我国调水工程设计实践与创新

董安建

（水利部水利水电规划设计总院，100120，北京）

调水工程是人类开发、利用水资源的重要手段，是将水从某一流域向其他流域或区域输送，从而实现水资源合理调配和开发利用的工程措施。在我国，调水工程不仅已广泛应用于灌溉、供水等工程中，而且在合理配置水资源、改善区域水环境、促进地方经济社会发展方面也开始发挥越来越重要的作用。近年,我国调水工程建设方兴未艾，调水工程的技术发展也日新月异。调水工程在规划设计理念、技术措施、施工、机电设备等方面都有了创新和发展。

一、我国调水工程概况

我国是一个水资源总体短缺和水资源分布极不均衡的国家，人均水资源量仅为世界平均水平的1/3，水资源时空分布不均不仅制约着许多地方的经济社会发展，也影响着水环境健康发展和人民群众的生活质量。为合理配置和开发利用有限的水资源，维护和改善水环境，实施跨地区、跨流域的调水工程是解决水资源供需矛盾、促进地区经济发展和保护生态环境的重要途径和必然措施。

我国修建调水工程的历史悠久。沟通珠江和长江流域的灵渠、从长江向淮河流域引水的邗沟以及京杭运河都是跨流域调水的经典工程。而2 000多年前修建的都江堰工程，至今仍然发挥着引岷江水灌溉成都平原的作用，堪称调水工程的历史瑰宝。

新中国成立后，我国的调水工程建设得到长足发展，如天津市引滦济津工程、山西省引黄入晋工程、山东省引黄济青工程、辽宁省引碧入连工程、甘肃省引大入秦工程、江苏省引江济太工程、广东省东深供水工程等。这些调水工程的建设为促进当地的经济社会发展发挥了重要作用。

为解决我国北方地区严重缺水问题，支撑北方地区的可持续发展，我国正在实施南水北调工程。拟从长江上、中、下游调水，兴建南水北调西线、中线和东线工程，建成后可实现长江、淮河、黄河、海河的相互连接。目前，南水北调东、中线一期工程已经开工建设，西线工程正在进行前期论证工作。

为解决局部地区干旱缺水问题，我国正在实施或拟实施一批区域性调水工程，如辽宁东水西调工程、云南牛栏江—滇池补水工程、吉林中部城市引松供水工程、陕西引汉济渭工程以及云南滇中引水工程等。这些工程的实施将为地区经济进一步发展发挥作用。

二、调水工程新特点

我国目前实施的调水工程大多为跨流域调水工程，和以前实施的调水工程相比呈以下几方面新特点：

1.调水规模越来越大

除南水北调工程外，许多工程的年调水量都超过10亿m3。如已实施的辽宁大伙房二期输水工程年调水规模为11.9亿m3，拟实施的引汉济渭工程年调水规模为 10亿～15亿m3，云南滇中引水工程规划年调水量达34亿m3等。

2.输水线路长，工程建设条件复杂

大部分调水工程线路长度在100 km以上。如已实施的辽宁大伙房二期输水工程线路总长259 km，正在实施的牛栏江—滇池补水工程线路总长116 km，拟实施的滇中引水工程线路总长约870 km，正在实施的南水北调中线一期工程总干渠线路总长更是超过1 000 km，达到1 276 km。同时地形地质条件、工程技术条件、施工技术条件等都相对更为复杂。

3.调水工程的类型和用途更加广泛

调水工程已不仅局限于满足灌溉、供水的需要，更开始向水环境治理、生态保护、航运等多方面拓展。如云南牛栏江—滇池补水工程开发目标就是以改善滇池生态环境为主；引江济汉工程不仅承担从长江向汉江下游补水的任务，还兼有巨大的航运效益；引江济太等工程不仅具有水资源配置的功能，还兼有太湖水环境治理的作用。

4.社会和环境影响大

调水工程给调出区、工程区、调入区的经济社会和环境带来的影响是非常广泛和复杂的，不仅涉及相关流域、区域的水资源配置，还涉及大量的移民征地、利益分配调整以及环境影响等多方面问题，需要深入研究，妥善处理。

三、调水工程规划设计理念

近年，随着科学发展观的贯彻落实，“以人为本”“人与自然和谐相处”等科学理念不断深入人心，传统的以单一调配水量为目标的调水工程规划设计理念也在不断更新。

在南水北调工程规划设计中，率先提出了跨流域调水工程应遵循的“三先三后”原则，即“先节水后调水、先治污后通水、先环保后用水”的原则，这三项原则已逐渐成为各调水工程规划设计的基本原则。“三先三后”就是要求节水、治污和生态环境保护与调水工程建设相协调，以水资源合理配置为主线，把节水、治污、生态环境保护与调水作为一个完整的系统，开展工程的规划设计。落实“三先三后”原则一方面可以避免受水区由于忽视节水、水污染防治和环境保护而造成的恶性循环，另一方面也是保障调水工程顺利实施的必要条件。

在防止对调出区生态环境和水资源造成不利影响方面也越来越受到重视。受水区的经济社会发展不能以调出区的环境恶化为代价，也不能因调水工程带来水事纠纷等社会问题。在水资源合理配置的基础上要充分考虑调出区的利益。为充分发挥水资源的作用，对当地水与外调水进行联合调度、统一管理已成为调水工程规划设计的基本原则之一。

在输水方式选择方面，更加关注工程对沿线环境的适应性和影响，工程征地与移民、节能和工程造价对经济社会的影响等。未来调水方式的发展趋势将是人与水、自然、经济社会更加和谐。

四、输水渠道工程结构设计

1.渠道结构设计

目前许多渠道为达到防渗和减小糙率的目的都采用了混凝土板衬砌和土工膜防渗结合等衬砌形式。混凝土板衬砌是一种较为脆弱的薄壁结构，抵抗地基变形、浮托力和冻胀等外力破坏的能力较低，若加大混凝土结构厚度，对工程投资影响较大，因此渠道结构设计是投资控制的关键。

南水北调中线工程总干渠采用全断面混凝土衬砌，绝大部分渠道采用土工膜防渗，外坡和局部渠段采取了生态护坡，各设计单位对渠道的防渗、排水、渠坡稳定、衬砌抗浮等问题进行了广泛深入的研究，针对不同问题提出了有效的解决方案，使衬砌结构在满足防渗、减糙和抵抗变形要求的同时，尽可能节省工程量、控制投资和注重环境。例如中线工程渠坡混凝土衬砌为10 cm厚，渠底衬砌仅为8 cm，其下为土工膜和垫层以及防冻、排水等设施。

2.膨胀土渠段渠基处理

膨胀土(岩)问题在南水北调中线工程、新疆和东北的部分调水工程中是重要的工程地质问题。南水北调中线总干渠沿线膨胀土(岩)分布渠段长335.18 km，工程处理措施不当将给渠道运行带来严重危害。由于膨胀土边坡破坏主要发生在雨季,且以浅层滑动为主，因此减少雨水、地表水的入渗，防止膨胀土的初始含水量发生较大变化是膨胀土处理的关键所在。在南水北调前期工作中对膨胀土处理进行了大量试验研究，施工阶段根据“三带”划分理论，经研究分析和现场试验，推荐采用的处理方式是以换填为主，换填材料主要采用非膨胀土、弱膨胀土改性土或水泥土，换填厚度根据膨胀土强弱采用0.8～2.5 m。

3.煤矿采空区段渠道处理

煤矿采空区是我国许多地方面临的重要环境问题，也是调水工程经常面临的工程地质问题。我国南水北调中线、东线以及山西、广西等地的调水工程都遇到渠道穿越煤矿采空区的问题。目前对采空区的处理主要是井下充填和地面充填。南水北调中线一期工程总干渠在河南省禹州市西南约7 km处需通过2～3 km的煤矿采空区，其中部分采空区存在一定的变形。结合禹州矿区的实际情况，经专题研究和国际交流，设计采用地面注浆法对采空区进行加固处理。注浆孔采用梅花状布孔均匀布设，设计排距15 m，孔距20 m。注浆材料采用水泥和粉煤灰混合料，该方案为今后煤矿采空区处理积累了宝贵经验。

4.沙质渠道设计

沙漠或沙土地基是干旱地区的一种特殊地质环境，沙漠气候和沙质地基的特殊性给渠道设计带来很大难度。我国在北方沙漠地区水资源配置等工程中对沙质渠道进行了深入研究，利用沙漠运动规律进行合理选线，在采取固沙、阻沙、导沙、输沙等措施保护渠道以及渠道断面设计、填筑设计等方面都取得了成功经验。

五、输水隧洞结构设计

1.深埋长隧洞结构设计

深埋长隧洞在设计过程中存在水文和地质条件等多种不确定因素，在施工过程中存在高地应力、高地温、岩爆、突涌水和有害气体等严重影响施工进度和施工安全的突出问题，给断面结构设计、施工方案设计和工程投资带来很大影响，是长距离调水工程设计的难点和关键问题。拟建调水工程隧洞中，埋深最大的已超过2 000 m,单洞最长已超过80 km。各工程在前期论证过程中，往往需对隧洞设计方案进行多方案比选论证和深入的计算研究。南水北调西线工程、引汉济渭工程等的深埋长隧洞设计，在设计理论、结构措施和施工措施等方面的研究都取得了新进展。

2.饱和砂土地层输水隧洞衬砌结构设计

穿黄隧洞是南水北调中线工程总干渠与黄河交叉的大型建筑物，为总干渠上规模最大、技术最复杂并控制工期的关键性工程。设计单位经多年研究最终采用两条盾构隧洞穿越黄河方案，隧洞总长4 250 m，单洞内径为7.0 m。隧洞穿越黄河河段为游荡型河道，地层为饱和砂土层，地质条件复杂，内外水压高，设计和施工难度很大。根据施工和后期运行要求，穿黄隧洞中盾构隧洞采用双层衬砌结构。目前，穿黄工程已经全线贯通，衬砌结构设计已经受住了施工期各种复杂条件的考验。

六、长距离大型有压输水管道结构设计

1.大管径PCCP管道结构设计

预应力钢筒混凝土管（PCCP管）是一种复合管材。近年由于其优越的抗内压性能和价格优势，在国内各调水工程中得到了广泛应用。南水北调中线工程北京段惠南庄泵站至大宁段采用了直径4 m的PCCP管道，为我国目前最大管径的PCCP管。辽宁大伙房二期输水工程等也都采用了大直径的PCCP管道。南水北调中线北京段为解决超大管径带来的结构安全问题，设计选用了埋置式预应力钢筋混凝土管，预应力钢丝缠绕在钢筒外的混凝土上，接口采用双胶圈承插式接头。为节省工程投资，根据管道覆土厚度，结合管芯厚度、缠丝层数的选取，选用了多种管型，并采用了不同的管芯混凝土标号。为防止因砂浆保护层破坏对预应力钢丝产生腐蚀，除在PCCP成品管道砂浆保护层外侧涂刷环氧煤沥青绝缘层外，还采用了牺牲阳极的阴极保护措施。

2.长距离有压管道安全防护措施设计

对于长距离有压输水管道，为确保管道运行安全，必须对因水锤等引起的管道压力突然升高导致的问题予以足够重视。通常的解决办法是采取工程措施削减因停泵、起泵水锤以及管道阀门关闭水锤产生的管道压力升高和降低，以保证管道安全运行。辽宁省大伙房二期输水工程采用重力流输水和加压输水结合方式，自鞍山配水站后经1级加压泵站采用管道输水，输水管道线长约230 km，管材主要为PCCP管，最大管径3.2 m。为了确保管道输水安全，采用了减压阀（调节阀）、稳压塔（调压井）、缓闭液控蝶阀、空气阀和注水池等一系列综合方法，保证了输水管道的安全输水。南水北调中线天津干线采取的分段、阶梯式设置保水堰井等，为工程安全运行提供了可靠保障。

七、大型跨河交叉建筑物设计

南水北调中线工程和沿线河流交叉采用全立交，根据河、渠水位流量相对关系、结构安全以及水头损失等因素选用倒虹吸和渡槽，主要包括梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸和河道倒虹吸4种型式。其中设计难度最大的为梁式渡槽。梁式渡槽跨度受渡槽对防洪影响、槽体结构型式、地形地质条件、渡槽施工条件及施工方法和机械设备施工能力等因素影响，目前中线渡槽最大跨度为40 m。已建成的京石段漕河渡槽跨度30 m，也已达到世界先进水平。

八、大型泵站选型及设计

泵型选择和水泵设计是调水工程设计中的重要内容，近年我国在水泵设计方面结合工程需要进行了大量研究，取得了长足进步。

南水北调中线工程惠南庄泵站设计流量60 m3/s，扬程约 62 m，运行小时长，安全性要求高，设计采用卧式双吸离心泵；引汉济渭工程黄金峡泵站设计流量75 m3/s，扬程超过110 m；牛栏江—滇池补水工程干河泵站设计流量23 m3/s，设计扬程超过200 m，在国内同类型工程中均处于领先水平。

南水北调东线工程由于泵站装机容量大，运行小时数高，水泵的选型及设计关乎整个调水工程的正常运行。东线工程可供选取的水泵类型有轴流泵和混流泵，轴流泵设计扬程3～9.5 m，混流泵设计扬程 6～20 m。轴流泵在接近零流量时扬程和功率较大，高扬程区运行时易振动，停机时用快速闸门断流难以控制，影响机组和泵站安全。混流泵机组不易过载，高效区宽于轴流泵。南水北调东线工程在水泵选型时优先选用混流泵，断流方式采用平直管出水流道、快速闸门断流。必须采用轴流泵时，采用虹吸出水流道、真空破坏阀断流，保证启动和停机的安全。对机组轴线型式，考虑工程运行时间长、可靠性要求较高，选用导轴承荷载较小的立式机组，可提高工程供水可靠性，节省运行费用。该项研究处于国际先进水平。

九、施工组织设计关键技术

1.大型渠道薄层混凝土衬砌施工技术

大型渠道薄层混凝土衬砌施工技术在南水北调工程中成功运用，取得了良好的效果。南水北调中线工程明渠采用全断面混凝土衬砌，长约1 100 km，经过研究，在南水北调中线工程中首次采用了衬砌机进行施工。南水北调工程中跨渠建筑物密集，为拆装方便，提高效率，设计优先采用振捣式衬砌机，并针对渠道工程结构断面尺寸大、素混凝土结构薄、混凝土衬砌板抗裂减糙要求高等特点对衬砌机进行了研制和改造，提高了效率，保证了质量。

2.大断面超长隧洞掘进机（TBM）施工技术

根据调水工程隧洞特点，近年隧洞施工一般采用掘进机和钻爆法联合施工方案，对地质条件较好地段发挥掘进机掘进速度快、施工质量稳定、安全作业条件好的优势，对存在不利地质条件洞段采用经验成熟的钻爆法，以发挥其机动灵活的特点。对掘进机施工，在设计阶段主要解决两大问题，一是掘进机的设备选型，二是掘进机单机掘进长度的确定。掘进机选型根据隧洞沿线地质条件和隧洞衬砌形式，结合掘进机的适应条件和工程投资比较确定，掘进机单机理论掘进长度根据净掘进速度和设计运转小时数确定，与岩石强度、节理裂隙发育程度和掘进机特性有关，也需综合施工通风、供电等施工条件等因素。辽宁大伙房二期输水工程输水隧洞长85.3 km，开挖洞径8.0 m，成洞直径7.16 m，属大断面超长隧洞，也是目前世界上在建同等规模最长隧洞。大伙房输水工程以中硬岩为主，节理裂隙以轻度发育和中等发育为主，无较大规模断裂构造，采用了3台开敞式掘进机，单洞长度约20 km。

3.大型渡槽施工技术

一般渡槽施工采用满堂脚手架的常规施工方法，该方法适用于规模和跨度不大、地质条件较好的渡槽，优点是施工机械重量小，不需大型配套设备，可逐跨或多跨间隔施工，施工自由度大；缺点是模板及支架量大，高空作业多，存在一定安全隐患。经过充分论证与比选，目前南水北调中线一期工程已将原运用在路桥建设中的架桥机和造桥机引入渡槽施工方案。湍河渡槽总长槽身采用U形双向预应力钢筋混凝土结构，单槽重1 530 t，单跨 40 m，推荐采用造槽机方案；沙河及大郎河渡槽槽身采用U形双向预应力钢筋混凝土结构，单槽重1200t，单跨30m，推荐采用架槽机方案。与满堂脚手架方案相比，架槽机和造槽机方案提高了施工质量和效率。

调水工程规划设计方面的创新和成功实践，为我国合理有效地配置水资源、改善水环境提供了重要的技术支撑。鉴于调水工程是一项复杂的系统工程，在今后的规划设计中，应更加重视水资源的合理配置、节水节能节地、保护生态环境、创新工程技术、科学调度和管理，真正做到经济效益、社会效益和生态环境效益的统一，使调水工程规划设计目标在经济社会可持续发展中得以实现。

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