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再谈藏青输水隧洞建设的几个问题

已有 1958 次阅读 2023-6-4 10:47 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记

再谈藏青输水隧洞建设的几个问题

藏青输水隧洞是一个非常好的解决西北地区干旱的设计,隧洞的起点设计在西藏林芝市南的雅鲁藏布江和尼洋河的交汇处,这里水量丰富,林芝周围有6万平方公里的雪山,雅鲁藏布江水量丰沛。而终点设计在柴达木盆地格尔木市区西面60公里处,柴达木盆地是西北地区最干旱的地区之一,它的周围上百万平方公里都是极其干旱地区。这个隧洞需要修建两个抬升水头(无须抬升水头,全程自流)和蓄水的水库(水源区的年调节水库很重要,可以确保隧道常年均衡调水,提高隧道的调水能力和利用效率。否则,汛期弃水严重,浪费水资源,而枯水期无水可调),一个水库在雅鲁藏布江上林芝市的派镇,一个水库在林芝市波密县的八盖乡。沿着直线750公里的路程把丰水引入到极度干旱区将来是一个效益巨大的工程。我在以前已经对于这条藏青输水隧洞有过多次叙述,这里对如何建设这条隧洞进一步揭示一些问题。

隧洞建设的关键不是环境评价,不是路线设计,不是可行性研究,而是掘进技术。是隧洞的开凿速度,围岩修筑,如何防止缺氧、涌水、塌方、岩爆、有毒气体等等。实际上这些隧洞综合技术中国已经有了决定性进步,我们其实不必要担心。我们主要关心这条路线上土渣的处理,过长的运输距离如何节俭成本,水库的修建,河谷过大的落差对修建水库的影响,隧洞半途中斜道的修建,半途中其它水系的接入等等问题。

第一个问题:是先修水库,还是先修隧洞。为什么要提这个问题?因为无论是雅鲁藏布江上的派镇,还是玉龙臧布江上的八盖乡?其海拔和和我们引水洞需要的海拔有较大的差距,但是水坝要减少成本和技术可能性需要修建较低。修建较高危险就大。为了确保水坝较低,而海拔较高,自流落差较大。我们的设想是把修建隧洞开掘的渣土全部倾倒进河谷,垫高河谷,提高水坝坝地基,或者减小水坝迎水面的高程,从而减小水坝坝体的水压。我们计算750公里隧洞,10米直径可以产出0.59亿立方土渣,12米直径可以产出0.85亿立方土渣,可以填埋1000米宽,200米深的河谷接近300米长度或者420米长度。但是,这些土渣最远输送距离750公里,这种长距离运输到底经济吗?划算吗?必要吗?如何以很低的成本运输这么多渣土从格尔木到玉龙臧布江峡谷中?当然只能是小火车了。(中途节点也可以考虑升降机出渣土,南非金矿隧道的升降机,满载150人,两分钟时间垂直升、降2200米)

第二个问题,这个隧洞需要多少个掌子面?沿途又能加进哪些河流的水?这个隧洞从怒江、澜沧江、通天河上面经过,可以引入的大小河流主要有易贡藏布江、擦热松多河(易贡藏布江支流)、杰曲(怒江支流)、怒江、热玛曲(怒江支流)、珠劳曲(澜沧江支流)、昂曲(澜沧江支流)、当曲(长江支流)、扎曲(澜沧江支流)、牙曲(长江支流)、通天河、楚玛尔河、南小川(格尔木河)。一共13个参考点。这13个参考点有好几个功能,第一个功能就是主隧洞的引洞,用于施工、物资进出、通风换气,施工便道,当施工完成以后这些引洞就是变成一个个引水隧洞,分别从13个河流支流引入水资源到主隧洞,估计从这13个河流交叉处也可以引入30亿立方水。13个引洞进入主隧洞以后会不会形成13个工作面?从施工效率来讲,开辟13个掌子面,甚至双向开辟26个掌子面的确会加快工期,原本二十年完成的事情也许五年就能完成,因为26个掌子面甚至更多掌子面,每一个掌子面的开凿长度平均只有29公里。对于主隧洞而言,这些水只是少量水,但是这些水有利于加速隧洞水流向北运动,从而可以加大输水量要求这些引水点的斜洞方向都顺着引水隧洞,都向着北方,这样地表面的水冲入隧洞的时候有加速作用,至于作用大小需要科学验证,只是沿途能够收纳一些水资源也是好的。

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第三个问题,一个引水隧洞的输水量有多大?需要修建几个隧洞?雅鲁藏布江的水量允许修建几个引水隧洞?有没有多个引水隧洞的恰当的地域?我们假定隧洞的直径是10米,半径是5米,根据谢才公式,水流速度等于水力半径乘以水力坡度的开方根再乘以谢才系数,而谢才系数的一般经验值等于水力半径的六次方根再乘以糙率系数,对于一般管道及有护面的渠道,n=0.0090.033,我们这里选择0.03,水力半径选择5米,水力半径的六次方根为1.30766,那么谢才系数为43.6,水力坡度为150除以750000米为0.0002,那么水力坡度乘以水力半径的开方是0.03162,那么水流速度为43.6*0.0316=1.37米每秒。隧洞截面积为3.1416*5*5等于78.5平方米,那么该隧洞每年不间断输水的最大输水量是1.37米每秒*24小时*365*3600秒每小时*78.5平方米等于33.9亿立方米。如果糙率系数选择0.01,其年输水量为101.8亿立方米糙率一般取值0.014,水力坡度为0.00022,在这两者不变的情况下,尽量加大隧道的直径可以提高水流速度,当隧道直径为10米时,水流速度为1.95/,年输水量是48.3亿立方米;当隧道直径达到15米时,水流速度可以提高到2.56/,年输水量是142.7亿立方;当隧道直径达到16米时,水流速度可以提高到2.67/,年输水量是169.3亿立方。在隧道掘进过程中,隧道直径越大,越有利于输水量的增大。但是,隧洞直径越大,开凿难度越大,支护越困难,越容易发生安全事故。实际上,隧洞的理想直径在12米——16米之间。

糙率系数对于输水量有很大影响,为了加大水流速度,进而加大输水量,提高隧洞利用效率,可以在隧洞经过的河流上修建若干个加速隧洞,把擦热松多河、杰曲、怒江、热玛曲、珠劳曲、昂曲、当曲、扎曲、牙曲、通天河、楚玛尔河的水引入主隧洞,引入水不在于水量大小,而是充分利用这些河水向下俯冲速度大的特点加大输水量。统计数据显示,雅鲁藏布江多年平均径流量是1654亿立方米,藏青隧洞的位置处于雅鲁藏布江的中游段,年平均径流量是555亿立方米,尼洋河河口处多年平均径流量是138亿立方米,所以可以调取的总水量大约是693亿立方米。水量是很充足的,按照允许调水30%计算,可以调取300多亿立方水,那么按照计算应该修建至少3条同样的隧洞从林芝通往格尔木。上面我们已经计算了一个10米直径可以产出0.59亿立方土渣,12米直径可以产出0.85亿立方土渣,三条隧洞的总渣土量在1.77亿立方到2.55亿立方之间,用来填埋易贡藏布江的河谷可以有效减小八盖水库落差,确保八盖水库安全。那么有没有条件修建这么多隧洞?雅鲁藏布江上林芝市米林县的派镇修建的水库尾水长达50多公里,有很多可以打隧洞的有利地点,而易贡藏布江上波密县的八盖乡上修建的水库尾水长达20多公里,也有多处地点适合修建隧洞。对于格尔木出水口来说,格尔木以西有大片土地可以作为出水口,更加广阔的土地有随意设计的基础。

第四个问题:如何在深埋2000多米的地下施工?如何有效破解硬岩问题?如何提高掘进速度?隧洞岩壁需要砌护吗?关于在超长深埋的地下开凿隧洞,我们国家已经有了比较成熟的方法:利用大型鼓风机通风专用管主动通风,利用冰块降温,利用钢筋骨架支护,用专用砌护砖块砌护层,每间隔50米做一个峒门端墙翼墙,使用隔栅拱架和喷锚支护,防止涌水技术,盾构机瓦片砌护技术等等。在技术规程方面和法律法规方面有《安全生产法》《水利水电安全通用规程》等等。对于在深埋2000米的地下施工,其实最为先进和安全的技术依然是无人值守远程操控,主要利用5G技术进行,这些技术已经为期不远,笔者的文章《5G技术在开凿水工隧洞中的应用前景》专门就相关问题进行了讨论。据说华为公司正在推广矿井下5G技术的应用,关键是超埋深隧洞岩爆突水突泥厉害,温度高湿度大没氧气,还有个问题是漏水问题,材料也得跟的上,若有一天能搞成全智能的生产就好了。2022AI人工智能特别火,对于复杂状况的智能分析出产了几个软件产品非常火爆,一个是CHATGPT软件,这个软件的综合分析能力堪比人类,另外一个是华为出品的企业管理软件MetaERP Enterprise resource planning),这两款软件都是超级复杂的软件,是综合分析,综合管理的顶级软件。可以想象,由于隧道开凿也是非常复杂的综合性工程,如果我们有了5G技术来远程控制隧洞开凿,那么在远处的决策层面既需要各种专家的远程判断,远程分析,也需要远程指挥,那么为了防止专家不能及时判断,不能准确判断,不能综合判断,甚至无法判断的情况,我们是否应该开发一种能够综合判断隧洞开凿面综合情况的综合性智能软件呢?可以起名叫:隧洞开凿智能管理系统TEIMSIntelligent management system for tunnel excavation),有了TEIMS系统,那么就可以和5G远程控制系统结合起来,智能化开凿藏青隧洞。

第五个问题,藏青隧洞沿线的土壤地质条件如何?地下到底是泥土?岩石?硬质岩石?软质岩石?是花岗岩?是火山岩?根据文献:青藏高原是一个巨大的山脉体系,隧洞经过的地区包括了:昆仑山、巴颜喀拉山、唐古拉山脉等,他们的山顶海拔均在6000米以上。分别属于柴达木构造岩浆带,金沙江构造岩浆带和唐古拉构造岩浆带。柴达木构造岩浆带的岩浆活动主要见于盆地边缘,下古生代堆积了巨厚的中酸性熔岩及其凝灰岩,成为褶皱基底的主体。金沙江构造岩浆带有两条花岗岩带与金沙江蛇绿混杂岩及三叠纪巴塘群中基性火山岩带相伴。主要为石英闪长岩和花岗闪长岩,具同熔型特征。唐古拉构造岩浆带与班公错-怒江蛇绿岩带相伴,在其南侧以花岗闪长岩、黑云母花岗岩为主,形成岩基;在其北侧,以黑云母二长花岗岩为主,呈小岩株,侵入于侏罗系中。石英闪长岩是闪长岩的一种,属深层侵入岩,斑状结构,块状构造。花岗闪在世界上分布很广,长岩中二氧化硅含量在56%左右,石英含量在20%以上,中酸性岩石。可以看出,隧洞沿途除过柴达木盆地是沉积地貌之外,从雅鲁藏布江林芝到昆仑山的奈金河的纳赤台都是花岗闪长岩、黑云母花岗岩、石英闪长岩。这些岩石硬度较大,可能深层岩石硬度特大,石英含量在20%以上,是中酸性岩石,有可能在深层经过多年化学溶解侵蚀,地层中有很多蜂窝状漏斗,为开凿隧洞提供了一定的便宜。陈建生老师经过多年研究认为青藏高原上的岩石中存在很多蜂窝状空洞和暗河,说明虽然藏青隧洞沿途都是岩石,但是其硬度和开凿难度也许没有我们想象的那么大。而对于引水隧洞沿线的地质勘察是完全必要的,制定相应的开凿措施也是必要的,是规划设计的最重要一部分。

第六个问题盾构机的设计问题。

通过以上对藏青隧洞沿途岩石特性的分析,我们注意到:藏青隧洞大部分渣土是岩石,这要求我们必须使用专门开凿岩石的盾构机,即硬岩盾构机(硬岩隧道掘进机,简称TBM);其岩石中石英含量超过20%,石英硬度大,需要更加坚硬的滚轮,而且必须安装“水刀”切割器械。我们对于这种专门用于藏青隧洞的盾构机的改进思路如下:选用如下图所示的盾构机,盾构机保留加大的出渣间隙,只保留横向和纵向四个桁架,桁架上安装加大的滚刀和刮刀。改进的想法是在每一个桁架上安装至少一个小型自转凿岩机,大小大约15——20厘米,马力大约1000——1500瓦,自成体系,它的作用是在盾构机大范围旋转的同时它做小范围自转旋切,制造岩石的临空面和破碎面,由于岩石具有超级的脆性,当使用这种超小型凿岩机做出临空面的时候,安装在盾构机上的其它滚刀就能够更大的发挥作用,极大地增加凿岩速度(如图1所示),这四个小型凿岩机分别安置在距离中心距离0.2R0.4R0.6R0.8R处,当盾构机旋转的时候,它就能旋切整个刀盘面,制造出四个圆环形临空面,极大地提高掘进速度。对于这种硬岩盾构机的第二个改进是在盾构机的边缘适当部位加装水刀,对于水刀的作用笔者在《假如水刀的水中加入石英会有什么效果》已经讨论得比较清楚了,水刀不仅能够切割硬岩,制造临空面,而且能够冲刷细小渣土,在重力作用下携带小石子和渣土流动进入出渣孔道,为大块岩石制造更大空间,有利于大岩石破碎和滚动,有利于大岩石进入出渣孔道。在图1中可以安装1220个水刀。当然在这种盾构盘面上安装超高压的水刀有很大困难,水只能从刀盘中心供给,只能沿着桁梁铺设,而中间的连接体的设计非常复杂,它既要保持高压,又要能够旋转,还不能遗漏水。如果实在很困难,可以把水刀安装在盾构机刀盘中心位置,减少水刀数量,加大压强和水刀的强度,制造中心临空面。我们相信,通过特种钢材的滚刀、刮刀的设计,通过在盾构刀盘上安装小型自转动掘进机,通过加装水刀,这种设计的盾构机对于超级硬岩是很有效果的,不再会出现开凿秦岭输水隧洞的时候出现的难以掘进的情况。当然,对于新式掘进机或者盾构机的设计,我们也挖空心思做了不少设想,只是以上提出的设想更加符合目前的装备现实。

第七个问题,这么长的输水隧洞需要使用砌护砖块砌护吗?隧道洞壁需要做光滑吗?这个问题比较专业,应该通过专业测试做出决定。当然,如果做了护壁,糙率系数就会降低,水流速度会增加,调水效率会大幅度增加。但是安装护壁的话,需要3.93米长2米宽的护壁砖块37.5万个,成本增加大约5——10个亿。而且安装以后如果水的侵蚀作用较大,容易出现坍塌。所以水工隧洞的另外一种加固方法就是不用砖块砌护,而是使用锚固钢筋水泥加固,填埋缝隙,保留它的开凿表面光滑,适当打磨减小水流糙率,确保不漏水。到底选择哪种方案需要科学论证。

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第八个问题是目前的经济形势与调水的关系问题。

目前中国经济的新的增长极在西北,因为中亚六国的经济水平比较低,发展潜力很大,而中国西北地区的发展面积很大,潜力巨大。积极发展一带一路,积极发展西北经济,必须基础设施先行,而充足的水资源是经济发展的基础之一。所以,我们认为要增加西北经济增长极,推进一带一路建设,必须尽快实施调水工程。




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