科技为南水北调工程提供强大技术支撑
——“十一五”期间南水北调工程科技研究进展综述    

    南水北调工程是由多项目组成的庞大项目集群，涉及领域多，是一项复杂的系统工程，在设计、建设、运行等方面，面临诸多技术挑战，是水利学科与多个边缘学科联合研究的前沿领域。

    “十一五”期间，在科技部等国家有关部门的大力支持下，国务院南水北调办始终把科技工作放在突出位置，工程项目法人、有关科研院所、高等院校等单位共同参与开展了包括南水北调工程“十一五”国家科技支撑计划重大项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”在内的160 多项科技项目研究，内容涉及水工结构、工程施工、水力学、管理、水工材料、水力机械、环境、水资源等诸多专业和领域。南水北调工程科技工作全面展开，稳步推进，取得了丰硕成果，为工程建设提供了强有力的技术支撑。

    “南水北调工程若干关键技术研究与应用”项目，主要针对“大型渠道设计与施工新技术研究”、“丹江口大坝加高工程关键技术研究”、“大型贯流泵关键技术与泵站联合调度优化”等16 个工程重大关键技术展开，重点解决工程建设急需解决的重大关键枢纽和典型工程建筑物的结构、材料、施工技术与工艺、设备等难题，优化设计，保证工程建设质量、安全、进度，提高工程建设的技术和管理水平；减少工程投资，充分发挥工程的综合效益，推动相关科学的新进展，保证工程建设高质量高效率有序推进。

    截至目前，南水北调工程共取得新产品、新材料、新工艺、新装置、计算机软件成果63 项；申请国内专利成果110 项，其中发明专利66 项；获得专利授权59 项，其中发明专利授权16项；发表科技论文580 篇，其中向国外发表88 篇，出版著作66 万字；已完成技术标准如《渠道混凝土衬砌机械化施工技术规程》等14 项；获得国家及省部级优秀科技奖多项，如“大型渠道混凝土机械化衬砌成型技术与设备”项目获国家科技进步二等奖，其他项目获大禹水利科学技术二等奖1 项、三等奖2 项，教育部科学技术进步一等奖2 项。

    一、大型渠道设计与施工新技术研究。针对南水北调工程长距离输水，渠道沿线穿越的地形、地质条件复杂，水文、气象以及运行条件差异变化大的特点，在大型渠道边坡稳定与优化技术、高水头侧渗深挖方渠道边坡稳定分析、大型渠道新型结构型式、高性能混凝土新材料、大型渠道机械化衬砌综合施工工艺、大型渠道机械化衬砌系列成套设备等方面取得了大量研究成果，为南水北调工程 大型渠道设计与施工提供了系统的技术支撑，填补了国内在大型渠道机械化成型技术装备设计制造、施工工艺和工程技术方面的空白。通过机械化衬砌设备的引进、试验和施工实践，研制出了具有自主知识产权的长斜振捣滑模和振动碾压衬砌成型机及其配套设备，部分成套设备还远销国外。

    二、丹江口大坝加高工程关键技术研究。丹江口大坝加高工程是对20世纪70年代建成的老坝进行贴坡加高，其新老混凝土结合是关键技术问题。研究采用产、学、研联合机制，依托项目法人、设计单位、科研院所强强组合发挥理论研究和科学实验优势，采用理论分析、数值模拟、室内和现场实验、原形观测相结合方法，对新老混凝土结合状态与安全评价、新老混凝土结合面工程措施及灌浆措施、大坝抗震安全问题评价、初期工程帷幕耐久性及高水头下帷幕补灌技术等大坝加高工程中存在的技术难题进行研究，取得一批研究成果，直接转化为设计文件，应用于工程设计与施工，为保证工程建设质量及施工进度提供了强有力的保障。课题取得的部分研究成果已应用于目前国内最大规模的大坝加高工程的设计与施工，提高了大坝加高技术水平，对复杂环境下的大坝加高工程设计和施工具有重要的指导意义。

    三、大型贯流泵关键技术与泵站联合调度优化研究。立足我国南水北调东线低扬程、大流量泵站工程建设需要，针对我国大型贯流泵机组技术和设备主要依赖进口的现状，系统开展研究，开发了高性能的贯流泵装置和贯流泵水力模型，综合性能指标达到国际先进水平；研究提出了大型贯流泵机组传动方式、工况调节和通风方式优化设计方法；研制了水泵机组在线运行状态监测装置，提出了大型贯流泵机组引进方式及建议；创新地采用能量特性法分析泵机组的运行稳定性；建立了泵型选择合理性的评价指标体系，提出了泵型选择的评价方法等，为实现大型贯流泵机组国产化奠定了一定的基础。

    四、超大口径PCCP （预应力钢筒混凝土管）结构安全与质量控制研究。中线北京段PCCP管道工程长约55公里，使用双排内径4米的超大口径PCCP管道，其制造、安装等方面特殊工艺对工程建设提出一系列新的要求。经过几年的研究探索和工程实践，解决了超大口径PCCP 结构安全与质量控制的关键技术问题，工程已成功建成投入运行，实现向北京应急输水。研究提出了PCCP 考虑预应力钢丝缠丝过程和刚度贡献的数值缠丝模型，建立了PCCP 预应力损失模拟分析的断丝模型；提出了可模拟PCCP 承载能力全过程的数值分析方法；研发了预应力钢筒混凝土管设计和仿真分析软件；在国内首次进行了4m 超大口径PCCP制造工艺试验、管道结构原型试验、现场运输安装试验、管道防腐试验等；首次提出了PCCP 管道糙率测算的新方法，克服了超大口径PCCP 管道无法利用水力实验直接获取糙率系数的困难；首次提出了新建PCCP 工程阴极保护的保护电位和电流密度的范围以及保护电位分布的数值计算方法。

    五、大流量预应力渡槽设计和施工技术研究。渡槽是中线工程的重要交叉建筑物之一，其结构与质量直接影响到工程效益。通过开展高承载大跨度渡槽结构新型式及优化设计、大型渡槽新材料新结构、抗震性能与减震措施、施工技术及施工工艺、耐久性及可靠性、破坏模式与机理及相应的预防及补救措施等内容研究，提出了适用于南水北调大流量渡槽的新型多厢梁式渡槽优化结构及设计方法，给出了温度荷载算法，揭示了渡槽结构的自振特性和动力结构响应的规律，提出了大型渡槽桩基- 土相互作用计算分析方法和减震措施，制定了渡槽施工期混凝土养护与温控措施和控制要求，提出了混凝土早期裂缝的控制方法。课题的研究成果已应用到当前的设计和施工中，为大型渡槽工程提供了新的结构型式、新的设计理论和新的施工技术、方法，可节省工程投资，并提高渡槽的设计和施工质量，增加渡槽结构的可靠性。

    六、复杂地质条件下中线穿黄隧洞工程关键技术研究。中线穿黄工程是中线总干渠穿越黄河的关键性工程，也是中线工程中投资较大、施工难度最高、立交规模最大的控制性建筑物，在国内采用盾构方式穿越大江大河尚属首次。为做好穿黄隧洞的施工，开展了一系列研究，解决了复杂地质条件下，在穿越黄河游荡性河段采用泥水平衡法盾构施工难题，完成了高压舱换刀和古树、大孤石处理和纠偏。完成了软土地层水底水工隧洞抗震理论及应用的研究。研究解决了超深大型竖井设计与施工中遇到的一些技术难题。目前，单洞掘进长达4.25公里的双线穿黄隧洞已全线贯通，开创了我国水利水电工程水底隧洞长距离软土施工新纪录。

    七、膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究。针对膨胀土（岩）边坡稳定的世界级难题，以大规模的膨胀土渠道原型试验为依托，采用地质勘察、现场试验、室内试验、大型静力模型、离心模型试验、数值分析等多种研究手段，对于膨胀土渠道边坡稳定问题进行深入研究。提出了膨胀土等级现场快速判别的定性和半定量方法，分析了膨胀土边坡破坏主要模式，揭示了膨胀土强度的非线性特性，提出了反映裂隙空间分布的稳定分析新方法，系统研究了膨胀土渠道边坡多种工程措施的作用机理和有效性，提出了膨胀土渠道边坡的处理原则和思路，为进一步研究解决南水北调中线工程膨胀边坡稳定问题提供了技术支持。

    八、中线工程输水能力与冰害防治技术研究。采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的手段深入分析了中线工程的水力特性、运行控制模式和控制算法、冰期输水能力、冰期输水模式及冰害防治技术等关键技术难题。利用面向对象和模块化建模思想实现了复杂输水系统的自适应建模，开发了中线工程输水模拟平台；提出闸前常水位和闸前变水位分布式集中控制模式和控制算法；开发了长距离输水渠道控制模型；提出了大型渠道超高设计方法；利用神经网络理论开发了气温稳定转负日期预报模型；开发了中线工程冰期输水模型，研究了中线工程冰期输水能力，提出中线工程冰期运行控制方式和控制算法；采用真冰试验研究了冰盖力学特性，分析了拦冰索的拦冰性能，优化了拦冰索结构型式。

    九、东、中线一期工程沿线区域生态影响评估技术研究。在《南水北调工程总体规划》确定的受水区节水目标、地下水控制目标和生态修复目标的框架下，针对受水区水资源供需矛盾突出等问题，进一步研究和细化与南水北调工程建设相配套、以生态保护与恢复为目的的节水、地下水调控和河流湖沼湿地恢复等关键技术问题，分析和评估南水北调东中线一期工程对受水区的相关生态影响，开展了生态水文效应与关键调控技术典型示范。提出了由水循环调控技术、水质调控技术和生态系统评估技术三大部分组成的调水工程受水区生态环境影响评估技术体系。提出了生态影响评价的计算模型，为调水工程受水区生态影响评估提供了有效的技术工具。提出了课题任务计划的两类示范模式，在山东省平阴县进行了人工湿地公园构建技术的试验和示范研究，在中线工程邯郸段进行了复合生态廊道的构建与仿真示范。

    十、工程建设与调度管理决策支持技术研究。南水北调工程涉及诸多领域，在建设以及运营过程中所涉及的管理工作已经超越了一般管理的范畴。研究中有针对性地制定了适用于大型工程建设的项目群管理方法和信息标准，提出了适合南水北调工程的项目群规划、管理技术及其实施方案，设计了突发状况应急处置方案和应急管理技术；为工程建设与调度管理决策支持系统建设提供体系结构与集成技术方案，设计群决策支持系统原型系统，建立统一的信息分类和编码体系，制定数据采集、处理和仿真机制，设计工程施工形象进度可视化仿真原型系统；提供数据建模、分析方法、挖掘技术和数据挖掘分析算法，设计工程建设与调度管理数据挖掘原型系统；提出南水北调工程建设信息采集技术，形成应急处置支持平台，为南水北调工程以及国内类似工程建设与管理提供了长期的技术支持。