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启程:看一泓碧波如何潇洒自流

2014年12月13日00:47    来源:科技日报    手机看新闻
原标题:启程:看一泓碧波如何潇洒自流

  本报记者 陈 磊

  12日14时32分,随着渠首闸门打开,一渠清澈的长江水从丹江口水库启程,告别家乡奔流北上,开始漫长的神奇之旅。

  这一路1432公里的旅程,长江水跨过淮河流域、穿越黄河底部、立交海河水系,跋涉中原大地,流淌华北大平原,直抵京津……

  护送南水北上的,是数百个大中型水利建筑物组合而成的巨无霸工程,人们把它称为:南水北调中线工程。

  与京汉铁路并肩而行的,是纵贯华北大地的大动脉——连绵蜿蜒千余公里的输水主渠道。在这道波光潋滟的水线之上,镶嵌着一颗颗耀眼闪光的珍珠,有凌空飞架、彩虹般巨型渡槽,有神秘莫测、不见首尾的穿黄隧洞,有分布上百都市的栉比鳞次水闸,有时而钻入地下时而拱出地平线的倒虹吸,还有隐身潜行的低压暗涵。它们与主渠道构成线串珠、珠连线的恢弘水带,在北方广阔神州大地上铺展开来,令人叹为观止。

  1400年前,古人开凿过京杭大运河;今天,千里长渠,南水北上,抒写着新时代的科技奇迹。

  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。工程科技人员如何护送长江水闯关夺隘呢?且听我慢慢道来。

  中年大坝“加高增肥” 保证南水“自流北上”

  这次长途旅程的出发点是位于湖北与河南交界处的——丹江口水坝。丹江水清澈甘甜,水质良好,直接取水就能饮用。大坝要把她拦截至此,蓄势待发,顺着“水往低处流”的本性,潇潇洒洒流到北方。

  可是,问题马上就来了:1974年修建的大坝只有162米高,高度落差不满足调水要求。

  因此必须抬高水位,唯有让大坝“加高增肥”,给它“穿衣戴帽”,确保体态匀称、力挺万钧,将坝顶高程提升到176.6米,将正常蓄水位抬高到170米。由此新增库容116亿立方米,也就是增加一倍,实现水涨坝高,打造出伟岸坚实的高坝,托举起高位水库。

  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,世界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”。

  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。

  我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。新旧对接,坝体融合,天衣无缝。

  制伏膨胀土,攻克“水土不服”难题

  丹江水流出库北上,一路并不顺畅,最先流经河南南阳等地时,就出现了最大的麻烦:水土不服。

  她要穿越数百公里特殊的地段——膨胀土(岩)。膨胀土的怪异脾气不可捉摸,它秉性特殊——湿涨干缩,即遇水膨胀,失水收缩,极不稳定。

  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。

  护送长江水的总干渠穿越膨胀土(岩)渠段累计300余公里,约占总干渠长度的27%。于是,人们想出很多方法,如放缓边坡、重新换土回填等。把边坡的角度放缓就会占用太多耕地,涉及征地移民等社会问题;重新置换非膨胀土回填,会加大取土、弃土的高额转运成本。

  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”?

  首先要真正摸透它的脾气,取得精细数据,建立数学模型,以便对症施治。人们在现场原型渠道上设置了膨胀土(岩)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。

  科研人员最终在膨胀土(岩)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。

  长江水安然渡过了膨胀土地段,一路缓缓流淌,步伐轻盈,又遇到绕不开的煤矿采空区。人们从采空区上方钻孔回填,再一段一段灌浆,同时把保护渠道做成柔性结构,终于有惊无险地流过了这个地带。

  (本文采写过程中得到国务院南水北调办相关专家及南水北调中线干线工程建设管理局工程技术部部长庞敏等支持)

(来源:科技日报)



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