引汉济渭工程秦岭引水隧洞岩爆三维NPR支护技术

针对引汉济渭工程秦岭引水隧洞岭北段频繁产生岩爆灾害、原支护结构破坏等问题,对秦岭引水隧洞岭北段进行地质勘测调查,分析隧道围岩岩爆破坏特征及破坏模式,开展超深隧洞岩爆三维负泊松比(negative Poisson’s ration,NPR)高应力补偿支护体系研究工作。采用现场勘查等方法,对隧道地质条件及岩爆破坏成因进行分析,并采用对比试验的思想设计出秦岭引水隧洞岭北段岩爆监测预警试验方案,提出以微观NPR锚杆为核心的三维NPR高应力补偿支护体系;通过现场试验分析新支护体系下围岩岩爆控制程度及其支护效果。结果表明:以微观NPR锚杆为核心的三维NPR高应力补偿支护体系能有效控制隧道围岩岩爆灾害发生,新支护体系试验段微震能量、频次均明显降低,爆坑深度、钢拱架受力和变形量明显减小。研究成果可为超深隧道岩爆灾害的防治提供参考。

鲸鱼沟黄土水库塌岸、淤积调查与预测分析

为了预测黄土水库改造再利用后的塌岸量与淤积量,对鲸鱼沟现有水库的塌岸和淤积情况进行了地质调查,并据调查结果提出了黄土库区塌岸与淤积预测方法。研究结果表明:现有水库两岸只出现了几处小型滑塌且已基本稳定,统计出黄土岸坡水下磨蚀角在14°~26°之间,残坡积层岸坡水上磨蚀角在20°~31°之间,黄土的水上坡脚坡度为70°左右;库区淤积物横断面十分平坦,淤积主要考虑来自塌岸物质,揭露了现有水库淤积模式,计算得到其淤积厚度为10.3~12.6 m和淤积量为193.5×10^(4)m^(3);结合现有塌岸调查结果,提出了水库塌岸预测原则,采用卡丘金法与岸坡结构法相结合的方法预测了拟建水库的总塌岸量为567×10^(4)m^(3)和入库量为230×10^(4)m^(3);结合现有淤积调查结果,提出了淤积预测方法,即将塌岸量分段淤积于水库底部,预测了拟建水库的淤积厚度为0~22 m之间,大部分地段为10~20 m,淤积量为562.8×10^(4)m^(3),约占总库容的15.2%。本文预测结果为鲸鱼沟黄土水库改造工程提供可行性资料,也为相关黄土水库建设提供参考作用。

来水不确定对跨流域工程供水调度风险的影响

为量化径流预报的不确定性所产生的供水风险,本文以引汉济渭跨流域调水工程为研究对象,基于来水不确定性的概率分布定义了供水风险,以此建立与求解了供水调度模型,获得了不同预报误差的多尺度供水风险值,厘清了风险升级的预报临界误差,揭示了来水不确定性对跨流域调水工程供水风险的影响。研究表明:产生供水风险的径流预报误差阈值为15%,且预报误差与供水风险呈二次幂函数关系;三河口水库可利用其多年调节水库的性能,缓解预报误差带来的供水风险;将供水风险分为轻险、中险和重险,确定了风险升级的阈值分别为0.117、0.190,对应的预报误差分别为24.0%、32.7%。研究成果将为保障陕西省引汉济渭工程等跨流域调水工程的调水安全提供决策依据。

秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

为更好掌握TBM掘进性能,以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象,通过滚刀破岩试验与施工参数分析,获得了滚刀破岩机理,揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明:在设定地应力条件下,随着贯入度增加,滚刀法向力增大,且其变化幅度增加、变化频率加快,增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量;高地应力条件下,因多次发生岩爆,TBM平均掘进速度、设备利用率均较低;现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步,但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式,提高辅助作业效率,并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质,可保障TBM高效运行,为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。

HSP法在引汉济渭TBM隧道地质预报中的应用

为了解决超前地质预报与TBM快速施工之间的干扰,结合TBM的施工特点,分析地质预报的难点,介绍适用于TBM施工的HSP声波反射法原理和探测方案。该方法创造性地利用刀盘剪切岩石产生的振动信号为震源信号,采取阵列式布极,获取前方地层特征参数,来预报TBM施工前方的地质条件,来达到TBM快速施工的目标。通过HSP在陕西省引汉济渭工程TBM施工段应用案例的解析和实际情况的对比分析,表明HSP声波反射法对不良地质结构面的存在具有较好的正相关响应,是适用于TBM施工时地质预报的高效方法之一。

引汉济渭工程黄三段输水隧洞围岩变形与压力分析

以分析深埋长隧洞围岩应力和应变为目标,考虑隧洞施工方式,围岩支护形式等因素,通过数值计算,动态模拟隧洞施工过程,获取了黄三段输水隧洞初期支护后的围岩变形情况以及围岩与衬砌相互作用关系。计算结果显示:采用设计的初期支护形式,可有效控制不良洞段的围岩变形,Ⅳ、Ⅴ类围岩最大收敛变形满足规范设计要求。Ⅳ、Ⅴ类围岩与衬砌间的相互作用力随衬砌浇筑时距掌子面距离的增加而降低,但在距掌子面约4倍洞径后降幅微小。通过对比分析经验方法与数值方法所确定围岩压力成果,确定了衬砌结构设计所需的围岩压力指标,为黄三段输水隧洞设计提供了依据,分析方法可为相似工程提供参考。

引汉济渭工程黄三段深埋长输水隧洞排水方案研究

以有效解决深埋长输水隧洞排水问题为目标,按富水性将隧洞沿线围岩划分为中等富水区、弱富水区和贫水区,采用数值方法模拟衬砌周边渗流场,分析了不同排水设计方案对引汉济渭工程黄三段深埋长输水隧洞衬砌外水压力的影响。结果显示,对于高外水压力情况,将排水孔布置于顶拱处仅能降低顶拱附近的外水压力,无法有效降低作用于底板的外水压力,而排水孔沿衬砌周边均匀布置时,可有效降低作用于衬砌上的外水压力。基于此,讨论了各排水方案的适用条件,给出了深埋长输水隧洞排水设计建议。

基于监测的深埋引水隧道原始水头分析

针对"荷载—结构物"模型,基于现场实测数据资料,在深埋隧道围岩轴对称假定前提下,基于渗流理论推导出施工期隧道开挖后围岩内水压力分布的解析解,研究远场稳定水头与远场稳定水头半径的相互关系,提出通过现场围岩地下水水压监测数据反推远场稳定水头和远场稳定水头半径的思路和方法。以引汉济渭工程越岭段隧道为例,根据施工期地下水的水压监测资料,分析了部分洞段隧道部位的初始水压力及隧道开挖后形成的稳定远场水头半径,得到衬砌结构外水荷载。结果表明:在隧道内只要测到某一围岩深度的水头值,就可以确定远场稳定水头与影响半径;洞段K77+993断面围岩深度14 m处压力水头为10.50 m,则远场稳定水头为39.65 m,影响半径43.65 m。研究成果能够为注浆和排水设计提供借鉴和参考。

渭河傍河水源地开采地下水数值模拟

根据关中盆地水文地质条件及地下水分布特点,概化出区域地下水流数学模型和水文地质概念模型,在此基础上利用Visual Modflow建立了关中盆地区域地下水数值模拟模型,并利用地下水位长观孔对模型参数进行了识别,使模型具有较好的模拟仿真度。利用识别后的模型研究了引汉济渭后傍河水源地开采对渭河径流量及区域地下水位的影响,结果表明,傍河水源地开采激发渭河补给量占总开采量的73.3%,引汉济渭后通过减少傍河水源地开采量可增加渭河干流水量,并使得渭河沿线城市地下水位有不同程度的回升。

引汉济渭工程在国家水资源战略布局中的作用

陕西省引汉济渭工程是国务院确定的172项重大水利工程之一,也是国家水资源战略布局中不可或缺的重要一环。工程通水后可以基本解决关中平原缺水问题,改善渭河中下游生态环境,控制地下水超采,增加地下水资源战略储备。以退水作为置换水源,引汉济渭工程还可以间接辐射陕北榆林和延安,在不突破黄河引水指标的前提下,为陕北能源重化工基地新增近8亿m3的供水,保障国家能源安全。引汉济渭在枯水年也面临着与南水北调中线工程"争水"以及运行调度等方面的一系列关键技术问题,本文简要介绍了这些问题的解决思路,可供引汉济渭工程建设和管理运行参考借鉴。

引汉济渭工程运行调度综合服务平台的应用实践

针对引汉济渭工程运行调度的实际需求和特点,基于云计算技术,采用面向服务的体系结构(SOA)和JAVA EE平台技术架构,研发了基于云服务架构的引汉济渭工程运行调度综合服务平台,建立了基于平台、组件、知识图及可视化工具灵活搭建的引汉济渭工程运行调度业务应用系统构建模式,形成基于平台、基于组件、基于主题、基于可视化的应用模式,解决了传统的工程运行调度系统应用性差、功能单一、可扩展性差及应用模式单一等问题。通过平台提供工程运行调度业务服务,为工程联合调度提供技术支撑。

考虑不同需水过程的三河口水库调度风险研究

针对受水区需水过程的不确定性对水库实际调度运行带来的风险问题,开展水库供水调度风险研究。以引汉济渭工程三河口水库供水调度为例,建立年均缺水量最小调度模型并采用改进花粉算法求解;通过构建风险指标体系,采用四维坐标系分析不同方案的风险变化。结果表明,改进的花粉算法在求解长系列调度模型时具有较强的寻优能力和稳定性;径流丰枯遭遇分析获得的方案3需水过程对水库调度风险影响最大,其年时间尺度可靠性只有0.64,缺水指数为2.35,表示出现连续年缺水过程;不同的时间尺度显著影响了风险指标的大小,时间尺度越小,风险越大,对调度结果越不利。研究成果为水库供水调度风险研究提供新的思路,也为水库管理规划部门提供重要借鉴。

引汉济渭工程选址及总体布置研究

引汉济渭工程是陕西省解决水资源问题的骨干项目,工程规划了两个泵站、两个电站和一条输水干线将汉江水调入关中。工程总体布置是该工程重大技术问题,在工程总体规划的基础上,根据关中受水区对工程的需要,研究了引汉济渭工程各组成部分的相互关系,以达到优化工程布置、协调工程各部分的衔接、形成合理有效的调水系统的目的。综合考虑了多种因素对工程选址和布置的影响,将相关选择方案纳入总体方案进行考虑,并根据工程的具体特点,进行多方案的经济、技术比选,完成了工程选点的论证、输水线路选择和工程衔接关系的协调。同时,对输水隧洞的比降也运用工程经济学方法进行了论证。最后分析了工程选址和总体布置方案预计可以达到的效果,并提出了工程实施过程中应注意的问题。

“引汉济渭”受水区居民支付意愿研究

为对"引汉济渭"引水工程的生态补偿政策、水权配置和定价提供参考依据,应用条件价值评估法(CVM)的多边界离散选择(MBDC)模型进行问卷调研,基于566个有效样本,运用Welsh-Poe模型和Wang-He两步法模型,对"引汉济渭"受水区西安市居民的支付意愿(WTP)及其影响因素进行分析。研究发现:西安市居民总支付意愿为17.14元/户*月^(-1),肯定愿意、可能愿意、不确定的支付意愿分别为8.36、14.39和20.82元/户*月^(-1);受访者的各项家庭异质性因素均会对受水区支付意愿产生显著影响;西安市居民对于"引汉济渭"引水工程的支付意愿主要源于水质改善需求。

基于DEM分析的引汉济渭工程受水区调蓄节点选址研究

就引汉济渭工程而言,由于关中受水区地势平坦,很难找到单一的大容量洼地修建调蓄工程,因此,需要采用分散式调蓄工程布置方案。本文在数字高程地形(DEM)数据分析的基础上,结合土地利用情况、下垫面条件以及调蓄节点与用水单元的空间关系,在受水区范围内优选了调蓄条件较好的地点25处,总共调蓄容量为1.37亿m3,可满足一般平水年份引汉济渭工程受水区的年调蓄容量要求。

引汉济渭工程移民安置补偿方式研究

移民安置补偿是水利工程建设的前置性工作和重要组成部分。移民是否按时搬迁并得到妥善的安置补偿,影响着工程的施工进度、库区和移民安置区的稳定发展。通过对陕西省引汉济渭工程移民安置的研究,对当前我国水利工程移民安置补偿方式中的基于利益共享理论下的长效补偿模式、基于集中安置思路下的城集镇安置补偿模式、基于就业渠道多元化的兼业补偿模式等进行了比较分析。针对引汉济渭工程的实施背景及移民安置补偿模式存在的问题,提出了"长期补偿+兼业补偿"的新模式。

浅议引汉济渭配水工程调蓄研究的关键问题

引汉济渭工程是解决陕西关中地区缺水问题的战略性骨干调水工程。引汉济渭的水源区与南水北调中线工程水源区部分重合,为优先保障南水北调中线工程的供水水源,留给引汉济渭的可调水过程极不均匀,供水和用水需求过程匹配性差。引汉济渭工程建成后,配水系统的调蓄能力成为工程供水效益能否充分发挥的关键。本文从调蓄节点选址及工程设计参数、配水管网的流量设计参数、调蓄方案及其运行管理机制和地下水参与调蓄的边界条件及运用原则四个方面探讨了引汉济渭配水工程调蓄研究的关键问题。

引汉济渭工程输水隧洞施工废水处理工艺研究

研究目的:本文对秦岭输水隧洞施工废水进行了水质分析,主要污染物的组成内容,对施工废水处理性进行了评价,本工程针对这一问题进行调查研究和方案设计,对引汉济渭工程越岭段隧洞施工过程中所产生的废水进入西安集中饮用水源地而引起的水质污染问题,在对废水水质监测及水量进行科学预测的前提下,采用切实可行的、高效经济的废水处理技术方案及工艺流程,在引汉济渭工程的顺利实施的同时保障西安集中供水水源的水质安全。研究结论:(1)秦岭隧洞施工废水水质属于无机悬浮污染型水质,有机污染浓度较低;(2)6号支洞正常情况下每日平均废水量约为17 867 m3/d,最大水量为35 734 m3/d;7号支洞正常情况下每日平均废水量约为7 826 m3/d,最大水量为15 730 m3/d;(3)针对秦岭隧洞施工废水水质特点,提出以"混凝+沉淀+过滤+吸附"为核心的处理工艺,处理后水质能满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ类水体指标;(4)秦岭隧洞施工废水以"混凝+沉淀+过滤+吸附"为核心的处理工艺的研究成果,适应于公路、铁路隧道施工废水综合处理。

三维地震波法超前地质预报在引汉济渭工程TBM施工中的应用

秦岭隧洞横穿秦岭底部,工程地质条件极其复杂多变,具有大埋深、高应力、高水压、大流量的突出特点,修建过程将会遇到大塌方、岩爆、突涌水、大埋深条件下的软弱围岩大变形等多种特殊地质问题,准确预报施工前方的不良地质体,采取有效的防治对策,对保证工程的顺利实施及施工人员、设备的安全至关重要。TBM因其空间狭窄、设备仪器耐用性差、电磁干扰等因素限制,常规的超前地质预报方法无法适用于其施工段的地质预报工作,在引汉济渭工程隧洞工程中引入三维地震波法进行了两次探索与尝试。研究结果表明,三维地震波法对隧洞前方不良地质体预报预测有较好的正相关响应,是适用于TBM施工的超前地质预报的高效手段之一。该技术在引汉济渭工程秦岭隧道TBM岭北施工段掘进中预报了前方地质信息、动态评价围岩质量,尤其为K51+597.6位置TBM卡机脱困方案的制定及时准确地提供了前方地质情况,对TBM施工段的超前地质预报具一定参考价值。

引汉济渭工程总体布局

引汉济渭工程是统筹陕西省三大区域,联通汉江、渭河南北两大水系,构建关中地区大水网的关键性调水工程。在项目前期论证规划中,拟定黄金峡线路方案、串支方案、旬阳线路方案、双线越岭方案等4种线路比选方案,推荐黄金峡线路为调水规划线路;对全抽水、全自流和混合等3种不同输水方式进行比选,推荐黄金峡线路的混合输水方式为工程总体布局规划方案。基于规划方案,对调水工程总体布局作进一步的优化,组合成3种可供比选的总体布局方案。总体布局方案统筹考虑了国家、省地、流域的经济社会宏观发展规划,引入系统分析和优化方法新理念,从社会、技术、经济、环境等方面进行方案比选,推荐"低线一洞穿越调水进黄池沟方案"为工程总体布局实施方案。该方案调水工程由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水隧洞三大部分组成。详细介绍了各部分工程规模、布置及调度运行方式。