引江补汉工程关键技术挑战

钮新强，万 蕙，刘 琪

（长江设计集团有限公司，430010，武汉）

引江补汉工程作为南水北调中线工程的后续水源，从长江三峡水库自流引水至汉江丹江口水库坝下，是首个开工建设的南水北调后续工程大型项目，是构建完善国家骨干水网的标志性工程。工程将打通长江三峡向我国北方地区的输水通道，创造长江—汉江—华北平原水资源协同调配的工程条件，提升三峡水库在国家骨干水网中的战略水源作用，具有重大战略意义。该工程也是我国在建单洞长度最长、洞径最大、综合难度最高的长距离有压引调水隧洞，关键技术涉及地质勘探、设计、施工、智慧调控等方面。

一、工程总体方案

1.工程背景

南水北调工程是缓解我国北方地区水资源严重短缺局面的重大战略性基础设施，事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉。20世纪50年代开始，就已开展南水北调中线工程勘察规划设计研究工作，水源方案更是历经长期研究和反复比选。最终在国务院2002年批复的《南水北调工程总体规划》中明确，中线工程“近期引汉、远期引江”。根据总体规划安排，南水北调中线一期工程于2014年12月建成通水。截至2022年7月底，中线一期工程累计调水突破500亿m3，显著改善了受水区的水资源条件和供水保障程度，并为受水区地下水压采和生态环境保护创造了有利条件，同时促进了水源区汉江上游生态修复，提高了汉江中下游防洪能力，工程取得了巨大的经济、社会和生态效益。

按照南水北调工程总体规划，中线北调水是北方受水区的补充水源，一期工程多年平均调水量95亿m3，与受水区地表水和地下水联合运用，共同保障受水区的城市供水。工程通水后，水质持续稳定在Ⅱ类水质标准以上，供水地位已由“辅”变“主”，成为沿线受水区主要城市的主要供水水源。然而，按照总体规划，在1956—1998年水文系列中，中线一期工程渠首调水量达到多年平均调水量95亿m3的年份仅占62%，最小年调水量仅53亿m3。当水文系列延长为1956—2018年后，由于汉江枯水年份增多，最小年可调水量减少到23亿m3，中线一期工程的供水保证率与其实际供水地位不匹配。此外，随着京津冀协同发展国家战略、雄安新区建设和中原城市群建设的推进以及城乡供水一体化的实施，中线实际供水范围在不断扩大，为保障北方受水区经济社会与生态环境协调发展，增加中线北调水量势在必行。同时，近年来汉江流域连续枯水年呈增加趋势，汉江生态经济带建设也对汉江流域水资源保障提出了新要求，汉江流域水资源供需矛盾愈加突出。

因此，为应对北方受水区用水需求进一步增长、供水稳定性进一步提高等新要求，保障北方受水区供水安全，增强汉江枯水年水资源调配能力、缓解汉江流域用水压力，迫切需要实施中线后续水源工程。《南水北调工程总体规划》和《长江流域综合规划（2012—2030年）》均提出根据汉江流域水源区及北方受水区生态环境实际情况和经济社会发展需求，相机实施从长江干流引水补充汉江的研究。长江三峡水库作为我国战略水源地，具有水量丰沛、调蓄能力强、区位优势突出、供水范围广、水位适中、水能开发影响小等天然优势，可作为南水北调中线工程后续水源向汉江补水。2017年引江补汉工程全面启动前期研究论证工作。2021年5月14日，习近平总书记主持召开推进南水北调后续工程高质量发展座谈会并发表重要讲话，强调要深入分析南水北调工程面临的新形势新任务，科学推进工程规划建设，提高水资源集约节约利用水平，为南水北调后续工程规划建设提供了根本遵循与指引。

2.工程定位与规模

引江补汉工程定位是南水北调中线工程的后续水源，其建设任务为从长江三峡库区引水入汉江，提高汉江流域的水资源调配能力，增加南水北调中线工程北调水量，提升中线工程供水保障能力，并为引汉济渭工程达到远期调水规模、向工程输水线路沿线地区城乡生活和工业补水创造条件。

引江补汉工程规模论证需统筹发展与安全、效益与影响，属于典型的跨流域多目标水资源优化配置难题。针对引江补汉工程水资源配置的特点，自主研发了具有完全自主知识产权的水资源联合配置模拟和辅助决策模型，涵盖长江、汉江等主要河流，南水北调中线、引汉济渭、鄂北地区水资源配置等骨干跨流域调水工程，三峡、丹江口等控制性水利水电工程（见图1）。按照“生态优先、丰枯互济、保障水源区原有用水权益、适当留有余地”的原则开展水资源优化配置，预测2035年中线受水区多年平均总缺水量136亿m3。按照中线一期工程总干渠不扩建、正常供水期可全线通过加大流量、冰期分年型分渠段控制流量，复核中线一期总干渠输水能力为115亿～119亿m3。在此基础上按照“以供定需”原则（即充分利用中线一期总干渠现有输水能力向北方受水区增加供水量）确定引江补汉工程增补中线北调水量。

图1 引江补汉工程水源区与受水区概化示意图

综合考虑施工技术难度、运行安全风险和经济合理要求，最终确定引江补汉工程多年平均引江水量39亿m3。其中，补北调水量24.9亿m3（陶岔多年平均调水量达到115.1亿m3），补引汉济渭水量5亿m3，补汉江中下游水量6.1亿m3，输水工程沿线补水量3亿m3。

3.工程布局

从长江向汉江调水的方案自20世纪50年代已开始研究，如大宁河调水入汉江、香溪河引江济汉、龙潭溪引江、小江调水等方案，均作为南水北调中线的水源方案在中线工程规划阶段开展了初步研究工作。

引江补汉工程布局论证在以往研究成果的基础上，坚持“生态优先、技术可行、经济合理、兼容并包”的原则，根据工程建设任务论证分析比选各种可能的方案，综合技术经济、环境影响、建设条件、移民占地等多方面因素，工程线路推荐风险相对可控、经济性好、供水成本低的龙安1线，从三峡库首北岸龙潭溪引水至丹江口水库坝下约5 km的安乐河口入汉江干流，采用一条全长194.3 km、过水洞径10.2 m的有压隧洞自流输水，充分利用三峡水库动态水位形成的宝贵水头差，引水流量随三峡水库水位变化为170～212 m3/s。在线路桩号164 km处布置石花控制闸，用于衔接前后两段有压隧洞，解决闸后浅埋隧洞高内水压力问题。

4.工程调度

引江补汉工程运行以服从三峡水库和丹江口水库防洪调度为前提，丹江口水库设置引江控制水位线：丹江口水库蓄水位低于引江启动线时，开始向汉江干流补水；丹江口水库蓄水位高于引江停止线时，停止向汉江干流补水。引江控制水位线以引江后基本不增加丹江口水库弃水为目标，采用长系列调节计算模型逐旬试算确定。

引江补汉实施后南水北调中线水资源配置格局发生了重大变化。今后，将建立基于三峡和丹江口水情预报系统的水资源统一调度平台，在三峡、丹江口水库实现较高精度长、中、短期水情预报的基础上，研究在不同的长江、汉江本流域来水和跨流域调水需求条件下，引江补汉工程与三峡、丹江口水库的水资源联合调配策略；研究优化三峡—葛洲坝水利枢纽梯级调度运行方案；统筹考虑汉江中下游防洪、供水和生态需求，研究优化丹江口水库调度运用方案，提升水资源综合利用效益，特别是改善枯水年北调水过程和汉江中下游水资源条件；提出发生水污染、工程事故、特殊干旱等情况时，三峡、丹江口、汉江梯级及骨干引调水工程应急调度的原则、联合调度方式和预期效果。

5.工程效益

引江补汉工程补水范围可分为供水区、补水区和受益区三个层次：中线工程受水区为供水区，汉江中下游为补水区，引汉济渭工程受水区和输水线路沿线补水区为受益区。

工程实施后可增加中线工程调水量，显著提高调水过程均匀程度，提升受水区用水保障水平。中线工程多年平均调水量达到115.1亿m3，较中线一期规划的年均调水量增加约20亿m3，对枯水年补水量相对更大；年调水95亿m3的保证率由62%提高至90%，最小年调水量将从23亿m3增加至66亿m3。

工程实施后，汉江黄家港断面多年平均下泄水量236.7亿m3，比工程实施前增加5.9亿m3；最小流量490 m3/s长序列时段保证率从94%提高至99%，连续枯水年除个别时段外，基本可以满足最小流量要求，或按400 m3/s下泄。同时，提高了汉江中下游梯级生态调度实施概率，5—8月下泄流量相应提高。另外，在汉江中下游水华高发时段（1—3月），利用工程富裕输水能力可向汉江中下游相机补水，最大年增补水量可达16亿m3。

引江补汉工程实施为引汉济渭工程多年平均实现远期调水规模15亿m3创造了条件，向沿线宜昌市、荆门市和襄阳市干旱地区多年平均补水约3亿m3，提高受益区水资源保障能力，支撑经济社会发展。

二、关键技术

1.深埋长大隧洞地质勘探技术

引江补汉工程输水隧洞穿越地层众多、地质条件复杂，具有“三高、两多、一软、一活动”特点。“三高”即高地应力、高外水压力、高岩石强度：沿线实测水平主应力达35.2 MPa；已开展的钻孔实测洞线区域最大水压超过5 MPa；超硬岩分布范围广，实测最大岩石强度达281 MPa。“两多”即断层多、地下水多：输水隧洞穿越区域性断裂7条，地区性断层50余条，其中著名的青峰断裂带总宽度达6 km以上；隧洞沿线地下水丰富，预测可能发生涌水洞段长约37.5 km。“一软”指隧洞穿越软质岩总长度达58.5 km，占比约30%，预测可能发生中等及以上软岩大变形的洞段长约18 km。“一活动”指输水隧洞穿越两条蠕滑型活动断裂，分别为通城河断裂和城口—房县断裂，其中通城河断裂实测年均位移量约0.3 mm。

为应对复杂的工程地质问题，工程勘察设计阶段综合采用了多种勘察技术和手段，并在遥感、钻探、测试、试验等方面开展了新技术探索和应用，形成了基于三维实景影像的地质信息解译技术、超深大顶角斜孔及水平孔钻探技术、超深复合定向钻探技术、超深孔压水试验技术、千米级深孔地应力测试技术等。

隧洞开挖时，对掌子面前方不良地质体进行探测并对地质灾害进行超前预报十分重要。由于目前勘察装备和评价理论的局限性，不良地质体超前探测与预报精度尚难以满足工程建设需要，应从可靠、高效获取隧洞围岩工程地质特征参数的关键装备研制出发，开展物探方法、钻探工艺、测试技术攻关，构建安全、高效、合理的超前勘察技术体系。

2.深埋长大隧洞总体施工方案

“长洞短打、分段掘进”是超特长隧洞施工的基本方法，但如何合理划分施工分段和优选施工方案，既能充分发挥TBM（全断面硬岩隧道掘进机）优势，提高施工效率，又能利用钻爆法开挖不良地质洞段，规避施工风险，达到综合效益最优的目标，是一个极为复杂而重要的问题。

引江补汉工程隧洞开挖采用“TBM法+钻爆法”组合的总体施工方案，充分考虑了TBM及其配套设备性能和国内现有承包商的技术能力和管理水平，紧密结合隧洞工程地形地质条件与结构要求，以期实现缩短工期、减少辅助工程设施及附加工作量、降低施工成本的目标。工程共采用9台TBM集群施工，开挖直径达12.2 m，为非常规的超大直径TBM，是我国在建项目投入超大直径TBM施工最多的隧洞，对TBM结构件刚度、大直径主轴承等关键部件的性能、支护系统的配备与优化、超前预处理及卡机脱困辅助设施配置等方面要求高，而现有设备设计与制造的参考经验有限。在TBM功能配置方面，亟需提升TBM设计与制造技术，增强复杂地质条件下超大直径TBM的适用性，针对不同的地质条件，尤其是局部不良地质洞段，研究不同类型TBM相应的功能配置要求，解决和克服超大直径TBM施工过程中面临的诸多不确定因素，总结形成一套成熟的超大直径TBM功能配置关键技术。

3.深埋长大隧洞关键地质问题及对策

引江补汉工程输水隧洞地质条件复杂，隧洞施工面临涌水突泥、高外水压力、软岩大变形、坚硬岩岩爆、活动断裂错动影响等工程地质问题，对工程施工安全、投资控制与工期保障存在不利影响。

工程沿线穿越黄陵背斜、聚龙山复式向斜、青峰断裂带等多个构造单元，部分洞段具有围岩软弱破碎、地下水水头高且补给充足等特点，高压富水破碎地层的涌水突泥灾害是工程建设过程最突出的施工风险。应对涌水突泥问题，一是遵循“绕避优先、避重就轻”原则，在选线过程中最大限度避开或短距离穿越易发生隧洞地下水害的强岩溶区和大断裂带；二是“超前物探+超前钻探”相结合开展超前地质预报，提前探明富水构造，并采取“封堵、排水减压、疏导、绕行”等针对性处置措施；三是超前注浆加固，根据现场实际综合考虑洞内超前灌浆、地表超前复合定向钻灌浆；四是超前支护，在超前灌浆堵水完成后采取超前管棚等措施，确保下一步开挖围岩安全稳定。

输水隧洞穿越高地应力软弱岩地层时面临软岩大变形风险，主要危害表现为围岩变形侵限、支护破坏、TBM频繁卡机等，甚至是二衬开裂，影响结构寿命。对于软岩大变形问题，总体上采用“监测预警、超前支护、预留变形、初支加强、及时封闭、底部加强、衬砌紧跟、动态优化”等措施应对。对特别严重洞段考虑“放-抗结合、主动支护、分层施作”的软岩大变形控制理念，具体采用让压支护、预应力锚杆（索）、双层初期支护等措施。

工程线路存在中等岩爆风险的洞段长约25 km。岩爆防治遵循“以防为主、防治结合”原则，施工过程中结合岩爆监测预警，综合采用强支护、应力解除爆破、超前应力释放、喷水或钻孔注水软化等防控措施。TBM施工洞段优先考虑护盾式TBM，通过管片结构降低施工安全风险及爆渣清理对掘进速度的影响。针对强烈岩爆洞段，则采用以重型钢管片为主的综合防护措施。

输水隧洞穿越两条蠕滑型活动断裂，针对活动断裂的主要设计思路：一是铰接设计，增加衬砌在轴向的自由度，以适应断层错动位移；二是超挖设计，预留出断层错动变形空间；三是隔离设计，在初支和二衬之间充填柔性缓冲层，以适应断层错动位移，避免或减小衬砌结构受到的影响。

4.水网工程精细精准智慧调度技术

引江补汉工程实施后形成了以三峡水库和丹江口水库为水源，南水北调中线一期工程、引汉济渭工程、鄂北地区水资源配置工程等为通道，长江、汉江流域与京津华北地区为供水对象的水网综合工程体系，工程调度涉及多水源、多通道、多用户、多目标的均衡优化配置问题，需要厘清水量调配、水力控制、水质保护的互馈响应机理，协调好流域、区域等不同空间尺度和月、旬、实时等不同时间尺度间调度的解耦-耦合关系。已有研究成果多集中在单一工程或小尺度区域，难以支撑水网工程精细化、精准化、智能化调度，亟待开展相关技术研究。

创新水网系统多尺度多过程高效模拟技术，研究水网跨区域多目标协同实时调度技术，提出超大规模有压管道系统的水锤防护技术准则及方法模型，突破无压及有压输水系统全情景工况智能、精准、精细调控技术难题，实现水网多目标时空效益均衡调度，保障水网工程效益充分发挥。

5.数字孪生引江补汉工程关键技术

数字孪生引江补汉工程旨在服务和保障全生命期工程安全、供水安全、水质安全等，建设可计算、可推演、可追溯、可决策的工程数字孪生体，打造各参建方协同、全生命期业务应用一体化的管理工作平台，形成数字孪生创新平台，实现从被动应对安全风险转向主动防控，数据驱动工程质量持续优化，促进工程建设体系技术和模式变革，促使工程运维能力现代化和科学化升级。

现阶段，数字孪生工程主要面临工程信息模型、数据融合和服务标准缺失，专业模型智能化程度不高、智能基因注入不足，以及数字孪生应用场景广度不够、深度不足等问题，亟需针对工程数字孪生体、建设和运维智能模型和知识构建，以及数字孪生应用场景挖掘等开展技术攻关。

三、展 望

作为首个开工的南水北调后续工程重大项目，引江补汉工程在复杂构造条件下地质勘察、大范围多目标水资源配置、工程规模布局论证、复杂地质条件下深埋长大隧洞设计等方面形成了一系列自主研发的勘察设计技术，高效完成了工程规划论证。未来以引江补汉工程为突破口，有望引领精准高效勘探、不良地质体超前预报与安全高效施工、水网精细精准智慧化调度、数字孪生工程建设等关键技术的攻克，可为南水北调西线工程等国家水网重大工程建设提供参考和借鉴。