昌化江水资源配置引大济石调水工程方案研究

夏承斋，谌 伟

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230088)

1 工程概况

海南省昌江黎族自治县位于琼西地区，县域水资源较为丰沛，但多以暴雨和洪水形式出现，时空分布不均，难以利用。昌江县现状供水水源单一，石碌水库几乎承担了昌江县主要城镇和灌区的生活、工业及灌溉供水任务；历史上旱灾较为频繁，近年来分别在2004、2010、2015年等年份发生了较为严重的旱灾。水资源分配不均、供水水库库容不足，导致了昌江县资源性和工程性缺水同时存在，是昌江县缺水的主要原因[1]。

海南省引大济石及昌江县水系连通工程是海南省“十三五”期间全面启动的“补短板、强基础、惠民生、利长远”重大水利工程之一，也是海南省水网建设规划确定的昌化江水资源配置工程的重要组成部分[2]。工程位于海南省琼西地区昌江县和东方市，工程拟从昌化江干流上的大广坝水库引水至其支流石碌河上的石碌水库，结合石碌水库来水及当地径流，解决昌江县城镇供水和农业灌溉水量不足以及提高核电等工业供水保证率等问题。

2 工程选线

根据受水区昌江县位置和周边水源条件，可供选择的外调水源拟定为昌化江。昌化江干流上有大型水库两座，大广坝水库为大(1)型水库，距离石碌水库输水距离约30km，大广坝下游的戈枕水库为大(2)型水库，距离石碌水库输水距离约20km。本次初拟定大广坝水库和戈枕水库为工程外调水水源点。各水库特征水位库容参数见表1。

表1 水库特征水位库容参数

注：高程采用1985国家高程系，以下同。

根据地形地质条件、移民征地、施工条件、生态环境影响、工程投资和运行管理等多方面的综合比较论证，并结合调节运用水位条件，引大济石调水工程线路拟从以下3个方案中比选。

2.1 无压输水全隧洞方案(方案一)

隧洞进口拟定在大广坝水库右坝头东南约1.7km水库岸边一山脊处，进口底板高程126.80m。洞身线路向东北方向沿地势较高的猕猴岭山地布置，同时为避开霸王岭国家级自然保护区，洞线在沿线分布的小型水库上游和生态红线之间布置，其地面高程165～650m。隧洞出口位于石碌水库大坝左岸约4.0km处，出口底高程118.50m，隧洞全长30.13km，底坡为1/3545，洞身采用城门洞型。桩号0+000—26+108段，洞身总体位于微风化花岗岩中，洞轴线方向与主要构造方向小角度斜交，隧洞围岩分类以Ⅱ类为主局部Ⅲ类，地质条件总体较好[3]，洞身以素混凝土衬砌减糙和洞顶挂网喷射混凝土为主；桩号26+108～30+130段，洞身位于沉积岩或后期侵入的花岗斑岩岩墙中，岩体总体破碎，围岩分类以Ⅳ类和Ⅴ类为主，隧洞突水涌水的可能性较大，地质条件差，围岩以钢筋混凝土衬砌和系统锚杆支护为主[4]。

隧洞有压和无压输水状态的选择：根据大广坝和石碌两水库间水位水量调算成果，设计进出口最小水位差为9.0m，隧洞有压或无压均可实施。有压洞为保证洞顶压力余幅，隧洞进、出口及洞身沿线布置高程相比无压洞要低，对布置在已建水库内的进、出口施工来讲，其难度大大增加，最为关键的是有压洞两端与水库相通、高程较低、而且距离较长，其运行、管理和维护非常不便，安全上也有顾虑，在条件许可的情况下，优先采用无压输水方案。

2.2 压力管道+隧洞方案(方案二)

进水口布置在大广坝水库右坝头西南约750m处，地貌上为构造残山，进口洞身段位于全风化花岗岩中，该段桩号0+465—1+650采用有压圆形隧洞，围岩分类为Ⅴ类，采用全断面钢筋混凝土衬砌和系统锚杆支护；桩号1+650—15+650段地貌上为低丘陵和谷地地貌，地势总体平缓起伏不大，采用DN3400预应力钢筒混凝土管(PCCP)压力输水[5]；桩号15+650后为中低山地貌，地面高程150～675m，采用无压隧洞输水，在桩号20+399与方案一段隧洞线路重合至出口；该段无压隧洞岩体总体较为破碎，围岩分类为Ⅳ类～Ⅴ类，洞身为城门洞型采用全断面钢筋混凝土衬砌和系统锚杆支护。

本方案调水路线全长29.50km，其中有压隧洞长1.19km，压力管道长14.0km，无压隧洞长13.85km。进口设进水塔底高程为123.0m，闸门控制，闸后接圆型隧洞，直径3.4m，隧洞后接PCCP管，管径DN3400mm，PCCP管道末端设置连接井与无压隧洞相连，无压隧洞断面及底坡同方案一，出口高程118.50m。

2.3 戈枕水库提水方案(方案三)

根据规划设计成果，从戈枕水库建泵站提水至石碌水库，沿线为中低山地貌。泵站最低运行水位50.83m，泵站最高运行水位54.84m。泵站取水进口拟布置于戈枕水库大坝右岸上游约450m处，采用单级提水至137.4m高程后经自流至石碌水库。该方案前段采用圆形有压隧洞和有压管道输水；后段采用城门洞型无压输水，底坡为1/2000。

泵站提水方案全长20.05km，其中有压隧洞4.93km，管道3.88km，无压隧洞11.24km。桩号0+000—1+060压力管道段，管道基础大多座落在全～弱风化黑云母二长花岗质片麻岩中；桩号1+060—5+510段有压隧洞段的洞身基本位于弱～微风化黑云母二长花岗质片麻岩和石英绢云母千枚岩中，隧洞围岩分类以Ⅱ类和Ⅲ类为主；桩号5+510—9+512段压力管道基础基本位于全风化花岗岩中；桩号9+512—20+050段无压隧洞洞身基本位于沉积岩或后期侵入的花岗斑岩岩墙中，岩体总体破碎，围岩分类以Ⅳ类和Ⅴ类为主，洞身采用全断面钢筋混凝土衬砌和系统锚杆支护。

2.4 方案比选

引大济石调水布置线路3个方案的主要工程量和投资比较见表2。

表2 引大济石调水3个方案工程量和可比投资

线路布置方面：方案一、方案二重力输水线路较长，方案三线路较短，但需要兴建提水泵站；地质条件方面：方案一全线埋深较深，工程地质条件总体较好，方案二和方案三地质条件较差；工程管理方面：方案三需新建1座泵站，运行管理繁琐且运行费用较高，方案一的隧洞运行期较为稳定，维护成本较小；工程占地及生态环境影响方面：方案一除进出口有少量永久占地外，不新增其他永久占地，同时对地表植被和生态环境影响最小；工程投资方面：3个方案总投资较为接近。

综合以上3方案地形地质、运行管理、施工维护、占地及生态环境影响和投资等因素，推荐采用无压输水全隧洞方案。

3 施工方案比选

引大济石无压输水全隧洞长30.13km，目前国内常规开挖方案主要有钻爆法和TBM法。钻爆法使用范围广，不受隧洞断面尺寸和形状限制，对各类围岩均能适用，当地质条件变化时，各种参数和施工工艺随之变化，具有施工设备组装和工地之间转移方便、重复利用率高等优点，因此在工程实践中，应用相当广泛。它的缺点是施工工序多、安全性差、掘进速度慢、通风条件差，无支洞情况下长隧洞难于施工。TBM施工技术近年来在长隧洞施工中得到了广泛的应用，并取得了成功的经验。采用TBM施工，具有作业人员少、掘进速度快、成洞质量好、施工安全、环保等许多优点。其缺点主要有：地质适应性较差，断面适应性差，运输困难，对施工场地有特殊要求，对供电要求高和设备购置及使用成本高[6- 7]。本工程钻爆法和TBM法隧洞开挖支护横断面设计方案如图1所示。

钻爆法隧洞断面采用城门洞型，对于Ⅱ类～Ⅲ类围岩，采用手风钻全断面造孔，光面爆破，隧洞开挖2～3m一个循环，视围岩情况及时进行局部支护；对于Ⅳ类～Ⅴ类围岩，需采用注浆小导管进行超前支护，手风钻开挖，短进尺、小药量、弱爆破，周边孔光爆，0.5～1.0m一个循环，视围岩情况开挖后立即施作锚杆、挂网喷混凝土、钢拱架等一次支护[8- 9]。主洞共设12条施工支洞，均为平洞，支洞最长1268m，最短283m，平均长度624m，共24个工作面，独头掘进最大长度(含施工支洞)2395m，最小长度683m，平均长度1884m。隧洞出渣采用小型立爪式扒渣机装石渣，小型农用自卸汽车运至弃渣场。隧洞混凝土衬砌采用钢模台车作为模板，人工绑扎钢筋，由洞口的混凝土拌和站拌制砼，3.5t自卸汽车洞内运输至工作面卸入砼泵内经泵送入仓，振捣密室。

TBM法采用敞开式施工[10]，隧洞断面为圆形，隧洞开挖直径4.6m，钢筋混凝土衬砌厚度30cm。

图1 钻爆法和TBM法隧洞开挖支护横断面图

主洞采用2台敞开式TBM(编号1#、2#)施工，共设5条施工支洞(编号1#～5#，均为平洞，支洞最长860m，最短320m，平均长度564m)，支洞及与其相连的主洞钻爆段采用钻爆法施工。1#TBM施工长度14.75km，分2段施工，从5#支洞步进进洞，当1#TBM推进至4#施工支洞(检修洞)后，材料供应、出渣及风、水、电供应改为从4#支洞供给，并最终从3#支洞拆卸出洞；2#TBM施工长度14.59km，分2段施工，从3#支洞步进进洞，当2#TBM推进至2#支洞(检修洞)后，材料供应、出渣及风、水、电供应改为从2#支洞供给，并最终从1#支洞拆卸出洞。考虑施工支洞坡度均在6%～9%之间，不能满足机车有轨运输坡度小于3%的要求，因此石渣采用胶带输送机运输，运至洞外后采用挖掘机或装载机装自卸汽车二次转运至弃渣场[11]。施工两方案的主要指标比较见表3。

表3 输水隧洞施工方案指标比较表

注：主体工程量不含进出口建筑物工程量。

开挖质量及地质适应情况：TBM采用滚刀进行破岩，避免爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破振动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少，但其地质适应性较差，本工程隧洞有约4km长破碎带，采用TBM施工风险极大。钻爆法具有机动灵活的优越性，地质适应性较好，但其对围岩的扰动破坏性较大，成洞质量相对较差；环保、安全方面：与钻爆法相比，TBM法安全、高效，改善了施工作业环境，施工现场环境污染小；适用性方面：TBM运输困难，对施工场地有特殊要求，设备购置及使用成本大。TBM施工需要高负荷的电力保证，需要高素质的技术人员和管理队伍、前期购买设备的费用较高。

综上所述，输水隧洞开挖推荐钻爆法方案。

4 结语

水资源调水工程线路方案比选是复杂多目标决策问题，其影响评价因素众多。本文综合考虑了调水工程线路方案的多指标和多因素的特点，给出了初步的定量综合评价结果。方案研究中仍存在诸多不足，需进一步研究的主要问题如下。

(1)确定各评价指标的权重，更科学全面的考虑各种主客观因素，建立系统评价模型。

(2)对钻爆法和TBM法施工的方案设计需细化绩效比较的因素；进一步分析全隧洞方案中钻爆法和TBM法联合施工的方案。

(3)调水工程方案决策时，尚需结合当地具体实际情况进行一定的定性分析，以便做出更为科学合理的决策。