美国加州调水工程概况

美国加州调水工程概况

1“共建共享”的麻黄水资源为了充分利用美国西部地区的资源，缩小东西部社会经济发展的差距，美国开始向西移动。为了满足西部地区的发展需求，联邦政府采取了一些措施。美国加利福尼亚州水资源丰富，但时间和空间分布非常不均匀。特别是在南部沙漠地区，年平均降水量仅为127mm，部分地区甚至不到50mm。这就要求加州在水资源开发中增加储水设施，以便进行时间调整，并在空间上合理分配远程供水。早在1923年加利福尼亚州政府就提出了全州水资源拦蓄、调控和分配的综合利用计划，即“加利福尼亚州调水工程规划”加利福尼亚州调水工程分两大部分：一个是联邦投资兴建和管理的中央河谷工程；另一个是加利福尼亚州自己投资兴建和管理的加利福尼亚州水道工程．本文根据有关资料，主要介绍加利福尼亚州水道工程的有关情况．加利福尼亚州水道调水工程的规划是1951年由州议会通过的．1960年，州议会通过发行17.5亿美元的公债兴建此项工程．加利福尼亚州水道工程北起萨克拉门托河左岸支流费德河，在费德河上筑坝引水，利用奥维尔水库调节，水流沿费德河和萨克拉门托河流向萨克拉门托河和圣华金河的三角洲，在这里用泵提水至人工水道，穿越特哈齐皮山进入南加利福尼亚和洛杉矶．该调水系统总长约为800km，其中管道长397km，渠道长280km，隧洞长33km，以及穿越特哈齐皮山区的管渠隧洞系统有22座大坝，坝高9～232m，大坝总的填筑方量为2.04亿m3，水库总有效库容84.5亿m3;22座水泵站，提水高度9～590m，总驱动功率约为250万kW（用电量为125亿kW·h/年）；6座水电站（水头28～430m），总发电量为54亿kW·h/年．工程分两期完成．第一期工程共兴建了18座水库，15座水泵站，5座发电厂和870km长的输水渠道，其总扬程1150m，设计流量284m3/s，中间一段与中央河谷工程共用，流量达372m3/s．加利福尼亚州水道调水工程是美国已建成的最大调水工程．一期工程已于1973年完成，原设计保证供水52亿m3/年，其中60%用于加利福尼亚州南部．而实际上在1973～1981年期间，有5年供水37亿m3/年，2年供水33亿m3/年，其他年份供水更少．第二期工程在2000年前后完成．加利福尼亚州水道一期工程的调水线路如图1所示．2加利福尼亚州的几项重要工程2.1美国奥维尔湖水库奥维尔水库是加利福尼亚州水道最上游的大型水库，为加利福尼亚州水道的主要水源，是集蓄水、发电、防洪、旅游、保护鱼类及野生动物综合利用的水库．坝型为粘土斜墙砂砾石壳坝，最大坝高达237.7m，是美国最高的土坝．．发电厂为地下厂房，长167.2m，宽21m，高41.6m，也是美国最大的．电厂装机容量为64.4万kW，有6台发电机组，其中3台为发电抽水两用的抽水蓄能机组．水库全部土石方6116万m3，采用机械化施工，施工期为6年．奥维尔水库把上游3个湖的水和一些山涧河流的水拦截储蓄在这里，使奥维尔湖成为调水工程的最大蓄水库，其库容量达到43.6亿m3．此湖的建成一方面可以控制北部经常泛滥的洪水，同时可以将水向南经费德河、萨克拉门托河及人工沟渠水道逐步调到南部．2.2美国注水坝明坝圣路易斯水库是加利福尼亚州北水南调中的一项关键枢纽工程，为联邦和加利福尼亚州共用．该水库为旁侧水库（即在河道的一侧），其任务是调蓄萨—圣三角洲冬春季节的多余来水量，总库容25.2亿m3，坝高117m，坝顶长5.7km，坝型为均质土坝．在圣路易斯坝下游4km处还有奥尼尔水库，库容为0.69亿m3，它与圣路易斯库联合运用，既是圣路易斯库抽水蓄能的前池水库，又是圣路易斯库与加利福尼亚州水道工程和联邦中央河谷工程之间的连接库．因圣路易斯水库蓄水位比加利福尼亚州水道水位高出90余m，须经圣路易斯泵站提水．圣路易斯泵站机组为抽水发电两用，共有8台．抽水能力在扬程99.6m时，流量为311m3/s，在同样水头可装机42.23万kW.2.3处理工艺及水泵加利福尼亚州水道工程共有22座水泵站，总扬程1150m，每站抽水量39～373m3/s，其中有4座是抽水发电两用．泵站净扬程一般为60～150m，其中最大的埃德蒙斯顿泵站一级扬程达587m，最小扬程为11m.埃德蒙斯顿泵站是美国扬程最高的泵站，它使加利福尼亚州水道越过特哈齐皮山脉向严重缺水的南加利福尼亚州地区供水．埃德蒙斯顿泵站系一级提水，将水提至965.3m高程，沿分水岭穿过特哈齐皮山．泵站总流量为116m3/s，共有14台机组，总装机容量为77.6万kW．水泵为四级立轴离心泵，高9.4m，转轮直径4.87m，重220t，抽水能力为9m3/s；电动机重约420t，单机功率6万kW，泵站总功率83万kW，年耗电量60亿kW·h．泵机设备的制造和安装是由费城的鲍德温—利马—汉密尔顿公司和威斯康星州的艾利斯—查默斯—密尔沃基公司进行的．泵房根据地形地质条件采用了П形布置．为使进口水流对每台水泵都做到均匀进水，采用了2种比尺、10种方案进行模型试验，最后根据试验结果，经专家顾问审议同意了这种布置形式，仅对几何尺寸作出适当修正．每侧泵房中安装7台泵．两侧厂房尺寸高为30m，面积为81m×33m，中间部分厂房面积为38m×86.2m，布置有控制室和附属设备．水流进入水泵，在泵室经4次升压后进入压力管道送至山顶调压井，再从调压井经过穿越特哈齐皮山的水道输送至用户．2.4穿山水道、埃德蒙斯顿泵站、穿山水道系统的水力工程简称“大锚点”穿越特哈齐皮山工程是加利福尼亚州水道的又一项关键性工程．该工程总长为15.5km，是由一系列的隧洞、倒虹吸管等组成的，主要参数如附表所列，其平面图如图2所示．用挖土机开挖1号隧洞北入口的引入段，开挖深度达50m，每隔5m设置一条戗道；隧道用钻孔爆破法开挖，用挖土机装载碎渣．在软土段用金属筒板和钢支架（撑板宽0.3～0.5m）加固，在坚硬岩石段用钢筋网加喷射混凝土加固．在沿隧洞长度的主要部位都做混凝土衬砌，混凝土混合物用带混合物搅拌装置的莫龙车送入隧洞，用传送带或混凝土泵浇筑衬砌．采用金属活动模板成型，在浇筑好混凝土后，一般隔24h可拆模．巷道中渗流水不大，每延米不超过10L/s．一般用明槽或用水泵将渗水从集水坑中排出洞外．隧洞的开凿和倒虹吸管的施工实行三班制，每周工作5d长度为15.5km的穿山水道工程施工历时约4年，整个穿山工程总造价约1亿美元，于1971年竣工．多年的运行实践证明，穿山水道和埃德蒙斯顿泵站的运行正常，与设计的运行工况没有任何严重的偏差．加利福尼亚州水道工程中的水力情况除与埃德蒙斯顿泵站的工作有关外，还与穿山水道（隧洞、倒虹吸管）的坡度有关系，这是因为供水量可在9～117m3/s之间变化（相应地为1～13台水泵运行）．对其水力计算来说，糙率系数值在n=0.011～0.014的范围内取用，而对于帕斯托里阿倒虹吸管n=0.012．在倒虹吸管设置了2个通气装置和1根通风管．在比阿特列普渡槽上设立了1个d=0.75m的出水口，以满足当地用水户以后需要用水时即可以连接管道．2.5水库与水利工程卡斯太克水库是加利福尼亚州水道西支的末端水库．加利福尼亚州水道来水经埃地蒙斯顿泵站提高500余m，越过特哈齐皮山峰后，分为东、西两支．西支向洛杉矶市送水，西支来水经最高点快勒湖后，通过和平河谷管道到皮拉米德水库上游水电站，水头198m；发电后由皮拉米德水库调节再通过11.6km长的隧洞进入卡斯太克电站，水头305m，装机容量为125万kW，发电后蓄存于卡斯太克水库．该水库有三项主要作用：（1）当加利福尼亚州水库发生事故时，保证向西支用户送水；（2）正常运行条件下，调节输水量；（3）为发展旅游提供场地．此外，水库还具有一定的防洪作用．卡斯太克水电站也是发电与抽水两用．整个加利福尼亚州水道调水系统（包括水利枢纽、水库、输水渠道、穿山水道、水泵站等）都应满足以下要求：在供水数量和质量上保证综合水利设施的需要；保证水泵站在夜间非峰荷时为最大负荷，以降低电能消耗量；在不良运行条件下或者在发生事故的情况下能瞬时动作．因此，加利福尼亚州水道调水系统有一个现代化的控制系统．加利福尼亚州调水工程的控制系统从1964年开始设计、施工，到1974年基本建成．经过多年来设备的不断更新和电子计算机、自动控制等新技术的广泛应用，已形成了以计算机为中心的自动控制、管理、调度系统．整个系统由中央控制室负责全系统的监测、管理、协调，下设5个区域控制中心，即奥维尔、三角洲、圣路易斯、圣华金和南加利福尼亚州．各区域中心负责该区范围内各种工程设施的控制运用．在正常情况下，中央控制室只负责系统内所有工程设施的监测，一旦区域控制中心出现故障，则由中央控制室直接进行控制，以提高整个控制系统的可靠性，起双保险作用．各区域控制中心、泵站、水闸及其他工程（如水库、大坝、溢洪闸），也都有各自的控制设施．3工程技术人员的规划设计经验通过加利福尼亚州水道调水建设的实践，使美国工程技术人员在工程的规划设计上积累了丰富的经验，总结出了一套完整的公式、图表或经验供规划设计使用和参考．现针对主要内容简单介绍如下．3.1渠道工程3.1.1渠道边坡渠道坡整治渠线基本沿等高线选择，要尽量避开特殊工程地质渠段，尽量避免深挖和高填，渠道比降一般为1/25000左右．流速控制最低不低于0.9m/s为宜，根据已建渠道实测资料和室内试验分析，混凝土衬砌渠道糙率一般为0.015左右．为尽量做到挖填平衡，渠道水位一般略高于地面．渠道一般做成窄深状，宽深比的选择要考虑方便施工和经济节约等因素．渠道断面除根据需水量和输水损失计算外，还要考虑5%的扩大断面，渠道边坡需根据不同的土质计算确定，并考虑衬砌的联合作用和影响，一般混凝土衬砌渠道边坡为1∶1.5～1∶2.0．堤顶超高随渠道规模的增加而增大．同时，渠道堤顶高程还得高于设计频率的河道和坡积洪水位0.5m，堤顶或一级马道的一侧为管理和检修公路，另一侧顶宽主要根据施工要求确定（如碾压设备和衬砌机的要求）．除高边坡渠道衬砌以上的渠坡设排水等防护措施外，一般渠坡不作防护，渠道和渠坡完好如新．3.1.2混凝土衬砌施工一般认为渗漏大于0.15m3/24h时，即需要考虑衬砌．采用的衬砌材料和形式归纳起来主要有混凝土衬砌、压实土衬砌和埋设土工布衬砌3种．混凝土衬砌施工的削坡、混凝土浇筑、切缝及止水件埋设均用混凝土衬砌机完成，机械化程度高，施工质量好．笔者曾看到已运行几十年的渠道仍如同刚建成一样，其表面光洁，无裂缝、破损及青苔杂草．3.2该通道的结构3.2.1排水工程设计渠道与河道交叉建筑物分为河渠交叉建筑物和排水工程两类．河渠交叉建筑物型式主要有渡槽和倒虹吸两种，考虑经济和环境等因素，以倒虹吸为主，渡槽极少．经过美国垦务局分析认为，在同样的条件下，渡槽比倒虹吸造价高50%左右．排水工程分为上排、下排和入渠3种，其中入渠水量不能超过渠道规模的10%.3.2.2退水建筑物的设计规模为了方便渠道运行管理、减少调蓄库容及保证衬砌对渠道水位变幅的要求，认为要多设节制闸，一般10km内就有一座节制闸．节制闸的间距要根据选定的渠道运行管理方式计算确定，渠道运行有“下游常水位法”、“上游常水位法”、“等容积法”等不同调度方式，必须根据工程特点选定．节制闸均为弧型闸门，由于采用集控，故无启闭台和启闭机，其结构型式非常简单，每一座节制闸的水头损失一般为3cm．由于布置的节制闸很多，大大增加了渠道调度运行的灵活性和安全性，因此退水建筑物很少．退水建筑物规模按渠道设计流量的30%～50%考虑．3.3观测系统的改进加利福尼亚州调水工程输水线路与美国著名的圣安德烈活动大断裂带几乎并行，南段的隧洞多次穿过活断裂节，甚至沿断裂展布．由于采取了抗震措施，经受了1971年圣佛南都6.6级地震的考验，布设的观测系统未观测到遭受破坏的迹象．埃德蒙顿泵站建在克思县地震区（1952年曾发生7.1级地震），厂址处有20多条断层穿过，因结构进行了抗震设计，在圣佛南都地震后未发现震害，至今运行正常．4强化了水、水、水两机构作用随着加利福尼亚州水道用水区和调水量的增加，分支渠道和设施仍在不断扩展．目前年调水量达到49.3亿m3，供2000万人使用，占加利福尼亚州总人口的2/3，其中70%用于城市，30%用于农业．水是南部地区发展的生命，洛杉矶成为美国第二大城市及周围地区的迅速发展与调水工程有很大关系．20世纪60年代，洛杉矶县的人口只有600万，主要集中在洛杉矶城，如今这里大小城市就有88个，人口达到950万．那时洛杉矶周围地区人口很少，像橙县、里弗赛德等县多数为果园或荒山，如今这些地方的大小城市与洛杉矶连成一片，洛杉矶及周边4个县的人口已超过1600万．现在，加利福尼亚州水道采用“非营利的市场运作”方式．因建设资金是用发行长期债券筹集的，州水资源管理局根据各地用水的需求，与当时的29个地方水利局签署了长期用水订单合同，用各地方水利局上缴的水费偿还发行的债券．各地方水利局再把水卖给下一级用水单位．如果有新的地区要求用水，也用同样的办法解决资金和水源分配问题．州水资源管理局是一个服务机构，目的不在营利，收上来的钱除了偿还债券，余额还是用于调水工程的建设、维修及服务，即便是营利也不上缴给政府．5城市发展的必要性加利福尼亚州水道因对环境造成不良的变化而受到公众的严肃批评．水道的设计者GillGS、GrayEL和SecklerD对此在三个方面作了澄清：第一，洛杉矶市的发展超出能保证供水的范围，若不实施加利福尼亚州水道工程来提高用水保证率，进一步的发展是不可能的，因为已有的城市供水承受