全面提升特大水利樞紐長期運(yùn)行的安全性和效益

練繼建

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”

全面提升特大水利樞紐長期運(yùn)行的安全性和效益

練繼建

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

我國水利水電建設(shè)已取得舉世矚目的成就。特別是長江流域作為我國水資源配置和可再生能源發(fā)展的戰(zhàn)略要地，其水電可開發(fā)量2.44億kW，約占全國的40%，干支流上已建或規(guī)劃建設(shè)水利樞紐80余座，其中特大水利樞紐近20座，已經(jīng)形成了世界上規(guī)模最大的特大水利樞紐群。這些特大水利樞紐具有泄洪流量大、運(yùn)行水頭高、裝機(jī)容量大、地質(zhì)地形條件復(fù)雜的特點(diǎn)，其防洪、發(fā)電、航運(yùn)運(yùn)行調(diào)控的復(fù)雜性和安全運(yùn)行保障的技術(shù)難度居世界之最。世界各國水利樞紐在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重破壞或失事的事例屢見不鮮，如俄羅斯薩揚(yáng)舒申斯克、意大利瓦依昂、法國馬爾帕塞等的嚴(yán)重破壞是極其深刻的啟示。造成這些工程破壞或失事的原因主要是由于對高速水流、高壓瞬變流、高水頭滲流巨大破壞作用、水力致災(zāi)機(jī)理和耦聯(lián)災(zāi)變規(guī)律認(rèn)識不清、研究不足，加之對樞紐運(yùn)行安全運(yùn)行實(shí)時(shí)測控的能力不足，尚缺乏樞紐泄洪、發(fā)電、通航等實(shí)時(shí)精細(xì)運(yùn)行調(diào)控技術(shù)等。隨著越來越多的特大水利樞紐建成和投入運(yùn)行，發(fā)揮的效益越來越大，因此對樞紐調(diào)控與安全運(yùn)行技術(shù)的需求越來越迫切，急需加強(qiáng)這方面的研究。

國家十三五規(guī)劃“水資源高效利用”重點(diǎn)專項(xiàng)明確提出急需加強(qiáng)“重大水利工程建設(shè)與安全運(yùn)行”方面的研究，以滿足特大水利樞紐長期安全運(yùn)行的重大需求。針對“長江水利水電水運(yùn)關(guān)鍵問題”，由天津大學(xué)牽頭，南京水利水電科學(xué)院、長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司、中國水利水電科學(xué)研究院、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司、長江水利委員會長江科學(xué)院、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等18家國內(nèi)一流的科研、設(shè)計(jì)和工程單位，聯(lián)合申報(bào)的“長江上中游特大水利樞紐調(diào)控與安全運(yùn)行技術(shù)研究”項(xiàng)目，已經(jīng)獲批立項(xiàng)。

我國水利樞紐安全運(yùn)行研究當(dāng)前所面臨的問題及亟待研究的方向?yàn)椋旱谝?，世界各國水利樞紐運(yùn)行中有近1/3 泄水工程遭受不同程度的破壞，我國高壩泄流工程其單寬泄洪消能功率高出國外同規(guī)模工程3～10 倍，高速水流產(chǎn)生的消能防沖、霧化、振動、空蝕、次聲波危害十分突出，當(dāng)前對通過樞紐運(yùn)行調(diào)控來提升泄洪安全性的研究較少，以往對洪水應(yīng)急調(diào)控的研究多是針對洪量的調(diào)控，沒有考慮樞紐運(yùn)行安全的約束，還需加強(qiáng)對滿足多安全約束的樞紐群洪水調(diào)控技術(shù)的研究；第二，水力發(fā)電系統(tǒng)安全問題被學(xué)術(shù)界和工程界忽視，以往研究未充分考慮“水力—機(jī)電—結(jié)構(gòu)”非線性耦聯(lián)動力特性影響，缺乏有效模擬預(yù)測系統(tǒng)水力共振的評價(jià)預(yù)警方法，為了實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的同步提升，亟待提出一套水力發(fā)電系統(tǒng)耦聯(lián)動力安全及智能運(yùn)行技術(shù)；第三，我國長江中上游河流狹窄、比降大，樞紐調(diào)控引起的水位變幅大，易帶來嚴(yán)重的航運(yùn)安全隱患，通航安全問題技術(shù)難度遠(yuǎn)高于國外，亟待提出一套水利樞紐發(fā)電—泄洪—通航等多維動態(tài)優(yōu)化調(diào)控和安全運(yùn)行技術(shù)；第四，以往對復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下高壩結(jié)構(gòu)工作性態(tài)響應(yīng)和庫岸長期安全穩(wěn)定運(yùn)行研究仍顯不足，需要加強(qiáng)；另外，目前樞紐安全（特別是水力安全）監(jiān)測儀器裝備和方法落后，遠(yuǎn)不能滿足樞紐實(shí)時(shí)調(diào)控和工程長期運(yùn)行安全監(jiān)控的要求，急需有新的突破。以上幾個方面國外沒有成功經(jīng)驗(yàn)可以直接借鑒，均需要我們通過自主創(chuàng)新來解決這些問題。

圖2 水利工程運(yùn)行破壞工程實(shí)例

“長江上中游特大水利樞紐調(diào)控與安全運(yùn)行技術(shù)研究”項(xiàng)目，擬解決的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)主要包括：研究高速水流、高壓瞬變流、高水頭滲流的致災(zāi)機(jī)制和演化規(guī)律，復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下高壩結(jié)構(gòu)和近壩庫岸的調(diào)控響應(yīng)和性能衰減規(guī)律，尋求機(jī)理研究的突破；研究樞紐運(yùn)行安全多因素耦聯(lián)和多信息融合的綜合評估理論方法，形成理論方法的創(chuàng)新；研發(fā)樞紐運(yùn)行安全多因素耦聯(lián)監(jiān)測檢測新技術(shù)與裝備，形成樞紐安全運(yùn)行共性技術(shù)裝備的突破；研究樞紐群暴雨洪水預(yù)報(bào)及應(yīng)急調(diào)控技術(shù)、樞紐泄洪運(yùn)行安全實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)、水力發(fā)電系統(tǒng)耦聯(lián)動力安全及智能運(yùn)行技術(shù)、大水位變幅下通航運(yùn)行安全優(yōu)化調(diào)控技術(shù)、復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下高壩結(jié)構(gòu)性態(tài)響應(yīng)與控制、特高拱壩近壩庫岸長期安全穩(wěn)定運(yùn)行、高壩樞紐運(yùn)行初期風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控與安全保障技術(shù)、樞紐發(fā)電、泄洪、通航聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控技術(shù)等，形成若干關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新和突破。并將樞紐防洪安全、泄洪安全、發(fā)電安全、通航安全、大壩安全、庫岸安全、初期運(yùn)行安全關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成綜合性的特大樞紐安全運(yùn)行聯(lián)合調(diào)控和安全保障技術(shù)。

圖3 項(xiàng)目技術(shù)路線圖

該項(xiàng)目的研究內(nèi)容注重發(fā)揮水文學(xué)、水動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)、信息傳感、人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科交叉的優(yōu)勢；融合主被動激勵檢測、光纖混合傳感和組網(wǎng)的優(yōu)勢；以及理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)、原型試驗(yàn)、監(jiān)測反饋分析多技術(shù)手段的綜合優(yōu)勢。以實(shí)現(xiàn)理論方法創(chuàng)新，突破水力致災(zāi)機(jī)制、耦合動力安全、壩體庫岸響應(yīng)性能弱化衰減規(guī)律理論障礙；實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀器裝備創(chuàng)新，突破現(xiàn)有測控技術(shù)在精度、頻響、覆蓋范圍、耐久性、可靠性的共性技術(shù)瓶頸；實(shí)現(xiàn)安全保障技術(shù)創(chuàng)新，建立完整的泄洪、發(fā)電、通航、大壩和庫岸系統(tǒng)安全監(jiān)測預(yù)警體系；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、泄洪、通航系統(tǒng)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性同步提升；最終實(shí)現(xiàn)水利樞紐調(diào)控和安全運(yùn)行系統(tǒng)集成技術(shù)創(chuàng)新。

項(xiàng)目完成后，形成特大型水利樞紐調(diào)控和安全運(yùn)行的具有普適性的理論技術(shù)體系，建立實(shí)時(shí)調(diào)控和安全運(yùn)行系統(tǒng)平臺，并開展典型工程應(yīng)用示范?？赏蟠蠼档蜆屑~安全隱患，有效保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全；減緩水利樞紐運(yùn)行的不利環(huán)境影響；改善水利樞紐所處區(qū)域的生態(tài)環(huán)境；提升發(fā)電效益和通航能力，滿足防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合性需求，確立我國在該技術(shù)領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，全面提升特大水利樞紐長期運(yùn)行的安全性和效益。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.05.111

練繼建（1965—），男，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，研究方向?yàn)楣こ趟W(xué)與水利水電工程安全，E-mail: jjlian@tju.edu.cn。