2020年11月28日 星期六
大坝的安全与合理开发之问
第33版:水利中华 2020-07-27

大坝的安全与合理开发之问

王煜

金沙江上最大水电站——溪洛渡水电站。

6 月5 日,水库水位蓄至945 米高程后的乌东德水电站。

1958 年丹江口大坝建设开工典礼。

许多枢纽工程的规模巨大、建设难度高,这是我国当前水利工程的一大显著特点。三峡大学水利与环境学院教授孙开畅表示:这样的特点一方面来源于我国拥有的自然资源条件,另一方面由中国水利工程不断提升的技术水平造就。

记者|王 煜奔腾的江河中,守护人类、造福人类的水利工程,在保障人民群众生命财产安全的同时,其自身的安全又该怎样确保?水利工程该怎样恢复当年的“黄金水道”、促进国民经济发展?《新民周刊》记者就此访问了相关专家。

人工智能保安全

许多枢纽工程的规模巨大、建设难度高,这是我国当前水利工程的一大显著特点。三峡大学水利与环境学院教授孙开畅表示:这样的特点一方面来源于我国拥有的自然资源条件,另一方面由中国水利工程不断提升的技术水平造就。

公众熟知的三峡工程是当前世界上规模最大的水电站,但它的大坝高度为185 米,并没有进入“世界最高大坝”的序列。金沙江是我国最大的水电基地,在其干流上已经建成和正在建设的一些水利工程,其坝高都达到了“300 米级别”,是名副其实的“世界级巨型工程”。例如,乌东德水电站的最大坝高为265 米;溪洛渡水电站的最大坝高更是达到了278 米,是规模仅次于三峡的巨型水利工程。

“无论从防洪还是发电功能的设计上来说,我们都需要建设高坝大库。” 孙开畅告诉《新民周刊》记者,建设高坝是为了提升水利工程的库容,而有了足够大的库容才能起到拦蓄洪水、削减洪峰的作用,发电量也更高。然而,大坝建得越高,对设计施工的要求也就越高。大坝垂直于水面,直接受到水流的巨大推力,如果在设计、用料和施工上存在疏忽,坝体就有被“推倒” 的危险。

在孙开畅看来,目前我国的筑坝技术在多次巨型工程的实践和考验中越来越高,稳居世界领先水平。其中,水利工程在建设和运营过程中的预警系统、应急系统的开发利用,是保证工程安全的关键因素。

2015 年,她曾经带领学生到吉林省丰满水电站重建工程的现场考察。在这座始建于20 世纪30 年代、中国最早的大型水电站里,他们看到工程里留下了许多用于人工检查时通行的廊道。在那个年代,人工检查几乎是水利工程查险的唯一手段;而如今,融入物联网、人工智能等先进技术的监测系统已经成为水利工程人的得力助手。

2016 年9 月,中国的溪洛渡水电站获得有国际工程咨询领域“诺贝尔奖” 之称的“菲迪克2016 年工程项目杰出奖”,成为当年全球21 个获奖项目中唯一的水电项目。获奖的关键是工程建设方中国三峡集团研发的iDam1.0 拱坝智能建造系统。

该系统基于物联网“全面感知、真实分析、实时控制” 的智能管控原理,集成物联网感知技术、移动通信技术、数据筛选分析技术、三维仿真技术、预警预判和决策支持技术等,可在大坝混凝土浇筑、温控、监测、蓄水等建设运行全过程中,实时感知、分析信息数据,最终实现智能温控、智能振捣、智能蓄水等智能控制,时刻知晓大坝“身体状态”。iDam1.0 助力溪洛渡水电站创造了建设中未出现温度裂缝的世界纪录。

与溪洛渡水电站相比,乌东德水电站受大风、干热环境影响更为明显,大坝混凝土温控防裂难度更大。2017 年3 月,乌东德大坝主体首仓混凝土正式浇筑,iDam2.0 拱坝智能建造系统同步上线,它在感知、分析、控制方面有诸多创新性提升,比如提升了对于大坝真实温度应力和抗裂能力的感知度,智能温控、智能振捣等智能控制功能也有所增强。

针对乌东德大坝混凝土浇筑开仓前的基础信息,iDam2.0系统进行了完整的数据录入和流程执行工作;开仓后,现场人员可通过手机、平板等设备,实时录入和上传现场盯仓数据,各级管理人员可通过移动终端进入系统,实时查询数据;同时,智能通水温控数据、拌合楼生产数据以及缆机运行数据也能通过数据集成接口,实时回传至iDam 2.0 系统,实现大体积混凝土施工全过程智能化管控。

2017 年3 月25 日,在乌东德大坝第三仓混凝土浇筑完毕之时,iDam2.0 系统中已有冷却水管温度计埋设数据20 条、盯仓记录387 条、缆机数据682 条、拌合楼数据1459 条、温控及通水数据100746 条。

“智慧工程” 的体现不仅如此。乌东德大坝地处干热河谷地区,大风频发,日照强烈,年平均相对湿度仅50% 左右,这对大坝混凝土在运输、浇筑、振捣等过程中的温度控制十分不利。如何做好混凝土的保温保湿和温控防裂工作,避免大坝“发烧”?iDam2.0 中的智能通水系统起到了关键作用。

在以往的诸多水利工程项目中,混凝土降温多采取人工冷却方式,无论是工作效率还是温控精度都有所欠缺。乌东德大坝在混凝土里预埋温度计,可实时感知混凝土温度,再经过智能通水系统的分析计算,可以自动调节通水流量,实现混凝土冷却过程智能化。

建设完成后,这些工程各处依然密布各类仪器,组成实时监测系统,随时向人们汇报工程的“健康状况”。“如果把水利工程看作一个人,那么这些监测系统就像时时刻刻都在给这个人做全身扫描检查,发现任何一点不健康的迹象都会及时提示,接下来医生们就会根据检查结果及时作出诊断和治疗。”孙开畅说。

高库大坝的安全得到保障后,堤防等水利工程又如何减少风险呢?在当前严峻的抗洪形势下,这成为公众非常关心的话题。

“实际上,在流域防洪中,沿岸堤防的作用远远大于高库大坝。” 孙开畅说。在河流上游的峡谷之中建设“高坝大库”的水利工程是依据当地现实的自然环境做出的选择。而到了河流中下游,地势变得平坦,如果再修“高坝大库”,截流的回水将淹没太大的地区,并不现实。因此,中下游地区一般兴建的都是低坝水利工程,这些工程的库容较小,对洪水的拦蓄作用不明显。防洪的重任更多落到堤防等水利工程上。

孙开畅说:与大坝是混凝土浇筑不同,我国许多江河的沿岸堤防是土堤,这里的“土” 指的是“广义土”,包括沙土、砾石和壤土。她说,堤防最怕的就是水位过高漫过堤顶,因为土堤的材质在被水浸泡后,它的强度会降低,溃坝决口的可能性随之增大。她表示:通过科学调配,降低堤防处的水位,该疏导时一定要疏导,而不要让堤防去和洪水硬扛,这是保证堤防安全的关键。

她提出,实际上我国在重要河流沿岸都规划有蓄洪区,就是用于在洪水来临时适时开闸让洪水分流进入这些地区,以减轻其他地段的堤防压力。“全靠水库拦蓄、削减洪水或者靠堤防去挡住洪水,这是行不通的。在流域治理中,有挡有泄才是治水之道。”

助力航运强国

除了防洪、发电,水利工程对江河航运的提升、对沿岸经济发展的促进同样是其不可忽视的重要功能。

汉江是长江最大的支流,古时与中国其他几条大河并称“江、河、淮、汉”。全长1577 公里的汉江,流经湖北871 公里,是湖北省经济发展的重要廊道,曾经是航运能力比肩长江的“黄金水道”。

然而,上世纪70 年代汉江上游的丹江口水利枢纽建成后,水库蓄水以及南水北调的影响,使得汉江中下游的水量明显减少,航运功能受到较大的制约。汉江在2015 年的年货运量仅3000 万吨,不到赣江的七分之一、湘江的五分之一,通航条件已不能适应现代航运发展的需要。

“为了解决这个问题,湖北从上世纪90 年代开始规划从丹江口往下的6 级水利枢纽建设,希望能提升恢复汉江‘黄金水道’的作用。”湖北省交通运输厅港航管理局局长王阳红告诉《新民周刊》记者。

这些水利枢纽的首要设计功能都是航运。工程完成后,区域内的航道等级得到提升。目前,王甫洲、崔家营、兴隆3 级枢纽已建成;雅口、碾盘山枢纽正在建设中;新集枢纽已完成前期工作,预计今年可正式开工。

已经建成的枢纽使得汉江钟祥以下至武汉的区域已达到千吨级通航标准,但目前襄阳到钟祥这一段只能保证五百吨级的通航,要实现千吨级通航,还要等待下游雅口和碾盘山两大枢纽的建设完成。

“千吨级航道” 对于襄阳的意义十分重大。“千帆秋水下襄阳”,这里自古以来就是交通要道、重要的水陆运输交换节点。特别是近年来,襄阳在汽车、机电等领域发展迅速,工业原材料和产品的进出对水运的依赖度很强,迫切需要一条高等级的航道来支撑经济的发展。

“水运在大宗货物的运输上有着明显的成本优势。” 王阳红介绍说,每吨公里水运成本为0.05 元;相比之下,铁路的这个数据为0.14 元,公路为0.5-1 元。汉江流域有谚语称:“货到武汉活”。如果2023 年,襄阳到武汉的千吨级航道全部打通,这段路程走水运的物流成本至少比目前走公路或公水联运降低35%以上。汉江千吨级航道的打通,预计将把运输成本在襄阳GDP 中的比重从目前的19% 降低到12%。

除了襄阳的工业产品,钟祥的磷矿石与江汉平原盛产的粮食、油料等大宗商品也将首选水运,通过武汉中转后通江达海。这将明显降低湖北省内企业的运输成本、推动当地经济社会发展。王阳红的希望是,汉江的货运量能够在千吨航道打通后达到每年亿吨的水平。

除了兴修水利枢纽,湖北还在荆州市和潜江市之间,兴建了中国现代最大的人工运河——引江济汉工程,以长江之水补给汉江下游。2014 年通水后,长江水由此汇入汉江,每年可补充汉江下游十多亿立方米水量。

“引江济汉” 的进水设计流量为350 立方米每秒,最大引水500 立方米每秒。

工程可基本解决南水北调中线一期工程调水95 亿立方米对汉江下游“水华” 的影响,解决东荆河的灌溉水源问题,并缓解中下游水量减少的矛盾。

引江济汉工程建成后,对工程沿线及汉江中下游地区的抗旱、防洪、航运、生态修复等方面发挥了积极作用。2017 年7月,湖北省持续晴热,面对特大旱情,从7 月1 日至8 月31 日,引江济汉工程累计引水14.6 亿立方米,相当于12 个东湖水量,500 万亩农田、百万群众从中受益。

2016 年7 月,面对汛期内长湖水位居高不下的状况,引江济汉工程在成功应对拾桥河、西荆河、殷家河等中小河流汛情的同时,两次为长湖撇洪1.1 亿立方米,相当于降低长湖最高洪水位0.4 米。今年7 月14 日,引江济汉工程再次为长湖撇洪。

在航运上,往返荆州和武汉的船舶,通过引江济汉工程河道直取汉江,航程可缩短200 多公里;而往返襄阳与荆州的航程则缩短600 多公里。

王阳红透露:水利专家正在论证再建一项“引江补汉”工程,从三峡库区引水补充到丹江口,以进一步增强汉江的航运等功能。

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