如何讓長江水穿越黃河且不會混雜？修引水隧道好了

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　南水北調工程是人類歷史上的一大奇蹟，它將水從洪澇多發的南方調運到乾旱缺水的北方，靠人的力量新造了許多的魚米之鄉。

　　南水北調分為東線、中線和西線三期，其中，中線工程是將水從長江最大支流漢江中上游的丹江口水庫調出，一路向北穿過黃河，最終自流到北京市頤和園團城湖的輸水工程。

　　在這一千多公里的路程中，有一處最關鍵的節點，就是位於河南滎陽的穿黃工程。它被稱為南水北調中線的「咽喉工程」，主要任務是安全有效地將中線調水從黃河南岸輸送到黃河北岸，在水量充沛時，視需要向黃河補水。

　　要把長江水穿越黃河水，且不能相互混雜，這樣的工程以前還從未有過。南水北調中線工程的流量高達500立方米/秒，如此大量的水要以何種方式運到河對岸去呢？

　　（穿黃工程示意圖）

（一）修條隧道給水走，長江水穿越黃河而不混雜

　　要將長江水穿過黃河水而不互相影響，最好的辦法就是在河底修一條隧道，將長江水當作車流一樣輸送過去。

　　不過，在黃河中修隧道不比尋常。黃河是一條多沙河道，最大含沙量546千克/立方米，且河槽底部淤沙極不穩定，常可以成層揭起。

　　不同於河道固定的河流，黃河是一條遊盪型河流。它雖然寬度通常只有幾十到數百米，但主流的擺動範圍很大，在將近6公里寬的灘地中左右搖擺。想要在這種河道下修建供水隧道，就要將隧道修得足夠長，跨過整個潛在的河床。

　　經過多年研究，工程師們設計了一條長達4250米的引水隧道。它採用盾構隧洞穿越黃河方案，直接在地下跨越了黃河的主河道灘地。

　　黃河的河床以粉質壤土為主，與山中隧道的堅硬岩石不同，它雖然挖起來阻力不大，但由於土體的直立性很差，如不及時進行外加支護，就會迅速重新坍塌。因此，穿黃工程的盾構工程使用的是一種特殊的「泥水加壓平衡盾構」法。

　　它是指在盾構開挖面的密封隔倉內注入泥水，通過泥水加壓和外部壓力平衡，以保證開挖面土體的穩定。不同於山體開挖，這種施工方法通常用於上海、天津等沿海土質疏鬆城市的地鐵基坑工程和海岸防滲工程中。

　　（泥水平衡型盾構機）

　　盾構推進時，開挖下來的土進入盾構前部的泥水室，經攪拌裝置進行攪拌，攪拌後的高濃度泥水用泥水泵送到地面，泥水在地面經過分離，然後進入地下盾構的泥水室，不斷地排渣凈化使用。

　　為了及時為隧洞提供支撐，在盾構機掘進的同時，還要及時地噴出水泥系強化劑與地基土反覆混合攪拌，在各施工單元之間則採取重疊搭接施工。等到水泥結硬，便形成一道具有一定強度和剛度的、連續完整的、無接縫的地下牆體。

　　（泥水平衡型盾構機原理）

　　這種施工方法非常適合在土質軟弱的地方進行施工。在施工中，泥水平衡盾構機不會擾動鄰近土體造成坍塌，也不會產生鄰近地面下沉、房屋傾斜、道路裂損及地下設施移位等危害。相比起傳統的工法，它的施工噪音小，工程速度也更快。

　　此外，隨著鑽掘和攪拌反覆進行，水泥等強化劑可以與土得到充分攪拌，並逐漸形成一條連續無縫的隧道牆體。這使得它比傳統的階段性施工的地下連續牆具有更可靠的止水性。

（二）相比行車隧道，引水隧道要承受雙向壓力

　　引水隧道不同於普通的行車隧道，它不僅要承受外部土體給它的壓力，還要承受輸水隧道內強大的內水壓力。經計算，隧道內的最大水壓高達51.7米。

　　穿黃工程的隧道被設計成了能抗內壓的雙層襯砌結構，其外層為7塊預製管片組成的裝配式鋼筋混凝土襯砌，內襯則為現澆的預應力鋼筋混凝土襯砌，內、外層由軟墊層分隔。

　　這樣，中間的軟墊不會傳遞剪力和其它複雜受力，隧道外部的荷載由外襯單獨承擔，內水壓力則由內襯承擔，結構的受力模式簡單直接。

　　（穿黃工程中的雙層襯砌結構）

　　可以說，穿黃隧道看起來是一條，實則是兩層。

　　這種方案雖然比較複雜，造價高昂，但對於穿黃工程這種百年大計而言，它的耐久性好，結構穩固，不容易發生漏水、斷裂等問題。

　　由於需要承擔極高的水壓，穿黃隧道對內襯的強度要求特別高，但同時為了確保受力均勻，也必須控制厚度。

　　隧道內襯的厚度只有45厘米，它以21束預應力鋼索為核心進行受力。在隧道投入使用之前，通過特殊的控制工藝，對預應力鋼索進行均勻的張拉，最終可以製成抗拉強度非常高的形成預應力超薄混凝土。

　　這種混凝土對於原材料、養護技術與施工工藝的要求極高，但能夠很好地抵抗管道內部的強烈水壓，並且不會在服役過程中產生裂縫，防水效果極好。

（三）500米內就有17處地質災害，如何防治？

　　穿黃工程所處的位置，地質環境十分複雜。在這裡，雖然黃河的地表徑流量很小，但在土層中卻含有豐富的水。

　　黃河的沖積帶來了黃土高原中大量的黃土，這些黃土在乾燥時的強度很高，甚至可以在其中開出窯洞來；但一旦遇水，黃土的直立性就會大打折扣，迅速崩解，並且極易產生流動變形。

　　在黃河水以及黃河帶來的地下水的侵蝕下，這些土很容易發生滑坡、崩塌、潛蝕塌陷、地裂縫等地質災害。僅在穿黃工程周圍500米內，就發現了17處各類地質災害。

　　一旦發生地震，原本浸泡在水中比較堅硬的砂土體，就會在震動中失去強度，變得像液體一樣，完全失去強度和支撐建築物的能力。原本穩固地放置在地基上的隧道就會隨著土體的液化發生變形，甚至陷入砂土當中。

　　（砂土的液化）

　　為了防治這樣的地質災害，工程師們對南岸明渠段邊坡等永久性邊坡以及地下水水位較高的部分，在坡面後部一定距離內採取設置防滲牆或防滲帷幕等永久措施，阻止地下水向坡面的運移，從而儘可能避免由於地下水的側向水壓使得邊坡發生破壞。

　　對於一些軟塑性、流塑狀的黃土狀粉土，則向其中注漿來改變其土體性質，甚至直接換土。

　　對於液化的砂土，則採用了擠密砂樁法進行改良。換句話說，就是用巨大的壓力將砂土置換出來，擠壓得密實而堅固。

　　這些工作的投資巨大，耗時長，但都是為了保證輸水隧道的絕對安全而不得不做的工作。

　　（擠密砂樁法）

（四）穿黃工程不僅要管長江水，也要管黃河

　　要讓穿黃工程平穩運行，不僅要修好穿黃河的隧道，同時也要管好黃河。

　　黃河攜帶大量的泥沙，使得河道淺而且不固定。而且隨著季節變化，水流量非常不穩定，雨季和旱季的徑流量差幾十倍。由於缺乏足夠深的河床容納，黃河水很容易大幅度蔓延，形成洪澇災害。

　　如何控制黃河，讓洪澇來臨時洶湧的黃河水不會破壞穿黃工程的基礎設施，這是工程師們必須解決的問題。

　　（黃河的河道淺而不固定，變化很大）

　　早在1980年代，穿黃工程投入建設之前，人們就開始在黃河的滎陽段附近開始了固定黃河河道的工程。人們在上游修建水庫，減少下游水體含沙量；並開挖河道，固定河流的走勢。

　　為研究穿黃工程過河寬度及與河勢的相互影響，長江科學院、黃委水科院、武漢大學、清華大學對不同的穿黃線路及過河方案就不同河勢地形、各種典型洪水等條件下先後開展了4座泥沙實體模型試驗和幾種河床沖淤數學模型計算分析工作。

　　在大量數據的積累下，工程選擇了最優的治理方案，將黃河的河道縮窄，有利於最大限度地控制河勢與防洪。

　　在穿黃工程的前後120公里內，還共設置有5個渠池和4個分水口。它們採用控制蓄量方式運行，能夠有效避免穿黃隧洞入口的大幅水位波動和急流流態，保障工程的安全運行。

　　經過專家大量的模擬研究，整個中線乾渠能夠採用一致的控制模式和結構相同的閘門控制演算法，有效消除已知及未知的系統擾動，從而方便地實現閘前常水位與控制蓄量聯合運行。

　　（穿黃工程實拍）

　　由於穿黃工程在整個中線乾渠承上啟下的位置，這種過渡時間很短、調控靈敏的自動化調控方式十分有利於提高整個渠道尤其是下游渠道的輸水靈活性。當黃河的水量不足甚至斷流時，這套系統還會向黃河內補水，調節黃河流域的水平衡。

結語

　　2014年12月12日，隨著穿黃引水隧道這一控制性工程的最終竣工，南水北調中線工程正式通水。如今，南水北調中線工程每年向河南、河北、北京、天津輸水20多億立方米，受益人口達3800萬人。

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編輯| 史文慧

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