引汉济渭水源及秦岭输水隧洞工程设计

2022-09-21 16:39:13 来源:写作指导

[摘要]陕西引汉济渭工程是陕西省为实现陕西水资源优化管理、统筹关中陕北用水、促进陕南循环经济,改善渭河生态基流、推动全省实现区域协调可持续发展的一项大型跨流域调水工程,是陕西迄今投资规模最大、受益范围最广、也是技术难度最高、运行调度最复杂的国家重大节水供水工程。通过介绍陕西引汉济渭工程水源及秦岭调水隧洞的布局,以及水工建筑物、水电站建筑物、水工输水隧洞,分析大型水利水电工程设计原则和方法,为类似案例提供借鉴。

[关键词]浅析;引汉济渭水源工程;秦岭输水隧洞工程

1陕西引汉济渭工程概况

1.1工程建设背景

陕西省水资源地域和时空分布不均,与人口与国土面积和经济发展不匹配。资料显示:陕西省陕南地区的汉江、嘉陵江流域占71%的水资源,而关中、陕北地区水资源量只占全省的29%,而在人口、土地面积、经济总量上却分别占全省77%、65%和90%,水资源可利用量已接近极限。根据《陕西省水资源综合规划》调查评价和现状分析,关中地区水资源总量68.03亿m3,入境水量39.33亿m3。人均和耕地亩均水资源量分别为304m3和297m3,仅占全国平均水平的14%和17%,属于严重资源性缺水地区,现状供需矛盾十分突出。

1.2工程总体

布局调水工程:在汉江洋县段干流上修建黄金峡水库,在汉江支流子午河修建三河口水库,作为两个取水水源。由黄金峡水库泵站提水100余米,通过黄三隧洞流入三河口水库,经三河口水库统一调节后进入秦岭输水隧洞,自流输水至关中流域黑河支流黄池沟,连入(二期工程)关中输配水管网,实现供水。工程主要由“两库”:黄金峡水库和三河口水库;“两电”:黄金峡坝后电站和三河口坝后电站;“两泵”:黄金峡抽水泵站和三河口抽水泵站;“一洞”:从黄金峡到关中出口段的98.3km秦岭输水隧洞组成。其中秦岭输水隧洞分为两段,即黄金峡至三河口段(简称:黄三段)和穿越秦岭主脊段(简称:越岭段)。输配水工程:为关中输配水骨干管网(二期工程)。

2引汉济渭水源工程

2.1三河口水利枢纽

三河口水利枢纽项目,是引汉济渭的两个水源工程之一,主要用途是调蓄汉江支流子午河来水和部分抽水入库的汉江黄金峡来水,供水兼顾发电,是整个引汉济渭工程的调蓄中枢。坝址位于汉中市佛坪县与安康市宁陕县交界的子午河峡谷,距汶水河、蒲河、椒溪河3河交汇处下游2km,流域面积2186km2,坝址附近断面多年平均径流量8.7亿m3。枢纽工程由水库大坝、坝后泵站、坝后电站组成。

2.1.1水库大坝

三河口大坝,采用碾压混凝土双曲拱坝,设计最大坝高145m,坝顶长度500.9m,坝顶宽度9m,总库容7.1亿m3,调节库容6.62亿m3,正常蓄水位643m。溢流坝段共布置3个表孔,每孔净宽15m,各孔口设15m×19m弧型工作闸门一道。溢流堰堰顶高程为625m,采用WES曲线,后为1∶0.75的斜坡与反弧段相接,反弧半径R=60m,出口消能采用挑流方式,挑流鼻坎高程为560m,溢流面为C45常态混凝土,挑流鼻坎下坝体内布置二级泵站。放水底孔布置在溢流坝段右侧下部,断面为5m×5m的矩形,采用二级配C30砼浇筑,壁厚3m;在坝体上游面设5m×5m检修平门,坝体下游面设5m×5m工作弧门;放水底孔进口底板高程555m,平底在弧门后设挑流鼻坎,鼻坎顶高程553m。

2.1.2坝后泵站

三河口坝后泵站,设计安装2台水泵机组(可逆机组),设计流量18m3/s,总装机功率2.4万kW,设计净扬程91.08m。泵站初选采用坝内布置方案,厂房布置于大坝挑流鼻坎下混凝土坝体内,副厂房布置在主厂房上游侧,主厂房中心线距坝轴线110m。泵站采用侧向母管进水,侧向母管出水的布置型式,其主要建筑物由进水建筑物、主、副厂房、压力管道等4部分组成。

2.1.3坝后电站

三河口坝后电站,设计布设4台发电机组(2台常规+2台可逆),总装机容量6万kW,多年平均发电量1.22亿kW•h。根据水库大坝左、右岸下游地形地质条件,电站建在左岸或右岸区别不大,考虑电站尾水须经引水洞进入布置在坝后右岸的汇流池,然后进入越岭段向关中地区供水的运行方式,因此,结合水流衔接和引水洞的布置,初选采用将坝后电站布置在右岸。坝后电站由引水管道、厂区建筑物、尾水建筑物以及备用放水管道组成。厂区建筑物包括主厂房、副厂房、开关站,尾水建筑物包括尾水池。

2.2黄金峡水利枢纽

黄金峡水利枢纽项目,位于汉江干流汉中洋县段黄金峡锅滩附近,流域面积17000km2,坝址附近断面多年平均径流量75.41亿m3,多年平均调水量9.69亿m3,是汉江上游梯级开发规划中的第一级,也是引汉济渭的头号水源工程。枢纽工程由挡水建筑物、泄洪建筑物、泵站、电站、通航建筑物等组成,其主要用途是调蓄汉江来水,供水兼顾发电。

2.2.1水库大坝

黄金峡大坝,采用混凝土重力坝,坝高63m,总库容2.21亿m3,调节库容0.98亿m3,正常蓄水位450m,汛限水位448m。坝顶宽度15m,上游坝坡铅直,下游坝坡坡比1∶0.75。坝基设3m厚C15常态混凝土垫层,坝顶设厚度为1.5m的C25常态混凝土,坝体上游面设二级配富胶凝碾压混凝土作为防渗体,厚度为3m,坝体为三级配的C15碾压混凝土。工程自左至右依次布置左岸挡水坝段、电站厂房、泄洪底孔、溢流表孔、通航建筑物和右岸挡水坝段。

2.2.2坝后电站

黄金峡电站,厂房建于左岸河滩上,间作拦河挡水建筑物,主厂房长83m,宽19m,总高42.5m,分尾水层、水轮机层、发电机层进行布置,设置2部楼梯,沟通上下层交通。电站进水口共3孔,每孔流道宽10.4m,高16m,底板高程412m。厂内设台250/50t桥式起重机,安装间设在主厂房左端,长23.5m,宽19m,地面高程417.3m,在安装间下层布置水机副厂房,地面高程408.36m。副厂房位于主厂房下游长50.5m,宽度10m。坝后电站总装机容量13.5万kW,多年平均发电量3.51亿kW•h。

2.2.3黄金峡泵站

黄金峡泵站,位于汉江干流黄金峡段良心河左岸,距入汉江口约900m的李家湾村。主厂房长172m,宽18.5m,高44.5m,上部为钢筋混凝土框架结构,下部为整体箱形钢筋混凝土结构,厂内共设计安装15台水泵机组,一列式布置,机组间距9m。厂房两端为检修间,检修层面高程为452.5m。厂房分电机层、电机安装层、水泵层和底板层,各层之间设楼梯连同。出水压力管道为“树枝状”并管布置形式,每三台水泵的出水管合为一条支管,5条支管最终合并成一条母管出水母管直径6.2m,为水平段和竖直段,总长35m.采用洞挖埋管布置在山体内,末嘴接出水池。出水池采用地下洞室结构,底板高程542.44m,长度25m,断面尺寸6.3m×19.5m.钢筋混凝土衬砌,出口安装闸门与黄三段进口相接,设计流量70m3/s,总装机功率12.6万kW,设计净扬程106.45m。

2.2.4泄洪建筑物

泄洪冲沙底孔共3孔,紧邻电站进水口右侧布置,进口高程406.0m,各孔口尺寸均为10m×10m,下游设92m长钢筋混凝土消力池,消力池底高程395.5m,两侧均布置长92m导墙。泄洪表孔共5孔,布置于河床中央,各孔口尺寸均为15m×20m,堰顶高程430m,下游采用戽流消能。各孔布置孔口尺寸15m×20m弧形工作门,拟采用QHLY2X3000kN液压启闭机启闭。

2.2.5通航建筑物

通航建筑物,采用与右泄洪底孔沿垂直高度结合布置的形式,通航吨位为100t级。底孔堰顶高程为406m,孔口尺寸为10m×10m。其位置贴近下游河槽主流便于过坝船只与水道的连接。主要建筑物由上游引航道、上游垂直升降段、水平过坝段、下游垂直升降段、下游引航道组成。

3秦岭输水隧洞工程

秦岭输水隧洞是调水工程的纽带,通接汉江、渭河,设计流量70m3/s,纵坡1/2500,穿越秦岭主脊最大埋深2012m。进水口位于汉江干流黄金峡水利枢纽坝后左岸,出水口位于关中渭河支流黑河右岸黄池沟,以三河口坝后控制闸为界,分为黄三段和越岭段两部分。黄三段由黄金峡水库到三河口控制闸,全长16.5km;越岭段由三河口控制闸穿越秦岭到黄池沟出口,全长81.8km。秦岭隧洞全长98.3km,穿越秦岭主脊35km采用TBM(全断面硬岩隧道掘进机)施工,其它洞采用钻爆法施工,全线共布设施工支洞14条。

3.1黄三段隧洞(黄金峡水库到三河口水库)

黄三段由洞身段、出口控制闸、退水洞、施工支洞组成,采用钻爆法施工,进口底板高程549.26m,出口(控制闸)底板高程542.65m,洞底比降1/2500。主要承担将黄金峡泵站抽水量的一部分输送至越岭段隧洞进口,一部分输送至三河口水利枢纽附近,通过三河口泵站抽水入三河口水库进行调蓄。隧洞洞线布置为:隧洞进口位于良心河左岸距入汉江口约900m处,进口接黄金峡泵站出水池,沿东北方向穿越东沟河、马家沟、蒲家沟后,到达子午河右岸三河口水库坝址下游约300m处的汇流池,经汇流池与越岭隧洞、三河口泵站和坝后电站引水洞相接,从黄金峡到控制闸,全长16.5km。

3.1.1洞身段施工

一次支护设计采用工程类比法确定支护型式和支护参数。Ⅱ类围岩一次支护在顶拱104°范围喷C20混凝土厚10cm;Ⅲ类围岩侧墙、顶拱一次支护喷C20混凝土厚10cm,在顶拱范围内设q20随机锚杆;IV类围岩侧墙、顶拱喷C20混凝土厚15cm,顶拱设φ20系统锚杆、侧墙设φ20随机锚杆,挂φ6.5钢筋网;V类围岩侧墙、顶拱喷C20混凝土厚15cm,并设φ20系统锚杆,挂φ6.5钢筋网,全断面采用钢拱架支护。二次衬砌Ⅱ类围岩采用C25模筑钢筋混凝土减糙衬砌,衬砌厚度0.25m,Ⅲ类、IV类、V类围岩均采用C25模筑钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度分别为0.3m、0.45m、0.5m。隧洞在拱顶120°范围内进行回填灌浆,在Ⅲ、Ⅳ、V类围岩中全断面进行固结灌浆。

3.1.2隧洞控制闸

控制闸布置在三河口大坝坝后右岸约300m处,基本为“Y”型布置,地下洞室结构,南北向长约60m,东西向宽约30m,分别在秦岭隧洞黄三段末端、越岭段始端及三河口连接洞进口设置一道7m×5.5m平面钢闸门,闸底板高程542.65m,启闭机层高程557.35m,闸室长度均为12m,以9m长渐变段与各自洞身连接;在闸室顶高程处布置半径为17.75m环形交通洞,交通洞底板高程549.85m,与三河口泵站厂区道路相接,洞宽4.5m,高6m,洞长337m。

3.1.3隧洞退水洞

为便于检修,结合桩号14+771.96处4#施工支洞,在施工支洞施工任务完成后,将其改建成退水洞,退水洞全长506m,起点高程543.35m,末点高程521.83m。闸室位于洞出口附近,闸室长30m,设1扇6.8m×5.8m的平面工作闸门和1扇6.8m×5.8m的检修闸门,闸门启闭设备选用卷扬式启闭机。

3.1.4施工支洞

黄三段沿洞线共布设施工支洞4条,总长度2621m。1#支洞长236m,纵向坡比6%;2#支洞长904m,纵向坡比-7.4%;3#支洞长932m,纵向坡比-9.5%;4#支洞长549m,前414m纵向坡比1‰,后135m纵向坡比8%,支洞横断面除4号支洞兼退水洞段的414m长支洞为6.8m×7m的圆拱直墙型外,其余均为6.8m×5.1m的圆拱直墙型。

3.2越岭段隧洞(三河口水库到黄池沟出口)

越岭段由洞身段、施工支洞组成,采用钻爆法与TBM(全断面硬岩隧道掘进机)法配合施工,进口底板高程542.65m,出口底板高程510m,洞底比降1/2500。主要承担将黄三隧洞来水量、三河口水库下放的供水量输送至关中供水网的任务,考虑与黄三隧洞、三河口泵站以及三河口水库的连接关系,4#施工斜井以前线路进行了在三河口大坝右岸、左岸与黄三隧洞、三河口泵站以及三河口水库连接的两条线路的比较,比较后初选采用右岸连接方案。该方案洞线长81.8km,进水口位于三河口大坝坝后右侧,与黄三洞出口相接,线路在K1+850处穿越过椒溪河,在K42+585处穿越秦岭山脉峰顶(2535m)沿途经过三河口乡、石墩河乡、陈家坝乡、四亩地乡、柴家关村、木河、秦岭主峰等地段,出水口位于黑河金盆水库下游约2km处的黄池沟。隧洞设计流量70m3/s,纵坡1/2500,最大埋深2012m。

3.2.1洞身段钻爆法施工

V类围岩洞段,拱部采用φ42超前小导管注浆加固地层,并采用锚喷网、拱墙设2榀/m的H125型钢架,全断面喷C20混凝土厚15cm,拱墙设φ22砂浆锚杆进行支护;二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌,厚度50cm;Ⅳ类围岩洞段,一次支护采用拱部φ22超前错杆加固地层,施工支护采用锚喷网、拱墙局部设H125型钢架。拱墙喷C20混凝土厚15cm,拱部设φ22砂浆锚杆,拱墙挂φ8钢筋网20cm×20cm;二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度45cm;Ⅲ类围岩洞段,一次支护采用锚喷网,拱墙喷C20混凝土厚10cm,拱部局部设φ22砂浆锚杆;二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌,厚度30cm;II类围岩洞段,一次支护采用拱墙喷C20混凝土,厚10cm;二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌,厚度25cm。在Ⅲ、IV、V类围岩中全断面进行固结灌浆;隧洞拱部120°范围进行回填灌浆。

3.2.2洞身段TBM法施工

V类围岩洞段,一次支护顶拱120°范围设中φ42超前小导管注浆加固地层,一次支护采用锚喷网、拱墙设2榀/m的H150型钢架。全断面喷C20混凝土厚15cm,拱240°范围设中φ22砂浆锚杆,全断面挂φ8钢筋网;二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌,厚度35cm;IV类围岩洞段,一次支护顶拱120°范围设φ22超前锚杆加固地层,一次支护采用锚喷网、拱墙局部设H125型钢架。全断面喷C20混凝土厚15cm,拱墙设φ22砂浆锚杆,拱墙挂φ8钢筋网;二次衬砌采用C25钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度35cm;Ⅲ类围岩洞段,一次支护采用锚喷网,全断面喷C20混凝土厚10cm,拱部90°设φ22砂浆锚杆,拱部180°挂φ8钢筋网;二次衬砌采用C25混凝土衬砌,厚度35cm;I、Ⅱ类围岩洞段,全断面进行减糙衬砌,衬砌厚度0.25cm。在Ⅲ、Ⅳ、V类围岩中全断面进行固结灌浆;隧洞拱部120°范围进行回填灌浆。

3.2.3施工支洞

越岭段全线共布设施工支洞10条,总长度22367m,最长支洞为5号,斜长4620m,设计纵坡9.94%;最短支洞为椒溪河支洞,斜长326m,设计纵坡10.71%。施工支洞横断面选用圆拱直墙型,断面尺寸为6m×6m。各施工支洞Ⅱ类围岩采用喷混凝土支护,Ⅲ、Ⅳ类围岩采用锚喷混凝土支护;V类围岩采用锚喷混凝土加钢拱架一次支护外,并进行钢筋混凝土二次衬砌,厚40cm。

3.3秦岭隧洞汇流池设计

为满足黄三隧洞、越岭隧洞、三河口泵站、三河口水库坝后电站相互间的输(引)水需要,在三河口水库坝后右岸布置汇流池,衔接上述各建筑物的输(引)水功能。汇流池基本为“├”型布置:南北向长约60m东西向宽约30m,池底高程537.17m;黄三隧洞出口正面为越岭隧洞进口,右侧为三河口泵站及三河口水库坝后电站尾水的引(输)水洞进(出)口。三条隧洞进(出)口均设置一道7.2m×7.2m平面闸门,用于不同工况下的水流衔接控制,闸门设计采用630kN-10m固定卷扬机启闭,启闭机层高程554.37m,闸室长度均为12m,以10m长渐变段与各自洞身连接;在554.67m高程处布置半径为17.75m环形交通洞,与三河口二级泵站厂区道路相接,交通洞周长420m,纵坡1/40,洞宽4.5m,高6m,钢筋砼衬砌厚度0.4m。

4结语

陕西引汉济渭工程是国家172项节水供水重大水利工程之一,是解决陕西关中、陕北缺水和由此引发的生态环境问题而提出的一项战略性水资源配置工程。汉江水调入关中后,将于关中供水网络相互融合,形成稳定、互补的关中供水网,将为关中—天水城市群经济社会发展,提供强劲的水支撑,对陕西发展具有重大战略意义。随着工程的加快建设,陕西水资源总量不足、时空分布不均的发展瓶颈制约将大幅缓解,愿工程如期建成通水,早日造福三秦。

作者:龚裕凌 单位:陕西省水利发展调查与引汉济渭工程协调中心