張忠東，宋曉峰，肖 瑜

（陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，710100，西安）

一、工程概況

陜西省引漢濟渭工程是 《全國水資源綜合規(guī)劃》《渭河流域重點治理規(guī)劃》和《渭河流域重點治理規(guī)劃陜西省水利項目實施方案》中確定的跨流域調(diào)水工程。主要功能是向渭河沿岸重要城市、縣城、工業(yè)園區(qū)供水，逐步退還擠占的農(nóng)業(yè)與生態(tài)用水，緩解用水矛盾，同時也是陜北能源化工基地實現(xiàn)引黃置換配置目標(biāo)的戰(zhàn)略性水源工程。

引漢濟渭工程以漢江干流黃金峽水庫及其支流子午河的三河口水庫為水源，由黃金峽泵站自黃金峽水庫提水，匯聚三河口水庫水源，通過無壓引水隧洞，自流調(diào)水至關(guān)中周至縣境內(nèi)的黃池溝，最終連接關(guān)中供水網(wǎng)絡(luò)。為有效緩解關(guān)中地區(qū)水資源供需矛盾，引漢濟渭工程采用整體一次立項建設(shè)，分期配水。工程2025年多年平均調(diào)水量10億m3，在南水北調(diào)后續(xù)水源工程建成后，2030年多年平均調(diào)水量15億m3。

二、工程建設(shè)的關(guān)鍵及關(guān)鍵技術(shù)研究的必要性

引漢濟渭工程難度大，技術(shù)復(fù)雜，多項參數(shù)突破世界同類工程紀(jì)錄，也超越了現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范，無現(xiàn)成工程實例可以參考，也無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可遵循。工程的設(shè)計、施工、運行均面臨諸多風(fēng)險。

①秦嶺隧洞全長98.26km，橫穿秦嶺山脈，分為黃三段（16.48km）和越嶺段（81.78 km），最大埋深達 2 012 m，隧洞長度和埋深綜合排名世界第一。整個隧洞工程具有超長、大埋深、地質(zhì)條件復(fù)雜、高地溫、高地應(yīng)力的特征，沿線分別穿越大理巖、花崗巖、閃長巖、千枚巖夾變質(zhì)砂巖，隧洞埋深最大處原巖地溫預(yù)計可達到42℃，最大水平地應(yīng)力預(yù)計超過50～60 MPa。

②三河口水利樞紐為引漢濟渭工程的重要組成部分，主要由大壩、壩身泄洪系統(tǒng)、壩后泵站、電站以及連接洞組成，其中大壩為145 m高的碾壓混凝土雙曲拱壩，壩高僅次于目前最高的萬家口子碾壓拱壩，為國內(nèi)承受上游水推力最大的拱壩，同時大壩地質(zhì)地形條件十分復(fù)雜。三河口水利樞紐水泵水輪機單機容量12MW，設(shè)計水頭93.5m，工作范圍65～100m，是目前國內(nèi)水頭變幅范圍最大的可逆機組。

③三河口水利樞紐的機組分別具有抽水（向水庫補水）和發(fā)電（向關(guān)中地區(qū)供水）兩種運行情況，現(xiàn)將二者合并，在同一廠房中裝設(shè)可逆式水泵水輪機機組和常規(guī)水輪發(fā)電機組。利用抽水蓄能技術(shù)選用水泵水輪機機組來適應(yīng)抽水和發(fā)電兩種功能，減少設(shè)備投入和土建工程量。黃金峽泵站的裝機容量為126 MW，名列亞洲前茅；三河口水位變幅較大，造成電站上下游水位差在10.3～99.55 m之間變動。兩座泵站和三河口電站機組參數(shù)的選擇十分困難，直接關(guān)系工程技術(shù)難度和建設(shè)運行管理成本。

④漢江水源區(qū)來水豐枯變化大，而調(diào)水工程主要供秦嶺以北的工業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水，需水過程相對穩(wěn)定，所以對調(diào)水工程的調(diào)蓄能力有很高的要求。引漢濟渭工程配置情況復(fù)雜，工程聯(lián)動難度大。由于抽水高程的限制，水庫調(diào)蓄功能難以發(fā)揮。所以，迫切需要開展引漢濟渭工程水資源配置方案研究，科學(xué)規(guī)劃受水區(qū)地表水、地下水、外調(diào)水等多水源、多用戶的水資源合理配置，同時注重水資源保護。配置研究還需打破受水區(qū)的地域界限，探索關(guān)中平原渭河用水權(quán)與陜北高原黃河北干流用水權(quán)的置換問題，擴大引漢濟渭工程的受益范圍，以“引漢濟渭水”間接支撐陜北能源化工基地的建設(shè)和發(fā)展。

⑤引漢濟渭工程調(diào)水的科學(xué)過程和如何減小對南水北調(diào)中線工程的影響，是工程調(diào)度運行的關(guān)鍵問題。怎樣用好引漢濟渭工程的水量并使其引水過程與當(dāng)?shù)匦杷鄥f(xié)調(diào)，盡量減少引漢濟渭工程的運行成本，提高工程安全性，充分發(fā)揮引漢濟渭工程的綜合效益，都是需要深入研究的問題。此外，引漢濟渭水源區(qū)與受水區(qū)水資源聯(lián)合調(diào)度研究，也需要考慮不同管理方式對水源區(qū)、受水區(qū)各自水資源調(diào)度方式的影響，以及對水源區(qū)、受水區(qū)之間供需平衡的影響等因素。

綜上所述，該工程將改寫多項國內(nèi)或國際工程記錄，工程的建設(shè)將面臨極大考驗。面對引漢濟渭工程牽涉面廣，影響因素多，難度極大的特點，開展引漢濟渭工程關(guān)鍵技術(shù)研究，解決工程建設(shè)帶來的眾多科學(xué)技術(shù)問題就顯得尤為重要。

三、工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究的主要內(nèi)容及目的

1.深埋超長隧洞設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）研究內(nèi)容

①超長深埋隧洞圍巖基本工程特性研究。主要進行超長深埋隧洞圍巖室內(nèi)試驗，并結(jié)合相關(guān)現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬試驗對巖體力學(xué)強度特征、巖體蠕變特性、巖體滲流特性以及隧洞的圍巖巖體應(yīng)力場進行深入研究。

②不利地質(zhì)突涌水誘發(fā)條件及工程處理措施研究。主要針對隧洞超前地質(zhì)預(yù)報的新技術(shù)研究、地下水的預(yù)報以及涌水的新型封堵處理措施等技術(shù)研究。

③高地應(yīng)力巖爆預(yù)測與防治技術(shù)研究。主要包含高地應(yīng)力巖爆預(yù)測與防治技術(shù)研究、圍巖巖爆發(fā)生的破壞機理研究、巖爆現(xiàn)象模擬、圍巖初始和二次應(yīng)力場模擬等。

④高地應(yīng)力圍巖變形與穩(wěn)定性分析及支護設(shè)計。包含軟巖沿徑向深度分區(qū)、不同分區(qū)深度確定方法和軟巖分區(qū)的影響因素研究；支護荷載與圍巖變形規(guī)律研究；圍巖在不同變形情況下強度特征，圍巖在允許不同變形下所需支護荷載的關(guān)系規(guī)律研究；軟巖大變形的支護技術(shù)研究；復(fù)合型支護技術(shù)的聯(lián)合作用機理和支護的參數(shù)設(shè)計研究。

⑤通風(fēng)及TBM施工工藝關(guān)鍵技術(shù)問題研究。施工通風(fēng)是超長隧洞施工的世界難題。通風(fēng)質(zhì)量的好壞直接影響施工進度、施工測量及工人的身體健康，是制約長隧洞施工的關(guān)鍵因素之一。另外TBM組裝工藝技術(shù)、克服巖爆的工藝技術(shù)等方案的優(yōu)化研究，也是影響TBM施工的主要因素。

（2）研究目的及技術(shù)難點

①超長深埋隧洞圍巖基本工程特性研究。全面分析深埋高地應(yīng)力、高地溫等復(fù)雜條件下巖體工程特性，合理確定工程中需要的巖體強度、變形等參數(shù)及其變異特性。

②不利地質(zhì)條件涌水突泥誘發(fā)條件及工程處理措施研究。在超長深埋隧洞中如何通過物探、鉆探等技術(shù)手段弄清隧洞所處地帶的地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)情況和地下水的水力學(xué)特性，是解決涌水突泥的關(guān)鍵所在。

③高地應(yīng)力巖爆預(yù)測與防治技術(shù)研究。發(fā)生巖爆的脆性圍巖微破裂面破壞機制和破壞準(zhǔn)則及擴展過程的研究，是巖爆發(fā)生機理探討的核心內(nèi)容，也是本項目的最大難點之一。

④高地應(yīng)力圍巖變形與穩(wěn)定性分析及支護設(shè)計。擬采用的固體力學(xué)和流體力學(xué)進行高地應(yīng)力區(qū)軟巖變形機理來描述軟巖的 “固體—流體”雙重特性是本項研究的難點。

⑤TBM施工支護關(guān)鍵技術(shù)問題研究。根據(jù)實際采用的TBM具體機型，通過各種理論計算，分析各種不利地質(zhì)條件下的支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提出TBM施工的各種施工預(yù)案和在不利地質(zhì)條件下的支護方案以及相應(yīng)對策和處理措施，確保施工安全。

2.碾壓混凝土高拱壩關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）研究內(nèi)容

①混凝土拱壩數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。建立溫度梯度監(jiān)控、分析與預(yù)警系統(tǒng)，對混凝土拱壩的內(nèi)外溫差、上下層溫差進行有效監(jiān)控，避免施工期裂縫的產(chǎn)生。

②拱壩混凝土溫控防裂標(biāo)準(zhǔn)和措施跟蹤研究。在設(shè)計與施工的各個階段，進行拱壩混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)和措施的研究，制定安全可靠、經(jīng)濟合理的拱壩混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)和措施，并結(jié)合數(shù)字監(jiān)控的需要，將溫度控制標(biāo)準(zhǔn)和措施進一步細(xì)化。

③基于數(shù)字監(jiān)控的碾壓混凝土拱壩施工質(zhì)量控制指標(biāo)研究。通過一系列的現(xiàn)場試驗，對現(xiàn)有施工質(zhì)量控制指標(biāo)體系進行深入研究，建立既能有效控制碾壓混凝土施工質(zhì)量又能符合數(shù)字監(jiān)控要求的質(zhì)量控制方法和指標(biāo)體系。

（2）研究目的及技術(shù)難點

碾壓混凝土拱壩的施工質(zhì)量是施工成敗的關(guān)鍵。要通過大量試驗，建立碾壓混凝土施工質(zhì)量控制的指標(biāo)體系，建立數(shù)字監(jiān)控平臺，服務(wù)于引漢濟渭工程拱壩施工質(zhì)量的全過程控制。

3.泵站與電站設(shè)計及運行關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）研究內(nèi)容

①對國內(nèi)外水泵及水泵水輪機的技術(shù)發(fā)展水平、機組運行情況進行調(diào)研與交流。

②結(jié)合國內(nèi)外水泵與水泵水輪機的技術(shù)發(fā)展趨勢，對黃金峽與三河口泵站機組參數(shù)進行優(yōu)化研究。

③開展黃金峽與三河口泵站水泵水力模型優(yōu)化研究。根據(jù)參數(shù)優(yōu)化研究獲得兩座泵站的水泵基本參數(shù)，利用數(shù)值優(yōu)化設(shè)計技術(shù)和高精度水力機械模型試驗臺，比選出水泵水力模型方案，進行模型試驗研究，優(yōu)選后提出可供黃金峽與三河口泵站選擇的性能優(yōu)良的水泵水力模型。

④針對三河口水電站寬水頭變幅條件，開展水輪機優(yōu)化解決方案研究。根據(jù)優(yōu)選后的水輪機基本參數(shù)，利用數(shù)值優(yōu)化設(shè)計技術(shù)和高精度水力機械模型試驗臺，比選出水輪機水力模型方案，進行模型試驗研究，優(yōu)選后提出可供三河口水電站選擇的性能優(yōu)良的水輪機水力模型。

⑤針對三河口電站可逆式機組，開展三河口可逆式水泵水輪機水力模型優(yōu)化研究。根據(jù)優(yōu)選后的三河口水泵水輪機基本參數(shù)，利用數(shù)值優(yōu)化設(shè)計技術(shù)和高精度水力機械模型試驗臺，比選出水泵水輪機水力模型方案進行模型試驗研究，對各項參數(shù)優(yōu)選后提出可供三河口電站選擇的性能優(yōu)良的水泵水輪機水力模型。

（2）研究目的及技術(shù)難點

①寬水頭變幅條件下的水泵、水輪機及水泵水輪機的選型及其啟動與運行的解決方案。

②高揚程、大流量泵站的水泵參數(shù)的優(yōu)選，設(shè)計、制造與運行難度和泵站造價的綜合平衡。

③新型高揚程、大流量、高效水泵開發(fā)，以及新型高效可適應(yīng)寬水頭變幅的水泵、水輪機及水泵水輪機的研發(fā)。

4.水資源配置關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）研究內(nèi)容

以研究區(qū)水資源及其開發(fā)利用評價為基礎(chǔ)，以統(tǒng)籌考慮水量和水質(zhì)供需平衡分析為核心，將自然水循環(huán)和水資源利用的供、用、耗、排水過程緊密聯(lián)系，建立集成需水、節(jié)水、保護、供水、水資源供需平衡分析、水量平衡分析等功能模塊為一體的水資源配置模型。根據(jù)未來不同供用水策略設(shè)置配置方案集，進行多目標(biāo)方案比選，分析引漢濟渭水量與本地水源、黃河引水的聯(lián)合配置關(guān)系，提出合理的水資源配置格局與配置方案。

（2）研究目的及技術(shù)難點

①架構(gòu)全方位水資源配置模型。

②考慮研究區(qū)現(xiàn)有水源配置格局和相應(yīng)的供水設(shè)施等條件，分析不同模式水源轉(zhuǎn)換的成本效益關(guān)系。

③研究生態(tài)環(huán)境用水和國民經(jīng)濟用水的統(tǒng)一配置。

④研究引漢濟渭工程與南水北調(diào)工程之間的關(guān)系，協(xié)調(diào)地方與國家利益。

⑤由于現(xiàn)有引漢濟渭工程調(diào)蓄能力不足，但需水過程穩(wěn)定，特別是枯水期難以有足夠水源保障，需要深入研究如何將外調(diào)水量與當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水統(tǒng)一聯(lián)合配置。

5.引漢濟渭工程運行調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）研究內(nèi)容

多臂鉆臺車在施工現(xiàn)場掘進施工

①引漢濟渭水源區(qū)水庫、電站、泵站聯(lián)合調(diào)度方案研究。以引漢濟渭水源區(qū)多年平均供水量最大、枯水年供水量最大、系統(tǒng)運行費用最低等為調(diào)度目標(biāo)，研究黃金峽、三河口水庫的聯(lián)合調(diào)度方案，特別是三河口水庫的泵站提水、供水調(diào)度過程，制訂黃金峽、三河口水庫的聯(lián)合供水、發(fā)電調(diào)度方案及調(diào)度規(guī)則。同時根據(jù)聯(lián)合調(diào)度方案給出不同水平年水源區(qū)可調(diào)水量過程。

②引漢濟渭對南水北調(diào)中線、漢江流域供水、發(fā)電影響研究。以引漢濟渭水源區(qū)聯(lián)合調(diào)度方案為邊界，分析引漢濟渭水源區(qū)不同調(diào)度方式將對丹江口水庫的防洪、供水、發(fā)電調(diào)度產(chǎn)生的影響，并優(yōu)化丹江口水庫的防洪、供水、發(fā)電調(diào)度過程。研究引漢濟渭水源區(qū)不同調(diào)度方案對南水北調(diào)中線多年平均供水過程、枯水年供水過程等影響，對漢江中下游防洪、供水、發(fā)電調(diào)度過程等影響。

③引漢濟渭工程受水區(qū)水量調(diào)度研究。優(yōu)化受水區(qū)水利工程的運行方案，提出適應(yīng)于引漢濟渭外調(diào)水過程的最優(yōu)調(diào)度方式。在受水區(qū)各個地市、城市之間公平分水的基礎(chǔ)上，追求受水區(qū)水資源綜合利用效益最大化。針對供需平衡結(jié)果提出推薦方案及對策。同時還將研究全局優(yōu)化與市場機制相結(jié)合的受水區(qū)水資源分配方式。

④引漢濟渭水源區(qū)、受水區(qū)聯(lián)合調(diào)度機制與方案。引漢濟渭調(diào)水從三河口水庫到受水區(qū)各個取水口門之間沒有調(diào)蓄工程，為干線水量調(diào)度及水量分配提出了挑戰(zhàn)。實現(xiàn)引漢水量的充分利用，減少外調(diào)水棄水。提出符合引漢濟渭工程的輸水干線水量調(diào)度技術(shù)體系，并擬通過構(gòu)建基于優(yōu)化技術(shù)的水量分配模型為輸水干線調(diào)度提供軟件支撐。

(2)研究目的及技術(shù)難點

①水庫、電站、泵站群聯(lián)合調(diào)度模型。水庫、電站、泵站群系統(tǒng)的調(diào)度過程優(yōu)化是一個高度非線性、帶有風(fēng)險不確定性、多時段序貫決策的問題。

②基于二元水循環(huán)理論的水文、水動力學(xué)聯(lián)合模擬與調(diào)度模型。模型中既包括對水庫入流過程預(yù)報、模擬的水文模型，也包括對泵站、隧洞的水動力學(xué)模擬模型。整個模型系統(tǒng)是一個高度復(fù)雜的多尺度水循環(huán)模擬與調(diào)度系統(tǒng)，需要引入并行計算、優(yōu)化算法等多種技術(shù)，同時還需要耦合水循環(huán)模擬模型與水資源調(diào)度模型實現(xiàn)水循環(huán)全過程的模擬與調(diào)度。

③引漢濟渭受水區(qū)水資源調(diào)度是一個多水源、多用戶、多時段的水資源聯(lián)合調(diào)度模型。無論采用優(yōu)化或者規(guī)則方法來構(gòu)建水資源聯(lián)合調(diào)度模型，都需要對這個復(fù)雜的水資源系統(tǒng)進行科學(xué)的概化，同時需要借助大規(guī)模數(shù)學(xué)規(guī)劃算法或者全局優(yōu)化算法來找到全局最優(yōu)解或者滿意解。

四、初步成果應(yīng)用

目前，引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺各標(biāo)段均已進入主洞施工，嶺北、嶺南TBM實現(xiàn)雙向掘進，三河口水利樞紐前期準(zhǔn)備工程已開工建設(shè)。結(jié)合工程建設(shè)進度，引漢濟渭工程已開始多項科研課題的研究工作，部分項目初步成果已在工程實踐中得到應(yīng)用。

①隧洞施工通風(fēng)?！耙凉h濟渭工程施工通風(fēng)方案研究”通過對風(fēng)管漏風(fēng)率、風(fēng)速、風(fēng)壓等實測分析提出通風(fēng)方案，為隧洞長距離通風(fēng)提供了技術(shù)支撐。

②隧洞精準(zhǔn)貫通。已建立起由黃委設(shè)計院施測隧洞外控制網(wǎng)、施工單位對控制網(wǎng)進行復(fù)測并進行洞內(nèi)控制測量的兩級測量控制系統(tǒng)。隧洞外控制網(wǎng)測量采用高精度的雙頻GPS技術(shù)，數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院研制的GAMIT等軟件；洞內(nèi)控制測量采用交叉導(dǎo)線或雙導(dǎo)線測量方法，滿足測量控制的精度要求。已經(jīng)貫通的0號與0-1號支洞橫向貫通誤差15 mm，高程貫通誤差10 mm，均處在貫通誤差允許限差范圍之內(nèi)。

③環(huán)境監(jiān)測?！耙凉h濟渭水資源監(jiān)控手段及信息化應(yīng)用模式研究”項目，在秦嶺輸水隧洞6號、7號支洞環(huán)保項目現(xiàn)場安裝了圖像監(jiān)測及水質(zhì)檢測設(shè)施，實現(xiàn)PC、手機APP隨時訪問，即時掌握環(huán)保設(shè)施運行情況和水質(zhì)在線檢測。

④施工期洪水預(yù)報預(yù)警?！耙凉h濟渭工程施工期洪水預(yù)警預(yù)報研究”成果利用數(shù)字高程（DEM）和現(xiàn)代水文預(yù)警預(yù)報技術(shù)，建立洪水預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，及時預(yù)警預(yù)報，為防洪搶險提供科學(xué)依據(jù)，已在三河口水利樞紐防汛度汛工作中應(yīng)用。

⑤三河口可逆式水輪機及大流量水泵?！叭涌谒麡屑~水泵水輪機模型參數(shù)及運行技術(shù)研究”項目，完成了40～83 m變頻和83～100 m轉(zhuǎn)輪的實驗研究，取得的階段性成果已在引漢濟渭三河口水利樞紐工程設(shè)計中得到應(yīng)用。

五、結(jié)語

引漢濟渭工程作為陜西省戰(zhàn)略性水資源配置工程，對于國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展意義重大。緊緊圍繞引漢濟渭工程的設(shè)計、施工、運行和管理開展研究，為引漢濟渭工程服務(wù)，通過科研攻關(guān)，實現(xiàn)技術(shù)突破，保證工程的順利實施和安全運行，所創(chuàng)造的社會經(jīng)濟效益巨大。通過研究及成果應(yīng)用推廣，可以解決工程建設(shè)急需解決的深埋超長隧洞的設(shè)計及施工、區(qū)域水資源合理配置、平常年和特殊干旱年的水資源調(diào)度等難題，優(yōu)化工程布局，為工程建設(shè)提供科技支撐，為建設(shè)一流工程提供條件保障。同時可以保證工程建設(shè)質(zhì)量、安全、進度，提高工程建設(shè)的技術(shù)水平，降低工程建設(shè)和投入運營后的成本，充分發(fā)揮工程的投資效益。研究取得的深埋超長隧洞的設(shè)計及施工技術(shù)、水資源綜合配置技術(shù)、調(diào)度技術(shù)、泵站及電站優(yōu)化技術(shù)等成果還將為南水北調(diào)西線工程的前期研究和工程實施奠定科學(xué)基礎(chǔ)。因此，本項目的研究具有較大的直接或間接的經(jīng)濟效益，同時社會效益巨大。