第二节 工程技术难题
一、大型渠道工程技术
(1)在传统渠道边坡设计中,渠道规模小,遇到的边坡问题相对简单;现有的相关技术规范规程中缺乏系统的渠道边坡稳定分析方法及完整的渠道边坡稳定评价方面的规定,难以满足南水北调渠道边坡设计的要求。对于长距离调水的大型渠道,优化边坡可以节省大量土地和投资等,为此,渠道边坡优化技术,解决了基于边坡稳定和费用最小的渠道优化设计方法。
(2)国内外对堤防渗水、滑坡的防治已有比较成熟的技术,如防渗墙、挡土墙、锚索加固、抗滑桩加固、疏干排水等。这些技术已有国家或行业的设计施工规范,是成熟有效的,可以说是边坡稳定防护技术的主要方向。而对于堤防外邻河高水位深挖方渠坡的稳定,尚需根据输水渠道防渗、防冻胀、防扬压、防湿陷等技术综合分析确定。为此,高水头侧渗深挖方渠段的边坡稳定及安全技术对高水头侧渗情况下的稳定安全进行了多方案技术试验研究,解决了这些问题,确保了高水头深挖方渠段的边坡稳定及安全。
(3)在渠道边坡混凝土衬砌技术方面,在借鉴国内外渠道防渗衬砌结构型式和新材料的最新研究成果的基础上,研发的渠道防渗漏、防冻胀、防扬压的新型材料和结构型式技术,解决了根据不同土质、侧渗及气温等条件,提出既能适应机械化衬砌施工高效率、连续性强等特点,又同时满足渠道防渗漏、防冻胀、防扬压、防湿陷等综合施工技术目标,而且经济、耐久的防渗衬砌新结构型式,以及支撑衬砌结构型式的新材料。
(4)渠道建设必须考虑和保障沿线生态环境的保护、恢复与修复。为实现把南水北调工程建成“清水长廊”、“绿色长廊”、“生态长廊”的目标,研发的渠道沿线生态环境修复技术,充分整合渠岸带资源优势,在对工程沿线土壤类型、地质地貌以及植被特征等进行综合调查与评价的基础上,进行渠岸带生态修复,达到减少水土流失,保护水质和非过水边坡的生态环境,保证渠道沿线生态系统的结构稳定性、景观协调性、生态健康性和生态安全性,实现人水和谐,工程建设与自然景观、生态景观的有机结合。
(5)国内在信息化水利工程设计中未见有关大型长距离调水工程渠道设计、施工方面的系统研究。为此,基于虚拟现实的长距离渠线优化与土石方平衡系统,在充分考虑渠道设计中挖填方、弃土、借土以及施工中机械、道路等相关因素情况下,开发了基于虚拟现实的长距离渠线优化与土石方平衡系统。该系统具有强大的地形数据处理功能、渠道设计方案比较功能、渠道三维空间模型展示以及土石方优化策略及水力学计算等功能,在水利信息化设计领域里有了新的突破。
(6)渠道自动化施工工艺在国外发展已有几十年的历史;国内此类设备的研发尚处于起步阶段,产品大都采用燃油机为动力,集机、液、电、自动化于一体。为此,针对大型渠道机械化衬砌施工技术,采取引进、消化、吸收、创新的方式,研制出具有智能化和模块化的设备,渠道自动化施工主要有振动碾压成型设备和振动滑模成型设备,从而解决了不同坡长、不同坡度的渠道机械化衬砌,以及平面混凝土的机械化衬砌等技术难题。
(7)从无损检测技术的应用现状看,基于当时我国用于衬砌检测的规范仅有2004年铁道部颁发的《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(TB 10233—2004)。而渠道衬砌在衬砌厚度、结构型式、缺陷类型及浇筑材料等方面和隧道衬砌不尽相同,相应检测技术的开展和资料处理分析也会有所差异。为此,借鉴隧道衬砌检测技术,研发的渠道混凝土衬砌无损检测技术解决了大型渠道检测中的固有问题,形成了专门的渠道混凝土衬砌施工质量无损检测技术。
(8)国外大型调水工程一般都使用常规混凝土配比和机械化衬砌,普遍存在混凝土裂缝渗漏现象。国内大型调水工程大部分使用常规混凝土预制板进行人工衬砌,普通混凝土预制板人工衬砌法只起固坡作用,不能很好地利用混凝土自身的防渗作用。南水北调输水渠道采用先进的机械化衬砌施工技术替代传统的人工预制混凝土板衬砌技术,则会遇到高性能混凝土材料技术难题,为此,高性能混凝土技术解决了适应机械化衬砌施工要求的混凝土材料,对南水北调工程的实施产生了重要的进步作用。
(9)国产清污设备经过十几年的不断开发,大致归纳为移动型耙斗式清污机、齿耙回转式清污机两种类型。在大中型水利工程中,清污设备满足高度大于13m,且有清污要求的,在国内还处于空白状态。为此,大型渠道清污技术及设备的研制解决了适用于大型渠道工程的清污技术问题,并研制出具有清污彻底、对污物和环境适应性强、高效、节能、操作运转灵活可靠、机电一体化的回转式、往复式清污机;以及在引进消化吸收的基础上研制出满足耐用性及自动化控制的移动式清污机。
二、平原水库工程技术
(1)南水北调山东段平原水库建设占地较多,根据不同水库的水文地质条件,因地制宜地选取防渗措施,并进行多方案蓄水深度比较,选择最优方案,有利于土地资源的保护和节水。
(2)平原水库坝坡护坡型式遵循因地制宜、经济适用、耐久美观等原则。南水北调山东段平原水库根据护坡预制块的技术控制指标,采用开孔垂直联锁混凝土预制块护砌。开孔垂直联锁混凝土预制块护砌具有整体性好,适应不均匀沉降等特点。其成型工艺采用非流态(干硬性)混凝土多向开模振动挤压成型工艺。通过解决预制块混凝土试验配合比和预制块生产工艺及质量控制等问题,生产出符合技术控制指标要求的开孔垂直联锁混凝土预制块。
三、穿黄河工程技术
(1)南水北调东线穿黄河滩地埋管工程位于黄河南岸滩地,地下水位高,地质条件复杂。工程埋管采用了大口径内圆外城门洞建筑形式,内径达7.5m,施工难度大,施工质量要求高。为保证工程设计最优和工程建设质量,在埋管工程建设过程中,解决了黄河滩地排水、混凝土配合比、大体积混凝土防裂、施工工艺和施工质量控制等关键技术难题。
(2)穿黄隧洞工程所处位置地质条件复杂且极为重要。隧洞存在Ⅳ类、Ⅴ类围岩,稳定条件很差。隧洞段黄河水、孔隙水和岩溶裂隙水易三水联通,在断层和宽大溶蚀裂隙部位很容易发生涌水。穿黄隧洞施工技术解决了黄河水、孔隙水和岩溶裂隙水三水联通隧洞涌水的问题。
(3)穿黄隧洞工程斜井段穿越位山大堤,该处是黄河下游重要险工段,为确保开挖施工和黄河大堤安全,针对竖井爆破飞石安全允许间距不满足要求、施工场地窄小的特点,穿黄隧洞施工技术解决了开挖爆破、喷锚支护、二次衬砌施工以及围岩渗流、稳定性等难题。
四、大型泵站工程技术
(1)在大型泵站工程技术中水泵选型非常重要,水泵选型应保证泵站在平均扬程运行时,处于高效区;水泵运行特性取决于泵段特性、进水流道和出水流道的水力特性。泵段特性可以从所选水泵模型单独进行的泵段试验获得;但进水流道和出水流道对叶轮进口和出口的流态的影响因素很多,很难从理论上预测水泵装置性能曲线。大型泵站工程技术结合南水北调东线山东段典型的大型低扬程泵站装置型式,对长沟泵站的水泵装置进行模型试验,解决了水泵选型难题。
(2)大型低扬程泵站,具有优秀的水泵模型试验与良好的进、出水流道的水力设计相配合才能获得好的运行效果。为此,南水北调山东段工程中七座泵站的进、出水流道在完成初步设计后,开展了大型泵站工程技术,以邓楼泵站为例,采用CFD软件进行了进、出水流道三维流动的数值模拟,确定最优设计方案,再制造物理模型,组合相应的水泵模型进行水泵装置模型试验,优化了进、出水流道的水力设计。
(3)大型灯泡贯流泵机组根据传动方式的不同,一般可分为两类：一类是低速电动机直联驱动,且一般采用电励磁同步电动机,优点是结构型式简单;另一类是高速电动机通过减速齿轮箱驱动,且一般采用异步电动机,优点是体积小,重量轻。
韩庄泵站为超低扬程泵站。为提高泵站装置效率,采用了卧式结构的灯泡贯流泵机组。根据泵站特点和永磁电动机技术发展,采用了低速永磁同步电动机直联驱动的方式,充分利用永磁电动机的多种优点,实现了灯泡贯流泵技术与永磁电动机技术的完美结合。
(4)立式轴流水泵装置在我国的大型低扬程泵站中广泛应用,具有运行稳定可靠、安装检修方便、投资节省和制造技术成熟等优点。其主要缺点：一是因为进水流道和出水流道都需要进行90°直角转向,流道水力损失比较大;二是低扬程泵站采用立式装置,水泵安装高程过低,需要较多立面空间。对于超低扬程泵站,为保证出水流道的出口上缘淹没在站上最低水位以下,需要将水泵装置整体下移,这就导致水泵安装高程过低,使得前池、进水池和泵房的开挖工程量、泵房的混凝土工程量都相应增加;水泵安装高程过低也不利于泵房的通风、散热和防潮,另外还使得进水池和前池两侧的翼墙偏高,存在结构设计风险。
因此,超低扬程泵站要采用立式水泵装置,应对立式水泵装置进行优化,在一定程度上提高装置效率和抬高水泵安装高程。南水北调工程山东段有四座超低扬程泵站：韩庄泵站、二级坝泵站、长沟泵站、邓楼泵站,其中,长沟泵站和邓楼泵站都采用了立式水泵装置。以长沟泵站为例,开展了立式水泵装置中进、出水流道型式及水泵装置模型试验。
五、其他工程技术
通过开展“南水北调南四湖二维水流水质数值模拟与应用”,研究调水前后南四湖水流水质特性变化,南四湖人工湿地的作用规律、合理布局及湖滨带水质安全防控技术等,形成比较系统、有效、可靠和经济的水质综合保障体系,解决了南水北调东线山东段水质污染,以及南四湖输水工程设计中的一系列问题,将南水北调跨流域调水与南四湖水生态特性紧密联系起来。
东湖水库库区内原有农业灌溉水井200多眼,深度20～30m不等,部分穿透相对不透水层。水井外侧碎石反滤体经过几十年的运行,东湖水库库内水井灌浆封堵技术解决了水井是否透水、是否需要封堵,以及封堵的深度、采用何种技术进行封堵等问题,确保了水库蓄水安全和减少渗漏。
山东地处北方地区,冬季气温较低,且冬季持续时间较长。冬季输水主要采用冰盖下输水的方式。在冬季运行时,据现场观测,东平湖以南渠段不常见有冰凌,而东平湖以北与之相连的引黄济青渠道将会出现不同程度的冰情,且结冰和解冻是自北向南逐渐变化的,往往出现南北冻融情况不同的复杂状态,尤其在融冰期,纬度较低渠段的冰盖将首先破碎形成冰凌,与此同时纬度较高渠段的冰盖强度可能仍然较高,冰凌随水流向纬度较高的渠段运动,引发冰塞、冰坝等极端冰害的可能性很大。长距离输水系统结构物冰害分析及防护技术结合南水北调工程山东段输水系统工程实际,解决了这些技术难题。
南水北调东线工程沿线所经湖泊疏浚任务也非常繁重,疏浚淤泥质及水生植物复杂,工期短。在进行清淤之前,需对水底的淤积情况进行详细了解,提高施工质量和施工效率。清淤结束后,需对清淤效果进行定量检测。为此,水下淤积量快速测定与淤泥层三维空间分布图像构建技术的引进解决了河湖清淤的淤积量快速测量计算及高效清淤设备设计的难题。