山西省小浪底引黃工程引水干線設(shè)計(jì)方案優(yōu)化綜述

賈寶萍

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

山西省小浪底引黃工程引水干線設(shè)計(jì)方案優(yōu)化綜述

賈寶萍

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

山西省小浪底引黃工程是山西省大水網(wǎng)四大骨干工程之一，文中針對該工程引水干線的取水口、輸水線路、地下泵站站址及機(jī)組選型、板澗河調(diào)蓄水庫壩型進(jìn)一步比選、優(yōu)化和調(diào)整，保證了工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。

輸水線路；設(shè)計(jì)方案；優(yōu)化

1 工程概況

山西省小浪底引黃工程位于山西省運(yùn)城市，工程總體走勢為東南-西北向，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程庫區(qū)向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程。

工程由引水干線、灌區(qū)工程、工業(yè)和城鎮(zhèn)供水工程三部分組成，工程任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及城鎮(zhèn)生活供水、生態(tài)用水等綜合利用。引水干線總長59.6km，其中壓力洞1座，長5.95km；無壓洞1座，長53.16km；箱涵1座，長34 m；進(jìn)水塔1座，泵站2座，調(diào)蓄水庫2座，連通洞1座，末端出水池1座。小浪底引黃工程引水干線平面布置詳見圖1。

2 引水干線設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

2.1 取水口及末端出水池

考慮到小浪底水庫水位變幅大、調(diào)水調(diào)沙時(shí)的河勢及岸邊取水在庫區(qū)內(nèi)修建圍堰施工困難等因素，將取水口初選在板澗河右岸入河口處的黃河岸邊，距板澗入河口約600 m。從河勢上看，取水口位于黃河河道凹岸，低水位取水條件較好。從地形條件看，取水口所在山包上下游均為沖溝，引渠開挖邊坡位于沖溝內(nèi)，邊坡比較低，有利于引渠邊坡穩(wěn)定。而且通過進(jìn)一步對取水口進(jìn)行地質(zhì)勘查，取水口位置巖層分界線較陡，易布置進(jìn)水塔，因此所選取水口位置比較合適，不再進(jìn)行比選。取水口主要包括引渠段和進(jìn)水塔，引渠段長約140m，開挖斷面為梯形，底寬為12 m；進(jìn)水塔采用開敞式岸塔結(jié)構(gòu)，長25.4m，寬12~8.5m，塔高50m。

引水干線末端選擇在呂莊水庫，同時(shí)作為本工程的調(diào)蓄水庫之一?？紤]到凁水河流域的受水范圍較大，高程范圍從370～750 m，而現(xiàn)有的呂莊水庫位于受水區(qū)較適中位置，揚(yáng)程也較適中，還有一定的調(diào)蓄作用，因此末端出水池選擇在呂莊水庫比較合適，也不再進(jìn)行比選，末端入庫水位結(jié)合水庫正常蓄水位確定為480.3 m。

2.2 輸水線路優(yōu)化

引水干線起始于垣曲縣境內(nèi)的小浪底庫區(qū)，一路向西北橫穿中條山，終止于聞喜縣境內(nèi)的呂莊水庫，線路要向垣曲縣分水，要設(shè)連通洞與板澗河調(diào)蓄水庫連接，還要避開中條山有色公司銅礦的采空區(qū)，末端調(diào)蓄庫呂莊水庫早已建成，取水口位置確定后，線路的走向基本確定。應(yīng)根據(jù)沿線礦區(qū)采空區(qū)分布情況，并結(jié)合支洞選擇優(yōu)化輸水線路布置。設(shè)計(jì)階段對礦區(qū)采空區(qū)又進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，核實(shí)了采礦區(qū)的分布，與原調(diào)查結(jié)果相符。另外，支洞基本分布在輸水隧洞兩側(cè)，洞線靠近一側(cè)支洞時(shí)，另外一側(cè)的支洞勢必加長，或增加隧洞拐點(diǎn)，進(jìn)而增加隧洞長度；而且對于跨中條山段隧洞，隧洞埋深很大，兩側(cè)施工支洞布置困難，長度也較大，最長達(dá)1.44 km，設(shè)計(jì)階段實(shí)地踏勘了每條支洞，并進(jìn)一步比較后，認(rèn)為通過線路調(diào)整來減短支洞長度難以實(shí)現(xiàn)，原線路比較合適，只是原隧洞出口段位于堆渣上，將隧洞洞口往西南偏276 m，隧洞避開了渣場，線路長度增加了400 m，由原來的59.2 km增加到59.6 km。

2.3 地下泵站站址及機(jī)組選型優(yōu)化

地下泵站位于解峪鄉(xiāng)上游板澗河左岸坡，距小浪底庫區(qū)約6.2 km，泵站地下和地面廠房均緊鄰?fù)醢簿€公路，地下廠房埋深100～230 m。設(shè)計(jì)階段經(jīng)過地質(zhì)鉆孔分析，認(rèn)為原廠址圍巖比較破碎，為Ⅴ類圍巖，穩(wěn)定性差，因此將廠址向北移約150 m，新廠址地面高程450～500 m，廠房埋深 200～250 m，圍巖類別為Ⅲ類，穩(wěn)定性較好。另外根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果和巖層走向情況，廠房軸線向東偏30°，定為N10°E，與最大水平主應(yīng)力方向夾角為22°，與巖層軸向方向夾角約為17°。其他地下洞群根據(jù)主廠房位置作相應(yīng)調(diào)整。地面廠房為了交通方便依然布置在原位置，即王安線北側(cè)山坡上。

地下泵站原選用臥式三級雙吸離心泵，應(yīng)進(jìn)一步比較立式機(jī)組和臥式機(jī)組。設(shè)計(jì)階段對兩種泵型進(jìn)行了布置，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：臥式方案單機(jī)流量小，運(yùn)行靈活，安裝、運(yùn)行及維護(hù)簡便，廠房簡單、開挖深度較小，但臺(tái)數(shù)多、平面尺寸較大、占地面積較大；立式方案單機(jī)流量大，機(jī)組臺(tái)數(shù)少，安裝占地小，廠房分層布置、開挖深度較大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。但從水泵特性指標(biāo)看，立式泵性能指標(biāo)好，高效區(qū)寬，加權(quán)效率高，年耗電量小。從制造經(jīng)驗(yàn)看，臥式泵目前國內(nèi)還沒有這么大泵運(yùn)行實(shí)例，立式泵在國外已有成功運(yùn)行實(shí)例。由于立式泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，水泵和電機(jī)分層布置，噪音將會(huì)大大降低，對運(yùn)行人員的身心健康有很大提高。

鑒于我省萬家寨引黃工程已有類似大流量、高揚(yáng)程水泵機(jī)組先例，且其水泵選型歷經(jīng)近十年的反復(fù)論證和研究，工程已安裝設(shè)備從2001年投入運(yùn)行至今，運(yùn)行情況良好，對立式單級單吸離心泵運(yùn)行也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。在專家咨詢會(huì)上，也基本傾向于立式泵泵型。因此，經(jīng)過設(shè)計(jì)階段進(jìn)一步分析研究和技術(shù)咨詢，并結(jié)合本工程泵站地下特點(diǎn)，推薦采用單吸雙級立式離心泵方案，電機(jī)采用同步電機(jī)。

地下廠房開挖尺寸（長×寬×高）為99.85 m×19.8 m×33.43 m，分電動(dòng)機(jī)層、電纜層、水泵層和進(jìn)水閥層，布置6臺(tái)水泵，4大2小，大機(jī)組流量5 m3/s，小機(jī)組單機(jī)流量3 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程254 m。

2.4 板澗河調(diào)蓄水庫壩型選擇及優(yōu)化

板澗河調(diào)蓄水庫選擇板澗河村附近河段作為調(diào)蓄水庫庫址，壩址處于板澗河兩個(gè)彎道的中間段上，此段長約300 m，設(shè)計(jì)階段首先對壩軸線進(jìn)行了比選，在此段選取了兩個(gè)壩軸線，下游壩軸線較可研壩軸線減少了22 m，但工程布置比較困難，同時(shí)壩高也有所增加，因此不管是重力壩還是當(dāng)?shù)夭牧蠅?，上壩軸線都比較合適。

壩址兩岸岸坡較陡，巖石裸露，從地形看，重力壩、拱壩比較適合，因此可研階段按重力壩設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)階段經(jīng)過進(jìn)一步勘察分析，雖然從地形條件上看，滿足拱壩和重力壩建壩條件，但兩岸巖體節(jié)理裂隙發(fā)育且左岸存在古弱風(fēng)化帶，不能保證拱壩壩肩穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)階段壩型比較不再考慮拱壩。

雖然壩址區(qū)覆蓋層和基巖強(qiáng)風(fēng)化層較薄，但弱風(fēng)化層較厚，壩軸線處弱風(fēng)化層下限埋深在16 m左右，而且在下游坡腳處壩基存在石英砂巖與安山巖不整合接觸帶，致使重力壩方案壩高達(dá)102.3 m，兩岸石英砂巖岸坡風(fēng)化卸荷帶也使重力壩方案兩岸坡的開挖工程量加大。由于工程地處巖石山區(qū)，石料豐富，因此當(dāng)?shù)夭牧蠅慰紤]混凝土面板堆石壩，重力壩考慮碾壓混凝土重力壩進(jìn)行壩型方案比較。

1）碾壓混凝土重力壩由泄水壩段及擋水壩段組成。泄水壩段布置在河床中部，擋水壩段位于泄水壩段的兩側(cè)，大壩全長182 m，最大壩高102.3 m。溢流表孔共設(shè)6孔，堰凈寬48 m。沖沙泄流底孔為1孔，洞身為方形，尺寸3.0 m×3.6 m。

2）混凝土面板堆石壩由大壩、溢洪道、泄洪洞三部分組成。最大壩高85 m，壩頂長167 m，趾板置于弱風(fēng)化巖層上部，其余堆石壩殼基礎(chǔ)坐落在河床強(qiáng)風(fēng)化層上。溢洪道布置在左岸，全長253.5 m，閘孔凈寬3 m×8 m。泄洪洞布置于溢洪道左側(cè)，全長327 m，由隧洞進(jìn)口段、閘室段、無壓洞身段及出口消能段組成。

當(dāng)?shù)夭牧蠅慰梢跃偷厝〔?，壩體適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，基礎(chǔ)處理費(fèi)用低，工期短，施工技術(shù)簡單，工序之間干擾小。其缺點(diǎn)為：壩身不易布設(shè)泄洪建筑物，需修建岸邊式溢洪道；運(yùn)行過程中需要對上、下游壩坡進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)。

碾壓混凝土重力壩安全可靠，在各種壩型中，重力壩失事率是較低的，能夠抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水；供水建筑物和泄水建筑物均可集中布置在壩體上，運(yùn)行管理較方便。但碾壓混凝土重力壩壩體施工技術(shù)要求高，混凝土填筑受氣候影響大；壩基應(yīng)力較大，建基面要位于微風(fēng)化至弱風(fēng)化下部，開挖量較大，基礎(chǔ)處理費(fèi)用較高。

從水庫樞紐總布置、地形地質(zhì)條件、施工條件、筑壩材料、運(yùn)行管理、工程投資等方面進(jìn)行綜合比較，混凝土面板堆石壩明顯優(yōu)于碾壓混凝土重力壩。因此，設(shè)計(jì)階段推薦混凝土面板堆石壩方案。工程量及投資對比詳見表1。

表1 兩種壩型主要工程量及投資對比表

3 結(jié)語

根據(jù)河勢及取水條件確定了取水口位置，通過調(diào)蓄要求及現(xiàn)有工程情況確定了出水池位置，進(jìn)一步比選、優(yōu)化和調(diào)整，對輸水線路末端進(jìn)行了局部調(diào)整、對地下泵站站址位置作了相應(yīng)調(diào)整、地下泵站機(jī)組選用單吸雙級立式離心泵、板澗河調(diào)蓄水庫壩型選用混凝土面板堆石壩。通過設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，保證了工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，為工程的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

Summary on Design Scheme Optimization for the Diversion Main Line of the Shanxi Xiaolangdi Yellow River Diversion Project

JIA Bao-ping

The Shanxi Province Xiaolangdi Yellow River Diversion Project is one of the four key projects in Shanxi Province.In this paper，further comparison，optimization and adjustment for water intake，water supply line，the underground pumping station site，unit selection and the dam type of the Banjian river adjust reservoir are made to ensure the quality of engineering design.

water supply line；design scheme；optimization

TV222

B

2017-03-09

2017-05-11

賈寶萍（1965-），女，1989年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)，高級工程師。

1006-8139（2017）03-002-03