全面提升特大水利樞紐長期運行的安全性和效益

練繼建

（天津大學建筑工程學院，天津 300072）

“國家重點研發計劃”

全面提升特大水利樞紐長期運行的安全性和效益

練繼建

（天津大學建筑工程學院，天津 300072）

我國水利水電建設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展的戰略要地，其水電可開發量2.44億kW，約占全國的40%，干支流上已建或規劃建設水利樞紐80余座，其中特大水利樞紐近20座，已經形成了世界上規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、運行水頭高、裝機容量大、地質地形條件復雜的特點，其防洪、發電、航運運行調控的復雜性和安全運行保障的技術難度居世界之最。世界各國水利樞紐在運行過程中發現嚴重破壞或失事的事例屢見不鮮，如俄羅斯薩揚舒申斯克、意大利瓦依昂、法國馬爾帕塞等的嚴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、水力致災機理和耦聯災變規律認識不清、研究不足，加之對樞紐運行安全運行實時測控的能力不足，尚缺乏樞紐泄洪、發電、通航等實時精細運行調控技術等。隨著越來越多的特大水利樞紐建成和投入運行，發揮的效益越來越大，因此對樞紐調控與安全運行技術的需求越來越迫切，急需加強這方面的研究。

國家十三五規劃“水資源高效利用”重點專項明確提出急需加強“重大水利工程建設與安全運行”方面的研究，以滿足特大水利樞紐長期安全運行的重大需求。針對“長江水利水電水運關鍵問題”，由天津大學牽頭，南京水利水電科學院、長江勘測規劃設計研究有限責任公司、中國水利水電科學研究院、雅礱江流域水電開發有限公司、長江水利委員會長江科學院、武漢大學、華中科技大學、清華大學等18家國內一流的科研、設計和工程單位，聯合申報的“長江上中游特大水利樞紐調控與安全運行技術研究”項目，已經獲批立項。

我國水利樞紐安全運行研究當前所面臨的問題及亟待研究的方向為：第一，世界各國水利樞紐運行中有近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模工程3～10 倍，高速水流產生的消能防沖、霧化、振動、空蝕、次聲波危害十分突出，當前對通過樞紐運行調控來提升泄洪安全性的研究較少，以往對洪水應急調控的研究多是針對洪量的調控，沒有考慮樞紐運行安全的約束，還需加強對滿足多安全約束的樞紐群洪水調控技術的研究；第二，水力發電系統安全問題被學術界和工程界忽視，以往研究未充分考慮“水力—機電—結構”非線性耦聯動力特性影響，缺乏有效模擬預測系統水力共振的評價預警方法，為了實現水力發電系統運行安全性、穩定性、經濟性的同步提升，亟待提出一套水力發電系統耦聯動力安全及智能運行技術；第三，我國長江中上游河流狹窄、比降大，樞紐調控引起的水位變幅大，易帶來嚴重的航運安全隱患，通航安全問題技術難度遠高于國外，亟待提出一套水利樞紐發電—泄洪—通航等多維動態優化調控和安全運行技術；第四，以往對復雜運行環境下高壩結構工作性態響應和庫岸長期安全穩定運行研究仍顯不足，需要加強；另外，目前樞紐安全（特別是水力安全）監測儀器裝備和方法落后，遠不能滿足樞紐實時調控和工程長期運行安全監控的要求，急需有新的突破。以上幾個方面國外沒有成功經驗可以直接借鑒，均需要我們通過自主創新來解決這些問題。

圖2 水利工程運行破壞工程實例

“長江上中游特大水利樞紐調控與安全運行技術研究”項目，擬解決的科學問題和關鍵技術主要包括：研究高速水流、高壓瞬變流、高水頭滲流的致災機制和演化規律，復雜運行環境下高壩結構和近壩庫岸的調控響應和性能衰減規律，尋求機理研究的突破；研究樞紐運行安全多因素耦聯和多信息融合的綜合評估理論方法，形成理論方法的創新；研發樞紐運行安全多因素耦聯監測檢測新技術與裝備，形成樞紐安全運行共性技術裝備的突破；研究樞紐群暴雨洪水預報及應急調控技術、樞紐泄洪運行安全實時調控技術、水力發電系統耦聯動力安全及智能運行技術、大水位變幅下通航運行安全優化調控技術、復雜運行環境下高壩結構性態響應與控制、特高拱壩近壩庫岸長期安全穩定運行、高壩樞紐運行初期風險調控與安全保障技術、樞紐發電、泄洪、通航聯合優化調控技術等，形成若干關鍵技術的創新和突破。并將樞紐防洪安全、泄洪安全、發電安全、通航安全、大壩安全、庫岸安全、初期運行安全關鍵技術進行系統集成，形成綜合性的特大樞紐安全運行聯合調控和安全保障技術。

圖3 項目技術路線圖

該項目的研究內容注重發揮水文學、水動力學、結構力學、材料科學、信息傳感、人工智能、計算機技術等多學科交叉的優勢；融合主被動激勵檢測、光纖混合傳感和組網的優勢；以及理論分析、數值計算、模型試驗、原型試驗、監測反饋分析多技術手段的綜合優勢。以實現理論方法創新，突破水力致災機制、耦合動力安全、壩體庫岸響應性能弱化衰減規律理論障礙；實現監測儀器裝備創新，突破現有測控技術在精度、頻響、覆蓋范圍、耐久性、可靠性的共性技術瓶頸；實現安全保障技術創新，建立完整的泄洪、發電、通航、大壩和庫岸系統安全監測預警體系；實現實時調控技術創新，實現發電、泄洪、通航系統運行安全性、穩定性和經濟性同步提升；最終實現水利樞紐調控和安全運行系統集成技術創新。

項目完成后，形成特大型水利樞紐調控和安全運行的具有普適性的理論技術體系，建立實時調控和安全運行系統平臺，并開展典型工程應用示范。可望大大降低樞紐安全隱患，有效保護人民群眾的生命財產安全；減緩水利樞紐運行的不利環境影響；改善水利樞紐所處區域的生態環境；提升發電效益和通航能力，滿足防洪、發電、航運等綜合性需求，確立我國在該技術領域的國際領先地位，全面提升特大水利樞紐長期運行的安全性和效益。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.05.111

練繼建（1965—），男，天津大學建筑工程學院，研究方向為工程水力學與水利水電工程安全，E-mail: jjlian@tju.edu.cn。