引漢濟渭（一期）調水工程關鍵技術研究

張忠東，宋曉峰，肖 瑜

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，710100，西安）

一、工程概況

陜西省引漢濟渭工程是 《全國水資源綜合規劃》《渭河流域重點治理規劃》和《渭河流域重點治理規劃陜西省水利項目實施方案》中確定的跨流域調水工程。主要功能是向渭河沿岸重要城市、縣城、工業園區供水，逐步退還擠占的農業與生態用水，緩解用水矛盾，同時也是陜北能源化工基地實現引黃置換配置目標的戰略性水源工程。

引漢濟渭工程以漢江干流黃金峽水庫及其支流子午河的三河口水庫為水源，由黃金峽泵站自黃金峽水庫提水，匯聚三河口水庫水源，通過無壓引水隧洞，自流調水至關中周至縣境內的黃池溝，最終連接關中供水網絡。為有效緩解關中地區水資源供需矛盾，引漢濟渭工程采用整體一次立項建設，分期配水。工程2025年多年平均調水量10億m3，在南水北調后續水源工程建成后，2030年多年平均調水量15億m3。

二、工程建設的關鍵及關鍵技術研究的必要性

引漢濟渭工程難度大，技術復雜，多項參數突破世界同類工程紀錄，也超越了現有設計規范，無現成工程實例可以參考，也無相關標準可遵循。工程的設計、施工、運行均面臨諸多風險。

①秦嶺隧洞全長98.26km，橫穿秦嶺山脈，分為黃三段（16.48km）和越嶺段（81.78 km），最大埋深達 2 012 m，隧洞長度和埋深綜合排名世界第一。整個隧洞工程具有超長、大埋深、地質條件復雜、高地溫、高地應力的特征，沿線分別穿越大理巖、花崗巖、閃長巖、千枚巖夾變質砂巖，隧洞埋深最大處原巖地溫預計可達到42℃，最大水平地應力預計超過50～60 MPa。

②三河口水利樞紐為引漢濟渭工程的重要組成部分，主要由大壩、壩身泄洪系統、壩后泵站、電站以及連接洞組成，其中大壩為145 m高的碾壓混凝土雙曲拱壩，壩高僅次于目前最高的萬家口子碾壓拱壩，為國內承受上游水推力最大的拱壩，同時大壩地質地形條件十分復雜。三河口水利樞紐水泵水輪機單機容量12MW，設計水頭93.5m，工作范圍65～100m，是目前國內水頭變幅范圍最大的可逆機組。

③三河口水利樞紐的機組分別具有抽水（向水庫補水）和發電（向關中地區供水）兩種運行情況，現將二者合并，在同一廠房中裝設可逆式水泵水輪機機組和常規水輪發電機組。利用抽水蓄能技術選用水泵水輪機機組來適應抽水和發電兩種功能，減少設備投入和土建工程量。黃金峽泵站的裝機容量為126 MW，名列亞洲前茅；三河口水位變幅較大，造成電站上下游水位差在10.3～99.55 m之間變動。兩座泵站和三河口電站機組參數的選擇十分困難，直接關系工程技術難度和建設運行管理成本。

④漢江水源區來水豐枯變化大，而調水工程主要供秦嶺以北的工業和城鎮生活用水，需水過程相對穩定，所以對調水工程的調蓄能力有很高的要求。引漢濟渭工程配置情況復雜，工程聯動難度大。由于抽水高程的限制，水庫調蓄功能難以發揮。所以，迫切需要開展引漢濟渭工程水資源配置方案研究，科學規劃受水區地表水、地下水、外調水等多水源、多用戶的水資源合理配置，同時注重水資源保護。配置研究還需打破受水區的地域界限，探索關中平原渭河用水權與陜北高原黃河北干流用水權的置換問題，擴大引漢濟渭工程的受益范圍，以“引漢濟渭水”間接支撐陜北能源化工基地的建設和發展。

⑤引漢濟渭工程調水的科學過程和如何減小對南水北調中線工程的影響，是工程調度運行的關鍵問題。怎樣用好引漢濟渭工程的水量并使其引水過程與當地需水相協調，盡量減少引漢濟渭工程的運行成本，提高工程安全性，充分發揮引漢濟渭工程的綜合效益，都是需要深入研究的問題。此外，引漢濟渭水源區與受水區水資源聯合調度研究，也需要考慮不同管理方式對水源區、受水區各自水資源調度方式的影響，以及對水源區、受水區之間供需平衡的影響等因素。

綜上所述，該工程將改寫多項國內或國際工程記錄，工程的建設將面臨極大考驗。面對引漢濟渭工程牽涉面廣，影響因素多，難度極大的特點，開展引漢濟渭工程關鍵技術研究，解決工程建設帶來的眾多科學技術問題就顯得尤為重要。

三、工程建設關鍵技術研究的主要內容及目的

1.深埋超長隧洞設計及施工關鍵技術研究

（1）研究內容

①超長深埋隧洞圍巖基本工程特性研究。主要進行超長深埋隧洞圍巖室內試驗，并結合相關現場試驗與數值模擬試驗對巖體力學強度特征、巖體蠕變特性、巖體滲流特性以及隧洞的圍巖巖體應力場進行深入研究。

②不利地質突涌水誘發條件及工程處理措施研究。主要針對隧洞超前地質預報的新技術研究、地下水的預報以及涌水的新型封堵處理措施等技術研究。

③高地應力巖爆預測與防治技術研究。主要包含高地應力巖爆預測與防治技術研究、圍巖巖爆發生的破壞機理研究、巖爆現象模擬、圍巖初始和二次應力場模擬等。

④高地應力圍巖變形與穩定性分析及支護設計。包含軟巖沿徑向深度分區、不同分區深度確定方法和軟巖分區的影響因素研究；支護荷載與圍巖變形規律研究；圍巖在不同變形情況下強度特征，圍巖在允許不同變形下所需支護荷載的關系規律研究；軟巖大變形的支護技術研究；復合型支護技術的聯合作用機理和支護的參數設計研究。

⑤通風及TBM施工工藝關鍵技術問題研究。施工通風是超長隧洞施工的世界難題。通風質量的好壞直接影響施工進度、施工測量及工人的身體健康，是制約長隧洞施工的關鍵因素之一。另外TBM組裝工藝技術、克服巖爆的工藝技術等方案的優化研究，也是影響TBM施工的主要因素。

（2）研究目的及技術難點

①超長深埋隧洞圍巖基本工程特性研究。全面分析深埋高地應力、高地溫等復雜條件下巖體工程特性，合理確定工程中需要的巖體強度、變形等參數及其變異特性。

②不利地質條件涌水突泥誘發條件及工程處理措施研究。在超長深埋隧洞中如何通過物探、鉆探等技術手段弄清隧洞所處地帶的地質構造、水文地質情況和地下水的水力學特性，是解決涌水突泥的關鍵所在。

③高地應力巖爆預測與防治技術研究。發生巖爆的脆性圍巖微破裂面破壞機制和破壞準則及擴展過程的研究，是巖爆發生機理探討的核心內容，也是本項目的最大難點之一。

④高地應力圍巖變形與穩定性分析及支護設計。擬采用的固體力學和流體力學進行高地應力區軟巖變形機理來描述軟巖的 “固體—流體”雙重特性是本項研究的難點。

⑤TBM施工支護關鍵技術問題研究。根據實際采用的TBM具體機型，通過各種理論計算，分析各種不利地質條件下的支護結構穩定性，提出TBM施工的各種施工預案和在不利地質條件下的支護方案以及相應對策和處理措施，確保施工安全。

2.碾壓混凝土高拱壩關鍵技術研究

（1）研究內容

①混凝土拱壩數字監控系統關鍵技術研究。建立溫度梯度監控、分析與預警系統，對混凝土拱壩的內外溫差、上下層溫差進行有效監控，避免施工期裂縫的產生。

②拱壩混凝土溫控防裂標準和措施跟蹤研究。在設計與施工的各個階段，進行拱壩混凝土溫控標準和措施的研究，制定安全可靠、經濟合理的拱壩混凝土溫度控制標準和措施，并結合數字監控的需要，將溫度控制標準和措施進一步細化。

③基于數字監控的碾壓混凝土拱壩施工質量控制指標研究。通過一系列的現場試驗，對現有施工質量控制指標體系進行深入研究，建立既能有效控制碾壓混凝土施工質量又能符合數字監控要求的質量控制方法和指標體系。

（2）研究目的及技術難點

碾壓混凝土拱壩的施工質量是施工成敗的關鍵。要通過大量試驗，建立碾壓混凝土施工質量控制的指標體系，建立數字監控平臺，服務于引漢濟渭工程拱壩施工質量的全過程控制。

3.泵站與電站設計及運行關鍵技術研究

（1）研究內容

①對國內外水泵及水泵水輪機的技術發展水平、機組運行情況進行調研與交流。

②結合國內外水泵與水泵水輪機的技術發展趨勢，對黃金峽與三河口泵站機組參數進行優化研究。

③開展黃金峽與三河口泵站水泵水力模型優化研究。根據參數優化研究獲得兩座泵站的水泵基本參數，利用數值優化設計技術和高精度水力機械模型試驗臺，比選出水泵水力模型方案，進行模型試驗研究，優選后提出可供黃金峽與三河口泵站選擇的性能優良的水泵水力模型。

④針對三河口水電站寬水頭變幅條件，開展水輪機優化解決方案研究。根據優選后的水輪機基本參數，利用數值優化設計技術和高精度水力機械模型試驗臺，比選出水輪機水力模型方案，進行模型試驗研究，優選后提出可供三河口水電站選擇的性能優良的水輪機水力模型。

⑤針對三河口電站可逆式機組，開展三河口可逆式水泵水輪機水力模型優化研究。根據優選后的三河口水泵水輪機基本參數，利用數值優化設計技術和高精度水力機械模型試驗臺，比選出水泵水輪機水力模型方案進行模型試驗研究，對各項參數優選后提出可供三河口電站選擇的性能優良的水泵水輪機水力模型。

（2）研究目的及技術難點

①寬水頭變幅條件下的水泵、水輪機及水泵水輪機的選型及其啟動與運行的解決方案。

②高揚程、大流量泵站的水泵參數的優選，設計、制造與運行難度和泵站造價的綜合平衡。

③新型高揚程、大流量、高效水泵開發，以及新型高效可適應寬水頭變幅的水泵、水輪機及水泵水輪機的研發。

4.水資源配置關鍵技術研究

（1）研究內容

以研究區水資源及其開發利用評價為基礎，以統籌考慮水量和水質供需平衡分析為核心，將自然水循環和水資源利用的供、用、耗、排水過程緊密聯系，建立集成需水、節水、保護、供水、水資源供需平衡分析、水量平衡分析等功能模塊為一體的水資源配置模型。根據未來不同供用水策略設置配置方案集，進行多目標方案比選，分析引漢濟渭水量與本地水源、黃河引水的聯合配置關系，提出合理的水資源配置格局與配置方案。

（2）研究目的及技術難點

①架構全方位水資源配置模型。

②考慮研究區現有水源配置格局和相應的供水設施等條件，分析不同模式水源轉換的成本效益關系。

③研究生態環境用水和國民經濟用水的統一配置。

④研究引漢濟渭工程與南水北調工程之間的關系，協調地方與國家利益。

⑤由于現有引漢濟渭工程調蓄能力不足，但需水過程穩定，特別是枯水期難以有足夠水源保障，需要深入研究如何將外調水量與當地地表水、地下水統一聯合配置。

5.引漢濟渭工程運行調度關鍵技術研究

（1）研究內容

多臂鉆臺車在施工現場掘進施工

①引漢濟渭水源區水庫、電站、泵站聯合調度方案研究。以引漢濟渭水源區多年平均供水量最大、枯水年供水量最大、系統運行費用最低等為調度目標，研究黃金峽、三河口水庫的聯合調度方案，特別是三河口水庫的泵站提水、供水調度過程，制訂黃金峽、三河口水庫的聯合供水、發電調度方案及調度規則。同時根據聯合調度方案給出不同水平年水源區可調水量過程。

②引漢濟渭對南水北調中線、漢江流域供水、發電影響研究。以引漢濟渭水源區聯合調度方案為邊界，分析引漢濟渭水源區不同調度方式將對丹江口水庫的防洪、供水、發電調度產生的影響，并優化丹江口水庫的防洪、供水、發電調度過程。研究引漢濟渭水源區不同調度方案對南水北調中線多年平均供水過程、枯水年供水過程等影響，對漢江中下游防洪、供水、發電調度過程等影響。

③引漢濟渭工程受水區水量調度研究。優化受水區水利工程的運行方案，提出適應于引漢濟渭外調水過程的最優調度方式。在受水區各個地市、城市之間公平分水的基礎上，追求受水區水資源綜合利用效益最大化。針對供需平衡結果提出推薦方案及對策。同時還將研究全局優化與市場機制相結合的受水區水資源分配方式。

④引漢濟渭水源區、受水區聯合調度機制與方案。引漢濟渭調水從三河口水庫到受水區各個取水口門之間沒有調蓄工程，為干線水量調度及水量分配提出了挑戰。實現引漢水量的充分利用，減少外調水棄水。提出符合引漢濟渭工程的輸水干線水量調度技術體系，并擬通過構建基于優化技術的水量分配模型為輸水干線調度提供軟件支撐。

(2)研究目的及技術難點

①水庫、電站、泵站群聯合調度模型。水庫、電站、泵站群系統的調度過程優化是一個高度非線性、帶有風險不確定性、多時段序貫決策的問題。

②基于二元水循環理論的水文、水動力學聯合模擬與調度模型。模型中既包括對水庫入流過程預報、模擬的水文模型，也包括對泵站、隧洞的水動力學模擬模型。整個模型系統是一個高度復雜的多尺度水循環模擬與調度系統，需要引入并行計算、優化算法等多種技術，同時還需要耦合水循環模擬模型與水資源調度模型實現水循環全過程的模擬與調度。

③引漢濟渭受水區水資源調度是一個多水源、多用戶、多時段的水資源聯合調度模型。無論采用優化或者規則方法來構建水資源聯合調度模型，都需要對這個復雜的水資源系統進行科學的概化，同時需要借助大規模數學規劃算法或者全局優化算法來找到全局最優解或者滿意解。

四、初步成果應用

目前，引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺各標段均已進入主洞施工，嶺北、嶺南TBM實現雙向掘進，三河口水利樞紐前期準備工程已開工建設。結合工程建設進度，引漢濟渭工程已開始多項科研課題的研究工作，部分項目初步成果已在工程實踐中得到應用。

①隧洞施工通風。“引漢濟渭工程施工通風方案研究”通過對風管漏風率、風速、風壓等實測分析提出通風方案，為隧洞長距離通風提供了技術支撐。

②隧洞精準貫通。已建立起由黃委設計院施測隧洞外控制網、施工單位對控制網進行復測并進行洞內控制測量的兩級測量控制系統。隧洞外控制網測量采用高精度的雙頻GPS技術，數據處理采用美國麻省理工學院研制的GAMIT等軟件；洞內控制測量采用交叉導線或雙導線測量方法，滿足測量控制的精度要求。已經貫通的0號與0-1號支洞橫向貫通誤差15 mm，高程貫通誤差10 mm，均處在貫通誤差允許限差范圍之內。

③環境監測。“引漢濟渭水資源監控手段及信息化應用模式研究”項目，在秦嶺輸水隧洞6號、7號支洞環保項目現場安裝了圖像監測及水質檢測設施，實現PC、手機APP隨時訪問，即時掌握環保設施運行情況和水質在線檢測。

④施工期洪水預報預警。“引漢濟渭工程施工期洪水預警預報研究”成果利用數字高程（DEM）和現代水文預警預報技術，建立洪水預警預報系統，及時預警預報，為防洪搶險提供科學依據，已在三河口水利樞紐防汛度汛工作中應用。

⑤三河口可逆式水輪機及大流量水泵。“三河口水利樞紐水泵水輪機模型參數及運行技術研究”項目，完成了40～83 m變頻和83～100 m轉輪的實驗研究，取得的階段性成果已在引漢濟渭三河口水利樞紐工程設計中得到應用。

五、結語

引漢濟渭工程作為陜西省戰略性水資源配置工程，對于國民經濟的可持續發展意義重大。緊緊圍繞引漢濟渭工程的設計、施工、運行和管理開展研究，為引漢濟渭工程服務，通過科研攻關，實現技術突破，保證工程的順利實施和安全運行，所創造的社會經濟效益巨大。通過研究及成果應用推廣，可以解決工程建設急需解決的深埋超長隧洞的設計及施工、區域水資源合理配置、平常年和特殊干旱年的水資源調度等難題，優化工程布局，為工程建設提供科技支撐，為建設一流工程提供條件保障。同時可以保證工程建設質量、安全、進度，提高工程建設的技術水平，降低工程建設和投入運營后的成本，充分發揮工程的投資效益。研究取得的深埋超長隧洞的設計及施工技術、水資源綜合配置技術、調度技術、泵站及電站優化技術等成果還將為南水北調西線工程的前期研究和工程實施奠定科學基礎。因此，本項目的研究具有較大的直接或間接的經濟效益，同時社會效益巨大。