在晨光的洗禮下，溫暖的水流躍過一道特別的屏障——隔水幕墻，流經(jīng)水電站，匯入河流，為下游的生態(tài)系統(tǒng)帶來了勃勃生機(jī)。水草搖曳，魚兒歡騰，它們在水中自由自在地舞動，仿佛在慶祝水溫的回升。
這一幕生機(jī)勃勃的景象，正是隔水幕墻試驗工程所取得的喜人成果。隔水幕墻技術(shù)的成功應(yīng)用，顯著改善了水溫，提升了下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，是中國電建中南院團(tuán)隊在低溫水治理技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。
破繭而出，迎擊“低溫水治理”之戰(zhàn)
“綠水青山就是金山銀山”，習(xí)近平總書記指出，改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力。良好生態(tài)本身蘊(yùn)含著無窮的經(jīng)濟(jì)價值，能夠源源不斷創(chuàng)造綜合效益，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。多年來，中國電建中南院始終秉持著可持續(xù)發(fā)展的理念，在這條道路上不斷探索前行。
回溯至2004年，中南院受五凌水電開發(fā)有限責(zé)任公司委托，著手研究提高下泄水溫的對策措施，旨在降低低溫水對環(huán)境產(chǎn)生的影響。彼時，面對水庫下泄低溫水這一全球性生態(tài)問題，疊梁門、前置擋墻等傳統(tǒng)低溫水治理措施已初露局限。
在三板溪水電站蓄水后，如何有效解決已蓄水水庫低溫水問題，成為了亟待解決的一大挑戰(zhàn)。由于傳統(tǒng)技術(shù)手段已經(jīng)無法滿足需求，中南院團(tuán)隊自覺肩負(fù)起了尋找創(chuàng)新解決方案的重任。
面對水庫大跨度、超百米深水施工的嚴(yán)峻考驗以及水庫的高位水變幅挑戰(zhàn)，團(tuán)隊首要任務(wù)是定制出可水下施工和深水運行的低溫水治理結(jié)構(gòu)形式。但在此之前，這一領(lǐng)域缺乏可借鑒的工程實踐和規(guī)范，團(tuán)隊不得不從零開始探索。經(jīng)過反復(fù)數(shù)十次思想的碰撞與方法的探索，團(tuán)隊提出了一個大膽的設(shè)想：采用不透水的柔性幕布來攔擋水庫中的低溫水。而如何使這一設(shè)想變?yōu)榭尚蟹桨赋蔀榱藞F(tuán)隊面臨的新挑戰(zhàn)。
為了攻克這一難題，團(tuán)隊夜以繼日地收集國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的資料，并從各類工程中尋找靈感。從遠(yuǎn)洋捕魚圍網(wǎng)到懸索橋、攔污排、水庫攔魚網(wǎng)……最終，經(jīng)過團(tuán)隊的反復(fù)推敲提出了構(gòu)建“大跨度浮索+深水地錨”的組合式牽引系統(tǒng)以及由布、索、纜、錨、塔組成的多級承載擋水幕墻系統(tǒng)。
破冰啟航，探索“幕墻結(jié)構(gòu)“之路
為推動理念落地，團(tuán)隊采用模擬分析技術(shù)破冰前行。從理論構(gòu)想到實際應(yīng)用，每一步都充滿挑戰(zhàn)與未知。
在深水之下，柔性幕墻結(jié)構(gòu)的荷載是首先關(guān)注的焦點。但當(dāng)模擬分析的結(jié)果出爐，團(tuán)隊驚愕地發(fā)現(xiàn)，軟件計算出的水荷載與物理試驗的數(shù)據(jù)相比存在超10倍的巨大差異，這無異于一場“地震”。團(tuán)隊立即決定深入挖掘這一差異的根源。經(jīng)過與專家的深入交流與探討，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了問題的關(guān)鍵：隔水幕墻上下游側(cè)水溫結(jié)構(gòu)的差異形成了密度差，由此引發(fā)的荷載占據(jù)總荷載90%以上。
這一發(fā)現(xiàn)解決了現(xiàn)有疑問的同時也給團(tuán)隊帶來了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前行業(yè)內(nèi)水庫水溫結(jié)構(gòu)模擬主要用于環(huán)境影響評估，不僅沒有成熟的荷載計算方法，而且水溫結(jié)構(gòu)計算精度遠(yuǎn)達(dá)不到荷載分析的要求。除此之外，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的物理模型實驗尚無法模擬水庫水溫分層和溫度異重流造成的對應(yīng)荷載，這使得團(tuán)隊的研究陷入困境。
“不畏難者進(jìn)，不懼困者前”。團(tuán)隊迎難而上，與四川大學(xué)兩個研究團(tuán)隊聯(lián)手，分別采用不同的方法與軟件進(jìn)行實驗分析，探索荷載成因以及研究準(zhǔn)確的荷載計算方法。面對這一難題，中南院項目團(tuán)隊提出了全數(shù)值模擬的數(shù)字孿生設(shè)計技術(shù)路線。然而，在480米大跨度、160米的深水環(huán)境中，水庫水位變幅高達(dá)50米，水位與荷載的組合工況多達(dá)數(shù)萬種，如何設(shè)計一種幕布形態(tài)能適應(yīng)復(fù)雜水位、荷載組合的運行工況，而不出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，無疑極具挑戰(zhàn)性。更為棘手的是，在三維場景中，柔性結(jié)構(gòu)受水荷載影響后的形態(tài)與內(nèi)部應(yīng)力的計算理論存在空白，并且缺乏現(xiàn)成的仿真分析軟件，研究一度停滯不前。
迎難而上，攻克“仿真分析“之困
工欲善其事，必先利其器。團(tuán)隊成員明白，針對獨有的荷載計算分析問題，必須從源頭入手，沒有成熟的計算方法和軟件，那就自己獨立研發(fā)和創(chuàng)新適合自己的算法與軟件。
創(chuàng)新與研發(fā)之路從來不可一蹴而就。項目團(tuán)隊積極開展專項科技攻關(guān)，不斷嘗試、優(yōu)化、調(diào)整算法和模型。在模擬過程中，每項工況迭代便需要一個月的時間，同時受到計算能力限制以及高精度的要求，一個計算結(jié)果往往需要等待一個星期。項目負(fù)責(zé)人回憶道：“工作站滿負(fù)荷持續(xù)計算，短短3年，一臺性能優(yōu)良的計算機(jī)便因高強(qiáng)度使用而宣布報廢?！?/p>
時光不負(fù)有心者，歲月不負(fù)有心人。歷經(jīng)五載春秋，經(jīng)過數(shù)千次算法的迭代更新以及海量數(shù)據(jù)的計算，團(tuán)隊終于成功地建立了“溫度-水動力-形態(tài)-荷載”流固耦合分析模型，并研發(fā)出國內(nèi)首個低溫水治理工程仿真分析軟件。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊成功實現(xiàn)了行業(yè)內(nèi)首次的二、三維水溫模型與向量式有限元索網(wǎng)模型的迭代耦合計算，突破了大變位柔性結(jié)構(gòu)體型和內(nèi)力分析的技術(shù)難題、大大提高了隔水幕墻的形態(tài)適應(yīng)性及應(yīng)力均勻性，將地錨荷載降低了50%以上。團(tuán)隊研發(fā)的低溫水治理工程仿真分析軟件更是完全替代了美國水庫水溫領(lǐng)域權(quán)威仿真分析軟件ce-qual-w2，實現(xiàn)了該領(lǐng)域工業(yè)設(shè)計軟件的國產(chǎn)化。
這一突破性成果不僅奠定了隔水幕墻技術(shù)的理論基礎(chǔ)，更為試驗工程的實施提供了有力支撐，進(jìn)一步論證了隔水幕墻試驗工程的可行性。
砥礪前行，開啟“低溫水治理“新篇章
破曉之光，逐夢前行。在人類歷史長河中，20年如白駒過隙，然而，對于隔水幕墻低溫水治理新技術(shù)來說，這20年卻是從無到有、從探索到實踐的重要歷程。
數(shù)十載春秋，團(tuán)隊成功研發(fā)出世界唯一可用于已蓄水水庫的低溫水治理新技術(shù)——隔水幕墻，填補(bǔ)了已蓄水水庫低溫水治理理論設(shè)計規(guī)范的空白，并攻克了多項設(shè)計分析難題。2022年11月，隔水幕墻試驗工程成功應(yīng)用于貴州省三板溪水電站，經(jīng)一年試運行，水溫改善效果顯著，順利通過驗收。這一成果的取得，既離不開中國生態(tài)環(huán)境部的鼎力支持，也歸功于電建人的不懈努力和執(zhí)著追求。
作為生態(tài)環(huán)境的守護(hù)者，他們深知肩負(fù)的責(zé)任與使命，以堅定的信念和執(zhí)著的精祌，不斷開拓創(chuàng)新。如今，隔水幕墻技術(shù)已成為低溫水治理領(lǐng)域的“先行者”，備受國內(nèi)外關(guān)注。它不僅在國內(nèi)獲得中國科學(xué)報、中國改革報等權(quán)威媒體的頭版報道，更代表中國參加了2023年聯(lián)合國氣候大會中國角邊展，向世界展示了中國在生態(tài)文明建設(shè)方面的卓越成就。
未來，技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊將繼續(xù)深入研究和探索隔水幕墻技術(shù)在其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，力求為環(huán)境工程、水資源管理、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域的生態(tài)保護(hù)和資源利用問題提供創(chuàng)新解決方案，為建設(shè)美麗中國譜寫新時代生態(tài)文明建設(shè)電建篇章。
索網(wǎng)貼地工況形態(tài)與應(yīng)力分析
幕布應(yīng)力分析
隔水幕墻試驗工程效果圖
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