用已有的先进技术,实现中线工程智慧化管理,是时代提出的重大需求。另外,如何满足供水需求变化(如新增雄安新区的近期、远期需水目标),如何实现短时间应急供水,进一步提高供水保证率等问题也亟待解决。
5.大型渠道技术规定整编提升的需求
南水北调中线干线工程是超大型的跨流域调水工程,规模巨大,世界上绝无仅有。为了做好工程的设计工作,中线建管局组织编制了35本初步设计技术规定。这些初步设计技术规定是在参考已有规范的基础上,根据中线干线工程特点,对设计原则、设计标准、设计内容、技术方法和工作深度进行统一的规范和要求。在后续工程建设中,又根据工程进展情况和科技项目的研究成果,陆续编制和发布了14个施工期技术标准。
上述技术规定和标准不仅是南水北调中线干线工程的智慧结晶,也是水利建设调水工程的宝贵资料,对技术规定进行整编提升,成为今后水利调水工程的指导和参考是必要的。
三、近期开展的重点项目
    1.南水北调工程应急抢险和快速修复关键技术与装备研究
针对不同建筑物可能发生的险情,研究南水北调工程险情灾变模式及演变规律、应急抢险修复与供水安全的保障条件及影响规律等关键科学问题;研发适用性强、不断水、可重复使用的装配式围堰与多元衬砌体止水和渗控技术,渠坡变形移动式巡测技术及装备,深挖方渠坡险情快速评价与抢险技术及装备,输水建筑物结构加固与修复综合技术及装备,环境友好型智能水下清淤成套技术及装备,防洪护岸工程土石料快速固化抢险技术,水库与堤坝渗漏通道定位检测技术,集中渗漏通道快速封堵材料与成套技术,提高供水保障的工程抢险与快速修复应急调度技术等。
2017年8月,该项目已通过科技部的评审,被列为国家重点研发计划项目。
2.南水北调工程运行安全检测技术研究与示范
针对南水北调工程的环境条件、运行状况和工程特性,开展多因素耦联作用下南水北调工程运行性能演变规律、病害机理及长期安全运行关键影响因素研究;研究隐患的分级分类,根据隐患类型,进行检测方法的适应性及检测技术标准的研究,提出安全诊断技术与评估方案;研究大型建筑物损伤信息多场多维度感知和提取方法,研发大型输水建筑物安全检测技术与装备;针对南水北调长线路特点,研发长距离线性工程一体化智能检测技术与装备;研发南水北调工程运行监测检测大数据分析与智能预警系统,实现检测手段和缺陷诊断智能化;选择南水北调典型工程,开展南水北调工程安全运行数据融合技术研究并进行应用示范,提升我国在该领域的技术优势和国际竞争力。
3.南水北调中线输水水质预警与业务化管理平台
作为国家“十三五”科技支撑项目“水体污染控制与治理科技重大专项”的一部分,针对水质保障存在的问题,一是开展中线总干渠藻类贝类异常增殖机理研究,研发多途径防控技术体系;二是建立中线水质安全监控与评价技术体系,构建适用于中线现状运行需求的水质安全监测网络体系;三是面向中线输供水系统、退水区,构建渠-管-河耦合的水质、藻类预报、风险评估和预警技术体系;四是构建中线总干渠水污染事故、生态调控综合调度预案库;五是构建面向南水北调中线全过程、多指标的,集水质监测、评价、预测、预警、调控、处置为一体的综合管理业务化平台;六是构建跨区域多部门水质信息共享与反馈机制,以及水质常规调度与应急调控协作机制。
4.南水北调中线一期总干渠沿线新建调蓄工程综合开发利用研究
为了提高中线供水保证率,中线工程拟新建调蓄工程。本研究以大峪-象山调蓄工程为样本,以征地移民尽量少、水库调蓄规模合理、综合开发利用为原则对水库建设进行规划,围绕“调蓄水库、抽水蓄能电站、清洁能源生产消纳转化、藻类防治、生态旅游开发”等五大子项提出综合开发利用规划,并对新建调蓄工程综合开发的建管模式、水量电量调度模式、投融资模式等进行研究,为调蓄工程开发模式提供模型概念。
5.智慧中线管理系统
基于云计算、物联网、大数据、GIS技术、BIM技术、实景建模、遥感监测、无人机技术、虚拟现实技术等,结合中线工程现有信息系统,构建智慧中线管理系统,主要包括工程数字管理系统、工程风险管理系统、工程综合管理系统、工程智能决策支持系统等,全面统筹中线工程管理事务。以“一套信息标准、一张地图展示、一个应用平台”实现智慧中线信息的全面整合与共享,形成智慧中线管理系统平台,为中线工程的现代化发展做出贡献。

作者:程德虎 苏霞 编辑:朱文君