穿黄河 过渡槽

2021-01-11 08:52:07 科学大观园 2021年1期

保定漕河渡槽出口处加设扰动水面设备防止结冰。

站在荥阳观礼台上,向北看,黄河九曲十八弯摆动着腰身,浩荡东去;向南看,清澈的丹江水沿着地上明渠从南面奔腾而来。南水北调中线通水后,一渠清水以每秒1米的流速缓慢行进,一路北上。长江水在河南的邙山脚下,与黄河不期而遇。

孤柏嘴“会师”

北上的长江水通过两条穿黄隧洞与黄河立体交叉,以形成“江水不犯河水”之势俯冲而下,穿越万古黄河。这就是南水北调中线上的标志性、控制性工程——穿黄工程。

南水北调中线干渠有两个关键工程,一是渠首,二就是“穿黄”。“穿黄”顾名思义就是“穿越黄河”,将长江水从地下穿越黄河,一路向北。这需要的不只是过硬的技术,更是大无畏的魄力和丰富的想象力。

随着南水北调工程的全线通水,北上的长江水与东去的黄河水在黄河孤柏嘴相遇。黄河孤柏嘴位于郑州向西约30公里,从空中俯瞰,南、北岸像放置了两把琴身相对的巨大“吉他”,它们看似被黄河隔开,但在河床下30米深处,它们被两条深埋地下的4250米长的隧洞连通。

据“穿黄”工程负责人介绍,郑州市是南水北调中线工程的重点受益区和丹江口库区移民主要安置区(除南阳市安置人口最多),是干线长、占地多、征迁量大、文物保护任务重、安置移民人数多的地区。

据了解,穿黄工程位于郑州市黄河京广铁路桥上游约30公里处,于孤柏山湾横穿黄河。工程南岸起自荥阳市王村镇,终点北岸到温县南张羌乡马庄,总长19.3千米。工程由南岸明渠、穿黄隧洞及北岸明渠组成,其中黄河南岸明渠长4.6千米,穿黄隧洞全长4250米,其中邙山段隧洞长800米,过河段隧洞长3450米,北岸明渠长9.3千米,建筑物沿途穿越黄河、新蟒河、老蟒河等3条河流,与14条等级公路交叉。

“双洞设置而且中间不连通。这样就能达到两个功效,一方面控制流量,南水满负荷运水的设计流量是265m/s,目前还没有达到,双洞能保证在需要时加大流量。另一方面可‘一用一备,当其中某个洞发生状况需要检修时,不影响北京、天津用水。”

记者在现场发现,在“双洞”旁边各有一个洞,这有什么用处呢?原来,这是“退洞”。巨大工程既要做到工程宏伟,又要做到事无巨细。“这就是以备发生极端状况,比如‘双洞均出现问题、地震、水质遭到破坏等不利工况时,可以通过‘退洞将南水补给到黄河水中。”

让江水不犯河水

穿黄工程是南水北调中线工程的重要组成项目之一,是中线总干渠穿越黄河的关键性、控制性工程,也是南水北调中线工程在河南开工的第一个项目。工程浩大,工作复杂,在建设过程中面临着很多难题。

如何穿越黄河天堑?当初的设计方案多达40余个,焦点是上跨与下穿之争。有人认为,从黄河上建一座横空大渡槽,让江水飞渡,入夜万盏灯火勾勒夜空,宛如“黄河彩虹”,势必成为中原一大景观。

然而,如若架设渡槽,那托起渡槽的密集墩柱,就等于在黄河上横插了一把大梳子,占据了黄河过汛通道,会造成泥沙淤积,不利于黄河中下游水势。

南水北调正定段渠道,与京广高速铁路并行。

因此,更多人主张还是从黄河河床底部打隧道,让江水低调行事,昼夜潜行。最后经过科学论证,选择“潜龙暗行”方案:从河南郑州花园口西的黄河底40米深处,打两条平行的4250米长的隧道,让长江水从黄河南岸流到北岸。

如何开凿隧洞?根据黄河的复杂地质、水文条件,科技人员决定使用泥水加压平衡盾构机为长江水开路。

这台量身定做的德国产盾构机长80米,有三层楼那么高。为了把这个庞然大物送下去,就要在黄河北岸河滩地挖出大圆筒结构竖井,正处于细砂强透水地层中,地下水位高,竖井井壁采用了牢固结实的地下连续墙形式,厚1.5米,深76.6米。先造好地下连续墙并在其防护下,边开挖边衬砌,基坑工程规模之大、开挖之深、地质条件之复杂、工作难度之高,均居国内之最。

竖井胜利完工后,主角——盾构机登场了,庄严出征,是谓始发。盾构机就像一条钻地巨龙,从地下50多米深处找准未来隧洞的出口,由北向南,步步为营,层层掘进。举手投足间,创造了我国目前盾构机始发最深的纪录。

盾构机的工作原理类似男士电动剃须刀:最前部有一个开挖舱,开挖舱内装有可旋转刀盘,刀盘配有100多把不同类型的刀具,切削掌子面,把大块土体切成相互分离的小碎块。

每种刀具对付各样复杂地层,各司其职:如采用大尺寸刮刀切削岩土,减少开挖时细颗粒的产生;先行刀和齿刀布置在刮刀前面,预先松动土壤从而降低对刮刀的直接磨损;铲刀用于清理外围开挖的渣土;滚刀用于对硬物的开挖等。

盾构机有两条黄色泥浆管:一条是进浆管,用于加浆,冲洗刀具;另一条是排浆管,将搅碎的土石碎块随泥浆输送到地面的泥水分离系统,分离出的碎石作为弃渣处理,用过的泥浆收回加新鲜浆液后,重新输送到盾構机开挖舱内,循环利用。

开挖舱后面有一个气压舱,充有压缩空气。通过调节气垫对泥浆产生压力,从而平衡来自开挖掌子面的水土压力,同时还形成一层保护膜,起到护壁作用,防止土体坍塌,泥水加压平衡盾构也因此得名。

穿黄之旅充满艰辛和挑战,它们如同拦路虎接踵而来。因为穿黄河段是游荡性河段,河床冲淤变化引起的纵向沉降,会作用于穿黄隧洞,穿黄隧洞沿线将穿越各类复杂地层结构。

穿黄隧洞最难之处在于,面临“双层夹攻”,内外受压:黄河水和河床对隧洞外层形成的外压力;同时隧洞过水的时候对隧洞内衬形成的压力,也就是内水压力。为了保证穿黄隧洞固若金汤,能承载内外水压而不漏水,工程技术人员进行1∶1仿真模型试验后,采用了新型双层衬砌结构。

外层衬砌为装配式钢筋混凝土管片结构,盾构机有6个自由度的管片拼装机,每掘进一段距离,就采用真空吸盘抓取方式,方便灵活地从喂片机上抓取管片,拼装高强度混凝土预制管片。

内层为现浇预应力钢筋混凝土结构,承担内水压力。

内、外层衬砌为防排水弹性垫层所分隔,使其分别单独受力。这种结构形式在国内外均属先例。

“剃须刀”用久了刀片会磨损。盾构机亦是如此。在下游线隧洞掘进到1000多米时,发现刀具及刀盘严重磨损,已不能继续掘进施工。于是,技术人员进行了改造,把透水密封三道加成四道,增加中心保护刀和边缘保护刀,提高了密封性和刀盘的刚度、强度。

据了解,穿黄工程的抗震能力可达到8级,按黄河300年一遇洪水设计,按1000年一遇洪水校核。不仅如此,隧洞内还布置了現代化的观测仪器,若出现洞内受力、变异等情况,通过观测仪器,在黄河岸上的自动控制室就能及时看到。

大型渡槽保驾护航

南来水凭借水源地和北京近百米的地势落差,自然北流、时而潜行、时而飞渡,飞渡时就靠一种庞大的空中输水廊道来护送,这就是渡槽。

盾构机的工作原理类似男士电动剃须刀:最前部有一个开挖舱,开挖舱内装有可旋转刀盘,刀盘配有100多把不同类型的刀具,切削掌子面,把大块土体切成相互分离的小碎块。

渡槽,作为输水建筑物的重要组成部分,在这1000多公里的中线工程中,就荟萃了27个不同类型的渡槽,实至名归,堪称当今渡槽博物馆。

从240多公里外奔流来的丹江水流入的大型沙河渡槽,则是其中的翘楚。沙河渡槽槽身采用预应力钢筋U形槽结构型式,单槽重1200吨,承受的荷载是公路和铁路的几倍甚至几十倍,槽身结构复杂,施工架设难度极大。

沙河渡槽采用的是预制方法,即槽身在预制厂预制完毕后,直接吊运到槽墩上去,要求准确拼接,严丝合缝。

沙河渡槽槽身厚度仅为35厘米。如何把这些千余吨重的单片渡槽一个个排在一起呢?设计人员想出了“槽上运槽”的新方法。单片渡槽全部完工以后,施工人员把架槽机设在基墩上,然后把单片渡槽沿着已经放置好的渡槽运过去。两个单片渡槽在一起时,足有6层楼那么高,加上架槽机的高度,整个高度有8层楼高。这种施工技术,开创了水利工程建设的国际先例。

此前世界已建最大的渡槽为印度戈麦蒂渡槽,但从沙河渡槽流量、跨度、重量、总长等指标综合评估,沙河渡槽规模和建设难度都超越了戈麦蒂渡槽。

科研人员开展了渡槽总体结构选型、水力学、结构分析、施工技术、预制槽蒸养温控等一系列技术研究与试验,满足了沙河渡槽设计与施工需要。在沙河渡槽设计与施工中,成功应用了大型渡槽温度边界条件、荷载作用机理及对结构的影响,大跨度渡槽结构新型式及优化设计,抗震性能与减震措施,渡槽施工技术及施工工艺,大型渡槽的耐久性及可靠性等课题研究成果。

与沙河渡槽形状一样的湍河渡槽,采用的是一种截然不同的施工方法:利用可移动模板,采用造槽机现场浇注施工,其渡槽内径、单跨跨度、最大流量属世界首例。

湍河渡槽每榀混凝土槽身自重1600吨。造槽机总重约1350吨。两个庞然大物重叠一起,接近3000吨。造槽机完成每榀槽身一个循环,需要经历包括钢筋加工、绑扎、焊接、混凝土浇筑、拆模、模架移动等48道工序。养护完成一榀槽身后,造槽机“金蚕脱壳”,实现分离,独自向前缓慢移动40米,接着孕育第二个“生命”,依次向前推进。

于是,在造槽机身后,留下了一座气势如虹的湍河渡槽,屹立大地之上,巍峨挺拔,傲然托举着一泓清流北上。

◎ 来源| 综合中华网、中国科技网

◎ 图片|南水北调中线建管局宣传中心