淺析引漢濟(jì)渭水源及秦嶺輸水隧洞工程設(shè)計(jì)

龔裕凌

（陜西省水利發(fā)展調(diào)查與引漢濟(jì)渭工程協(xié)調(diào)中心,陜西 西安 710004）

1 陜西引漢濟(jì)渭工程概況

1.1 工程建設(shè)背景

陜西省水資源地域和時(shí)空分布不均,與人口與國(guó)土面積和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不匹配。資料顯示：陜西省陜南地區(qū)的漢江、嘉陵江流域占71%的水資源,而關(guān)中、陜北地區(qū)水資源量只占全省的29%,而在人口、土地面積、經(jīng)濟(jì)總量上卻分別占全省77%、65%和90%,水資源可利用量已接近極限。根據(jù)《陜西省水資源綜合規(guī)劃》調(diào)查評(píng)價(jià)和現(xiàn)狀分析,關(guān)中地區(qū)水資源總量68.03 億m3,入境水量39.33 億m3。人均和耕地畝均水資源量分別為304 m3和297 m3,僅占全國(guó)平均水平的14%和17%,屬于嚴(yán)重資源性缺水地區(qū),現(xiàn)狀供需矛盾十分突出。

1.2 工程總體布局

調(diào)水工程：在漢江洋縣段干流上修建黃金峽水庫(kù),在漢江支流子午河修建三河口水庫(kù),作為兩個(gè)取水水源。由黃金峽水庫(kù)泵站提水100 余米,通過黃三隧洞流入三河口水庫(kù),經(jīng)三河口水庫(kù)統(tǒng)一調(diào)節(jié)后進(jìn)入秦嶺輸水隧洞,自流輸水至關(guān)中流域黑河支流黃池溝,連入（二期工程）關(guān)中輸配水管網(wǎng),實(shí)現(xiàn)供水。工程主要由“兩庫(kù)”：黃金峽水庫(kù)和三河口水庫(kù)；“兩電”：黃金峽壩后電站和三河口壩后電站；“兩泵”：黃金峽抽水泵站和三河口抽水泵站；“一洞”：從黃金峽到關(guān)中出口段的98.3 km秦嶺輸水隧洞組成。其中秦嶺輸水隧洞分為兩段,即黃金峽至三河口段（簡(jiǎn)稱：黃三段）和穿越秦嶺主脊段（簡(jiǎn)稱：越嶺段）。輸配水工程：為關(guān)中輸配水骨干管網(wǎng)（二期工程）。

2 引漢濟(jì)渭水源工程

2.1 三河口水利樞紐

三河口水利樞紐項(xiàng)目,是引漢濟(jì)渭的兩個(gè)水源工程之一,主要用途是調(diào)蓄漢江支流子午河來水和部分抽水入庫(kù)的漢江黃金峽來水,供水兼顧發(fā)電,是整個(gè)引漢濟(jì)渭工程的調(diào)蓄中樞。壩址位于漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界的子午河峽谷,距汶水河、蒲河、椒溪河3 河交匯處下游2 km,流域面積2186 km2,壩址附近斷面多年平均徑流量8.7 億m3。樞紐工程由水庫(kù)大壩、壩后泵站、壩后電站組成。

2.1.1 水庫(kù)大壩

三河口大壩,采用碾壓混凝土雙曲拱壩,設(shè)計(jì)最大壩高145 m,壩頂長(zhǎng)度500.9 m,壩頂寬度9 m,總庫(kù)容7.1 億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容6.62 億m3,正常蓄水位643 m。溢流壩段共布置3個(gè)表孔,每孔凈寬15 m,各孔口設(shè)15 m×19 m弧型工作閘門一道。溢流堰堰頂高程為625 m,采用WES曲線,后為1∶0.75的斜坡與反弧段相接,反弧半徑R=60 m,出口消能采用挑流方式,挑流鼻坎高程為560 m,溢流面為C45 常態(tài)混凝土,挑流鼻坎下壩體內(nèi)布置二級(jí)泵站。放水底孔布置在溢流壩段右側(cè)下部,斷面為5 m×5 m的矩形,采用二級(jí)配C30 砼澆筑,壁厚3 m;在壩體上游面設(shè)5 m×5 m檢修平門,壩體下游面設(shè)5 m×5 m工作弧門;放水底孔進(jìn)口底板高程555 m,平底在弧門后設(shè)挑流鼻坎,鼻坎頂高程553 m。

2.1.2 壩后泵站

三河口壩后泵站,設(shè)計(jì)安裝2 臺(tái)水泵機(jī)組（可逆機(jī)組）,設(shè)計(jì)流量18 m3/s,總裝機(jī)功率2.4 萬kW,設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程91.08 m。泵站初選采用壩內(nèi)布置方案,廠房布置于大壩挑流鼻坎下混凝土壩體內(nèi),副廠房布置在主廠房上游側(cè),主廠房中心線距壩軸線110 m。泵站采用側(cè)向母管進(jìn)水,側(cè)向母管出水的布置型式,其主要建筑物由進(jìn)水建筑物、主、副廠房、壓力管道等4 部分組成。

2.1.3 壩后電站

三河口壩后電站,設(shè)計(jì)布設(shè)4 臺(tái)發(fā)電機(jī)組（2 臺(tái)常規(guī)+2臺(tái)可逆）,總裝機(jī)容量6 萬kW,多年平均發(fā)電量1.22 億kW·h。根據(jù)水庫(kù)大壩左、右岸下游地形地質(zhì)條件,電站建在左岸或右岸區(qū)別不大,考慮電站尾水須經(jīng)引水洞進(jìn)入布置在壩后右岸的匯流池,然后進(jìn)入越嶺段向關(guān)中地區(qū)供水的運(yùn)行方式,因此,結(jié)合水流銜接和引水洞的布置,初選采用將壩后電站布置在右岸。壩后電站由引水管道、廠區(qū)建筑物、尾水建筑物以及備用放水管道組成。廠區(qū)建筑物包括主廠房、副廠房、開關(guān)站,尾水建筑物包括尾水池。

2.2 黃金峽水利樞紐

黃金峽水利樞紐項(xiàng)目,位于漢江干流漢中洋縣段黃金峽鍋灘附近,流域面積17000 km2,壩址附近斷面多年平均徑流量75.41 億m3,多年平均調(diào)水量9.69 億m3,是漢江上游梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃中的第一級(jí),也是引漢濟(jì)渭的頭號(hào)水源工程。樞紐工程由擋水建筑物、泄洪建筑物、泵站、電站、通航建筑物等組成,其主要用途是調(diào)蓄漢江來水,供水兼顧發(fā)電。

2.2.1 水庫(kù)大壩

黃金峽大壩,采用混凝土重力壩,壩高63 m,總庫(kù)容2.21 億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容0.98 億m3,正常蓄水位450 m,汛限水位448 m。壩頂寬度15 m,上游壩坡鉛直,下游壩坡坡比1∶0.75。壩基設(shè)3 m厚C15 常態(tài)混凝土墊層,壩頂設(shè)厚度為1.5 m的C25 常態(tài)混凝土,壩體上游面設(shè)二級(jí)配富膠凝碾壓混凝土作為防滲體,厚度為3 m,壩體為三級(jí)配的C15 碾壓混凝土。工程自左至右依次布置左岸擋水壩段、電站廠房、泄洪底孔、溢流表孔、通航建筑物和右岸擋水壩段。

2.2.2 壩后電站

黃金峽電站,廠房建于左岸河灘上,間作攔河擋水建筑物,主廠房長(zhǎng)83 m,寬19 m,總高42.5 m,分尾水層、水輪機(jī)層、發(fā)電機(jī)層進(jìn)行布置,設(shè)置2 部樓梯,溝通上下層交通。電站進(jìn)水口共3 孔,每孔流道寬10.4 m,高16 m,底板高程412 m。廠內(nèi)設(shè)臺(tái)250/50 t橋式起重機(jī),安裝間設(shè)在主廠房左端,長(zhǎng)23.5 m,寬19 m,地面高程417.3 m,在安裝間下層布置水機(jī)副廠房,地面高程408.36m。副廠房位于主廠房下游長(zhǎng)50.5 m,寬度10 m。壩后電站總裝機(jī)容量13.5 萬kW,多年平均發(fā)電量3.51 億kW·h。

2.2.3 黃金峽泵站

黃金峽泵站,位于漢江干流黃金峽段良心河左岸,距入漢江口約900 m的李家灣村。主廠房長(zhǎng)172 m,寬18.5 m,高44.5 m,上部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),下部為整體箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),廠內(nèi)共設(shè)計(jì)安裝15 臺(tái)水泵機(jī)組,一列式布置,機(jī)組間距9 m。廠房?jī)啥藶闄z修間,檢修層面高程為452.5 m。廠房分電機(jī)層、電機(jī)安裝層、水泵層和底板層,各層之間設(shè)樓梯連同。出水壓力管道為“樹枝狀”并管布置形式,每三臺(tái)水泵的出水管合為一條支管,5 條支管最終合并成一條母管出水母管直徑6.2 m,為水平段和豎直段,總長(zhǎng)35 m.采用洞挖埋管布置在山體內(nèi),末嘴接出水池。出水池采用地下洞室結(jié)構(gòu),底板高程542.44 m,長(zhǎng)度25 m,斷面尺寸6.3 m×19.5 m.鋼筋混凝土襯砌,出口安裝閘門與黃三段進(jìn)口相接,設(shè)計(jì)流量70 m3/s,總裝機(jī)功率12.6 萬kW,設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程106.45 m。

2.2.4 泄洪建筑物

泄洪沖沙底孔共3 孔,緊鄰電站進(jìn)水口右側(cè)布置,進(jìn)口高程406.0 m,各孔口尺寸均為10 m×10 m,下游設(shè)92 m長(zhǎng)鋼筋混凝土消力池,消力池底高程395.5 m,兩側(cè)均布置長(zhǎng)92 m導(dǎo)墻。

泄洪表孔共5 孔,布置于河床中央,各孔口尺寸均為15 m×20 m,堰頂高程430 m,下游采用戽流消能。各孔布置孔口尺寸15 m×20 m弧形工作門,擬采用QHLY2 X3000 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。

2.2.5 通航建筑物

通航建筑物,采用與右泄洪底孔沿垂直高度結(jié)合布置的形式, 通航噸位為100 t級(jí)。底孔堰頂高程為406 m,孔口尺寸為10 m×10 m。其位置貼近下游河槽主流便于過壩船只與水道的連接。主要建筑物由上游引航道、上游垂直升降段、水平過壩段、下游垂直升降段、下游引航道組成。

3 秦嶺輸水隧洞工程

秦嶺輸水隧洞是調(diào)水工程的紐帶,通接漢江、渭河,設(shè)計(jì)流量70 m3/s,縱坡1/2500,穿越秦嶺主脊最大埋深2012 m。進(jìn)水口位于漢江干流黃金峽水利樞紐壩后左岸,出水口位于關(guān)中渭河支流黑河右岸黃池溝,以三河口壩后控制閘為界,分為黃三段和越嶺段兩部分。黃三段由黃金峽水庫(kù)到三河口控制閘,全長(zhǎng)16.5 km；越嶺段由三河口控制閘穿越秦嶺到黃池溝出口,全長(zhǎng)81.8 km。秦嶺隧洞全長(zhǎng)98.3 km,穿越秦嶺主脊35 km采用TBM（全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)）施工,其它洞采用鉆爆法施工,全線共布設(shè)施工支洞14 條。

3.1 黃三段隧洞（黃金峽水庫(kù)到三河口水庫(kù)）

黃三段由洞身段、出口控制閘、退水洞、施工支洞組成,采用鉆爆法施工,進(jìn)口底板高程549.26 m,出口（控制閘）底板高程542.65 m,洞底比降1/2500。主要承擔(dān)將黃金峽泵站抽水量的一部分輸送至越嶺段隧洞進(jìn)口,一部分輸送至三河口水利樞紐附近,通過三河口泵站抽水入三河口水庫(kù)進(jìn)行調(diào)蓄。隧洞洞線布置為：隧洞進(jìn)口位于良心河左岸距入漢江口約900 m處,進(jìn)口接黃金峽泵站出水池,沿東北方向穿越東溝河、馬家溝、蒲家溝后,到達(dá)子午河右岸三河口水庫(kù)壩址下游約300 m處的匯流池,經(jīng)匯流池與越嶺隧洞、三河口泵站和壩后電站引水洞相接,從黃金峽到控制閘,全長(zhǎng)16.5 km。

3.1.1 洞身段施工

一次支護(hù)設(shè)計(jì)采用工程類比法確定支護(hù)型式和支護(hù)參數(shù)。Ⅱ類圍巖一次支護(hù)在頂拱104°范圍噴C20 混凝土厚10 cm；Ⅲ類圍巖側(cè)墻、頂拱一次支護(hù)噴C20 混凝土厚10cm,在頂拱范圍內(nèi)設(shè)q20 隨機(jī)錨桿；IV類圍巖側(cè)墻、頂拱噴C20 混凝土厚15 cm,頂拱設(shè)φ20 系統(tǒng)錨桿、側(cè)墻設(shè)φ20 隨機(jī)錨桿,掛φ6.5 鋼筋網(wǎng)；V類圍巖側(cè)墻、頂拱噴C20 混凝土厚15 cm,并設(shè)φ20 系統(tǒng)錨桿,掛φ6.5 鋼筋網(wǎng),全斷面采用鋼拱架支護(hù)。二次襯砌Ⅱ類圍巖采用C25 模筑鋼筋混凝土減糙襯砌,襯砌厚度0.25 m,Ⅲ類、IV類、V類圍巖均采用C25 模筑鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度分別為0.3 m、0.45 m、0.5 m。隧洞在拱頂120°范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿,在Ⅲ、Ⅳ、V類圍巖中全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿。

3.1.2 隧洞控制閘

控制閘布置在三河口大壩壩后右岸約300 m處,基本為“Y”型布置,地下洞室結(jié)構(gòu),南北向長(zhǎng)約60 m,東西向?qū)捈s30m,分別在秦嶺隧洞黃三段末端、越嶺段始端及三河口連接洞進(jìn)口設(shè)置一道7 m×5.5 m平面鋼閘門,閘底板高程542.65 m,啟閉機(jī)層高程557.35 m,閘室長(zhǎng)度均為12 m,以9 m長(zhǎng)漸變段與各自洞身連接；在閘室頂高程處布置半徑為17.75 m環(huán)形交通洞,交通洞底板高程549.85 m,與三河口泵站廠區(qū)道路相接,洞寬4.5 m,高6 m,洞長(zhǎng)337 m。

3.1.3 隧洞退水洞

為便于檢修,結(jié)合樁號(hào)14+771.96 處4#施工支洞,在施工支洞施工任務(wù)完成后,將其改建成退水洞,退水洞全長(zhǎng)506 m,起點(diǎn)高程543.35 m,末點(diǎn)高程521.83 m。閘室位于洞出口附近,閘室長(zhǎng)30 m,設(shè)1 扇6.8 m×5.8 m的平面工作閘門和1 扇6.8 m×5.8 m的檢修閘門,閘門啟閉設(shè)備選用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。

3.1.4 施工支洞

黃三段沿洞線共布設(shè)施工支洞4 條,總長(zhǎng)度2621 m。1#支洞長(zhǎng)236 m,縱向坡比6%；2#支洞長(zhǎng)904 m,縱向坡比-7.4%；3#支洞長(zhǎng)932 m,縱向坡比-9.5%；4#支洞長(zhǎng)549 m,前414 m縱向坡比1‰,后135 m縱向坡比8%,支洞橫斷面除4 號(hào)支洞兼退水洞段的414 m長(zhǎng)支洞為6.8 m×7 m的圓拱直墻型外,其余均為6.8 m×5.1 m的圓拱直墻型。

3.2 越嶺段隧洞（三河口水庫(kù)到黃池溝出口）

越嶺段由洞身段、施工支洞組成,采用鉆爆法與TBM（全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)）法配合施工,進(jìn)口底板高程542.65 m,出口底板高程510 m,洞底比降1/2500。主要承擔(dān)將黃三隧洞來水量、三河口水庫(kù)下放的供水量輸送至關(guān)中供水網(wǎng)的任務(wù),考慮與黃三隧洞、三河口泵站以及三河口水庫(kù)的連接關(guān)系,4#施工斜井以前線路進(jìn)行了在三河口大壩右岸、左岸與黃三隧洞、三河口泵站以及三河口水庫(kù)連接的兩條線路的比較,比較后初選采用右岸連接方案。該方案洞線長(zhǎng)81.8 km,進(jìn)水口位于三河口大壩壩后右側(cè),與黃三洞出口相接,線路在K1+850 處穿越過椒溪河,在K42+585 處穿越秦嶺山脈峰頂（2535 m）沿途經(jīng)過三河口鄉(xiāng)、石墩河鄉(xiāng)、陳家壩鄉(xiāng)、四畝地鄉(xiāng)、柴家關(guān)村、木河、秦嶺主峰等地段,出水口位于黑河金盆水庫(kù)下游約2 km處的黃池溝。隧洞設(shè)計(jì)流量70 m3/s,縱坡1/2500,最大埋深2012 m。

3.2.1 洞身段鉆爆法施工

V類圍巖洞段,拱部采用φ42 超前小導(dǎo)管注漿加固地層,并采用錨噴網(wǎng)、拱墻設(shè)2榀/m的H125 型鋼架,全斷面噴C20 混凝土厚15 cm,拱墻設(shè)φ22 砂漿錨桿進(jìn)行支護(hù)；二次襯砌采用C25 鋼筋混凝土襯砌,厚度50 cm；Ⅳ類圍巖洞段,一次支護(hù)采用拱部φ22 超前錯(cuò)桿加固地層,施工支護(hù)采用錨噴網(wǎng)、拱墻局部設(shè)H125 型鋼架。拱墻噴C20 混凝土厚15 cm,拱部設(shè)φ22 砂漿錨桿,拱墻掛φ8 鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm；二次襯砌采用C25 鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度45 cm；Ⅲ類圍巖洞段,一次支護(hù)采用錨噴網(wǎng),拱墻噴C20 混凝土厚10 cm,拱部局部設(shè)φ22 砂漿錨桿；二次襯砌采用C25 鋼筋混凝土襯砌,厚度30 cm；II類圍巖洞段,一次支護(hù)采用拱墻噴C20 混凝土,厚10 cm；二次襯砌采用C25 鋼筋混凝土襯砌,厚度25 cm。在Ⅲ、IV、V類圍巖中全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿;隧洞拱部120°范圍進(jìn)行回填灌漿。

3.2.2 洞身段TBM法施工

V類圍巖洞段,一次支護(hù)頂拱120°范圍設(shè)中φ42 超前小導(dǎo)管注漿加固地層,一次支護(hù)采用錨噴網(wǎng)、拱墻設(shè)2 榀/m的H150 型鋼架。全斷面噴C20 混凝土厚15 cm,拱240°范圍設(shè)中φ22 砂漿錨桿,全斷面掛φ8 鋼筋網(wǎng);二次襯砌采用C25鋼筋混凝土襯砌,厚度35 cm；IV類圍巖洞段,一次支護(hù)頂拱120°范圍設(shè)φ22 超前錨桿加固地層,一次支護(hù)采用錨噴網(wǎng)、拱墻局部設(shè)H125 型鋼架。全斷面噴C20 混凝土厚15 cm,拱墻設(shè)φ22 砂漿錨桿,拱墻掛φ8 鋼筋網(wǎng);二次襯砌采用C25 鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚度35 cm；Ⅲ類圍巖洞段,一次支護(hù)采用錨噴網(wǎng),全斷面噴C20 混凝土厚10 cm,拱部90°設(shè)φ22 砂漿錨桿,拱部180°掛φ8 鋼筋網(wǎng);二次襯砌采用C25 混凝土襯砌,厚度35 cm；I、Ⅱ類圍巖洞段,全斷面進(jìn)行減糙襯砌,襯砌厚度0.25 cm。

在Ⅲ、Ⅳ、V類圍巖中全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿;隧洞拱部120°范圍進(jìn)行回填灌漿。

3.2.3 施工支洞

越嶺段全線共布設(shè)施工支洞10 條,總長(zhǎng)度22367 m,最長(zhǎng)支洞為5 號(hào),斜長(zhǎng)4620 m,設(shè)計(jì)縱坡9.94%；最短支洞為椒溪河支洞,斜長(zhǎng)326 m,設(shè)計(jì)縱坡10.71%。

施工支洞橫斷面選用圓拱直墻型,斷面尺寸為6 m×6 m。各施工支洞Ⅱ類圍巖采用噴混凝土支護(hù),Ⅲ、Ⅳ類圍巖采用錨噴混凝土支護(hù)；V類圍巖采用錨噴混凝土加鋼拱架一次支護(hù)外,并進(jìn)行鋼筋混凝土二次襯砌,厚40cm。

3.3 秦嶺隧洞匯流池設(shè)計(jì)

為滿足黃三隧洞、越嶺隧洞、三河口泵站、三河口水庫(kù)壩后電站相互間的輸（引）水需要,在三河口水庫(kù)壩后右岸布置匯流池,銜接上述各建筑物的輸（引）水功能。匯流池基本為“├”型布置：南北向長(zhǎng)約60 m東西向?qū)捈s30 m,池底高程537.17 m；黃三隧洞出口正面為越嶺隧洞進(jìn)口,右側(cè)為三河口泵站及三河口水庫(kù)壩后電站尾水的引（輸）水洞進(jìn)（出）口。三條隧洞進(jìn)（出）口均設(shè)置一道7.2 m×7.2 m平面閘門,用于不同工況下的水流銜接控制,閘門設(shè)計(jì)采用630 kN-10 m固定卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉,啟閉機(jī)層高程554.37 m,閘室長(zhǎng)度均為12 m,以10 m長(zhǎng)漸變段與各自洞身連接；在554.67 m高程處布置半徑為17.75 m環(huán)形交通洞,與三河口二級(jí)泵站廠區(qū)道路相接,交通洞周長(zhǎng)420 m,縱坡1/40,洞寬4.5 m,高6 m,鋼筋砼襯砌厚度0.4 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

陜西引漢濟(jì)渭工程是國(guó)家172 項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一,是解決陜西關(guān)中、陜北缺水和由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題而提出的一項(xiàng)戰(zhàn)略性水資源配置工程。漢江水調(diào)入關(guān)中后,將于關(guān)中供水網(wǎng)絡(luò)相互融合,形成穩(wěn)定、互補(bǔ)的關(guān)中供水網(wǎng),將為關(guān)中—天水城市群經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,提供強(qiáng)勁的水支撐,對(duì)陜西發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。隨著工程的加快建設(shè),陜西水資源總量不足、時(shí)空分布不均的發(fā)展瓶頸制約將大幅緩解,愿工程如期建成通水,早日造福三秦。