引汉济渭（一期）调水工程关键技术研究

张忠东，宋晓峰，肖 瑜

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司，710100，西安）

一、工程概况

陕西省引汉济渭工程是 《全国水资源综合规划》《渭河流域重点治理规划》和《渭河流域重点治理规划陕西省水利项目实施方案》中确定的跨流域调水工程。主要功能是向渭河沿岸重要城市、县城、工业园区供水，逐步退还挤占的农业与生态用水，缓解用水矛盾，同时也是陕北能源化工基地实现引黄置换配置目标的战略性水源工程。

引汉济渭工程以汉江干流黄金峡水库及其支流子午河的三河口水库为水源，由黄金峡泵站自黄金峡水库提水，汇聚三河口水库水源，通过无压引水隧洞，自流调水至关中周至县境内的黄池沟，最终连接关中供水网络。为有效缓解关中地区水资源供需矛盾，引汉济渭工程采用整体一次立项建设，分期配水。工程2025年多年平均调水量10亿m3，在南水北调后续水源工程建成后，2030年多年平均调水量15亿m3。

二、工程建设的关键及关键技术研究的必要性

引汉济渭工程难度大，技术复杂，多项参数突破世界同类工程纪录，也超越了现有设计规范，无现成工程实例可以参考，也无相关标准可遵循。工程的设计、施工、运行均面临诸多风险。

①秦岭隧洞全长98.26km，横穿秦岭山脉，分为黄三段（16.48km）和越岭段（81.78 km），最大埋深达 2 012 m，隧洞长度和埋深综合排名世界第一。整个隧洞工程具有超长、大埋深、地质条件复杂、高地温、高地应力的特征，沿线分别穿越大理岩、花岗岩、闪长岩、千枚岩夹变质砂岩，隧洞埋深最大处原岩地温预计可达到42℃，最大水平地应力预计超过50～60 MPa。

②三河口水利枢纽为引汉济渭工程的重要组成部分，主要由大坝、坝身泄洪系统、坝后泵站、电站以及连接洞组成，其中大坝为145 m高的碾压混凝土双曲拱坝，坝高仅次于目前最高的万家口子碾压拱坝，为国内承受上游水推力最大的拱坝，同时大坝地质地形条件十分复杂。三河口水利枢纽水泵水轮机单机容量12MW，设计水头93.5m，工作范围65～100m，是目前国内水头变幅范围最大的可逆机组。

③三河口水利枢纽的机组分别具有抽水（向水库补水）和发电（向关中地区供水）两种运行情况，现将二者合并，在同一厂房中装设可逆式水泵水轮机机组和常规水轮发电机组。利用抽水蓄能技术选用水泵水轮机机组来适应抽水和发电两种功能，减少设备投入和土建工程量。黄金峡泵站的装机容量为126 MW，名列亚洲前茅；三河口水位变幅较大，造成电站上下游水位差在10.3～99.55 m之间变动。两座泵站和三河口电站机组参数的选择十分困难，直接关系工程技术难度和建设运行管理成本。

④汉江水源区来水丰枯变化大，而调水工程主要供秦岭以北的工业和城镇生活用水，需水过程相对稳定，所以对调水工程的调蓄能力有很高的要求。引汉济渭工程配置情况复杂，工程联动难度大。由于抽水高程的限制，水库调蓄功能难以发挥。所以，迫切需要开展引汉济渭工程水资源配置方案研究，科学规划受水区地表水、地下水、外调水等多水源、多用户的水资源合理配置，同时注重水资源保护。配置研究还需打破受水区的地域界限，探索关中平原渭河用水权与陕北高原黄河北干流用水权的置换问题，扩大引汉济渭工程的受益范围，以“引汉济渭水”间接支撑陕北能源化工基地的建设和发展。

⑤引汉济渭工程调水的科学过程和如何减小对南水北调中线工程的影响，是工程调度运行的关键问题。怎样用好引汉济渭工程的水量并使其引水过程与当地需水相协调，尽量减少引汉济渭工程的运行成本，提高工程安全性，充分发挥引汉济渭工程的综合效益，都是需要深入研究的问题。此外，引汉济渭水源区与受水区水资源联合调度研究，也需要考虑不同管理方式对水源区、受水区各自水资源调度方式的影响，以及对水源区、受水区之间供需平衡的影响等因素。

综上所述，该工程将改写多项国内或国际工程记录，工程的建设将面临极大考验。面对引汉济渭工程牵涉面广，影响因素多，难度极大的特点，开展引汉济渭工程关键技术研究，解决工程建设带来的众多科学技术问题就显得尤为重要。

三、工程建设关键技术研究的主要内容及目的

1.深埋超长隧洞设计及施工关键技术研究

（1）研究内容

①超长深埋隧洞围岩基本工程特性研究。主要进行超长深埋隧洞围岩室内试验，并结合相关现场试验与数值模拟试验对岩体力学强度特征、岩体蠕变特性、岩体渗流特性以及隧洞的围岩岩体应力场进行深入研究。

②不利地质突涌水诱发条件及工程处理措施研究。主要针对隧洞超前地质预报的新技术研究、地下水的预报以及涌水的新型封堵处理措施等技术研究。

③高地应力岩爆预测与防治技术研究。主要包含高地应力岩爆预测与防治技术研究、围岩岩爆发生的破坏机理研究、岩爆现象模拟、围岩初始和二次应力场模拟等。

④高地应力围岩变形与稳定性分析及支护设计。包含软岩沿径向深度分区、不同分区深度确定方法和软岩分区的影响因素研究；支护荷载与围岩变形规律研究；围岩在不同变形情况下强度特征，围岩在允许不同变形下所需支护荷载的关系规律研究；软岩大变形的支护技术研究；复合型支护技术的联合作用机理和支护的参数设计研究。

⑤通风及TBM施工工艺关键技术问题研究。施工通风是超长隧洞施工的世界难题。通风质量的好坏直接影响施工进度、施工测量及工人的身体健康，是制约长隧洞施工的关键因素之一。另外TBM组装工艺技术、克服岩爆的工艺技术等方案的优化研究，也是影响TBM施工的主要因素。

（2）研究目的及技术难点

①超长深埋隧洞围岩基本工程特性研究。全面分析深埋高地应力、高地温等复杂条件下岩体工程特性，合理确定工程中需要的岩体强度、变形等参数及其变异特性。

②不利地质条件涌水突泥诱发条件及工程处理措施研究。在超长深埋隧洞中如何通过物探、钻探等技术手段弄清隧洞所处地带的地质构造、水文地质情况和地下水的水力学特性，是解决涌水突泥的关键所在。

③高地应力岩爆预测与防治技术研究。发生岩爆的脆性围岩微破裂面破坏机制和破坏准则及扩展过程的研究，是岩爆发生机理探讨的核心内容，也是本项目的最大难点之一。

④高地应力围岩变形与稳定性分析及支护设计。拟采用的固体力学和流体力学进行高地应力区软岩变形机理来描述软岩的 “固体—流体”双重特性是本项研究的难点。

⑤TBM施工支护关键技术问题研究。根据实际采用的TBM具体机型，通过各种理论计算，分析各种不利地质条件下的支护结构稳定性，提出TBM施工的各种施工预案和在不利地质条件下的支护方案以及相应对策和处理措施，确保施工安全。

2.碾压混凝土高拱坝关键技术研究

（1）研究内容

①混凝土拱坝数字监控系统关键技术研究。建立温度梯度监控、分析与预警系统，对混凝土拱坝的内外温差、上下层温差进行有效监控，避免施工期裂缝的产生。

②拱坝混凝土温控防裂标准和措施跟踪研究。在设计与施工的各个阶段，进行拱坝混凝土温控标准和措施的研究，制定安全可靠、经济合理的拱坝混凝土温度控制标准和措施，并结合数字监控的需要，将温度控制标准和措施进一步细化。

③基于数字监控的碾压混凝土拱坝施工质量控制指标研究。通过一系列的现场试验，对现有施工质量控制指标体系进行深入研究，建立既能有效控制碾压混凝土施工质量又能符合数字监控要求的质量控制方法和指标体系。

（2）研究目的及技术难点

碾压混凝土拱坝的施工质量是施工成败的关键。要通过大量试验，建立碾压混凝土施工质量控制的指标体系，建立数字监控平台，服务于引汉济渭工程拱坝施工质量的全过程控制。

3.泵站与电站设计及运行关键技术研究

（1）研究内容

①对国内外水泵及水泵水轮机的技术发展水平、机组运行情况进行调研与交流。

②结合国内外水泵与水泵水轮机的技术发展趋势，对黄金峡与三河口泵站机组参数进行优化研究。

③开展黄金峡与三河口泵站水泵水力模型优化研究。根据参数优化研究获得两座泵站的水泵基本参数，利用数值优化设计技术和高精度水力机械模型试验台，比选出水泵水力模型方案，进行模型试验研究，优选后提出可供黄金峡与三河口泵站选择的性能优良的水泵水力模型。

④针对三河口水电站宽水头变幅条件，开展水轮机优化解决方案研究。根据优选后的水轮机基本参数，利用数值优化设计技术和高精度水力机械模型试验台，比选出水轮机水力模型方案，进行模型试验研究，优选后提出可供三河口水电站选择的性能优良的水轮机水力模型。

⑤针对三河口电站可逆式机组，开展三河口可逆式水泵水轮机水力模型优化研究。根据优选后的三河口水泵水轮机基本参数，利用数值优化设计技术和高精度水力机械模型试验台，比选出水泵水轮机水力模型方案进行模型试验研究，对各项参数优选后提出可供三河口电站选择的性能优良的水泵水轮机水力模型。

（2）研究目的及技术难点

①宽水头变幅条件下的水泵、水轮机及水泵水轮机的选型及其启动与运行的解决方案。

②高扬程、大流量泵站的水泵参数的优选，设计、制造与运行难度和泵站造价的综合平衡。

③新型高扬程、大流量、高效水泵开发，以及新型高效可适应宽水头变幅的水泵、水轮机及水泵水轮机的研发。

4.水资源配置关键技术研究

（1）研究内容

以研究区水资源及其开发利用评价为基础，以统筹考虑水量和水质供需平衡分析为核心，将自然水循环和水资源利用的供、用、耗、排水过程紧密联系，建立集成需水、节水、保护、供水、水资源供需平衡分析、水量平衡分析等功能模块为一体的水资源配置模型。根据未来不同供用水策略设置配置方案集，进行多目标方案比选，分析引汉济渭水量与本地水源、黄河引水的联合配置关系，提出合理的水资源配置格局与配置方案。

（2）研究目的及技术难点

①架构全方位水资源配置模型。

②考虑研究区现有水源配置格局和相应的供水设施等条件，分析不同模式水源转换的成本效益关系。

③研究生态环境用水和国民经济用水的统一配置。

④研究引汉济渭工程与南水北调工程之间的关系，协调地方与国家利益。

⑤由于现有引汉济渭工程调蓄能力不足，但需水过程稳定，特别是枯水期难以有足够水源保障，需要深入研究如何将外调水量与当地地表水、地下水统一联合配置。

5.引汉济渭工程运行调度关键技术研究

（1）研究内容

多臂钻台车在施工现场掘进施工

①引汉济渭水源区水库、电站、泵站联合调度方案研究。以引汉济渭水源区多年平均供水量最大、枯水年供水量最大、系统运行费用最低等为调度目标，研究黄金峡、三河口水库的联合调度方案，特别是三河口水库的泵站提水、供水调度过程，制订黄金峡、三河口水库的联合供水、发电调度方案及调度规则。同时根据联合调度方案给出不同水平年水源区可调水量过程。

②引汉济渭对南水北调中线、汉江流域供水、发电影响研究。以引汉济渭水源区联合调度方案为边界，分析引汉济渭水源区不同调度方式将对丹江口水库的防洪、供水、发电调度产生的影响，并优化丹江口水库的防洪、供水、发电调度过程。研究引汉济渭水源区不同调度方案对南水北调中线多年平均供水过程、枯水年供水过程等影响，对汉江中下游防洪、供水、发电调度过程等影响。

③引汉济渭工程受水区水量调度研究。优化受水区水利工程的运行方案，提出适应于引汉济渭外调水过程的最优调度方式。在受水区各个地市、城市之间公平分水的基础上，追求受水区水资源综合利用效益最大化。针对供需平衡结果提出推荐方案及对策。同时还将研究全局优化与市场机制相结合的受水区水资源分配方式。

④引汉济渭水源区、受水区联合调度机制与方案。引汉济渭调水从三河口水库到受水区各个取水口门之间没有调蓄工程，为干线水量调度及水量分配提出了挑战。实现引汉水量的充分利用，减少外调水弃水。提出符合引汉济渭工程的输水干线水量调度技术体系，并拟通过构建基于优化技术的水量分配模型为输水干线调度提供软件支撑。

(2)研究目的及技术难点

①水库、电站、泵站群联合调度模型。水库、电站、泵站群系统的调度过程优化是一个高度非线性、带有风险不确定性、多时段序贯决策的问题。

②基于二元水循环理论的水文、水动力学联合模拟与调度模型。模型中既包括对水库入流过程预报、模拟的水文模型，也包括对泵站、隧洞的水动力学模拟模型。整个模型系统是一个高度复杂的多尺度水循环模拟与调度系统，需要引入并行计算、优化算法等多种技术，同时还需要耦合水循环模拟模型与水资源调度模型实现水循环全过程的模拟与调度。

③引汉济渭受水区水资源调度是一个多水源、多用户、多时段的水资源联合调度模型。无论采用优化或者规则方法来构建水资源联合调度模型，都需要对这个复杂的水资源系统进行科学的概化，同时需要借助大规模数学规划算法或者全局优化算法来找到全局最优解或者满意解。

四、初步成果应用

目前，引汉济渭工程秦岭隧洞越岭各标段均已进入主洞施工，岭北、岭南TBM实现双向掘进，三河口水利枢纽前期准备工程已开工建设。结合工程建设进度，引汉济渭工程已开始多项科研课题的研究工作，部分项目初步成果已在工程实践中得到应用。

①隧洞施工通风。“引汉济渭工程施工通风方案研究”通过对风管漏风率、风速、风压等实测分析提出通风方案，为隧洞长距离通风提供了技术支撑。

②隧洞精准贯通。已建立起由黄委设计院施测隧洞外控制网、施工单位对控制网进行复测并进行洞内控制测量的两级测量控制系统。隧洞外控制网测量采用高精度的双频GPS技术，数据处理采用美国麻省理工学院研制的GAMIT等软件；洞内控制测量采用交叉导线或双导线测量方法，满足测量控制的精度要求。已经贯通的0号与0-1号支洞横向贯通误差15 mm，高程贯通误差10 mm，均处在贯通误差允许限差范围之内。

③环境监测。“引汉济渭水资源监控手段及信息化应用模式研究”项目，在秦岭输水隧洞6号、7号支洞环保项目现场安装了图像监测及水质检测设施，实现PC、手机APP随时访问，即时掌握环保设施运行情况和水质在线检测。

④施工期洪水预报预警。“引汉济渭工程施工期洪水预警预报研究”成果利用数字高程（DEM）和现代水文预警预报技术，建立洪水预警预报系统，及时预警预报，为防洪抢险提供科学依据，已在三河口水利枢纽防汛度汛工作中应用。

⑤三河口可逆式水轮机及大流量水泵。“三河口水利枢纽水泵水轮机模型参数及运行技术研究”项目，完成了40～83 m变频和83～100 m转轮的实验研究，取得的阶段性成果已在引汉济渭三河口水利枢纽工程设计中得到应用。

五、结语

引汉济渭工程作为陕西省战略性水资源配置工程，对于国民经济的可持续发展意义重大。紧紧围绕引汉济渭工程的设计、施工、运行和管理开展研究，为引汉济渭工程服务，通过科研攻关，实现技术突破，保证工程的顺利实施和安全运行，所创造的社会经济效益巨大。通过研究及成果应用推广，可以解决工程建设急需解决的深埋超长隧洞的设计及施工、区域水资源合理配置、平常年和特殊干旱年的水资源调度等难题，优化工程布局，为工程建设提供科技支撑，为建设一流工程提供条件保障。同时可以保证工程建设质量、安全、进度，提高工程建设的技术水平，降低工程建设和投入运营后的成本，充分发挥工程的投资效益。研究取得的深埋超长隧洞的设计及施工技术、水资源综合配置技术、调度技术、泵站及电站优化技术等成果还将为南水北调西线工程的前期研究和工程实施奠定科学基础。因此，本项目的研究具有较大的直接或间接的经济效益，同时社会效益巨大。