科技為南水北調工程提供強大技術支撐
——“十一五”期間南水北調工程科技研究進展綜述    

    南水北調工程是由多項目組成的龐大項目集群，涉及領域多，是一項複雜的系統工程，在設計、建設、運行等方面，面臨諸多技術挑戰，是水利學科與多個邊緣學科聯合研究的前沿領域。

    “十一五”期間，在科技部等國家有關部門的大力支持下，國務院南水北調辦始終把科技工作放在突出位置，工程項目法人、有關科研院所、高等院校等單位共同參與開展了包括南水北調工程“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“南水北調工程若干關鍵技術研究與應用”在內的160 多項科技項目研究，內容涉及水工結構、工程施工、水力學、管理、水工材料、水力機械、環境、水資源等諸多專業和領域。南水北調工程科技工作全面展開，穩步推進，取得了豐碩成果，為工程建設提供了強有力的技術支撐。

    “南水北調工程若干關鍵技術研究與應用”項目，主要針對“大型渠道設計與施工新技術研究”、“丹江口大壩加高工程關鍵技術研究”、“大型貫流泵關鍵技術與泵站聯合調度優化”等16 個工程重大關鍵技術展開，重點解決工程建設急需解決的重大關鍵樞紐和典型工程建築物的結構、材料、施工技術與工藝、設備等難題，優化設計，保證工程建設質量、安全、進度，提高工程建設的技術和管理水平；減少工程投資，充分發揮工程的綜合效益，推動相關科學的新進展，保證工程建設高質量高效率有序推進。

    截至目前，南水北調工程共取得新産品、新材料、新工藝、新裝置、計算機軟體成果63 項；申請國內專利成果110 項，其中發明專利66 項；獲得專利授權59 項，其中發明專利授權16項；發表科技論文580 篇，其中向國外發表88 篇，出版著作66 萬字；已完成技術標準如《渠道混凝土襯砌機械化施工技術規程》等14 項；獲得國家及省部級優秀科技獎多項，如“大型渠道混凝土機械化襯砌成型技術與設備”項目獲國家科技進步二等獎，其他項目獲大禹水利科學技術二等獎1 項、三等獎2 項，教育部科學技術進步一等獎2 項。

    一、大型渠道設計與施工新技術研究。針對南水北調工程長距離輸水，渠道沿線穿越的地形、地質條件複雜，水文、氣象以及運行條件差異變化大的特點，在大型渠道邊坡穩定與優化技術、高水頭側滲深挖方渠道邊坡穩定分析、大型渠道新型結構型式、高性能混凝土新材料、大型渠道機械化襯砌綜合施工工藝、大型渠道機械化襯砌系列成套設備等方面取得了大量研究成果，為南水北調工程 大型渠道設計與施工提供了系統的技術支撐，填補了國內在大型渠道機械化成型技術裝備設計製造、施工工藝和工程技術方面的空白。通過機械化襯砌設備的引進、試驗和施工實踐，研製出了具有自主知識産權的長斜振搗滑模和振動碾壓襯砌成型機及其配套設備，部分成套設備還遠銷國外。

    二、丹江口大壩加高工程關鍵技術研究。丹江口大壩加高工程是對20世紀70年代建成的老壩進行貼坡加高，其新老混凝土結合是關鍵技術問題。研究採用産、學、研聯合機制，依託項目法人、設計單位、科研院所強強組合發揮理論研究和科學實驗優勢，採用理論分析、數值模擬、室內和現場實驗、原形觀測相結合方法，對新老混凝土結合狀態與安全評價、新老混凝土結合面工程措施及灌漿措施、大壩抗震安全問題評價、初期工程帷幕耐久性及高水頭下帷幕補灌技術等大壩加高工程中存在的技術難題進行研究，取得一批研究成果，直接轉化為設計文件，應用於工程設計與施工，為保證工程建設質量及施工進度提供了強有力的保障。課題取得的部分研究成果已應用於目前國內最大規模的大壩加高工程的設計與施工，提高了大壩加高技術水平，對複雜環境下的大壩加高工程設計和施工具有重要的指導意義。

    三、大型貫流泵關鍵技術與泵站聯合調度優化研究。立足我國南水北調東線低揚程、大流量泵站工程建設需要，針對我國大型貫流泵機組技術和設備主要依賴進口的現狀，系統開展研究，開發了高性能的貫流泵裝置和貫流泵水力模型，綜合性能指標達到國際先進水平；研究提出了大型貫流泵機組傳動方式、工況調節和通風方式優化設計方法；研製了水泵機組在線運行狀態監測裝置，提出了大型貫流泵機組引進方式及建議；創新地採用能量特性法分析泵機組的運行穩定性；建立了泵型選擇合理性的評價指標體系，提出了泵型選擇的評價方法等，為實現大型貫流泵機組國産化奠定了一定的基礎。

    四、超大口徑PCCP （預應力鋼筒混凝土管）結構安全與質量控制研究。中線北京段PCCP管道工程長約55公里，使用雙排內徑4米的超大口徑PCCP管道，其製造、安裝等方面特殊工藝對工程建設提出一系列新的要求。經過幾年的研究探索和工程實踐，解決了超大口徑PCCP 結構安全與質量控制的關鍵技術問題，工程已成功建成投入運行，實現向北京應急輸水。研究提出了PCCP 考慮預應力鋼絲纏絲過程和剛度貢獻的數值纏絲模型，建立了PCCP 預應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值分析方法；研發了預應力鋼筒混凝土管設計和倣真分析軟體；在國內首次進行了4m 超大口徑PCCP製造工藝試驗、管道結構原型試驗、現場運輸安裝試驗、管道防腐試驗等；首次提出了PCCP 管道糙率測算的新方法，克服了超大口徑PCCP 管道無法利用水力實驗直接獲取糙率系數的困難；首次提出了新建PCCP 工程陰極保護的保護電位和電流密度的範圍以及保護電位分佈的數值計算方法。

    五、大流量預應力渡槽設計和施工技術研究。渡槽是中線工程的重要交叉建築物之一，其結構與質量直接影響到工程效益。通過開展高承載大跨度渡槽結構新型式及優化設計、大型渡槽新材料新結構、抗震性能與減震措施、施工技術及施工工藝、耐久性及可靠性、破壞模式與機理及相應的預防及補救措施等內容研究，提出了適用於南水北調大流量渡槽的新型多廂梁式渡槽優化結構及設計方法，給出了溫度荷載算法，揭示了渡槽結構的自振特性和動力結構響應的規律，提出了大型渡槽樁基- 土相互作用計算分析方法和減震措施，制定了渡槽施工期混凝土養護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用到當前的設計和施工中，為大型渡槽工程提供了新的結構型式、新的設計理論和新的施工技術、方法，可節省工程投資，並提高渡槽的設計和施工質量，增加渡槽結構的可靠性。

    六、複雜地質條件下中線穿黃隧洞工程關鍵技術研究。中線穿黃工程是中線總幹渠穿越黃河的關鍵性工程，也是中線工程中投資較大、施工難度最高、立交規模最大的控制性建築物，在國內採用盾構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，解決了複雜地質條件下，在穿越黃河遊蕩性河段採用泥水平衡法盾構施工難題，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用的研究。研究解決了超深大型豎井設計與施工中遇到的一些技術難題。目前，單洞掘進長達4.25公里的雙線穿黃隧洞已全線貫通，開創了我國水利水電工程水底隧洞長距離軟土施工新紀錄。

    七、膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術研究。針對膨脹土（岩）邊坡穩定的世界級難題，以大規模的膨脹土渠道原型試驗為依託，採用地質勘察、現場試驗、室內試驗、大型靜力模型、離心模型試驗、數值分析等多種研究手段，對於膨脹土渠道邊坡穩定問題進行深入研究。提出了膨脹土等級現場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，揭示了膨脹土強度的非線性特性，提出了反映裂隙空間分佈的穩定分析新方法，系統研究了膨脹土渠道邊坡多種工程措施的作用機理和有效性，提出了膨脹土渠道邊坡的處理原則和思路，為進一步研究解決南水北調中線工程膨脹邊坡穩定問題提供了技術支持。

    八、中線工程輸水能力與冰害防治技術研究。採用理論分析、數值模擬和試驗研究相結合的手段深入分析了中線工程的水力特性、運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等關鍵技術難題。利用面向對象和模塊化建模思想實現了複雜輸水系統的自適應建模，開發了中線工程輸水模擬平臺；提出閘前常水位和閘前變水位分佈式集中控制模式和控制算法；開發了長距離輸水渠道控制模型；提出了大型渠道超高設計方法；利用神經網絡理論開發了氣溫穩定轉負日期預報模型；開發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行控制方式和控制算法；採用真冰試驗研究了冰蓋力學特性，分析了攔冰索的攔冰性能，優化了攔冰索結構型式。

    九、東、中線一期工程沿線區域生態影響評估技術研究。在《南水北調工程總體規劃》確定的受水區節水目標、地下水控制目標和生態修復目標的框架下，針對受水區水資源供需矛盾突出等問題，進一步研究和細化與南水北調工程建設相配套、以生態保護與恢復為目的的節水、地下水調控和河流湖沼濕地恢復等關鍵技術問題，分析和評估南水北調東中線一期工程對受水區的相關生態影響，開展了生態水文效應與關鍵調控技術典型示範。提出了由水循環調控技術、水質調控技術和生態系統評估技術三大部分組成的調水工程受水區生態環境影響評估技術體系。提出了生態影響評價的計算模型，為調水工程受水區生態影響評估提供了有效的技術工具。提出了課題任務計劃的兩類示範模式，在山東省平陰縣進行了人工濕地公園構建技術的試驗和示範研究，在中線工程邯鄲段進行了複合生態廊道的構建與倣真示範。

    十、工程建設與調度管理決策支持技術研究。南水北調工程涉及諸多領域，在建設以及運營過程中所涉及的管理工作已經超越了一般管理的範疇。研究中有針對性地制定了適用於大型工程建設的項目群管理方法和信息標準，提出了適合南水北調工程的項目群規劃、管理技術及其實施方案，設計了突發狀況應急處置方案和應急管理技術；為工程建設與調度管理決策支持系統建設提供體系結構與集成技術方案，設計群決策支持系統原型系統，建立統一的信息分類和編碼體系，制定數據採集、處理和倣真機制，設計工程施工形象進度可視化倣真原型系統；提供數據建模、分析方法、挖掘技術和數據挖掘分析算法，設計工程建設與調度管理數據挖掘原型系統；提出南水北調工程建設信息採集技術，形成應急處置支持平臺，為南水北調工程以及國內類似工程建設與管理提供了長期的技術支持。