我國調(diào)水工程設(shè)計實踐與創(chuàng)新

董安建

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，100120，北京）

調(diào)水工程是人類開發(fā)、利用水資源的重要手段，是將水從某一流域向其他流域或區(qū)域輸送，從而實現(xiàn)水資源合理調(diào)配和開發(fā)利用的工程措施。在我國，調(diào)水工程不僅已廣泛應(yīng)用于灌溉、供水等工程中，而且在合理配置水資源、改善區(qū)域水環(huán)境、促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展方面也開始發(fā)揮越來越重要的作用。近年,我國調(diào)水工程建設(shè)方興未艾，調(diào)水工程的技術(shù)發(fā)展也日新月異。調(diào)水工程在規(guī)劃設(shè)計理念、技術(shù)措施、施工、機(jī)電設(shè)備等方面都有了創(chuàng)新和發(fā)展。

一、我國調(diào)水工程概況

我國是一個水資源總體短缺和水資源分布極不均衡的國家，人均水資源量僅為世界平均水平的1/3，水資源時空分布不均不僅制約著許多地方的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，也影響著水環(huán)境健康發(fā)展和人民群眾的生活質(zhì)量。為合理配置和開發(fā)利用有限的水資源，維護(hù)和改善水環(huán)境，實施跨地區(qū)、跨流域的調(diào)水工程是解決水資源供需矛盾、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要途徑和必然措施。

我國修建調(diào)水工程的歷史悠久。溝通珠江和長江流域的靈渠、從長江向淮河流域引水的邗溝以及京杭運(yùn)河都是跨流域調(diào)水的經(jīng)典工程。而2 000多年前修建的都江堰工程，至今仍然發(fā)揮著引岷江水灌溉成都平原的作用，堪稱調(diào)水工程的歷史瑰寶。

新中國成立后，我國的調(diào)水工程建設(shè)得到長足發(fā)展，如天津市引灤濟(jì)津工程、山西省引黃入晉工程、山東省引黃濟(jì)青工程、遼寧省引碧入連工程、甘肅省引大入秦工程、江蘇省引江濟(jì)太工程、廣東省東深供水工程等。這些調(diào)水工程的建設(shè)為促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

為解決我國北方地區(qū)嚴(yán)重缺水問題，支撐北方地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，我國正在實施南水北調(diào)工程。擬從長江上、中、下游調(diào)水，興建南水北調(diào)西線、中線和東線工程，建成后可實現(xiàn)長江、淮河、黃河、海河的相互連接。目前，南水北調(diào)東、中線一期工程已經(jīng)開工建設(shè)，西線工程正在進(jìn)行前期論證工作。

為解決局部地區(qū)干旱缺水問題，我國正在實施或擬實施一批區(qū)域性調(diào)水工程，如遼寧東水西調(diào)工程、云南牛欄江—滇池補(bǔ)水工程、吉林中部城市引松供水工程、陜西引漢濟(jì)渭工程以及云南滇中引水工程等。這些工程的實施將為地區(qū)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展發(fā)揮作用。

二、調(diào)水工程新特點

我國目前實施的調(diào)水工程大多為跨流域調(diào)水工程，和以前實施的調(diào)水工程相比呈以下幾方面新特點：

1.調(diào)水規(guī)模越來越大

除南水北調(diào)工程外，許多工程的年調(diào)水量都超過10億m3。如已實施的遼寧大伙房二期輸水工程年調(diào)水規(guī)模為11.9億m3，擬實施的引漢濟(jì)渭工程年調(diào)水規(guī)模為 10億～15億m3，云南滇中引水工程規(guī)劃年調(diào)水量達(dá)34億m3等。

2.輸水線路長，工程建設(shè)條件復(fù)雜

大部分調(diào)水工程線路長度在100 km以上。如已實施的遼寧大伙房二期輸水工程線路總長259 km，正在實施的牛欄江—滇池補(bǔ)水工程線路總長116 km，擬實施的滇中引水工程線路總長約870 km，正在實施的南水北調(diào)中線一期工程總干渠線路總長更是超過1 000 km，達(dá)到1 276 km。同時地形地質(zhì)條件、工程技術(shù)條件、施工技術(shù)條件等都相對更為復(fù)雜。

3.調(diào)水工程的類型和用途更加廣泛

調(diào)水工程已不僅局限于滿足灌溉、供水的需要，更開始向水環(huán)境治理、生態(tài)保護(hù)、航運(yùn)等多方面拓展。如云南牛欄江—滇池補(bǔ)水工程開發(fā)目標(biāo)就是以改善滇池生態(tài)環(huán)境為主；引江濟(jì)漢工程不僅承擔(dān)從長江向漢江下游補(bǔ)水的任務(wù)，還兼有巨大的航運(yùn)效益；引江濟(jì)太等工程不僅具有水資源配置的功能，還兼有太湖水環(huán)境治理的作用。

4.社會和環(huán)境影響大

調(diào)水工程給調(diào)出區(qū)、工程區(qū)、調(diào)入?yún)^(qū)的經(jīng)濟(jì)社會和環(huán)境帶來的影響是非常廣泛和復(fù)雜的，不僅涉及相關(guān)流域、區(qū)域的水資源配置，還涉及大量的移民征地、利益分配調(diào)整以及環(huán)境影響等多方面問題，需要深入研究，妥善處理。

三、調(diào)水工程規(guī)劃設(shè)計理念

近年，隨著科學(xué)發(fā)展觀的貫徹落實，“以人為本”“人與自然和諧相處”等科學(xué)理念不斷深入人心，傳統(tǒng)的以單一調(diào)配水量為目標(biāo)的調(diào)水工程規(guī)劃設(shè)計理念也在不斷更新。

在南水北調(diào)工程規(guī)劃設(shè)計中，率先提出了跨流域調(diào)水工程應(yīng)遵循的“三先三后”原則，即“先節(jié)水后調(diào)水、先治污后通水、先環(huán)保后用水”的原則，這三項原則已逐漸成為各調(diào)水工程規(guī)劃設(shè)計的基本原則?！叭热蟆本褪且蠊?jié)水、治污和生態(tài)環(huán)境保護(hù)與調(diào)水工程建設(shè)相協(xié)調(diào)，以水資源合理配置為主線，把節(jié)水、治污、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與調(diào)水作為一個完整的系統(tǒng)，開展工程的規(guī)劃設(shè)計。落實“三先三后”原則一方面可以避免受水區(qū)由于忽視節(jié)水、水污染防治和環(huán)境保護(hù)而造成的惡性循環(huán)，另一方面也是保障調(diào)水工程順利實施的必要條件。

在防止對調(diào)出區(qū)生態(tài)環(huán)境和水資源造成不利影響方面也越來越受到重視。受水區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不能以調(diào)出區(qū)的環(huán)境惡化為代價，也不能因調(diào)水工程帶來水事糾紛等社會問題。在水資源合理配置的基礎(chǔ)上要充分考慮調(diào)出區(qū)的利益。為充分發(fā)揮水資源的作用，對當(dāng)?shù)厮c外調(diào)水進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度、統(tǒng)一管理已成為調(diào)水工程規(guī)劃設(shè)計的基本原則之一。

在輸水方式選擇方面，更加關(guān)注工程對沿線環(huán)境的適應(yīng)性和影響，工程征地與移民、節(jié)能和工程造價對經(jīng)濟(jì)社會的影響等。未來調(diào)水方式的發(fā)展趨勢將是人與水、自然、經(jīng)濟(jì)社會更加和諧。

四、輸水渠道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前許多渠道為達(dá)到防滲和減小糙率的目的都采用了混凝土板襯砌和土工膜防滲結(jié)合等襯砌形式?；炷涟逡r砌是一種較為脆弱的薄壁結(jié)構(gòu)，抵抗地基變形、浮托力和凍脹等外力破壞的能力較低，若加大混凝土結(jié)構(gòu)厚度，對工程投資影響較大，因此渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計是投資控制的關(guān)鍵。

南水北調(diào)中線工程總干渠采用全斷面混凝土襯砌，絕大部分渠道采用土工膜防滲，外坡和局部渠段采取了生態(tài)護(hù)坡，各設(shè)計單位對渠道的防滲、排水、渠坡穩(wěn)定、襯砌抗浮等問題進(jìn)行了廣泛深入的研究，針對不同問題提出了有效的解決方案，使襯砌結(jié)構(gòu)在滿足防滲、減糙和抵抗變形要求的同時，盡可能節(jié)省工程量、控制投資和注重環(huán)境。例如中線工程渠坡混凝土襯砌為10 cm厚，渠底襯砌僅為8 cm，其下為土工膜和墊層以及防凍、排水等設(shè)施。

2.膨脹土渠段渠基處理

膨脹土(巖)問題在南水北調(diào)中線工程、新疆和東北的部分調(diào)水工程中是重要的工程地質(zhì)問題。南水北調(diào)中線總干渠沿線膨脹土(巖)分布渠段長335.18 km，工程處理措施不當(dāng)將給渠道運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害。由于膨脹土邊坡破壞主要發(fā)生在雨季,且以淺層滑動為主，因此減少雨水、地表水的入滲，防止膨脹土的初始含水量發(fā)生較大變化是膨脹土處理的關(guān)鍵所在。在南水北調(diào)前期工作中對膨脹土處理進(jìn)行了大量試驗研究，施工階段根據(jù)“三帶”劃分理論，經(jīng)研究分析和現(xiàn)場試驗，推薦采用的處理方式是以換填為主，換填材料主要采用非膨脹土、弱膨脹土改性土或水泥土，換填厚度根據(jù)膨脹土強(qiáng)弱采用0.8～2.5 m。

3.煤礦采空區(qū)段渠道處理

煤礦采空區(qū)是我國許多地方面臨的重要環(huán)境問題，也是調(diào)水工程經(jīng)常面臨的工程地質(zhì)問題。我國南水北調(diào)中線、東線以及山西、廣西等地的調(diào)水工程都遇到渠道穿越煤礦采空區(qū)的問題。目前對采空區(qū)的處理主要是井下充填和地面充填。南水北調(diào)中線一期工程總干渠在河南省禹州市西南約7 km處需通過2～3 km的煤礦采空區(qū)，其中部分采空區(qū)存在一定的變形。結(jié)合禹州礦區(qū)的實際情況，經(jīng)專題研究和國際交流，設(shè)計采用地面注漿法對采空區(qū)進(jìn)行加固處理。注漿孔采用梅花狀布孔均勻布設(shè)，設(shè)計排距15 m，孔距20 m。注漿材料采用水泥和粉煤灰混合料，該方案為今后煤礦采空區(qū)處理積累了寶貴經(jīng)驗。

4.沙質(zhì)渠道設(shè)計

沙漠或沙土地基是干旱地區(qū)的一種特殊地質(zhì)環(huán)境，沙漠氣候和沙質(zhì)地基的特殊性給渠道設(shè)計帶來很大難度。我國在北方沙漠地區(qū)水資源配置等工程中對沙質(zhì)渠道進(jìn)行了深入研究，利用沙漠運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行合理選線，在采取固沙、阻沙、導(dǎo)沙、輸沙等措施保護(hù)渠道以及渠道斷面設(shè)計、填筑設(shè)計等方面都取得了成功經(jīng)驗。

五、輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.深埋長隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

深埋長隧洞在設(shè)計過程中存在水文和地質(zhì)條件等多種不確定因素，在施工過程中存在高地應(yīng)力、高地溫、巖爆、突涌水和有害氣體等嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工安全的突出問題，給斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工方案設(shè)計和工程投資帶來很大影響，是長距離調(diào)水工程設(shè)計的難點和關(guān)鍵問題。擬建調(diào)水工程隧洞中，埋深最大的已超過2 000 m,單洞最長已超過80 km。各工程在前期論證過程中，往往需對隧洞設(shè)計方案進(jìn)行多方案比選論證和深入的計算研究。南水北調(diào)西線工程、引漢濟(jì)渭工程等的深埋長隧洞設(shè)計，在設(shè)計理論、結(jié)構(gòu)措施和施工措施等方面的研究都取得了新進(jìn)展。

2.飽和砂土地層輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

穿黃隧洞是南水北調(diào)中線工程總干渠與黃河交叉的大型建筑物，為總干渠上規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜并控制工期的關(guān)鍵性工程。設(shè)計單位經(jīng)多年研究最終采用兩條盾構(gòu)隧洞穿越黃河方案，隧洞總長4 250 m，單洞內(nèi)徑為7.0 m。隧洞穿越黃河河段為游蕩型河道，地層為飽和砂土層，地質(zhì)條件復(fù)雜，內(nèi)外水壓高，設(shè)計和施工難度很大。根據(jù)施工和后期運(yùn)行要求，穿黃隧洞中盾構(gòu)隧洞采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)。目前，穿黃工程已經(jīng)全線貫通，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)受住了施工期各種復(fù)雜條件的考驗。

六、長距離大型有壓輸水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.大管徑PCCP管道結(jié)構(gòu)設(shè)計

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP管）是一種復(fù)合管材。近年由于其優(yōu)越的抗內(nèi)壓性能和價格優(yōu)勢，在國內(nèi)各調(diào)水工程中得到了廣泛應(yīng)用。南水北調(diào)中線工程北京段惠南莊泵站至大寧段采用了直徑4 m的PCCP管道，為我國目前最大管徑的PCCP管。遼寧大伙房二期輸水工程等也都采用了大直徑的PCCP管道。南水北調(diào)中線北京段為解決超大管徑帶來的結(jié)構(gòu)安全問題，設(shè)計選用了埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管，預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞在鋼筒外的混凝土上，接口采用雙膠圈承插式接頭。為節(jié)省工程投資，根據(jù)管道覆土厚度，結(jié)合管芯厚度、纏絲層數(shù)的選取，選用了多種管型，并采用了不同的管芯混凝土標(biāo)號。為防止因砂漿保護(hù)層破壞對預(yù)應(yīng)力鋼絲產(chǎn)生腐蝕，除在PCCP成品管道砂漿保護(hù)層外側(cè)涂刷環(huán)氧煤瀝青絕緣層外，還采用了犧牲陽極的陰極保護(hù)措施。

2.長距離有壓管道安全防護(hù)措施設(shè)計

對于長距離有壓輸水管道，為確保管道運(yùn)行安全，必須對因水錘等引起的管道壓力突然升高導(dǎo)致的問題予以足夠重視。通常的解決辦法是采取工程措施削減因停泵、起泵水錘以及管道閥門關(guān)閉水錘產(chǎn)生的管道壓力升高和降低，以保證管道安全運(yùn)行。遼寧省大伙房二期輸水工程采用重力流輸水和加壓輸水結(jié)合方式，自鞍山配水站后經(jīng)1級加壓泵站采用管道輸水，輸水管道線長約230 km，管材主要為PCCP管，最大管徑3.2 m。為了確保管道輸水安全，采用了減壓閥（調(diào)節(jié)閥）、穩(wěn)壓塔（調(diào)壓井）、緩閉液控蝶閥、空氣閥和注水池等一系列綜合方法，保證了輸水管道的安全輸水。南水北調(diào)中線天津干線采取的分段、階梯式設(shè)置保水堰井等，為工程安全運(yùn)行提供了可靠保障。

七、大型跨河交叉建筑物設(shè)計

南水北調(diào)中線工程和沿線河流交叉采用全立交，根據(jù)河、渠水位流量相對關(guān)系、結(jié)構(gòu)安全以及水頭損失等因素選用倒虹吸和渡槽，主要包括梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸和河道倒虹吸4種型式。其中設(shè)計難度最大的為梁式渡槽。梁式渡槽跨度受渡槽對防洪影響、槽體結(jié)構(gòu)型式、地形地質(zhì)條件、渡槽施工條件及施工方法和機(jī)械設(shè)備施工能力等因素影響，目前中線渡槽最大跨度為40 m。已建成的京石段漕河渡槽跨度30 m，也已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

八、大型泵站選型及設(shè)計

泵型選擇和水泵設(shè)計是調(diào)水工程設(shè)計中的重要內(nèi)容，近年我國在水泵設(shè)計方面結(jié)合工程需要進(jìn)行了大量研究，取得了長足進(jìn)步。

南水北調(diào)中線工程惠南莊泵站設(shè)計流量60 m3/s，揚(yáng)程約 62 m，運(yùn)行小時長，安全性要求高，設(shè)計采用臥式雙吸離心泵；引漢濟(jì)渭工程黃金峽泵站設(shè)計流量75 m3/s，揚(yáng)程超過110 m；牛欄江—滇池補(bǔ)水工程干河泵站設(shè)計流量23 m3/s，設(shè)計揚(yáng)程超過200 m，在國內(nèi)同類型工程中均處于領(lǐng)先水平。

南水北調(diào)東線工程由于泵站裝機(jī)容量大，運(yùn)行小時數(shù)高，水泵的選型及設(shè)計關(guān)乎整個調(diào)水工程的正常運(yùn)行。東線工程可供選取的水泵類型有軸流泵和混流泵，軸流泵設(shè)計揚(yáng)程3～9.5 m，混流泵設(shè)計揚(yáng)程 6～20 m。軸流泵在接近零流量時揚(yáng)程和功率較大，高揚(yáng)程區(qū)運(yùn)行時易振動，停機(jī)時用快速閘門斷流難以控制，影響機(jī)組和泵站安全?；炝鞅脵C(jī)組不易過載，高效區(qū)寬于軸流泵。南水北調(diào)東線工程在水泵選型時優(yōu)先選用混流泵，斷流方式采用平直管出水流道、快速閘門斷流。必須采用軸流泵時，采用虹吸出水流道、真空破壞閥斷流，保證啟動和停機(jī)的安全。對機(jī)組軸線型式，考慮工程運(yùn)行時間長、可靠性要求較高，選用導(dǎo)軸承荷載較小的立式機(jī)組，可提高工程供水可靠性，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。該項研究處于國際先進(jìn)水平。

九、施工組織設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

1.大型渠道薄層混凝土襯砌施工技術(shù)

大型渠道薄層混凝土襯砌施工技術(shù)在南水北調(diào)工程中成功運(yùn)用，取得了良好的效果。南水北調(diào)中線工程明渠采用全斷面混凝土襯砌，長約1 100 km，經(jīng)過研究，在南水北調(diào)中線工程中首次采用了襯砌機(jī)進(jìn)行施工。南水北調(diào)工程中跨渠建筑物密集，為拆裝方便，提高效率，設(shè)計優(yōu)先采用振搗式襯砌機(jī)，并針對渠道工程結(jié)構(gòu)斷面尺寸大、素混凝土結(jié)構(gòu)薄、混凝土襯砌板抗裂減糙要求高等特點對襯砌機(jī)進(jìn)行了研制和改造，提高了效率，保證了質(zhì)量。

2.大斷面超長隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工技術(shù)

根據(jù)調(diào)水工程隧洞特點，近年隧洞施工一般采用掘進(jìn)機(jī)和鉆爆法聯(lián)合施工方案，對地質(zhì)條件較好地段發(fā)揮掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度快、施工質(zhì)量穩(wěn)定、安全作業(yè)條件好的優(yōu)勢，對存在不利地質(zhì)條件洞段采用經(jīng)驗成熟的鉆爆法，以發(fā)揮其機(jī)動靈活的特點。對掘進(jìn)機(jī)施工，在設(shè)計階段主要解決兩大問題，一是掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備選型，二是掘進(jìn)機(jī)單機(jī)掘進(jìn)長度的確定。掘進(jìn)機(jī)選型根據(jù)隧洞沿線地質(zhì)條件和隧洞襯砌形式，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)條件和工程投資比較確定，掘進(jìn)機(jī)單機(jī)理論掘進(jìn)長度根據(jù)凈掘進(jìn)速度和設(shè)計運(yùn)轉(zhuǎn)小時數(shù)確定，與巖石強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和掘進(jìn)機(jī)特性有關(guān)，也需綜合施工通風(fēng)、供電等施工條件等因素。遼寧大伙房二期輸水工程輸水隧洞長85.3 km，開挖洞徑8.0 m，成洞直徑7.16 m，屬大斷面超長隧洞，也是目前世界上在建同等規(guī)模最長隧洞。大伙房輸水工程以中硬巖為主，節(jié)理裂隙以輕度發(fā)育和中等發(fā)育為主，無較大規(guī)模斷裂構(gòu)造，采用了3臺開敞式掘進(jìn)機(jī)，單洞長度約20 km。

3.大型渡槽施工技術(shù)

一般渡槽施工采用滿堂腳手架的常規(guī)施工方法，該方法適用于規(guī)模和跨度不大、地質(zhì)條件較好的渡槽，優(yōu)點是施工機(jī)械重量小，不需大型配套設(shè)備，可逐跨或多跨間隔施工，施工自由度大；缺點是模板及支架量大，高空作業(yè)多，存在一定安全隱患。經(jīng)過充分論證與比選，目前南水北調(diào)中線一期工程已將原運(yùn)用在路橋建設(shè)中的架橋機(jī)和造橋機(jī)引入渡槽施工方案。湍河渡槽總長槽身采用U形雙向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單槽重1 530 t，單跨 40 m，推薦采用造槽機(jī)方案；沙河及大郎河渡槽槽身采用U形雙向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單槽重1200t，單跨30m，推薦采用架槽機(jī)方案。與滿堂腳手架方案相比，架槽機(jī)和造槽機(jī)方案提高了施工質(zhì)量和效率。

調(diào)水工程規(guī)劃設(shè)計方面的創(chuàng)新和成功實踐，為我國合理有效地配置水資源、改善水環(huán)境提供了重要的技術(shù)支撐。鑒于調(diào)水工程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在今后的規(guī)劃設(shè)計中，應(yīng)更加重視水資源的合理配置、節(jié)水節(jié)能節(jié)地、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、創(chuàng)新工程技術(shù)、科學(xué)調(diào)度和管理，真正做到經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益的統(tǒng)一，使調(diào)水工程規(guī)劃設(shè)計目標(biāo)在經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展中得以實現(xiàn)。

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