南水北调工程的建设技术难题及解决措施研究

2022-09-10

南水北调工程是世界上最大的跨流域调水工程, 也是我国投资最多、工期最长、影响范围最广的水利工程, 它是缓解我国北方水资源严重短缺、优化水资源配置、改善生态环境的战略举措。工程的沿途距离长、投资大、范围广、地质情况复杂, 包括水源工程、输水工程等主体工程等, 其运行管理涉及到自然、社会、经济及生态系统的方方面面。半个世纪以来, 各有关方面做了大量工作, 积累了丰富的勘测、规划、设计和科研成果, 为科学决策提供了重要依据。但是工程规模巨大, 大型建筑物数量多, 工程地质条件复杂, 环境影响范围广, 调度运行管理要求高, 许多技术问题已达到或超过当今世界水平, 有待深入研究, 以便工程顺利建设, 确保工程安全运行, 发挥最大的效益。

1 南水北调工程简介

从五十年代提出“南水北调”的设想后, 经过几十年研究, 南水北调的总体布局确定为:分别从长江上、中、下游调水, 以适应西北、华北各地的发展需要, 即南水北调西线工程、南水北调中线工程和南水北调东线工程。建成后与长江、淮河、黄河、海河相互联接, 将构成我国水资源“四横三纵、南北调配、东西互济”的总体格局。三条调水线路既有各自的主要供水目标和各自合理的供水范围, 又是一个整体, 可以互相补充。

东线工程起点在长江下游的扬州, 终点在天津。从扬州附近抽引长江水, 利用和扩建京杭大运河逐级提水北送, 经洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖, 在位山附近穿过黄河后自流, 经位临运河、南运河到天津。输水主干线长1150km, 其中黄河以南660km, 黄河以北490km。全线最高处东平湖蓄水位与抽江水位之差为40m, 共建13个梯级泵站, 总扬程65m。东线工程的供水范围是黄淮海平原东部地区, 包括苏北、皖北、山东、河北黑龙港和运东地区、天津市等。主要任务是供水, 并兼有航运、防洪、除涝等综合利用效益。

中线工程从汉江丹江口水库引水, 输水总干渠自陶岔渠首闸起, 沿伏牛山和太行山山前平原, 京广铁路西侧, 跨江、淮、黄、海四大流域, 自流输水到北京、天津。中线工程的供水范围是北京、天津、华北平原及沿线湖北、河南两省部分地区。主要任务是城市生活和工业供水, 兼顾农业及其它用水, 输水总干渠不结合通航西线工程从长江上游干支流调水入黄河上游, 拟定在通天河、雅砻江、大渡河上游筑坝建库, 采用引水隧洞穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山。入黄河年平均调水量为145亿m3~195亿m3, 其中从通天河调水55亿m3~100亿m3, 雅砻江40亿m3~45亿m3, 大渡河50亿m3。

西线工程的供水范围包括青海、甘肃、宁夏、内蒙古陕西和山西六省 (区) 。主要任务是补充黄河水资源的不足和解决西北地区、华北西部地区工农牧业生产和城乡人畜用水。

按照目前规划, 南水北调东、中、西三条线路都将建设并分期实施。目前开工建设的为东线工期和中线Ⅰ期工程, 到2010年, 东线Ⅰ、Ⅱ工期及中线Ⅰ期工程完工后, 可向华北、苏北及胶东半岛调水200亿m3, 其中新增供水150亿m3;2010年起, 将计划实施南水北调东线Ⅲ工期、中线Ⅱ期工程, 并通过西线Ⅰ期工程向黄河源头调水, 到2030年, 将为中国北方地区继续新增调水108亿m3, 年调水总规模将达到318亿m3。2030年起, 将继续完成东线Ⅲ期和中线Ⅱ期工程, 开始实施西线Ⅱ、Ⅲ期工程, 到2050年实现调水总规模为448亿m3。

2 建设技术难题及解决措施

同其它大型工程一样, 南水北调大型跨流域调水工程中的将存在许多技术问题, 这些技术关键问题不仅影响着工程的布局和投资, 有时甚至会成为工程建设和运行的制约因素, 成为选择工程方案的决策因素之一。国务院南水北调办副主任宁远如也曾经说过:“与传统水利工程不同, 南水北调工程所涉及的许多软科学与硬技术是世界级的, 是水利学科与多个边缘学科联合研究的前沿领域。”

针对南水北调工程中的技术问题, 国家开设了包括16个课题的“十一五”国家科技支撑计划重大项目——“南水北调工程若干关键技术研究与应用”。该项目旨在对南水北调工程建设管理中急需解决的关键技术问题, 在基础理论、工程应用及科学管理方面开展攻关, 充分发挥科技支撑作用, 以确保工程的顺利实施。

研究课题包括:丹江口大坝加高工程关键技术研究, 膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究, 复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究, 中线工程输水能力与冰害防治技术研究四项内容在内的16项。下面主要就这四项课题研究的问题进行探讨。

2.1 穿黄隧洞工程

南水北调东线和中线工程都存在着穿越黄河的问题。东线工程需要在位山附近穿过黄河后自流到天津, 而中线工程输水渠道需要在河南境内跨越黄河自流到北京和天津。

“穿黄工程是南水北调中线的‘咽喉工程’, 是南水北调技术难度最大的工程之一。”国务院南水北调工程建委会专家委员会秘书长汪易森说, 穿黄方案只有两种选择:要么在黄河下面打隧洞, 要么在黄河之上建渡槽。

与渡槽方案相比, 隧洞方案对河势影响相对较小, 给该河段的治理开发留有较大余地, 可免受温度、冰冻、大风等不利因素影响。因此, 经过多次科学论证, 最终选择了隧洞方案。这一方案除了考虑隧洞外部的黄河水和土层压力, 还必须考虑洞内水流的压力, 因此隧洞实行的是双层衬砌结构, 内外两层衬砌管片厚度分别为45厘米和40厘米。

东线穿黄工程位于山东省东阿与东平县境内的黄河下游中段, 工程由东平湖内引渠自东平湖深湖区引水, 通过东平湖出湖闸调控水位与流量, 经南岸输水干渠输水至黄河南大堤——子路堤, 子路堤以后为黄河滩地, 采用埋管输水方式至黄河主河床连接穿黄隧洞, 经穿黄隧洞穿越黄河主河床及北大堤之后建出口闸, 并采用埋涵方式穿过位山引黄渠与黄河以北输水干渠相连接。

中线穿黄工程位于河南省郑州黄河京广铁路桥上游约30km处, 于孤柏山横穿黄河, 南起荥阳李村村西, 终点为北岸焦作温县陈沟村西, 总长19.3km, 穿黄工程设计流量265m3/s, 加大流量为320m3/s。与东线工程相比, 中线工程由于穿越的黄河河段游荡性较大、地质条件较差, 河底以下几十米都是细粉砂或质地较疏松的粉土岩, 两岸也没有坚硬的基岩, 河床较宽, 工程量较大。在隧洞开掘前必须为其修好施工通道也就是施工竖井。据悉, 黄河北岸的施工竖井内径均为18米, 外径22米, 开挖深度约77米。施工通道建成后, 盾构机的各个部分将被依次放进去, 并在下面进行组装。组装完毕后的盾构机能不断向前开挖隧洞, 并将大量泥沙通过竖井输送出来。

另外, 隧洞采取双洞抢修方案, 隧洞建成后, 维护时可关闭双洞隧道中的一个, 对另一个进行维护和抢修。双洞隧道内直径为7米, 维修车辆可直驱入洞。

2.2 丹江口大坝加高扩容

汉江、丹江交汇而成的丹江口水库, 是南水北调中线的源头, 要保障中线多年平均95亿立方米的调水水量, 丹江口大坝必须“增高”, 水库必须“增肥”。但要在30多年前兴建的丹江口大坝上加高加厚 (贴坡) , 新老混凝土如何结合是面临的最大技术难题, 国内尚无成熟的经验和工程实例。

如何让新老混凝土“合二为一、结成一体”, 并且“骨骼强壮”?依据大量的计算分析及参考国外有关工程的成功经验, 丹江口大坝新老混凝土结合采取以直接浇筑为主, 在坝顶及下游坝坡现浇混凝土方式加高培厚, 适当放缓挡水坝段下游坡, 以满足大坝挡水时稳定和应力要求;在接合面竖直缝面及斜缝面设置梯形键槽, 使整个坝体较好地联合受力。为保证新老混凝土更好地结合成一个整体, 施工时还必须采取严格的温控措施。

据统计, 大坝加高工程在混凝土浇筑高峰期, 全年累计浇筑混凝土43.86万立方米, 完成了近35%, 施工质量合格率达到了100%。大坝加高工程完成后, 不仅实现扩容, 丹江口水库原总库容是174.5亿立方米大坝加高后, 蓄水位提高至170米, 相应库容增加到290.5亿立方米, 相当于增加了两个半北京密云水库。同时也能将汉江中下游防洪标准由20年一遇提高到100年一遇。

2.3 膨胀土变形滑坡

膨胀土是一种特殊性质的土, 遇水膨胀, 就成了“橡皮泥”;失水收缩, 干缩龟裂, 是工程的又一个难题。南水北调中线输水总干渠经过的南阳、沙河及邯郸等地均分布有膨胀土, 累计长度达300多公里, 约占总干渠全长的27%。上世纪60末期至70年代初期, 在南水北调中线陶岔渠首工程地质勘察、设计和施工中, 长江委院勘测部门就认识到这种裂缝粘土难治, 在1970年陶岔渠首施工过程中, 开挖出的膨胀土渠坡上陆续发生了14处滑坡。

如果不针对膨胀土的特殊性质“对症下药”, 其结果可能既耗费了大量财力和物力, 又达不到治理目标。对膨胀土边坡的处理思路, 主要从稳定膨胀土含水量和限制膨胀率两方面考虑, 前者是采用工程措施防止渠道渗水、地下水、大气雨水等入渗膨胀土, 使膨胀土保持稳定的含水量, 不产生膨胀变形;后者主要是用压重方式施加预压力, 限制膨胀土变形在抗剪强度允许消减范围内, 不使膨胀土变形影响边坡稳定。这两种思路是南水北调中线干线膨胀土渠段表层滑坡处理的主要出发点。

2.4 冰冻期输水断流

南水北调中线输水干线长、温度变化大, 由南往北跨越北纬33°~40°, 气候由温和区走向寒冷区, 中线河南安阳段以北, 渠水在冬季会结冰, 控制不好, 很容易会出现流冰、冰塞等威胁, 影响输水能力和工程安全。

冰期输水在国内有过尝试, 如京密引水、引黄济青等项目都采用冰盖下输水技术, 为冰期输水提供了可靠的经验。具体方法主要是:科学预测河流的结冰期, 在形成冰盖前, 提高渠道水位, 通过控制流量、流速, 让水面形成稳定的冰盖, 然后采取冰覆盖下输水;在冰盖输水期间保证输水稳定防止冰盖破坏;当气温回升时, 要控制水位、流量, 确保冰盖就地消融不产生流冰避免了产生冰塞的条件。

目前将南水北调冰期输水课题列入“十一五”科技支撑计划重大项目, 通过研究沿线多年气候资料、冰情变化规律等, 相信能够更好的解决南水北调冰期输水问题。

3 结语

南水北调工程是实现我国21世纪社会经济可持续发展的国土整备基础设施建设, 有利于整体提升我国特别是北方地区的水土资源承载能力, 支撑我国社会经济可持续发展, 其意义及效益巨大。但其工程巨大而又复杂, 在原有基础上还应加强对技术难题的研究, 为南水北调的顺利进行提供有力的理论支撑。

摘要：南水北调是一项关系到我国经济、社会和生态协调发展的重大工程, 对于促进我国北方地区的经济发展、环境改善和社会稳定具有十分重要的意义。随着工程的推进, 在技术研究人员和施工人员的共同努力下, 对南水北调工程的建设技术难题有很大的突破, 但由于工程横穿4个流域带, 建设管理十分复杂, 目前还有一系列技术问题待发现和完善。该文结合南水北调的实际工程信息, 依据东、中、西三条调水路线的不同水文、地质等环境因素, 具体分析了在南水北调工程中存在的几大建设技术难题和具体的解决措施。

关键词：南水北调,建设技术,难题,解决措施