深入地下40-60米,珠三角这项调水工程世所罕见

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  如果说近几年中国有什么地区备受关注,粤港澳大湾区绝对是其中一个。

  继港珠澳大桥、南沙大桥之后,深中通道的建设正在这里如火如荼地开展着,而今天我们要介绍的,是粤港澳大湾区的另外一项超级工程——珠三角水资源配置工程。


  (一)降水充沛的珠三角也缺水?

  以广州市为中心的珠江三角洲是全世界面积最大、人口最多的湾区,也是中国人口集聚最多、创新能力最强、综合实力最强的三大城市群之一。


  根据2018年的最新数据,这里的常住人口已经突破7000万,区区4.25万平方公里的土地,经济总量却相当于澳大利亚全国(澳大利亚是出了名的地广人稀,其领土面积769万平方公里,人口只有两千多万)。

  由于人口和经济活动的高度密集,珠三角也面临着许多环境问题,其中迫在眉睫的问题之一,就是水资源的配置问题。

  了解地理的人不禁会有疑问:珠三角位于中国华南,降水量极为充沛,又有全国径流量第二大的珠江穿过,为什么会有水资源的问题呢?

  其实,这就是所谓的“不患寡而患不均”。珠三角的水资源,就是面临着这样的分配不均问题,整体水资源过剩,但局部却由于人口密度大、地势较高而严重缺水。


  作为珠江流域三大水系之一,东江是广州东部、深圳、河源、惠州、东莞及香港特别行政区等地近4000万人的生产生活主要水源,东江水以占全省18% 的水资源总量,支撑着28%人口的用水和48%的 GDP。

  2018年,东江的水资源开发利用率高达38.3%,逼近40%的国际公认警戒线,用水紧张,生态环境受到严重的威胁。

  而在珠三角西岸,GDP占比小,拥有流量排全国第二的西江,其水量是东江的10倍,水资源开发利用程度却只有1.3%左右。

  东西江的水资源分配严重不均,急需对全流域水资源进行空间优化配置。

  (二)珠三角水资源配置,这绝不是一条简单的输水管道

  珠江三角洲水资源配置工程,就是从广东省内水资源充足、人口相对较少的西江水系取水,向珠江三角洲东部地区,尤其是粤港澳大湾区供水。

  它不是一条简简单单的输水管道,而是包括一条干线、两条分干线、一条支线、三座泵站、四座交水水库在内的复杂水利工程。


  (珠三角水资源调动图)

  工程从位于广东省佛山市顺德区的西江干流鲤鱼洲取水,输水线路经鲤鱼洲、高-新-沙、罗田三级泵站加压,输水至广州南沙规划高-新-沙水库、东莞松木山水库、深圳罗田水库和公明水库。

  在输水过程中,三座强有力的泵站带来的动力相当于将水提升到130.8米的高空中,以克服水道两侧的高度差和沿途的水压损失。


  (珠江三角洲水资源配置工程示意图)

  输水线路全长113.1公里,设计流量80立方米/秒,受水区人口近 3000万,总投资354亿元,总工期60个月,是广东省水利史上投资额最大、输水线路最长、受水区域最广的水利工程。

  工程设计多年平均供水量为17.08亿立方米,其中广州南沙5.31亿立方米、东莞 3.3亿立方米、深圳8.47亿立方米,建成后,将解决广州南沙区、深圳市和东莞市城市生活生产缺水问题。


  (三)寸土寸金的珠三角,如何规划输水线路?

  珠三角地区人口稠密,高楼林立,在许多地方,城市与城市之间甚至已经连接在了一起,这使得珠三角的土地价格极高,输水线路的修建面临许多限制,地面线路基本不可能。

  不光是地上空间极为昂贵,珠三角的地下空间也是寸土寸金。大城市的正常运转离不开地铁、水电气管道这些地下管廊,城市的浅层地下空间要留给这些设施。

  因此,珠三角的输水管道只能在平均深度40-60米的深层地下空间建造,这在中国乃至世界水利史上极为罕见。


  珠三角地区被珠江经年累月地冲积,形成了非常复杂的地质条件,在输水隧洞穿过的地区,地层大部分为泥岩及泥粉质砂岩,上覆黏土或软层土,本身毫无硬度可言,而且遍布着大量的地下水,水位起伏很大,很容易挖着挖着就毫无征兆地挖出了地下水,为施工带来了许多难度。

  在输水线路中的大金山隧道段,还受到西江断裂带的影响,地层岩性差异变化大,岩石软硬不一,岩层中还发育有许多溶洞,很容易在施工中造成坍方。

  为了减轻施工作业对周围环境的影响,输水隧道的施工采用了盾构的方式。考虑到盾构机的可重复利用性,输水管道采用了地铁通用的盾构隧洞尺寸,隧洞外径6米,内径5.4米,内贴厚0.3米的预制钢筋混凝土管片。修建时,可以将修地铁用的盾构机直接拿来就用。


  (修建中的输水隧洞)

  地下隧道的防水,历来是隧道工程施工最重要的内容。尽管输水隧道本来输送的就是水,但隧道内外的水并不是同一个概念,可以随意混合,恰恰相反,输水隧道需要面临内外双向的隔水压力。

  珠三角地区的地下水丰富,地下水位很高,加之输水隧道的埋深很大,因此隧道内外的压力差很大。

  在输水时,由于水泵的作用,隧道内的水还会有脉冲压力,称为“水锤”,它也会对隧道壁造成很大的防水压力。


  (水锤原理)

  普通的钢筋混凝土内衬在这样的压力下很容易发生开裂,因此,盾构隧道没有采用传统的单层衬砌结构,而是采用了抗裂能力更强的钢内衬复合式结构形式。

  这是一种新型衬砌结构,将钢内衬与混凝土管片通过有效的界面连接措施相结合,并在钢内衬和管片之间浇筑具有高流动度、微膨胀性能的自密实混凝土,形成复合受力的整体衬砌结构,既能依靠钢管抵抗拉力,又能依靠混凝土抵抗压力。


  (隧洞复合衬砌示意图)

  隧洞穿越的地层岩性软硬相夹,坚硬岩层的硬度是软弱岩层的9倍之高。在这种地层进行盾构隧洞掘进,对盾构机刀片磨损和破坏非常大。在掘进中,还会遇到断层破碎带与溶洞,导致盾构机转向和卡困。

  为了保障盾构隧道施工的顺利进行,工程师们采用了超声波探测仪,为盾构施工进行地质超前预报,可以提前发现并清除障碍物,为盾构施工提供安全保障。

  通过盾构施工的方法,工程师们将施工对环境的损害降低到了最小,既不影响周围城市居民的正常生活,也不会对珠三角的自然生态和地下水质造成过大影响。

  结语

  2018年6月28日,珠江三角洲水资源配置工程试验段项目首台盾构机在广东深圳顺利始发,为接下来全面开工及大规模地下深隧调水“探路”。

  整个工程预计将在2023年前后完全建成,届时,输水系统除了解决深圳、东莞、广州南沙等地缺水问题,还将改变大湾区东部单一供水水源现状,实现东江、西江双水源、双保障,供水保证率大大提高,同时为香港、广州番禺、佛山顺德等地提供应急备用水源,水资源的应急保障能力将显著增强,为粤港澳大湾区发展提供战略支撑,助力打造国际一流湾区和世界级城市群。

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  编辑| 史文慧

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