CN103510486A - 一种沿海岸线围堰进行南水北调的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种沿海岸线进行南水北调的方法，即借助围堰技术，先在南端的长江、黄河等河流入海口位置修建水闸、围堰等，实现淡水资源的截流；再在黄海、渤海沿岸构建新的海防坝体，这样，新老海防坝体间将形成一条巨大的输水通道；最后在渤海适当位置围堰蓄水，形成巨大的储水湖。这种方法相当于对长江、黄河主要河流等沿海岸线向北延伸，可实现重力流状态下大量淡水资源的北调，彻底解决北方中东部地区缺水问题。该方法输水能力强，建设周期短，供水稳定，造价与运营成本均非常低。

Description

一种沿海岸线围堰进行南水北调的方法

技术领域

本发明涉及输水工程建设领域，特别涉及一种沿海岸线围堰进行南水北调的方法。 

背景技术

我国地域辽阔，跨越高、中、低三个纬度带，南北纬度的高低相差大，降水量总的趋势是由东南向西北递减。我国地表径流的分布趋势，基本上与降水量相似，但地区分布的不均匀性比降水量更为严重。总的来说，南方水多、人多、地少；北方地多、人多、水少。南方水资源总量占全国的81%，北方的黄河、淮河、海河三大流域的水资源总量仅占全国的7.5%，而人口和耕地却分别占到全国的34%和39%。南方和北方相比，前者人均水量为后者的4.5倍。由于上述人均量不足和时空分布不均，使水资源的合理配置成为我国经济发展长期面临和必须妥善处理的基本问题之一。 

针对我国水资源的分布特点，有学者提出了南水北调的东、中、西甚至更多的线位方案，但传统方法存在如下几方面的问题： 

（1）建设水坝需要移民、可能诱发地震等。移民不仅须配套制定落实好补偿补助政策、后期扶持政策，尚须克服社会矛盾，成本极高。同时，水库蓄水后，库区及其临近地区地震活动明显增强；

（2）工程地质问题。水库蓄水后，库岸浸水，稳定性降低，易造成库岸的坍塌、危及岸边建筑物安全，并可能导致严重的水库淤积现象；

（3）输水能力有限。以南水北调中线为例，其远景设计能力仅130亿立方米，调水总量有限；

（4）实施难度大。以西线为例，其须在高海拔地区修建约800km的隧道，工程实施难度极高；

（5）造价极高。南水北调在河道开挖、隧道修建、围堰蓄水、水库构建等方面的工程量极高，同时涉及移民动迁等，不仅费用高，且易引起社会矛盾；

（6）部分线路运营费用高。以东线为例，其远景装机容量101.77万KW，每年仅电力的运营成本达89.1亿元；

（7）建设周期长。由于输送距离远，且工程量大，输水河道、隧道、坝体等建设周期非常长。

部分学者提出了在黄海、渤海铺设大的消防软水管的假想，实现南水北调。其实施的可能性非常小：一方面，该方法未考虑消防水管的抗浮问题，海水的密度要高于淡水，胶管通水后，其浮力非常大，会浮于海面；其二，未考虑海浪冲击、泥沙淤积、船锚等对管路的影响；再有，输水能力很弱。 

实际上，到目前为止，尚没有一种经济而又快速有效的办法，实现南方大量淡水资源的北调。 

发明内容

本发明的目的是在尽量少开挖的条件下，为我国提供一种大断面长距离的输水通道，实现我国淡水资源的南水北调。 

本发明提出的一种沿海岸线围堰进行南水北调的方法，其发明的主要内容包括如下三个主要方面：(1)在南端的长江、黄河及其它主要河流入海口位置修建水闸、围堰等，实现对淡水资源的截流；(2)在黄海、渤海沿岸构建新的海防坝体，新老海防坝体间将形成一条巨大的输水通道；(3)在渤海适当位置围堰，形成巨大的储水湖。 

这样，沿海岸线及渤海区域内形成一新的依靠重力自流的人工淡水流域，可以解决沿线工业、农业、环境等的生产和生活用水；由此，淡水资源还可进一步向西、向北输送，以解决我国北方中东部的缺水问题，整个系统及其建设方法构成了本发明的沿海岸线调水的方法。 

对于发明点(1)~(3)，即通过沿海岸线围堰的方法进行南水北调，能否实现关键取决于如下几方面：1)是否有足够的水源。我国的淡水资源总量约为2.8万亿立方，由长江、黄河出海口流出量约为10000亿m³和156亿m³，水源充足，不对其加以利用而直接排放到海洋，浪费极大。2)技术上的可行性。现状黄海、渤海近岸区域海底坡度变化较为平缓，7~10m水深距现状岸基较远，该深度范围内进行围堰技术非常成熟。3)经济上是否可行。由于主要利用现状的黄海、渤海近岸海床，开挖工作量非常少，主要是新建坝体的土方回填，而且仅新建一坝体，并与现状坝体组合使用，该方法没有动迁问题，因而造价非常低，约在800~1200亿元人民币左右。4)输水能力的大小。该方法年输水能力巨大，甚至可将入海口的淡水全部北调而工程造价变化不大。4)建设周期的长短。可以多区段平行作业，建设周期短，2~3年可以建成。 

优选的，所述的沿海岸线所构筑的坝体，因近海为沙性地层，应对其设置防渗措施； 

优选的，所构建的新的海防坝体，其高度应不低于现状坝体高度；

优选的，所构建的坝体，宜在长江、黄河等河流入海口及沿线每隔一定距离设置水闸，确保现状长江及现状沿海地区的船舶的航运不受影响，并具有一定的泄洪能力。

本发明的有益效果是： 

1、输水能力强。与中线、东线部分区段所采用的盾构法、顶管法等施工工艺相比，本方法所述坝体位置布设较为灵活，距现状坝体距离的稍远一点，比如数千米以外，水深变化不大，但过水断面增加较大，从而可形成强大的水力通路。比现状东线及中线的调水能力扩大近100倍，每年可为北方地区提供数千亿直至近万亿立方的淡水资源，彻底解决北方中东部地区缺水的水源问题；

2、本发明利用了现状海防大堤，并在近海海底进行输水通路建设，避免河道了开挖等所形成的大量的土石方工程，仅新建了一条坝体。因而，工程量非常小，同时没有动迁要求，因而社会环境影响及工程造价等均较低；

3、施工速度快。可实现多工作面同时启动，因而工程一旦启动，因没有动迁、管线搬迁等影响，施工速度极快；

4、安全性高。形成的输水通路无须大高度蓄水，略高于现状海水高潮位，因而不会对地层形成大的附加应力而诱发地震。在非正常条件下，比如战争或地震发生溃坝事故，北调的水直接进入大海，没有淹没村庄的危险；

5、供水稳定性好。在冬季冰冻发生时，位于渤海区域可建立大的储水库，可容纳数百亿至数千亿立方的淡水，从而保证供应的稳定性；

6、运行费用低。工程建成后，主要依靠重力流进行调水，无须现状东线多级供电提升，因而运行费用低。

具体实施方式

传统的南水北调往往在上游地区，借助开挖隧道、河道的方式，其土石方工程量、拆迁量等非常巨大，特别是西线工程，不仅工程量大，海拔平均高度近4500m，实施难度非常大，因而如何快速、经济地将大量的南方淡水资源输送至北方，解决我国北方极度缺水问题，非常困难，也非常紧迫。 

线路选择

为克服这一困难，本发明提出了在长江、黄河出海口，通过围堰，实现对淡水资源的截流，在天津的渤海地区围海，形成淡水储水库，其间在对现状海防大堤增高加固的基础上，通过距现状大堤一定距离的外侧，构建新的海防大堤，这样，新老海防大堤间将形成大容量输水通路，且在北端储水库的水位标高较低，水在重力作用下自然由南向北流动，如附图4所示的实施例示意图的总体线位布置。可以是全部海上方案，由崇明入海口围堰，经南通、盐城、连云港、日照、青岛、威海、烟台等，进入渤海，最终在渤海湾区域围堰，形成全部海上线路的方案。该方案线路总长约1300km，实施过程中，全部利用现状海岸线。也可以小部分利用陆上线路进行河道开挖，如图中的粗线所示，该方案线路总长约900km。该方法实施关键涉及如下几个方面：一是围堰施工，包括南端的长江入海口的截流围堰以及沿海岸线的围堰施工，其二是泄洪及船舶水闸等施工，再有是沿线河道的延伸改建。

围堰施工

围堰的种类非常多，有膜袋混凝土围堰技术、板桩围堰技术、抛石回填等，本发明以钢筋混凝土板桩配合板桩内填土围堰为例，具体说明应用该方法进行输水通道构建的方法。在距现状海防大堤的外侧一定距离，将预先制作好的板桩运至现场，在测量定位的基础上，按设计好的位置进行水上打设，一般布设两排，再在两排围护板桩内进行土方回填、土体加固等，其具体施工步骤流程如附图5所示，分为如下几步：

1) 钢筋混凝土板桩制作。工厂内按设计的长度、厚度等，进行板桩的制作，并可通过船舶等方式运至现场；

2)测量定位。根据输水通道的设计能力，在距现状海防大堤的外侧一定距离进行新大堤的测量定位。测量定位可采用全站仪、水准仪等进行；

3)板桩打设。可利用打桩船或履带式打桩机等，将围护板桩打入地层；

4)板桩拉结施工。板桩超出海床面较高，悬臂较长，同时，在施工阶段及永久运营阶段，围护板桩内力分布可能存在较大的差别，特别是在永久运营阶段，超出海床面的悬臂主要以拉应力为主，须布设适量的水平拉筋或拉杆，以平衡板桩内因土体堆高而引起的附加水平荷载；

5) 桩内吹沙回填。以吹沙回填的方式，将双排板桩内以土体填满；

6) 土体防渗加固。回填的土体以及原有的海床可能主要以沙性土为主，为防止渗漏，须对一定深度范围的土体进行防渗加固处理；

7)新海防大堤地面道路系统施工。为加强新建海防大堤的维护，同时保证紧急情况下，车辆能快速到达应急区域，海防大堤应具备一定的通行能力，并布设有适当的防撞、照明、供排水及通信系统等；

8)围堰施工完成。

泄洪及船舶水闸施工

在长江、黄河等主要河流出海口及海岸线沿线位置，须布设适量的水闸，以保证主要河流及沿线的航运不受影响，同时，水闸兼有泄洪的能力，以便在高潮位保证沿线河道、居民及村庄的安全。泄洪及船舶水闸的施工包括如下几个主要步骤(如图6所示)：

1)      水闸围堰施工：以提供永久结构施工的作业环境条件；

2)      桩基打设：一般地，闸体主体结构下布设有一定数量的桩基，利用打桩设备进行桩基打设；

3)      水闸永久结构施工：先进行围堰内的排水施工，在此基础上，进行内部结构的施工；

4)      机电设备的安装：进行水闸泄洪及船舶进出闸体的机电设备安装；

5)      设备试运行：进行机电设备的调试，为通航通水创造条件。

沿线河道延伸

沿线河道可通过沉管、顶管、盾构隧道及围堰开槽埋管等方式，进行延伸，本处以沉管的延伸加以说明，其主要步骤如附图7所示：

1）沉管干坞施工。在现状河道入海口一侧的适当位置构建沉管管节制作的干坞；

2）沉管管节制作。在干坞内制作沉管管节；

3）现状河道入海口改造，主要是构建水闸。一方面保证船舶通行；其次，如果后期运营阶段输水通道的水位高于沿线河道水位，为防江水给沿线河道倒灌，则须构建泄洪通道；

4）新建大堤与河流延伸交汇处围堰施工。进行该区域的围堰施工，预留首节管节沉放所需的足够的空间；

5）围堰内土体加固。对沉管管节底部的土体进行加固，以提高该区域的土体承载能力和抗渗能力；

6）新建大堤与河流延伸交汇处沉管基槽开挖；

7）首节管节浮运沉放。将新建大堤位置作为首节管节沉放的区域，沉放完成后，对其上方进行土体回填；

8）其余区段基槽开挖与管节浮运沉放。管节沉放完成后，对其上方进行抛石加固；

这样，沿线河道延伸完成。

其他改造施工

对于大容量的输水通路的建设，尚须对现状的海防、沿线管线等进行处理。一是海防大堤，须进行适当的增高加固，以便抵御水位增高可能引起的水平荷载的增加，同时提高坝体的防汛能力。其次，海床下可能分布有海底光缆、取排水管道等，须在新大堤修建过程中进行翻交或延伸改造。

上述在长江、黄河出海口，通过围堰方式，实现了对淡水资源的截流收集，通过距沿现状海岸线适当距离新的海防大堤的修建，使得新老大堤间形成黄海至渤海一线的大容量输水通路，再在天津的渤海地区围海，形成淡水蓄水库，整个系统及其修建方法构成了本发明的南水北调。同时，为最大限度利用运营阶段费用，南端长江或黄河取水口位置的水位标高要高于渤海地区淡水蓄水库的水位标高，这样，大体积的淡水资源，可借助自重流的方式，调水至北方。 

下面以一具体实例来说明本发明。

沿线围堰构建

在上游的长江或黄河入海口的截流，沿线输水通路新建海防大堤的构建，渤海湾蓄水库的实施等，均将通过围堰的方式予以完成，本处将围堰设计成双排钢筋混凝土板桩，内部通过吹沙回填，再进行土体的搅拌桩加固，新的海防大堤如图8所示。

设计海防大堤坝顶标高为+6.00m，靠海一侧防汛墙体可适当加高，至+10.0m左右，坝内最大水位标高为+3.0m~+4m，由南向北逐渐降低，海防大堤的标高也可随之减小。板桩进入海床下部的插入比为1:1.3，其总长度约为25m，整个坝体的宽度设计为10m，对回填土进行搅拌桩防渗加固，加固体宽度800mm，设计为两排，尽量贴近板桩围护结构，防渗墙深度超出板桩约5m。 

对现状海防大堤也按照新建海防大堤的标高予以增高加固。 

水闸实施

对于长江或黄河等沿线入海口河流的水闸设计与施工应考虑如下几个方面的问题。首先，要做好规划设计，要在对工程地质资料、水文条件、现状通航状况、河流过水流量等系统研究的基础上，就进出输水通路的水闸功能、规模、结构尺寸及基础等进行详细的设计。附图9是一实施例，在入海河道位置的水闸包括通航和泄洪两种功能，在新建海防大堤的位置，水闸可供船舶由输水通路进出大海。其次，要做好闸体施工的临时围堰，以便为永久结构的施工创造条件。因其永久结构主要为钢筋混凝土，其施工的临时围堰在运营阶段一般可拆除，为此，围堰可采用拉伸钢板桩的方式，其设计与施工工艺较为成熟。再有，进行永久结构的桩基、主体结构的施工。最后进行机电设备的安装与调试，在进行通航与排洪试运营的基础上，正式移交使用。

沿线河道延伸

沿线一般的河道均较小，实施例以沉管为例，具体说明河道延伸的方法。在图9中，现状海防大堤与河流入海口位置附近构建沉管干坞。同时，在河道入海口位置制作图9中4、5所示的船舶进出河道的通航水闸以及泄洪用的泄洪闸。在新建海防大堤位置，则进行沉管下方的土体加固、并进行基槽开挖，在此基础上，将预先制作好的沉管管节运至新建海防大堤位置，并开始第一节管节的沉放施工，随后由深入浅，逐节顺序沉放其他沉管管节。管节沉放完成后，进行新建海防大堤位置的堤坝施工，其余沉管管节位置进行抛石加固，确保河道延伸的管涵不被抛锚、冲刷等的破坏。

其它改造

对现状的海防大堤的增高，以便抵御水位增高可能引起的水平荷载的增加，同时提高坝体的防汛能力，一般增高1~3m，依据输水通道的设计水位标高确定。对海床下可能分布的海底光缆、取排水管道等，须在新大堤修建过程中进行翻交或延伸改造。

附图说明

图1为应用本发明在南端长江入海口进行围堰的一种实施例示意图；

图2为本发明沿海岸线围堰进行南水北调方法的一种实施例流程图；

图3为应用本发明新建坝体的一种实施例标准段横断面示意图；

图4 北延伸工程总体线位布置示意图；

图5 实施例围堰施工流程；

图6 实施例泄洪及船舶水闸施工流程；

图7 实施例沿线现状河道延伸施工流程；

图8新建大堤板桩围堰结构示意图；

图9 一种沿线水闸实施例布置示意图。

Claims (7)

1.一种沿海岸线围堰进行南水北调的方法，其特征在于:

该方法借助围堰技术，在距现状海防大堤一定距离的位置建一新的坝体，新老海防坝体间形成一条巨大的输水通道，实现南水北调。

2.如权利要求1所述的沿海岸线进行南水北调的方法，其特征在于，沿现状海岸线外侧一定距离内构建新的海防大堤，从而进行调水，其实现的主要步骤如下：1)南端江水、河水等淡水资源的截流，即在南端的长江、黄河等主要河流入海口位置修建水闸、围堰等，实现淡水资源的截流；2)沿现状海岸线构建输水通路：在对现状海防大堤进行适当的增高加固的基础上，于现状大堤的外侧一定距离构建新的海防坝体，这样，新老海防坝体间形成一条巨大的输水通道；3）对沿海岸线入海口水位标高低于输水同路的小型河道，进行适当的延伸，可以用箱涵或管道的方式，一直延伸到新建大堤的外侧；4）对现状海底管线进行适当的改造；5）在新建大堤位置，每隔一定距离，构建水闸，以便船舶出海或泄洪；6） 北端储水库建设：在渤海适当位置围堰，形成巨大的储水湖；整个系统及其建设方法构成了本发明的沿海岸线调水的方法。

3.如权利要求1所述的沿海岸线围堰进行南水北调的方法，其特征在于，南端主要河流入海口构建围堰、水闸，以满足通航和排涝的要求。

4.如权利要求1所述的沿海岸线围堰进行南水北调的方法，其特征在于，新建坝体具有一定的防渗及抗风浪冲刷的要求。

5.如权利要求1所述的沿海岸线围堰进行南水北调的方法，其特征在于，沿海岸线新修建的坝体每隔一定距离设置一座水闸，以满足海岸线沿线船舶出海通航和排涝的要求。

6.如权利要求1所述的沿海岸线围堰进行南水北调的方法，其特征在于，沿海岸线现状的入海小的河流及海底管线，须进行适当的改造，以满足现状的排涝、排水及其它生产及生活系统不收影响。

7.如权利要求1所述的沿海岸线围堰进行南水北调的方法，其特征在于，输水通道的南端的水位较高，终点渤海地区的储水库水位标高略低，淡水资源可在重力流状态下进行北调。

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