连通两大战略水源的“地下水道”，一场艰难的技术攻坚

文 | 李亚飞 瞭望智库观察员 赵发

作为南水北调后续工程首个开工重大项目，中线引江补汉工程实施后，将把南水北调工程和三峡工程两大战略水源紧密相连，进一步打通长江向北方的输水通道，增加中线一期工程北调水量，提高中线工程供水保证率，加快构建国家水网主骨架和大动脉。

如何做好引江补汉工程建设科技攻关，有效应对工程建设中的各项风险挑战，从而确保工程质量、安全、进度和投资控制，就相关话题，库叔专访了引江补汉工程总设计师——中国工程院院士、国家大坝安全工程技术研究中心主任钮新强。

钮新强资料图。图 | 视觉中国

南方水多，北方水少，如有可能，借点水来也是可以的。1952年，毛泽东同志提出南水北调宏伟构想。实际上，上世纪50年代即有引江补汉工程的相关设想，几十年来，南水北调中线各阶段研究均包含长江三峡引水方案。

1950年代：“三丹线”（指从三峡库区引水过丹江口坝下汉江后，继续北上送水至京津）方案提出，直接从三峡库区引水，引江规模590亿～800亿m³，引江流量1870～2560m³/s。

1990年代：提出中线推荐一次建成、调水148亿m³，“三峡+丹库不加高”的方案，从三峡调水76亿m³，引江流量360m³/s。

2002年：《南水北调工程总体规划》明确提出，中线“近期引汉、远期引江”。其中，中线一期工程调水95亿m³，二期“扩大输水能力35亿m³，多年平均调水规模达到130亿m³”；“从长江补水”为中线二期的水源，重点研究了小江、大宁河、龙潭溪方案。

依托三峡“天赐水源地”，南水北调中线具有得天独厚的优势。

水量丰富，调蓄能力强：年径流量超4000亿m³三峡以上大型水库调节库容842亿m³。 

区位优越，供水范围广：沿第三台阶沟通江淮河海四大流域，供区基本覆盖华北平原（30万平方千米）。 

水位适中，水能开发影响小：既能基本自流至北京，又基本不影响长江水能资源开发利用。

论证几十年，引江补汉为何现在开工？主要在于南水北调中线一期通水后发生了三大变化。

其一，北方受水区、汉江水源区均出现了水资源量衰减情况。

受水区方面，北方的海河流域2001～2018年系列较1956～2000年系列降水减少30%、水资源量减少25%，且人民群众对北调水的依赖日益增强，对中线供水的稳定性提出了新要求。

丹江口水库来水丰枯不均导致中线工程供水年际变化较大，存在多水多调、少水少调的情况。数据显示，1956~1998年水文系列中，北调水量达到多年平均95亿m³的年份仅占62%，年最大调水115亿m³，年最小调水量仅53亿m³。

此外，丹江口1999～2018年系列天然入库径流量，较原规划采用1956～1998年系列减少43亿m3，如遇汉江连续枯水年，将给汉江中下游生态环境问题带来较大压力。

其二，受水区现状人口、经济发展已超过原规划2030年水平。

2002年的《南水北调工程总体规划》测算：2030年，北方受水区城镇人口为7763万人，地区生产总值5.4万亿元，北调水作为受水区城镇供水的补充水源。

实际情况是什么呢？

2018年，北方受水城镇人口已达8086万人，地区生产总值8.9万亿元，北调水供水地位由辅变主、目标达效由慢变快、需求依赖由弱变强、工程网络由缺变全。

截至2021年12月底，南水北调中线一期工程受益城市24个，其中，北京城区供水七成以上为南水；天津主城区供水几乎全部为南水；河南、河北的供水安全保障水平也因南水得到了提升。

随着京津冀协同发展战略的实施和建设雄安新区，经济社会用水将进一步增加，预测2035年，北方受水区需北调水量将由95亿m³增加到128亿m³。

其三，自2014年12月中线总干渠通水以来，工程运行总体安全平稳，但中线总干渠存在因检修、突发事故等中断或减少供水的风险，且部分水厂以中线北调水为唯一水源，而总干渠为单线输水，一旦供水中断，将会影响下游渠段受水区的正常供水。

引江补汉工程规划设计的重点和难点，是工程规模论证和工程布局。

从水源区研究来看，不仅要考虑长江流域自然水资源条件，还需考虑长江上游干支流控制性水利工程的调节作用，滇中城市群发展、成渝地区双城经济圈建设以及未来南水北调西线工程调水对水资源的需求，并兼顾引水后对三峡库区、下游两湖以及南水北调东线工程的影响。

2022年11月1日，湖北十堰，丹江口市汉江右岸的引江补汉工程输水总干线出口隧洞建设现场。图｜视觉中国

从受水区来看，工程涉及京津冀豫地区、关中地区、江汉平原等区域，国土面积24万平方公里，需要考虑与受水区当地蓄引提、地下水等各类水源，以及南水北调中线、引汉济渭、鄂北地区水资源配置、引江济汉等大型跨流域调水工程的联合运用。

基于自主研发的跨流域调水工程水资源配置技术，设计方构建了长江-引江补汉-汉江-南水北调中线水资源配置模型，实现了对正常供水、生态调度、应急供水等各类情景的分析和工程规模多方案的快速模拟。

综合地形地质、取水条件、社会环境等因素，设计方给出了三套工程布局方案：

坝上方案：从三峡水库提水到丹江口水库，存在水质风险。

坝下方案：全程自流引水到丹江口水库坝下，可兼顾沿线湖北受水区的用水需求，无丹江口水库水质降类风险。与中线“增源挖潜扩能”的总布局思路协调，充分利用中线一期总干渠输水能力，经济性好，达效快，关键是能全程自流输水，运行成本低。 

坝下坝上结合方案：兼顾湖北、重庆等多方利益，但经济性相对较差。

三个方案技术上均不存在制约因素，坝下方案风险相对可控，经济性好，供水成本低，因此推荐了坝下方案。

坝下方案工程区处于中国第二阶梯东缘向第三阶梯过渡地带，属大巴山系东段以及秦岭山系东南余脉，地势呈中间高南北低、西高东低的特征。工程区断层褶皱发育，软质岩及可溶岩广泛分布，地质条件十分复杂，堪为一场艰苦卓绝的技术攻坚。

工程特点总结起来是十六个字：超长深埋、地质复杂、超大断面、有压输水；创下六个“最”——

我国在建长度最长的有压引调水隧洞，单洞长度194.3km。 

我国在建洞径最大的长距离引调水隧洞，等效过水洞径10.2米。

我国在建引流量最大的长距离有压引调水隧洞，最大引水流量212m³/s。 

我国在建一次性投入超大直径TBM施工最多的隧洞，直径12米级TBM数量9台。 

我国在建洞挖工程量最大的引调水隧洞，单洞洞挖总量近3000万m³。 

我国在建综合难度最大的长距离引调水隧洞，最大埋深1182米，埋深超过600米的洞段占50%，面临强岩爆、突泥涌水、大断裂、软岩变形、高温、有害气体等多重挑战。

突泥涌水是工程建设面临的最大风险，为此，设计方在最大限度避开或短距穿越极易导致隧洞地下水害的强岩溶区和大断裂带——“聚龙山复式向斜”和“青峰断裂带”的同时，坚持“三超前”处治原则：

超前地质预报：采用“物探+超前钻探”的超前地质预报方法，探明岩溶通道、溶洞、溶蚀裂隙等富水构造地质缺陷，根据具体情况选择“封堵、排水减压、疏导、绕行“等针对性处置措施，以规避或减小风险。

超前注浆加固：有洞内灌浆、地面灌浆两种方法，优劣参半。其中，洞内灌浆钻孔布置灵活，但也面临一些列劣势：施工场地小，设备能力小，灌浆压力小，扩散距离小，掌子面易跑浆，灌浆段长和灌浆量小，需频繁施工止浆墙，循环时间受限。

超前支护：对于突泥涌水不良地质体，在进行超前灌浆固结、堵水后，为确保下一步开挖的围岩变形稳定，需采取超前注浆管棚、超前注浆小导管或超前锚杆支护措施。

工程建设面临着软岩大变形（发生在隧洞周围的时效性的大变形，本质上是和岩体蠕变相伴发生，该变形可能在施工期收敛，也可能会在施工结束后仍持续较长时间）和岩爆（岩爆的孕育和发生是复杂的过程，具有强突发性、随机性和危害性，准确预报尚存在较大困难）问题。

二者会对施工造成严重影响，以软岩大变形为例，会导致TBM施工频繁卡机，造成工期延误，甚至造成TBM设备的损毁，而且这种变形具有长期性，在高外水和流变压力长期作用下，隧洞衬砌结构存在长期安全问题。为此均已采取相应对策。

引江补汉工程的技术攻关和研究方面取得的成效，比如深埋长隧洞建设关键技术，能够在工程建设中得到应用，为以后国家水网建设，特别是西线工程和西部的一些调水工程，提供技术借鉴和工程预演。