引调水工程建设与应用技术

关志诚，陈 雷

（1．水利部水利水电规划设计总院，100120,北京；2．中水东北勘测设计研究有限责任公司，130021,长春）

一、引调水工程建设情况与存在的问题

水资源短缺已成为制约我国经济社会发展的重要因素。就现阶段而言，解决此问题的基本手段主要是采取跨流域引调水等工程措施，各地均有相应的建设项目。据不完全统计，包括南水北调东、中线在内，全国投资50亿元人民币以上的建设项目有18个，已建、在建各类引调水工程近40项。

工程建设的利弊、对调出区环境以及气候的影响、城市供水的可靠性与安全性、建设管理与水价机制、调入水量的真实需求、工程能否良性运行等问题，都有待于实践检验和认真研究。已建的哈尔滨磨盘山、昆明掌鸠河城市供水工程，吉林农安应急供水工程等均具有良好的经济效益和社会效益；引水规模较大且距离较长的山西万家寨引黄一期工程因多种原因运行成本较高。在建工程也有相当部分位于贫困地区，建后的供水需要政府补贴和政策扶持才能维系。

大型引调水工程投入大，建设周期长，影响因素众多。目前引调水工程的论证决策和立项过程较慎重，项目建设综合回报总体情况良好。

二、工程规划与规模论证技术要点

1.引调水工程技术论证与依据

前期工作要考虑和研究的问题，包括工程建设的必要性和迫切性、工程任务的定位、水资源的供需分析与配置、供水量的界定与预测以及工程规模论证与布局。调水工程的立项要以国务院批复的区域经济发展规划或流域水资源综合规划、专项规划等为设计依据。目前，为满足水资源合理开发配置、经济社会可持续发展和节能减排的要求，水利部组织和开展了七大流域综合规划修编、部分省（自治区）流域综合规划修编、流域水量分配与管理政策研究等工作。

2.水资源的供需分析与配置

要对工程目标地区经济社会、资源利用和环境保护情况进行调查，对调入区在节水、治污、合理利用当地水资源等方面进行深入调查研究，分析需调入水量；而对调出区应在考虑生态与环境用水的基础上分析可调出水量。

3.供水量的界定与预测

要分析供水工程供水量来源，计算调入区不同行业及部门用水指标及数量；需水量预测应遵循从紧的原则，制定可行的节水方案，并对预测进行合理性分析；经济社会发展指标的预测依据应在地区经济和社会发展指标及远景规划的基础上进行。对调出区应重点调查取水点断面下游地区供水量、区域生态用水情况，其需水量预测应充分考虑调出区经济社会长远发展和维护生态环境的水资源需求，调出水量一般不超出多年平均水资源总量的40%。

4.工程规模论证

从综合开发利用的角度，新建水源工程按调水的最大规模确定且一次建成较为合理。调水工程开挖引水隧洞和埋管输水，总干渠及各级渠系的规模可根据总调水量和各分区调水量结合调蓄工程规模和受水区的需水过程等分析论证后加以确定，对隧洞预留加大供水量净空，对渠道预留加大供水量超高。输水线路上的倒虹吸、渡槽等交叉建筑物规模，应根据所在区段渠系工程规模结合输水系统水头和局部水头优化等合理选择，并与交叉工程设施的规模相适应。

5.工程总体布局

工程布局应结合水资源配置方案安排，考虑技术、经济、环境等多方面因素。输水线路布局应根据各区段的地质条件、建筑物形式及水源分布情况进行安排。有条件时应优先利用输水线路附近的调蓄水库。

6.分期建设与实施

当调水工程规模较大，技术较为复杂，调入区社会发展对调水要求的紧迫程度不同且时间跨越较大时，应结合资金筹措和工程配置的衔接关系，按照分期建设方案确定分期供水目标与范围，并按可持续发展要求加大节约用水的力度。一般情况下工程分两期建设的居多，可缓解一次性投资压力，同时也可取得供水卖水还贷经验，为进一步合理开发创造条件。

三、关键技术应用与检验

1.长距离大流量输水

南水北调工程东、中线一期工程的建设目标分别为2013年和2014年汛后通水。东线一期工程自江苏境内江都站抽水500 m3/s，沿线设21级提水泵站，利用洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖调蓄，北上流经山东、河北至天津，输水总干线长1 156 km，支线向东至威海长701 km；中线从汉江引水，线路跨越长江、淮河、黄河、海河流域，可基本自流至天津，输水总干线全长1 267 km。大伙房供水二期工程向辽宁中部城市群供水，采用全封闭重力流有压管道输水，全长约265 km。这些工程体现了我国调水工程建设规模和技术水平。

2.输水线路穿越复杂地段

南水北调中线一期工程途经膨胀土区、煤层踏空区等，对大型渠道结构型式设计提出较高要求；大伙房二期输水管线穿过腐蚀性盐碱区、高地下水地段，对管材和开挖施工质量控制提出较高要求；云南牛栏江—滇池补水输水隧洞线路经过大型地震地质构造断裂带，对结构型式和开挖技术提出较高要求。

3.输水建筑物结构型式

南水北调中线一期工程输水线路中，大U形双向预应力渡槽全长1 030 m，总体规划设计流量350m3/s，槽身按三线三槽40 m跨布置，单槽净宽、高为8.5 m×7.04 m，槽内加大水深6.94 m；大型矩形槽预应力箱形简支结构净宽10.0 m，加大设计水深6.72 m；根据地层条件和结构分析，穿越黄河倒虹吸工程采用双层衬砌结构盾构法施工，端部设大型超深工作竖井50.5 m；天津段输水采用的PCCP管材内径达400 mm。

4.设备配置与新技术应用

东线一期泵站设计开展大量研究工作，对包括贯流泵、立式轴流泵等在内的泵型进行了同台试验和仿真计算；在泵站设备选用上，对贯流泵的选用立足于国产，关键部件（转轮、密封件、液压件）引进并逐渐消化吸收；对长距离有压输水工程，通过全边界条件过渡过程分析，合理配置调压塔、调流调压阀及安全阀井设备，大伙房二期工程在取水口设置清除污物的旋转滤网，初步试用情况良好；大伙房一期工程对硬岩TBM掘进设备的主轴承、刀盘电机、液压元件（液压缸）采取国际采购方式。

5.水资源配置的多功能性

南水北调东线一期供水工程充分利用京杭运河和已建的防洪、排涝、航运、灌溉等基础设施及现有湖泊进行输水和调蓄；江苏段输水线路上各枢纽泵站建设，在工程布置上综合考虑与现有建筑物相结合，并配置相应排涝航运设施；山东段梁济运河与柳长河输水线路结合航运要求，与交通部门联合设计通航建筑物，提高了工程综合效益；云南滇池补水工程等跨流域调水可部分解决生态环境供水，改善生态环境严重恶化地区的状况。

6.施工技术的进步与提高

近5年，解决隧洞开挖中的突涌水、超埋深、岩爆、穿越大型软弱夹层等复杂地质构造的施工技术有了长足发展。在大型结构受力条件复杂的项目中，地埋式输水建筑物、大型U形渡槽、取水口水下岩塞爆破等应用技术也取得跨越性突破。近几年隧洞施工开挖选用新材料、新工艺，洞内施工钻爆、通风、出渣、排水、衬砌的效率也有显著提高。

四、输水线路与输水方式

1.长距离输水线路选线

根据输水形式、地形地质条件、地面建筑物分布情况，结合受水区分布条件，通过综合比较工程占地、环境影响、输水安全、施工条件等进行多方案比选。在不改变河道、湖泊防洪调度原则的情况下，长距离调水工程宜充分利用水源地与受水区高差，利用现有河道、湖泊及建筑物。调蓄水库坝址应根据输水线路沿线地质条件、用水户分布，结合供水时段特点，选择距离输水线路较近的天然沟谷洼地。明渠输水要确定总干渠分区段水头分配，提出控制点水位和全线总体控制性指标；对有压隧洞和管道输水方式应确定全线压力线及压力控制点、接合部位的衔接方式以及掌握现有水源点和可选择的建设调蓄水库位置等。

2.有压流输水方式确定

以全系统最经济为原则，通过分析比选几条输水线路的技术经济条件，确定输水线路。对有压输水方式应进行单双管、全线重力流、加压压力流输水，对线路间调蓄配水等详细技术应进行比较。须结合各受水点现有供水规模及水源调整后的供水能力，确定是否需要设事故水源、事故水池或采用双管供水。

对多目标有压供水，要根据各城市现有给水设施的状况及水源的调整，如采用单管输水必须配套有事故水池或事故水源；根据全程压力线分析选定双管重力自流输水，具有安全性高、节能、保证水质安全、运行管理方便以及可以分期建设等优点；双管中途加压输水增加能耗，运行管理不方便，长期运用成本高。

3.压力洞与明流洞输水方式比较

与明流输水相比，压力洞可以最大限度利用水头使过水断面变小。正常引水期压力洞操作简单，引水量由水库水位自动调节，不必像明流洞那样为满足均匀引水，进口工作门需随库水位变化随时调整开度。压力洞输水存在水头损失、检修工况外水压力、工况组合对结构的要求等问题，对工程投入要作方案比选。

五、长隧洞掘进施工技术

深埋长隧洞工程的施工原则是：优先采用先进的TBM（全断面硬岩掘进机）施工，对于大规模断层破碎带洞段、可能产生突发性涌水的岩溶性地层洞段和可掘进性差的石英砂岩洞段，则应采用常规的、经验成熟的钻爆法施工。采用TBM施工可充分发挥其掘进速度快、施工质量稳定、安全作业条件好、对生态环境影响小的优势；而对于各种不利地质条件洞段，采用经验成熟的钻爆法施工，又可以充分发挥其机动性和灵活性，确保施工的顺利进行。

根据国内外TBM施工的统计资料分析，将选型依据按其重要性排列如下：工程地质和水文地质条件、断面形状和大小、环境因素、支护衬砌类型、洞线走向及坡度、工期和造价、安全施工要求、辅助工法和其他动力设备条件。各种型式的TBM都有一定的适用条件，硬岩输水隧洞施工主要采用开敞式TBM，软岩或地层结构复杂、因衬砌结构配置上的要求等多采用双护盾TBM。长隧洞TBM开挖与常规钻爆法相比没有爆破震动、岩体扰动最小，有利于维持围岩原有特性而且应力释放均匀。根据硬岩弹性波测试和孔内加载试验，松弛区域内的弹性波速度约降低40%～60%；在中硬岩中掘进松动圈厚度只有0.1～0.3 m，而钻爆法围岩松动圈厚度一般达0.6～1.5 m。掘进机前期准备工作复杂费时，但实施时掘进速度快，尤以长隧洞开挖最为突出；不衬砌隧洞可以减小糙率，满足水力学条件要求，衬砌隧洞可节省混凝土浇筑，施工开挖安全有保障。对不具备布置施工支洞且单洞距离较长的工程可降低造价和加快施工进度。

六、输水工程管材的选用

对于长距离、高压力、大口径、温差大的压力管道输水工程，其管材的选择十分重要。根据管道所处位置的工程特性，国内常用的可比选的管材有钢管 （SP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、球墨铸铁管（DIP）、预应力混凝土管（PCP）、玻璃纤维增强热固夹砂树脂管（RPMP）等。比选的内容包括管材设计指标的适用性、运行安全与耐久性，管材价格，管材生产能力与质量保证等。

PCCP管工作寿命较长，可承受的工作压力为0.4～2.0 MPa，管接头可承受3.0 MPa以上的压力，并可承受更大的外荷载；采用经水压检验的钢筒解决了常规混凝土管存在的渗水问题；设计糙率系数取n=0.011～0.013，管线在运行服务期内能保持很高的通水能力；适应温差变形与不均匀沉降能力较好；具有国内生产线制造工艺成熟、管材造价较低等优点。PCCP管的缺点是管体自重大，运费较高，安装不便，管道接头多，相同流量时需要的管径较大，维修较困难。

在管线通过地形起伏较大地区、穿越公路铁路或大型河道时，PCCP管施工安装难度大，一般采用钢管衔接。有腐蚀性埋管地段采用防腐性能好的玻璃钢夹砂管材是合适的，应注意原材料的质量控制和施工安装技术到位。球墨铸铁管（DIP）具有良好的承压和耐久性能，但管材造价较高，适用于距离较短和要求较高的线路。

七、有压输水安全保障措施

1.安全问题

供水安全要求是在出现事故时输水管线仍能保证输送设计流量。实际运行中可能造成加压输水管线破坏的主要原因有：泵站突然停电造成停泵水锤引起的最大水锤升压和最大降压以及水泵最大反转速；管道初次充水及突然停泵再次启动，事故检修或正常停水后再次启动水泵的气爆型水锤；爆管工况及重力压力流段的管内静压过高等。为解决上述工况对管道可能造成的破坏，有压供水工程分别采用减压阀（调控阀）、稳压塔（调压井）、缓闭液控蝶阀、空气阀和注水池等保障输水系统的安全。

2.连通管设置

《室外给水设计规范》（GBJ13—86）规定输水干管一般不宜少于两条，输水干管和连通管管径及连通管根数应按输水干管任何一段发生事故时，其下游管段仍能通过70%的事故水量、上游仍按100%设计流量考虑。当有安全贮水池或其他安全供水措施时也可修建一条管线。

3.稳压塔设置

稳压塔的设置应在保证各种运行工况且不溢流的前提下，使输水系统出现静压时尽量接近管道工作压力，从而达到降低工程投资的目的。长距离输水工程的稳压塔设置要根据有压输水的工程特性，通过过渡过程分析计算加以确定。稳压井又可以大量释放管道运行时存在的气体，在管道运行出现负压时尽快注水或注气，均能有效保证管道运行安全。

4.空气阀设置

在输水管道的适当位置设置空气阀是保证输水管线安全、经济运行的一种有效方法。可分别选用空气释放阀、空气/真空阀及复合式空气阀来解决管线中的进、排气问题。考虑管线放空、爆管等工况时，需要空气阀大量进气，有时仅靠进排气阀进气，可能满足不了进气量的要求，因此需要设置真空吸气阀，解决大量进气问题，真空吸气阀相对进排气阀可制成大口径。

5.输水管道泄水阀的设置

管道铺设后，为排出施工时残留在管底的泥沙及其他遗留物，为了清洗管道使管道输送水质符合卫生要求，同时为了检修维护管理方便，必须在输水管道的低凹处设置适当的排水通道。结合排水通道的过水能力和管线的排水时间不大于5 h的要求，选择合理的排水管道口径。排水阀的直径为1/3输水干管管径，数量保证检修段排空时间不超过5 h。

6.输水管道调控（流）阀的设置

调控阀除可用来调控管道的水量外，更主要的作用是用来削减水库高水位时的多余水头。调控阀采用活塞式，该阀不仅具有闸阀、蝶阀启闭功能，还可通过活塞的轴向移动，调节阀门的不同开度，调控管道的流量和压力，使之满足设计或运行的要求。由于调控阀造价较高，调流、调压时首先应考虑设置普通阀，再考虑设置调控阀。但是普通阀门调流、调压的能力有限，易发生空蚀，因此必须根据实际调节工况具体分析。在选择确定调控阀前，必须切实分析系统的运行工况，确定调控阀的流量及阀前、阀后压力，方能合理地确定调控阀的型式及直径。

八、初期调度运行

通水方案和操作规程的选择是长距离输水管道系统十分重要的环节，有压输水管道通水方案包括全线充水静态升压、全线充水动态升压、分段充水静态升压、分段充水动态升压。以新建工程为例：吉林中部城市供水农安支线应急输水 （线路全长105.4 km），一条 PCCP和PCP管道串联一级泵站加压输水，2008年10月在试运行阶段对整个输水系统进行了机组断电等工况的模拟试验，试验结果与计算结果基本吻合，初步验证了水力过渡过程边界条件选择、水力瞬变特性预测以及控制措施选取的合理性。

九、结 语

目前在建的引调水工程有待完善。如大型跨流域调水工程的供水配置与控制，长距离有压输水运用期多目标调度运用，压力洞输水系统水力过渡过程计算和调压塔的合理布置，长距离输水系统安全闸阀布置等。应更加注重水资源与生态环境保护的关系，在工程布置、专项设计、弃渣利用等方面做得更好，还要进一步落实局部地区水资源配置和真实性需求，将城市和工业发展长期挤占生态用水的问题加以解决。

[1]中国水利水电勘测设计协会.调水工程应用技术研究与实践[M].中国水利水电出版社，2009.