南水北调中线一期工程：工程成就与挑战

工程16（2022）21工程成就南水北调中线一期工程牛新强长江勘测规划设计研究院有限公司有限公司、中国武汉4300101. 介绍南水北调中线工程（以下简称中线工程）是缓解我国黄淮海平原水资源严重短缺、优化水资源配置、改善京津冀地区水生态和水环境的重大战略性基础设施和生态修复工程。该项目分两个阶段建设。在第一阶段，该项目将水从汉江（长江支流）的丹江口水库;在第二阶段，该项目将延长向长江干流调水。一期工程总干渠全长约1432公里，年平均调水量为9.5亿立方米。总干渠跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域和700多条河流，是世界上最长的大型跨流域调水工程。第一期工程包括丹江口大坝加高，以及输水干渠陶岔渠首工程和2387项工程（隧道、渡槽、暗渠、倒虹吸等）。项目总平面布置如图所示。1.一、中线一期工程于2003年12月30日开工，并于2014年12月12日正式运营。项目投产以来，总体安全稳定。截至2021年底，累计调水447. 0亿立方米（含9.05 2021年，项目总装机容量为10亿立方米，惠及沿线21个大中城市的191个城乡地区，直接受益人口约7900万人。北方50多条河流累计生态补水超过76亿立方米，有效保障了京津冀一体化、雄为地下压水开采创造了有利条件，促进了生态环境受水区生态环境良好，社会、经济、生态效益显著中线一期工程规模庞大，技术复杂，面临诸多重大技术难题[1]：(1) 该项目有一条很长的线路，跨越四个主要流域，将水输送到四个省和许多城市。工程总平面布置受供水区水资源时空分布、- -受纳区、经济与生态环境、防洪、供水、水质、投资。因此，很难确定科学合理的工程总平面布置。(2) 丹江口水库是汉江中下游的水源子工程，由于其防洪地位不可替代，在正常运行条件下需要加高加固(3) 总干渠沿线分布着长约387 km的膨胀土地段，涉水膨胀土渠坡稳定性控制难度大。Fig. 1. 中线一期工程总平面布置图。https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.07.0012095-8099/©2022 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engX. 牛工程16（2022）2122·(4) 高压输水盾构隧道穿越黄河游荡性河段，在多级复杂软土层中设计和施工难度较大。(5) 设计流量为420m3 s-1的大跨度预应力渡槽结构设计和施工难度很大中线一期工程围绕这些技术难点，进行了多项理论和技术创新，并通过国家科技支撑项目攻克了这些技术难题以及重大子项目的专项科研2. 技术成果2.1. 总平面布置2.1.1. 中线工程中线工程跨越长江、黄河、淮河、海河四大流域，各流域水资源状况、时间分布和空间分布工程总平面布置应综合考虑供水中水资源的时空分布，- 受水区及其对汉江中下游的影响为科学实现水资源多目标优化配置，提出了基于水资源承载力和水环境承载力的跨流域水资源配置理论。建立了多水源、多目标、多流域、超大规模水资源优化配置模型，确定了工程总体方案。该方案综合考虑了水资源利用和生态环境两个方面保护在的供水和南水北调中线工程建设需要对丹江口大坝进行加高，因此，南水北调中线工程的建设需要对受水区、受水区及沿线进行加高。提高汉江水资源调蓄利用能力，以满足年均调水95亿立方米的需要同时，为实现南水北调，提高汉江中下游防洪减灾能力，必须从长远看，长江干流的水源补充将大大增加调水量，实现南（丰）北（旱）水资源互补，多水源联合调配，保障受水区水安全2.1.2. 工程总干渠总平面布置图如前所述，输水总干渠全长约1432公里，穿越河流700多条，涉及其他多项建设。这里的关键问题是在可用水头小于100 m的条件下，如何分配各渠段的水头，工程设计提出了离散微分动态规划法求解渠道、隧道、涵洞的纵坡和水头的最优分配[2];建立了总干渠纵坡的动态规划模型。提出了全线自流、立交的总干渠总体布置方案，该方案有利于保证水质，保护环境，在成功解决全线自流输水和跨河立交桥该方案避免了工程沿线河流对调水水质的影响和调水平渡造成的泥沙淤积，保证了工程的长期安全同时考虑了大规模、长距离、多目标的输配水系统调度的灵活性。2.2. 丹江口大坝加高子工程丹江口大坝位于湖北省丹江口市境内的汉江干流上它具有防洪、供水、发电、航运等综合利用效益，是中线工程的主要水源子工程大坝建于20世纪50年代，1974年初完工。由于汉江年来水量差异较大，为保证丹江口水库年均向北方供水95亿m3左右，提高汉江水资源调度调蓄防洪能力，需要增加丹江因此，需将坝顶高程由初期的162.0m提高到176.6m，增加总库容110.6亿m3。加高子工程完成后的丹江口大坝见图。 二、丹江口大坝采用背帮贴坡加高法，右岸坝段加高方案如图3（a）所示。一般来说，加高这样的水坝需要排空或显著降低坝前的水位在丹江口大坝加高期间，大坝仍需承担防洪、发电、灌溉等任务，同时拦蓄洪水，削峰度汛（图3（b））。因此，大坝加高必须在正常运行条件下进行，这就带来了新老坝体的结合和联合承载等问题这些结构设计和施工问题极为复杂，没有标准可供参考，中国工程建设史为了研究新老混凝土的组合，连续进行了三次现场试验（图4（a））。结果表明，新老混凝土结合面在各种工况下都有不同程度的开孔，且开闭状态随温度呈周期性变化[3]。标准重力坝的设计假定坝体是一个整体结构，其应力满足平截面假定条件。然而，组合表面实际上处于破裂状态。当一个力由组合面的有限组合部分传递时，图二. 加高子工程完成后的丹江口大坝。X. 牛工程16（2022）2123应用传统的以材料力学为基础的坝设计理论和刚体极限平衡法。为此，在现场试验和大量研究分析的基础上，提出了“组合面与背撑有限组合”的加高结构设计理论。建立了榫槽的力学模型，新老坝结合面动态开裂区的沟槽剪切传递和有限结合区的压力和剪切联合传递（图4（b））。在此基础上，建立了考虑结合面非线性接触和环境温度荷载图3.第三章。（ a）右岸坝段加高方案;（b）正常运行期丹江口大坝加高。图四、（a）大坝加高的现场试验;（b）“联合表面与背辅助的有限组合”应力传递模型;（c）坝踵的应力/时间历程曲线（考虑温度荷载）;（d）大坝加高过程中的联合表面处理。dh：切向位移;dn：法向位移;b：组合面角度;D：弹性刚度矩阵;ax，ay：局部坐标系中x方向和y方向的切向修正系数;an：法向修正HH局部坐标系中的系数;Ks：切向弹性刚度;Kn：法向弹性刚度;N：法向力;T：剪切力。X. 牛工程16（2022）2124（图 4（c））。该模型能真实反映大坝加高后的实际工作状态，解决了新老坝的联合承载问题。丹江口大坝加高采用通过混凝土温度控制和锁定钢筋（图4（d））[4同时，部分结合区始终保持结合状态，以传递荷载，使新老坝共同承载大坝加高后的观测表明，结合面的实际状态与设计基本一致，加高后的大坝最小结合比例约为50%。2021年，丹江口水库加高工程完成后成功蓄水至170米正常水位，目前已通过考验，运行正常。2.3. 膨胀土渠坡处理膨胀土是一种具有显著胀缩效应的超固结、多裂缝的特殊土膨胀土边坡由于结构性裂缝和干湿循环作用，极易发生滑坡在膨胀土地基上修建输水渠道是一个世界性难题中线工程第一在工程建设过程中，膨胀土渠段沿线150多处渠坡发生了不同程度的滑坡，这是工程的关键技术难题之一[8]。 图 5（a）和（b）提供了中线工程膨胀土渠道施工前后的对比。2.3.1. 膨胀土边坡自20世纪70年代以来，国内外对中线工程膨胀土的分布、岩土工程特性、边坡破坏机理及工程治理措施进行了大量的研究[9结果表明，浅层变形破坏模式受大气环境和胀缩效应的影响，深层滑动破坏模式受陡缓裂隙结构面切割的控制浅层变形破坏主要是受环境中大气干湿循环的影响膨胀土边坡，导致破碎和开裂的土壤结构。这样，在平行于渠道的方向上容易产生多条拉裂缝，造成浅层滑动变形和边坡破坏，如图所示。第6（a）段。深部滑动破坏主要受地层界面、岩性界面等结构面及深部地层中存在的原生延伸裂隙控制。渠道开挖和卸荷将使这些裂隙进一步贯通，形成多裂隙组合滑动体（图1 - 3）。6（b）和（c））。传统的土体边坡稳定分析方法不适用于大型结构面控制的膨胀土深边坡的破坏分析为识别膨胀土层中控制边坡稳定的大裂隙与地层结构面的最不利组合一种是膨胀土中受深部结构面控制的折线滑动破坏模型;另一种是基于刚体极限平衡法（LEM）的网格搜索法，用于裂缝不利组合的稳定性分析（图1）。 6（d））。这些方法解决了长期以来膨胀土边坡稳定性分析的难题2.3.2. 膨胀土渠道边坡综合治理技术对于膨胀土中的浅层破坏，主要的处理方案是隔绝大气的影响，减少雨水冲刷。对于深层结构面的滑动破坏，其主要思想是减少地下水对边坡的破坏和加固土体。在此基础上，提出了膨胀土渠道边坡防护、截渗、排水、加固的综合治理新技术（见图7）。采用水泥改性土等措施保护坡面，减少大气环境影响。坡顶设置截水沟，拦截降雨或外来水，以减少渠坡表面的汇流和冲刷。边坡内设置盲沟、止回阀排水，控制土壤含水量的变化最后采用多根抗滑桩对边坡进行加固。该综合治理技术解决了膨胀土边坡浅层蠕变变形和深层结构面控制滑坡稳定性问题[13目前，中线工程膨胀土渠道运行良好，成功经受住了2016年和2021年两次特大暴雨的考验图五. （a）膨胀土滑坡堵塞运河;（b）中线工程中的膨胀土运河。X. 牛工程16（2022）2125图六、（ a）浅层破坏照片;（b）深层结构面破坏照片;（c）膨胀土中受深层结构面控制的折线滑动破坏;(d)网格搜索法识别多裂纹的不利组合见图7。 防护、截污、排水、加固的综合治理技术。PVC：聚氯乙烯。2.4. 穿黄隧道子工程穿黄隧道子工程位于河南省郑州市上游30公里处。总干渠通过该工程穿越黄河（图8），是总干渠中规模最大、技术最复杂的关键子工程。穿黄子工程共设两条隧道，单隧道长4250米，内径7米。盾构隧道穿越黄河，穿越的是一段蜿蜒的河段。该段河床为饱和砂土层，地质条件复杂。隧道内水压力高达0.51MPa，提出了防止高压内渗水和适应游荡性河势引起的隧道纵向大动变形两个关键技术问题。为了适应黄河游荡性的地形，必须防止高压水从盾构管片接缝处渗出此外，盾构管片拼装结构中还需要设置内衬，以承受内水压力，同时减小水面粗糙度见图8。 穿黄隧道子工程布置图。和隧道直径。普通钢筋衬砌需配高密度钢筋，施工难度大，经济性差。为此，研究并发明了一种新的输水隧洞结构--盾构预应力复合衬砌隧洞。 9）。X. 牛工程16（2022）2126·见图9。 盾构隧道预应力复合衬砌结构示意图提出了输水隧洞组合结构的设计理论和结构分析方法，建立了相应的设计控制标准体系。 隧道外衬承受隧道外的水土荷载，预应力衬砌承受高压内水荷载，内外衬之间设置排水垫层，降低层间水压力。该组合结构能很好地适应游荡性河段冲淤引起的洞外覆土深度变化所引起的长时间动态大变形。解决了高压输水隧洞穿越多相复合软土层的结构应力问题，以及内部渗水可能引起的周围土体失稳破坏问题[17，18]。目前，穿黄隧道运行良好，隧道变形、结构应力、渗压均满足设计要求。2.5. 超大型输水渡槽中线一期工程总干渠沿线共布置渡槽27座其中，湍河渡槽最大流量420m3 s-1，单跨荷载4800 t（相当于30列列车），最小壁厚仅35cm。目前，它是世界上最大的U形渡槽因此，这座超大型渡槽的设计，也就没有标准可循。该分项工程存在结构承载、裂缝防治等多项关键技术问题，工期紧，技术要求高。这些问题直接关系到中线一期工程供水总目标的实现。在湍河渡槽的设计过程中，提出了一种新的设计思路：纵向预应力和环向预应力的碗状分区布置不需要与内表面同心（图10（a））。此外，还建立了渡槽断面温度荷载分区折线模拟模型。形成了超大型U形预应力渡槽设计的理论和方法，解决了超大型U形预应力渡槽的低厚度结构承载和裂缝控制等技术问题[19]。同时，开发了一套完整的机械化施工工艺和方法，填补了大型现浇预应力混凝土桥梁机械化施工技术的空白。管道[20，21]。其中包括安装、操作、浇筑技术和方法，以及跨度为40米的超大U形渡槽的渡槽建造机械的建造（图1）。 10（b））。2.6. 水量调节与运行控制技术中线工程水量调度要与防洪、丹江口水库发电、汉江中下游生态和生活用水、受水区当地水资源开发和保护相还要在不使用在线调节水库的情况下，快速准确地响应沿线191个县市用水户的需求变化。工程水量调度和运行控制需要考虑的因素很多，关系比较复杂。如何科学地制定调水方案，适时适量地对工程沿线的节制闸和水泵进行调节，及时、高效地把水送到用户手中，是保证工程效益发挥的关键技术难点为解决这一问题，建立了水源地和受水区联合动态配水的多目标精细水量调度模型。并开发了一个能满足多种用户需求的实时自适应操作系统2.6.1. 水源地与受水区联合动态配水的多目标精细调度模型中线一期工程水量调度要统筹考虑上下游水资源的综合利用，汉江流域、为准确实现多目标水量调度，建立了汉江流域、丹江口水库、中线总干渠引水口和用水户的循环反馈动态水量调度模型。该模型综合考虑了丹江口水库可调水量、受水区191个县市的需水量和输水量X. 牛工程16（2022）2127图10个。（ a）团河渡槽预应力钢筋布置;（b）超大型U形渡槽机械化施工。R：半径（cm）。总干渠各段的容量（图11）。通过分析各区域不同的水情，提出了总干渠沿线97个引水点的调水方案，实现了多目标、多对象、多时间尺度、多空间尺度的水资源均衡配置这些成果为中线工程安全、稳定、高效运行奠定了坚实基础2.6.2. 一种满足多用户需求的自调整实时操作系统中线一期工程的实时控制遇到了诸多困难：渠道沿线共有161个引水节制闸，渠道水流对闸门调节的水力响应很慢。此外--无在线调节水库，水位允许变化范围较小。运河的调蓄能力较差，但整治标准较高。为及时、高效地将水输送到用户手中，中线一期工程开发了一套实时运行系统，能够以自我调节的方式满足多个用户的需求。该系统作为工程运行调度的核心，能科学、有效地定期、定量地调度引水和检查渠道闸门。该系统按照设计的联合运行规则协调调节节制闸，使闸前水位自适应地控制在一定的区间内，使该区间水量允许见图11。中线一期工程多目标动态联合调水模型。(a)中线工程调水目标的多样性;中线工程调水的时间尺度X. 牛工程16（2022）2128用于快速响应用水者该系统可根据不同的用水需求生成各闸的调节过程，使各闸在适时、适量地向用户调水的同时，也能适当地对渠道进行充、泄实现了工程在常规任务下的实时自动控制，保证了总干渠的安全运行和年度调水计划的顺利实施。3. 前景中线一期工程的成功实施，产生并积累了一系列自主开发的勘察、设计和成熟的配套施工技术。该工程制定了42项膨胀土渠道设计和施工技术标准，获得1000多项专利，开发了全国通用的施工方法，有效地指导了工程的勘察、设计和施工。该项目现已运行7年多。在这段时间里，它经受住了寒潮、特大暴雨等自然灾害的考验。运营期间，工程总体稳定，每年均顺利完成调水任务三峡工程已成为北京、天津等沿线城市的供水生命线，有力地促进了滹沱河、蒲河、白洋淀等沿线河湖生态环境的恢复中线一期工程建设和运行取得的技术成果，已成功应用于正在建设的国内重大调水工程，如江淮、汉渭、滇中调水、珠江三角洲水资源配置工程等，产生了显著的社会效益，经济效益和生态效益水资源时空分布不均是制约人类社会发展的主要问题。因此，跨流域、长距离调水工程的建设和运行管理是当今社会的一个热门话题，在今后相当长的一段时间内仍将是至关重要的。中线一期工程产生的一系列创新技术，为国内外重大调水工程建设提供了借鉴，具有广阔的推广应用前景。引用[1] 牛X，文D，吴D.南水北调中线工程技术研究。长江2005;36（7）：6-8. 中文.[2] 肖W，毛W.南水北调中线总干渠水头优化配置。南水北调水科学技术2006;4（3）：20-1. 中文.[3] Jian X，Fan W.丹江口大坝混凝土加高施工关键技术。长江2009;40（24）：41-3. 中文.[4] ShanL，Xiao H，Xu Y. 丹江口大坝加高溢流坝结构分析。南水北调水科学技术2007;5（6）：48-50. 中文.[5] 作者：MaJ，Cheng X，Ma J. 丹江口大坝加高工程新老混凝土拼接施工技术。南水北调水科学技术2007;5（6）：97-101. 中文.[6] 杨X，丁F，简X.丹江口大坝加高工程温控措施。南水北调水科学技术2008;6（1）：105-9. 中文.[7] 程X，陈志，马军，王春.新老混凝土结合面设置键槽施工。Dam Saf 2007;3：39-41. 中文.[8] 蔡毅，杨毅，张玲，李玲，强玲，宋宝.膨胀土工程地质的中间路线的从南到北水转移项目武汉：长江出版社; 2016. 中文.[9] 张刚，宋乙，周S，翁军，杨勇.膨胀土边坡滑坡成因及边坡稳定性分析方法。长江2014;45（6）：20-3. 中文.[10] 蔡耀 膨胀土渠道边坡破坏机理及治理措施研究。长江2011;42（22）：5-9. 中文.[11] 蔡毅，曹玲，王X，杨毅，姚X. 膨胀土边坡破坏机理的现场试验研究。第九届全国工程地质会议论文集，2012年10月23-25日，青岛，中国。NCEG; 2012年。第5页。中文.[12] 戴志，陈S，罗宏，陆东.南水北调中线工程膨胀土和膨胀岩的微观结构与特征中国岩土工程学报2013;35（5）：948-54.中文.[13] 牛新，蔡艳，谢新，倪军，张松，李林，等。膨胀土渠道处理技术。武汉：长江出版社;2016. 中文.[14] 赵芳，倪杰，张志.南水北调中线工程水泥改性土施工质量控制研究。长江2014;45（6）：99-101. 中文.[15] 严涛，蔡毅，熊瑞，陆刚.膨胀土渠道开挖中多排微型预支抗滑桩的设计。长江2014;45（7）：41-3. 中文.[16] 黄伟，刘强，冷翔.南水北调工程陶岔至芦山段防渗排水设计。长江2014;45（6）：4-6. 中文.[17] 牛X，谢X，付Z.复杂地质条件下穿黄隧道施工关键技术综述。长江2011;42（8）：1-7. 中文.[18] 牛X，付Z，张C. 穿黄盾构隧道新型复合式衬砌结构性能研究。长江2011;42（8）：8-13. 中文.[19] ZhengG，Lu G，Zhang C，Xia G. 南水北调中线工程团河渡槽设计与施工研究。长江2014;45（6）：27-30. 中文.[20] 熊J，高强. 南水北调中线特大型现浇U形渡槽预应力施工技术。预应力技术2016;6：14-8. 中文.[21] 姜X，梁R，杨X.南水北调中线工程团河渡槽施工方案。长江2014;45（6）：92-4. 中文.