某水系连通工程压力引水隧洞方案比选分析

2020-06-08赵小宁

陕西水利 2020年1期

关键词：竖井隧洞钢管

张博，赵小宁

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065；2.陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西西安 710018）

1 概述

1.1 工程概况

某引水隧洞工程位于江西省九江市，通过本工程将库水引入临近流域水系，改善区域水资源调配能力，解决城区供水保障问题，同时实现改善和提高河流水动力条件，增强河流水资源水环境承载力，提高水体自净能力，保护水域生态环境。

本工程将新建隧洞长约6.826 km，引水流量为1.7 m3/s，采用有压城门洞过流，引水隧洞设置岸塔式进水口，进水口内设拦污栅、分层取水叠梁门、检修闸门，出口设置蝶阀控制引用流量。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》[1]《水闸设计规范》[2]以及修水城市规划，本项目的工程等级为Ⅳ等小（1）型工程，相应主要建筑物级别为4级；次要建筑物、临时建筑物为5级。

1.2 工程地质情况

工程区位于扬子准地台～下扬子钱塘台拗～修水一武宁凹褶断束区，地处低山沟梁相间地貌区，植被茂密；区内出露地层主要有中元古界双桥山群上亚群（Pt2sh2）板岩系列、震旦系南沱组（Z2n）砂岩系列，第四系全新统（Q4）覆盖层组成，区域断裂在隧洞临近出口段发育，岩体中裂隙发育，岩质中硬～坚硬，薄层状～层状结构为主，全隧洞段均位于地下水位以下，隧洞总体沿竹坪河谷一带布设，埋深40 m～370 m不等。

隧洞围堰类别以Ⅲ1、Ⅲ2类围岩为主，进出口段为Ⅳ类围岩，局部断层带为Ⅴ类围岩；隧洞围岩岩质中硬～较坚硬，层状结构～薄层状结构为主，岩体总完整性较好，除局部断层、进出口区外，总体成洞条件较好。

1.3 工程特点

在项目投标阶段工程任务主要为县城供水，任务较为单一。整个引水隧洞轴线长约6.826 km，为一个开挖断面，考虑施工条件及运行特点，采用有压的城门洞断面，在隧洞出口设检修闸门，控制引用流量即可。

在项目实施过程中业主提出整个项目要同时考虑城镇供水和施工运输的要求及所在地羽岭村居民出行交通需要，即引水隧洞要考虑施工期交通和运行期居民出行要求，一洞多用。由于功能定位发生了变化，因此需对引水隧洞的多种设计方案进行综合比选。

2 引水方案初拟

综合考虑业主对隧洞施工期交通和运行期居民出行需要的要求，参考其他工程设计形式[3-8]，初拟了以下四个方案。

方案一：引水隧洞不考虑交通要求，施工期及居民交通需求将通过改造环山公路解决。

方案二：引水隧洞考虑交通要求，竖井以下通过压力明钢管进行供水。

方案三：引水隧洞考虑交通要求，竖井以下通过地下埋管进行供水。

方案四：引水隧洞考虑交通要求，竖井以下通过地下混凝土涵管进行供水。

四种方案上游4.069 km全断面过水隧洞结构、体型相同；方案二～方案四均桩号引3+992.80处设置竖井，在竖井下游2.754 km的布置方案差别。

2.1 方案一

引水隧洞轴线全长约6.826 km，全段为城门洞形，隧洞开挖净断面尺寸3.6 m×3.6 m（宽×高），其中直墙高2.56 m，拱高1.04 m，顶拱圆心角120°，顶拱半径R=2.08 m。对于Ⅱ类围岩采用随机锚杆+素喷混凝土予以支护，喷护厚度10cm；对于Ⅲ类围岩采用系统锚杆+挂网喷混凝土予以支护，喷护厚度10 cm；对于Ⅳ、Ⅴ类围岩采用系统锚杆+钢筋混凝土衬砌予以支护，衬砌厚度30 cm，引水隧洞断面体型见图1。在引水隧洞轴线桩号引3+992.80处设一施工竖井，根据施工开挖和出渣需要，竖井开挖半径R=1.80 m，采用临时支护措施。

图1 引水隧洞断面体型图（以Ⅳ类围岩为例）

考虑竖井顶部羽岭村居民出行的需要及竖井施工期运输的需要，在竹坪乡至竖井顶部改建现有通往羊场的一条交通道路（298乡道），该段道路长度约19.0 km，现状为山间小路，有现状水泥路面，宽度约3 m，蜿蜒曲折，但道路扩建的基础条件较好。根据施工期交通需要，将该道路进行适当的扩宽，对于损毁狭窄，弯道不符合运输要求段进行局部的修正，同时进行必要的开挖削坡支护，在雨季还需做好路面及边坡的维护、防护工作，交通道路改造示意图见图2。

图2 交通道路改造示意图

2.2 方案二

在引水隧洞轴线桩号引0+000.00～引3+992.8 m段全长3992.8 m与方案一结构及支护形式相同。引3+992.80段～引6+746.80为城门洞型，全长2754 m，考虑远期交通的需求，对该段隧洞进行扩挖，确保净过车断面不小于2.4 m。隧洞开挖净断面尺寸5.3 m×3.9 m（宽×高），城门洞型，其中直墙高2.63 m，拱高1.27 m，顶拱圆心角102°，顶拱半径R=3.40 m。支护形式同上段引水隧洞。

桩号引3+992.80～引6+746.80采用明管输水，引水钢管位于隧洞左侧，为确保引水能够自流至供水水厂（高程：165 m，距离引水隧洞出口约6.5 km）需控制压力钢管的水头损失，采用引水钢管管径1.4 m，控制流速1.1 m3/s，该段2.8 km长压力钢管的水头损失约为2.0 m，管材选用Q235-C，壁厚t=12 mm。支墩高60 cm，间距6 m布置，下游交通隧洞断面体型见图3。

图3 方案二下游交通隧洞断面体型图（以Ⅳ类围岩为例）

桩号引3+992.80处设一交通兼施工竖井，根据交通的功能需要，竖井开挖半径R=4.80 m，全断面衬砌，混凝土衬砌厚度40 cm。竖井中设计两部电梯，其中一部客梯（额定载重1050 kg，额定速度3 m/s，井道尺寸2110 mm×2220 mm，轿厢尺寸1600 mm×1500 mm）、一部客货两用电梯（额定载重1350 kg，额定速度3 m/s，井道尺寸2540 mm×2220 mm，轿厢尺寸2000 mm×1500 mm），并设计一套疏散楼梯（疏散单宽1.3 m）。竖井断面结构示意见图4。

图4 竖井断面结构示意图

2.3 方案三

在引水隧洞轴线桩号引0+000.00～引3+992.8 m段全长3992.8 m与方案一结构及支护形式相同。引3+992.80段～引6+746.80采用埋管供水，隧洞开挖断面为复式断面，隧洞下部尺寸2.6 m×2 m（宽×高），上部开挖断面尺寸同引水隧洞轴线桩号引0+000.00～引3+992.80 m段。支护形式同上段引水隧洞。

预埋钢管位于隧洞正下方，为确保引水能够自流至供水水厂（高程：165 m，距离引水隧洞出口约6.5 km）需控制压力钢管的水头损失，采用引水钢管管径1.4 m，控制流速1.1 m3/s，该段2.8 km长压力钢管的水头损失约为2.0 m，管材选用Q235-C，壁厚t=12 mm，加劲环间距2 m。方案三下游交通隧洞断面体型见图5。

图5 方案三下游交通隧洞断面体型图（以Ⅳ类围岩为例）

在引水隧洞轴线桩号引3+992.80处设计与方案一相同的交通兼施工竖井。

2.4 方案四

在引水隧洞轴线桩号引0+000.00至引3+992.8 m段全长3992.8 m与方案一结构及支护形式相同。引3+992.80段～引6+746.80采用有压封闭混凝土涵洞引水。为确保引水能够自流至供水水厂（高程：165 m，距离引水隧洞出口约6.5 km）需控制有压封闭混凝土涵洞的水头损失，涵洞净尺寸2.8 m×0.8 m（宽×高），控制流速0.8 m3/s，该段2.8 km长有压封闭混凝土涵洞的水头损失约为1.8 m。隧洞开挖断面尺寸3.6 m×4.9 m（宽×高），其中直墙高3.86 m，拱高1.04 m，顶拱圆心角120°，顶拱半径R=2.08 m。方案四下游交通隧洞断面体型见图6。

在引水隧洞轴线桩号引3+992.80处设计与方案一相同的交通兼施工竖井。

图6 方案四下游交通隧洞断面体型图（以Ⅳ类围岩为例）

3 方案对比分析

通过以上四个方案的体形设计，计算了各个方案的引水隧洞洞身主体工程投资和工期见表1，同时梳理四个方案下施工工艺及难易程度见表2。

表1 各方案主体工程投资与工期对比表

从投资和工期角度看：方案一可比部分投资约为5260.04万元，施工工期约20个月，投资、工期均小于其他3个方案；方案三可比部分投资约为6130.62万元，施工工期约为34个月，投资、工期均大于其他3个方案。

从施工及使用角度来看：

（1）方案二～方案四将引水隧洞和当地交通相结合，后期若交通规划方案调整，竖井结构难以适应交通规划方案的变化，使用功能有待商榷。

（2）方案二施工简单，但钢管位置位于观光隧洞一侧，管线、镇墩、支墩、伸缩节等侵占观光隧道空间，不利于观光隧洞景观效果，同时由于钢管明置，需对其定期进行防腐保养。

（3）方案三埋管方案位于观光隧道下方，无支墩、镇墩、伸缩节等，同时管道设置不影响交通隧道，但需要二次开挖，增加了工程量，且施工最为复杂。

（4）方案四混凝土有压涵洞输水方案，首先箱涵结构不利于承受较大的内压，当输水量小于设计流量时，由于断面尺寸不变，沿程损失变小，需调控富裕水头。调控富裕水头时会使箱涵结构内水压力增加，当操作不当时，产生的过大水压力会使本不能承受较大内水压力的箱涵结构造成危害，同时本方案由于受到尺寸限制，日后无法进行检修。

（5）方案一从使用功能上来讲，将引水隧洞和当地交通功能分开，引水隧洞后期运行检修方便，且交通道路可根据当地整体规划的确定而分期分步实施，使用效率高，施工简单，因此可作为本项目的首选方案。