專訪鈕新強：南水北調關鍵技術突破對推動我國水利技術進步具有重要意義
2019/12/16 7:36:30 新聞來源：中國水利雜誌
南水北調關鍵技術突破對推動我國水利技術進步具有重要意義
——訪中國工程院院士鈕新強
本刊記者/王慧 韋鳳年
南水北調工程作為重塑中華水網的係統工程，其規模之巨大、構成之複雜在國內外均屬罕見。曆經幾十年的規劃與建設，南水北調工程在水利技術上的集聚、突破與創新令人印象深刻。在南水北調工程通水五周年之際，本刊記者就南水北調規劃及工程技術突破采訪了中國工程院院士鈕新強。
中國水利：
南水北調工程縱橫大半個中國，是重塑中華水網的世紀工程。請您以南水北調中線工程為例，談談這項重大工程是如何規劃的，有什麼特點。
鈕新強：
南水北調工程是解決我國水資源分布與社會生產力布局不相適應矛盾、促進地區經濟繁榮和社會可持續發展、維護健康生態環境的特大型基礎設施。1952年毛澤東主席說“南方水多，北方水少，如有可能，借點水來也是可以的。”第一次提出了南水北調的宏偉設想；水利部長江水利委員會1959年編製的《長江流域利用規劃要點報告》提出從長江上、中、下遊分別調水的南水北調總體布局。
南水北調工程規劃貫徹黨中央“從長計議、全麵考慮、科學選比、周密計劃”的指示，落實“先節水後調水、先治汙後通水、先環保後用水”的調水方針，遵循水資源的自然規律和價值規律，正確處理跨流域調水與節水、治汙和生態環境保護的關係，以水資源合理配置為基本依據，以生態建設和環境保護為根本目標，以提高用水效率為核心，統籌考慮調水區和受水區的生活、生產和生態用水，進行多方案的科學選比，合理確定南水北調工程的調水規模、總體布局和實施方案，構建適應社會主義市場經濟要求的工程建設管理體製和水價形成機製，實現經濟效益、社會效益和環境效益的統一，以水資源的可持續利用保障國家經濟社會的可持續發展。
南水北調中線工程是解決京、津、冀等華北地區水資源短缺，優化水資源配置的一項戰略性基礎設施工程。中線工程穿越江、淮、黃、海四大流域，工程規模巨大、線路長、各類交叉建築物眾多，涉及社會、經濟、環境、工程技術等方方麵麵，具有地質和氣候條件複雜、技術難度大、社會經濟關係複雜的特點。因此，中線工程規劃是一項巨大而複雜的係統工程，須采取跨部門、跨地區、跨學科聯合協作編製，其內容涉及計劃、財政、水利、農業、國土、物價、建設、環保等專業和部門；參與工作的技術人員多達幾千人，曆時幾十年，在分析比較了幾十種規劃方案的基礎上，形成了今天的工程總體格局，可以說是凝聚了幾代人的心血和智慧。
我認為統籌水源區上下遊、受水區全範圍內的人與自然、社會與經濟、供水與用水等關係的“多要素係統規劃”是南水北調中線工程規劃的一個重要特點。中線工程提出的“中線北調水應與當地水聯合運用，實現豐枯互補，以當地水為主，北調水補充，共同保障受水區供水安全”的水資源配置原則，是充分發揮中線工程效益，保障受水區供水安全的基礎。中線工程規劃設計也充分考慮了調水對水源區的影響，規劃實施了丹江口大壩加高以及漢江中下遊四項治理工程，在盡可能增加北調水量的同時，最大程度緩解了調水對漢江中下遊經濟社會、生態環境用水的影響。基於“多要素係統規劃”思路規劃設計的中線工程，統籌了自然與社會中的多個要素進行係統規劃，實現國家範圍的水資源優化配置，成為中華水網的關鍵一環。
中國水利： 南水北調中線工程穿越了數個地形地貌大相徑庭的省份，工程建設過程中，諸多技術難題被一一克服，創造了數個世界之最，新材料、新工藝、新專利不斷湧現。請談談工程建設中您印象深刻的難題，及攻克這些難題取得的創新成果。 鈕新強： 南水北調中線工程從陶岔渠首閘至北京團城湖，輸水總幹線全長1432km，貫穿河南、河北、北京、天津4個省（直轄市），溝通長江、淮河、黃河及海河四大流域。水資源優化配置是一個複雜的係統工程，總體而言，“三先三後”是實施調水工程的基本原則，也適用於調水工程的配置和調度，具體就是要抓住三個“統籌”，實現水資源綜合效益的最大化利用。 一是中線運行調度關鍵技術。 南水北調中線水資源配置關係到我國水資源優化配置的戰略格局，直接影響工程效益與各種水資源的合理利用。水資源配置技術是一項開創性的關鍵技術，涉及麵廣、難度大、錯綜複雜，對此，長江勘測設計研究院（以下簡稱“長江設計院”）早在工程規劃階段就開展了持續、深入的研究，在水資源調配方麵研製了丹江口水庫可調水量模型、受水區多水源調度模型以及中線水資源聯合調配模型，為中線工程規模確定和運行期的水量分配計劃編製提供了技術保障。
中線運行調度直接影響著中線工程的運行安全和運行效率，對工程建設目標的實現具有決定性影響，是中線工程的中樞神經。長江設計院早在中線可行性研究階段，就開始了中線運行調度的研究工作。針對中線總幹渠對水位變幅要求高、水力響應慢、調蓄能力小的特點，提出了以主動蓄量補償原理為基礎，適用於不同渠道運行方式的前饋控製策略；采用“二重迭代”方式，解決了渠道非恒定流方程組和節製閘過閘流量方程的非線性耦合問題；針對冰期輸水和事故應急調度的特殊運行要求，分別研發了冰期輸水調度模型和應急調度模型；在此基礎上，研發了中線水量調度係統。中線運行控製研究的相關成果在中線京石段應急供水、總幹渠充水試驗及總幹渠初期通水中得到了廣泛的應用，為中線總幹渠運行安全和年度調度計劃的順利實施提供了技術支撐。
二是丹江口大壩加高工程。
為抬高丹江口水庫蓄水位，增加調蓄能力，實現多年平均向北方調水95.0億m3的目標，需要在原壩高98.0m的混凝土重力壩上加高14.6m，以增加庫容116.0億m3。在大壩運行狀態下實施如此大規模的加高工程，在世界上尚屬首例，麵臨著係列關鍵技術難題：
第一
，大壩加高在初期工程運行條件下進行，加高期間繼續擔負著防洪、發電和灌溉等任務，初期壩體的檢測和處理、加高施工期的水位對加高工程穩定應力以及新老壩體結合麵的影響等都是非常重要的關鍵技術問題。
第二
，大壩加高工程采用後幫貼坡加高的方式，貼坡厚度約5～14m，與年氣溫變化影響深度基本相當。新老壩體結合麵處在年氣溫變化影響深度範圍內，工作環境複雜，傳統的後幫整體式加高方式難以保證新老壩體之間的結合麵緊密結合，大壩加高設計理論有待研究。
針對丹江口大壩加高工程貼坡混凝土厚度薄、受溫度影響大、結合麵開裂難以避免的問題，突破傳統重力壩後幫整體加高混凝土結合麵完全固結的設計原則，在重力壩加高設計理論研究、現場原位試驗及大量有限元仿真計算的基礎上，提出了“後幫有限結合”加高結構設計新理論和設計方法。該方法在新老壩體結合麵設置限位傳力榫槽，允許結合麵有限開裂以釋放溫度荷載，采用動態開裂麵鍵槽傳剪與有限結合麵傳壓傳剪相結合的傳力方式，以係統工程措施實現結合麵有限開裂，保證新老壩體聯合承載。
三是大型膨脹土渠坡處理關鍵技術。
膨脹土是一種遇水膨脹、失水收縮，脹縮效應十分顯著的特殊黏性土,曆來被公認為土木工程界的“癌症”“世界性難題”。渠道工程的涉水特點使得膨脹土渠坡更為複雜，不僅麵臨大範圍的膨脹變形問題，更要麵對難以預測的滑坡問題，工程危害極大。
南水北調中線涉及膨脹土387km，膨脹土渠段長、挖深大（最大50m），且渠坡在涉水環境下運行，穩定問題突出，處理技術複雜，國內外尚無先例。如何保障膨脹土渠道順利建設和運行期的穩定安全是關係到南水北調中線工程成敗的重大關鍵技術難題。
工程係統開展了膨脹土渠道穩定關鍵技術研究，在膨脹土工程特性、破壞機理、處理技術、施工工藝等方麵取得突破，攻克了工程膨脹土渠道複雜技術難題，建立了大型膨脹土渠道穩定控製技術體係。①首次提出了膨脹土“三帶理論”及“膨脹等級1/3劃分方法”，建立了特大型輸水工程膨脹土勘察方法及技術標準。②提出了膨脹土邊坡淺層蠕動變形和深層結構麵控製型折線滑動破壞模式分析理論和方法，解決了長期以來傳統穩定分析方法成果與實際情況不匹配的難題。③提出了“護—截—排—固”的膨脹土渠坡綜合處理關鍵技術，攻克了大氣影響帶脹縮變形、淺表層蠕動變形和較深層～深層結構麵控製型邊坡穩定難題。
四是穿黃隧洞工程。
穿黃工程是中線總幹渠與黃河的交叉建築物，是總幹渠上建設規模最大、技術最複雜的工程之一，也是控製工期的關鍵性工程。穿黃工程采用2條盾構隧洞穿越黃河，單洞長4250m，隧洞內徑為7.0m，為國內首例采用盾構法施工的軟土地層大型高壓輸水隧洞。穿黃工程技術難度大，超出我國現有工程經驗和規範適用範圍，麵臨著三大突出技術挑戰：
第一
，隧洞需要穿越遊蕩性河段，該河段所處圍土為飽和砂土地層，地質條件複雜，內水壓達0.51MPa，而同期軟土地層水下盾構隧道多為交通隧道或內水壓力較低的排水隧道，承受高內水壓力的水工輸水隧洞沒有工程經驗參考。
第二
，軟土地層超深豎井問題。因隧洞埋深大，要求南、北兩端豎井超深布置，豎井結構設計與防滲技術極具挑戰性。
第三
，軟黃土高邊坡和地下洞室穩定問題。南岸進口明渠開挖邊坡最高達60 m，分布兩層軟塑狀黃土，邊坡穩定問題突出。采用鑽爆法施工的退水洞從飽和黃土通過，塌落突泥問題突出，處理難度大，施工安全風險極高。
針對上述問題，工程在設計理論方法、成套技術等取得了重大技術突破：
第一
，研發了“結構聯合、功能獨立”的“盾構隧洞預應力複合襯砌”新型輸水隧洞結構形式設計理論方法，並建立了相應的設計控製標準體係。解決穿越黃河多相複雜軟土地層高壓輸水隧洞結構受力和高壓內水外滲導致圍土失穩破壞難題，較好地適應河床遊蕩作用引起的縱向動態大變形。
第二
，研發了豎井井壁設置弧形始發反力座的新型雙層襯護豎井結構及雙層結構聯合受力動態結構設計方法，提出了飽和砂土地層超深豎井工程結構及防滲成套技術，解決了飽和砂土地層結構安全和防滲難題。
第三
，研發了黃土抽水技術，提出了通過降水提高黃土強度、實現軟黃土高邊坡施工期及運行期穩定的工程地質分析方法和設計方法。揭示了受卸荷與動水壓力控製的黃土過飽和機製及地下洞室突泥發展規律，提出了洞內控製卸荷邊界效應、洞周控製卸荷向外擴展，阻斷黃土過飽和發展進程的綜合處理技術，成功實現了飽和黃土大型洞室安全施工。
五是超大規模渡槽工程。
中線工程總幹渠沿線共有渡槽27座，最大流量420 m3/s，工程規模巨大。其中，湍河渡槽單跨40m，單槽淨寬9m，最大流量140m3/s，單跨荷載4800t，最小壁厚僅35cm，造槽機1250t級，是目前世界上最大的U形渡槽。青蘭高速交叉渡槽荷載735t/㎡，單跨荷載達1.84萬t/㎡，是現有一般荷載條件的2倍，設計及施工技術難度大大超出已有工程。
為攻克超大型薄壁輸水渡槽的承載問題，提出了“分區折線形”溫度荷載加載模式、“縱向分區、環向非同心”預應力設計新理念，形成了超大U形渡槽設計理論和方法，解決了超大U形渡槽結構承載、防裂等技術難題。同時，研發出40m跨1600t超大U形渡槽造槽機安裝運行、澆築施工等機械化施工成套技術和高效施工工法，攻克了超大U形渡槽機械化施工的係列技術難題，填補了大型現澆預應力渡槽槽身機械化施工技術空白。
針對工程建設期新增青蘭高速交叉渡槽工程分配設計水頭小的難題，建立了預應力承重構件與鋼筋混凝土擋水構件“既相互獨立又協同承載”的“分體式扶壁梯形”低耗水頭新型渡槽型式，槽身過水斷麵同輸水幹渠，避免了額外的水頭損失。
六是興隆水利樞紐工程。
中線工程調水後，為解決漢江中下遊綜合用水需求，促進生態環境、灌溉和航運健康發展，建設了興隆水利樞紐。興隆水利樞紐壩址處河道總寬度約2800m，河床呈複式斷麵，建築物地基及過流麵均為粉細砂層。工程建設存在三大關鍵技術難題：
第一
，超寬遊蕩性河道建設攔河樞紐如何順應河勢，維持河勢穩定，保障樞紐綜合效益長期穩定發揮，避免航道淤積；
第二
，針對粉細砂地基承載能力低、沉降量大、允許滲透比降值小、極易發生滲透變形、飽和砂土存在震動液化等特性的大麵積地基處理技術；
第三
，粉細砂抗衝流速小，抗衝刷能力低，工程過流麵積大，需要安全可靠的消能防衝設計。
為此，工程根據實際地形地質條件提出了“主槽建閘，灘地分流；航電同岸，穩定航槽”的樞紐布置新型式，解決了在超寬蜿蜒型河道建設大型水利樞紐時如何穩定河勢和保障安全通航的技術難題。同時，研發了“格柵點陣攪拌樁”多功能複合地基新型式、“H形預製嵌套”柔性海漫輔以垂直防淘牆的多重冗餘防衝結構，首次在深厚粉細砂河床上成功建設了大型綜合水利樞紐。
中國水利： 這些技術創新成果經過五年通水檢驗，目前運轉情況如何，還有什麼方麵需要改進？
中國水利： 這些技術創新成果經過五年通水檢驗，目前運轉情況如何，還有什麼方麵需要改進？
鈕新強：中線工程自2014年12月12日正式通水以來，已安全平穩運行5年。2017年丹江口水庫最高水位達到167.0m，加高工程各項監測指標、大壩運行狀態安全評價表明，丹江口大壩運行正常，狀態良好。2018年和2019年總幹渠渠首段最高水位和最大流量達到或超過設計工況，總幹渠膨脹土渠段、超大型輸水渡槽及各類交叉建築物運行正常，特別是膨脹土渠坡經受住了2016年特大暴雨的考驗。中線運行調度、丹江口大壩加高、膨脹土渠坡處理、穿黃隧洞工程、超大型輸水渡槽等關鍵技術創新，為中線總幹渠安全平穩運行奠定了堅實的技術基礎，是中線工程發揮巨大社會、經濟、生態效益的重要保障。
中線工程正式通水以來，向北京、天津等20多座大中城市及100多座縣城調水超255億m3，直接受益人口超過5859萬，有效緩解了受水區水資源短缺的局麵，滿足了城市生活、工業用水需求，並改善了受水區飲用水水質。中線工程通水後，通過限製地下水開采、直接補水、置換擠占的環境用水等措施，有效遏製了華北平原地下水水位快速下降的趨勢，累計壓采地下水開采量約49億m3左右，平原區地下水水位明顯回升，北京市平原區地下水水位回升達2.88m。此外，中線工程相機向受水區沿線白河、澧河、滹沱河、瀑河等30條河流累計實施生態補水22.94億m3，為沿線區域生態環境修複發揮了積極作用。實踐表明，中線工程顯著增加了華北地區的水資源承載能力，對華北的經濟環境、生態環境以及社會環境都帶來較大的改善，具有重要的戰略意義。
中線工程結合水源區和受水區的地形特點，采用明渠自流輸水方式，解決了一係列明渠輸水型調水工程的關鍵技術問題。
但隨著我國經濟社會的發展，大型跨流域調水工程建設將逐步向地形地質條件更複雜的高海拔、高埋深、高地震烈度、高寒地區轉移，將麵臨高揚程大流量泵、長大深埋隧洞、高架輸水建築物抗震抗斷、凍土施工等一係列技術挑戰，應盡早開展相關方麵的技術研發。
中國水利：
您認為南水北調中線工程關鍵技術的突破對推進我國水利水電技術進步有怎樣的意義？
鈕新強：中線工程是我國跨流域大型調水工程的建築物博物館，工程建設涉及大壩加高、膨脹土渠道、大型渡槽、大流量倒虹吸、軟土地層大型高壓輸水隧洞、大直徑PCCP壓力管道及砂土地基建閘等多項世界級難度技術挑戰。工程建設取得了大量技術突破和科研成果，創造了幾十項世界第一，獲得了近千項專利和國家級工法，並被多部技術標準采納，對推動我國水利水電技術進步具有重要意義，是我國工程建設者集體智慧的結晶。
中線工程中技術難題的成功攻克為大型調水工程的建設積累了寶貴的建設經驗，顯著提高了我國在相關基礎設施建設領域的技術水平和科研實力，並為水利水電行業培養了一批高素質的科研和建設人才。
南水北調中線工程的技術成果已成功應用於引江濟淮工程、鄂北水資源配置工程、珠江三角洲水資源配置工程等國內大型重點水利水電工程，取得了顯著的經濟社會效益，具有廣闊的推廣應用前景。
中國水利： 結合南水北調中線工程通水五年的實踐需求，您對中線後續工程有什麼建議？ 鈕新強： 中線工程通水五年，向北方調水超255億m3，是中線受水區供水安全的重要保障，為北方受水區地下水超采綜合治理和生態修複提供了水資源保障，是我國最重要的水利惠民工程和生態工程。但是中線工程通水後，也麵臨著一些新形勢和新需求。一是中線受水區人口經濟與水資源承載能力嚴重失衡，隨著京津冀協同發展戰略和雄安新區的實施，經濟社會用水將進一步增加，預測2035年受水區需北調水量將由95億m3增加到128億m3。二是由於中線水質優良，受水區人民群眾對北調水的依賴日益增強，對中線供水的穩定性提出了新要求，而丹江口水庫來水豐枯不均導致中線工程供水年際變化較大，存在多水多調、少水少調的情況。據統計，1956—1998年水文係列中，北調水量達到多年平均95億m3的年份僅占62%，年最大調水115億m3，年最小調水量僅53億m3。三是中線調水後如遇漢江連續枯水年，將給漢江中下遊生態環境問題帶來較大壓力。四是中線總幹渠自通水以來，工程運行總體安全平穩，但中線總幹渠存在因檢修、突發事故等中斷或減少供水的風險，且部分水廠以中線北調水為唯一水源，而總幹渠為單線輸水，一旦供水中斷，將會影響下遊渠段受水區的正常供水。 為緩解漢江流域水資源供需矛盾，提高漢江流域水資源調配能力，增加北調水量，提高中線供水保障能力，在水利部組織指導下，長江設計院開展了引江補漢工程規劃和中線在線調蓄工程方案編製工作。 引江補漢和在線調蓄等中線後續工程的規劃設計中，我們將繼續貫徹習近平總書記的生態文明思想，堅持“節水優先、空間均衡、係統治理、兩手發力”新時期治水思路，遵循水利部“水利工程補短板，水利行業強監管”的總基調，統籌考慮水源區、受水區的社會、經濟、生態等用水需求，為中線後續工程早日開工做好技術支撐工作。2019年11月18日，李克強總理主持召開南水北調後續工程工作會議，強調“要按照南水北調工程總體規劃，完善實施方案，抓緊前期工作，適時推進東、中線後續工程建設。”因此，抓緊推進引江補漢工程以及中線在線調蓄工程建設，解決中線水源不足，提高中線供水保障能力，爭取早日開工建設，是當前南水北調中線後續工作的當務之急。 刊於《中國水利》2019年第23期
