作為南水北調(diào)后續(xù)工程首個開工重大項目，中線引江補漢工程實施后，將把南水北調(diào)工程和三峽工程兩大戰(zhàn)略水源緊密相連，進一步打通長江向北方的輸水通道，增加中線一期工程北調(diào)水量，提高中線工程供水保證率，加快構(gòu)建國家水網(wǎng)主骨架和大動脈。
如何做好引江補漢工程建設(shè)科技攻關(guān)，有效應(yīng)對工程建設(shè)中的各項風(fēng)險挑戰(zhàn)，從而確保工程質(zhì)量、安全、進度和投資控制，就相關(guān)話題，庫叔專訪了引江補漢工程總設(shè)計師——中國工程院院士、國家大壩安全工程技術(shù)研究中心主任鈕新強。
鈕新強資料圖。圖 | 視覺中國
文 | 李亞飛 瞭望智庫觀察員 趙發(fā)
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連通兩大戰(zhàn)略水源
連通三峽水庫“大水缸”和丹江口水庫“大水盆”的引江補漢工程，輸水線路總長194.8公里，其中輸水隧洞長194.3公里，為有壓單洞自流輸水，被列入2020至2022年國家重點推進的150項重大水利工程建設(shè)項目。
丹江口水庫。圖｜圖蟲創(chuàng)意
作為南水北調(diào)后續(xù)工程首個開工項目，引江補漢工程從長江三峽水庫引水入丹江口水庫壩下，沿線依次穿越宜昌市夷陵區(qū)，襄陽市保康縣、谷城縣和十堰市丹江口市，是構(gòu)建國家水網(wǎng)主骨架和大動脈的重要組成部分，可研批復(fù)靜態(tài)總投資582.35億元，設(shè)計施工總工期9年。
中線一期工程調(diào)水量為95億m³，占了丹江口水庫的25%。三峽水庫年徑流量有4000多億m³，引江補漢工程實施后，沿著這條“地下水道”——輸水隧洞，調(diào)39億m³到漢江丹江口大壩下游，將使丹江口水庫北調(diào)水量增加至115億m³。由此，中線起點由漢江前移到長江干流，水資源保障能力大幅提升。
一方面，創(chuàng)造長江-漢江-華北平原水資源協(xié)同調(diào)配的工程條件。
長江三峽水庫是治理和開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程，是我國的戰(zhàn)略水源地，也是長江流域的“大水缸”，多年平均入庫水量超4000億立方米，總庫容450億立方米，調(diào)節(jié)庫容221.5億立方米，水量充沛且穩(wěn)定。
丹江口水庫是漢江的第一個控制性大型骨干工程，是我國跨流域調(diào)水工程的重要水源地，更是漢江流域的“大水盆”，多年平均入庫水量達(dá)374億立方米，總庫容295億立方米，調(diào)節(jié)庫容187億立方米，是南水北調(diào)中線一期工程的唯一水源地。
實施引江補漢工程，連通了長江、漢江流域與京津冀豫地區(qū)，對完善國家骨干水網(wǎng)格局意義重大，將為漢江流域和京津冀豫地區(qū)提供更好的水源保障。
另一方面，提升三峽水庫在國家骨干水網(wǎng)中的戰(zhàn)略水源作用。
實施引江補漢工程，可進一步彰顯三峽工程在新時代歷史方位和長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略中的作用——
上：與上游梯級和西南水源，共同構(gòu)成國家巨大戰(zhàn)略淡水資源庫。
中：通過引江補漢，連通南水北調(diào)中線。
下：調(diào)控湖北湖南、引江濟淮和南水北調(diào)東線。
引江補漢向漢江中下游補水后，還可以給引漢濟渭工程“松綁”，解除了引漢濟渭工程按最終15億立方米規(guī)模調(diào)水對漢江中下游用水的影響，在提升漢江流域水資源調(diào)配能力的同時，也為改善黃河流域的水資源的配置能力創(chuàng)造了條件，是實現(xiàn)長江、黃河兩大流域綠色發(fā)展的重大工程。
【注：引漢濟渭：地跨黃河、長江兩大流域，穿越秦嶺屏障，主要由黃金峽水利樞紐、秦嶺輸水隧洞和三河口水利樞紐等三大部分組成。】
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論證幾十年，為何此時開工
南方水多，北方水少，如有可能，借點水來也是可以的。1952年，毛澤東同志提出南水北調(diào)宏偉構(gòu)想。實際上，上世紀(jì)50年代即有引江補漢工程的相關(guān)設(shè)想，幾十年來，南水北調(diào)中線各階段研究均包含長江三峽引水方案。
1950年代：“三丹線”（指從三峽庫區(qū)引水過丹江口壩下漢江后，繼續(xù)北上送水至京津）方案提出，直接從三峽庫區(qū)引水，引江規(guī)模590億～800億m³，引江流量1870～2560m³/s。
1990年代：提出中線推薦一次建成、調(diào)水148億m³，“三峽+丹庫不加高”的方案，從三峽調(diào)水76億m³，引江流量360m³/s。
2002年：《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》明確提出，中線“近期引漢、遠(yuǎn)期引江”。其中，中線一期工程調(diào)水95億m³，二期“擴大輸水能力35億m³，多年平均調(diào)水規(guī)模達(dá)到130億m³”；“從長江補水”為中線二期的水源，重點研究了小江、大寧河、龍?zhí)断桨浮?/p>
依托三峽“天賜水源地”，南水北調(diào)中線具有得天獨厚的優(yōu)勢。
水量豐富，調(diào)蓄能力強：年徑流量超4000億m³三峽以上大型水庫調(diào)節(jié)庫容842億m³。
區(qū)位優(yōu)越，供水范圍廣：沿第三臺階溝通江淮河海四大流域，供區(qū)基本覆蓋華北平原（30萬平方千米）。
水位適中，水能開發(fā)影響小：既能基本自流至北京，又基本不影響長江水能資源開發(fā)利用。
論證幾十年，引江補漢為何現(xiàn)在開工？主要在于南水北調(diào)中線一期通水后發(fā)生了三大變化。
其一，北方受水區(qū)、漢江水源區(qū)均出現(xiàn)了水資源量衰減情況。
受水區(qū)方面，北方的海河流域2001～2018年系列較1956～2000年系列降水減少30%、水資源量減少25%，且人民群眾對北調(diào)水的依賴日益增強，對中線供水的穩(wěn)定性提出了新要求。
丹江口水庫來水豐枯不均導(dǎo)致中線工程供水年際變化較大，存在多水多調(diào)、少水少調(diào)的情況。數(shù)據(jù)顯示，1956~1998年水文系列中，北調(diào)水量達(dá)到多年平均95億m³的年份僅占62%，年最大調(diào)水115億m³，年最小調(diào)水量僅53億m³。
此外，丹江口1999～2018年系列天然入庫徑流量，較原規(guī)劃采用1956～1998年系列減少43億m3，如遇漢江連續(xù)枯水年，將給漢江中下游生態(tài)環(huán)境問題帶來較大壓力。
其二，受水區(qū)現(xiàn)狀人口、經(jīng)濟發(fā)展已超過原規(guī)劃2030年水平。
2002年的《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》測算：2030年，北方受水區(qū)城鎮(zhèn)人口為7763萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值5.4萬億元，北調(diào)水作為受水區(qū)城鎮(zhèn)供水的補充水源。
實際情況是什么呢？
2018年，北方受水城鎮(zhèn)人口已達(dá)8086萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值8.9萬億元，北調(diào)水供水地位由輔變主、目標(biāo)達(dá)效由慢變快、需求依賴由弱變強、工程網(wǎng)絡(luò)由缺變?nèi)?/p>
截至2021年12月底，南水北調(diào)中線一期工程受益城市24個，其中，北京城區(qū)供水七成以上為南水；天津主城區(qū)供水幾乎全部為南水；河南、河北的供水安全保障水平也因南水得到了提升。
隨著京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的實施和建設(shè)雄安新區(qū)，經(jīng)濟社會用水將進一步增加，預(yù)測2035年，北方受水區(qū)需北調(diào)水量將由95億m³增加到128億m³。
其三，自2014年12月中線總干渠通水以來，工程運行總體安全平穩(wěn)，但中線總干渠存在因檢修、突發(fā)事故等中斷或減少供水的風(fēng)險，且部分水廠以中線北調(diào)水為唯一水源，而總干渠為單線輸水，一旦供水中斷，將會影響下游渠段受水區(qū)的正常供水。
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一場艱苦卓絕的技術(shù)攻堅
引江補漢工程規(guī)劃設(shè)計的重點和難點，是工程規(guī)模論證和工程布局。
從水源區(qū)研究來看，不僅要考慮長江流域自然水資源條件，還需考慮長江上游干支流控制性水利工程的調(diào)節(jié)作用，滇中城市群發(fā)展、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈建設(shè)以及未來南水北調(diào)西線工程調(diào)水對水資源的需求，并兼顧引水后對三峽庫區(qū)、下游兩湖以及南水北調(diào)東線工程的影響。
2022年11月1日，湖北十堰，丹江口市漢江右岸的引江補漢工程輸水總干線出口隧洞建設(shè)現(xiàn)場。圖｜視覺中國
從受水區(qū)來看，工程涉及京津冀豫地區(qū)、關(guān)中地區(qū)、江漢平原等區(qū)域，國土面積24萬平方公里，需要考慮與受水區(qū)當(dāng)?shù)匦钜帷⒌叵滤雀黝愃矗约澳纤闭{(diào)中線、引漢濟渭、鄂北地區(qū)水資源配置、引江濟漢等大型跨流域調(diào)水工程的聯(lián)合運用。
基于自主研發(fā)的跨流域調(diào)水工程水資源配置技術(shù)，設(shè)計方構(gòu)建了長江-引江補漢-漢江-南水北調(diào)中線水資源配置模型，實現(xiàn)了對正常供水、生態(tài)調(diào)度、應(yīng)急供水等各類情景的分析和工程規(guī)模多方案的快速模擬。
綜合地形地質(zhì)、取水條件、社會環(huán)境等因素，設(shè)計方給出了三套工程布局方案：
壩上方案：從三峽水庫提水到丹江口水庫，存在水質(zhì)風(fēng)險。
壩下方案：全程自流引水到丹江口水庫壩下，可兼顧沿線湖北受水區(qū)的用水需求，無丹江口水庫水質(zhì)降類風(fēng)險。與中線“增源挖潛擴能”的總布局思路協(xié)調(diào)，充分利用中線一期總干渠輸水能力，經(jīng)濟性好，達(dá)效快，關(guān)鍵是能全程自流輸水，運行成本低。
壩下壩上結(jié)合方案：兼顧湖北、重慶等多方利益，但經(jīng)濟性相對較差。
三個方案技術(shù)上均不存在制約因素，壩下方案風(fēng)險相對可控，經(jīng)濟性好，供水成本低，因此推薦了壩下方案。
壩下方案工程區(qū)處于中國第二階梯東緣向第三階梯過渡地帶，屬大巴山系東段以及秦嶺山系東南余脈，地勢呈中間高南北低、西高東低的特征。工程區(qū)斷層褶皺發(fā)育，軟質(zhì)巖及可溶巖廣泛分布，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，堪為一場艱苦卓絕的技術(shù)攻堅。
工程特點總結(jié)起來是十六個字：超長深埋、地質(zhì)復(fù)雜、超大斷面、有壓輸水；創(chuàng)下六個“最”——
我國在建長度最長的有壓引調(diào)水隧洞，單洞長度194.3km。
我國在建洞徑最大的長距離引調(diào)水隧洞，等效過水洞徑10.2米。
我國在建引流量最大的長距離有壓引調(diào)水隧洞，最大引水流量212m³/s。
我國在建一次性投入超大直徑TBM施工最多的隧洞，直徑12米級TBM數(shù)量9臺。
我國在建洞挖工程量最大的引調(diào)水隧洞，單洞洞挖總量近3000萬m³。
我國在建綜合難度最大的長距離引調(diào)水隧洞，最大埋深1182米，埋深超過600米的洞段占50%，面臨強巖爆、突泥涌水、大斷裂、軟巖變形、高溫、有害氣體等多重挑戰(zhàn)。
突泥涌水是工程建設(shè)面臨的最大風(fēng)險，為此，設(shè)計方在最大限度避開或短距穿越極易導(dǎo)致隧洞地下水害的強巖溶區(qū)和大斷裂帶——“聚龍山復(fù)式向斜”和“青峰斷裂帶”的同時，堅持“三超前”處治原則：
超前地質(zhì)預(yù)報：采用“物探+超前鉆探”的超前地質(zhì)預(yù)報方法，探明巖溶通道、溶洞、溶蝕裂隙等富水構(gòu)造地質(zhì)缺陷，根據(jù)具體情況選擇“封堵、排水減壓、疏導(dǎo)、繞行“等針對性處置措施，以規(guī)避或減小風(fēng)險。
超前注漿加固：有洞內(nèi)灌漿、地面灌漿兩種方法，優(yōu)劣參半。其中，洞內(nèi)灌漿鉆孔布置靈活，但也面臨一些列劣勢：施工場地小，設(shè)備能力小，灌漿壓力小，擴散距離小，掌子面易跑漿，灌漿段長和灌漿量小，需頻繁施工止?jié){墻，循環(huán)時間受限。
超前支護：對于突泥涌水不良地質(zhì)體，在進行超前灌漿固結(jié)、堵水后，為確保下一步開挖的圍巖變形穩(wěn)定，需采取超前注漿管棚、超前注漿小導(dǎo)管或超前錨桿支護措施。
工程建設(shè)面臨著軟巖大變形（發(fā)生在隧洞周圍的時效性的大變形，本質(zhì)上是和巖體蠕變相伴發(fā)生，該變形可能在施工期收斂，也可能會在施工結(jié)束后仍持續(xù)較長時間）和巖爆（巖爆的孕育和發(fā)生是復(fù)雜的過程，具有強突發(fā)性、隨機性和危害性，準(zhǔn)確預(yù)報尚存在較大困難）問題。
二者會對施工造成嚴(yán)重影響，以軟巖大變形為例，會導(dǎo)致TBM施工頻繁卡機，造成工期延誤，甚至造成TBM設(shè)備的損毀，而且這種變形具有長期性，在高外水和流變壓力長期作用下，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)存在長期安全問題。為此均已采取相應(yīng)對策。
引江補漢工程的技術(shù)攻關(guān)和研究方面取得的成效，比如深埋長隧洞建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，能夠在工程建設(shè)中得到應(yīng)用，為以后國家水網(wǎng)建設(shè)，特別是西線工程和西部的一些調(diào)水工程，提供技術(shù)借鑒和工程預(yù)演。
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