罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程配水设施布置

2024-07-06李永科谢良涛李娇娜孟刚马灿

人民长江 2024年13期

李永科谢良涛李娇娜孟刚马灿

摘要：根据罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程总体布置、地形地质条件以及功能需求，对该输水隧洞工程配水设施布置型式进行分析和研究。综合考虑地形地貌、区域发展规划、环境制约等因素，确定了输水隧洞工程取水口、分水支线、工作井、地下阀室等配水设施的布置原则、结构型式以及工程布置方案。结果表明：设计方案合理可靠，能有效适应城市独特的地理环境。研究成果可为类似工程案例提供借鉴。

关键词：输水隧洞工程；配水设施；取水口；分水支线；工作井；地下阀室；罗田水库；铁岗水库

中图法分类号： TV732

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.029

0引言

随着城市化进程的加速推进，城市用水需求不断增加，水资源时空分布不均衡问题日益突出。为了缓解不同区域之间的水资源供求矛盾、完善水资源配置体系，需大力推进城市水网工程建设，一大批城市长距离输水隧洞工程应运而生，有效推动了区域间协调发展［1-3］。目前，城市长距离输水隧洞工程为满足取水、流量控制、隧洞检修、向用户分水等功能，通常在输水隧洞沿线设置相关配水设施。输水隧洞工程配水设施布置型式对工程的投资以及运维管理起到重要影响作用［4-7］。

本文以罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程为例，详细介绍输水隧洞工程取水口、分水支线、工作井、地下阀室等配水设施的布置原则和形式选择，以期为类似城市输水工程提供参考。

1工程概况

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程（以下简称罗铁工程）是珠江三角洲水资源配置工程在深圳市境内的配套项目之一，工程全线位于深圳市西部宝安区和光明区。工程主要任务是将西江来水在深圳市境内进行合理分配和使用，实现新增境外水的优化配置，保障西部片区的供水，满足远期宝安区、光明区、南山区（部分）的供水要求。工程设计规模260万m3/d，沿途向罗田、五指耙、长流陂等3座水厂供水，各水厂供水规模分别为70万，30万，55万m3/d，入铁岗水库流量为105万m3/d。

工程主要配水设施包括输水干线、进水口、出水口，至罗田水厂、五指耙水厂及长流陂等3座水厂分水支线等，其中输水干线设3座工作井、2座地下阀室，工程布置如图1所示。

2输水隧洞工程配水设施布置

2.1输水干线布置

输水干线布置应遵循以下原则：① 线路布置应与供水对象（罗田水厂、五指耙水厂、长流陂水厂等）相衔接，满足水资源配置确定的供水任务、供水范围；② 兼顾输水干线及分水支线长度，控制工程投资；③ 应符合城市土地利用规划，宜尽量沿现有道路、绿地等公共区域布置，尽量控制穿越城区段线路长度；④ 线路尽量置于地质构造简单、地层结构稳定、水文地质条件简单的地段；⑤ 兼顾沿线各工作井、分水井布置；⑥ 隧洞布置应尽量避开高压线塔、石油管道、燃气管道等对沉降控制较为严格的能源输送通道；⑦ 隧洞穿越铁路、城市交通轨道、高速公路等交通设施时应尽量从填方路基段和高架桥桥墩中央穿过，尽量远离桥墩桩基，且尽可能呈大角度穿越；⑧ 隧洞应尽量避免从高层建筑下方穿过，穿越低层建筑时洞身尽量处于岩层；⑨ 为满足TBM转弯和内衬钢管运输要求，隧洞转弯半径不应小于300 m。

鉴于上述布置原则，输水干线从罗田水库进水口起，穿越广深港客运专线、龙大高速后，与南光高速伴行，至南光高速与楼岗大道交叉口处，沿根玉路布置，过五指耙水库后，近南北向接至铁岗水库出水口。输水干线总长约21.68 km。

2.2分水支线布置

2.2.1分水支线线路布置

（1）罗田水厂分水支线。

罗田水厂为规划新建水厂，为保证罗田水厂各工况正常供水，提高供水保证率，需布置两条分水支线。正常工况下，罗田水厂可通过分水支线A由输水干线供水；当输水干线检修时，可通过分水支线B由进水口从罗田水库取水。

经征求广深港客运专线权属单位意见，罗田水厂分水支线需从广深港客运专线桥梁段桩基间穿越，严禁从广深港客运专线路基段穿越。罗田水厂分水支线穿越龙大高速后，线路走向主要受广深港客运专线桩基、松山调蓄池限制，结合其分布情况，线路布置如图2所示。

分水支线A起点为罗田阀室，终点为罗田水厂配水井，全长约1.25 km，输水钢管洞径为3.2 m。线路分为隧洞段、明挖段和顶管段，隧洞段总长约986.10 m，明挖段长约219.35 m。隧洞段从罗田阀室沿西南向布置，经过第1个圆弧段向南偏转40°左右直线延伸，并穿越龙大高速路基段，之后通过第2个圆弧段转向东南方向布置，采用顶管施工技术下穿广深港客运专线大桥，再通过明挖段接至罗田水厂提升泵站。

分水支线B起点为进水口，终点为罗田提升泵站，全长约1.53 km，洞径为3.2 m。与分水支线A相同，线路也分为隧洞段、明挖段和顶管段，隧洞段长约1.29 km，明挖段长约0.19 km。隧洞段自取水口沿西南方向布置，采用顶管施工技术下穿广深港客运专线大桥，后继续通过明挖段接至罗田提升泵站。

（2）五指耙水厂分水支线。

五指耙水厂分水支线起点为五指耙水厂分水井，终点为五指耙水厂配水井，线路长约731.67 m，分为隧洞段和明挖段，其中隧洞段长约572.58 m，明挖段长约159.09 m。综合经济流速、工程投资、工程施工等因素，并考虑洞径与后期供水规模增加相适应，确定五指耙水厂分水支线过流断面直径为2.0 m，相应洞内流速为1.11 m/s。分水支线平面布置见图3，采用直线段与弧线段的组合，从五指耙水厂分水井开始，向西接至五指耙水厂配水井。

（3）长流陂水厂分水支线。

长流陂水厂分水支线起点为长流陂阀室，终点为长流陂水厂配水井，单洞布置。分水支线总长约1.82 km，由隧洞段和明挖段组成，其中隧洞段长1.68 km，约153.00 m与2号检修交通洞共用，明挖段长约140.00 m。综合经济流速、工程投资、工程施工等因素，并考虑洞径与后期供水规模增加相适应，确定长流陂水厂分水支线过流断面直径为2.8 m，相应洞内流速为 1.03 m/s。分水支线布置如图4所示，平面上采用直线段与弧线段的组合，共有4条直线段和3条弧线段，从长流陂阀室开始，向西布置，经多次偏转后转向西南向，后接至长流陂水厂配水井。

2.2.2分水支线末端检修设施布置

（1）罗田水厂分水支线。

为满足分水支线检修的要求，在罗田水厂分水支线末端设置检修进水阀室，后接入泵站压力进水压力箱。

综合考虑管径、蝶阀尺寸及操作空间要求，检修阀室长度拟定为32.00 m；根据通风设备、进人门、蝶阀尺寸等设备布置及操作空间要求确定检修阀室宽度，拟为13.00 m；上、下游墙厚1.50 m，净跨10.00 m。

（2）五指耙水厂分水支线。

为满足分水支线检修的要求，在五指耙水厂分水支线末端布置检查井和阀井。检查井顺水流向长3.60 m，垂直水流向宽6.20 m，内衬厚1.00 m；井顶高程为19.50 m，底高程为13.90 m，底板厚1.00 m；井深5.60 m。井顶部顺水流向设1道0.70 m×0.90 m支撑梁。井内布置检修密封门、通风管。通过井内钢爬梯到达井底，检查井顶部设盖板。阀井顺水流向长19.50 m，垂直水流向宽6.20 m，内衬厚1.00 m；井顶高程为19.50 m，底高程为14.40 m，底板厚1.30 m；井深5.10 m。井顶部垂直水流向设3道0.70 m×0.90 m支撑梁，井内顺水流向设厚0.60 m中隔墙。井内依次布置检修蝶阀、电磁流量计、调流阀及闸阀。通过井内钢爬梯到达井底，阀井顶部设盖板。

（3）长流陂水厂分水支线。

为满足分水支线检修的要求，在长流陂水厂分水支线末端布置检查井和阀井。检查井顺水流向长4.80 m，垂直水流向宽8.70 m，内衬厚1.00 m；井顶高程为21.00 m，底高程为14.55 m，底板厚1.00 m；井深6.45 m。井顶部顺水流向设1道0.70 m×0.90 m支撑梁。井内布置检修密封门、通风管。通过井内钢爬梯到达井底，检查井顶部设盖板。阀井顺水流向长28.00 m，垂直水流向宽7.00 m，内衬厚1.00 m；井顶高程为21.00 m，底高程为15.25 m，底板厚1.30 m；井深5.75 m。井顶部垂直水流向设3道0.70 m×0.90 m支撑梁，井内顺水流向设厚0.60 m中隔墙。井内依次布置检修蝶阀、电磁流量计、调流阀及闸阀。通过井内钢爬梯到达井底，阀井顶部设盖板。

2.3进、出水口结构布置

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程进水口位于罗田水库大坝东侧罗1-2汊内，出水口位于铁岗水库北侧黄麻布河口、铁汊4东侧。为了满足双向供水的要求，两个取水口均可从水库取水，其功能和结构形式类似，以进水口为例，介绍其结构布置。

（1）型式拟定。

进水口型式主要包括塔式、岸塔式和竖井式。进水口位于罗田林场及一级水源保护区，为控制边坡开挖规模、减少征地范围以及降低工程施工对环境的影响，罗铁工程不宜采用岸塔式，主要针对塔式和竖井式进行比较。

对于竖井式进水口方案，结合进水口区域地形地质条件，采用进水口拦污栅和闸室分开布置型式，进水口前缘依坡布置斜拦污栅，由单独启闭设备操作。闸门井置于山体内，距离拦污栅约80.00 m，竖井开挖断面15.20 m×15.00 m（长×宽），具体布置见图5。

从地形地质条件、边坡及围岩稳定条件、布置及结构稳定条件、运行维护条件、施工条件、工程占地等方面对两方案进行初步比较，见表1。

由于进水口区域地形较缓，采用竖井式工程量较大，且需增加一套拦污栅启闭设备，增加洞挖和支护处理工程量；竖井上游隧洞段无检修条件，施工及运行条件较差。塔式进水口运行、施工及检修条件较好，管理方便，且塔体为筒体结构，整体稳定性较好。经综合比较，参考同类工程经验，推荐采用塔式进水口。

（2）进水口布置。

进水口位于罗田水库大坝东侧罗1-2汊内，为丘陵地貌，地势平缓，北低南高。覆盖层主要为坡积与冲积黏性土，下覆基岩为云母片岩、石英片岩、片麻岩，受风化及构造影响，变质岩裂隙发育，片理产状变化较大。

塔式进水口塔体平面尺寸为28.00 m×16.00 m（长×宽），塔体建基面高程为15.00 m，塔顶高程与坝顶高程相同，为38.00 m，塔高为23.00 m，塔顶启闭机房高度为10.00 m。顺水流方向依次布置拦污栅、分层取水叠梁门、检修门和事故门，具体布置见图6。

2.4地下阀室布置

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程共设置两座地下阀室，本节以长流陂阀室为例，介绍阀室的结构布置。

在满足设备布置、结构安全等功能的前提下，长流陂阀室所需跨度为15.00 m，高度为31.35 m，地下洞室规模为中等。长流陂阀室位于TBM施工第3段中部，距五指耙水厂分水井、TBM组装洞距离分别约3.00 km和2.70 km。长流陂阀室施工期兼作TBM施工第3段钢管运输、混凝土浇筑的施工通道，即待TBM掘进完成、启动钢管安装工序时，可利用阀室内桥机操作，阀室开挖、支护及支撑墙结构施工不控制该段工期。

对施工期或运行期有起吊设备要求的地下工程，如水电站地下厂房，常用的桥机支撑结构包括岩锚吊车梁、岩台吊车梁及支撑墙结构等。长流陂阀室位于微新片岩、花岗岩地层，裂隙相对发育，地下洞室若采用岩锚吊车梁或岩台梁，为减少体型恢复工程量，需制定精细的爆破开挖方案，施工控制难度大。因此，推荐采用桥机支撑墙结构。

长流陂阀室位于长流陂水库东侧的大头岗山山体中，纵轴线走向近南北向，平行于输水隧洞布置，开挖尺寸为78.80 m×17.30 m×34.15 m。根据线路的总体布置和地形地质条件，阀室段输水隧洞中心高程为-40.00 m，结合蝶阀尺寸、进车钢岔管尺寸和结构安全要求，确定运行层高程为-42.60 m，交通层高程为-34.90 m，建基面高程为-46.10 m；根据机组安装及检修时起吊蝶阀的要求，确定桥机轨顶高程为-21.90 m。桥机轨顶至阀室顶拱高度主要由桥机运行要求及洞室结构型式控制，拱顶高程为-11.95 m。

阀室段长度受进车钢岔管外形尺寸、隧洞检修蝶阀、隧洞检修通风管、检修排水泵、安装场地布置等因素控制，考虑尽可能减小阀室长度，长度确定为76.50 m，顺水流方向共分为3段，长度分别为21.00，17.70，37.80 m。

阀室跨度受输水隧洞检修蝶阀尺寸、进车钢岔管外形尺寸、分水支线检修蝶阀、旁通管布置等控制，并考虑操作空间、交通等要求，确定阀室开挖跨度为17.30 m。

2.5竖井及围护结构型式

竖井在平面形状上可分为圆形或矩形两种型式［8-10］。以公明检修排水井为例，其圆形井方案为：外径为34.00 m，内径为31.00 m，井壁厚度为1.50 m；围护结构由地下连续墙及混凝土衬砌结构组成；井内布置有检修排水泵、渗漏集水井、检修车辆入口等，操作层布置有盘柜室、风机房等。

矩形井方案：尺寸为41.00 m×27.00 m（长×宽），围护结构由地下连续墙及混凝土支撑结构组成，井内高度方向每隔3.00 m布置一层环框梁和支撑梁，尺寸为1.00 m×1.00 m。井内布置有检修排水泵、渗漏集水井、检修车辆入口等，操作层布置有盘柜室、风机房等。两种方案优缺点对比见表2。

各竖井内兼具TBM施工、水厂分水、隧洞检修等功能，井内需布置大量机电设备。受设备布置控制，井的结构尺寸较大，圆形方案具有受力条件好、占地面积小、施工难度小、节约工期、使用便利等优点，经综合比选，推荐圆形井方案。

罗铁工程竖井均为圆形断面，内径24.00～35.00 m，井深67.00～83.00 m，覆盖层及全、强风化带厚度（风化成土状）32.00～52.00 m，地下水埋深3.70～11.10 m。公明检修排水井基岩为泥岩、泥质粉砂岩，五指耙水厂分水井和铁岗工作井基岩为花岗岩。

通过文献搜索统计，国内外基坑所采用的围护结构方法主要是地下连续墙、钻孔灌注桩、土钉墙和组合型结构等。各个基坑围护方法所应用的基坑深度分布见图7。

由图7可知，当基坑深度小于10.00 m或在10.00 m左右时，基坑可采用SMW（水泥土搅拌桩墙）围护结构。当基坑深度范围为10.00～25.00 m时，可选用的基坑围护方式较多，如地下连续墙、土钉墙、旋喷桩、桩锚支护、钻孔灌注桩、组合型围护结构等。当基坑深度范围为25.00～35.00 m时，主要应用的围护方式有地下连续墙、钻孔灌注桩和组合型围护结构，且地下连续墙应用较多。当基坑深度大于35.0 m时，主要应用的围护方式就只有地下连续墙和组合型围护结构，且组合型围护结构应用较少，主要以地下连续墙围护为主。

该工程各竖井均需开挖至微风化岩体，考虑到自动化沉井只适用抗压强度≤5 MPa的软岩，套筒咬合桩在中风化岩层及以下地层施工存在成桩困难等缺点。在此，采用工程类比法重点对地下连续墙和钻孔灌注桩两种支护型式进行比较。

该工程位于深圳市区内，竖井基坑安全等级为一级，竖井开挖具有直径大、深度深、对支护结构止水效果要求高等特点。由于受桩间距影响，钻孔桩无法形成完整的拱效应，需施工环形桁架支撑，造价更高，工期更长，不推荐采用钻孔桩支护方案。

随着地下连续墙技术的发展，其施工工艺已经十分成熟，已有工程实践表明，地下连续墙具有墙体刚度大、整体性好、止水效果佳以及对周边环境影响小等优点，其普遍应用于井深大于35.00 m的一级基坑。结合西丽水库至南山水厂原水管工程、珠江三角洲水资源配置工程、南水北调穿黄竖井、滇中引水昆明段龙泉倒虹吸出口接收井、江苏润扬（镇江—扬州）长江公路大桥北锚碇基坑、武汉阳逻长江公路大桥南锚碇基坑等类似工程经验，罗铁工程各竖井基坑围护型式推荐采用地下连续墙。

3结语

本文以罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程配水设施布置为例，详细论述了输水干线、分水支线、取水口、地下阀室以及工作井等结构布置的原则和相应型式。综合考虑地形地貌、区域发展规划、环境制约等因素选定最优方案。研究成果可为类似水利工程输水建筑物选型提供良好借鉴。

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