美國(guó)加州調(diào)水工程概況

美國(guó)加州調(diào)水工程概況

1“共建共享”的麻黃水資源為了充分利用美國(guó)西部地區(qū)的資源，縮小東西部社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差距，美國(guó)開(kāi)始向西移動(dòng)。為了滿足西部地區(qū)的發(fā)展需求，聯(lián)邦政府采取了一些措施。美國(guó)加利福尼亞州水資源豐富，但時(shí)間和空間分布非常不均勻。特別是在南部沙漠地區(qū)，年平均降水量?jī)H為127mm，部分地區(qū)甚至不到50mm。這就要求加州在水資源開(kāi)發(fā)中增加儲(chǔ)水設(shè)施，以便進(jìn)行時(shí)間調(diào)整，并在空間上合理分配遠(yuǎn)程供水。早在1923年加利福尼亞州政府就提出了全州水資源攔蓄、調(diào)控和分配的綜合利用計(jì)劃，即“加利福尼亞州調(diào)水工程規(guī)劃”加利福尼亞州調(diào)水工程分兩大部分：一個(gè)是聯(lián)邦投資興建和管理的中央河谷工程；另一個(gè)是加利福尼亞州自己投資興建和管理的加利福尼亞州水道工程．本文根據(jù)有關(guān)資料，主要介紹加利福尼亞州水道工程的有關(guān)情況．加利福尼亞州水道調(diào)水工程的規(guī)劃是1951年由州議會(huì)通過(guò)的．1960年，州議會(huì)通過(guò)發(fā)行17.5億美元的公債興建此項(xiàng)工程．加利福尼亞州水道工程北起薩克拉門(mén)托河左岸支流費(fèi)德河，在費(fèi)德河上筑壩引水，利用奧維爾水庫(kù)調(diào)節(jié)，水流沿費(fèi)德河和薩克拉門(mén)托河流向薩克拉門(mén)托河和圣華金河的三角洲，在這里用泵提水至人工水道，穿越特哈齊皮山進(jìn)入南加利福尼亞和洛杉磯．該調(diào)水系統(tǒng)總長(zhǎng)約為800km，其中管道長(zhǎng)397km，渠道長(zhǎng)280km，隧洞長(zhǎng)33km，以及穿越特哈齊皮山區(qū)的管渠隧洞系統(tǒng)有22座大壩，壩高9～232m，大壩總的填筑方量為2.04億m3，水庫(kù)總有效庫(kù)容84.5億m3;22座水泵站，提水高度9～590m，總驅(qū)動(dòng)功率約為250萬(wàn)kW（用電量為125億kW·h/年）；6座水電站（水頭28～430m），總發(fā)電量為54億kW·h/年．工程分兩期完成．第一期工程共興建了18座水庫(kù)，15座水泵站，5座發(fā)電廠和870km長(zhǎng)的輸水渠道，其總揚(yáng)程1150m，設(shè)計(jì)流量284m3/s，中間一段與中央河谷工程共用，流量達(dá)372m3/s．加利福尼亞州水道調(diào)水工程是美國(guó)已建成的最大調(diào)水工程．一期工程已于1973年完成，原設(shè)計(jì)保證供水52億m3/年，其中60%用于加利福尼亞州南部．而實(shí)際上在1973～1981年期間，有5年供水37億m3/年，2年供水33億m3/年，其他年份供水更少．第二期工程在2000年前后完成．加利福尼亞州水道一期工程的調(diào)水線路如圖1所示．2加利福尼亞州的幾項(xiàng)重要工程2.1美國(guó)奧維爾湖水庫(kù)奧維爾水庫(kù)是加利福尼亞州水道最上游的大型水庫(kù)，為加利福尼亞州水道的主要水源，是集蓄水、發(fā)電、防洪、旅游、保護(hù)魚(yú)類及野生動(dòng)物綜合利用的水庫(kù)．壩型為粘土斜墻砂礫石殼壩，最大壩高達(dá)237.7m，是美國(guó)最高的土壩．．發(fā)電廠為地下廠房，長(zhǎng)167.2m，寬21m，高41.6m，也是美國(guó)最大的．電廠裝機(jī)容量為64.4萬(wàn)kW，有6臺(tái)發(fā)電機(jī)組，其中3臺(tái)為發(fā)電抽水兩用的抽水蓄能機(jī)組．水庫(kù)全部土石方6116萬(wàn)m3，采用機(jī)械化施工，施工期為6年．奧維爾水庫(kù)把上游3個(gè)湖的水和一些山澗河流的水?dāng)r截儲(chǔ)蓄在這里，使奧維爾湖成為調(diào)水工程的最大蓄水庫(kù)，其庫(kù)容量達(dá)到43.6億m3．此湖的建成一方面可以控制北部經(jīng)常泛濫的洪水，同時(shí)可以將水向南經(jīng)費(fèi)德河、薩克拉門(mén)托河及人工溝渠水道逐步調(diào)到南部．2.2美國(guó)注水壩明壩圣路易斯水庫(kù)是加利福尼亞州北水南調(diào)中的一項(xiàng)關(guān)鍵樞紐工程，為聯(lián)邦和加利福尼亞州共用．該水庫(kù)為旁側(cè)水庫(kù)（即在河道的一側(cè)），其任務(wù)是調(diào)蓄薩—圣三角洲冬春季節(jié)的多余來(lái)水量，總庫(kù)容25.2億m3，壩高117m，壩頂長(zhǎng)5.7km，壩型為均質(zhì)土壩．在圣路易斯壩下游4km處還有奧尼爾水庫(kù)，庫(kù)容為0.69億m3，它與圣路易斯庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用，既是圣路易斯庫(kù)抽水蓄能的前池水庫(kù)，又是圣路易斯庫(kù)與加利福尼亞州水道工程和聯(lián)邦中央河谷工程之間的連接庫(kù)．因圣路易斯水庫(kù)蓄水位比加利福尼亞州水道水位高出90余m，須經(jīng)圣路易斯泵站提水．圣路易斯泵站機(jī)組為抽水發(fā)電兩用，共有8臺(tái)．抽水能力在揚(yáng)程99.6m時(shí)，流量為311m3/s，在同樣水頭可裝機(jī)42.23萬(wàn)kW.2.3處理工藝及水泵加利福尼亞州水道工程共有22座水泵站，總揚(yáng)程1150m，每站抽水量39～373m3/s，其中有4座是抽水發(fā)電兩用．泵站凈揚(yáng)程一般為60～150m，其中最大的埃德蒙斯頓泵站一級(jí)揚(yáng)程達(dá)587m，最小揚(yáng)程為11m.埃德蒙斯頓泵站是美國(guó)揚(yáng)程最高的泵站，它使加利福尼亞州水道越過(guò)特哈齊皮山脈向嚴(yán)重缺水的南加利福尼亞州地區(qū)供水．埃德蒙斯頓泵站系一級(jí)提水，將水提至965.3m高程，沿分水嶺穿過(guò)特哈齊皮山．泵站總流量為116m3/s，共有14臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為77.6萬(wàn)kW．水泵為四級(jí)立軸離心泵，高9.4m，轉(zhuǎn)輪直徑4.87m，重220t，抽水能力為9m3/s；電動(dòng)機(jī)重約420t，單機(jī)功率6萬(wàn)kW，泵站總功率83萬(wàn)kW，年耗電量60億kW·h．泵機(jī)設(shè)備的制造和安裝是由費(fèi)城的鮑德溫—利馬—漢密爾頓公司和威斯康星州的艾利斯—查默斯—密爾沃基公司進(jìn)行的．泵房根據(jù)地形地質(zhì)條件采用了П形布置．為使進(jìn)口水流對(duì)每臺(tái)水泵都做到均勻進(jìn)水，采用了2種比尺、10種方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)專家顧問(wèn)審議同意了這種布置形式，僅對(duì)幾何尺寸作出適當(dāng)修正．每側(cè)泵房中安裝7臺(tái)泵．兩側(cè)廠房尺寸高為30m，面積為81m×33m，中間部分廠房面積為38m×86.2m，布置有控制室和附屬設(shè)備．水流進(jìn)入水泵，在泵室經(jīng)4次升壓后進(jìn)入壓力管道送至山頂調(diào)壓井，再?gòu)恼{(diào)壓井經(jīng)過(guò)穿越特哈齊皮山的水道輸送至用戶．2.4穿山水道、埃德蒙斯頓泵站、穿山水道系統(tǒng)的水力工程簡(jiǎn)稱“大錨點(diǎn)”穿越特哈齊皮山工程是加利福尼亞州水道的又一項(xiàng)關(guān)鍵性工程．該工程總長(zhǎng)為15.5km，是由一系列的隧洞、倒虹吸管等組成的，主要參數(shù)如附表所列，其平面圖如圖2所示．用挖土機(jī)開(kāi)挖1號(hào)隧洞北入口的引入段，開(kāi)挖深度達(dá)50m，每隔5m設(shè)置一條戧道；隧道用鉆孔爆破法開(kāi)挖，用挖土機(jī)裝載碎渣．在軟土段用金屬筒板和鋼支架（撐板寬0.3～0.5m）加固，在堅(jiān)硬巖石段用鋼筋網(wǎng)加噴射混凝土加固．在沿隧洞長(zhǎng)度的主要部位都做混凝土襯砌，混凝土混合物用帶混合物攪拌裝置的莫龍車送入隧洞，用傳送帶或混凝土泵澆筑襯砌．采用金屬活動(dòng)模板成型，在澆筑好混凝土后，一般隔24h可拆模．巷道中滲流水不大，每延米不超過(guò)10L/s．一般用明槽或用水泵將滲水從集水坑中排出洞外．隧洞的開(kāi)鑿和倒虹吸管的施工實(shí)行三班制，每周工作5d長(zhǎng)度為15.5km的穿山水道工程施工歷時(shí)約4年，整個(gè)穿山工程總造價(jià)約1億美元，于1971年竣工．多年的運(yùn)行實(shí)踐證明，穿山水道和埃德蒙斯頓泵站的運(yùn)行正常，與設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況沒(méi)有任何嚴(yán)重的偏差．加利福尼亞州水道工程中的水力情況除與埃德蒙斯頓泵站的工作有關(guān)外，還與穿山水道（隧洞、倒虹吸管）的坡度有關(guān)系，這是因?yàn)楣┧靠稍?～117m3/s之間變化（相應(yīng)地為1～13臺(tái)水泵運(yùn)行）．對(duì)其水力計(jì)算來(lái)說(shuō)，糙率系數(shù)值在n=0.011～0.014的范圍內(nèi)取用，而對(duì)于帕斯托里阿倒虹吸管n=0.012．在倒虹吸管設(shè)置了2個(gè)通氣裝置和1根通風(fēng)管．在比阿特列普渡槽上設(shè)立了1個(gè)d=0.75m的出水口，以滿足當(dāng)?shù)赜盟畱粢院笮枰盟畷r(shí)即可以連接管道．2.5水庫(kù)與水利工程卡斯太克水庫(kù)是加利福尼亞州水道西支的末端水庫(kù)．加利福尼亞州水道來(lái)水經(jīng)埃地蒙斯頓泵站提高500余m，越過(guò)特哈齊皮山峰后，分為東、西兩支．西支向洛杉磯市送水，西支來(lái)水經(jīng)最高點(diǎn)快勒湖后，通過(guò)和平河谷管道到皮拉米德水庫(kù)上游水電站，水頭198m；發(fā)電后由皮拉米德水庫(kù)調(diào)節(jié)再通過(guò)11.6km長(zhǎng)的隧洞進(jìn)入卡斯太克電站，水頭305m，裝機(jī)容量為125萬(wàn)kW，發(fā)電后蓄存于卡斯太克水庫(kù)．該水庫(kù)有三項(xiàng)主要作用：（1）當(dāng)加利福尼亞州水庫(kù)發(fā)生事故時(shí)，保證向西支用戶送水；（2）正常運(yùn)行條件下，調(diào)節(jié)輸水量；（3）為發(fā)展旅游提供場(chǎng)地．此外，水庫(kù)還具有一定的防洪作用．卡斯太克水電站也是發(fā)電與抽水兩用．整個(gè)加利福尼亞州水道調(diào)水系統(tǒng)（包括水利樞紐、水庫(kù)、輸水渠道、穿山水道、水泵站等）都應(yīng)滿足以下要求：在供水?dāng)?shù)量和質(zhì)量上保證綜合水利設(shè)施的需要；保證水泵站在夜間非峰荷時(shí)為最大負(fù)荷，以降低電能消耗量；在不良運(yùn)行條件下或者在發(fā)生事故的情況下能瞬時(shí)動(dòng)作．因此，加利福尼亞州水道調(diào)水系統(tǒng)有一個(gè)現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)．加利福尼亞州調(diào)水工程的控制系統(tǒng)從1964年開(kāi)始設(shè)計(jì)、施工，到1974年基本建成．經(jīng)過(guò)多年來(lái)設(shè)備的不斷更新和電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，已形成了以計(jì)算機(jī)為中心的自動(dòng)控制、管理、調(diào)度系統(tǒng)．整個(gè)系統(tǒng)由中央控制室負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、管理、協(xié)調(diào)，下設(shè)5個(gè)區(qū)域控制中心，即奧維爾、三角洲、圣路易斯、圣華金和南加利福尼亞州．各區(qū)域中心負(fù)責(zé)該區(qū)范圍內(nèi)各種工程設(shè)施的控制運(yùn)用．在正常情況下，中央控制室只負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)所有工程設(shè)施的監(jiān)測(cè)，一旦區(qū)域控制中心出現(xiàn)故障，則由中央控制室直接進(jìn)行控制，以提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性，起雙保險(xiǎn)作用．各區(qū)域控制中心、泵站、水閘及其他工程（如水庫(kù)、大壩、溢洪閘），也都有各自的控制設(shè)施．3工程技術(shù)人員的規(guī)劃設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)通過(guò)加利福尼亞州水道調(diào)水建設(shè)的實(shí)踐，使美國(guó)工程技術(shù)人員在工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一套完整的公式、圖表或經(jīng)驗(yàn)供規(guī)劃設(shè)計(jì)使用和參考．現(xiàn)針對(duì)主要內(nèi)容簡(jiǎn)單介紹如下．3.1渠道工程3.1.1渠道邊坡渠道坡整治渠線基本沿等高線選擇，要盡量避開(kāi)特殊工程地質(zhì)渠段，盡量避免深挖和高填，渠道比降一般為1/25000左右．流速控制最低不低于0.9m/s為宜，根據(jù)已建渠道實(shí)測(cè)資料和室內(nèi)試驗(yàn)分析，混凝土襯砌渠道糙率一般為0.015左右．為盡量做到挖填平衡，渠道水位一般略高于地面．渠道一般做成窄深狀，寬深比的選擇要考慮方便施工和經(jīng)濟(jì)節(jié)約等因素．渠道斷面除根據(jù)需水量和輸水損失計(jì)算外，還要考慮5%的擴(kuò)大斷面，渠道邊坡需根據(jù)不同的土質(zhì)計(jì)算確定，并考慮襯砌的聯(lián)合作用和影響，一般混凝土襯砌渠道邊坡為1∶1.5～1∶2.0．堤頂超高隨渠道規(guī)模的增加而增大．同時(shí)，渠道堤頂高程還得高于設(shè)計(jì)頻率的河道和坡積洪水位0.5m，堤頂或一級(jí)馬道的一側(cè)為管理和檢修公路，另一側(cè)頂寬主要根據(jù)施工要求確定（如碾壓設(shè)備和襯砌機(jī)的要求）．除高邊坡渠道襯砌以上的渠坡設(shè)排水等防護(hù)措施外，一般渠坡不作防護(hù)，渠道和渠坡完好如新．3.1.2混凝土襯砌施工一般認(rèn)為滲漏大于0.15m3/24h時(shí)，即需要考慮襯砌．采用的襯砌材料和形式歸納起來(lái)主要有混凝土襯砌、壓實(shí)土襯砌和埋設(shè)土工布襯砌3種．混凝土襯砌施工的削坡、混凝土澆筑、切縫及止水件埋設(shè)均用混凝土襯砌機(jī)完成，機(jī)械化程度高，施工質(zhì)量好．筆者曾看到已運(yùn)行幾十年的渠道仍如同剛建成一樣，其表面光潔，無(wú)裂縫、破損及青苔雜草．3.2該通道的結(jié)構(gòu)3.2.1排水工程設(shè)計(jì)渠道與河道交叉建筑物分為河渠交叉建筑物和排水工程兩類．河渠交叉建筑物型式主要有渡槽和倒虹吸兩種，考慮經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等因素，以倒虹吸為主，渡槽極少．經(jīng)過(guò)美國(guó)墾務(wù)局分析認(rèn)為，在同樣的條件下，渡槽比倒虹吸造價(jià)高50%左右．排水工程分為上排、下排和入渠3種，其中入渠水量不能超過(guò)渠道規(guī)模的10%.3.2.2退水建筑物的設(shè)計(jì)規(guī)模為了方便渠道運(yùn)行管理、減少調(diào)蓄庫(kù)容及保證襯砌對(duì)渠道水位變幅的要求，認(rèn)為要多設(shè)節(jié)制閘，一般10km內(nèi)就有一座節(jié)制閘．節(jié)制閘的間距要根據(jù)選定的渠道運(yùn)行管理方式計(jì)算確定，渠道運(yùn)行有“下游常水位法”、“上游常水位法”、“等容積法”等不同調(diào)度方式，必須根據(jù)工程特點(diǎn)選定．節(jié)制閘均為弧型閘門(mén)，由于采用集控，故無(wú)啟閉臺(tái)和啟閉機(jī)，其結(jié)構(gòu)型式非常簡(jiǎn)單，每一座節(jié)制閘的水頭損失一般為3cm．由于布置的節(jié)制閘很多，大大增加了渠道調(diào)度運(yùn)行的靈活性和安全性，因此退水建筑物很少．退水建筑物規(guī)模按渠道設(shè)計(jì)流量的30%～50%考慮．3.3觀測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)加利福尼亞州調(diào)水工程輸水線路與美國(guó)著名的圣安德烈活動(dòng)大斷裂帶幾乎并行，南段的隧洞多次穿過(guò)活斷裂節(jié)，甚至沿?cái)嗔颜共迹捎诓扇×丝拐鸫胧?，?jīng)受了1971年圣佛南都6.6級(jí)地震的考驗(yàn)，布設(shè)的觀測(cè)系統(tǒng)未觀測(cè)到遭受破壞的跡象．埃德蒙頓泵站建在克思縣地震區(qū)（1952年曾發(fā)生7.1級(jí)地震），廠址處有20多條斷層穿過(guò)，因結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)，在圣佛南都地震后未發(fā)現(xiàn)震害，至今運(yùn)行正常．4強(qiáng)化了水、水、水兩機(jī)構(gòu)作用隨著加利福尼亞州水道用水區(qū)和調(diào)水量的增加，分支渠道和設(shè)施仍在不斷擴(kuò)展．目前年調(diào)水量達(dá)到49.3億m3，供2000萬(wàn)人使用，占加利福尼亞州總?cè)丝诘?/3，其中70%用于城市，30%用于農(nóng)業(yè)．水是南部地區(qū)發(fā)展的生命，洛杉磯成為美國(guó)第二大城市及周圍地區(qū)的迅速發(fā)展與調(diào)水工程有很大關(guān)系．20世紀(jì)60年代，洛杉磯縣的人口只有600萬(wàn)，主要集中在洛杉磯城，如今這里大小城市就有88個(gè)，人口達(dá)到950萬(wàn)．那時(shí)洛杉磯周圍地區(qū)人口很少，像橙縣、里弗賽德等縣多數(shù)為果園或荒山，如今這些地方的大小城市與洛杉磯連成一片，洛杉磯及周邊4個(gè)縣的人口已超過(guò)1600萬(wàn)．現(xiàn)在，加利福尼亞州水道采用“非營(yíng)利的市場(chǎng)運(yùn)作”方式．因建設(shè)資金是用發(fā)行長(zhǎng)期債券籌集的，州水資源管理局根據(jù)各地用水的需求，與當(dāng)時(shí)的29個(gè)地方水利局簽署了長(zhǎng)期用水訂單合同，用各地方水利局上繳的水費(fèi)償還發(fā)行的債券．各地方水利局再把水賣給下一級(jí)用水單位．如果有新的地區(qū)要求用水，也用同樣的辦法解決資金和水源分配問(wèn)題．州水資源管理局是一個(gè)服務(wù)機(jī)構(gòu)，目的不在營(yíng)利，收上來(lái)的錢(qián)除了償還債券，余額還是用于調(diào)水工程的建設(shè)、維修及服務(wù)，即便是營(yíng)利也不上繳給政府．5城市發(fā)展的必要性加利福尼亞州水道因?qū)Νh(huán)境造成不良的變化而受到公眾的嚴(yán)肅批評(píng)．水道的設(shè)計(jì)者GillGS、GrayEL和SecklerD對(duì)此在三個(gè)方面作了澄清：第一，洛杉磯市的發(fā)展超出能保證供水的范圍，若不實(shí)施加利福尼亞州水道工程來(lái)提高用水保證率，進(jìn)一步的發(fā)展是不可能的，因?yàn)橐延械某鞘泄┧惺?/p>