专题论述 ２０１５．１４中国水利 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） 摘要：引汉济渭工程是一项非常复杂的水资源配置系统工程，影响因素多，工程难度极大。如此超常规的工程 建设必然带来一系列的科学技术问题。分析工程存在的关键技术问题并开展这些问题的研究工作，将对工程建 设的设计、施工有重要的指导作用，并为工程建设提供技术保障。 关键词：引汉济渭工程；深埋超长隧洞；碾压混凝土高拱坝；可逆式机组；泵站与电站设计运行；水资源配置 Ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｈａｎｊｉａｎｇ－ｔｏ－Ｗｅｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ／／Ｚｈａｎｇ Ｚｈｏｎｇｄｏｎｇ，Ｓｏｎｇ Ｘｉａｏｆｅｎｇ，Ｘｉａｏ Ｙｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈａｎｊｉａｎｇ——ｔｏ——Ｗｅｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｐｒｏｊｅｃｔ ｆｏｒ ＳＯ ｍａｎｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｃｅｒｔａｉｎｌｙ ｂｒｉｎｇ ａ ｓｅｒｉａｌ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓｓｕｅｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃａｌｅ．Ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｏｆｆｅｒ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ’Ｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈａｎｊｉａｎｇ－ｔｏ－Ｗｅｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ；ｄｅｅｐ－ｂｕｒｉｅｄ ｓｕｐｅｒ—ｌｏｎｇ ｔｕｎｎｅｌ；ｈｉｇｈ ＲＣＣ ａｒｃｈ ｄａｍ； ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｇｒｏｕｐ；ｒｕｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ｐｕｍｐ ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＶ５ｌ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—１１２３（２０１５）１４—００６３—０４ 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 工程概况 一均调水量１５亿ｍ 。 、陕西省引汉济渭工程是《全国水 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 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 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 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 件十分复杂。三河口水利枢纽水泵水轮 机单机容量１２ ＭＷ，设计水头９３．５ ｍ， 工作范围６５～１００ｍ，是目前国内水头 变幅范围最大的可逆机组。 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 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。 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 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 ①秦岭隧洞全长９８．２６ ｋｍ，横穿秦 岭山脉，分为黄三段（１６．４８ ｋｍ）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。 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ｍ ，在南水北调 后续水源工程建成后，２０３０年多年平 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 ②三河口水利枢纽为引汉济 胃 工程的重要组成部分，主要由大坝、坝 收稿日期：２０１５—０６—２０ 作者简介：张忠东．副总工程师，工程部部长，高级工程师。 ６３— 专题论述 ＣＨＩＮＡ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳ０ＵＲＣＥＳ ２０１ ５．１ ４ 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 ■６４ 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“固体一流体” 双重特性是本项研究的难点。 ＠ＴＢＭ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 专题论述 ＣＨＩＮＡ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ２０１ ５．１ ４ 调度目标。研究黄金峡、三河１３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 Ｉ１ ６６ 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１３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１０ｍｌＴ１．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｝胃三河口水利枢纽工程设 计中得到应用 五、结语 引汉济｝胃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｝胃工 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。 ● 责任编辑李建章
