• 引江补汉工程关键技术攻关的相关思考

  • 2022-11-11 03版
  • 俯瞰丹江口水库。
    盾构机掘进效果图。
    引江补汉工程出口段已进入全面建设阶段,累计完成土石方开挖44.5万立方米。图为出口段混凝土拌合站和试验室建设现场。

    ■中国工程院院士钮新强

      引江补汉工程作为南水北调中线工程的后续水源,从长江三峡水库自流引水至汉江丹江口水库坝下,是首个开工建设的南水北调后续工程大型项目,是2020至2022年国家重点推进的150项重大水利工程建设项目之一,是构建完善国家骨干水网的标志性工程。
      引江补汉工程开工4个月来,输水总干线出口段工程已进入全面建设阶段。工程从前期规划设计,到建设施工,再到后期运行管理,面临诸多世界级的技术难题。复杂地质下勘探采用何种技术,隧洞掘进如何降低风险,如何实现更高水平的智慧化调度和智能化管理……一场艰苦卓绝的技术攻坚战已经打响。

    ——题记


      引江补汉工程是我国在建单洞长度最长、洞径最大、综合难度最高的长距离引调水工程,主要通过深埋长隧洞输水,输水线路总长194.8公里,其中输水隧洞长194.3公里。工程特点可以总结为“超长深埋、地质复杂、超大断面、有压输水”。工程面临突泥涌水、软岩变形、强岩爆、大断裂、高地温、有毒气体等多重挑战,关键技术涉及地质勘探、设计、施工、智慧调控等方面。

    深埋长大隧洞地质勘探技术
      引江补汉工程输水隧洞穿越地层众多、地质条件复杂,具有“三高、两多、一软、一活动”特点:
      “三高”即高地应力、高外水压力、高岩石强度。沿线实测水平主应力达35.2兆帕,已开展的钻孔实测洞线区域最大水压超过5兆帕。超硬岩分布范围广,实测最大岩石强度达281兆帕。
      “两多”即断层多、地下水多。输水隧洞穿越区域性断裂7条,地区性断层50余条,其中著名的青峰断裂带总宽度达6公里以上。隧洞沿线地下水丰富,预测可能发生涌水洞段长约37.5公里。
      “一软”指隧洞穿越软质岩总长度达58.5公里,占比约30%,预测可能发生中等及以上软岩大变形的洞段长约18公里。
      “一活动”指输水隧洞穿越两条蠕滑型活动断裂,分别为通城河断裂和“城口—房县”断裂,其中通城河断裂实测年均位移量约0.3毫米。
      为应对复杂的工程地质问题,在工程勘察设计阶段,综合采用了多种勘察技术和手段,并在遥感、钻探、测试、试验等方面开展了新技术探索和应用,形成了基于三维实景影像的地质信息解译技术、超深大顶角斜孔及水平孔钻探技术、超深复合定向钻探技术、超深孔压水试验技术、千米级深孔地应力测试技术等。
      隧洞开挖时,对掌子面前方不良地质体进行探测并对地质灾害进行超前预报十分重要。由于目前勘察装备和评价理论的局限性,不良地质体超前探测与预报精度尚难以满足工程建设需要,应从可靠、高效获取隧洞围岩工程地质特征参数的关键装备研制出发,开展物探方法、钻探工艺、测试技术攻关,构建安全、高效、合理的超前勘察技术体系。

    深埋长大隧洞总体施工方案
      “长洞短打、分段掘进”是超特长隧洞施工的基本方法。如何合理划分施工段和优选施工方案,既能充分发挥TBM(全断面硬岩隧道掘进机)优势,提高施工效率,又能利用钻爆法开挖不良地质洞段,规避施工风险,达到综合效益最优的目标,是一个极为复杂而重要的问题。
      引江补汉工程隧洞开挖采用“TBM法+钻爆法”组合的总体施工方案,充分考虑了TBM及其配套设备性能和国内现有承包商的技术能力和管理水平,紧密结合隧洞工程地形地质条件与结构要求,以期实现缩短工期、减少辅助工程设施及附加工作量、降低施工成本的目标。
      引江补汉工程隧洞是我国在建项目投入超大直径TBM施工最多的隧洞,共采用9台TBM集群施工,开挖直径达12.2米,为非常规的超大直径TBM。隧洞对TBM结构件刚度、大直径主轴承等关键部件的性能、支护系统的配备与优化、超前预处理及卡机脱困辅助设施配置等方面要求高,而现有设备设计与制造的参考经验有限。
      在TBM功能配置方面,亟需提升TBM设计与制造技术,增强复杂地质条件下超大直径TBM的适用性。针对不同的地质条件,尤其是局部不良地质洞段,研究不同类型TBM相应的功能配置要求,解决和克服超大直径TBM施工过程中面临的诸多不确定因素,总结形成一套成熟的超大直径TBM功能配置关键技术。

    深埋长大隧洞关键地质问题及对策
      引江补汉工程输水隧洞地质条件复杂,隧洞施工面临涌水突泥、软岩大变形、坚硬岩岩爆、活动断裂错动影响等工程地质问题,对工程施工安全、投资控制与工期保障存在不利影响。
      工程沿线穿越黄陵背斜、聚龙山复式向斜、青峰断裂带等多个构造单元,部分洞段具有围岩软弱破碎、地下水水头高且补给充足等特点,高压富水破碎地层的涌水突泥灾害是工程建设中最突出的施工风险。
      应对涌水突泥问题,一是遵循“绕避优先、避重就轻”原则,在选线过程中最大限度避开或短距离穿越易发生隧洞地下水害的强岩溶区和大断裂带。二是“超前物探+超前钻探”相结合开展超前地质预报,提前探明富水构造,并采取“封堵、排水减压、疏导、绕行”等针对性处置措施。三是超前注浆加固,根据现场实际综合考虑洞内超前灌浆、地表超前复合定向钻灌浆。四是超前支护,在超前灌浆堵水完成后采取超前管棚等措施,确保下一步开挖围岩安全稳定。
      输水隧洞穿越高地应力软弱岩地层时面临软岩大变形风险,主要危害表现为围岩变形侵限、支护破坏、TBM频繁卡机等,甚至是二衬开裂,影响结构寿命。对于软岩大变形问题,总体上采用“监测预警、超前支护、预留变形、初支加强、及时封闭、底部加强、衬砌紧跟、动态优化”等措施应对。对特别严重洞段考虑“放抗结合、主动支护、分层施作”的软岩大变形控制理念,具体采用让压支护、预应力锚杆(索)、双层初期支护等措施。
      工程线路存在中等岩爆风险的洞段长约25公里。岩爆防治遵循“以防为主、防治结合”原则,施工过程中结合岩爆监测预警,综合采用强支护、应力解除爆破、超前应力释放、喷水或钻孔注水软化等防控措施。TBM施工洞段优先考虑护盾式TBM,通过管片结构降低施工安全风险及爆渣清理对掘进速度的影响。针对强烈岩爆洞段,则采用以重型钢管片为主的综合防护措施。
      输水隧洞穿越两条蠕滑型活动断裂,针对活动断裂的主要设计思路:一是铰接设计,增加衬砌在轴向的自由度,以适应断层错动位移。二是超挖设计,预留出断层错动变形空间。三是隔离设计,在初支和二衬之间充填柔性缓冲层,以适应断层错动位移,避免或减小衬砌结构受到的影响。

    水网工程精细精准智慧调度技术
      引江补汉工程实施后形成了以三峡水库和丹江口水库为水源,南水北调中线一期工程、引汉济渭工程、鄂北地区水资源配置工程等为通道,长江、汉江流域与京津华北地区为供水对象的水网综合工程体系。工程调度涉及多水源、多通道、多用户、多目标的均衡优化配置问题,需要厘清水量调配、水力控制、水质保护的互馈响应机理,协调好流域、区域等不同空间尺度和月、旬、实时等不同时间尺度间调度的“解耦—耦合”关系。
      已有研究成果多集中在单一工程或小尺度区域,难以支撑水网工程精细化、精准化、智能化调度,亟待开展相关技术研究。创新水网系统则采用多尺度多过程高效模拟技术,研究水网跨区域多目标协同实时调度技术,提出超大规模有压管道系统的水锤防护技术准则及方法模型,突破无压及有压输水系统全情景工况,智能、精准、精细调控技术难题,实现水网多目标时空效益均衡调度,保障水网工程效益充分发挥。

    数字孪生引江补汉工程关键技术
      数字孪生引江补汉工程旨在服务和保障全生命期工程安全、供水安全、水质安全等,建设可计算、可推演、可追溯、可决策的工程数字孪生体,打造各参建方协同、全生命期业务应用一体化的管理工作平台,形成数字孪生创新平台,实现从被动应对安全风险转向主动防控,数据驱动工程质量持续优化,促进工程建设体系技术和模式变革,促使工程运维能力现代化和科学化升级。
      现阶段,数字孪生工程主要面临工程信息模型、数据融合和服务标准缺失,专业模型智能化程度不高、智能基因注入不足,以及数字孪生应用场景广度不够、深度不足等问题。亟需构建工程数字孪生体、建设和运维智能模型,挖掘数字孪生应用场景,开展技术攻关。
      作为首个开工的南水北调后续工程重大项目,引江补汉工程在复杂构造条件下地质勘察、大范围多目标水资源配置、工程规模布局论证、复杂地质条件下深埋长大隧洞设计等方面,形成了一系列自主研发的勘察设计技术,高效完成了工程规划论证。未来有望以引江补汉工程为突破口,引领攻克精准高效勘探、不良地质体超前预报与安全高效施工、水网精细精准智慧化调度、数字孪生工程建设等关键技术难题。引江补汉工程的技术攻关可为南水北调西线工程等国家水网重大工程建设提供参考和借鉴。
      

    来源:《中国水利》2022年第18期引江补汉特刊
    本版图片由赵柱军、张世林、赵发提供


    延伸阅读
    规划设想早有渊源
      南方水多,北方水少,如有可能,借点水来也是可以的。1952年,毛泽东同志提出南水北调宏伟构想。实际上,上世纪50年代即有引江补汉工程的相关设想,几十年来,南水北调中线工程规划研究各阶段均包含长江三峡引水方案。
      上世纪50年代:“三丹线”(指从三峡库区引水过丹江口坝下汉江后,继续北上送水至京津)方案提出,直接从三峡库区引水,引江规模590~800亿立方米,引江流量每秒1870~2560立方米。
      上世纪90年代:提出中线推荐一次建成、调水148亿立方米,“三峡+丹库不加高”的方案,从三峡调水76亿立方米,引江流量每秒360立方米。
      2002年:《南水北调工程总体规划》明确提出,中线“近期引汉、远期引江”。其中,中线一期工程调水95亿立方米,二期“扩大输水能力35亿方,多年平均调水规模达到130亿方”;“从长江补水”为中线二期的水源,重点研究了小江、大宁河、龙潭溪方案。
      依托三峡“天赐水源地”,南水北调中线工程具有得天独厚的优势。长江水量丰富,年径流量超4000亿立方米,三峡以上大型水库调节库容842亿立方米。区位优越,供水范围广,沿第三台阶沟通江淮河海四大流域,供水区基本覆盖华北平原(30万平方千米)。水位适中,水能开发影响小,既能基本自流至北京,又基本不影响长江水能资源开发利用。
      论证几十年,引江补汉为何在此时开工?主要在于南水北调中线一期工程通水后发生了新的变化。
      其一,北方受水区、汉江水源区均出现了水资源量衰减情况。
      受水区方面,北方的海河流域2001~2018年系列较1956~2000年系列降水减少30%、水资源量减少25%,且人民群众对北调水的依赖日益增强,对中线供水的稳定性提出了新要求。
      丹江口水库来水丰枯不均导致中线工程供水年际变化较大,存在多水多调、少水少调的情况。数据显示,1956~1998年水文系列中,北调水量达到多年平均95亿立方米的年份仅占62%,年最大调水115亿立方米,年最小调水量仅53亿立方米。
      此外,丹江口1999~2018年系列天然入库径流量,较原规划采用1956~1998年系列减少43亿立方米,如遇汉江连续枯水年,将给汉江中下游生态环境问题带来较大压力。
      其二,受水区现状人口、经济发展已超过原规划2030年水平。
      据2002年《南水北调工程总体规划》测算,2030年,北方受水区城镇人口为7763万人,地区生产总值5.4万亿元,北调水作为受水区城镇供水的补充水源。
      实际情况是什么呢?
      2018年,北方受水城镇人口已达8086万人,地区生产总值8.9万亿元,北调水供水地位由辅变主、目标达效由慢变快、需求依赖由弱变强、工程网络由缺变全。
      截至2021年12月底,南水北调中线一期工程受益城市24个,其中,北京城区供水七成以上为南水;天津主城区供水基本为南水;河南、河北的供水安全保障水平也因南水得到了提升。
      随着京津冀协同发展战略和雄安新区的实施,经济社会用水将进一步增加,预测2035年,北方受水区需北调水量将由95亿立方米增加到128亿立方米。
      引江补汉实施后,将连通三峡水库“大水缸”和丹江口水库“大水盆”,调39亿立方米的南水到汉江,使丹江口水库北调水量增加至115亿立方米。由此,中线起点将由汉江前移到长江干流,为汉江流域和京津冀豫地区提供更好的水源保障。

    三套方案利弊权衡
      引江补汉工程规划设计的重点和难点在于工程规模论证和工程布局。
      从水源区研究来看,不仅要考虑长江流域自然水资源条件,还需考虑长江上游干支流控制性水利工程的调节作用,滇中城市群发展、成渝双城经济圈建设以及未来南水北调西线工程调水对水资源的需求,兼顾引水后对三峡库区、下游两湖(洞庭湖、鄱阳湖)以及南水北调东线工程的影响。
      从受水区来看,工程涉及京津冀豫地区、关中地区、江汉平原等区域,国土面积24万平方公里,需要考虑与受水区当地蓄引提、地下水等各类水源,以及南水北调中线、引汉济渭、鄂北地区水资源配置、引江济汉等大型跨流域调水工程的联合运用。
      基于自主研发的跨流域调水工程水资源配置技术,构建了“长江-引江补汉-汉江-南水北调中线”水资源配置模型,实现了对正常供水、生态调度、应急供水等各类情景的分析和工程规模多方案的快速模拟。
      综合地形地质、取水条件、社会环境等因素,专家给出了三套工程布局方案:
      坝上方案:从三峡水库提水到丹江口水库,存在水质风险。
      坝下方案:全程自流引水到丹江口水库坝下,可兼顾沿线湖北受水区的用水需求,无丹江口水库水质降类风险。与中线“增源挖潜扩能”的总布局思路协调,充分利用中线一期总干渠输水能力,经济性好,达效快,关键是能全程自流输水,运行成本低。
      坝下坝上结合方案:兼顾湖北、重庆等多方利益,但经济性相对较差。
      坝下方案风险相对可控,经济性好,供水成本低,因此专家最终推荐了坝下方案。
      坝下方案工程区处于中国第二阶梯东缘向第三阶梯过渡地带,属大巴山系东段以及秦岭山系东南余脉,地势呈中间高南北低、西高东低的特征。工程区断层褶皱发育,软质岩及可溶岩广泛分布,地质条件十分复杂。工程实施后,将创造“六个最”:我国在建长度最长的有压引调水隧洞,我国在建洞径最大的长距离引调水隧洞,我国在建引流量最大的长距离有压引调水隧洞,我国在建一次性投入超大直径TBM施工最多的隧洞,我国在建洞挖工程量最大的引调水隧洞,我国在建综合难度最大的长距离引调水隧洞。
      引江补汉工程的技术攻关和研究方面取得的成果,将为以后国家水网建设,特别是西线工程和西部的一些调水工程,提供技术借鉴和工程预演。

    许安强 赵发

分享到微信朋友圈