昌化江水資源配置引大濟石調(diào)水工程方案研究

夏承齋，諶 偉

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

海南省昌江黎族自治縣位于瓊西地區(qū)，縣域水資源較為豐沛，但多以暴雨和洪水形式出現(xiàn)，時空分布不均，難以利用。昌江縣現(xiàn)狀供水水源單一，石碌水庫幾乎承擔(dān)了昌江縣主要城鎮(zhèn)和灌區(qū)的生活、工業(yè)及灌溉供水任務(wù)；歷史上旱災(zāi)較為頻繁，近年來分別在2004、2010、2015年等年份發(fā)生了較為嚴重的旱災(zāi)。水資源分配不均、供水水庫庫容不足，導(dǎo)致了昌江縣資源性和工程性缺水同時存在，是昌江縣缺水的主要原因[1]。

海南省引大濟石及昌江縣水系連通工程是海南省“十三五”期間全面啟動的“補短板、強基礎(chǔ)、惠民生、利長遠”重大水利工程之一，也是海南省水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃確定的昌化江水資源配置工程的重要組成部分[2]。工程位于海南省瓊西地區(qū)昌江縣和東方市，工程擬從昌化江干流上的大廣壩水庫引水至其支流石碌河上的石碌水庫，結(jié)合石碌水庫來水及當(dāng)?shù)貜搅?，解決昌江縣城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉水量不足以及提高核電等工業(yè)供水保證率等問題。

2 工程選線

根據(jù)受水區(qū)昌江縣位置和周邊水源條件，可供選擇的外調(diào)水源擬定為昌化江。昌化江干流上有大型水庫兩座，大廣壩水庫為大(1)型水庫，距離石碌水庫輸水距離約30km，大廣壩下游的戈枕水庫為大(2)型水庫，距離石碌水庫輸水距離約20km。本次初擬定大廣壩水庫和戈枕水庫為工程外調(diào)水水源點。各水庫特征水位庫容參數(shù)見表1。

表1 水庫特征水位庫容參數(shù)

注：高程采用1985國家高程系，以下同。

根據(jù)地形地質(zhì)條件、移民征地、施工條件、生態(tài)環(huán)境影響、工程投資和運行管理等多方面的綜合比較論證，并結(jié)合調(diào)節(jié)運用水位條件，引大濟石調(diào)水工程線路擬從以下3個方案中比選。

2.1 無壓輸水全隧洞方案(方案一)

隧洞進口擬定在大廣壩水庫右壩頭東南約1.7km水庫岸邊一山脊處，進口底板高程126.80m。洞身線路向東北方向沿地勢較高的獼猴嶺山地布置，同時為避開霸王嶺國家級自然保護區(qū)，洞線在沿線分布的小型水庫上游和生態(tài)紅線之間布置，其地面高程165～650m。隧洞出口位于石碌水庫大壩左岸約4.0km處，出口底高程118.50m，隧洞全長30.13km，底坡為1/3545，洞身采用城門洞型。樁號0+000—26+108段，洞身總體位于微風(fēng)化花崗巖中，洞軸線方向與主要構(gòu)造方向小角度斜交，隧洞圍巖分類以Ⅱ類為主局部Ⅲ類，地質(zhì)條件總體較好[3]，洞身以素混凝土襯砌減糙和洞頂掛網(wǎng)噴射混凝土為主；樁號26+108～30+130段，洞身位于沉積巖或后期侵入的花崗斑巖巖墻中，巖體總體破碎，圍巖分類以Ⅳ類和Ⅴ類為主，隧洞突水涌水的可能性較大，地質(zhì)條件差，圍巖以鋼筋混凝土襯砌和系統(tǒng)錨桿支護為主[4]。

隧洞有壓和無壓輸水狀態(tài)的選擇：根據(jù)大廣壩和石碌兩水庫間水位水量調(diào)算成果，設(shè)計進出口最小水位差為9.0m，隧洞有壓或無壓均可實施。有壓洞為保證洞頂壓力余幅，隧洞進、出口及洞身沿線布置高程相比無壓洞要低，對布置在已建水庫內(nèi)的進、出口施工來講，其難度大大增加，最為關(guān)鍵的是有壓洞兩端與水庫相通、高程較低、而且距離較長，其運行、管理和維護非常不便，安全上也有顧慮，在條件許可的情況下，優(yōu)先采用無壓輸水方案。

2.2 壓力管道+隧洞方案(方案二)

進水口布置在大廣壩水庫右壩頭西南約750m處，地貌上為構(gòu)造殘山，進口洞身段位于全風(fēng)化花崗巖中，該段樁號0+465—1+650采用有壓圓形隧洞，圍巖分類為Ⅴ類，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌和系統(tǒng)錨桿支護；樁號1+650—15+650段地貌上為低丘陵和谷地地貌，地勢總體平緩起伏不大，采用DN3400預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)壓力輸水[5]；樁號15+650后為中低山地貌，地面高程150～675m，采用無壓隧洞輸水，在樁號20+399與方案一段隧洞線路重合至出口；該段無壓隧洞巖體總體較為破碎，圍巖分類為Ⅳ類～Ⅴ類，洞身為城門洞型采用全斷面鋼筋混凝土襯砌和系統(tǒng)錨桿支護。

本方案調(diào)水路線全長29.50km，其中有壓隧洞長1.19km，壓力管道長14.0km，無壓隧洞長13.85km。進口設(shè)進水塔底高程為123.0m，閘門控制，閘后接圓型隧洞，直徑3.4m，隧洞后接PCCP管，管徑DN3400mm，PCCP管道末端設(shè)置連接井與無壓隧洞相連，無壓隧洞斷面及底坡同方案一，出口高程118.50m。

2.3 戈枕水庫提水方案(方案三)

根據(jù)規(guī)劃設(shè)計成果，從戈枕水庫建泵站提水至石碌水庫，沿線為中低山地貌。泵站最低運行水位50.83m，泵站最高運行水位54.84m。泵站取水進口擬布置于戈枕水庫大壩右岸上游約450m處，采用單級提水至137.4m高程后經(jīng)自流至石碌水庫。該方案前段采用圓形有壓隧洞和有壓管道輸水；后段采用城門洞型無壓輸水，底坡為1/2000。

泵站提水方案全長20.05km，其中有壓隧洞4.93km，管道3.88km，無壓隧洞11.24km。樁號0+000—1+060壓力管道段，管道基礎(chǔ)大多座落在全～弱風(fēng)化黑云母二長花崗質(zhì)片麻巖中；樁號1+060—5+510段有壓隧洞段的洞身基本位于弱～微風(fēng)化黑云母二長花崗質(zhì)片麻巖和石英絹云母千枚巖中，隧洞圍巖分類以Ⅱ類和Ⅲ類為主；樁號5+510—9+512段壓力管道基礎(chǔ)基本位于全風(fēng)化花崗巖中；樁號9+512—20+050段無壓隧洞洞身基本位于沉積巖或后期侵入的花崗斑巖巖墻中，巖體總體破碎，圍巖分類以Ⅳ類和Ⅴ類為主，洞身采用全斷面鋼筋混凝土襯砌和系統(tǒng)錨桿支護。

2.4 方案比選

引大濟石調(diào)水布置線路3個方案的主要工程量和投資比較見表2。

表2 引大濟石調(diào)水3個方案工程量和可比投資

線路布置方面：方案一、方案二重力輸水線路較長，方案三線路較短，但需要興建提水泵站；地質(zhì)條件方面：方案一全線埋深較深，工程地質(zhì)條件總體較好，方案二和方案三地質(zhì)條件較差；工程管理方面：方案三需新建1座泵站，運行管理繁瑣且運行費用較高，方案一的隧洞運行期較為穩(wěn)定，維護成本較??；工程占地及生態(tài)環(huán)境影響方面：方案一除進出口有少量永久占地外，不新增其他永久占地，同時對地表植被和生態(tài)環(huán)境影響最?。还こ掏顿Y方面：3個方案總投資較為接近。

綜合以上3方案地形地質(zhì)、運行管理、施工維護、占地及生態(tài)環(huán)境影響和投資等因素，推薦采用無壓輸水全隧洞方案。

3 施工方案比選

引大濟石無壓輸水全隧洞長30.13km，目前國內(nèi)常規(guī)開挖方案主要有鉆爆法和TBM法。鉆爆法使用范圍廣，不受隧洞斷面尺寸和形狀限制，對各類圍巖均能適用，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件變化時，各種參數(shù)和施工工藝隨之變化，具有施工設(shè)備組裝和工地之間轉(zhuǎn)移方便、重復(fù)利用率高等優(yōu)點，因此在工程實踐中，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。它的缺點是施工工序多、安全性差、掘進速度慢、通風(fēng)條件差，無支洞情況下長隧洞難于施工。TBM施工技術(shù)近年來在長隧洞施工中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了成功的經(jīng)驗。采用TBM施工，具有作業(yè)人員少、掘進速度快、成洞質(zhì)量好、施工安全、環(huán)保等許多優(yōu)點。其缺點主要有：地質(zhì)適應(yīng)性較差，斷面適應(yīng)性差，運輸困難，對施工場地有特殊要求，對供電要求高和設(shè)備購置及使用成本高[6- 7]。本工程鉆爆法和TBM法隧洞開挖支護橫斷面設(shè)計方案如圖1所示。

鉆爆法隧洞斷面采用城門洞型，對于Ⅱ類～Ⅲ類圍巖，采用手風(fēng)鉆全斷面造孔，光面爆破，隧洞開挖2～3m一個循環(huán)，視圍巖情況及時進行局部支護；對于Ⅳ類～Ⅴ類圍巖，需采用注漿小導(dǎo)管進行超前支護，手風(fēng)鉆開挖，短進尺、小藥量、弱爆破，周邊孔光爆，0.5～1.0m一個循環(huán)，視圍巖情況開挖后立即施作錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架等一次支護[8- 9]。主洞共設(shè)12條施工支洞，均為平洞，支洞最長1268m，最短283m，平均長度624m，共24個工作面，獨頭掘進最大長度(含施工支洞)2395m，最小長度683m，平均長度1884m。隧洞出渣采用小型立爪式扒渣機裝石渣，小型農(nóng)用自卸汽車運至棄渣場。隧洞混凝土襯砌采用鋼模臺車作為模板，人工綁扎鋼筋，由洞口的混凝土拌和站拌制砼，3.5t自卸汽車洞內(nèi)運輸至工作面卸入砼泵內(nèi)經(jīng)泵送入倉，振搗密室。

TBM法采用敞開式施工[10]，隧洞斷面為圓形，隧洞開挖直徑4.6m，鋼筋混凝土襯砌厚度30cm。

圖1 鉆爆法和TBM法隧洞開挖支護橫斷面圖

主洞采用2臺敞開式TBM(編號1#、2#)施工，共設(shè)5條施工支洞(編號1#～5#，均為平洞，支洞最長860m，最短320m，平均長度564m)，支洞及與其相連的主洞鉆爆段采用鉆爆法施工。1#TBM施工長度14.75km，分2段施工，從5#支洞步進進洞，當(dāng)1#TBM推進至4#施工支洞(檢修洞)后，材料供應(yīng)、出渣及風(fēng)、水、電供應(yīng)改為從4#支洞供給，并最終從3#支洞拆卸出洞；2#TBM施工長度14.59km，分2段施工，從3#支洞步進進洞，當(dāng)2#TBM推進至2#支洞(檢修洞)后，材料供應(yīng)、出渣及風(fēng)、水、電供應(yīng)改為從2#支洞供給，并最終從1#支洞拆卸出洞?？紤]施工支洞坡度均在6%～9%之間，不能滿足機車有軌運輸坡度小于3%的要求，因此石渣采用膠帶輸送機運輸，運至洞外后采用挖掘機或裝載機裝自卸汽車二次轉(zhuǎn)運至棄渣場[11]。施工兩方案的主要指標(biāo)比較見表3。

表3 輸水隧洞施工方案指標(biāo)比較表

注：主體工程量不含進出口建筑物工程量。

開挖質(zhì)量及地質(zhì)適應(yīng)情況：TBM采用滾刀進行破巖，避免爆破作業(yè)，成洞周圍巖層不會受爆破振動而破壞，洞壁完整光滑，超挖量少，但其地質(zhì)適應(yīng)性較差，本工程隧洞有約4km長破碎帶，采用TBM施工風(fēng)險極大。鉆爆法具有機動靈活的優(yōu)越性，地質(zhì)適應(yīng)性較好，但其對圍巖的擾動破壞性較大，成洞質(zhì)量相對較差；環(huán)保、安全方面：與鉆爆法相比，TBM法安全、高效，改善了施工作業(yè)環(huán)境，施工現(xiàn)場環(huán)境污染??；適用性方面：TBM運輸困難，對施工場地有特殊要求，設(shè)備購置及使用成本大。TBM施工需要高負荷的電力保證，需要高素質(zhì)的技術(shù)人員和管理隊伍、前期購買設(shè)備的費用較高。

綜上所述，輸水隧洞開挖推薦鉆爆法方案。

4 結(jié)語

水資源調(diào)水工程線路方案比選是復(fù)雜多目標(biāo)決策問題，其影響評價因素眾多。本文綜合考慮了調(diào)水工程線路方案的多指標(biāo)和多因素的特點，給出了初步的定量綜合評價結(jié)果。方案研究中仍存在諸多不足，需進一步研究的主要問題如下。

(1)確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，更科學(xué)全面的考慮各種主客觀因素，建立系統(tǒng)評價模型。

(2)對鉆爆法和TBM法施工的方案設(shè)計需細化績效比較的因素；進一步分析全隧洞方案中鉆爆法和TBM法聯(lián)合施工的方案。

(3)調(diào)水工程方案決策時，尚需結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w實際情況進行一定的定性分析，以便做出更為科學(xué)合理的決策。