【大事记】南水北调工程中线通水的前生今世之谜

2014年12月12日，南水北调工程中线正式通水。可以说是南水北调有迈出了一大步，种种困难都已经成为浮云。长远来看南水北调绝对是利国利民的好事，但是修建的过程中难免会有一些小插曲，今天咱们暂且不说他的好与坏，咱们只从技术方面谈起！

2014年12月12日14时32分，随着渠首闸门打开，一渠清澈的长江水从丹江口水库启程，告别家乡奔流北上，开始漫长的神奇之旅。这一路1432公里的旅程，长江水跨过淮河流域、穿越黄河底部、立交海河水系，跋涉中原大地，流淌华北大平原，直抵京津……

护送南水北上的，是数百个大中型水利建筑物组合而成的巨无霸工程，人们把它称为：南水北调中线工程。

与京汉铁路并肩而行的，是纵贯华北大地的大动脉——连绵蜿蜒千余公里的输水主渠道。在这道波光潋滟的水线之上，镶嵌着一颗颗耀眼闪光的珍珠，有凌空飞架、彩虹般巨型渡槽，有神秘莫测、不见首尾的穿黄隧洞，有分布上百都市的栉比鳞次水闸，有时而钻入地下时而拱出地平线的倒虹吸，还有隐身潜行的低压暗涵。它们与主渠道构成线串珠、珠连线的恢弘水带，在北方广阔神州大地上铺展开来，令人叹为观止。

1400年前，古人开凿过京杭大运河；今天，千里长渠，南水北上，抒写着新时代的科技奇迹。南水北上，要越过705条河道、1300多条道路、近60次横穿铁路，要攻破一系列重大技术难题，其规模及难度国内外均无先例。要过这么多关卡，工程科技人员如何护送长江水闯关夺隘呢？


中线工程出发点是位于湖北与河南交界处的——丹江口水坝。丹江水清澈甘甜，水质良好，直接取水就能饮用。大坝要把她拦截至此，蓄势待发，顺着“水往低处流”的本性，潇潇洒洒流到北方。问题也就源于此，1974年修建的大坝只有162米高，高度落差不满足调水要求。


因此必须抬高水位，唯有让大坝“加高增肥”，给它“穿衣戴帽”，确保体态匀称、力挺万钧，将坝顶高程提升到176.6米，将正常蓄水位抬高到170米。由此新增库容116亿立方米，也就是增加一倍，实现水涨坝高，打造出伟岸坚实的高坝，托举起高位水库。大坝虽然只加高14米，但水压会增加40%。好在丹江口大坝在建设之初就预留“伏笔”——当初就是按照175米坝顶高程设计，只不过时逢经济困难，为了让大坝尽快发挥效益，进行“瘦身”，使其变薄变矮。因此，原坝的基础架构能够承担起加筑的压力。

从2005年开始，世界难度最大的大坝加高工程就此开启，为运行30多年的大坝加高，并贴坡加厚。原大坝表层经爆破拆除后，隐藏的裂缝，就如同中年人脸庞，浮现出道道皱纹，成为致命的安全隐患。为此，工程人员对它做了全面体检，设计出每条裂缝的诊治方案，采用灌浆、凿除、打铆筋等方法“修复容颜”“强筋健骨”。

在老混凝土上浇灌新混凝土，由于弹性模量的差异，在内外部气温作用下，必将对结合面和坝体应力产生影响，造成无法紧密结合。必须新老混凝土“合二为一、结成一体”，并且“骨骼健全、健康成长”，这是大坝加高的最大难题。

我国专家提出以 直接浇筑为主，在竖直结合面采用人工补凿键槽，溢流坝段堰面采用宽槽回填为辅的总体方案。在坝体加高混凝土施工中，采取最严格的整套温度控制措施，给予“吃冰激凌”“享受空调”的豪华待遇，诸如砂石骨料吹风预冷，加冰拌和，通冷风浇筑，再通水冷却。这一切，都是为了最大限度降低混凝土凝固过程中的水化热。老坝裂缝处理、新老混凝土结合、高水头作用下坝基帷幕灌浆等技术问题一一破解，老坝身上终于“长出”了一座新坝。新旧对接，坝体融合，天衣无缝。


丹江水流出库北上，一路并不顺畅，最先流经河南南阳等地时，就出现了最大的麻烦：水土不服。要穿越数百公里特殊的地段——膨胀土（岩）。膨胀土很不稳定，遇水膨胀，失水收缩，极不稳定。膨胀土未受到搅动时强度很高，但有致命弱点，由于其体内存在天然形成的蜡状裂隙滑面，一旦暴露在大气中，水分风干就产生裂缝，再遇水就变成扶不上墙的一滩烂泥，柔弱无力。因此， 在膨胀土地段修筑过水渠道，最易引起滑坡、变形、冲刷垮塌。

护送长江水的总干渠穿越膨胀土（岩）渠段累计300余公里，约占总干渠长度的27%。于是，人们想出很多方法，如放缓边坡、重新换土回填等。把边坡的角度放缓就会占用太多耕地，涉及征地移民等社会问题；重新置换非膨胀土回填，会加大取土、弃土的高额转运成本。

如何制服膨胀土的无常特性，保持渠道的健全“体型”和良好“身段”？

首先要明确的掌握了膨胀土的特性，取得精细数据，建立数学模型，以便对症施治。人们在现场原型渠道上设置了膨胀土（岩）渠坡试验段，开展大气环境影响模拟试验（人工降雨试验），根据南阳的气象资料并考虑各种不利情况进行叠加，分别模拟弱降雨、暴雨和特大暴雨三种降雨形式，反复进行降雨试验。这些试验重点研究膨胀土渠坡大气影响带的形成过程、雨淋沟的形成机理和发展过程、浅层滑坡的产生机理及破坏模式，从而为膨胀渠坡处理提供试验依据。

科研人员最终在膨胀土（岩）物理力学特性上取得突破性发现的基础上，经过长期试验，有针对性地调整了技术处理方案：压重+保护。压重就是在膨胀土中加入3%—5%的水泥，让它改性，然后覆盖在原膨胀土上，使其保湿。通过修建M型的抗滑桩和梁，现在渠道坡度控制在1∶3，节省了大量投资。

长江水安然渡过了膨胀土地段，一路缓缓流淌，步伐轻盈，又遇到绕不开的煤矿采空区。人们从采空区上方钻孔回填，再一段一段灌浆，同时把保护渠道做成柔性结构，终于有惊无险地流过了这个地带。

　　南水北调中线通水后，长江水且行且输水，沿路滋润着河南、河北、天津大地，经过10余天行程，就要抵达终点——北京了。她顺着这1000多公里袒露的明渠，摆动着婀娜秀丽的身姿，在两旁绿色生态屏障和由山水、工程串成的风景长廊里缓步前行。她呼吸着新鲜的空气，欣赏着祖国的壮丽河山。然而，来到人口稠密、交通复杂的繁华首都，她不愿打扰京畿重地的正常运行，于是放下身段，潜入地底，悄悄潜行了。
　　
长江水流经北京的路线，起始北拒马河，经房山区，穿永定河，过丰台，沿西四环路北上，至颐和园团城湖，全长80公里。除末端800米惊鸿一瞥，沿线都深埋地下人未知，采用了全封闭双线管涵输水。它内径4米，外径4.8米，单根长5米，单根管重78吨，22000根管道铺设56.359公里，最大埋深达20米。

　　这哥俩好的两条管道，叫做PCCP管，全名是预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）。是一种科技含量高的新型特殊管道，具有高强度、高防渗、高耐久性的“三高”性能。

　　PCCP管是这么制成的：在工地附近建厂加工钢筒，然后在钢筒内外浇筑混凝土，有一定强度后，在混凝土管芯上环向缠绕预应力钢丝，先后在外部施喷水泥砂浆和防腐煤沥青材料进行保护，最后运输到现场安装。


PCCP管道工程是南水北调中线北京段总干渠线路最长的大型输水工程

　　目前，我国PCCP管工程设计和生产完全采用美国标准，制造、安装4米大口径管道输水，国内还是头一遭，缺乏相应技术和经验。特别是要穿越北京的沿线地形复杂，有山区、河流、城镇，以及各类既有的地下设施，施工环境十分复杂，管涵安装难度极大。

　　在超大口径PCCP（预应力钢筒混凝土管）管道结构安全与质量控制中，经过南水北调中线工程实践，我国科技人员首次提出符合中国规范体系和材料标准的一整套PCCP设计参数。

　　在设计、制造、运输和安装PCCP管中，科技人员和工人动脑筋，想办法，攻克了一道道难关。

　　运输构件需要穿过立交桥，途中一律限高4.5米，而管道外径4.8米，再加车的底盘高度，严重超高无法通过。不可能削足适履，拆除十几座立交桥或者断路，于是，便催生出了新发明的特种车：驮管车。将管道嵌入车轮外，正好可以从高速路立交桥下穿过。

　　管道拼接时候要有缝隙，既不能插不进，又不能缝隙太大，否则漏水。经过反复计算，设计人员提出合适的缝隙值。可施工中怎么也插不进去。最后通过摸索实验，发现运输过程中管道的转动，就会变形为肉眼根本无法观察出来的椭圆；只要不转动，就解决了大难题。

　　特别是工程首次应用了阴极保护防腐技术。因为PCCP管承受巨大内压，国外某大型同类工程产生爆管事故。经深入研究，中线工程采用了阴极防腐技术，避免地下水中的氯离子侵蚀，保证了预应力钢丝支撑力度。

　　为了采用既经济又实用的安装方法，首次采用沟槽内超大口径PCCP管龙门起重机安装技术、隧洞内PCCP管安装工艺及技术。

　　国内大规模使用直径4米、双排、埋深高达20米的预应力钢筒混凝土管的项目，在国际上绝无仅有。在中线工程京石段（从河北石家庄到北京）应急通水期间，PCCP管经受了各种考验，安全运行了6年。

　 立交桥、街道、地铁垂直叠加的最下层，两条涵洞如蛟龙一般，正静悄悄从地底穿越着各种管网，向团城湖延伸而去。堪称经典的最高难度动作，是南来水不动声色地穿越北京市五棵松地铁站。这是世界上第一次大管径浅埋暗挖有压输水隧洞，近距离穿越地铁下部。

　　南水北调中线北京段西四环暗涵工程，创下暗涵结构顶部与地铁结构距离仅3.67米、地铁结构最大沉降值不到3毫米的纪录，挑战了极限，创下了世界之最。






　　顶上是百吨重的地铁列车来回不停穿梭从拱顶呼啸而过，土层之下是隧洞开挖地动山摇的轰鸣。如此叠床架屋的场景，岂止是险象环生。下层掏空，必然会使地面出现沉降，全世界的工程学界都认定天经地义。要害是究竟沉降多少？仅是毫米之差，就显现出技艺的高超与低下的天壤之别。

　　3毫米——1粒稻米的高度，相对于一个深埋地下十多米、直径5米左右、长近1.5公里的隧道来说，只是一个篮球与地球的比例，微乎其微。地下建筑物沉降的国际通行标准是7毫米，号称世界地下工程超级大国的日本历经百年发展，目前沉降控制还是5毫米。 然而，将地面沉降控制在3毫米以内，对于地下工程领域来说，则是一座难以逾越的大山。

　　为了突破这个禁区，南水北调专家目光注视的焦点——北京五棵松地铁车站正下方的地腹：围岩为砂卵石，土层不够坚硬，不易开挖成洞型，容易发生掌子面坍塌；西四环地下铺设管线较多，盘根错节。建设伊始，设定标准是5毫米。超过5毫米，就意味着每天运行百万人次的地铁要减速，停运，甚至脱轨，造成运营瘫痪。建设者承诺：不断路，不影响交通，不扰民！

　　为了能托住3毫米沉降，工程人员创新了各种施工工艺：对地铁以下土层注浆加固，严密控制注浆压力，防止过度注浆造成负沉降；增设了临时仰拱，采取密排钢拱架和初支外周边注浆加固相结合的措施，控制地面结构沉降；应用远程自动化监测技术全天候监测，使施工全过程处于可控状态，等等。

　　就这样，西四环12.4公里暗涵，安稳地穿过23座大型立交桥、8座人行桥、2条铁路、400余条盘根错节的管线，输水管道与它们并行不悖，相安无事，坚守住沉降3毫米的底线！皇城根下的南来水，荟萃了更多的科技含量。

　　这里，出现了 中线工程唯一的加压泵站：惠南庄泵站。这是一座大流量、高扬程、高变幅、高效率的城市供水泵站，能够实现0—60立方米/秒的无极变换，引水泵效率达91%以上。它巧妙地采用小流量自流、大流量加压的输水方式，当输水流量小于等于20立方米每秒时，来水在管道内自流，每年节约用电3800万度；当大于这个流量时，惠南庄泵站启动加压，实现有压与自流结合。



　　冬天到了，长江水第一次遭遇北方寒流等极端天气，从安阳以北的中线工程渠道内将出现流冰、冰盖等冰情，如处理不当就会发生冰塞、冰坝等险情。在12月中旬至次年2月冰情期间，确保冬季输水的安全问题也就“浮出水面”。科研人员做好了预案，一旦遇到结冰期，就把水位抬高，形成冰盖后，再把水位降低，冰盖如同覆盖渠道的棉被，温暖着舒缓流淌的长江水。

　　在这里，实现了长江水与北京城市现有水系的友善衔接，构建了国际首个大型城市水源供水环路，实现多水源互联互通。把南水北调终点延伸到密云水库进行调蓄，实现水源供给丰枯互济，拓展了水库功能，缓解了供用水矛盾，增加了北京水资源的战略储备。

　　今后，北京将形成以两大动脉、六大水厂、两个枢纽、一条环路和三大应急水源地构成的供水格局，遍布延庆之外的15个区县，覆盖6000平方公里。实现本地水、外调水、地下水的联合调度。