天阳盆地地下水置换工程输水线路方案比选

2019-05-13李芳

山西水利 2019年1期

李芳

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

1 工程概述

天阳盆地位于山西大同盆地东北部，为河北、内蒙古、山西三省交汇地带，南北长51 km，东西宽39 km，面积约1 000 km2，阳高县、天镇县位于天阳盆地内。盆地北侧为云门山山脉，西侧为采凉山山脉，与黑龙洞山共同围成一个开口向东的山间断陷盆地，底部高程1 008～1 128 m，南洋河为盆地内最大河流。

天阳盆地内较大的灌区，有孤峰山灌区、黄黑水河灌区和兰玉堡扬水站高管区，区内具有较好的土地、光热等农业生产条件。近年来，盆地内部分河流、水库干涸，地表水来水量减少，灌区实际灌溉面积持续减小。为遏制作物大幅减产，灌区大量抽取地下水灌溉，导致地下水位急剧下降，尤其是白登—南洋河两岸5～7 km范围内，地下水超采严重，河道基流锐减。目前，天阳盆地内有1/3的地下水埋深已超过20 m，盆地内河流、水库均已干涸。

调水是解决天阳盆地农业缺水及生态问题的唯一途径。本工程拟从册田水库调引黄河水至天阳盆地，以置换地下水，缓解当地水资源供需矛盾，涵养地下水源，修复生态环境。天阳盆地地下水置换工程水源为册田水库，取水点位于册田灌区北干分灌区提水工程末端的西营出水池，引水至阳高县砖井村西南白登河上游的一支沟（后沟）右岸，距砖井村约0.5 km，线路总的走向为东南—西北向，引水设计流量为5.0 m3/s，以引黄水置换地下水3 000万m3。井灌面积0.96万hm2，其中阳高县0.57万hm2，天镇县0.39万hm2。

2 地质情况

2.1 区域地质

本区位于山西省东北部的大同盆地东北部，天阳盆地为大同盆地边缘地带二级断陷盆地，御驾山及马蹄山为天阳盆地与大同盆地分水岭。南洋河为天阳盆地内最大的河流，其源头位于天阳盆地南端的鹅丰涧，南洋河上游称为白登河，一级支流有黑水河、黄水河、上吾其河、三沙河等。

本区域出露地层由老到新有太古界桑干河群、五台群、右所堡组、和瓦窑口组，元古界震旦系、古生界寒武系和奥陶系、新生界上第三系、第四系地层。

本区域大地构造位置属内蒙断块南缘，所处大地构造单元地跨桑干河新断陷的北端及内蒙断块构造的东段，区内西靠云冈块坳，东邻燕山断块构造。桑干河新断陷与内蒙断块东段构造的界线位于大同市文瀛湖至大同县北侧的阁老山一线。本区新构造运动的特点是沿老的断裂构造活动，具有断块性质的上升与下降运动，并伴随着强烈的火山喷发。

阳高、天镇北山坡脚发育有阳高破碎带，走向NEE，长约45 km，宽1～3 km，亦为基岩山区与洪积倾斜平原区分界线，破碎带内岩石普遍破碎，遭受动力变质（绿泥石化、糜棱岩化、硅化作用）强烈。断裂南侧山前洪积扇比较发育，说明燕山期以来仍不断活动，断裂北侧山高岭峻，燕山期中酸性侵入体、岩脉极发育。区域地质构造相对较简单。基本构造格架为一系列弧形褶皱构成的旋卷构造，褶皱两翼岩层倾角较陡，一般为50°～80°，褶皱相对紧密，总体呈向西凸的弧形，并向南部收敛，向北散开的构造形迹。

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015），西营加压泵站及压力管线段地震动峰值加速度为0.15 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震烈度为7°，马蹄山隧洞段地震动峰值加速度为0.20 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震烈度为8°。

根据本区地下水的赋存形式和含水介质的特性可将本区地下水分为：太古界变质岩类风化裂隙水、玄武岩风化裂隙水及第四系松散岩类孔隙水。

区域内物理地质现象主要为基岩风化、滑塌及崩塌。

2.2 线路工程地质

2.2.1 西营泵站工程地质

西营加压泵站基础持力层为第四系上更新统坡洪积级配良好砂层及低液限粘土层，主要存在不均匀沉降变形及湿陷工程地质问题。

2.2.2 压力管道工程地质

隧洞前压力管道处于山前倾斜平原区及冲沟内，压力管道基础持力层为第四系上更新统坡洪积物（Q3dpl），岩性为低液限粘土层及级配不良砂层。该段压力管道主要存在不均匀沉降变形、湿陷及高边坡工程地质问题。

2.2.3 马蹄山隧洞及施工支洞工程地质

隧洞及施工支洞围岩有太古界桑干群葛胡窑组上段（Asg2）角闪黑云二长片麻岩、黑色斜长角闪二辉麻粒岩、黑云斜长片麻岩、花岗片麻岩及辉绿岩侵入体，（Q3）火山玄武岩，第四系中更新统洪积（Q2pl）浅红、红色粘土、级配不良砂层及低液限粘土夹块碎石及第四系上更新统坡洪积物（Q3dpl），岩性为低液限粘土层及级配不良砂层。隧洞土洞段长约3.73 km，基岩洞段长约8.58 km，基岩洞段围岩类别有Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类。主要存在围岩稳定、涌水、涌砂及洞脸稳定等工程地质问题。同时，施工排水对周边村庄的水井会产生一定的影响。

3 初步方案

3.1 影响线路选择的因素

线路选择及布置主要考虑的因素：线路少占农田或尽量不占农田；线路应力求顺直，管线可能尽量沿道路定线；尽量避开滑坡、崩塌、沉陷、泥石流等工程地质不良地段、高地下水位地区、洪水淹没和冲刷地区以及人口稠密区。如受条件限制必须通过时，应采取可靠的防护措施；隧洞为控制性工程，在条件允许的情况下力求最短。

3.2 方案拟定

引水工程取水位置选在现有的册田灌区北干分灌区提水工程末端的西营出水池；本工程任务是从册田水库调引黄河水3 000万m3至地下水超采的天阳盆地，以置换当地地下水，因此将输水线路末端选择在天阳盆地白登河上游附近。引水工程取水位置及线路末端确定后，输水线路的走向基本确定，即自现有西营出水池取水，线路沿东南～西北走向，终止于天阳盆地白登河上游附近。

根据输水线路沿线地形、地质条件和建筑物施工难度、工期等方面的施工特点，结合本工程的运行要求，拟定两方案进行比选。方案一为全程无压隧洞输水，方案二为泵站加压与无压隧洞输水结合。

3.2.1 全程无压隧洞输水（方案一）

现状西营出水池设计水位1 089.363 m，白登河上游附近地面高程1 095～10 80 m，从线路地形高程上看有自流条件。采用引水箱涵将水自西营出水池引至西营村南的隧洞进口，之后沿西北方向布置隧洞，出口于贾峰村西北的白登河上游附近，距贾峰村约0.8 km，线路总长17.0 km。本方案桩号0+000—0+350段为引水涵，长度0.35 km；桩号0+350—17+000为无压隧洞段，长度16.65 km，其中岩石洞长9.6 km，土洞段长7.05 m（包括长度0.3 km输水箱涵），土洞在桩号9+970—17+000段（长度6.03 km）位于地下水位以下，洞顶以上最大水头74 m。在桩号14+900—15+100段洞线横穿石头沟，沟上游有孙家港水库和贾峰水库，穿沟处地面高程1 087～1 090 m，洞顶以上覆土深度0～3 m，此段成洞困难，并且存在河道冲刷问题。

表1 方案一特性表

3.2.2 泵站加压与无压隧洞输水结合（方案二）

本工程中隧洞为控制性工程，在隧洞进出口地形条件及施工条件相对较好的情况下，尽量减少隧洞长度，以降低施工难度，缩短工期。本工程通过现有册田灌区北干分灌区提水工程自册田水库提水至西营出水池，地形扬程153.4 m，考虑在地形、地质条件可行情况下，引水工程自西营出水池提水扬程不宜太大。

本方案在西营出水池西北侧布置西营加压泵站，泵站进水池设计水位1 089.2 m，地形扬程24.3 m，设计流量5.0 m3/s，泵站装机2 240 kW，通过西营泵站扬水至西营村西的隧洞进口，设计水位1 113.5 m，之后沿西北方向布置隧洞，经隧洞将水送入砖井村西南的白登河上游的一条支沟（后沟），水顺后沟进入白登河上游，线路总长约13.63 km。本方案加压泵站1座，桩号0-032.0—1+280.2为压力管线，长1.312 km；桩号1+288—13+594为无压隧洞，长度12.31 km，其中岩石洞长8.58 km，土洞段长3.73 km，土洞在桩号10+170—13+150（长度2.98 km）位于地下水位以下，洞顶以上最大水头50 m。

表2 方案二特性表

4 方案比选

4.1 工程布置

方案一为全自流输水，方案二为泵站加压和隧洞输水结合方式，两方案输水方式不同，线路平面走向基本相同，线路纵方向（即高程）方案二比方案一高程抬高约24.3 m。根据工程布置，方案一包括输水隧洞和涵洞，线路长17.0 km，其中隧洞长16.65 km；方案二包括加压泵站、输水隧洞，线路长13.63 km，其中隧洞长12.31 km。方案二比方案一隧洞长度缩短了4.34 km，并且施工支洞的数量和长度也较方案一减少，因此方案二与方案一相比施工难度低，工期短。从工程布置方案来看，方案二优于方案一。