賈金生

中國水利水電工程發(fā)展綜述

賈金生

State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

a r t i c l e i n f o

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Received 13 April 2016

Revised form 15 August 2016

Accepted 22 August 2016

Available online 20 September 2016

大壩

江河治理

調(diào)水工程

抽水蓄能電站

地下洞室

生態(tài)保護(hù)

本文總結(jié)了中國水利水電工程的發(fā)展，并與國外的情況進(jìn)行了比較，對高壩建設(shè)安全保障、江河治理與非均勻不平衡輸沙理論、跨流域調(diào)水工程、巨型水電機組、抽水蓄能電站、地下洞室以及生態(tài)保護(hù)等方面的重大技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了闡述。?

2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 中國水利水電工程發(fā)展及與國外比較[1]

中國是水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家，在1949年之前的2000年里，全國范圍內(nèi)共發(fā)生過1092次洪災(zāi)、1056次旱災(zāi)。1920年華北大旱，餓死50多萬人；1931年長江洪災(zāi)，死亡14.5萬人。為確保防洪安全、供水安全，提升非化石能源占比，1949年以來中國修建了眾多的大壩、跨流域調(diào)水工程、抽水蓄能電站等。當(dāng)前中國每年的水災(zāi)損失一般低于國民經(jīng)濟總量的2 %。

大壩是水利水電發(fā)展最重要的標(biāo)志。歷史沒有明確記載第一座大壩何時產(chǎn)生，但公認(rèn)中國、印度、伊朗、埃及是最早建設(shè)大壩的國家。據(jù)記載，公元1000年以前壩高超過30 m的大壩只有3座，最高的是中國浮山堰土壩(壩高48 m)；1900年以前壩高超過30 m的大壩只有31座，最高的是法國Gouffre d’Enfer砌石重力拱壩(壩高60 m)。

1900年之后，世界各國大力發(fā)展水利水電。與國際比較，中國水利水電發(fā)展可分為四個階段。1900—1949年為第一階段，中國高于30 m以上的大壩只有21座，總庫容約2.8×1010m3，水電總裝機容量為5.4×105kW。當(dāng)時的中國水災(zāi)是心腹大患，基本是大雨大災(zāi)、小雨小災(zāi)、無雨旱災(zāi)，技術(shù)落后。第二階段從1949年新中國成立至1978年改革開放開始，這一時期中國是國際上修建水庫大壩最活躍的國家，30 m以上的大壩由21座增加到3651座，總庫容增加到約2.989×1011m3，水電總裝機容量增加到1.867×107kW，大壩建設(shè)的主要目的是防洪、灌溉等。由于受技術(shù)、投資等因素制約，雖然取得了很大的成就，但總體上與發(fā)達(dá)國家相比還比較落后。第三階段從改革開放開始至2000年，以二灘等特大型大壩建成為標(biāo)志，中國水利水電建設(shè)實現(xiàn)了質(zhì)的突破，由追趕世界水平到不少方面居于國際先進(jìn)和領(lǐng)先水平，很多工程經(jīng)受了1998年大洪水、2008年汶川大地震的嚴(yán)峻考驗。這一階段工程的突出特點是設(shè)計質(zhì)量高、施工速度快、安全性好，普遍達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。21世紀(jì)以來，以三峽、南水北調(diào)工程投入運行為標(biāo)志，中國進(jìn)入了自主創(chuàng)新、引領(lǐng)發(fā)展的第四階段，先后竣工的小灣、龍灘、水布埡、錦屏一級等工程，建設(shè)技術(shù)不斷刷新世界紀(jì)錄。這一階段中國更加關(guān)注巨型工程和超高壩的安全，注重環(huán)境保護(hù)，在很多領(lǐng)域居于國際引領(lǐng)地位，同時也全面參與國際水利水電建設(shè)市場，擁有一半以上的國際市場份額。

截至2014年，中國建成各類水庫9.8萬多座，總庫容為8.166×1011m3，達(dá)到全國河川年徑流量的29 %；農(nóng)田有效灌溉面積達(dá)6.9×107hm2，占世界的23 %；已建、在建壩高超過30 m的大壩6539座，占世界的43 %；已建水電總裝機容量超過3×108kW，占世界的 27 %；已建抽水蓄能電站總裝機容量達(dá)2.211×107kW，占世界的12 %；輸水干渠長度超過1.38×104km，水工隧洞長度超過1×104km。中國已成為世界上水庫大壩數(shù)量最多、農(nóng)田灌溉面積最大、水電總裝機容量最大、調(diào)水工程里程最長的國家，與國際情況的比較見圖1、圖2及表1至表3。

中國建設(shè)了世界上最多的水利水電工程，也采取了最嚴(yán)格的水資源管理制度，要求以水定城、以水定產(chǎn)，但由于人口眾多、水資源時空分布不均，與發(fā)達(dá)國家比，依然需繼續(xù)推進(jìn)工程建設(shè)?；诩s100個國家的數(shù)據(jù)，比較了水資源開發(fā)度與人類發(fā)展指數(shù)(HDI)的相關(guān)關(guān)系(圖3、圖4)，HDI是衡量一個國家綜合國力的重要指標(biāo)。由此可見發(fā)達(dá)國家人類發(fā)展指數(shù)高(預(yù)期壽命、教育水平、人均GDP)，對應(yīng)的水資源開發(fā)度一般也高。2014年中國人類發(fā)展指數(shù)為0.727，水電開發(fā)度為52%，人均庫容約600 m，基本符合較發(fā)達(dá)的發(fā)展中國家的指標(biāo)，說明中國的水庫和水電建設(shè)與國民經(jīng)濟社會發(fā)展的水平總體是協(xié)調(diào)的。

2.壩建設(shè)安全保障技術(shù)

中國土石壩、重力壩、拱壩、膠結(jié)顆粒料壩發(fā)展在文獻(xiàn)[1–4]中已有詳述，在高壩建設(shè)中，中國特別關(guān)注安全，發(fā)展了很多新理念、新技術(shù)。

圖1.世界主要國家壩高30 m以上大壩的數(shù)量。

圖2.世界主要國家的抽水蓄能裝機容量。

表1.界壩高前10名大壩

表2.界庫容前10名水庫

表3.界裝機容量前10名的工程

圖3.水電開發(fā)度與人類發(fā)展指數(shù)的關(guān)系。

圖4.人均庫容與人類發(fā)展指數(shù)的關(guān)系。

2.1.高混凝土壩的真實性態(tài)仿真、抗高壓水劈裂與材料配制[1]

混凝土壩是世界高壩建設(shè)的主要壩型之一，在200 m以上的高壩中，其占比超過60 %，在中國占比為56 %。為開發(fā)水資源，全球還將修建一系列高混凝土壩，因此保障高壩安全意義重大。

20世紀(jì)高混凝土壩的發(fā)展取得了巨大的成功，同時也有慘痛教訓(xùn)。胡佛、英古力、大迪克遜、伊泰普等高混凝土壩建設(shè)成績卓著，引領(lǐng)了高混凝土壩的發(fā)展。奧地利科恩布萊恩(圖5)、美國德沃夏克、前蘇聯(lián)薩揚舒申斯克等高壩都發(fā)生過嚴(yán)重開裂漏水，修補加固費用巨大；法國馬爾帕塞拱壩因壩肩失穩(wěn)發(fā)生潰決，給生命、財產(chǎn)帶來巨大損失；中國也有高混凝土壩發(fā)生嚴(yán)重裂縫、高壓水劈裂等影響安全的實例。眾多事故表明，傳統(tǒng)計算方法和建設(shè)技術(shù)難以滿足高混凝土壩安全建設(shè)的需要，主要表現(xiàn)為：①傳統(tǒng)方法算出的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定與真實情況差別大，大壩性態(tài)預(yù)測誤差大；②大壩材料的高強度與高抗裂之間矛盾突出，采用傳統(tǒng)方法配制難以兼顧；③高混凝土壩高壓水劈裂風(fēng)險高、劈裂后危害嚴(yán)重。

為實現(xiàn)大壩“性態(tài)可預(yù)測、安全可控制”，基于對國內(nèi)外已建15座典型拱壩應(yīng)力、開裂范圍的分析，提出了適用于300 m級特高壩的有限元等效應(yīng)力方法和應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，提出了變形體時程動態(tài)穩(wěn)定分析方法，采用改進(jìn)的動接觸力模型模擬壩基巖體各滑裂面在靜力和地震作用下張開、黏著、滑移的非線性力學(xué)行為，提出了局部變形累積達(dá)到臨界狀態(tài)、控制性位移出現(xiàn)拐點這一新的定量評價準(zhǔn)則，建立了大壩穩(wěn)定和大壩極限抗震能力評價新體系。傳統(tǒng)方法預(yù)測大壩性態(tài)時誤差大，位移預(yù)測值與觀測結(jié)果相差普遍大于30 %，壩踵應(yīng)力狀態(tài)有時與觀測值相反，難以準(zhǔn)確評估大壩的安全性態(tài)。提出了高混凝土壩后期溫升模型，創(chuàng)立了多縫大壩高效迭代模型和排水孔幕模擬的夾層代孔列模型，實現(xiàn)了混凝土壩澆筑、灌漿、蓄水運行，到老化、劣化的建設(shè)運行全過程模擬，顯著提高了大壩性態(tài)預(yù)測精度。小灣、錦屏一級、大崗山等特高拱壩初期蓄水至正常蓄水位時最大變形預(yù)測值(3個月)與監(jiān)測值的誤差分別為0.9 %、0.1 % 和2.2 %，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法計算值與監(jiān)測值的誤差(分別為36.6 %、76.1 %、36.4 %)。

圖5.科恩布萊恩拱壩事故與加固。

為實現(xiàn)抗高壓水劈裂，發(fā)明了全級配混凝土高壓水劈裂模擬試驗方法和裝置，論證得出按無拉應(yīng)力準(zhǔn)則與按有壓應(yīng)力準(zhǔn)則設(shè)計200 m以上特高重力壩時都存在高壓水劈裂風(fēng)險，提出了抗高壓水劈裂的設(shè)計方法和準(zhǔn)則。發(fā)明了高混凝土壩面柔性防滲和壩前自反濾防滲結(jié)構(gòu)，發(fā)明了仿真試驗裝置，證明了在300 m水頭作用下壩踵混凝土裂縫張開不超過8 mm時可防止高壓水劈裂。提出的柔性防滲和壩前自反濾結(jié)構(gòu)與加設(shè)護(hù)坦相比更可靠。

美國胡佛大壩采用低熱硅酸鹽水泥，每立方米混凝土成本較三峽高30 %以上，難以仿用。為保障“千年大計”的三峽工程及200 m以上高混凝土壩的安全建設(shè)，發(fā)現(xiàn)了多元膠凝粉體的緊密堆積和復(fù)合膠凝效應(yīng)，提出配制高壩混凝土的新方法，解決了傳統(tǒng)方法配制混凝土?xí)r高強度與高抗裂難以兼顧的難題，開啟了高壩工程大規(guī)模使用I級粉煤灰、石灰石粉摻合料的先例。應(yīng)用于三峽三期的4×106m3混凝土，抗裂系數(shù)提升13.1 %～50.0 %。從圖6可見當(dāng)超細(xì)粉(MF)含量達(dá)到膠凝粉體20 %～40 %時可減少漿體用水量12 %，從而可大幅度降低混凝土用水量和膠凝材料用量。

2.2.面板堆石壩變形協(xié)調(diào)控制與動態(tài)穩(wěn)定止水設(shè)計[1]

現(xiàn)代面板堆石壩建設(shè)自1965年開始，以Cooke為代表，強調(diào)依據(jù)經(jīng)驗設(shè)計、小噸位振動碾薄層碾壓施工。中國在20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)現(xiàn)代面板堆石壩技術(shù)，并在之后的發(fā)展中結(jié)合控制面板結(jié)構(gòu)性裂縫，中國和巴西專家提出大壩變形控制的理念并將其應(yīng)用于水布埡、洪家渡等工程。中國提出了孔隙率控制的嚴(yán)格指標(biāo)，采用更大激振力的碾壓設(shè)備，將堆石料的孔隙率控制在19 %～20 %，大壩最大沉降變形控制在1 %壩高，具體見表4。Pinto認(rèn)為提高堆石體壓縮模量E對減小面板壓應(yīng)變是最有效的，并建立了堆石壩體變形模量E/(γH)與河谷形狀因數(shù)A/H2的關(guān)系(圖7)。上述認(rèn)識和實踐促進(jìn)了面板堆石壩的發(fā)展。

圖6.標(biāo)準(zhǔn)稠度相對用水量試驗結(jié)果。

在Pinto的原圖基礎(chǔ)上，補充了水布埡等10座面板堆石壩工程，可見水布埡、巴貢等面板堆石壩并不符合Pinto結(jié)論，即單獨控制堆石體變形也不盡科學(xué)，需要既控制堆石體變形總量，又控制各部位變形的協(xié)調(diào)才是合理的辦法。結(jié)合巴貢面板堆石壩等工程建設(shè)，提出了變形協(xié)調(diào)設(shè)計新理念，建立了變形協(xié)調(diào)的準(zhǔn)則、判別標(biāo)準(zhǔn)和變形安全設(shè)計計算方法，按新、老理念設(shè)計的典型工程的運行情況見表4。

表4.內(nèi)外典型高面板堆石壩的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

高面板堆石壩在早期發(fā)展過程中一直存在周邊縫破壞漏水問題，結(jié)合水布埡面板堆石壩建設(shè)，研究提出了新的止水結(jié)構(gòu)，后來歸納提出了動態(tài)穩(wěn)定止水設(shè)計理念。其基本要求是在300 m高水壓下，止水結(jié)構(gòu)可以承受三向大變位作用，通過動態(tài)自調(diào)整形成穩(wěn)定止水體系，即新的止水結(jié)構(gòu)既可在正常設(shè)計工況下實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定止水，又可在非常情況下依靠具有流動止水功能的新材料彌補止水系統(tǒng)的缺陷。新止水設(shè)計與國外常規(guī)止水設(shè)計工程的運行效果見表5。運用面板綜合滲透系數(shù)法建立了面板堆石壩滲漏評價方法，基于國內(nèi)外67座面板堆石壩工程監(jiān)測結(jié)果得到圖8，水布埡、洪家渡等工程均居于優(yōu)質(zhì)區(qū)。

圖7.堆石壩體變形模量與河谷形狀因數(shù)關(guān)系。

2.3.高壩抗震安全[1,5]

在胡佛拱壩論證中，美國墾務(wù)局開發(fā)了試載法，按擬靜力法考慮0.1g的地震加速度進(jìn)行抗震設(shè)防。后續(xù)的進(jìn)展包括以試載法為基礎(chǔ)的拱壩動力特性及動力反應(yīng)分析等。中國在強震區(qū)建設(shè)200 m以上高壩，設(shè)計地震加速度值普遍較大，如小灣拱壩為0. 308g、溪洛渡拱壩為0. 357g、大崗山拱壩為0. 5575g(目前世界混凝土壩中最高設(shè)計值)。以陳厚群、張楚漢、林皋院士為代表的團(tuán)隊，開發(fā)建立了系統(tǒng)的混凝土大壩抗震安全分析方法，主要包括地震動輸入、結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)、結(jié)構(gòu)抗力分析。

表5.水效果的國內(nèi)外對比

圖8.面板綜合滲透系數(shù)的累積概率曲線。

采用隨機有限斷層法以面源破裂過程來考慮近場大震的地震動輸入特性，采用與地震動加速度反應(yīng)譜對應(yīng)的“有效峰值加速度”(EPA)作為表征地震作用強度的主要抗震設(shè)計參數(shù)，概率法與確定性方法相結(jié)合，由設(shè)定地震確定設(shè)計地震反應(yīng)譜。

提出了壩體與地基耦合的變形體時程動態(tài)穩(wěn)定分析方法，提出了局部變形累積達(dá)到臨界狀態(tài)、控制點位移出現(xiàn)突變這一新的定量評價準(zhǔn)則，建立了大壩整體穩(wěn)定和大壩極限抗震能力評價體系，創(chuàng)建了高壩并行計算技術(shù)、開發(fā)了并行計算軟件，建立了大型三向六自由度地震模擬振動臺。

提出了同時考慮殘余變形與剛度降低的混凝土損傷模型，引入“視彈性模量”(圖9)和“視損傷因子”建立混凝土動態(tài)損傷本構(gòu)關(guān)系[式(1)]，并應(yīng)用于對經(jīng)受汶川地震考驗的沙牌拱壩進(jìn)行震情檢驗。

在2008年的汶川地震中，沙牌拱壩、紫平鋪面板堆石壩等4座100 m以上高壩經(jīng)歷了強震考驗，大壩整體穩(wěn)定。

圖9.視彈性模量E–的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系。

2.4.高壩泄洪消能[1]

中國的小灣、二灘、小浪底等大型工程，水頭高、流量大、河谷狹窄、地形地質(zhì)條件復(fù)雜，其泄洪水力學(xué)指標(biāo)如水頭、泄量、泄洪功率等達(dá)到了世界之最，泄洪消能難度很大。

針對高拱壩泄洪消能防沖難題，提出了“多種設(shè)施，分散泄洪；雙層多孔，水流撞擊；分區(qū)消能，按需防護(hù)”的原則和思路，最初在二灘水電站成功應(yīng)用。此后，隨著中國建壩技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，大壩的泄洪消能技術(shù)參數(shù)進(jìn)一步突破，見表6。這些工程均采用“壩身孔口+泄洪洞泄洪+水墊塘消能的二灘模式”，較好解決了高壩泄洪消能問題，已完建工程均運行良好。

基于“縱向擴散，空中摩擦摻氣消能”理念，發(fā)展了窄縫消能技術(shù)，成功解決了一批“窄河谷、高壩、大泄量”大型工程的泄洪消能難題。對窄縫消能工進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了窄縫消能工的應(yīng)用條件、設(shè)計步驟和消能特性，在龍羊峽、拉西瓦等大型工程上得到成功應(yīng)用。

為解決高水頭、大單寬流量、低佛氏數(shù)泄洪消能難題，發(fā)明了寬尾墩消力池聯(lián)合消能工，應(yīng)用在景洪、五強溪等多個工程。景洪最大壩高108 m，最大單寬流量為331 m3·s–1，是迄今為止寬尾墩消力池聯(lián)合消能工應(yīng)用的最高水平。此外，發(fā)展了孔板消能工、旋流消能工等多種形式的內(nèi)消能工技術(shù)，解決了導(dǎo)流洞改建泄洪洞的水流銜接問題，同時無挑流霧化對環(huán)境的不利影響，成功應(yīng)用于小浪底、公伯峽等工程。

深山峽谷區(qū)的地形地質(zhì)條件往往給水電站泄洪洞的布置帶來困難，研究提出的“龍落尾”泄洪洞布置思路和泄洪洞摻氣減蝕技術(shù)可將高速水流空蝕破壞的風(fēng)險顯著降低，已在溪洛渡、錦屏一級等工程中得到成功運用。

表6.內(nèi)外部分高拱壩壩身泄洪水力學(xué)指標(biāo)

3.江河治理與非均勻不平衡輸沙理論[6,7]

中國黃河、長江世界著名，但治理最為困難。圖10比較了國際典型河流的比降。以黃河為例，1949年以前，是百年一改道、三年兩決口的河流，給人民帶來了深重的災(zāi)難。黃河四季流量變化大、泥沙含量多，水庫淤積問題嚴(yán)重。黃河年輸沙量1.6×109t，為亞馬遜河年輸沙量9×108t的1.8倍，多年平均含沙量達(dá)35 kg·m–3，為亞馬孫河的210倍。1992年調(diào)查表明黃河流域已有超過20 %的水庫庫容被淤損。對此，采用“蓄清排渾”“異重流排沙”等方法，實現(xiàn)了“不淤高、不決口、不斷流、水質(zhì)不惡化”的黃河治理目標(biāo)。

黃河因含沙量高，河道淤積嚴(yán)重，其下游已經(jīng)成為高懸于黃淮海平原之上的地上懸河。為應(yīng)對黃河水沙災(zāi)害問題，胡春宏等提出了全河角度的空間優(yōu)化配置總體框架，構(gòu)建了黃河泥沙空間優(yōu)化配置的理論與模型。有關(guān)管理部門提出了“基于小浪底水庫單庫調(diào)節(jié)為主、空間尺度水沙對接、干流水庫群水沙聯(lián)合調(diào)度”等調(diào)水調(diào)沙模式，形成了調(diào)水調(diào)沙理論及指標(biāo)體系。

圖10.國際典型河流的比降對比。

韓其為等創(chuàng)立了非均勻不平衡輸沙理論，闡明了泥沙運動的非均勻沙、不平衡輸移機理，解決了以長江三峽、黃河小浪底為代表的大型水庫淤積及下游河道沖刷預(yù)測等難題，成功地將泥沙運動由定性描述上升為定量模擬。該理論的先進(jìn)性涵蓋以下幾個方面：建立了非均勻不平衡輸沙理論系列表達(dá)式，其中非均勻懸移質(zhì)含沙量的沿程變化可表示為式(2)；揭示并證實了粗細(xì)泥沙交換是沖積河流河道演變的普遍規(guī)律；導(dǎo)出了平衡與不平衡條件下恢復(fù)飽和系數(shù)的表達(dá)式；建立了統(tǒng)計理論挾沙能力的理論體系；導(dǎo)出了豎向與縱向速度不同相關(guān)的泥沙轉(zhuǎn)移與狀態(tài)概率，提出了基于床面泥沙交換強度的擴散方程普適邊界條件。近年來，非均勻不平衡輸沙理論被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外重要模型及工程實踐中，發(fā)揮了重要作用。

4.跨流域調(diào)水工程[1,8]

為保障可持續(xù)發(fā)展，長距離跨流域調(diào)水常是解決水資源短缺和優(yōu)化水資源配置的必然選擇。據(jù)統(tǒng)計，全球已有40多個國家和地區(qū)建成了350余項調(diào)水工程。中國已建、擬建大中型調(diào)水工程近50項，年調(diào)水量逾9×1010m3。南水北調(diào)工程(圖11)預(yù)計年調(diào)水總量為4.48×1010m3，其中，東線1.48×1010m3、中線1.3×1010m3、西線1.7×1010m3，已建東線一期工程干線全長1467 km、中線一期工程干線全長1432 km，在調(diào)水距離、影響人口、工程復(fù)雜性和安全控制難度等多方面均居世界之最。

長距離調(diào)水工程難題主要包括：①不同時空尺度與不同要素過程的水循環(huán)模擬；②多水源、多目標(biāo)、多主體的群決策與風(fēng)險調(diào)度；③復(fù)雜巨系統(tǒng)安全高效運行水力控制。中國學(xué)者針對難題取得了多項進(jìn)展和突破。

構(gòu)建了考慮人類活動影響的分布式水文模型，提高了水文模擬對不同氣候、下墊面條件、人類活動的適應(yīng)性；提出了水庫系統(tǒng)的經(jīng)濟特性與調(diào)度決策原理，開發(fā)了三種基于單調(diào)性的改進(jìn)動態(tài)規(guī)劃算法，計算效率比傳統(tǒng)算法提高一個數(shù)量級；建立了水庫調(diào)度規(guī)則多目標(biāo)群決策優(yōu)化技術(shù)，成功應(yīng)用于南水北調(diào)中線丹江口水庫。

在輸水系統(tǒng)多約束、多相、多過程耦合模擬方面，提出了輸水明渠關(guān)鍵水力參數(shù)系統(tǒng)辨識模型與輸水系統(tǒng)復(fù)雜多相流數(shù)值仿真理論方法，成功應(yīng)用于南水北調(diào)中線工程。

提出了渠道糙率系統(tǒng)辨識公式，見式(3)。該公式為論證中國長距離輸水工程的輸水能力提供了理論基礎(chǔ)，國際上現(xiàn)有的Einstein公式、Belokon-Sabaneev公式、Larsen公式均是封凍渠道綜合糙率公式的特例。

式中，n為渠底糙率；R為渠道水力半徑；nc為渠道綜合糙率；ni為冰蓋糙率；β為濕周比；a為冰封率。

創(chuàng)建了復(fù)雜輸水系統(tǒng)水力調(diào)控頻域分析理論及閘門群優(yōu)化控制技術(shù)，提出了“粗調(diào)”“細(xì)調(diào)”與“協(xié)調(diào)”作用有機銜接的長距離復(fù)雜輸水系統(tǒng)閘門群集散控制模式，設(shè)計了閘門群控制算法。

在調(diào)水系統(tǒng)常態(tài)應(yīng)急態(tài)水力控制技術(shù)方面，開發(fā)了長距離輸水系統(tǒng)水力控制新技術(shù)，有效解決了高中水頭、長距離、大流量有壓管道輸水工程水擊控制難題；建立了長距離輸水系統(tǒng)冰情預(yù)測、冰害防治與冰期運行控制技術(shù)，成功應(yīng)用于引黃濟津工程、南水北調(diào)中線工程等。

圖11.南水北調(diào)工程總體布局圖

在長距離調(diào)水工程中，深埋長隧洞在克服高山峽谷等地形障礙、縮短空間距離等方面具有不可替代的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國長度在5 km以上的新建成和在建跨流域調(diào)水輸水隧洞工程共22座，其中，大伙房一期工程輸水隧洞單洞長85 km，是目前世界上已建的最長隧洞。目前，中國的以新奧法(New Austrian Tunneling Method， NATM)為核心的深埋長隧洞修建技術(shù)在許多方面已達(dá)到了世界先進(jìn)水平，施工地質(zhì)災(zāi)害的超前預(yù)報及其控制技術(shù)正在逐漸走向成熟，特別是研制出擁有核心技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)的全斷面巖石掘進(jìn)機(TBM，圖12)及配套的流程化施工方法，在南水北調(diào)中線穿黃隧洞、引漢濟渭穿秦嶺隧洞等多個工程中獲得了成功應(yīng)用。

5.巨型水電機組與抽水蓄能電站[1]

中國巨型水電站的大規(guī)模建設(shè)驅(qū)動了巨型水電設(shè)備發(fā)展。1949—1978年，中國水電設(shè)備工業(yè)由小到大取得長足發(fā)展，自主研制生產(chǎn)了混流式、轉(zhuǎn)槳式、沖擊式水輪發(fā)電機組。1978年后，水電裝備水平不斷邁向新高度，劉家峽、龍羊峽、巖灘電站等采用的單機容量達(dá)到了300 MW級，李家峽單機容量為400 MW，二灘單機容量為550 MW。以三峽工程為代表，采用了“引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新”的發(fā)展思路，中國大型水電裝備制造業(yè)的常規(guī)水輪發(fā)電機組設(shè)計制造能力迅速提升至700 MW級。三峽和龍灘機組共30多臺，單機容量達(dá)到700 MW；溪洛渡、向家壩和在建的白鶴灘、烏東德等電站，單機容量更是達(dá)到700～1000 MW。在三峽右岸電站水電機組的研制中，哈爾濱電氣集團(tuán)公司通過采取優(yōu)化定子線圈換位方式與定子機座結(jié)構(gòu)形式、合理選擇定子鐵心材料及優(yōu)化設(shè)計冷卻系統(tǒng)等技術(shù)措施，自主開發(fā)了當(dāng)時世界上單機容量最大的840 MW全空冷技術(shù)水輪發(fā)電機。東方電氣集團(tuán)有限公司也為三峽地下電站研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、世界上單機容量最大的840 MW蒸發(fā)冷卻水輪發(fā)電機組。目前，中國企業(yè)設(shè)計制造的800 MW級水輪發(fā)電機組已投入運行，1000 MW級機組正在研制當(dāng)中。

圖12.中國自主研制的8.03 m直徑全斷面巖石掘進(jìn)機(TBM)。

通過寶泉、惠州和白蓮河三個蓄能電站機組制造統(tǒng)一招標(biāo)和技貿(mào)結(jié)合引進(jìn)技術(shù)，依托后續(xù)的黑糜峰、蒲石河等抽水蓄能電站機組的消化吸收，抽水蓄能機組設(shè)備國產(chǎn)化的步伐大大加快。目前，中國已形成300 MW級及以上抽水蓄能機組關(guān)鍵核心技術(shù)。從2007年開始，陸續(xù)設(shè)計、制造了響水澗、清遠(yuǎn)、仙游等抽水蓄能電站的機電設(shè)備。

中國建設(shè)了高精度水力機械模型試驗臺，表7列出了試驗臺與世界各國的比較。試驗臺建設(shè)為開發(fā)優(yōu)秀水力機械模型打下了基礎(chǔ)，同時進(jìn)行了大型水電站、抽水蓄能電站同臺對比試驗，為科學(xué)評標(biāo)提供平臺。

中國抽水蓄能電站建設(shè)起步晚、發(fā)展快、未來需求大。2014年已建總裝機容量達(dá)2.211×107kW，居世界第三，約占全國電力總裝機容量的2 %，尚低于發(fā)達(dá)國家約5 %的水平，預(yù)計2030年裝機為1.2×108kW。除機組技術(shù)進(jìn)展外，在全池防滲、高壓引水隧洞輸水、廠房抗振等方面也取得了創(chuàng)新成果。

提出了瀝青和混凝土面板全池防滲耐久性定量設(shè)計理念，建立了室內(nèi)、外老化對應(yīng)關(guān)系，開發(fā)的改性瀝青抗凍斷溫度可達(dá)–45℃，為世界最低；提出了防滲層瀝青混凝土抗低溫凍斷、抗高溫流淌的設(shè)計方法。提出了超高壓輸水隧洞鋼襯與非鋼襯的判據(jù)，提出了15 MPa超高壓灌漿工藝與施工新技術(shù)；提出了廠房抗振動力學(xué)模態(tài)分析方法，實現(xiàn)了全過程共振頻率、振動位移“雙控制”。上述這些技術(shù)在天荒坪、呼和浩特等蓄能電站成功應(yīng)用，取得了良好的效果。

6.地下洞室[1]

21世紀(jì)以來，中國的水電開發(fā)逐漸向水能資源豐富的西南高山峽谷地區(qū)轉(zhuǎn)移，地下水電站在數(shù)量和規(guī)模上都有重大突破。三峽、二灘等電站的地下廠房主體洞室高跨比達(dá)到2.13～2.67，大大突破原有錨噴支護(hù)地下洞室高跨比(0.8～1.2)的一般經(jīng)驗范圍；龍灘、溪洛渡、向家壩等電站的地下廠房跨度均已超過30 m，最大單機容量達(dá)700～800 MW，在建的白鶴灘水電站單機容量向1000 MW邁進(jìn)。這些地下廠房涉及的地下洞室群規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提出了一系列需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，促進(jìn)了中國地下洞室群設(shè)計水平和施工技術(shù)的迅猛發(fā)展。

地下洞室建設(shè)實施以新奧法理論為基礎(chǔ)的動態(tài)設(shè)計原則，強調(diào)設(shè)計、施工和監(jiān)測三位一體，根據(jù)監(jiān)測反饋分析的成果及時優(yōu)化開挖支護(hù)設(shè)計參數(shù)、采取合適支護(hù)措施，確保了施工期的圍巖穩(wěn)定和安全。施工技術(shù)不斷向集成創(chuàng)新方面轉(zhuǎn)變，覆蓋了施工的各個環(huán)節(jié)，例如，①測量技術(shù)的發(fā)展、鉆孔精度和輪廓爆破技術(shù)的提高，使開挖質(zhì)量近乎完美；②鋼纖維和聚丙烯微纖維噴混凝土的應(yīng)用以及巖土錨固技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合分層分塊的優(yōu)選及預(yù)加固技術(shù)，使得在不良地質(zhì)條件下的大洞室開挖穩(wěn)定技術(shù)更加成熟；③反井鉆機和開敞式TBM掘進(jìn)機的應(yīng)用及滑模技術(shù)的完善，實現(xiàn)了長斜井和深豎井的快速施工；④高效通風(fēng)機的研制及通風(fēng)方法研究，解決了復(fù)雜洞群的通風(fēng)散煙難題；⑤“平面多工序，立體多層次”工法的廣泛推廣，極大地提高了地下洞室群的施工速度。

表7.驗臺參數(shù)比較表

7.生態(tài)保護(hù)[1,9]

中國的水利水電建設(shè)越來越高度關(guān)注生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究與實踐，在水庫生態(tài)調(diào)度、大壩分層取水、珍稀魚類保護(hù)等多個方面采取了最為嚴(yán)格的措施，取得了較好的成效。

近年來中國在水庫生態(tài)調(diào)度的理論研究和實踐應(yīng)用取得了豐富成果和長足進(jìn)步。水庫生態(tài)調(diào)度目標(biāo)已經(jīng)從單一物種或種群發(fā)展到整體生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)調(diào)度控制對象由單一水庫調(diào)度，發(fā)展到梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度；生態(tài)調(diào)度影響范圍由一段河道、河流，發(fā)展到覆蓋整個流域；生態(tài)調(diào)度時段由針對目標(biāo)保護(hù)物種的生態(tài)關(guān)鍵期發(fā)展到全年期，甚至考慮預(yù)報因素的中長期調(diào)度。在上述基礎(chǔ)上，王浩院士開展了面向生態(tài)的流域綜合調(diào)度研究，構(gòu)建了流域生態(tài)調(diào)度理論技術(shù)體系。1999年以來，黃河流域?qū)嵭腥饔蚪y(tǒng)一調(diào)度，三門峽、小浪底和萬家寨多次實施聯(lián)合調(diào)度，保證了河流的基本生態(tài)流量，避免了黃河干流斷流，恢復(fù)了河口和下游的生態(tài)。此外，通過水庫生態(tài)調(diào)度，還成功實施了珠江補淡壓咸、引岳濟淀等應(yīng)急調(diào)水工程，修復(fù)了河流生態(tài)，維護(hù)了河流健康。

中國20世紀(jì)60年代在借鑒美國、日本等國的多層式、豎井式取水口等型式的基礎(chǔ)上，為解決水庫下泄低溫水問題修建了一些分層取水結(jié)構(gòu)。21世紀(jì)以來，在200 m、300 m級特高壩建設(shè)中，進(jìn)一步發(fā)展和提出了以疊梁門為代表的分層取水布置技術(shù)，解決了高壩大庫分層取水進(jìn)水口的水溫控制及安全運行等難題，并已在錦屏一級、溪洛渡、糯扎渡、光照等大型水電站中成功運用。其中，錦屏一級壩高305 m，電站運行水位變幅達(dá)80 m，單機引水流量為350 m3·s–1，分層取水設(shè)施的運行水頭、流量等規(guī)模居世界前列。

圍繞中華鱘自然及人工種群的保護(hù)，中國學(xué)者在中華鱘繁育技術(shù)、中華鱘物種保護(hù)技術(shù)、中華鱘自然種群動態(tài)及洄游運動規(guī)律研究等方面取得了突出進(jìn)展，目前已經(jīng)累計向長江、珠江等放流中華鱘500萬尾，為中華鱘自然種群資源的維持及保護(hù)提供了重要保障。

對保護(hù)魚類有需求的水利水電工程，必須建設(shè)魚類過壩設(shè)施，中國已經(jīng)研究并制定了《水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則》。目前在建的珠江大藤峽、江西峽江、西藏拉洛等水利工程上都建有魚道。另外，為了滿足水利水電工程下游生態(tài)需水要求，目前設(shè)計的所有水利水電工程都專門設(shè)置了生態(tài)放水孔洞，以保障工程從施工到運行全過程能泄放下游生態(tài)流量。

8.結(jié)語

未來中國的水利水電建設(shè)將向西部轉(zhuǎn)移，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境更加脆弱，工程建設(shè)面臨更大的挑戰(zhàn)。但我們相信，基于已有成果和不斷創(chuàng)新，中國的水利水電建設(shè)技術(shù)必將實現(xiàn)新的跨越，為世界水利水電發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 302–312

Jinsheng Jia. A Technical Review of Hydro-Project Development in China. Engineering,http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.008