鈕新強(qiáng),萬 蕙,劉 琪
(長江設(shè)計集團(tuán)有限公司,430010,武漢)
引江補(bǔ)漢工程作為南水北調(diào)中線工程的后續(xù)水源,從長江三峽水庫自流引水至漢江丹江口水庫壩下,是首個開工建設(shè)的南水北調(diào)后續(xù)工程大型項(xiàng)目,是構(gòu)建完善國家骨干水網(wǎng)的標(biāo)志性工程。工程將打通長江三峽向我國北方地區(qū)的輸水通道,創(chuàng)造長江—漢江—華北平原水資源協(xié)同調(diào)配的工程條件,提升三峽水庫在國家骨干水網(wǎng)中的戰(zhàn)略水源作用,具有重大戰(zhàn)略意義。該工程也是我國在建單洞長度最長、洞徑最大、綜合難度最高的長距離有壓引調(diào)水隧洞,關(guān)鍵技術(shù)涉及地質(zhì)勘探、設(shè)計、施工、智慧調(diào)控等方面。
南水北調(diào)工程是緩解我國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺局面的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施,事關(guān)戰(zhàn)略全局、事關(guān)長遠(yuǎn)發(fā)展、事關(guān)人民福祉。20世紀(jì)50年代開始,就已開展南水北調(diào)中線工程勘察規(guī)劃設(shè)計研究工作,水源方案更是歷經(jīng)長期研究和反復(fù)比選。最終在國務(wù)院2002年批復(fù)的《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》中明確,中線工程“近期引漢、遠(yuǎn)期引江”。根據(jù)總體規(guī)劃安排,南水北調(diào)中線一期工程于2014年12月建成通水。截至2022年7月底,中線一期工程累計調(diào)水突破500億m3,顯著改善了受水區(qū)的水資源條件和供水保障程度,并為受水區(qū)地下水壓采和生態(tài)環(huán)境保護(hù)創(chuàng)造了有利條件,同時促進(jìn)了水源區(qū)漢江上游生態(tài)修復(fù),提高了漢江中下游防洪能力,工程取得了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益。
按照南水北調(diào)工程總體規(guī)劃,中線北調(diào)水是北方受水區(qū)的補(bǔ)充水源,一期工程多年平均調(diào)水量95億m3,與受水區(qū)地表水和地下水聯(lián)合運(yùn)用,共同保障受水區(qū)的城市供水。工程通水后,水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以上,供水地位已由“輔”變“主”,成為沿線受水區(qū)主要城市的主要供水水源。然而,按照總體規(guī)劃,在1956—1998年水文系列中,中線一期工程渠首調(diào)水量達(dá)到多年平均調(diào)水量95億m3的年份僅占62%,最小年調(diào)水量僅53億m3。當(dāng)水文系列延長為1956—2018年后,由于漢江枯水年份增多,最小年可調(diào)水量減少到23億m3,中線一期工程的供水保證率與其實(shí)際供水地位不匹配。此外,隨著京津冀協(xié)同發(fā)展國家戰(zhàn)略、雄安新區(qū)建設(shè)和中原城市群建設(shè)的推進(jìn)以及城鄉(xiāng)供水一體化的實(shí)施,中線實(shí)際供水范圍在不斷擴(kuò)大,為保障北方受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,增加中線北調(diào)水量勢在必行。同時,近年來漢江流域連續(xù)枯水年呈增加趨勢,漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)也對漢江流域水資源保障提出了新要求,漢江流域水資源供需矛盾愈加突出。
因此,為應(yīng)對北方受水區(qū)用水需求進(jìn)一步增長、供水穩(wěn)定性進(jìn)一步提高等新要求,保障北方受水區(qū)供水安全,增強(qiáng)漢江枯水年水資源調(diào)配能力、緩解漢江流域用水壓力,迫切需要實(shí)施中線后續(xù)水源工程?!赌纤闭{(diào)工程總體規(guī)劃》和《長江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》均提出根據(jù)漢江流域水源區(qū)及北方受水區(qū)生態(tài)環(huán)境實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求,相機(jī)實(shí)施從長江干流引水補(bǔ)充漢江的研究。長江三峽水庫作為我國戰(zhàn)略水源地,具有水量豐沛、調(diào)蓄能力強(qiáng)、區(qū)位優(yōu)勢突出、供水范圍廣、水位適中、水能開發(fā)影響小等天然優(yōu)勢,可作為南水北調(diào)中線工程后續(xù)水源向漢江補(bǔ)水。2017年引江補(bǔ)漢工程全面啟動前期研究論證工作。2021年5月14日,習(xí)近平總書記主持召開推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展座談會并發(fā)表重要講話,強(qiáng)調(diào)要深入分析南水北調(diào)工程面臨的新形勢新任務(wù),科學(xué)推進(jìn)工程規(guī)劃建設(shè),提高水資源集約節(jié)約利用水平,為南水北調(diào)后續(xù)工程規(guī)劃建設(shè)提供了根本遵循與指引。
引江補(bǔ)漢工程定位是南水北調(diào)中線工程的后續(xù)水源,其建設(shè)任務(wù)為從長江三峽庫區(qū)引水入漢江,提高漢江流域的水資源調(diào)配能力,增加南水北調(diào)中線工程北調(diào)水量,提升中線工程供水保障能力,并為引漢濟(jì)渭工程達(dá)到遠(yuǎn)期調(diào)水規(guī)模、向工程輸水線路沿線地區(qū)城鄉(xiāng)生活和工業(yè)補(bǔ)水創(chuàng)造條件。
引江補(bǔ)漢工程規(guī)模論證需統(tǒng)籌發(fā)展與安全、效益與影響,屬于典型的跨流域多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置難題。針對引江補(bǔ)漢工程水資源配置的特點(diǎn),自主研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的水資源聯(lián)合配置模擬和輔助決策模型,涵蓋長江、漢江等主要河流,南水北調(diào)中線、引漢濟(jì)渭、鄂北地區(qū)水資源配置等骨干跨流域調(diào)水工程,三峽、丹江口等控制性水利水電工程(見圖1)。按照“生態(tài)優(yōu)先、豐枯互濟(jì)、保障水源區(qū)原有用水權(quán)益、適當(dāng)留有余地”的原則開展水資源優(yōu)化配置,預(yù)測2035年中線受水區(qū)多年平均總?cè)彼?36億m3。按照中線一期工程總干渠不擴(kuò)建、正常供水期可全線通過加大流量、冰期分年型分渠段控制流量,復(fù)核中線一期總干渠輸水能力為115億~119億m3。在此基礎(chǔ)上按照“以供定需”原則(即充分利用中線一期總干渠現(xiàn)有輸水能力向北方受水區(qū)增加供水量)確定引江補(bǔ)漢工程增補(bǔ)中線北調(diào)水量。
圖1 引江補(bǔ)漢工程水源區(qū)與受水區(qū)概化示意圖
綜合考慮施工技術(shù)難度、運(yùn)行安全風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)合理要求,最終確定引江補(bǔ)漢工程多年平均引江水量39億m3。其中,補(bǔ)北調(diào)水量24.9億m3(陶岔多年平均調(diào)水量達(dá)到115.1億m3),補(bǔ)引漢濟(jì)渭水量5億m3,補(bǔ)漢江中下游水量6.1億m3,輸水工程沿線補(bǔ)水量3億m3。
從長江向漢江調(diào)水的方案自20世紀(jì)50年代已開始研究,如大寧河調(diào)水入漢江、香溪河引江濟(jì)漢、龍?zhí)断?、小江調(diào)水等方案,均作為南水北調(diào)中線的水源方案在中線工程規(guī)劃階段開展了初步研究工作。
引江補(bǔ)漢工程布局論證在以往研究成果的基礎(chǔ)上,堅持“生態(tài)優(yōu)先、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、兼容并包”的原則,根據(jù)工程建設(shè)任務(wù)論證分析比選各種可能的方案,綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響、建設(shè)條件、移民占地等多方面因素,工程線路推薦風(fēng)險相對可控、經(jīng)濟(jì)性好、供水成本低的龍安1線,從三峽庫首北岸龍?zhí)断恋そ谒畮靿蜗录s5 km的安樂河口入漢江干流,采用一條全長194.3 km、過水洞徑10.2 m的有壓隧洞自流輸水,充分利用三峽水庫動態(tài)水位形成的寶貴水頭差,引水流量隨三峽水庫水位變化為170~212 m3/s。在線路樁號164 km處布置石花控制閘,用于銜接前后兩段有壓隧洞,解決閘后淺埋隧洞高內(nèi)水壓力問題。
引江補(bǔ)漢工程運(yùn)行以服從三峽水庫和丹江口水庫防洪調(diào)度為前提,丹江口水庫設(shè)置引江控制水位線:丹江口水庫蓄水位低于引江啟動線時,開始向漢江干流補(bǔ)水;丹江口水庫蓄水位高于引江停止線時,停止向漢江干流補(bǔ)水。引江控制水位線以引江后基本不增加丹江口水庫棄水為目標(biāo),采用長系列調(diào)節(jié)計算模型逐旬試算確定。
引江補(bǔ)漢實(shí)施后南水北調(diào)中線水資源配置格局發(fā)生了重大變化。今后,將建立基于三峽和丹江口水情預(yù)報系統(tǒng)的水資源統(tǒng)一調(diào)度平臺,在三峽、丹江口水庫實(shí)現(xiàn)較高精度長、中、短期水情預(yù)報的基礎(chǔ)上,研究在不同的長江、漢江本流域來水和跨流域調(diào)水需求條件下,引江補(bǔ)漢工程與三峽、丹江口水庫的水資源聯(lián)合調(diào)配策略;研究優(yōu)化三峽—葛洲壩水利樞紐梯級調(diào)度運(yùn)行方案;統(tǒng)籌考慮漢江中下游防洪、供水和生態(tài)需求,研究優(yōu)化丹江口水庫調(diào)度運(yùn)用方案,提升水資源綜合利用效益,特別是改善枯水年北調(diào)水過程和漢江中下游水資源條件;提出發(fā)生水污染、工程事故、特殊干旱等情況時,三峽、丹江口、漢江梯級及骨干引調(diào)水工程應(yīng)急調(diào)度的原則、聯(lián)合調(diào)度方式和預(yù)期效果。
引江補(bǔ)漢工程補(bǔ)水范圍可分為供水區(qū)、補(bǔ)水區(qū)和受益區(qū)三個層次:中線工程受水區(qū)為供水區(qū),漢江中下游為補(bǔ)水區(qū),引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)和輸水線路沿線補(bǔ)水區(qū)為受益區(qū)。
工程實(shí)施后可增加中線工程調(diào)水量,顯著提高調(diào)水過程均勻程度,提升受水區(qū)用水保障水平。中線工程多年平均調(diào)水量達(dá)到115.1億m3,較中線一期規(guī)劃的年均調(diào)水量增加約20億m3,對枯水年補(bǔ)水量相對更大;年調(diào)水95億m3的保證率由62%提高至90%,最小年調(diào)水量將從23億m3增加至66億m3。
工程實(shí)施后,漢江黃家港斷面多年平均下泄水量236.7億m3,比工程實(shí)施前增加5.9億m3;最小流量490 m3/s長序列時段保證率從94%提高至99%,連續(xù)枯水年除個別時段外,基本可以滿足最小流量要求,或按400 m3/s下泄。同時,提高了漢江中下游梯級生態(tài)調(diào)度實(shí)施概率,5—8月下泄流量相應(yīng)提高。另外,在漢江中下游水華高發(fā)時段(1—3月),利用工程富裕輸水能力可向漢江中下游相機(jī)補(bǔ)水,最大年增補(bǔ)水量可達(dá)16億m3。
引江補(bǔ)漢工程實(shí)施為引漢濟(jì)渭工程多年平均實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期調(diào)水規(guī)模15億m3創(chuàng)造了條件,向沿線宜昌市、荊門市和襄陽市干旱地區(qū)多年平均補(bǔ)水約3億m3,提高受益區(qū)水資源保障能力,支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。
引江補(bǔ)漢工程輸水隧洞穿越地層眾多、地質(zhì)條件復(fù)雜,具有“三高、兩多、一軟、一活動”特點(diǎn)?!叭摺奔锤叩貞?yīng)力、高外水壓力、高巖石強(qiáng)度:沿線實(shí)測水平主應(yīng)力達(dá)35.2 MPa;已開展的鉆孔實(shí)測洞線區(qū)域最大水壓超過5 MPa;超硬巖分布范圍廣,實(shí)測最大巖石強(qiáng)度達(dá)281 MPa。“兩多”即斷層多、地下水多:輸水隧洞穿越區(qū)域性斷裂7條,地區(qū)性斷層50余條,其中著名的青峰斷裂帶總寬度達(dá)6 km以上;隧洞沿線地下水豐富,預(yù)測可能發(fā)生涌水洞段長約37.5 km?!耙卉洝敝杆矶创┰杰涃|(zhì)巖總長度達(dá)58.5 km,占比約30%,預(yù)測可能發(fā)生中等及以上軟巖大變形的洞段長約18 km。“一活動”指輸水隧洞穿越兩條蠕滑型活動斷裂,分別為通城河斷裂和城口—房縣斷裂,其中通城河斷裂實(shí)測年均位移量約0.3 mm。
為應(yīng)對復(fù)雜的工程地質(zhì)問題,工程勘察設(shè)計階段綜合采用了多種勘察技術(shù)和手段,并在遙感、鉆探、測試、試驗(yàn)等方面開展了新技術(shù)探索和應(yīng)用,形成了基于三維實(shí)景影像的地質(zhì)信息解譯技術(shù)、超深大頂角斜孔及水平孔鉆探技術(shù)、超深復(fù)合定向鉆探技術(shù)、超深孔壓水試驗(yàn)技術(shù)、千米級深孔地應(yīng)力測試技術(shù)等。
隧洞開挖時,對掌子面前方不良地質(zhì)體進(jìn)行探測并對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行超前預(yù)報十分重要。由于目前勘察裝備和評價理論的局限性,不良地質(zhì)體超前探測與預(yù)報精度尚難以滿足工程建設(shè)需要,應(yīng)從可靠、高效獲取隧洞圍巖工程地質(zhì)特征參數(shù)的關(guān)鍵裝備研制出發(fā),開展物探方法、鉆探工藝、測試技術(shù)攻關(guān),構(gòu)建安全、高效、合理的超前勘察技術(shù)體系。
“長洞短打、分段掘進(jìn)”是超特長隧洞施工的基本方法,但如何合理劃分施工分段和優(yōu)選施工方案,既能充分發(fā)揮TBM(全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī))優(yōu)勢,提高施工效率,又能利用鉆爆法開挖不良地質(zhì)洞段,規(guī)避施工風(fēng)險,達(dá)到綜合效益最優(yōu)的目標(biāo),是一個極為復(fù)雜而重要的問題。
引江補(bǔ)漢工程隧洞開挖采用“TBM法+鉆爆法”組合的總體施工方案,充分考慮了TBM及其配套設(shè)備性能和國內(nèi)現(xiàn)有承包商的技術(shù)能力和管理水平,緊密結(jié)合隧洞工程地形地質(zhì)條件與結(jié)構(gòu)要求,以期實(shí)現(xiàn)縮短工期、減少輔助工程設(shè)施及附加工作量、降低施工成本的目標(biāo)。工程共采用9臺TBM集群施工,開挖直徑達(dá)12.2 m,為非常規(guī)的超大直徑TBM,是我國在建項(xiàng)目投入超大直徑TBM施工最多的隧洞,對TBM結(jié)構(gòu)件剛度、大直徑主軸承等關(guān)鍵部件的性能、支護(hù)系統(tǒng)的配備與優(yōu)化、超前預(yù)處理及卡機(jī)脫困輔助設(shè)施配置等方面要求高,而現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計與制造的參考經(jīng)驗(yàn)有限。在TBM功能配置方面,亟需提升TBM設(shè)計與制造技術(shù),增強(qiáng)復(fù)雜地質(zhì)條件下超大直徑TBM的適用性,針對不同的地質(zhì)條件,尤其是局部不良地質(zhì)洞段,研究不同類型TBM相應(yīng)的功能配置要求,解決和克服超大直徑TBM施工過程中面臨的諸多不確定因素,總結(jié)形成一套成熟的超大直徑TBM功能配置關(guān)鍵技術(shù)。
引江補(bǔ)漢工程輸水隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜,隧洞施工面臨涌水突泥、高外水壓力、軟巖大變形、堅硬巖巖爆、活動斷裂錯動影響等工程地質(zhì)問題,對工程施工安全、投資控制與工期保障存在不利影響。
工程沿線穿越黃陵背斜、聚龍山復(fù)式向斜、青峰斷裂帶等多個構(gòu)造單元,部分洞段具有圍巖軟弱破碎、地下水水頭高且補(bǔ)給充足等特點(diǎn),高壓富水破碎地層的涌水突泥災(zāi)害是工程建設(shè)過程最突出的施工風(fēng)險。應(yīng)對涌水突泥問題,一是遵循“繞避優(yōu)先、避重就輕”原則,在選線過程中最大限度避開或短距離穿越易發(fā)生隧洞地下水害的強(qiáng)巖溶區(qū)和大斷裂帶;二是“超前物探+超前鉆探”相結(jié)合開展超前地質(zhì)預(yù)報,提前探明富水構(gòu)造,并采取“封堵、排水減壓、疏導(dǎo)、繞行”等針對性處置措施;三是超前注漿加固,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際綜合考慮洞內(nèi)超前灌漿、地表超前復(fù)合定向鉆灌漿;四是超前支護(hù),在超前灌漿堵水完成后采取超前管棚等措施,確保下一步開挖圍巖安全穩(wěn)定。
輸水隧洞穿越高地應(yīng)力軟弱巖地層時面臨軟巖大變形風(fēng)險,主要危害表現(xiàn)為圍巖變形侵限、支護(hù)破壞、TBM頻繁卡機(jī)等,甚至是二襯開裂,影響結(jié)構(gòu)壽命。對于軟巖大變形問題,總體上采用“監(jiān)測預(yù)警、超前支護(hù)、預(yù)留變形、初支加強(qiáng)、及時封閉、底部加強(qiáng)、襯砌緊跟、動態(tài)優(yōu)化”等措施應(yīng)對。對特別嚴(yán)重洞段考慮“放-抗結(jié)合、主動支護(hù)、分層施作”的軟巖大變形控制理念,具體采用讓壓支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿(索)、雙層初期支護(hù)等措施。
工程線路存在中等巖爆風(fēng)險的洞段長約25 km。巖爆防治遵循“以防為主、防治結(jié)合”原則,施工過程中結(jié)合巖爆監(jiān)測預(yù)警,綜合采用強(qiáng)支護(hù)、應(yīng)力解除爆破、超前應(yīng)力釋放、噴水或鉆孔注水軟化等防控措施。TBM施工洞段優(yōu)先考慮護(hù)盾式TBM,通過管片結(jié)構(gòu)降低施工安全風(fēng)險及爆渣清理對掘進(jìn)速度的影響。針對強(qiáng)烈?guī)r爆洞段,則采用以重型鋼管片為主的綜合防護(hù)措施。
輸水隧洞穿越兩條蠕滑型活動斷裂,針對活動斷裂的主要設(shè)計思路:一是鉸接設(shè)計,增加襯砌在軸向的自由度,以適應(yīng)斷層錯動位移;二是超挖設(shè)計,預(yù)留出斷層錯動變形空間;三是隔離設(shè)計,在初支和二襯之間充填柔性緩沖層,以適應(yīng)斷層錯動位移,避免或減小襯砌結(jié)構(gòu)受到的影響。
引江補(bǔ)漢工程實(shí)施后形成了以三峽水庫和丹江口水庫為水源,南水北調(diào)中線一期工程、引漢濟(jì)渭工程、鄂北地區(qū)水資源配置工程等為通道,長江、漢江流域與京津華北地區(qū)為供水對象的水網(wǎng)綜合工程體系,工程調(diào)度涉及多水源、多通道、多用戶、多目標(biāo)的均衡優(yōu)化配置問題,需要厘清水量調(diào)配、水力控制、水質(zhì)保護(hù)的互饋響應(yīng)機(jī)理,協(xié)調(diào)好流域、區(qū)域等不同空間尺度和月、旬、實(shí)時等不同時間尺度間調(diào)度的解耦-耦合關(guān)系。已有研究成果多集中在單一工程或小尺度區(qū)域,難以支撐水網(wǎng)工程精細(xì)化、精準(zhǔn)化、智能化調(diào)度,亟待開展相關(guān)技術(shù)研究。
創(chuàng)新水網(wǎng)系統(tǒng)多尺度多過程高效模擬技術(shù),研究水網(wǎng)跨區(qū)域多目標(biāo)協(xié)同實(shí)時調(diào)度技術(shù),提出超大規(guī)模有壓管道系統(tǒng)的水錘防護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則及方法模型,突破無壓及有壓輸水系統(tǒng)全情景工況智能、精準(zhǔn)、精細(xì)調(diào)控技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)多目標(biāo)時空效益均衡調(diào)度,保障水網(wǎng)工程效益充分發(fā)揮。
數(shù)字孿生引江補(bǔ)漢工程旨在服務(wù)和保障全生命期工程安全、供水安全、水質(zhì)安全等,建設(shè)可計算、可推演、可追溯、可決策的工程數(shù)字孿生體,打造各參建方協(xié)同、全生命期業(yè)務(wù)應(yīng)用一體化的管理工作平臺,形成數(shù)字孿生創(chuàng)新平臺,實(shí)現(xiàn)從被動應(yīng)對安全風(fēng)險轉(zhuǎn)向主動防控,數(shù)據(jù)驅(qū)動工程質(zhì)量持續(xù)優(yōu)化,促進(jìn)工程建設(shè)體系技術(shù)和模式變革,促使工程運(yùn)維能力現(xiàn)代化和科學(xué)化升級。
現(xiàn)階段,數(shù)字孿生工程主要面臨工程信息模型、數(shù)據(jù)融合和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)缺失,專業(yè)模型智能化程度不高、智能基因注入不足,以及數(shù)字孿生應(yīng)用場景廣度不夠、深度不足等問題,亟需針對工程數(shù)字孿生體、建設(shè)和運(yùn)維智能模型和知識構(gòu)建,以及數(shù)字孿生應(yīng)用場景挖掘等開展技術(shù)攻關(guān)。
作為首個開工的南水北調(diào)后續(xù)工程重大項(xiàng)目,引江補(bǔ)漢工程在復(fù)雜構(gòu)造條件下地質(zhì)勘察、大范圍多目標(biāo)水資源配置、工程規(guī)模布局論證、復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋長大隧洞設(shè)計等方面形成了一系列自主研發(fā)的勘察設(shè)計技術(shù),高效完成了工程規(guī)劃論證。未來以引江補(bǔ)漢工程為突破口,有望引領(lǐng)精準(zhǔn)高效勘探、不良地質(zhì)體超前預(yù)報與安全高效施工、水網(wǎng)精細(xì)精準(zhǔn)智慧化調(diào)度、數(shù)字孿生工程建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)的攻克,可為南水北調(diào)西線工程等國家水網(wǎng)重大工程建設(shè)提供參考和借鑒。