羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程配水設施布置

李永科 謝良濤 李嬌娜 孟剛 馬燦

摘要：根據(jù)羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程總體布置、地形地質(zhì)條件以及功能需求，對該輸水隧洞工程配水設施布置型式進行分析和研究。綜合考慮地形地貌、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境制約等因素，確定了輸水隧洞工程取水口、分水支線、工作井、地下閥室等配水設施的布置原則、結(jié)構(gòu)型式以及工程布置方案。結(jié)果表明：設計方案合理可靠，能有效適應城市獨特的地理環(huán)境。研究成果可為類似工程案例提供借鑒。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞工程； 配水設施； 取水口； 分水支線； 工作井； 地下閥室； 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號： TV732

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.029

0引 言

隨著城市化進程的加速推進，城市用水需求不斷增加，水資源時空分布不均衡問題日益突出。為了緩解不同區(qū)域之間的水資源供求矛盾、完善水資源配置體系，需大力推進城市水網(wǎng)工程建設，一大批城市長距離輸水隧洞工程應運而生，有效推動了區(qū)域間協(xié)調(diào)發(fā)展［1-3］。目前，城市長距離輸水隧洞工程為滿足取水、流量控制、隧洞檢修、向用戶分水等功能，通常在輸水隧洞沿線設置相關(guān)配水設施。輸水隧洞工程配水設施布置型式對工程的投資以及運維管理起到重要影響作用［4-7］。

本文以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，詳細介紹輸水隧洞工程取水口、分水支線、工作井、地下閥室等配水設施的布置原則和形式選擇，以期為類似城市輸水工程提供參考。

1工程概況

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱羅鐵工程）是珠江三角洲水資源配置工程在深圳市境內(nèi)的配套項目之一，工程全線位于深圳市西部寶安區(qū)和光明區(qū)。工程主要任務是將西江來水在深圳市境內(nèi)進行合理分配和使用，實現(xiàn)新增境外水的優(yōu)化配置，保障西部片區(qū)的供水，滿足遠期寶安區(qū)、光明區(qū)、南山區(qū)（部分）的供水要求。工程設計規(guī)模260萬m3/d，沿途向羅田、五指耙、長流陂等3座水廠供水，各水廠供水規(guī)模分別為70萬，30萬，55萬m3/d，入鐵崗水庫流量為105萬m3/d。

工程主要配水設施包括輸水干線、進水口、出水口，至羅田水廠、五指耙水廠及長流陂等3座水廠分水支線等，其中輸水干線設3座工作井、2座地下閥室，工程布置如圖1所示。

2輸水隧洞工程配水設施布置

2.1輸水干線布置

輸水干線布置應遵循以下原則：① 線路布置應與供水對象（羅田水廠、五指耙水廠、長流陂水廠等）相銜接，滿足水資源配置確定的供水任務、供水范圍；② 兼顧輸水干線及分水支線長度，控制工程投資；③ 應符合城市土地利用規(guī)劃，宜盡量沿現(xiàn)有道路、綠地等公共區(qū)域布置，盡量控制穿越城區(qū)段線路長度；④ 線路盡量置于地質(zhì)構(gòu)造簡單、地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件簡單的地段；⑤ 兼顧沿線各工作井、分水井布置；⑥ 隧洞布置應盡量避開高壓線塔、石油管道、燃氣管道等對沉降控制較為嚴格的能源輸送通道；⑦ 隧洞穿越鐵路、城市交通軌道、高速公路等交通設施時應盡量從填方路基段和高架橋橋墩中央穿過，盡量遠離橋墩樁基，且盡可能呈大角度穿越；⑧ 隧洞應盡量避免從高層建筑下方穿過，穿越低層建筑時洞身盡量處于巖層；⑨ 為滿足TBM轉(zhuǎn)彎和內(nèi)襯鋼管運輸要求，隧洞轉(zhuǎn)彎半徑不應小于300 m。

鑒于上述布置原則，輸水干線從羅田水庫進水口起，穿越廣深港客運專線、龍大高速后，與南光高速伴行，至南光高速與樓崗大道交叉口處，沿根玉路布置，過五指耙水庫后，近南北向接至鐵崗水庫出水口。輸水干線總長約21.68 km。

2.2分水支線布置

2.2.1分水支線線路布置

（1） 羅田水廠分水支線。

羅田水廠為規(guī)劃新建水廠，為保證羅田水廠各工況正常供水，提高供水保證率，需布置兩條分水支線。正常工況下，羅田水廠可通過分水支線A由輸水干線供水；當輸水干線檢修時，可通過分水支線B由進水口從羅田水庫取水。

經(jīng)征求廣深港客運專線權(quán)屬單位意見，羅田水廠分水支線需從廣深港客運專線橋梁段樁基間穿越，嚴禁從廣深港客運專線路基段穿越。羅田水廠分水支線穿越龍大高速后，線路走向主要受廣深港客運專線樁基、松山調(diào)蓄池限制，結(jié)合其分布情況，線路布置如圖2所示。

分水支線A起點為羅田閥室，終點為羅田水廠配水井，全長約1.25 km，輸水鋼管洞徑為3.2 m。線路分為隧洞段、明挖段和頂管段，隧洞段總長約986.10 m，明挖段長約219.35 m。隧洞段從羅田閥室沿西南向布置，經(jīng)過第1個圓弧段向南偏轉(zhuǎn)40°左右直線延伸，并穿越龍大高速路基段，之后通過第2個圓弧段轉(zhuǎn)向東南方向布置，采用頂管施工技術(shù)下穿廣深港客運專線大橋，再通過明挖段接至羅田水廠提升泵站。

分水支線B起點為進水口，終點為羅田提升泵站，全長約1.53 km，洞徑為3.2 m。與分水支線A相同，線路也分為隧洞段、明挖段和頂管段，隧洞段長約1.29 km，明挖段長約0.19 km。隧洞段自取水口沿西南方向布置，采用頂管施工技術(shù)下穿廣深港客運專線大橋，后繼續(xù)通過明挖段接至羅田提升泵站。

（2） 五指耙水廠分水支線。

五指耙水廠分水支線起點為五指耙水廠分水井，終點為五指耙水廠配水井，線路長約731.67 m，分為隧洞段和明挖段，其中隧洞段長約572.58 m，明挖段長約159.09 m。綜合經(jīng)濟流速、工程投資、工程施工等因素，并考慮洞徑與后期供水規(guī)模增加相適應，確定五指耙水廠分水支線過流斷面直徑為2.0 m，相應洞內(nèi)流速為1.11 m/s。分水支線平面布置見圖3，采用直線段與弧線段的組合，從五指耙水廠分水井開始，向西接至五指耙水廠配水井。

（3） 長流陂水廠分水支線。

長流陂水廠分水支線起點為長流陂閥室，終點為長流陂水廠配水井，單洞布置。分水支線總長約1.82 km，由隧洞段和明挖段組成，其中隧洞段長1.68 km，約153.00 m與2號檢修交通洞共用，明挖段長約140.00 m。綜合經(jīng)濟流速、工程投資、工程施工等因素，并考慮洞徑與后期供水規(guī)模增加相適應，確定長流陂水廠分水支線過流斷面直徑為2.8 m，相應洞內(nèi)流速為 1.03 m/s。分水支線布置如圖4所示，平面上采用直線段與弧線段的組合，共有4條直線段和3條弧線段，從長流陂閥室開始，向西布置，經(jīng)多次偏轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)向西南向，后接至長流陂水廠配水井。

2.2.2分水支線末端檢修設施布置

（1） 羅田水廠分水支線。

為滿足分水支線檢修的要求，在羅田水廠分水支線末端設置檢修進水閥室，后接入泵站壓力進水壓力箱。

綜合考慮管徑、蝶閥尺寸及操作空間要求，檢修閥室長度擬定為32.00 m；根據(jù)通風設備、進人門、蝶閥尺寸等設備布置及操作空間要求確定檢修閥室寬度，擬為13.00 m；上、下游墻厚1.50 m，凈跨10.00 m。

（2） 五指耙水廠分水支線。

為滿足分水支線檢修的要求，在五指耙水廠分水支線末端布置檢查井和閥井。檢查井順水流向長3.60 m，垂直水流向?qū)?.20 m，內(nèi)襯厚1.00 m；井頂高程為19.50 m，底高程為13.90 m，底板厚1.00 m；井深5.60 m。井頂部順水流向設1道0.70 m×0.90 m支撐梁。井內(nèi)布置檢修密封門、通風管。通過井內(nèi)鋼爬梯到達井底，檢查井頂部設蓋板。閥井順水流向長19.50 m，垂直水流向?qū)?.20 m，內(nèi)襯厚1.00 m；井頂高程為19.50 m，底高程為14.40 m，底板厚1.30 m；井深5.10 m。井頂部垂直水流向設3道0.70 m×0.90 m支撐梁，井內(nèi)順水流向設厚0.60 m中隔墻。井內(nèi)依次布置檢修蝶閥、電磁流量計、調(diào)流閥及閘閥。通過井內(nèi)鋼爬梯到達井底，閥井頂部設蓋板。

（3） 長流陂水廠分水支線。

為滿足分水支線檢修的要求，在長流陂水廠分水支線末端布置檢查井和閥井。檢查井順水流向長4.80 m，垂直水流向?qū)?.70 m，內(nèi)襯厚1.00 m；井頂高程為21.00 m，底高程為14.55 m，底板厚1.00 m；井深6.45 m。井頂部順水流向設1道0.70 m×0.90 m支撐梁。井內(nèi)布置檢修密封門、通風管。通過井內(nèi)鋼爬梯到達井底，檢查井頂部設蓋板。閥井順水流向長28.00 m，垂直水流向?qū)?.00 m，內(nèi)襯厚1.00 m；井頂高程為21.00 m，底高程為15.25 m，底板厚1.30 m；井深5.75 m。井頂部垂直水流向設3道0.70 m×0.90 m支撐梁，井內(nèi)順水流向設厚0.60 m中隔墻。井內(nèi)依次布置檢修蝶閥、電磁流量計、調(diào)流閥及閘閥。通過井內(nèi)鋼爬梯到達井底，閥井頂部設蓋板。

2.3進、出水口結(jié)構(gòu)布置

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程進水口位于羅田水庫大壩東側(cè)羅1-2汊內(nèi)，出水口位于鐵崗水庫北側(cè)黃麻布河口、鐵汊4東側(cè)。為了滿足雙向供水的要求，兩個取水口均可從水庫取水，其功能和結(jié)構(gòu)形式類似，以進水口為例，介紹其結(jié)構(gòu)布置。

（1） 型式擬定。

進水口型式主要包括塔式、岸塔式和豎井式。進水口位于羅田林場及一級水源保護區(qū)，為控制邊坡開挖規(guī)模、減少征地范圍以及降低工程施工對環(huán)境的影響，羅鐵工程不宜采用岸塔式，主要針對塔式和豎井式進行比較。

對于豎井式進水口方案，結(jié)合進水口區(qū)域地形地質(zhì)條件，采用進水口攔污柵和閘室分開布置型式，進水口前緣依坡布置斜攔污柵，由單獨啟閉設備操作。閘門井置于山體內(nèi)，距離攔污柵約80.00 m，豎井開挖斷面15.20 m×15.00 m（長×寬），具體布置見圖5。

從地形地質(zhì)條件、邊坡及圍巖穩(wěn)定條件、布置及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件、運行維護條件、施工條件、工程占地等方面對兩方案進行初步比較，見表1。

由于進水口區(qū)域地形較緩，采用豎井式工程量較大，且需增加一套攔污柵啟閉設備，增加洞挖和支護處理工程量；豎井上游隧洞段無檢修條件，施工及運行條件較差。塔式進水口運行、施工及檢修條件較好，管理方便，且塔體為筒體結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性較好。經(jīng)綜合比較，參考同類工程經(jīng)驗，推薦采用塔式進水口。

（2） 進水口布置。

進水口位于羅田水庫大壩東側(cè)羅1-2汊內(nèi)，為丘陵地貌，地勢平緩，北低南高。覆蓋層主要為坡積與沖積黏性土，下覆基巖為云母片巖、石英片巖、片麻巖，受風化及構(gòu)造影響，變質(zhì)巖裂隙發(fā)育，片理產(chǎn)狀變化較大。

塔式進水口塔體平面尺寸為28.00 m×16.00 m（長×寬），塔體建基面高程為15.00 m，塔頂高程與壩頂高程相同，為38.00 m，塔高為23.00 m，塔頂啟閉機房高度為10.00 m。順水流方向依次布置攔污柵、分層取水疊梁門、檢修門和事故門，具體布置見圖6。

2.4地下閥室布置

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程共設置兩座地下閥室，本節(jié)以長流陂閥室為例，介紹閥室的結(jié)構(gòu)布置。

在滿足設備布置、結(jié)構(gòu)安全等功能的前提下，長流陂閥室所需跨度為15.00 m，高度為31.35 m，地下洞室規(guī)模為中等。長流陂閥室位于TBM施工第3段中部，距五指耙水廠分水井、TBM組裝洞距離分別約3.00 km和2.70 km。長流陂閥室施工期兼作TBM施工第3段鋼管運輸、混凝土澆筑的施工通道，即待TBM掘進完成、啟動鋼管安裝工序時，可利用閥室內(nèi)橋機操作，閥室開挖、支護及支撐墻結(jié)構(gòu)施工不控制該段工期。

對施工期或運行期有起吊設備要求的地下工程，如水電站地下廠房，常用的橋機支撐結(jié)構(gòu)包括巖錨吊車梁、巖臺吊車梁及支撐墻結(jié)構(gòu)等。長流陂閥室位于微新片巖、花崗巖地層，裂隙相對發(fā)育，地下洞室若采用巖錨吊車梁或巖臺梁，為減少體型恢復工程量，需制定精細的爆破開挖方案，施工控制難度大。因此，推薦采用橋機支撐墻結(jié)構(gòu)。

長流陂閥室位于長流陂水庫東側(cè)的大頭崗山山體中，縱軸線走向近南北向，平行于輸水隧洞布置，開挖尺寸為78.80 m×17.30 m×34.15 m。根據(jù)線路的總體布置和地形地質(zhì)條件，閥室段輸水隧洞中心高程為-40.00 m，結(jié)合蝶閥尺寸、進車鋼岔管尺寸和結(jié)構(gòu)安全要求，確定運行層高程為-42.60 m，交通層高程為-34.90 m，建基面高程為-46.10 m；根據(jù)機組安裝及檢修時起吊蝶閥的要求，確定橋機軌頂高程為-21.90 m。橋機軌頂至閥室頂拱高度主要由橋機運行要求及洞室結(jié)構(gòu)型式控制，拱頂高程為-11.95 m。

閥室段長度受進車鋼岔管外形尺寸、隧洞檢修蝶閥、隧洞檢修通風管、檢修排水泵、安裝場地布置等因素控制，考慮盡可能減小閥室長度，長度確定為76.50 m，順水流方向共分為3段，長度分別為21.00，17.70，37.80 m。

閥室跨度受輸水隧洞檢修蝶閥尺寸、進車鋼岔管外形尺寸、分水支線檢修蝶閥、旁通管布置等控制，并考慮操作空間、交通等要求，確定閥室開挖跨度為17.30 m。

2.5豎井及圍護結(jié)構(gòu)型式

豎井在平面形狀上可分為圓形或矩形兩種型式［8-10］。以公明檢修排水井為例，其圓形井方案為：外徑為34.00 m，內(nèi)徑為31.00 m，井壁厚度為1.50 m；圍護結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻及混凝土襯砌結(jié)構(gòu)組成；井內(nèi)布置有檢修排水泵、滲漏集水井、檢修車輛入口等，操作層布置有盤柜室、風機房等。

矩形井方案：尺寸為41.00 m×27.00 m（長×寬），圍護結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻及混凝土支撐結(jié)構(gòu)組成，井內(nèi)高度方向每隔3.00 m布置一層環(huán)框梁和支撐梁，尺寸為1.00 m×1.00 m。井內(nèi)布置有檢修排水泵、滲漏集水井、檢修車輛入口等，操作層布置有盤柜室、風機房等。兩種方案優(yōu)缺點對比見表2。

各豎井內(nèi)兼具TBM施工、水廠分水、隧洞檢修等功能，井內(nèi)需布置大量機電設備。受設備布置控制，井的結(jié)構(gòu)尺寸較大，圓形方案具有受力條件好、占地面積小、施工難度小、節(jié)約工期、使用便利等優(yōu)點，經(jīng)綜合比選，推薦圓形井方案。

羅鐵工程豎井均為圓形斷面，內(nèi)徑24.00～35.00 m，井深67.00～83.00 m，覆蓋層及全、強風化帶厚度（風化成土狀）32.00～52.00 m，地下水埋深3.70～11.10 m。公明檢修排水井基巖為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，五指耙水廠分水井和鐵崗工作井基巖為花崗巖。

通過文獻搜索統(tǒng)計，國內(nèi)外基坑所采用的圍護結(jié)構(gòu)方法主要是地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、土釘墻和組合型結(jié)構(gòu)等。各個基坑圍護方法所應用的基坑深度分布見圖7。

由圖7可知，當基坑深度小于10.00 m或在10.00 m左右時，基坑可采用SMW（水泥土攪拌樁墻）圍護結(jié)構(gòu)。當基坑深度范圍為10.00～25.00 m時，可選用的基坑圍護方式較多，如地下連續(xù)墻、土釘墻、旋噴樁、樁錨支護、鉆孔灌注樁、組合型圍護結(jié)構(gòu)等。當基坑深度范圍為25.00～35.00 m時，主要應用的圍護方式有地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁和組合型圍護結(jié)構(gòu)，且地下連續(xù)墻應用較多。當基坑深度大于35.0 m時，主要應用的圍護方式就只有地下連續(xù)墻和組合型圍護結(jié)構(gòu)，且組合型圍護結(jié)構(gòu)應用較少，主要以地下連續(xù)墻圍護為主。

該工程各豎井均需開挖至微風化巖體，考慮到自動化沉井只適用抗壓強度≤5 MPa的軟巖，套筒咬合樁在中風化巖層及以下地層施工存在成樁困難等缺點。在此，采用工程類比法重點對地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁兩種支護型式進行比較。

該工程位于深圳市區(qū)內(nèi)，豎井基坑安全等級為一級，豎井開挖具有直徑大、深度深、對支護結(jié)構(gòu)止水效果要求高等特點。由于受樁間距影響，鉆孔樁無法形成完整的拱效應，需施工環(huán)形桁架支撐，造價更高，工期更長，不推薦采用鉆孔樁支護方案。

隨著地下連續(xù)墻技術(shù)的發(fā)展，其施工工藝已經(jīng)十分成熟，已有工程實踐表明，地下連續(xù)墻具有墻體剛度大、整體性好、止水效果佳以及對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，其普遍應用于井深大于35.00 m的一級基坑。結(jié)合西麗水庫至南山水廠原水管工程、珠江三角洲水資源配置工程、南水北調(diào)穿黃豎井、滇中引水昆明段龍泉倒虹吸出口接收井、江蘇潤揚（鎮(zhèn)江—揚州）長江公路大橋北錨碇基坑、武漢陽邏長江公路大橋南錨碇基坑等類似工程經(jīng)驗，羅鐵工程各豎井基坑圍護型式推薦采用地下連續(xù)墻。

3結(jié) 語

本文以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程配水設施布置為例，詳細論述了輸水干線、分水支線、取水口、地下閥室以及工作井等結(jié)構(gòu)布置的原則和相應型式。綜合考慮地形地貌、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境制約等因素選定最優(yōu)方案。研究成果可為類似水利工程輸水建筑物選型提供良好借鑒。

參考文獻：

［1］鈕新強，符志遠，鄭立平.南水北調(diào)中線穿越黃河輸水隧洞技術(shù)研究［J］.人民長江，2006，37（7）：1-3，23，111.

［2］鈕新強，張傳健.復雜地質(zhì)條件下跨流域調(diào)水超長深埋隧洞建設需研究的關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.隧道建設（中英文），2019，39（4）：523-536.

［3］沈佩君，邵東國，郭元裕.國內(nèi)外跨流域調(diào)水工程建設的現(xiàn)狀與前景［J］.武漢水利電力大學學報，1995（5）：463-469.

［4］冉海林，楊必嫻.德厚水庫引水隧洞塔式進水口分層取水設計［J］.珠江水運，2017（14）：64-65.

［5］陳玉恒.國外大規(guī)模長距離跨流域調(diào)水概況［J］.南水北調(diào)與水利科技，2002（3）：42-44.

［6］中華人民共和國水利部.水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范：SL 191-2008［S］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［7］彭宗兵，鄧剛，余立偉.洪塘水庫深埋長輸水隧洞設計及結(jié)構(gòu)計算［J］.黑龍江水利科技，2022，50（12）：126-129.

［8］趙錦程.新疆某長距離輸水隧洞5#施工支洞選擇與布置［J］.水科學與工程技術(shù)，2018（6）：58-60.

［9］常彥妮.某引黃灌溉工程高邊坡、深基坑開挖作業(yè)安全施工技術(shù)［J］.建筑，2018（15）：72-74.

［10］張生林.淺析水利工程豎井施工技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)科技與信息，2021（9）：124-126.

（編輯：郭甜甜）