某水系連通工程壓力引水隧洞方案比選分析

張 博，趙小寧

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018）

1 概述

1.1 工程概況

某引水隧洞工程位于江西省九江市，通過本工程將庫水引入臨近流域水系，改善區(qū)域水資源調配能力，解決城區(qū)供水保障問題，同時實現(xiàn)改善和提高河流水動力條件，增強河流水資源水環(huán)境承載力，提高水體自凈能力，保護水域生態(tài)環(huán)境。

本工程將新建隧洞長約6.826 km，引水流量為1.7 m3/s，采用有壓城門洞過流，引水隧洞設置岸塔式進水口，進水口內設攔污柵、分層取水疊梁門、檢修閘門，出口設置蝶閥控制引用流量。

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[1]《水閘設計規(guī)范》[2]以及修水城市規(guī)劃，本項目的工程等級為Ⅳ等?。?）型工程，相應主要建筑物級別為4級；次要建筑物、臨時建筑物為5級。

1.2 工程地質情況

工程區(qū)位于揚子準地臺～下?lián)P子錢塘臺拗～修水一武寧凹褶斷束區(qū)，地處低山溝梁相間地貌區(qū)，植被茂密；區(qū)內出露地層主要有中元古界雙橋山群上亞群（Pt2sh2）板巖系列、震旦系南沱組（Z2n）砂巖系列，第四系全新統(tǒng)（Q4）覆蓋層組成，區(qū)域斷裂在隧洞臨近出口段發(fā)育，巖體中裂隙發(fā)育，巖質中硬～堅硬，薄層狀～層狀結構為主，全隧洞段均位于地下水位以下，隧洞總體沿竹坪河谷一帶布設，埋深40 m～370 m不等。

隧洞圍堰類別以Ⅲ1、Ⅲ2類圍巖為主，進出口段為Ⅳ類圍巖，局部斷層帶為Ⅴ類圍巖；隧洞圍巖巖質中硬～較堅硬，層狀結構～薄層狀結構為主，巖體總完整性較好，除局部斷層、進出口區(qū)外，總體成洞條件較好。

1.3 工程特點

在項目投標階段工程任務主要為縣城供水，任務較為單一。整個引水隧洞軸線長約6.826 km，為一個開挖斷面，考慮施工條件及運行特點，采用有壓的城門洞斷面，在隧洞出口設檢修閘門，控制引用流量即可。

在項目實施過程中業(yè)主提出整個項目要同時考慮城鎮(zhèn)供水和施工運輸的要求及所在地羽嶺村居民出行交通需要，即引水隧洞要考慮施工期交通和運行期居民出行要求，一洞多用。由于功能定位發(fā)生了變化，因此需對引水隧洞的多種設計方案進行綜合比選。

2 引水方案初擬

綜合考慮業(yè)主對隧洞施工期交通和運行期居民出行需要的要求，參考其他工程設計形式[3-8]，初擬了以下四個方案。

方案一：引水隧洞不考慮交通要求，施工期及居民交通需求將通過改造環(huán)山公路解決。

方案二：引水隧洞考慮交通要求，豎井以下通過壓力明鋼管進行供水。

方案三：引水隧洞考慮交通要求，豎井以下通過地下埋管進行供水。

方案四：引水隧洞考慮交通要求，豎井以下通過地下混凝土涵管進行供水。

四種方案上游4.069 km全斷面過水隧洞結構、體型相同；方案二～方案四均樁號引3+992.80處設置豎井，在豎井下游2.754 km的布置方案差別。

2.1 方案一

引水隧洞軸線全長約6.826 km，全段為城門洞形，隧洞開挖凈斷面尺寸3.6 m×3.6 m（寬×高），其中直墻高2.56 m，拱高1.04 m，頂拱圓心角120°，頂拱半徑R=2.08 m。對于Ⅱ類圍巖采用隨機錨桿+素噴混凝土予以支護，噴護厚度10cm；對于Ⅲ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+掛網噴混凝土予以支護，噴護厚度10 cm；對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用系統(tǒng)錨桿+鋼筋混凝土襯砌予以支護，襯砌厚度30 cm，引水隧洞斷面體型見圖1。在引水隧洞軸線樁號引3+992.80處設一施工豎井，根據施工開挖和出渣需要，豎井開挖半徑R=1.80 m，采用臨時支護措施。

圖1 引水隧洞斷面體型圖（以Ⅳ類圍巖為例）

考慮豎井頂部羽嶺村居民出行的需要及豎井施工期運輸的需要，在竹坪鄉(xiāng)至豎井頂部改建現(xiàn)有通往羊場的一條交通道路（298鄉(xiāng)道），該段道路長度約19.0 km，現(xiàn)狀為山間小路，有現(xiàn)狀水泥路面，寬度約3 m，蜿蜒曲折，但道路擴建的基礎條件較好。根據施工期交通需要，將該道路進行適當的擴寬，對于損毀狹窄，彎道不符合運輸要求段進行局部的修正，同時進行必要的開挖削坡支護，在雨季還需做好路面及邊坡的維護、防護工作，交通道路改造示意圖見圖2。

圖2 交通道路改造示意圖

2.2 方案二

在引水隧洞軸線樁號引0+000.00～引3+992.8 m段全長3992.8 m與方案一結構及支護形式相同。引3+992.80段～引6+746.80為城門洞型，全長2754 m，考慮遠期交通的需求，對該段隧洞進行擴挖，確保凈過車斷面不小于2.4 m。隧洞開挖凈斷面尺寸5.3 m×3.9 m（寬×高），城門洞型，其中直墻高2.63 m，拱高1.27 m，頂拱圓心角102°，頂拱半徑R=3.40 m。支護形式同上段引水隧洞。

樁號引3+992.80～引6+746.80采用明管輸水，引水鋼管位于隧洞左側，為確保引水能夠自流至供水水廠（高程：165 m，距離引水隧洞出口約6.5 km）需控制壓力鋼管的水頭損失，采用引水鋼管管徑1.4 m，控制流速1.1 m3/s，該段2.8 km長壓力鋼管的水頭損失約為2.0 m，管材選用Q235-C，壁厚t=12 mm。支墩高60 cm，間距6 m布置，下游交通隧洞斷面體型見圖3。

圖3 方案二下游交通隧洞斷面體型圖（以Ⅳ類圍巖為例）

樁號引3+992.80處設一交通兼施工豎井，根據交通的功能需要，豎井開挖半徑R=4.80 m，全斷面襯砌，混凝土襯砌厚度40 cm。豎井中設計兩部電梯，其中一部客梯（額定載重1050 kg，額定速度3 m/s，井道尺寸2110 mm×2220 mm，轎廂尺寸1600 mm×1500 mm）、一部客貨兩用電梯（額定載重1350 kg，額定速度3 m/s，井道尺寸2540 mm×2220 mm，轎廂尺寸2000 mm×1500 mm），并設計一套疏散樓梯（疏散單寬1.3 m）。豎井斷面結構示意見圖4。

圖4 豎井斷面結構示意圖

2.3 方案三

在引水隧洞軸線樁號引0+000.00～引3+992.8 m段全長3992.8 m與方案一結構及支護形式相同。引3+992.80段～引6+746.80采用埋管供水，隧洞開挖斷面為復式斷面，隧洞下部尺寸2.6 m×2 m（寬×高），上部開挖斷面尺寸同引水隧洞軸線樁號引0+000.00～引3+992.80 m段。支護形式同上段引水隧洞。

預埋鋼管位于隧洞正下方，為確保引水能夠自流至供水水廠（高程：165 m，距離引水隧洞出口約6.5 km）需控制壓力鋼管的水頭損失，采用引水鋼管管徑1.4 m，控制流速1.1 m3/s，該段2.8 km長壓力鋼管的水頭損失約為2.0 m，管材選用Q235-C，壁厚t=12 mm，加勁環(huán)間距2 m。方案三下游交通隧洞斷面體型見圖5。

圖5 方案三下游交通隧洞斷面體型圖（以Ⅳ類圍巖為例）

在引水隧洞軸線樁號引3+992.80處設計與方案一相同的交通兼施工豎井。

2.4 方案四

在引水隧洞軸線樁號引0+000.00至引3+992.8 m段全長3992.8 m與方案一結構及支護形式相同。引3+992.80段～引6+746.80采用有壓封閉混凝土涵洞引水。為確保引水能夠自流至供水水廠（高程：165 m，距離引水隧洞出口約6.5 km）需控制有壓封閉混凝土涵洞的水頭損失，涵洞凈尺寸2.8 m×0.8 m（寬×高），控制流速0.8 m3/s，該段2.8 km長有壓封閉混凝土涵洞的水頭損失約為1.8 m。隧洞開挖斷面尺寸3.6 m×4.9 m（寬×高），其中直墻高3.86 m，拱高1.04 m，頂拱圓心角120°，頂拱半徑R=2.08 m。方案四下游交通隧洞斷面體型見圖6。

在引水隧洞軸線樁號引3+992.80處設計與方案一相同的交通兼施工豎井。

圖6 方案四下游交通隧洞斷面體型圖（以Ⅳ類圍巖為例）

3 方案對比分析

通過以上四個方案的體形設計，計算了各個方案的引水隧洞洞身主體工程投資和工期見表1，同時梳理四個方案下施工工藝及難易程度見表2。

表1 各方案主體工程投資與工期對比表

從投資和工期角度看：方案一可比部分投資約為5260.04萬元，施工工期約20個月，投資、工期均小于其他3個方案；方案三可比部分投資約為6130.62萬元，施工工期約為34個月，投資、工期均大于其他3個方案。

從施工及使用角度來看：

（1）方案二～方案四將引水隧洞和當地交通相結合，后期若交通規(guī)劃方案調整，豎井結構難以適應交通規(guī)劃方案的變化，使用功能有待商榷。

（2）方案二施工簡單，但鋼管位置位于觀光隧洞一側，管線、鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)等侵占觀光隧道空間，不利于觀光隧洞景觀效果，同時由于鋼管明置，需對其定期進行防腐保養(yǎng)。

（3）方案三埋管方案位于觀光隧道下方，無支墩、鎮(zhèn)墩、伸縮節(jié)等，同時管道設置不影響交通隧道，但需要二次開挖，增加了工程量，且施工最為復雜。

（4）方案四混凝土有壓涵洞輸水方案，首先箱涵結構不利于承受較大的內壓，當輸水量小于設計流量時，由于斷面尺寸不變，沿程損失變小，需調控富裕水頭。調控富裕水頭時會使箱涵結構內水壓力增加，當操作不當時，產生的過大水壓力會使本不能承受較大內水壓力的箱涵結構造成危害，同時本方案由于受到尺寸限制，日后無法進行檢修。

（5）方案一從使用功能上來講，將引水隧洞和當地交通功能分開，引水隧洞后期運行檢修方便，且交通道路可根據當地整體規(guī)劃的確定而分期分步實施，使用效率高，施工簡單，因此可作為本項目的首選方案。

4 結語

根據本工程施工特點及業(yè)主提出的交通要求，對擬定的四個方案在工程投資、工期以及施工工藝等方面進行了綜合考慮。鑒于方案一投資省、工期短、施工工藝簡單，后期運行中引水隧洞檢修方便，且將引水隧洞和交通分開，使用靈活，安全系數高等優(yōu)點，推薦其為實施方案。