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探秘南水北调中线工程技术奇迹

(2015-02-27 14:00:55)

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

 

 

盛世,中国人民开凿京杭大运河,我们至今获益。现在,千里长渠,南水北上,抒写了无数个新时代的科技创新成果。南水北调工程的科技成果,为工程建设提供了强有力的技术支撑。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、计算机软件等成果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。这些科技成就造就了世界最大调水工程的技术奇迹。

 

《中国周刊》记者 周群锋/文 卢广/摄影

 

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

 

很多人会不由感慨:1432公里,穿越千山万岭,跨越大江大河,这是多么浩大的工程!南水北调攻克了太多技术难题,也创下多个世界或国内之最。在这背后,离不开建设者们的辛勤付出和聪明才智。

南水北上要越过705条河道、1300多条道路、近60次横穿铁路,要攻破一系列重大技术难题,其规模及难度国内外均无先例。

 

丹江口大坝贴坡加高

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

丹江口水利枢纽大坝加高工程,是南水北调中线控制工程、施工技术最具挑战性的工程。需要在40年前建成的混凝土老坝体上贴坡培厚、加高,有人称之为这是给大坝“穿衣戴帽”。新老混凝土在外部气温作用下,会产生排他反应,对结合面和坝体应力产生影响。技术标准要求高,制约因素多,需要解决基础开挖及建筑物拆除的控制爆破、新老混凝土结合、大体积混凝土锯缝、闸墩钻孔植筋、高水头下帷幕灌浆及老坝体缺陷检查与处理等一系列技术难题。

 

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。

1974年修建的大坝只有162米高,高度落差不能满足调水要求。唯有让大坝“加高增肥”,给它“穿衣戴帽”,确保力挺万钧,将坝顶高程提升到176.6米。

大坝虽然只加高14米,但水压会增加40%。好在丹江口大坝在建设之初就预留“伏笔”——当初就是按照175米坝顶高程设计,只不过时逢经济困难,为了让大坝尽快发挥效益,进行“瘦身”,使其变薄变矮。因此,原坝的基础架构能够承担起加筑的压力。

从2005年开始,难度最大的大坝加高工程就此开启,为运行30多年的大坝加高,并贴坡加厚。原大坝表层经爆破拆除后,隐藏的裂缝,就如同中年人脸庞,浮现出道道皱纹,成为致命的安全隐患。为此,工程人员对它做了全面体检,设计出每条裂缝的诊治方案,采用灌浆、凿除、打铆筋等方法“修复容颜”“强筋健骨”。

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

南水北调中线湍河渡槽和沙河渡槽均为三向预应力u型渡槽,渡槽内径9米,单跨跨度40米,最大流量420立方米每秒,采用造槽机现场浇注施工,其渡槽内径、单跨跨度、最大流量属世界首例。湍河渡槽是目前世界上规模最大的U型输水渡槽,其内径尺寸、单跨跨度、最大输水流量均属世界输水渡槽首例。沙河渡槽总长9050米,长度世界排名第一,最大过流量380立方米每秒,排名世界第四;并行输水槽数4槽,排名世界第一;下输水断面总面积219.4平方米,世界第一。总体上,综合规模世界第一。

 

在老混凝土上浇灌新混凝土,由于弹性模量的差异,在内外部气温作用下,必将对结合面和坝体应力产生影响,造成无法紧密结合。必须新老混凝土“合二为一、结成一体”,并且“骨骼健全、健康成长”,这是大坝加高的最大难题。

中国专家提出以直接浇筑为主,在竖直结合面采用人工补凿键槽,溢流坝段堰面采用宽槽回填为辅的总体方案。在坝体加高混凝土施工中,采取最严格的整套温度控制措施,给予“吃冰激凌”“享受空调”的豪华待遇,诸如砂石骨料吹风预冷,加冰拌和,通冷风浇筑,再通水冷却。这一切,都是为了最大限度降低混凝土凝固过程中的水化热。

老坝裂缝处理、新老混凝土结合、高水头作用下坝基帷幕灌浆等技术问题一一破解,老坝身上终于“长出”了一座新坝,此后,新旧两坝完美对接,坝体融合,可谓天衣无缝。

 

壮观的“渡槽博物馆”

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

沙河渡槽段工程是南水北调中线一期工程的组成部分,担负向沙河以北地区的输供水任务。工程起点为沙河南至黄河南段起点,位于鲁山县薛寨村北,终点为鲁山坡流槽出口50米处,与鲁山北段设计单元相接。工程设计流量为320立方米每秒,加大流量为380立方米每秒。起点断面设计水位为132.37米,终点设计水位为130.489米。渠段总长11.963公里,其中明渠长2.888公里,建筑物长9.075公里。工程跨沙河、将相河、大郎河三条大河,各类交叉建筑物共12座,其中渡槽1座(统称沙河渡槽),包括沙河梁式渡槽、沙河~大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河~鲁山坡箱基渡槽和鲁山坡落地槽,其中大郎河梁式渡槽采用多跨U型3孔联接方式,预应力预制整体吊装,槽墩间距30米,一次吊装重量1200吨,是当前国内最大的梁式渡槽;另外还布置左岸排水建筑物5座,节制闸1座,退水闸1座,公路交叉建筑物4座。按照2009年第一季度价格水平,核定该工程初步设计概算总投资265706万元。

 

渡槽是南水北调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。渡槽,作为输水建筑物的重要组成部分,在这1000多公里的中线工程中,就荟萃了27个不同类型的渡槽, 实至名归, 堪称“渡槽博物馆”。

从240多公里外奔流来的丹江水流入的大型沙河渡槽, 则是其中的翘楚。沙河渡槽槽身采用预应力钢筋U型槽结构型式,单槽重1200吨,承受的荷载是公路和铁路的几倍甚至几十倍,槽身结构复杂,施工架设难度极大。

沙河渡槽采用的是预制方法,即槽身在预制厂预制完毕后,直接吊运到槽墩上去,要求准确拼接,严丝合缝。

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

PCCP(Prestressed Concrete Cylinder Pipe),预应力钢筒混凝土管,是一种将高强钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的防渗有机结合在一起,充分合理利用了材料各自的物理力学特性的高品质的输水管材。南水北调北京段最长、最复杂的大型输水工程PCCP工程包括两排内径为4米的管道,起点为南水北调惠南庄泵站,终点为大宁调压池,全长56.4公里,约占南水北调北京段总干渠全长70%。该工程不仅是南水北调北京段最长的大型输水工程,还是我国目前采用PCCP管径最大、单节管道最重的水利工程。其管道单节长5米,最大重量达78吨。

 

沙河渡槽槽身厚度仅为35厘米。如何把这些千余吨重的单片渡槽一个个排在一起呢?设计人员想出了“槽上运槽”的新方法。单片渡槽全部完工以后,施工人员把架槽机设在基墩上,然后把单片渡槽沿着已经放置好的渡槽运过去。两个单片渡槽在一起时,足有6层楼那么高,加上架槽机的高度,整个高度有8层楼高。这种施工技术,开创了水利工程建设的国际先例。

科研人员开展了渡槽总体结构选型、水力学、结构分析、施工技术、预制槽蒸养温控等一系列技术研究与试验,满足了沙河渡槽设计与施工需要。在沙河渡槽设计与施工中,成功应用了大型渡槽温度边界条件、荷载作用机理及对结构的影响,大跨度渡槽结构新型式及优化设计,抗震性能与减震措施,渡槽施工技术及施工工艺,大型渡槽的耐久性及可靠性等课题研究成果。

与沙河渡槽形状一样的湍河渡槽,采用的是一种截然不同的施工方法:利用可移动模板,采用造槽机现场浇注施工,其渡槽内径、单跨跨度、最大流量属世界首例。

 

在“软土富水”下建地下隧洞

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

南水北调中线穿黄工程位于郑州市以西约30公里,其任务是将中线调来的长江水从黄河南岸输送到黄河北岸,向黄河以北地区供水,同时在水量丰沛时可向黄河相机补水。工程于2005年9月27日开工。工程北岸竖井为大型圆筒结构,建于黄河河滩地中细砂强透水地层中,内径16.4米,井深50.5米。设计流量为265立方米每秒,加大流量为320立方米每秒,井壁为双层结构,外层为地下连续墙形式,厚1.5米,深76.6米;内层为0.8米厚钢筋混凝土现浇衬砌,采用逆作法施工。基坑工程规模之大、开挖之深、地质条件之复杂、工作难度之高,均居国内之最。

 

国内最深的调水竖井——中线穿黄工程竖井,采用逆作法施工,基坑工程规模之大、开挖之深、地质条件之复杂、工作难度之高,均居国内之最。

2005年9月27日,该工程开工。工程北岸竖井为大型圆筒结构,建于黄河河滩地中细砂强透水地层中,内径16.4米,井深50.5米。设计流量为265立方米每秒,加大流量为320立方米每秒,井壁为双层结构,外层为地下连续墙形式,厚1.5米,深76.6米;内层为0.8米厚钢筋混凝土现浇衬砌,采用逆作法施工。

在中线穿黄工程竖井外,在“软土富水”下建地下隧洞的课题也创造了“一个奇迹”。

这个难题2007年6月25日,南水北调中线的“咽喉”(穿黄工程的退水洞)开始施工。

全长790米穿黄工程的退水洞,位于穿黄隧洞的下游,是南水北调干线渠道与黄河的唯一连接点,主要作用是在穿黄隧洞检修时,把总干渠多余的水量退回黄河,同时向黄河补水。

退水洞开始施工后,因为地质土体流泥等因素,退水洞身发生了八次较大塌方,穿黄一标项目部的同志们不畏艰险、不等不靠、拼搏努力、积极主动地进行技术创新研究。他们先后尝试采取了台阶法、双侧壁下导洞法等多种开挖工艺及工法,最终成功解决了这种在“软土富水”条件下建造地下隧洞的超级难题。

2013年3月29日,中国水电股份公司组织科技成果鉴定会,专家鉴定这项成果达到国际先进水平,并获得电建集团科技进步二等奖。成果可供类似工程借鉴。

2013年8月9日,穿黄工程的退水洞顺利贯通,为南水北调中线如期实现通水目标提供了支持。

 

降服“工程癌症”膨胀土

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

南水北调中线总干渠穿越膨胀土(岩)渠段累计近400公里,膨胀(岩)土是一种具有特殊性质的(岩)土,其处理技术难度、处理工程量和投资都比较大,是南水北调中线工程面临的关键技术问题之一,是世界公认的“工程癌症”。专家组选取了膨胀土结构最为复杂,且兼具地下水问题区域进行试验,自2008年11月28日开工以后,先后尝试了4种方案。最终,在膨胀土中掺入3%到5%比例水泥,经过晾晒、粉碎、拌和,将膨胀性降下来的水泥改性土方案获得了认可。

 

在南阳段,施工人员遇到了有 “工程癌症”之称的膨胀土。

“这种土遇水会膨胀,无水时就是干散状态。”该段项目经理朱建军告诉记者。头三年,“他们一共挖了十三个大坑,一直和这种土较劲儿。”

“那三年,我们没干别的,天天就在坑里和这种土斗争,研究不同方案。” 朱建军告诉记者。

膨胀土未受到搅动时强度很高,但有致命弱点,由于其体内存在天然形成的蜡状裂隙滑面,一旦暴露在大气中,水分风干就产生裂缝,再遇水就变成扶不上墙的一滩烂泥,柔弱无力。因此,在膨胀土地段修筑过水渠道,最易引起滑坡、变形、冲刷垮塌。

如何制服膨胀土的无常特性,保持渠道的健全“体型”和良好“身段”?成了摆在设计人员面前的一道难题。

设计人员认为要破解这道难题,首先要真正摸透膨胀土的脾气,取得精细数据,建立数学模型,以便对症施治。他们在现场原型渠道上设置了膨胀土渠坡试验段,开展大气环境影响模拟试验(人工降雨试验),根据南阳的气象资料并考虑各种不利情况进行叠加,分别模拟弱降雨、暴雨和特大暴雨三种降雨形式,反复进行降雨试验。

这些试验重点研究膨胀土渠坡大气影响带的形成过程、雨淋沟的形成机理和发展过程、浅层滑坡的产生机理及破坏模式,从而为膨胀渠坡处理提供试验依据。

设计人员最终在膨胀土物理力学特性上取得突破性发现的基础上,经过长期试验,有针对性地调整了技术处理方案:压重+保护。压重就是在膨胀土中加入3%—5%的水泥,让它改性,然后覆盖在原膨胀土上,使其保湿。通过修建M型的抗滑桩和梁,现在渠道坡度控制在1∶3,节省了大量投资。

试验成功后, 长江水安然渡过了膨胀土的“怪异脾气”地段,一路缓缓流淌,步伐轻盈。

 

“3毫米奇迹”创造世界工程极限

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

 

南水北调中线北京段西四环暗涵工程堪称超高难度工程。该工程要确保南来水不动声色地穿越北京市五棵松地铁站。这是世界上第一次大管径浅埋暗挖有压输水隧洞,近距离穿越地铁下部。

顶上是百吨重的地铁列车来回不停穿梭从拱顶呼啸而过,土层之下是隧洞开挖地动山摇的轰鸣。如此叠床架屋的场景,岂止是险象环生。下层掏空,必然会使地面出现沉降。要害是究竟沉降多少?仅是毫米之差,就可决定工程的成败。

南水北调中线北京段西四环暗涵工程,创下暗涵结构顶部与地铁结构距离仅3.67米、地铁结构最大沉降值不到3毫米的纪录,挑战了极限,创下了世界之最。

3毫米,仅仅是1粒稻米的高度,相对于一个深埋地下10多米、直径5米左右、长近1.5公里的隧道来说,只是一个篮球与地球的比例。地下建筑物沉降的国际通行标准是7毫米,号称世界地下工程超级大国的日本历经百年发展,目前沉降控制还是5毫米。

然而,将地面沉降控制在3毫米以内,对于地下工程领域来说,则是一座难以逾越的大山。南水北调中线北京段西四环暗涵工程跨越了这座高山,创造了世界工程极限。

北京五棵松地铁车站正下方的地腹:围岩为砂卵石, 土层不够坚硬, 不易开挖成洞型,容易发生掌子面坍塌;西四环地下铺设管线较多,盘根错节……

为了能托住3毫米沉降,工程人员创新了各种施工工艺:对地铁以下土层注浆加固,严密控制注浆压力,防止过度注浆造成负沉降;增设了临时仰拱,采取密排钢拱架和初支外周边注浆加固相结合的措施,控制地面结构沉降;应用远程自动化监测技术全天候监测,使施工全过程处于可控状态等等。

就这样,工程成功后,北京西四环12.4公里暗涵,安稳地穿过23座大型立交桥、8座人行桥、2条铁路、400余条盘根错节的管线src="> 

超大型渠道衬砌设备技术

 

探秘南水北调中线工程技术奇迹

工人在艰苦的工作环境下奋战。南水北调巨大的工程不可避免面临许多新的技术问题,中国的工程设计建设者们用科技创新的力量,攻克一个个难关,创造了一个伟大的工程。

 

在滹沱河倒虹吸工程施工时,中国水利水电第十一工程局有限公司(简称“水电十一局”)中标了渠道工程京石段的S31标和S6标。要想高质量、高效率地做好渠道衬砌工作,必须配置上大型渠道衬砌设备。

配置超大型渠道衬砌设备的技术,当时在国际上都还是空白。水电十一局又将如何解决这个难题?

“出路只有一条,就是我们自己动手,自己创新。” 项目领导鼓励大家。

盛夏夜晚,繁星闪烁。尽管夜色已深,但是为了探索解决之道,大伙儿还是难以入眠。负责该项目领导同志们和作业二处的处长徐其阳,坐在渠道边,商量对策。

“我说其阳啊,你说如果是把龙门式布料机,改造成符合咱们渠道浇筑的浇筑机会怎怎样呢?”有人突发奇想。

“我觉得这个点子可以呀,可以试一下!”徐其阳有些兴奋。

“我们要自己设计,还必须满足不低于三十米坡长的跨度,以及不同坡比的要求,而且这种设备还必须具备摊铺、布料、震捣、整平功能等等。”又有同事插话。

“我觉得,还有一点也非常重要,那就是必须要满足浇筑混凝土的密实度以及平整度的要求。衬砌厚度也要能够调节,可以连续施工作业,符合渠道设计坡比及曲率半径的要求。操作起来呢,还要安全、简单、这样维修也能便利,当然,也要做到方便移动。” 徐其阳越聊越兴奋。“其阳,这个任务就由你来主要完成吧,明天我们就开始行动。”

真是没想到,一次深夜渠边的聊天,竟然成就了科技创新的一段“传奇”。桁架的上饶度计算值是设计中难度最大的是问题。“之所以有难度,是因为桁架上面有布料、小车及皮带输送混凝土料等在不停行走,桁架所承受的重量又是动态变化的。我们经过技术人员上百次的计算试验等,成功测出了适合该设备的桁架上饶度数值。”徐其阳说。

2006年7月,经过无数次的拆装、焊接、试验后,由该公司自主研制的大跨度综合型振碾式渠道混凝土浇筑机终于走下了生产线,顺利投入使用。

2006年8月,南水北调中线干线渠道首块渠道衬砌混凝土,在滹沱河倒虹吸出口渠道段试衬成功。南水北调京石段实现通水后,技术人员发布了《大型渠道混凝土快速衬砌施工技术研究成果》,该成果先后获得电建集团科技进步一等奖、中国电力科技进步三等奖。

 

《中国周刊》 官方网站:www.chinaweekly.cn

 

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