南水北调，技术要闯几道关？

1月7日，丹江口大坝的加高工程现场。 陈华平摄 



图为南水北调工程东、中线示意图。

　　过新库制

　　引南水入北方，就是将梦想搬进现实。滚滚流水，要征服的不仅是遥远的陌生旅途，同样还要历经不同气温的变换。

　　南水北调，这一迄今为止规模最大的调水工程，已于2002年12月27日付诸实施。2008年奥运会前中线一期京石段工程要具备年向北京应急供水4亿立方米的能力。

　　随着通水目标日益临近，沿线百姓都很关心，南水北调工程面临的技术难题如何解决，如何确保一江清水向北流。  

　　“与传统水利工程不同，南水北调工程所涉及的许多软科学与硬技术是世界级的，是水利学科与多个边缘学科联合研究的前沿领域。”国务院南水北调办副主任宁远如是说。

　　难关之一：长江水如何穿越黄河

　　河底隧道采取双洞方案，同时方便维护抢修

　　“穿黄工程是南水北调中线的‘咽喉工程’，是南水北调技术难度最大的工程之一。”国务院南水北调工程建委会专家委员会秘书长汪易森说，穿黄方案只有两种选择：要么在黄河下面打隧洞，要么在黄河之上建渡槽。

　　与渡槽方案相比，隧洞方案对河势影响相对较小，给该河段的治理开发留有较大余地，可免受温度、冰冻、大风等不利因素影响。因此，经过多次科学论证，最终选择了隧洞方案。

　　据介绍，穿黄工程位于河南省郑州市以西约30公里处，两条隧洞是工程最重要的建筑物，每条隧洞长3．45公里，隧洞内径7米，深达黄河河床底部35—50米处的沙层中，技术含量高，施工难度大。

　　中线穿黄工程项目部总工程师王江涛介绍，由于盾构机十分庞大，长达数十米，在隧洞开掘前必须为其修好施工通道，也就是施工竖井。据悉，黄河北岸的施工竖井内径均为18米，外径22米，开挖深度约77米。施工通道建成后，盾构机的各个部分将被依次放进去，并在下面进行组装。组装完毕后的盾构机就像一个体格庞大的怪兽，能不断向前开挖隧洞，并将大量泥沙通过竖井输送出来。

　　与公路、铁路等隧洞不同，穿黄隧洞为输水洞，既要考虑隧洞外部的黄河水和土层压力，还必须考虑洞内水流的压力，因此隧洞实行的是双层衬砌结构，内外两层衬砌管片厚度分别为45厘米和40厘米。

　　隧洞“患病”怎么办？王江涛介绍，隧洞建成后，维护时可关闭双洞隧道中的一个，对另一隧洞进行维护和抢修。双洞隧道内直径为7米，维修车辆可直驱入洞。根据设计，隧洞每年有15天至30天检修期，每3年至5年安排30天至60天大修。

　　难关之二：丹江口水库加高扩容

　　大坝加高加厚，新旧混凝土“咬合”有讲究

　　汉江、丹江交汇而成的丹江口水库，是南水北调中线的源头。162米高的丹江口水库大坝的巨大坝体和群山将江水稳稳地拢成一个“水盆”。据悉，目前丹江口水库总库容是174．5亿立方米，大坝加高后，蓄水位将提高至170米，相应库容增加到290．5亿立方米，相当于增加了两个半北京密云水库。

　　汪易森说，要保障中线多年平均95亿立方米的调水水量，丹江口大坝必须“增高”，水库必须“增肥”。但要在30多年前兴建的丹江口大坝上加高加厚（贴坡），新老混凝土如何结合是面临的最大技术难题，国内尚无成熟的经验和工程实例。

　　如何让新老混凝土“合二为一、结成一体”，并且“骨骼强壮”？依据大量的计算分析及参考国外有关工程的成功经验，丹江口大坝新老混凝土结合采取以直接浇筑为主，在坝顶及下游坝坡现浇混凝土方式加高培厚，适当放缓挡水坝段下游坡，以满足大坝挡水时稳定和应力要求；在接合面竖直缝面及斜缝面设置梯形键槽，使整个坝体较好地联合受力。为保证新老混凝土更好地结合成一个整体，施工时还必须采取严格的温控措施。

　　据最新统计，大坝加高工程进入混凝土浇筑高峰期，全年累计浇筑混凝土43．86万立方米，完成了近35％，施工质量合格率达到了100％。大坝加高工程完成后，不仅可实现扩容，同时也能将汉江中下游防洪标准由20年一遇提高到100年一遇。

　　难关之三：冰冻期输水防止断流

　　控制水流形成冰盖，实行冰盖下输水

　　南水北调中线输水干线长、温度变化大，由南往北跨越北纬33°—40°，气候由温和区走向寒冷区，中线河南安阳段以北，渠水在冬季会结冰，控制不好，很容易会出现流冰、冰塞等威胁，影响输水能力和工程安全。

　　汪易森说，冰期输水在国内有过尝试，如京密引水、引黄济青等项目都采用冰盖下输水技术，为冰期输水提供了可靠的经验。具体方法主要是：科学预测河流的结冰期，在形成冰盖前，提高渠道水位，通过控制流量、流速，让水面形成稳定的冰盖，然后采取冰覆盖下输水；在冰盖输水期间保证输水稳定，防止冰盖破坏；当气温回升时，要控制水位、流量，确保冰盖就地消融不产生流冰，避免了产生冰塞的条件。

　　“冰期输水应该是有规律可循的。”汪易森介绍说，国内许多科研机构经过大量研究，对冰的原型观测及冰水力学数学模型的建立均提出了新的思路和方法，为南水北调中线工程实现冰期输水奠定了基础。目前南水北调冰期输水课题已列入“十一五”科技支撑计划重大项目，相信通过研究沿线多年气候资料、冰情变化规律等，能够解决南水北调冰期输水问题。

　　难关之四：治理膨胀土变形滑坡

　　防渗施压，控制含水量和膨胀率

　　“膨胀土是一种特殊性质的土，遇水膨胀，就成了‘橡皮泥’；失水收缩，干缩龟裂，是工程的又一个难题。”汪易森说，南水北调中线输水总干渠经过的南阳、沙河及邯郸等地均分布有膨胀土，累计长度达300多公里，约占总干渠全长的27％。

　　上世纪60年代末期至70年代初期，在南水北调中线陶岔渠首工程地质勘察、设计和施工中，长江委院勘测部门就认识到这种裂缝粘土难治，在1970年陶岔渠首施工过程中，开挖出的膨胀土渠坡上陆续发生了14处滑坡。

　　汪易森说，如果不针对膨胀土的特殊性质“对症下药”，其结果可能既耗费了大量财力和物力，又达不到治理目标。对膨胀土边坡的处理思路，主要从稳定膨胀土含水量和限制膨胀率两方面考虑，前者是采用工程措施防止渠道渗水、地下水、大气雨水等入渗膨胀土，使膨胀土保持稳定的含水量，不产生膨胀变形；后者主要是用压重方式施加预压力，限制膨胀土变形在抗剪强度允许消减范围内，不使膨胀土变形影响边坡稳定。这两种思路是南水北调中线干线膨胀土渠段表层滑坡处理的主要出发点。

　　为此，将通过不同处理方案的实验室试验、辅助实验和现场试验，寻找安全可靠、经济实用的新方案，替代大规模取土方案，指导设计和施工，力争较好地解决占压耕地良田问题。

　　链接

　　南水北调一期工程分东线一期和中线一期两条调水线路。

　　东线工程从长江下游扬州附近抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，在山东境内出东平湖后分两路输水：一路向北，经隧洞穿过黄河，自流到天津，输水主干线全长1156公里；另一路向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海，全长701公里。

　　中线工程常被形容为“一库清水通过一条长渠，连接湖北和京津”。“一库清水”指的是长江支流汉江上的丹江口水库，调水的终点是北京团城湖、天津。中线工程主要采用渠道输水方式，输水总干渠长1427公里。为提高供水保证率，防止总干渠水质污染，中线输水干渠与交叉河流全部立交，渠河分流，互不干扰。