你看不到的北京城地下输水环廊

作者:蒋奇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-02-28

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北京,缺水?

统计至2015年,北京人均水资源不足100立方米,仅为全国平均水平的1/20;京津冀区域内92%的区县人均水资源量低于国际公认的500立方米极度缺水警戒线。但在北京生活,你真的感受到过缺水吗?为了确保北京供水,水利系统的相关单位想尽了办法。密云水库、怀柔应急水源地、地下水都是我们曾经赖以生存的水源保障。然而,密云水库水位持续下降,过度开采的地下水导致北京市东部地区的地面沉降速度达到每年80mm,无论是供水安全还是城市建设安全都承担着相当大的压力。

随着南水北调中线工程的完工,长江水直通到了颐和园东南侧的团城湖调节池,每年10亿立方米的南水使北京的水资源终于得到了缓解。

脑洞大开,重组北京供水格局

要知道,南水北调进京之前,北京市有众多自来水厂,主城区的水厂主要通过京密引水渠供水,其他区县有各自分散的地下水开采管网。南水北调进京后,与京密引水渠一南一北,形成了两条“动脉”。沿着这两条动脉向各个水厂建设供水支线,就形成了一个“树状”的供水系统。

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图1 项目研究前的北京市供水格局

随着南水覆盖范围越来越大,北京供水格局暴露出一个突出问题:南水、本地地表水、地下水相互独立,自成体系。大部分水厂只能使用单一水源,一旦南水北调干线断水,水厂将无水可供,直接威胁首都供水安全。如何保证任何工况不断水是我们面临重大难题。

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图2 东干渠工程平面剖面示意图

将“树状”变为“环状”,是连通三大水源和众多水厂的最佳解决办法。我们通过研究,创新性提出建设44.7km的东干渠工程,与已建成的输水隧洞连通,形成了107km的输水环路。东干渠工程紧邻北五环路和东五环路,隧洞外径6m,内径4.6m,设计流量20.6立方米每秒。

40多公里什么概念?

北京三环路全长48公里,东干渠长度44.7公里,基本把一半北五环和整个东五环的地面、地下构筑物都穿了一遍。包括4条铁路、9条地铁、9条高速公路、38座立交桥、31条等级公路、18条河流(渠)以及600多条地下管线。穿越房屋总长约1.5km。

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图3 东干渠工程纵断面示意图

穿越就穿越呗,有啥问题?由于隧洞压力高、流量大,其内水压高于地面6~16m。正常供水流量下,灌满水立方标准游泳池仅需1分半钟。如果管道严重破坏,东五环地区可能就变海了。因此,如何实现大型压力输水隧洞施工安全和运行安全是项目研究面临的另一重大难题。

国际首例“特大城市输水环路”

通过国内外行业调研、文献检索,目前还没有哪个城市采用如此大规模的环路输水系统。南水北调来水可通过环路由南至北输送至中心城及大兴、通州等区的20座水厂;一旦中线停水,密云水库水和地下水也可由北向南输送至上述水厂。环路供水的优点可概括为“闭合相通、双向输水、互为备用、调度灵活”。闭合相通,使北京市真正实现了外来水、地表水、地下水的三水联调。双向输水,替代了传统树状输水管线为了检修建设双线的要求,节省了大量的建设投资。互为备用,使三种水源在应急工况下切换更为便利,可实现跨区域调水。调度灵活,任何一个局部位置发生事故,可以通过两侧的检修阀关闭进行检修,不影响环路上的水厂运行。

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图4 东干渠组成的供水环路双向输水示意图

整个环路的调度运行包括五大类和37种工况,沿线数十个闸、阀设备都要统筹考虑运行参数,可谓牵一发动全身。为了科学可靠的完成设计,我们通过建立数学模型,进行水力分析及输水方案优化研究,根据不同工况制定了相应的调度指令,编写了调度手册,建立了水动力模型和管理系统。

创新的隧洞结构设计和防水检测方法

东干渠隧洞最大埋深30米,最大内水压力接近50米,正常运行和放空检修是两种截然相反的运行工况,对整个隧洞结构设计提出了挑战。通常保守的设计方法是内、外压力分别由二衬和一衬单独承担,但是这种方法会造成结构厚度增加,工程投资较大。

针对北京东部的地质情况和施工条件,我们研发了盾构隧洞灌浆式预应力复合衬砌结构和全维度立体防水及预应力注浆挤密技术,提高了压力输水隧洞防渗能力和承载能力。研制了新型隧洞接缝防水检验设备,实现静水压试验一次成功,渗漏量仅为规范允许渗漏量的21%。

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图5 全维度输水隧洞防水技术断面图

新型全维度输水隧洞防水技术的研发,就像给隧洞穿了了一层“皮肤衣”,防水材料牢固的和混凝土粘结在一起,使得以往单一的平面防水变成了包括径向、轴向、环向全维度的立体防水效果,大大提高了结构整体的防水性能,解决了复合衬砌层间窜水的问题,保障了结构耐久性,降低了事故检修排查的难度,提高了工程经济性。

针对城市密集建筑区的新型施工工艺

为了减少东干渠施工过程对地下水的影响,保护周围建筑物安全,我们研发了新型的地下连续墙刚性接头,提出以地下连续墙、止水旋喷桩组成侧向防水,联合基坑封底的综合措施,形成基坑全封闭防水技术,保证了工程施工安全,实现施工不抽水,减少抽排地下水2.5亿m3。

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图6 全封闭防水基坑三维透视图

为了加快盾构机进出洞的施工进度,采用了玻璃纤维筋。与传统隧洞盾构工作井相比,在地下连续墙的盾构机进(出)洞位置采用玻璃纤维筋代替钢筋,盾构掘进时可以直接切削地下连续墙结构,从而避免了事前切断钢筋与凿除洞门的工作,这样即简化了施工工艺、加快了施工进度,又降低了施工风险。

将大量的风险应对措施归纳总结为管理体系

东干渠建设过程是穿越其他基础设施的过程,建成后,新建的各项市政基础设施也面临穿越东干渠隧洞的问题。为了科学、合理的识别、分析风险并制定可靠的措施,我们提出了一套针对地下输水隧洞穿越不同风险源的分类分级、加固方法、调度运行、交叉评估的集成技术体系,编制了相应的标准和导则,解决了大型压力输水隧洞穿越重要基础设施的安全难题。

在分级管理体系中,对不同级别的风险源采用对应的检测、评估、专项设计,提出有针对性的加固措施,并进行第三方监测和后评估,建立了安全评价体系。实现了北京市盾构施工在高风险、近距离、无围土加固条件下安全穿越其他盾构隧道的先例。成功解决了大型压力隧洞穿越轨道交通、高铁、公路、桥梁、市政管线等安全难题。

项目的意义和推广价值

东干渠工程的修建,创造了特大城市环路供水格局,提高了北京市供水保障,给未来经济发展奠定了基础。工程本身也进行了多项创新设计和技术突破,研究成果支撑了工程建设,与常规双线输水方案相比,工程投资节省约1/3;与加压输水方案相比,每年可节省4600万元的抽水加压费用;相关技术在其他多项重点工程中得到了推广应用,为国内大、中城市输水管路建设提供了重要的借鉴。

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图7 1999年末~2016年末北京平原区地下水埋深变化图

东干渠工程2015年7月正式通水,城市70%的生活用水均通过环路输送,城市供水保证率得到提高。工程的建设提前为北京城市副中心提供了日供水60万立方米的水源保障,对北京市地下水保护及恢复起到了重要作用。

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