引調(diào)水工程建設(shè)與應(yīng)用技術(shù)

關(guān)志誠，陳 雷

（1．水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，100120,北京；2．中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，130021,長春）

一、引調(diào)水工程建設(shè)情況與存在的問題

水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素。就現(xiàn)階段而言，解決此問題的基本手段主要是采取跨流域引調(diào)水等工程措施，各地均有相應(yīng)的建設(shè)項(xiàng)目。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，包括南水北調(diào)東、中線在內(nèi)，全國投資50億元人民幣以上的建設(shè)項(xiàng)目有18個，已建、在建各類引調(diào)水工程近40項(xiàng)。

工程建設(shè)的利弊、對調(diào)出區(qū)環(huán)境以及氣候的影響、城市供水的可靠性與安全性、建設(shè)管理與水價機(jī)制、調(diào)入水量的真實(shí)需求、工程能否良性運(yùn)行等問題，都有待于實(shí)踐檢驗(yàn)和認(rèn)真研究。已建的哈爾濱磨盤山、昆明掌鳩河城市供水工程，吉林農(nóng)安應(yīng)急供水工程等均具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；引水規(guī)模較大且距離較長的山西萬家寨引黃一期工程因多種原因運(yùn)行成本較高。在建工程也有相當(dāng)部分位于貧困地區(qū)，建后的供水需要政府補(bǔ)貼和政策扶持才能維系。

大型引調(diào)水工程投入大，建設(shè)周期長，影響因素眾多。目前引調(diào)水工程的論證決策和立項(xiàng)過程較慎重，項(xiàng)目建設(shè)綜合回報(bào)總體情況良好。

二、工程規(guī)劃與規(guī)模論證技術(shù)要點(diǎn)

1.引調(diào)水工程技術(shù)論證與依據(jù)

前期工作要考慮和研究的問題，包括工程建設(shè)的必要性和迫切性、工程任務(wù)的定位、水資源的供需分析與配置、供水量的界定與預(yù)測以及工程規(guī)模論證與布局。調(diào)水工程的立項(xiàng)要以國務(wù)院批復(fù)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃或流域水資源綜合規(guī)劃、專項(xiàng)規(guī)劃等為設(shè)計(jì)依據(jù)。目前，為滿足水資源合理開發(fā)配置、經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的要求，水利部組織和開展了七大流域綜合規(guī)劃修編、部分省（自治區(qū)）流域綜合規(guī)劃修編、流域水量分配與管理政策研究等工作。

2.水資源的供需分析與配置

要對工程目標(biāo)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會、資源利用和環(huán)境保護(hù)情況進(jìn)行調(diào)查，對調(diào)入?yún)^(qū)在節(jié)水、治污、合理利用當(dāng)?shù)厮Y源等方面進(jìn)行深入調(diào)查研究，分析需調(diào)入水量；而對調(diào)出區(qū)應(yīng)在考慮生態(tài)與環(huán)境用水的基礎(chǔ)上分析可調(diào)出水量。

3.供水量的界定與預(yù)測

要分析供水工程供水量來源，計(jì)算調(diào)入?yún)^(qū)不同行業(yè)及部門用水指標(biāo)及數(shù)量；需水量預(yù)測應(yīng)遵循從緊的原則，制定可行的節(jié)水方案，并對預(yù)測進(jìn)行合理性分析；經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展指標(biāo)的預(yù)測依據(jù)應(yīng)在地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展指標(biāo)及遠(yuǎn)景規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行。對調(diào)出區(qū)應(yīng)重點(diǎn)調(diào)查取水點(diǎn)斷面下游地區(qū)供水量、區(qū)域生態(tài)用水情況，其需水量預(yù)測應(yīng)充分考慮調(diào)出區(qū)經(jīng)濟(jì)社會長遠(yuǎn)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)環(huán)境的水資源需求，調(diào)出水量一般不超出多年平均水資源總量的40%。

4.工程規(guī)模論證

從綜合開發(fā)利用的角度，新建水源工程按調(diào)水的最大規(guī)模確定且一次建成較為合理。調(diào)水工程開挖引水隧洞和埋管輸水，總干渠及各級渠系的規(guī)?？筛鶕?jù)總調(diào)水量和各分區(qū)調(diào)水量結(jié)合調(diào)蓄工程規(guī)模和受水區(qū)的需水過程等分析論證后加以確定，對隧洞預(yù)留加大供水量凈空，對渠道預(yù)留加大供水量超高。輸水線路上的倒虹吸、渡槽等交叉建筑物規(guī)模，應(yīng)根據(jù)所在區(qū)段渠系工程規(guī)模結(jié)合輸水系統(tǒng)水頭和局部水頭優(yōu)化等合理選擇，并與交叉工程設(shè)施的規(guī)模相適應(yīng)。

5.工程總體布局

工程布局應(yīng)結(jié)合水資源配置方案安排，考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面因素。輸水線路布局應(yīng)根據(jù)各區(qū)段的地質(zhì)條件、建筑物形式及水源分布情況進(jìn)行安排。有條件時應(yīng)優(yōu)先利用輸水線路附近的調(diào)蓄水庫。

6.分期建設(shè)與實(shí)施

當(dāng)調(diào)水工程規(guī)模較大，技術(shù)較為復(fù)雜，調(diào)入?yún)^(qū)社會發(fā)展對調(diào)水要求的緊迫程度不同且時間跨越較大時，應(yīng)結(jié)合資金籌措和工程配置的銜接關(guān)系，按照分期建設(shè)方案確定分期供水目標(biāo)與范圍，并按可持續(xù)發(fā)展要求加大節(jié)約用水的力度。一般情況下工程分兩期建設(shè)的居多，可緩解一次性投資壓力，同時也可取得供水賣水還貸經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步合理開發(fā)創(chuàng)造條件。

三、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與檢驗(yàn)

1.長距離大流量輸水

南水北調(diào)工程東、中線一期工程的建設(shè)目標(biāo)分別為2013年和2014年汛后通水。東線一期工程自江蘇境內(nèi)江都站抽水500 m3/s，沿線設(shè)21級提水泵站，利用洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖調(diào)蓄，北上流經(jīng)山東、河北至天津，輸水總干線長1 156 km，支線向東至威海長701 km；中線從漢江引水，線路跨越長江、淮河、黃河、海河流域，可基本自流至天津，輸水總干線全長1 267 km。大伙房供水二期工程向遼寧中部城市群供水，采用全封閉重力流有壓管道輸水，全長約265 km。這些工程體現(xiàn)了我國調(diào)水工程建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平。

2.輸水線路穿越復(fù)雜地段

南水北調(diào)中線一期工程途經(jīng)膨脹土區(qū)、煤層踏空區(qū)等，對大型渠道結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)提出較高要求；大伙房二期輸水管線穿過腐蝕性鹽堿區(qū)、高地下水地段，對管材和開挖施工質(zhì)量控制提出較高要求；云南牛欄江—滇池補(bǔ)水輸水隧洞線路經(jīng)過大型地震地質(zhì)構(gòu)造斷裂帶，對結(jié)構(gòu)型式和開挖技術(shù)提出較高要求。

3.輸水建筑物結(jié)構(gòu)型式

南水北調(diào)中線一期工程輸水線路中，大U形雙向預(yù)應(yīng)力渡槽全長1 030 m，總體規(guī)劃設(shè)計(jì)流量350m3/s，槽身按三線三槽40 m跨布置，單槽凈寬、高為8.5 m×7.04 m，槽內(nèi)加大水深6.94 m；大型矩形槽預(yù)應(yīng)力箱形簡支結(jié)構(gòu)凈寬10.0 m，加大設(shè)計(jì)水深6.72 m；根據(jù)地層條件和結(jié)構(gòu)分析，穿越黃河倒虹吸工程采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)盾構(gòu)法施工，端部設(shè)大型超深工作豎井50.5 m；天津段輸水采用的PCCP管材內(nèi)徑達(dá)400 mm。

4.設(shè)備配置與新技術(shù)應(yīng)用

東線一期泵站設(shè)計(jì)開展大量研究工作，對包括貫流泵、立式軸流泵等在內(nèi)的泵型進(jìn)行了同臺試驗(yàn)和仿真計(jì)算；在泵站設(shè)備選用上，對貫流泵的選用立足于國產(chǎn)，關(guān)鍵部件（轉(zhuǎn)輪、密封件、液壓件）引進(jìn)并逐漸消化吸收；對長距離有壓輸水工程，通過全邊界條件過渡過程分析，合理配置調(diào)壓塔、調(diào)流調(diào)壓閥及安全閥井設(shè)備，大伙房二期工程在取水口設(shè)置清除污物的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，初步試用情況良好；大伙房一期工程對硬巖TBM掘進(jìn)設(shè)備的主軸承、刀盤電機(jī)、液壓元件（液壓缸）采取國際采購方式。

5.水資源配置的多功能性

南水北調(diào)東線一期供水工程充分利用京杭運(yùn)河和已建的防洪、排澇、航運(yùn)、灌溉等基礎(chǔ)設(shè)施及現(xiàn)有湖泊進(jìn)行輸水和調(diào)蓄；江蘇段輸水線路上各樞紐泵站建設(shè)，在工程布置上綜合考慮與現(xiàn)有建筑物相結(jié)合，并配置相應(yīng)排澇航運(yùn)設(shè)施；山東段梁濟(jì)運(yùn)河與柳長河輸水線路結(jié)合航運(yùn)要求，與交通部門聯(lián)合設(shè)計(jì)通航建筑物，提高了工程綜合效益；云南滇池補(bǔ)水工程等跨流域調(diào)水可部分解決生態(tài)環(huán)境供水，改善生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化地區(qū)的狀況。

6.施工技術(shù)的進(jìn)步與提高

近5年，解決隧洞開挖中的突涌水、超埋深、巖爆、穿越大型軟弱夾層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的施工技術(shù)有了長足發(fā)展。在大型結(jié)構(gòu)受力條件復(fù)雜的項(xiàng)目中，地埋式輸水建筑物、大型U形渡槽、取水口水下巖塞爆破等應(yīng)用技術(shù)也取得跨越性突破。近幾年隧洞施工開挖選用新材料、新工藝，洞內(nèi)施工鉆爆、通風(fēng)、出渣、排水、襯砌的效率也有顯著提高。

四、輸水線路與輸水方式

1.長距離輸水線路選線

根據(jù)輸水形式、地形地質(zhì)條件、地面建筑物分布情況，結(jié)合受水區(qū)分布條件，通過綜合比較工程占地、環(huán)境影響、輸水安全、施工條件等進(jìn)行多方案比選。在不改變河道、湖泊防洪調(diào)度原則的情況下，長距離調(diào)水工程宜充分利用水源地與受水區(qū)高差，利用現(xiàn)有河道、湖泊及建筑物。調(diào)蓄水庫壩址應(yīng)根據(jù)輸水線路沿線地質(zhì)條件、用水戶分布，結(jié)合供水時段特點(diǎn)，選擇距離輸水線路較近的天然溝谷洼地。明渠輸水要確定總干渠分區(qū)段水頭分配，提出控制點(diǎn)水位和全線總體控制性指標(biāo)；對有壓隧洞和管道輸水方式應(yīng)確定全線壓力線及壓力控制點(diǎn)、接合部位的銜接方式以及掌握現(xiàn)有水源點(diǎn)和可選擇的建設(shè)調(diào)蓄水庫位置等。

2.有壓流輸水方式確定

以全系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)為原則，通過分析比選幾條輸水線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，確定輸水線路。對有壓輸水方式應(yīng)進(jìn)行單雙管、全線重力流、加壓壓力流輸水，對線路間調(diào)蓄配水等詳細(xì)技術(shù)應(yīng)進(jìn)行比較。須結(jié)合各受水點(diǎn)現(xiàn)有供水規(guī)模及水源調(diào)整后的供水能力，確定是否需要設(shè)事故水源、事故水池或采用雙管供水。

對多目標(biāo)有壓供水，要根據(jù)各城市現(xiàn)有給水設(shè)施的狀況及水源的調(diào)整，如采用單管輸水必須配套有事故水池或事故水源；根據(jù)全程壓力線分析選定雙管重力自流輸水，具有安全性高、節(jié)能、保證水質(zhì)安全、運(yùn)行管理方便以及可以分期建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)；雙管中途加壓輸水增加能耗，運(yùn)行管理不方便，長期運(yùn)用成本高。

3.壓力洞與明流洞輸水方式比較

與明流輸水相比，壓力洞可以最大限度利用水頭使過水?dāng)嗝孀冃?。正常引水期壓力洞操作簡單，引水量由水庫水位自動調(diào)節(jié)，不必像明流洞那樣為滿足均勻引水，進(jìn)口工作門需隨庫水位變化隨時調(diào)整開度。壓力洞輸水存在水頭損失、檢修工況外水壓力、工況組合對結(jié)構(gòu)的要求等問題，對工程投入要作方案比選。

五、長隧洞掘進(jìn)施工技術(shù)

深埋長隧洞工程的施工原則是：優(yōu)先采用先進(jìn)的TBM（全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)）施工，對于大規(guī)模斷層破碎帶洞段、可能產(chǎn)生突發(fā)性涌水的巖溶性地層洞段和可掘進(jìn)性差的石英砂巖洞段，則應(yīng)采用常規(guī)的、經(jīng)驗(yàn)成熟的鉆爆法施工。采用TBM施工可充分發(fā)揮其掘進(jìn)速度快、施工質(zhì)量穩(wěn)定、安全作業(yè)條件好、對生態(tài)環(huán)境影響小的優(yōu)勢；而對于各種不利地質(zhì)條件洞段，采用經(jīng)驗(yàn)成熟的鉆爆法施工，又可以充分發(fā)揮其機(jī)動性和靈活性，確保施工的順利進(jìn)行。

根據(jù)國內(nèi)外TBM施工的統(tǒng)計(jì)資料分析，將選型依據(jù)按其重要性排列如下：工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、斷面形狀和大小、環(huán)境因素、支護(hù)襯砌類型、洞線走向及坡度、工期和造價、安全施工要求、輔助工法和其他動力設(shè)備條件。各種型式的TBM都有一定的適用條件，硬巖輸水隧洞施工主要采用開敞式TBM，軟巖或地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、因襯砌結(jié)構(gòu)配置上的要求等多采用雙護(hù)盾TBM。長隧洞TBM開挖與常規(guī)鉆爆法相比沒有爆破震動、巖體擾動最小，有利于維持圍巖原有特性而且應(yīng)力釋放均勻。根據(jù)硬巖彈性波測試和孔內(nèi)加載試驗(yàn)，松弛區(qū)域內(nèi)的彈性波速度約降低40%～60%；在中硬巖中掘進(jìn)松動圈厚度只有0.1～0.3 m，而鉆爆法圍巖松動圈厚度一般達(dá)0.6～1.5 m。掘進(jìn)機(jī)前期準(zhǔn)備工作復(fù)雜費(fèi)時，但實(shí)施時掘進(jìn)速度快，尤以長隧洞開挖最為突出；不襯砌隧洞可以減小糙率，滿足水力學(xué)條件要求，襯砌隧洞可節(jié)省混凝土澆筑，施工開挖安全有保障。對不具備布置施工支洞且單洞距離較長的工程可降低造價和加快施工進(jìn)度。

六、輸水工程管材的選用

對于長距離、高壓力、大口徑、溫差大的壓力管道輸水工程，其管材的選擇十分重要。根據(jù)管道所處位置的工程特性，國內(nèi)常用的可比選的管材有鋼管 （SP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）、預(yù)應(yīng)力混凝土管（PCP）、玻璃纖維增強(qiáng)熱固夾砂樹脂管（RPMP）等。比選的內(nèi)容包括管材設(shè)計(jì)指標(biāo)的適用性、運(yùn)行安全與耐久性，管材價格，管材生產(chǎn)能力與質(zhì)量保證等。

PCCP管工作壽命較長，可承受的工作壓力為0.4～2.0 MPa，管接頭可承受3.0 MPa以上的壓力，并可承受更大的外荷載；采用經(jīng)水壓檢驗(yàn)的鋼筒解決了常規(guī)混凝土管存在的滲水問題；設(shè)計(jì)糙率系數(shù)取n=0.011～0.013，管線在運(yùn)行服務(wù)期內(nèi)能保持很高的通水能力；適應(yīng)溫差變形與不均勻沉降能力較好；具有國內(nèi)生產(chǎn)線制造工藝成熟、管材造價較低等優(yōu)點(diǎn)。PCCP管的缺點(diǎn)是管體自重大，運(yùn)費(fèi)較高，安裝不便，管道接頭多，相同流量時需要的管徑較大，維修較困難。

在管線通過地形起伏較大地區(qū)、穿越公路鐵路或大型河道時，PCCP管施工安裝難度大，一般采用鋼管銜接。有腐蝕性埋管地段采用防腐性能好的玻璃鋼夾砂管材是合適的，應(yīng)注意原材料的質(zhì)量控制和施工安裝技術(shù)到位。球墨鑄鐵管（DIP）具有良好的承壓和耐久性能，但管材造價較高，適用于距離較短和要求較高的線路。

七、有壓輸水安全保障措施

1.安全問題

供水安全要求是在出現(xiàn)事故時輸水管線仍能保證輸送設(shè)計(jì)流量。實(shí)際運(yùn)行中可能造成加壓輸水管線破壞的主要原因有：泵站突然停電造成停泵水錘引起的最大水錘升壓和最大降壓以及水泵最大反轉(zhuǎn)速；管道初次充水及突然停泵再次啟動，事故檢修或正常停水后再次啟動水泵的氣爆型水錘；爆管工況及重力壓力流段的管內(nèi)靜壓過高等。為解決上述工況對管道可能造成的破壞，有壓供水工程分別采用減壓閥（調(diào)控閥）、穩(wěn)壓塔（調(diào)壓井）、緩閉液控蝶閥、空氣閥和注水池等保障輸水系統(tǒng)的安全。

2.連通管設(shè)置

《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ13—86）規(guī)定輸水干管一般不宜少于兩條，輸水干管和連通管管徑及連通管根數(shù)應(yīng)按輸水干管任何一段發(fā)生事故時，其下游管段仍能通過70%的事故水量、上游仍按100%設(shè)計(jì)流量考慮。當(dāng)有安全貯水池或其他安全供水措施時也可修建一條管線。

3.穩(wěn)壓塔設(shè)置

穩(wěn)壓塔的設(shè)置應(yīng)在保證各種運(yùn)行工況且不溢流的前提下，使輸水系統(tǒng)出現(xiàn)靜壓時盡量接近管道工作壓力，從而達(dá)到降低工程投資的目的。長距離輸水工程的穩(wěn)壓塔設(shè)置要根據(jù)有壓輸水的工程特性，通過過渡過程分析計(jì)算加以確定。穩(wěn)壓井又可以大量釋放管道運(yùn)行時存在的氣體，在管道運(yùn)行出現(xiàn)負(fù)壓時盡快注水或注氣，均能有效保證管道運(yùn)行安全。

4.空氣閥設(shè)置

在輸水管道的適當(dāng)位置設(shè)置空氣閥是保證輸水管線安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一種有效方法?？煞謩e選用空氣釋放閥、空氣/真空閥及復(fù)合式空氣閥來解決管線中的進(jìn)、排氣問題?？紤]管線放空、爆管等工況時，需要空氣閥大量進(jìn)氣，有時僅靠進(jìn)排氣閥進(jìn)氣，可能滿足不了進(jìn)氣量的要求，因此需要設(shè)置真空吸氣閥，解決大量進(jìn)氣問題，真空吸氣閥相對進(jìn)排氣閥可制成大口徑。

5.輸水管道泄水閥的設(shè)置

管道鋪設(shè)后，為排出施工時殘留在管底的泥沙及其他遺留物，為了清洗管道使管道輸送水質(zhì)符合衛(wèi)生要求，同時為了檢修維護(hù)管理方便，必須在輸水管道的低凹處設(shè)置適當(dāng)?shù)呐潘ǖ?。結(jié)合排水通道的過水能力和管線的排水時間不大于5 h的要求，選擇合理的排水管道口徑。排水閥的直徑為1/3輸水干管管徑，數(shù)量保證檢修段排空時間不超過5 h。

6.輸水管道調(diào)控（流）閥的設(shè)置

調(diào)控閥除可用來調(diào)控管道的水量外，更主要的作用是用來削減水庫高水位時的多余水頭。調(diào)控閥采用活塞式，該閥不僅具有閘閥、蝶閥啟閉功能，還可通過活塞的軸向移動，調(diào)節(jié)閥門的不同開度，調(diào)控管道的流量和壓力，使之滿足設(shè)計(jì)或運(yùn)行的要求。由于調(diào)控閥造價較高，調(diào)流、調(diào)壓時首先應(yīng)考慮設(shè)置普通閥，再考慮設(shè)置調(diào)控閥。但是普通閥門調(diào)流、調(diào)壓的能力有限，易發(fā)生空蝕，因此必須根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)工況具體分析。在選擇確定調(diào)控閥前，必須切實(shí)分析系統(tǒng)的運(yùn)行工況，確定調(diào)控閥的流量及閥前、閥后壓力，方能合理地確定調(diào)控閥的型式及直徑。

八、初期調(diào)度運(yùn)行

通水方案和操作規(guī)程的選擇是長距離輸水管道系統(tǒng)十分重要的環(huán)節(jié)，有壓輸水管道通水方案包括全線充水靜態(tài)升壓、全線充水動態(tài)升壓、分段充水靜態(tài)升壓、分段充水動態(tài)升壓。以新建工程為例：吉林中部城市供水農(nóng)安支線應(yīng)急輸水 （線路全長105.4 km），一條 PCCP和PCP管道串聯(lián)一級泵站加壓輸水，2008年10月在試運(yùn)行階段對整個輸水系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)組斷電等工況的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合，初步驗(yàn)證了水力過渡過程邊界條件選擇、水力瞬變特性預(yù)測以及控制措施選取的合理性。

九、結(jié) 語

目前在建的引調(diào)水工程有待完善。如大型跨流域調(diào)水工程的供水配置與控制，長距離有壓輸水運(yùn)用期多目標(biāo)調(diào)度運(yùn)用，壓力洞輸水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算和調(diào)壓塔的合理布置，長距離輸水系統(tǒng)安全閘閥布置等。應(yīng)更加注重水資源與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，在工程布置、專項(xiàng)設(shè)計(jì)、棄渣利用等方面做得更好，還要進(jìn)一步落實(shí)局部地區(qū)水資源配置和真實(shí)性需求，將城市和工業(yè)發(fā)展長期擠占生態(tài)用水的問題加以解決。

[1]中國水利水電勘測設(shè)計(jì)協(xié)會.調(diào)水工程應(yīng)用技術(shù)研究與實(shí)踐[M].中國水利水電出版社，2009.