觀音閣水庫輸水工程北臺溢流洞改造方案設(shè)計(jì)

孫 劍

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，沈陽 110003)

1 工程概述

遼寧省觀音閣水庫輸水工程位于太子河干流上，是將已建的觀音閣水庫水經(jīng)過輸水隧洞及管線自流輸入到本溪市的大(2)型Ⅱ等工程，工程的主要任務(wù)是保障本溪市生活飲用水安全，解決本鋼、北營鋼廠等大型企業(yè)存在的水量與水質(zhì)安全問題，并為本溪市、本溪縣和本溪新城經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供安全可靠的水源[1]。

北臺分洞樁號24+849.200-33+216.628，全長8367.428m。起點(diǎn)位于大峪分水口下游的迷宮偃后，出口位于本溪市橋頭鎮(zhèn)橋北凈水廠北側(cè)。北臺支線隧洞受下游供水要求末端水位不低于180.0m，在隧洞出口前樁號33+063.628-33+216.628處設(shè)Φ2.6m斜井，斜井下游為Φ2.6m圓形壓力隧洞與北臺管線相連，斜井上游保證隧洞無壓過流，在樁號33+043.628處設(shè)事故溢流隧洞。溢流洞與北臺分洞交點(diǎn)樁號33+043.628，溢流洞斷面為城門型2.4×2.8m，底坡3.9%，溢流洞出口位于洞線右側(cè)的山溝內(nèi)，溢流洞長48.728m，在溢流洞與北臺分洞側(cè)墻交叉處設(shè)一薄壁堰溢流，堰頂高程高出北臺分洞洞內(nèi)正常水深(0.82m)≥0.15m以確保北臺分洞正常輸水，薄壁堰高取1.15m。薄壁堰下游的溢流洞底高程較北臺分洞洞底高程低0.5m。溢流洞后接2.4×2.8m的鋼筋混凝土箱涵，箱涵后接DN1400玻璃鋼管道將溢流水引到北臺配水站廠區(qū)院內(nèi)，玻璃鋼管連接鎮(zhèn)墩內(nèi)設(shè)置孔口消能板，消能后經(jīng)DN2000管道送至河道。

2 北臺溢流洞改造的必要性和可行性

2.1 必要性

遼寧省觀音閣水庫輸水工程設(shè)計(jì)水平年為2030年，其中各用戶最高日總需水量為123萬t/d，考慮1.5%的輸水損失，總輸水流量為125萬m3/d。

工程的主要供水對象為本溪鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司、本溪北營鋼鐵(集團(tuán))股份有限公司及本溪市市政自來水公司、本溪新城等。各用戶需水量見表1，設(shè)計(jì)管道考慮輸水損失為1.5%。

表1 2030年各個用水戶水量分配表

工程試通水階段，運(yùn)行管理單位對主要用水大戶本鋼和北鋼的用水規(guī)律進(jìn)行長期的跟蹤和統(tǒng)計(jì)，兩用戶廠內(nèi)調(diào)節(jié)水池容積很小，僅相當(dāng)于泵站的吸水前池，不具備水量調(diào)節(jié)功能，工廠生產(chǎn)用水取自自建的河道攔蓄和提水設(shè)施，生產(chǎn)過程的用水峰谷差由自建提水設(shè)施調(diào)節(jié)。兩用水戶根據(jù)廠區(qū)規(guī)劃和生產(chǎn)供水系統(tǒng)復(fù)雜程度，決定不對廠內(nèi)調(diào)節(jié)池進(jìn)行改造擴(kuò)建，向供水管理單位提出用水量時調(diào)節(jié)要求。

考慮本工程的主干線路為無壓重力流輸水隧洞，兩用水大戶的支線供水，本鋼線路為有壓重力流管道，北臺為無壓隧洞和有壓管道組合輸水，為保證北鋼用水安全，北臺分支管線只能按照北鋼峰值用水量供水，北鋼用水低谷時，由于遠(yuǎn)距離輸水無法做到時調(diào)節(jié)，多余水量只能通過北臺溢流洞排向細(xì)河，造成資源和成本的極大浪費(fèi)。

通過統(tǒng)計(jì)，近期本鋼及北鋼用水量均遠(yuǎn)小于輸水工程設(shè)計(jì)用水量，且按規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)計(jì)算得出調(diào)節(jié)容積較大?？紤]近期各用戶用水量均為達(dá)產(chǎn)，輸水流量小，干線主洞和北臺支線分洞的斷面凈空較大，因此，通過對北臺溢流洞進(jìn)行改造，抬高溢流水位，利用洞室富裕凈空蓄水是具備條件和有必要的。

2.2 改造的可行性

北臺分洞樁號24+849.200-33+216.628，全長8367.428m。其中，北臺分洞樁號27+947.700m-32+987.700m采用Φ2420×16mm螺旋縫鋼管襯砌，樁號33+063.628-33+173.628處為溢流洞交叉段及Φ2.6m圓形壓力隧洞，之間僅余75.9m的全斷面鋼筋混凝土襯砌。樁號27+947.700處底板高程為193.76m，樁號33+043.628處底板高程為188.156m，高差僅5.61m，通過結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析，無壓隧洞的全斷面鋼筋混凝土襯砌承擔(dān)低內(nèi)壓運(yùn)行是可行的。

2.3 洞內(nèi)儲水分析

北臺分洞主要用水戶為本溪市自來水公司橋北水廠和本鋼集團(tuán)北營鋼廠，二者均無大容量蓄水池，且北營鋼廠用水量波動較大，為盡可能減小棄水量，考慮利用北臺分洞鋼襯段凈空空間作為臨時儲水空間，緩解短時間內(nèi)用水量波動造成的棄水問題。

為保證隧洞結(jié)構(gòu)安全，僅考慮將北臺分洞鋼襯起點(diǎn)以下部分作為儲水空間，鋼襯起點(diǎn)上游部分最大水深按襯砌結(jié)構(gòu)直墻高度控制，即2.0m。此時，對于北臺分洞城門型斷面凈空高度0.8m，凈空比為24%，滿足規(guī)范要求。

鋼襯起點(diǎn)樁號27+947.7下游至樁號33+063.628按圓形斷面計(jì)算，有壓滿管儲水狀態(tài)，儲水量見表2。

表2 北臺分洞溢流斷面以上圓形隧洞水量計(jì)算

鋼襯起點(diǎn)樁號27+947.7上游側(cè)雍水高度按靜水位計(jì)算，儲水時水深2.0m，近期北臺用水量為0.43萬m3/h，正常輸水時洞內(nèi)水深為0.45m，改造后鋼襯段有壓輸水，無壓段回水至樁號26+538.629，該段儲水量見表3。

表3 北臺分洞城門型斷面水量計(jì)算

北臺分洞儲水量為上述兩部分之和，即總儲水量為2.73萬m3。近期用水量為0.43萬m3/h，明流輸水時洞內(nèi)水深為0.45m，鋼襯下游所占容積為3003m3，故可調(diào)節(jié)容積為2.43萬m3。

將北臺分洞作為調(diào)節(jié)儲水空間，現(xiàn)狀用水條件下可調(diào)節(jié)容積為2.43萬m3。在溢流洞末端設(shè)置溢流井，超出溢流堰頂后自動溢流?，F(xiàn)狀用水條件下，發(fā)生溢流時堰上水頭0.26m，鋼襯上游洞段依然為明流輸水。故通過改造北臺溢流洞將北臺分洞鋼襯起點(diǎn)下游部分凈空空間作為調(diào)節(jié)容積，在現(xiàn)狀用水量條件下是可行的。

3 北臺溢流洞改造設(shè)計(jì)

3.1 方案布置

北臺溢流洞斷面為城門型2.4×2.8m，底坡3.9%，與北臺分洞交點(diǎn)高程為188.156m，出口高程為186.05m。溢流洞出口位于洞線右側(cè)的山溝內(nèi)，溢流洞長48.728m，在溢流洞與北臺分洞側(cè)墻交叉處設(shè)一薄壁堰溢流，薄壁堰高1.15m。

溢流洞改造設(shè)計(jì)主要建筑物為溢流井，布置在溢流洞出口處，溢流井凈尺寸為3.0×2.4m，壁厚400mm，高12.35m，頂板厚200mm，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外設(shè)保溫。溢流井頂板設(shè)Ф800進(jìn)人孔及DN300罩型通氣孔，外壁設(shè)置檢修鋼梯至屋頂。

溢流井內(nèi)設(shè)薄壁堰，堰頂高程195.80m，厚300mm，堰寬2.4m。為保證設(shè)計(jì)工況下，北臺分洞能夠明流供水，溢流堰底部預(yù)留泄水孔口，孔口尺寸2.0×1.2m(寬×高)，孔底高程186.32m?？卓谟瞄l門封堵，本鋼分支管線事故溢流流量超過10萬t/天時，打開封堵閘門，溢流井停止使用，北臺分洞恢復(fù)明流狀態(tài)。

溢流洞改造后，北臺分洞鋼襯起點(diǎn)下游部分改為有壓輸水，考慮溢流洞與北臺分洞交叉口跨度7.9m，原設(shè)計(jì)按無壓洞考慮，未計(jì)算內(nèi)水壓力。變?yōu)橛袎憾春?，為防止交叉段隧洞結(jié)構(gòu)破壞，在原溢流堰下游側(cè)設(shè)置封堵墻，墻厚500mm。封堵墻中間預(yù)留4000mm寬過水通道，周邊與原隧洞接觸處鑿毛并涂抹界面劑后植筋連接[2]。

圖1 溢流井典型斷面圖

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 溢流井

溢流井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井室頂板采用現(xiàn)澆板，板頂設(shè)檢修孔及通氣孔。溢流井設(shè)外保溫，地面至井頂設(shè)檢修鋼梯。

3.2.2 封堵墻

封堵墻采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在原溢流堰下游側(cè)設(shè)置，墻厚500mm。封堵墻中間預(yù)留4000mm寬過水通道，周邊與原隧洞接觸處鑿毛并涂抹界面劑后植筋連接。

4 電氣及金屬結(jié)構(gòu)

4.1 電氣

1)視頻監(jiān)控

在溢流井及溢洪洞內(nèi)設(shè)置攝像機(jī)，用于監(jiān)控水位。攝像頭均采用水下高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，供電方式采用太陽能電池板，視頻信號采用4G網(wǎng)卡上傳至北臺配水站控制室。

4.2 金屬結(jié)構(gòu)

溢流井屋頂設(shè)監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備配置檢修平臺。檢修平臺距屋頂1.4m，由型鋼、鋼條與欄桿構(gòu)成。型鋼兩端固定在豎井側(cè)壁，型鋼頂部焊接鋼筋組成檢修平臺，為保障人員安全，平臺邊緣設(shè)欄桿。施工、運(yùn)行期間，欄桿間可根據(jù)操作需求增加麻繩或其他繩索提高操作人員安全保障。

溢流井內(nèi)設(shè)薄壁堰，堰底部開孔，孔口尺寸2.0×1.2m(寬×高)，孔底高程186.32m。堰底孔口設(shè)置封堵閘門，本鋼分支管線事故溢流流量超過10萬t/天時，打開封堵閘門，溢流井停止使用，北臺分洞恢復(fù)明流狀態(tài)。

封堵閘門由埋件及閘門組成，埋件由型鋼焊接構(gòu)成方框，方框中間縱向焊接兩根型鋼，形成三個小孔，每個小孔孔口尺寸0.6×1.2m(寬×高)。閘門由面板和角鋼焊接構(gòu)成，閘門頂部設(shè)置吊耳便于運(yùn)輸、安裝，閘門面板焊接螺母。埋件與閘門通過螺栓連接，固定在埋件上。在3個小孔上方設(shè)置掛鉤，安裝時可將閘門臨時固定在掛鉤上進(jìn)行安裝調(diào)試。閘門、埋件及檢修平臺防腐通過除銹、刷漆實(shí)現(xiàn)，底漆、面漆采用環(huán)氧富鋅漆[3]。