天陽盆地地下水置換工程輸水線路方案比選

李 芳

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概述

天陽盆地位于山西大同盆地東北部，為河北、內(nèi)蒙古、山西三省交匯地帶，南北長51 km，東西寬39 km，面積約1 000 km2，陽高縣、天鎮(zhèn)縣位于天陽盆地內(nèi)。盆地北側(cè)為云門山山脈，西側(cè)為采涼山山脈，與黑龍洞山共同圍成一個(gè)開口向東的山間斷陷盆地，底部高程1 008～1 128 m，南洋河為盆地內(nèi)最大河流。

天陽盆地內(nèi)較大的灌區(qū)，有孤峰山灌區(qū)、黃黑水河灌區(qū)和蘭玉堡揚(yáng)水站高管區(qū)，區(qū)內(nèi)具有較好的土地、光熱等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。近年來，盆地內(nèi)部分河流、水庫干涸，地表水來水量減少，灌區(qū)實(shí)際灌溉面積持續(xù)減小。為遏制作物大幅減產(chǎn)，灌區(qū)大量抽取地下水灌溉，導(dǎo)致地下水位急劇下降，尤其是白登—南洋河兩岸5～7 km范圍內(nèi)，地下水超采嚴(yán)重，河道基流銳減。目前，天陽盆地內(nèi)有1/3的地下水埋深已超過20 m，盆地內(nèi)河流、水庫均已干涸。

調(diào)水是解決天陽盆地農(nóng)業(yè)缺水及生態(tài)問題的唯一途徑。本工程擬從冊田水庫調(diào)引黃河水至天陽盆地，以置換地下水，緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾，涵養(yǎng)地下水源，修復(fù)生態(tài)環(huán)境。天陽盆地地下水置換工程水源為冊田水庫，取水點(diǎn)位于冊田灌區(qū)北干分灌區(qū)提水工程末端的西營出水池，引水至陽高縣磚井村西南白登河上游的一支溝（后溝）右岸，距磚井村約0.5 km，線路總的走向?yàn)闁|南—西北向，引水設(shè)計(jì)流量為5.0 m3/s，以引黃水置換地下水3 000萬m3。井灌面積0.96萬hm2，其中陽高縣0.57萬hm2，天鎮(zhèn)縣0.39萬hm2。

2 地質(zhì)情況

2.1 區(qū)域地質(zhì)

本區(qū)位于山西省東北部的大同盆地東北部，天陽盆地為大同盆地邊緣地帶二級斷陷盆地，御駕山及馬蹄山為天陽盆地與大同盆地分水嶺。南洋河為天陽盆地內(nèi)最大的河流，其源頭位于天陽盆地南端的鵝豐澗，南洋河上游稱為白登河，一級支流有黑水河、黃水河、上吾其河、三沙河等。

本區(qū)域出露地層由老到新有太古界桑干河群、五臺群、右所堡組、和瓦窯口組，元古界震旦系、古生界寒武系和奧陶系、新生界上第三系、第四系地層。

本區(qū)域大地構(gòu)造位置屬內(nèi)蒙斷塊南緣，所處大地構(gòu)造單元地跨桑干河新斷陷的北端及內(nèi)蒙斷塊構(gòu)造的東段，區(qū)內(nèi)西靠云岡塊坳，東鄰燕山斷塊構(gòu)造。桑干河新斷陷與內(nèi)蒙斷塊東段構(gòu)造的界線位于大同市文瀛湖至大同縣北側(cè)的閣老山一線。本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動的特點(diǎn)是沿老的斷裂構(gòu)造活動，具有斷塊性質(zhì)的上升與下降運(yùn)動，并伴隨著強(qiáng)烈的火山噴發(fā)。

陽高、天鎮(zhèn)北山坡腳發(fā)育有陽高破碎帶，走向NEE，長約45 km，寬1～3 km，亦為基巖山區(qū)與洪積傾斜平原區(qū)分界線，破碎帶內(nèi)巖石普遍破碎，遭受動力變質(zhì)（綠泥石化、糜棱巖化、硅化作用）強(qiáng)烈。斷裂南側(cè)山前洪積扇比較發(fā)育，說明燕山期以來仍不斷活動，斷裂北側(cè)山高嶺峻，燕山期中酸性侵入體、巖脈極發(fā)育。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對較簡單。基本構(gòu)造格架為一系列弧形褶皺構(gòu)成的旋卷構(gòu)造，褶皺兩翼巖層傾角較陡，一般為50°～80°，褶皺相對緊密，總體呈向西凸的弧形，并向南部收斂，向北散開的構(gòu)造形跡。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015），西營加壓泵站及壓力管線段地震動峰值加速度為0.15 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震烈度為7°，馬蹄山隧洞段地震動峰值加速度為0.20 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震烈度為8°。

根據(jù)本區(qū)地下水的賦存形式和含水介質(zhì)的特性可將本區(qū)地下水分為：太古界變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙水、玄武巖風(fēng)化裂隙水及第四系松散巖類孔隙水。

區(qū)域內(nèi)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為基巖風(fēng)化、滑塌及崩塌。

2.2 線路工程地質(zhì)

2.2.1 西營泵站工程地質(zhì)

西營加壓泵站基礎(chǔ)持力層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積級配良好砂層及低液限粘土層，主要存在不均勻沉降變形及濕陷工程地質(zhì)問題。

2.2.2 壓力管道工程地質(zhì)

隧洞前壓力管道處于山前傾斜平原區(qū)及沖溝內(nèi)，壓力管道基礎(chǔ)持力層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積物（Q3dpl），巖性為低液限粘土層及級配不良砂層。該段壓力管道主要存在不均勻沉降變形、濕陷及高邊坡工程地質(zhì)問題。

2.2.3 馬蹄山隧洞及施工支洞工程地質(zhì)

隧洞及施工支洞圍巖有太古界桑干群葛胡窯組上段（Asg2）角閃黑云二長片麻巖、黑色斜長角閃二輝麻粒巖、黑云斜長片麻巖、花崗片麻巖及輝綠巖侵入體，（Q3）火山玄武巖，第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）淺紅、紅色粘土、級配不良砂層及低液限粘土夾塊碎石及第四系上更新統(tǒng)坡洪積物（Q3dpl），巖性為低液限粘土層及級配不良砂層。隧洞土洞段長約3.73 km，基巖洞段長約8.58 km，基巖洞段圍巖類別有Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類。主要存在圍巖穩(wěn)定、涌水、涌砂及洞臉穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題。同時(shí)，施工排水對周邊村莊的水井會產(chǎn)生一定的影響。

3 初步方案

3.1 影響線路選擇的因素

線路選擇及布置主要考慮的因素：線路少占農(nóng)田或盡量不占農(nóng)田；線路應(yīng)力求順直，管線可能盡量沿道路定線；盡量避開滑坡、崩塌、沉陷、泥石流等工程地質(zhì)不良地段、高地下水位地區(qū)、洪水淹沒和沖刷地區(qū)以及人口稠密區(qū)。如受條件限制必須通過時(shí)，應(yīng)采取可靠的防護(hù)措施；隧洞為控制性工程，在條件允許的情況下力求最短。

3.2 方案擬定

引水工程取水位置選在現(xiàn)有的冊田灌區(qū)北干分灌區(qū)提水工程末端的西營出水池；本工程任務(wù)是從冊田水庫調(diào)引黃河水3 000萬m3至地下水超采的天陽盆地，以置換當(dāng)?shù)氐叵滤虼藢⑤斔€路末端選擇在天陽盆地白登河上游附近。引水工程取水位置及線路末端確定后，輸水線路的走向基本確定，即自現(xiàn)有西營出水池取水，線路沿東南～西北走向，終止于天陽盆地白登河上游附近。

根據(jù)輸水線路沿線地形、地質(zhì)條件和建筑物施工難度、工期等方面的施工特點(diǎn)，結(jié)合本工程的運(yùn)行要求，擬定兩方案進(jìn)行比選。方案一為全程無壓隧洞輸水，方案二為泵站加壓與無壓隧洞輸水結(jié)合。

3.2.1 全程無壓隧洞輸水（方案一）

現(xiàn)狀西營出水池設(shè)計(jì)水位1 089.363 m，白登河上游附近地面高程1 095～10 80 m，從線路地形高程上看有自流條件。采用引水箱涵將水自西營出水池引至西營村南的隧洞進(jìn)口，之后沿西北方向布置隧洞，出口于賈峰村西北的白登河上游附近，距賈峰村約0.8 km，線路總長17.0 km。本方案樁號0+000—0+350段為引水涵，長度0.35 km；樁號0+350—17+000為無壓隧洞段，長度16.65 km，其中巖石洞長9.6 km，土洞段長7.05 m（包括長度0.3 km輸水箱涵），土洞在樁號9+970—17+000段（長度6.03 km）位于地下水位以下，洞頂以上最大水頭74 m。在樁號14+900—15+100段洞線橫穿石頭溝，溝上游有孫家港水庫和賈峰水庫，穿溝處地面高程1 087～1 090 m，洞頂以上覆土深度0～3 m，此段成洞困難，并且存在河道沖刷問題。

表1 方案一特性表

3.2.2 泵站加壓與無壓隧洞輸水結(jié)合（方案二）

本工程中隧洞為控制性工程，在隧洞進(jìn)出口地形條件及施工條件相對較好的情況下，盡量減少隧洞長度，以降低施工難度，縮短工期。本工程通過現(xiàn)有冊田灌區(qū)北干分灌區(qū)提水工程自冊田水庫提水至西營出水池，地形揚(yáng)程153.4 m，考慮在地形、地質(zhì)條件可行情況下，引水工程自西營出水池提水揚(yáng)程不宜太大。

本方案在西營出水池西北側(cè)布置西營加壓泵站，泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位1 089.2 m，地形揚(yáng)程24.3 m，設(shè)計(jì)流量5.0 m3/s，泵站裝機(jī)2 240 kW，通過西營泵站揚(yáng)水至西營村西的隧洞進(jìn)口，設(shè)計(jì)水位1 113.5 m，之后沿西北方向布置隧洞，經(jīng)隧洞將水送入磚井村西南的白登河上游的一條支溝（后溝），水順后溝進(jìn)入白登河上游，線路總長約13.63 km。本方案加壓泵站1座，樁號0-032.0—1+280.2為壓力管線，長1.312 km；樁號1+288—13+594為無壓隧洞，長度12.31 km，其中巖石洞長8.58 km，土洞段長3.73 km，土洞在樁號10+170—13+150（長度2.98 km）位于地下水位以下，洞頂以上最大水頭50 m。

表2 方案二特性表

4 方案比選

4.1 工程布置

方案一為全自流輸水，方案二為泵站加壓和隧洞輸水結(jié)合方式，兩方案輸水方式不同，線路平面走向基本相同，線路縱方向（即高程）方案二比方案一高程抬高約24.3 m。根據(jù)工程布置，方案一包括輸水隧洞和涵洞，線路長17.0 km，其中隧洞長16.65 km；方案二包括加壓泵站、輸水隧洞，線路長13.63 km，其中隧洞長12.31 km。方案二比方案一隧洞長度縮短了4.34 km，并且施工支洞的數(shù)量和長度也較方案一減少，因此方案二與方案一相比施工難度低，工期短。從工程布置方案來看，方案二優(yōu)于方案一。

4.2 地形地質(zhì)條件

兩方案巖石洞段地質(zhì)情況基本相近。方案一地下水位以下土洞段長度7.03 km，且洞頂以上最大水頭74 m；方案二地下水位以下土洞段長度2.98 km，且洞頂以上最大水頭約50 m。兩方案相比，方案二比方案一水下土洞長度短了兩倍多，且外水水頭比方案一也低，因此從地形、地質(zhì)條件分析，方案二優(yōu)于方案一。

4.3 運(yùn)行管理

方案一為輸水隧洞和涵洞自流輸水，運(yùn)行管理相對簡單；方案二設(shè)加壓泵站，相對系統(tǒng)調(diào)節(jié)較方案一復(fù)雜。從運(yùn)行管理方面分析，方案一優(yōu)于方案二。

4.4 工程投資

對工程建設(shè)期和運(yùn)行期總費(fèi)用進(jìn)行比較。本工程等別Ⅲ等，依據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL654-2014），工程使用壽命50年，折算年限按50年，折現(xiàn)率采用4%。兩方案工程直接費(fèi)用見表3，工程運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值見表4。

表3 兩方案工程投資對比表 單位：萬元

表4 兩方案工程運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值表

工程總費(fèi)用現(xiàn)值，為工程投資和工程運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值之和。經(jīng)計(jì)算，方案一為53 727萬元，方案二為44 006萬元，方案二比方案一節(jié)省9 721萬元。

通過以上幾方面的綜合比較，方案二優(yōu)于方案一，采用方案二。

5 結(jié)論

天陽盆地地下水置換工程以冊田水庫為水源，線路經(jīng)比較后，選定利用現(xiàn)有冊田灌區(qū)北干分灌區(qū)提水工程，采用泵站提水、隧洞輸水的方式，向天陽盆地供水的方案。引水工程建設(shè)后，需對冊田灌區(qū)泵站改擴(kuò)建工程進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，使工程充分發(fā)揮其應(yīng)有的效益。