邮箱登录
联系我们

东中线工程几个关键技术问题的决策历程

您所在的位置:

网站首页    媒体关注    东中线工程几个关键技术问题的决策历程

作者简介
  汪易森,国务院南水北调工程建设委员会专家委员会副主任,水利部科学技术委员会委员,教授级高级工程师,享受国务院特殊津贴专家。先后任华东勘测设计研究院设计监理总工、主管生产副院长,水利部水利水电规划设计总院总工程师,国务院南水北调工程建设委员会办公室总工程师等职。

 

东线工程平原水库防渗设计方案的重大变化
  东线工程通水运行实践结果表明,当初决策将大屯水库的垂直防渗设计改为水平防渗设计是完全正确的。通过膜下气胀机理和对策措施研究,南水北调东线工程还为我国平原水库防渗设计的科技创新做出了重大贡献。


  东线一期工程需要在胶东输水干线新建东湖、双王城两个平原水库,在黄河以北新建大屯平原水库,以满足供水目标要求。


  大屯水库设计库容5256万立方米,调节库容4499万立方米。东湖水库设计总库容5549万立方米,调节库容4871万立方米。双王城水库设计总库容6150万立方米,调节库容5321万立方米。三座平原水库总占地超过3万亩。建设平原水库实际上是一种牺牲土地资源换取水资源的不得已而为之的手段,因此设计平原水库重点研究的问题,一是如何节约用地,二是如何防渗,保证平原水库蓄水安全。


  三座平原水库的防渗方式,在项目建议书和可行性研究阶段一直以垂直防渗为主进行设计,并经相关单位审查批准。根据设计提供资料,东湖水库是地勘工作量较多的一个平原水库,其第六层被认定是相对隔水层。双王城水库第九层被认为是相对隔水层。大屯水库第十五层被认为是相对隔水层,但该层厚薄不一,且缺失严重;另外该层的渗透系数也较大,它的上下两层的渗透系数最大达13.6米日。


  出于对南水北调东线平原水库防渗采用垂直防渗设计的担心,征求相关领导意见后,专家委于2006年6月26日在京召开了关于东线工程平原水库设计几个技术问题的咨询会。会议由我主持,邀请了顾淦臣、曹楚生、林昭、高安泽、蒋国澄、王正宏等一批工程界的老专家参加会议。会上形成的咨询意见称:“采用垂直防渗方案时应该有一个比较明显的相对隔水层。目前看到的大屯水库和双王城水库相对隔水层缺失太多,难以使人放心。大屯水库地质情况复杂,垂直防渗深度较大,而高喷和振动切槽之间的结合部位难以结合好,专家倾向于采用水平防渗方式。对于双王城水库到底是采用垂直防渗还是水平防渗,应在补充地勘资料的基础上进一步论证。”


  参加会议的山东省水利水电勘测设计院人员发言认为,三个水库规模超大,水库的选址地下水位偏高,局部封闭之后会产生薄弱点排气,引发土工膜下气爆,因此对如此大面积的采用水平防渗他们持谨慎态度。这次会议结合国内外技术发展趋势,讨论了平原水库设计水深的选择、垂直防渗和水平防渗技术、复合土工膜在水平防渗中的应用等问题,但设计单位对于在大型平原水库中采用水平防渗设计还是疑虑重重。


  会后的一个晚上,山东省勘测设计院院长刘长余打来电话交流。这次谈话最大收获是双方都承认,技术上可以研究分析并采取措施解决平原水库大规模铺膜可能引发的气爆问题。1987至1989年我在日本东京工业大学访问时,研究课题是《不饱和浸透流和地基变形耦合数值解析法》,我向刘院长建议,可以通过采用基于多孔介质力学的非饱和土固结理论来研究土工膜下气场的大小及分布规律,研究膜下气压消减措施,从理论上指导工程实际。电话中我向刘院长推荐河海大学有两位教授可具体承担这方面研究,建议由山东院委托研究的同时,我可向有关领导汇报争取专家委支持该项目进行平行研究。刘院长接受了这一建议。


  接下来的工作基本分三部分进行:河海大学岩土工程研究所殷宗泽教授等开展了《平原水库防渗土工膜下气压问题研究》;河海大学水电学院刘斯宏教授等开展了《非饱和土渗流与变形耦合弹塑性三维有限元分析及在大型平原水库中的应用研究》;山东省水利水电勘测设计院根据研究结果开展了现场试验,在初设阶段将大屯水库原来采用的垂直防渗设计改为大面积铺设土工膜的水平防渗设计。2010年国务院南水北调办公室投资计划司,以国调办[2010]96号文正式批准初步设计,2010年11月正式开工建设。


  大屯水库铺膜总面积500万平方米,是目前国内铺膜面积最大的工程。为保证大规模铺膜质量,山东干线公司于大规模施工开始前,在济南召开了《大屯水库复合土工膜铺膜施工技术指南》(草稿)的技术咨询会。在会上,我提供了《泰安蓄能电站上水库土工膜防渗技术研究》等有关资料。会后他们在此基础上修改完善了《大屯水库复合土工膜铺膜施工技术指南》(试行),并以此为教材培训人员和现场施工技术交底,库盘和斜墙铺膜于2012年10月全部完成。


  2017年5月15日至20日,专家委检查了东线一期山东段工程运行管理情况。采用水平防渗设计的大屯水库运行正常,通水三年多来,水库围坝工程各渗压观测断面数据变化平稳,围坝外截渗沟无明显渗水现象,下游坝坡亦未发现渗水出逸点;坝体及建筑物变形稳定,无不均匀现象发生。但东湖水库因采用垂直防渗,目前渗漏量较大,只能采取低水位运行。专家检查后建议要进一步查清东湖水库渗漏量偏大原因,抓紧研究处理方案。目前,东湖水库正结合济南市东部城区水源需求,实施扩容增效工程设计,设计方案中已将原设计垂直防渗结构改为水平防渗结构。


  通水以来运行实践表明,当初决策将大屯水库的垂直防渗设计改为水平防渗设计是完全正确的;通过膜下气胀机理和对策措施研究,南水北调东线工程还为我国平原水库防渗设计的科技创新作出了重大贡献。

 

东线工程《指导意见》产生背景
  水泵模型的同台测试和编制《指导意见》这两件事实际上是前后相承、上下顺接的一件事,前者解决的是国内各单位分别研制的水泵模型鉴定,后者解决的是在前者鉴定基础上如何选用优秀模型的指标规定。


  说起《南水北调泵站工程水泵采购、监造、安装、验收指导意见》(以下简称《指导意见》)的出台过程,必然会想起江苏省水利厅沈日迈和陈茂满两位原总工程师。2003年9月5日,两位老总联名写了一封信给张基尧主任,反映水泵界长期存在着模型泵叶轮鉴定不规范、盗版现象严重、工程选用模型泵试验不严格等问题,建议进行南水北调水泵模型集中统一测试,以解决水泵选型和制造上的不规范问题。9月6日张基尧主任将来信批给水利部南水北调规划设计管理局总工程师高安泽和我两人,为此我还特地去了一趟南京,当面听取了两位总工的具体意见。


  水利部南水北调规划设计管理局于2003年9月至12月对江苏省江水北调工程泵站的运行情况进行了调研,认为有必要集中国内各行业水力模型进行水泵模型同台测试,并在测试成果基础上编制型谱资料供东线泵站设计选型。为此,水利部成立了领导小组、专家小组和现场监督组,我担任专家组组长,国家质量监督检验检疫总局专家担任现场监督组组长。这次同台测试主要针对轴流式与混流式模型水泵水力模型。中水北方勘测设计研究院水力试验所承担南水北调低扬程水泵选型测试研究。


  另外一方面,作为国务院南水北调办要考虑的是,模型测试完成后如何使用测试成果的问题,即为保证南水北调工程水泵机组长期稳定、高效运行,对于南水北调工程如何选用水泵模型必须要制定相应的技术规定,约束设计单位进行设计选型和全过程建设。于是,我在参与水利部水泵模型同台测试专家组工作的同时,又在南水北调办管理范围内组织专家讨论制定《指导意见》。我负责总体牵头,具体组织工作由国务院南水北调办建管司马黔处长等负责安排,江苏省水利厅沈日迈、陈茂满两位原总工,江苏大学关醒凡教授和扬州大学的严登丰教授等专家在《指导意见》编制过程中起到相当大的作用。经设计、研究和制造厂家反复研究,于2005年3月完成《指导意见》的报批稿。


  《指导意见》主要适用于南水北调东线泵站工程,提出保证水泵产品质量和性能水平的有关技术指标要求,包括水泵采购、水泵监造、水泵安装和水泵验收全过程技术要求。这些技术要求对于南水北调东线泵站建设发挥了很大的作用,也受到相关设计、制造和安装单位欢迎。


  2018年,专家委委托中水北方勘测设计研究院水力试验所选择山东邓楼泵站开展轴流泵站效率、机组运行稳定性示范研究与评价工作。试验研究认为:东线一期工程前期水泵模型的同台测试和《指导意见》出台,大幅提升了我国在低扬程大流量水泵设计、应用水平,一批高效率、空化性能优秀的水泵模型脱颖而出,同时在进出水流道形式设计方面,水泵模型与流道匹配研究领域亦获得长足进步。


  现在回头看,水泵模型的同台测试和编制《指导意见》这两件事实际上是前后相承、上下顺接的一件事,前者解决的是国内各单位分别研制的水泵模型鉴定,后者解决的是在前者鉴定基础上如何选用优秀模型的指标规定。

 

中线长距离输水线路高精度施工测量控制网建设
  南水北调中线一期工程干线首级施工控制网不但在南水北调中线一期工程建设中发挥了重要作用,也是南水北调中线一期工程竣工验收的依据,目前还在南水北调中线一期工程建设运行期继续发挥作用。


  2003年,我开始参加国务院南水北调办筹备工作,记忆中是2月28日上午9时左右,在水利部办公大楼五楼会议室召开了国务院南水北调领导小组办公室筹备组第一次会议,水利部张基尧副部长提出,要我首先抓紧考虑南水北调一期工程有哪些关键技术问题。


  当时我考虑的第一个问题是中线工程如何保证自流供输水问题。国务院批准的总体规划明确中线主要采取自流输水方式,根据这个总体规划原则,长江勘测设计院提出了《南水北调中线工程总干渠线路水头分配优化研究》报告。其中,陶岔渠首设计水位为147.38米,北京团城湖设计水位为48.57米。报告对于这98.8米水头按渠段和建筑物全线进行了严格分配,各干渠渠段和建筑物均根据被分配的水头进行水力设计。那么如何保障这一设计原则的实现呢?我根据自己的工程设计经验提出,需要在中线1432公里长的总干渠全线建立统一的、满足精度要求的工程测量控制网,而且这一测量控制网应在工程开工前抓紧实施。当时中线工程建设、施工单位均未明确,设计单位有六家,国务院南水北调办筹建组应当首先抓紧这项目工作。


  2003年11月18日,张基尧副部长找我去当面询问南水北调中线测控网建议的具体情况,我主要说明四方面内容,他明确要我要抓紧此项工作。接下来的工作是布置长江勘测设计研究院统一编制南水北调中线一期工程施工控制网设计报告,并进行审查。2004年1月,国务院南水北调办正式向国家发改委提交了《南水北调中线一期工程施工控制网测量立项报告》。报告提出:“南水北调中线一期工程不仅路线长,建筑物多,而且纵向高程的坡比小,一般为1/25000,部分地区达到1/30000,这就需要建立相应精度的、统一的平面和高程基准,才能满足南水北调中线一期工程的顺利实施和总干渠的正常运行。要按照《水利水电施工测量规范》(SL 52-93)的要求,总干渠全线、及相应建筑物亦需建立相应的平面和高程施工控制网。”不久,该报告先于其他设计单元工程经国家批准实施,根据批准的工程费用,国务院南水北调办布置中线建管局统一组织招标和建设,长江空间信息技术工程公司承担南水北调中线工程测量中心的有关工作,中水北方勘测设计研究有限责任公司承担工程监理工作。


  2005年4月9日至11日,在武汉市召开了“南水北调中线一期工程干线首级施工控制网测量工程”总体验收会,对实施过程和成果进行了质询,经充分讨论,形成如下验收意见:


  (1)项目实施单位采取了以B级GPS网为骨架,统一布设干线C级GPS网,该方案既保持了GPS网的整体精度,又实现了在1954年北京坐标系下分区间的最佳连接。(2)在实施中,采用1度带投影平面坐标系,减小了投影变形;开发了GPS短边混合网平差、长距离水准测量日月引力改正等软件,保证了成果的精度。(3)控制网选点合理,标石埋设稳固,外部整饰美观;仪器设备检验项目齐全,技术状态良好,各项技术指标满足规范要求。(4)数据处理方法正确,资料齐全,整饰美观,成果满足规范和工程建设的要求。(5)监理单位对项目实施全过程的质量、进度、工程量进行了严格的监督和检查,确保了该项目按质、按量、按时完成。监理依据《测绘产品质量评定标准》,综合评定该项目质量为优级。


  综合以上情况,专家组认为该项目质量等级可核定为优级。


  正如提出建设控制网建议时所说,南水北调中线一期工程干线首级施工控制网,不但在南水北调中线一期工程建设中发挥了重要作用,也是南水北调中线一期工程竣工验收的依据,目前还在南水北调中线一期工程建设运行期继续发挥作用。

 

中线工程穿黄隧洞盾构施工全过程跟踪咨询
  中线穿黄工程盾构施工是一项具有相当技术难度的单项工程,盾构施工中主要的技术挑战有:深地下连续墙施工技术、大型深竖井施工技术、盾构始发技术、盾构管片制作安装技术、盾构加压进仓检查与刀具(盘)维修有关技术、盾构机刀盘修复及刀具改造技术和盾构机到达和二次始发技术等。


  穿黄隧洞长4.25公里,采用双线平行布置,两洞相距28米。隧洞内径7米,开挖直径超过9.2米,深埋于黄河河床下23~35米深。这是我国第一次采用大直径隧洞穿越黄河,也是我国水利界第一次采用泥水平衡盾构机在软土地基中进行水工隧洞的掘进施工。


  中线穿黄工程自2005年9月份开工以来遭遇到众多技术问题。从2006年至2010年,4年盾构施工过程中,专家委邀请了全国盾构施工方面有名的盾构设计、施工专家参加专题咨询,所提出的技术措施大都应用到了工程的设计和施工当中,对工程的顺利实施起到了重要的保障作用。


  我作为国务院南水北调办总工程师参加的第一次咨询会,是2005年11月份在郑州召开的穿黄工程竖井地连墙及自凝灰浆墙施工方案专题讨论会。这次会议最大成果是统一了两家施工单位的施工方法,要求两家都采用“铣削法”施工,还对如何解决成槽时的塌孔问题、地连墙厚度调整、墙槽段连接方式、自凝灰浆墙的施工工艺、高压旋喷加固等有关问题和施工进度进行咨询,这次会议为南水北调中线穿黄隧洞施工首战顺利进行提供了正确的技术决策意见。


  2007年11月,专家委召开了中线一期穿黄工程盾构施工技术咨询会,对施工现场问题进行了首次技术咨询。此时盾构机已于2007年7月8日始发,首次拼装完成的10环混凝土管片明显出现了K块与同环或邻环的B块之间有错台和局部破损现象,不得已又暂停施工。本次咨询会议的专家组长由潘家铮院士担任,副组长由上海隧道总公司盾构施工老专家王振信担任,同时还邀请了国内隧道界设计施工的知名专家到场。专家讨论同意中线穿黄工程建管部提出的暂停第一套模具使用,并按改造后的第二套模具生产新管片的方案。同时,对于已生产暂未使用的1500环管片,在满足隧道砌环基本质量要求的前提下,建议进行适当改造后使用。专家讨论还认为,引起K块产生错台和挤裂边角混凝土的原因之一是弹性密封止水垫防水设计标准过高,无论是第二套模具设计还是现有1500环管片修改,均应适当降低现有弹性密封止水垫防水设计标准,并相应调整弹性密封止水垫设计形式,以避免弹性密封止水垫过厚给拼装K块带来的困难,减少衬砌出盾尾时K块发生的错台现象。同时还建议对弹性密封止水垫槽深度做适当的调整。


  2008年是穿黄盾构施工高峰年,也是专家委对穿黄工程多次现场跟踪咨询的一年。这一年,先后召开了南水北调中线穿黄工程Ⅱ-B(A)标盾构加压进仓检查与刀具(盘)维修有关技术问题咨询会、穿黄工程盾构机刀盘修复及刀具改造技术咨询会、自密实混凝土设计、施工技术研讨会和穿黄隧洞无粘结预应力衬砌地面试验工作技术咨询会。


  2008年7月21日起,盾构机的前闸门油管随泥浆排出后,陆续又出现了走台板踏步、滚刀刀圈、铲刀耐磨块、螺栓等部件随泥浆排出现象。根据排出物初步判断,滚刀、边缘铲刀已有部分损坏,前闸门、碎石机、走台板等需要维修。同时由于边缘铲刀磨损严重,磨损部位一致,估计刀盘外缘辅臂有可能已产生局部磨损变形等情况。前两次会议是针对盾构加压进仓检查与刀具(盘)维修有关技术问题进行的。这两次咨询中,以总参老专家钱七虎院士为首的知名专家提出了很多好建议,使中线穿黄盾构机施工维修中避免了许多安全隐患,受到施工单位的一致好评。


  2009年穿黄工程盾构施工进展顺利,11月IIA标盾构已掘进约3300米,距南岸竖井150米左右。保证盾构安全、准确地进入南岸竖井预留洞口,并顺利进行二次始发是穿黄盾构施工面临的关键问题。根据国内外已有同类工程的经验教训,盾构机到达和始发阶段一旦出现事故,有可能产生严重后果,故应精细制定施工技术方案和发生意外情况的应急处理预案,在认真重视风险、做好充分准备的情况下进行盾构机到达及二次始发的工程施工。专家委针对《穿黄工程盾构机到达和二次始发方案》进行了技术咨询。本次咨询请上海地铁总公司王振信教授任专家组长、同济大学孙钧院士担任专家副组长,对施工单位提出的穿黄工程盾构机到达和二次始发方案提出9点意见,对于穿黄盾构施工壁后注浆提出2点意见。尤其是作为到达和二次始发洞口段的防护措施,施工单位在地连墙外部到达洞口和始发洞口处各布设一道C10的素混凝土墙,墙体厚度均为0.8米。专家分析地连墙拆除后素混凝土墙的受力状态,它实际是一块搁在直径9.4米圆形洞口上的弧形盖板,缺少可靠支撑,不能承受由水土压力引起的弯矩,建议有关单位对该结构的承载能力进行复核并改进,这是事关安全的大问题。这次会议同样受到建设和施工单位好评。


  2010年专家委在总参老专家钱七虎院士建议和指导下,结合南水北调中线穿黄工程和南京长江隧道工程盾构开舱及维修施工实例,系统总结了“预先加固-常压开舱”和“泥膜-气压支护带压开舱”两种不同开舱维修方式的技术难点和解决方法并形成研究报告。专题研究报告从保障盾构开挖面稳定性出发,通过分析计算和具体保障措施,提出了两种保障开挖面稳定的措施。这项盾构开舱维护技术的研究成果不但对盾构工程技术总结有重要意义,而且对推动我国盾构开舱技术的进一步发展有指导作用。


  南水北调中线穿黄工程盾构施工是一项具有相当技术难度的单项工程,盾构施工中主要的技术挑战有:深地下连续墙施工技术、大型深竖井施工技术、盾构始发技术、盾构管片制作安装技术、盾构加压进仓检查与刀具(盘)维修有关技术、盾构机刀盘修复及刀具改造技术和盾构机到达和二次始发技术等。在现场技术力量攻关和及时开展科研试验专项研究基础上,专家委动员全国盾构设计、施工专家力量及时进行技术咨询,起到了重要作用。
 

2019年9月10日 08:29
浏览量:0
收藏