千島湖配水工程項(xiàng)目特點(diǎn)與技術(shù)創(chuàng)新

張永進(jìn)，賴 勇

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 工程概況

杭州市第二水源千島湖配水工程是浙江省“十三五”規(guī)劃的重大水資源配置工程[1]，為杭州市城市供水安全提供保障，改善城市原水水質(zhì)；工程受水區(qū)總?cè)丝?020年為850萬人，設(shè)計(jì)年引水量為9.78億m3，設(shè)計(jì)引水流量為38.8 m3/s。工程包括千島湖進(jìn)水口、千島湖—閑林水庫輸水建筑物、分水口、閑林出口流量控制及調(diào)壓設(shè)施、閑林水庫取水口等主要建筑物，為Ⅰ等工程，主要建筑物為1級(jí)建筑物。工程總工期為42個(gè)月，概算總投資為106.5億元。

2 項(xiàng)目特點(diǎn)

2.1 進(jìn)水口布置隱蔽

千島湖進(jìn)水口位于淳安縣千島湖鎮(zhèn)境內(nèi)的金竹牌村附近，為岸塔式分層取水口，取水口共3層，每層2孔，孔口尺寸為5.5 m×5.5 m，以滿足不同庫水位時(shí)引最優(yōu)水質(zhì)的要求，在分層取水閘門前設(shè)置固定式攔污柵。該進(jìn)水口最大布置特點(diǎn)是井塔分離布置[2]，事故檢修閘及其豎井隱蔽布置于岸塔式分層取水口下游側(cè)山體內(nèi)，避免水工建筑對(duì)千島湖庫岸風(fēng)景區(qū)的影響，庫岸僅保留露天布置的門機(jī)，門機(jī)采用迷彩油漆進(jìn)一步和山林背景融合(見圖1)。

圖1 千島湖進(jìn)水口縱剖面

2.2 輸水建筑物征地少環(huán)境影響小

千島湖—閑林水庫輸水建筑物包括：輸水隧洞、埋管、跨江建筑物、沿線事故檢修設(shè)施、交通洞等。工程采用全重力流輸水，輸水線路長(zhǎng)113.22 km，其中輸水隧洞混凝土襯砌段長(zhǎng)約102.29 km，平底圓形隧洞襯后洞徑6.7 m，穿江隧洞、淺埋鋼襯及埋管段鋼管總長(zhǎng)10.93 km，內(nèi)徑均為5.0 m。輸水線路沿線共設(shè)6個(gè)分水口、3座事故檢修閘、5座事故檢修閥、2個(gè)流量計(jì)交通洞、2個(gè)地下閥室交通洞和11個(gè)兼作調(diào)壓井的檢修交通洞。113.22 km的輸水線路97%為隧洞，整體工程永久占地僅660畝，無人口遷移。穿分水江設(shè)計(jì)方案也采用江底隧洞方案，兼顧了減少征地、保護(hù)沿線生態(tài)景觀的要求。

2.3 閑林出口流量控制設(shè)施安全節(jié)能

閑林出口流量控制及調(diào)壓設(shè)施包括閑林控制閘、流量調(diào)節(jié)閥、調(diào)流調(diào)壓電站和溢流調(diào)壓井。閑林控制閘為2孔4.0 m×5.0 m深孔平板鋼閘門，流量調(diào)流閥為5臺(tái)DN1800活塞式調(diào)流閥，調(diào)流調(diào)壓電站為4臺(tái)1.6 MW環(huán)保型臥式機(jī)組，三類調(diào)流調(diào)壓設(shè)施并聯(lián)布置，互備互補(bǔ)，組成工程多次層的流量調(diào)節(jié)設(shè)施。低水位時(shí)利用閑林控制閘過流，平常以電站為主、流量調(diào)節(jié)閥為輔進(jìn)行調(diào)流調(diào)壓。因水力發(fā)電機(jī)組較流量調(diào)節(jié)閥技術(shù)更成熟、設(shè)備使用壽命更長(zhǎng)，故綜合調(diào)流調(diào)壓系統(tǒng)在延長(zhǎng)設(shè)備耐久性的同時(shí)，提高了系統(tǒng)安全保障率。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 井庫流量補(bǔ)償配水系統(tǒng)及其配水方式

閑林配水樞紐布置如下所示(見圖2)，在流量控制設(shè)施下游設(shè)置配水井，作為連接上游來水、下游配水，與閑林水庫水體互補(bǔ)的中樞建筑物。配水井為上口直徑120 m、底部直徑50 m、深34.0 m的碗式構(gòu)筑物，井內(nèi)總庫容22萬m3。

圖2 閑林配水樞紐布置

井庫流量補(bǔ)償配水系統(tǒng)[3]可實(shí)現(xiàn)千島湖配水工程、閑林水庫多模式向杭州市供水，發(fā)揮兩工程效益最大化的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的將上游水庫水引入下游水庫，再?gòu)南掠嗡畮烊∷虺鞘泄┧拇?lián)模式相比，這一配水系統(tǒng)的配水方式具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：一是配水井可直接向下游輸水，形成井內(nèi)水位低于閑林水庫水位的運(yùn)行模式，發(fā)揮上游輸水隧洞輸水潛能，又能維持閑林水庫正常水位運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)兩工程效益的最大化。二是通過配水井與閑林水庫連通閘的啟閉組合，可實(shí)現(xiàn)單水源向下游供水、雙水源向下游供水、千島湖同時(shí)向下游供水及向閑林水庫補(bǔ)水等運(yùn)行模式，運(yùn)行靈活(見圖3)。

圖3 井庫流量補(bǔ)償系統(tǒng)布置概化圖

3.2 環(huán)保型能源回收電站參與調(diào)流調(diào)壓

由于千島湖水位及系統(tǒng)輸水流量的變化，在相當(dāng)長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)段內(nèi)輸水系統(tǒng)還有10～20 m的富余水頭，在保障水質(zhì)的前提下，在閑林出口樞紐設(shè)置4臺(tái)1.6 MW臥式混流發(fā)電機(jī)組作為流量調(diào)節(jié)的主要設(shè)施，與閑林控制閘、5臺(tái)DN1800活塞式調(diào)流閥并聯(lián)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)流量精準(zhǔn)控制、調(diào)流設(shè)施安全備份、系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能的目標(biāo)[4]。據(jù)測(cè)算，電站設(shè)計(jì)供水量下年發(fā)電4 596萬kW·h，回收能源效益明顯。環(huán)保型機(jī)組設(shè)計(jì)要點(diǎn)為選用臥式混流水輪發(fā)電機(jī)組，使機(jī)組油潤(rùn)滑系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)不與水體接觸；機(jī)組的軸承冷卻供水采用循環(huán)水系統(tǒng)，確保軸承冷卻水不進(jìn)入電站尾水；發(fā)電機(jī)采用空—水冷卻方式，冷卻水管網(wǎng)獨(dú)立密閉；系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的機(jī)組在保障原水水質(zhì)、節(jié)能環(huán)保的同時(shí)，較流量調(diào)節(jié)閥等調(diào)流設(shè)備使用壽命更長(zhǎng)。

3.3 施工支洞群改建斜井調(diào)壓

水錘防護(hù)是長(zhǎng)距離有壓輸水隧洞安全防護(hù)的重要內(nèi)容[5]，本工程輸水隧洞采用末端流量調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式，正常運(yùn)行狀態(tài)下沿途閥門及閘門均處于開啟狀態(tài)，不動(dòng)作。根據(jù)系統(tǒng)水力過渡過程防護(hù)計(jì)算，結(jié)合隧洞沿線檢修交通洞設(shè)置11條斜支洞，發(fā)揮系統(tǒng)水錘防護(hù)及穩(wěn)壓作用，在末端調(diào)流調(diào)壓設(shè)施正常工況30 min開啟、非常工況5 s關(guān)閉時(shí)，可以保證沿線斜井不溢流，輸水隧洞不產(chǎn)生負(fù)壓?？紤]尾部發(fā)電機(jī)組異常甩負(fù)荷工況，在輸水隧洞末端還設(shè)置了溢流調(diào)壓井，支洞斜井與溢流調(diào)壓井組合，可滿足長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)在各不利工況，包括4臺(tái)機(jī)組同步甩負(fù)荷時(shí)的水錘防護(hù)安全。

3.4 巖溶區(qū)壓力隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程輸水線路上游淳安、建德境分布有石炭系及二疊系灰?guī)r地層，溶蝕及溶腔發(fā)育，嚴(yán)重影響施工及壓力輸水安全[6_8]。根據(jù)隧洞開挖后揭示及洞周圍巖地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果，除部分溶腔及溶蝕帶與隧洞輪廓直接交叉外，隱伏在開挖邊界以外的溶腔及溶蝕帶分布也較多。壓力隧洞輸水內(nèi)壓0.25～0.4 MPa，由于存在地下水滲流通道，石灰?guī)r溶蝕地帶地下水位普遍很低，壓力隧洞襯砌的受力及防滲設(shè)計(jì)要求很高。設(shè)計(jì)階段對(duì)隧洞內(nèi)鋼管內(nèi)襯方案、鋼筋混凝土隧洞內(nèi)襯砌方案進(jìn)行比選，考慮方便施工及投資因素，選擇鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)型式。在設(shè)計(jì)中利用有限元系統(tǒng)分析了圍巖內(nèi)隱伏溶腔的位置、尺寸、距離隧洞開挖斷面距離等因素對(duì)鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響[9]，得出了當(dāng)溶腔尺寸不大于2D(D為隧洞開挖洞徑，下同)、距離隧洞開挖凈距離不小于1D的溶洞及溶蝕帶對(duì)壓力隧洞鋼筋混凝土襯砌影響較小，通過加強(qiáng)襯砌內(nèi)鋼筋配置可以滿足襯砌結(jié)構(gòu)裂縫限制及預(yù)防滲漏的成果。

隧洞開挖斷面直接穿越溶腔的部位，處理原則為：溶腔回填以少改變?nèi)芮粌?nèi)原有滲水通道為原則，近洞部位采用低于隧洞襯砌一級(jí)標(biāo)號(hào)的素混凝土回填，遠(yuǎn)離區(qū)域采用洞渣回填，洞周回填混凝土范圍為1D。同時(shí)，為減少隧洞襯砌開裂在、向溶洞漏水的風(fēng)險(xiǎn)，與溶洞交叉段隧洞采用預(yù)應(yīng)力C40W8F50鋼筋混凝土襯砌。隧洞斷面為平底圓形，襯后洞徑6.7 m，底寬3.5 m，圓弧段襯砌厚度50 cm、底板厚80 cm。采用無粘結(jié)后張拉類圓形環(huán)錨，單層雙圈環(huán)繞方式，錨索間距0.5 m，每圈設(shè)置4根1860級(jí)的鋼絞線，每道環(huán)錨設(shè)計(jì)預(yù)加拉力1 570 kN(見圖4)。

圖4 輸水隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)

3.5 輸水隧洞穿越江底設(shè)計(jì)技術(shù)

本工程輸水隧洞需穿越錢塘江支流分水江，穿越地江面寬230 m，最大水深22 m。河床基巖為塊狀的晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，除左岸附近存在1處順?biāo)飨驍鄬油獾刭|(zhì)條件較好，符合采用礦山法穿越的基礎(chǔ)條件。設(shè)計(jì)采用江底倒虹吸隧洞穿越的方式，隧洞開挖斷面為直徑7.2 m的平底圓形，內(nèi)襯5.0 m的鋼管。在設(shè)計(jì)中著重解決好與基巖條件相匹配的隧洞埋深、施工工藝、涌水預(yù)防及防治等技術(shù)問題。通過頂水采煤法、日本最小涌水量法、葉格爾法等多方案分析[10]，綜合確定不同圍巖條件下江底隧洞的安全埋深；其中Ⅳ類圍巖允許最小埋深為14.7 m，結(jié)合本工程實(shí)際情況，取隧洞最小基巖埋深17.7 m。施工過程中，通過在爆破振動(dòng)允許的條件下減少單發(fā)裝藥量，減少對(duì)江底圍巖的擾動(dòng)；在遭遇斷層、圍巖破碎洞段，采用先對(duì)圍巖及掌子面進(jìn)行預(yù)灌漿，以“先堵后挖”的方式安全穿越地質(zhì)復(fù)雜地段。通過以上綜合措施，確保工程安全實(shí)施(見圖5)。

4 結(jié) 語

千島湖配水工程是以長(zhǎng)距離壓力隧洞輸水的大型輸水工程，工程建設(shè)條件復(fù)雜，于2019年9月正式通水運(yùn)行。在設(shè)計(jì)及實(shí)施過程中采用了多項(xiàng)新技術(shù)、新工藝，取得了較好的效果。

(1)井庫補(bǔ)償調(diào)節(jié)配水技術(shù)可以很好實(shí)現(xiàn)引水工程與末端調(diào)蓄水庫間的多模式運(yùn)行要求，更好發(fā)揮上游長(zhǎng)距離引水工程的引水潛力，同時(shí)保持好末端調(diào)蓄水庫的庫容水量。

(2)在保障長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)安全的基礎(chǔ)上，可以采用水輪機(jī)組作為輸水系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)設(shè)施，并回收富余能量。

(3)利用施工斜支洞作為長(zhǎng)距離輸水隧洞的檢修交通洞及調(diào)壓井，可以很好解決長(zhǎng)隧洞維修交通及水錘防護(hù)的要求，經(jīng)濟(jì)合理。

(4)根據(jù)溶洞及溶蝕帶的位置及大小，分析對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，可以選擇對(duì)隧洞開挖斷面一定范圍內(nèi)的溶洞及溶蝕帶回填混凝土，必要時(shí)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土進(jìn)行隧洞襯砌處理，可以較好地解決巖溶區(qū)中壓力輸水隧洞的防滲問題。

(5)合適選定江底隧洞上覆巖體厚度，并采取預(yù)防性提前注漿加固穿越地質(zhì)構(gòu)造帶，采用礦山法隧洞安全穿越江河底部。