南水北調(diào)背后的科技密碼

文／唐 婷

據(jù)新華社報(bào)道，5月13日下午，習(xí)近平總書(shū)記在河南省南陽(yáng)市淅川縣考察南水北調(diào)中線工程。

中線工程全長(zhǎng)1432公里，累計(jì)供水逾380億立方米，惠及沿線20余座大中城市約7900萬(wàn)人，一路北上的南水正在改變北方的模樣。

全線自流，穿越黃河，冰期輸水……每一道技術(shù)難題的迎刃而解，都是無(wú)數(shù)水利人心血與智慧的結(jié)晶。讓我們從源頭走來(lái)，看看一渠清水北上背后的科技力量。

大壩“長(zhǎng)高” 清水自流

要想一渠清水自流北上，讓庫(kù)區(qū)大壩“長(zhǎng)高”是第一道難題。

丹江口庫(kù)區(qū)位于湖北、河南交界處，是南水北調(diào)中線的水源地。實(shí)現(xiàn)南水自流進(jìn)京，需要增大庫(kù)容。

壩高水漲，才能使大壩在滿足防洪、發(fā)電、通航的基礎(chǔ)上，肩負(fù)起清水北上、潤(rùn)澤沿線的重任。

按設(shè)計(jì)要求，要對(duì)丹江口大壩加高14.6米，壩頂高程從162米增高到176.6米，正常蓄水位從157米抬高到170米。

在一座服役近40年的老壩上重新澆筑“新壩”，難度不亞于新修一座大壩。在混凝土壩體上貼坡加厚、加高，新老混凝土在外部氣溫作用下，會(huì)產(chǎn)生排他反應(yīng)，對(duì)結(jié)合面和壩體應(yīng)力產(chǎn)生影響。

如何讓新老混凝土“永結(jié)同心”，并且“血肉相連、健康成長(zhǎng)”，這是加高工程遇到的關(guān)鍵技術(shù)難題。對(duì)此，國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“丹江口大壩加高工程關(guān)鍵技術(shù)研究”課題組進(jìn)行了科研攻關(guān)。

為確保加高工程萬(wàn)無(wú)一失，長(zhǎng)江設(shè)計(jì)院先后進(jìn)行了多次新老混凝土結(jié)合試驗(yàn)，并借鑒國(guó)外已有的成熟經(jīng)驗(yàn)，提出了以直接澆筑為主，在豎直接合面采用人工補(bǔ)鑿鍵槽，溢流壩段堰面采用寬槽回填為輔的總體方案。

自2005年開(kāi)始，大壩加高壯舉歷時(shí)近8年終于完成。升級(jí)改造后的大壩加高到176.6米，水庫(kù)正常蓄水位抬高到170米，與北京形成約百米落差，保障南水自流北上。

隧洞穿黃 江水不犯河水

南水北上，黃河鄭州段是必經(jīng)之地。

如何保證江水穿過(guò)黃河時(shí)互不相擾，不與黃河水發(fā)生水體交換以確保水質(zhì)不受影響，復(fù)雜地質(zhì)條件下中線穿黃隧洞工程關(guān)鍵技術(shù)研究功不可沒(méi)。

經(jīng)過(guò)反復(fù)比選，在鄭州滎陽(yáng)孤柏嘴處黃河河床底部開(kāi)鑿兩條長(zhǎng)達(dá)4250米的穿黃隧洞的方案被采用，實(shí)現(xiàn)南水由此穿越黃河北上。

如何從黃河底下復(fù)雜的地層中開(kāi)鑿出數(shù)千米的隧洞？如何在承載內(nèi)外水壓的情況下保證隧洞不漏水……作為中線工程最具技術(shù)難度的單項(xiàng)工程之一，穿黃工程被稱(chēng)為南水北調(diào)中線的“咽喉”工程。

為保障穿黃工程的順利實(shí)施，國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜地質(zhì)條件下穿黃隧洞工程關(guān)鍵技術(shù)研究”課題組提供了有力的技術(shù)支撐，先后解決了包括抗震在內(nèi)的13項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題。

穿黃隧洞采用雙線平行布置，兩洞相距28米。隧洞內(nèi)徑7米，開(kāi)挖直徑超過(guò)9.2米，深埋于黃河河床下23至35米深。據(jù)介紹，這是我國(guó)第一次采用大直徑隧洞穿越黃河，也是我國(guó)水利界第一次采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在軟土地基中進(jìn)行水工隧洞的掘進(jìn)施工。

國(guó)內(nèi)最深的調(diào)水豎井、國(guó)內(nèi)穿越大江大河直徑最大的輸水隧洞、國(guó)內(nèi)水利工程最深的盾構(gòu)始發(fā)……讓江水不犯河水的穿黃工程創(chuàng)下了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)水利工程之最。

冰期輸水 迎寒而上

南水北調(diào)中線總干渠長(zhǎng)1432公里，沿途地域氣候差別很大，北方地區(qū)冬季氣溫較低。隆冬時(shí)節(jié)，一旦流水結(jié)冰，是否影響渠道輸水進(jìn)程？

南水北調(diào)中線工程設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了黃河以北地區(qū)冰期輸水問(wèn)題，針對(duì)結(jié)冰期、冰封期、化冰期三個(gè)階段的輸水，進(jìn)行了詳細(xì)論證和水力學(xué)控制方法研究。

在冰期輸水期間，在具備形成冰蓋氣溫條件的渠段，控制沿線節(jié)制閘，調(diào)整渠道水位和流速，使渠道形成穩(wěn)定冰蓋，冰蓋下面可繼續(xù)輸水。

對(duì)不能形成冰蓋的渠段，則通過(guò)設(shè)置攔冰索，使冰塊攔截在建筑物（如：倒虹吸、隧洞、渡槽等）前。同時(shí)，各節(jié)制閘處設(shè)置了防冰凍設(shè)施，沿線配備了一定數(shù)量的破冰設(shè)備。

如果遇到長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的極端寒流天氣，可能遇到什么后果，該如何應(yīng)對(duì)？專(zhuān)家指出，對(duì)總干渠運(yùn)行的影響，主要在于可能進(jìn)一步降低此期間的渠道輸水能力以及可能帶來(lái)渠道襯砌板的凍脹破壞，為此可通過(guò)進(jìn)一步抬高渠道運(yùn)行水位來(lái)提高渠道輸水能力并達(dá)到蓄水保溫的效果。

在2020-2021年冰期輸水突發(fā)冰情過(guò)程中，南水北調(diào)中線工程首次應(yīng)用了冰情觀測(cè)信息化平臺(tái)，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)布冰情信息，實(shí)現(xiàn)了冰情信息及時(shí)傳遞和冰情預(yù)測(cè)提前預(yù)警兩個(gè)功能，保障了冰期輸水工程的安全調(diào)度與平穩(wěn)運(yùn)行，提升了工程冰期輸水能力，破解了冰期輸水的難題。

2020年5月9日至6月21日，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，中線一期工程首次以420立方米每秒設(shè)計(jì)最大流量輸水，并借機(jī)向沿線39條河流生態(tài)補(bǔ)水9.5億立方米，提升了華北地區(qū)地下水超采綜合治理成效，驗(yàn)證了工程大流量輸水能力，集中檢驗(yàn)了工程質(zhì)量和運(yùn)行管理水平。

水利部南水北調(diào)工程管理司司長(zhǎng)李鵬程表示，“十四五”期間，將聚焦“南水北調(diào)高質(zhì)量發(fā)展”這一主題，在加強(qiáng)南水北調(diào)東中線一期工程運(yùn)行管理，確保工程安全平穩(wěn)運(yùn)行，保障供水、工程和水質(zhì)安全的基礎(chǔ)上，不斷提升工程綜合效益。加快數(shù)字南水北調(diào)建設(shè)，通過(guò)數(shù)字化、智慧化工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行管理預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案現(xiàn)代化。推進(jìn)東中線后續(xù)工程建設(shè)，深化西線工程方案比選論證，進(jìn)一步優(yōu)化我國(guó)水資源配置格局，為確保國(guó)家水安全提供堅(jiān)實(shí)支撐。