输送水隧洞方案设计探讨

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  深圳市广汇源水利勘测设计有限公司 广东深圳 518020
  摘要:水库输送水工程设计的合理与否,关系到人们正常的生活用水及生产。本文根据多年工程实践,对某水库的输送水方案设计进行探讨。
  关键词:输水工程;输水长隧洞;设计方案
  一、工程概况
  某水利区域处于低山丘陵区,洞线地表大部分地段呈现山高、坡陡、谷深的特点。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》,主要建筑物为1级建筑物,洪水50年一遇作为设计标准,校核洪水标准为200年一遇。输水规模为70m3/s。根据前期大量的方案比较,选出三种设计方案:I方案:从水库坝下自流引水至A村;Ⅱ方案:从水库坝下提水至B村;Ⅲ方案:从水源水库库区自流引水至B村。
  二、3条输水线路方案
  (一)水库坝下自流引水方案(I方案)
  本方案由取水头部、输水隧洞及出口建筑物组成,进口设在水库上游右岸5.4km处。此处山体岩性为安山质角砾岩,岩体完整,库岸稳定。出口设在距A村1.50km处。输水隧洞长85.3km,隧洞底坡为1:2380.
  (二)水库坝下提水引水方案(B方案)
  本方案输水线路由泵站、压力管道、暗渠、隧洞等几部分组成。进口引水线路起点提水泵站设在水库库区右岸,距电站大坝360m,扬水高度为50.88m,经2453.00m长压力钢管将水提升到283.00m高程的稳流池,再经过长1257.50m的明流暗渠到达隧洞进口。隧洞出口位于距B村1.00km处。由于是提水方案,隧洞埋深较浅,尤其是在桩号13+230。00~14+520.00过六股河约1290.00m长地段,地质条件较差,洞顶最小埋深不足1倍洞径,需采用明挖处理。引水隧洞長66.69km,隧洞底坡为1:2615。
  (三)水库坝上自流引水方案(Ⅲ方案)
  取水头部设在水库库区右岸的A沟与B沟之间的马面石处,距B沟约2.60km,距水库大坝约6.00km.隧洞出口位置同Ⅱ方案。引水隧洞长71.5lkm,隧洞底坡为1:2465.
  三、方案比较
  (一)线路布置
  从隧洞线路布置来看,I方案为自流引水,整个隧洞沿线靠近省级公路,沿线村屯众多,交通方便,有利于水、电、通讯、供应和施工机械的进场、出场运输,但线路较长,为85.3km;II方案为泵站提水,年耗电量为4.40亿kWh,最大可达4.84亿kWh,引水费用较高,然而线路最短,为66.69km;Ⅲ方案也为自流引水,线路长度为71.51km,长度居中,但由于隧洞沿线无大型河谷,相对村屯较少,距公路较远,尤其是隧洞进口处,山路崎岖,岩石陡峭,进场公路需开山凿洞,开挖量大,交通条件差。
  (二)地质条件
  (1)从区域构造稳定性方面看,本工程区地震基本烈度小于6度,三条洞线均无区域性深大断裂通过,且洞线基本走向与区域应力场最大主应力方向一般均为30?~45?,区域地质条件基本一致。
  (2)从地形地貌来看,三条洞线区均属低山丘陵区,峰谷相间,沟谷发育,洞室埋深一般为100.00~300.00m,对施工布置较为有利。以洞室底板高程控制,I洞线洞室顶板埋藏较深,为52.00-600.00m,有利有弊,利在无浅埋段,弊在较大埋深部位地应力值偏高,有发生岩爆的可能;Ⅱ洞线除了也存在发生岩爆可能的深埋段外,尚有多处浅埋段,其中在六股河河谷处洞顶埋深不足1倍洞径,在牛毛河河谷处洞顶埋深24.00m,岩体厚12.00m,上覆岩体厚度不足,这两处河谷部位无成洞条件或基本无成洞条件,若明挖,则施工排水等问题难以解决。该洞线隧洞进口之前有明挖段,因地下水位高同样存在排水问题;Ⅲ洞线洞脸位于水库右岸一陡崖下,进口段施工条件极差,洞线主要有三处河谷浅埋段,洞顶最小埋深为32.00m,对成洞不利。
  (3)从岩性来看,I、Ⅱ洞线比较,岩性条件基本相同,软质岩所占比例均较小,以Ⅱ洞线为多;Ⅲ洞线岩性与I,II洞线有一定差别,即软质岩与小岭组地层所占的比例较大,对围岩稳定不利。
  (4)从穿越主洞线的断层数量来看,I洞线为29条,最多,Ⅱ洞线为15条,居中,Ⅲ洞线为12条,最少。
  (5)从水文地质条件看,I,II洞线在三道河子向斜的核部存在具微弱溶蚀性的大理岩,受构造影响局部风化溶蚀,透水性较强,隧洞施工时可能有涌水问题;Ⅱ洞线洞室埋深浅,涌水问题较大;Ⅲ洞线岩体透水性一般微弱,虽有浅埋段,但估计不会有较大的涌水问题。
  (三)水力特性值
  针对三条输水线路进行隧洞过流能力的水力计算,其特性值见下表。
  各方案输水隧洞特性表
  特性值 单位 Ⅰ方案 Ⅱ方案 Ⅲ方案
  长度 Km 85.32 66.69 71.51
  输水方式 自流 提水 自流
  设计流量 m3/s 70 70 70
  加大流量 m3/s 77 77 77
  洞底坡降 1/2380 1/2615 1/2465
  进口水位 m 234.23 286.52 289.92
  进口底板高程 m 229.85 282.00 285.51
  出口水位 m 198.38 261.02 260.91
  出口底板高程 m 194.00 256.5. 256.50
  洞内流速 m/s 2.17 2.11
  (四)施工用电
  I、II、Ⅲ洞线都较长,除了支洞负荷外,还有料场负荷,负荷较分散。为满足各负荷点的用电要求,每条洞线要建4座66kV施工变电所,4座施工变电所出线均为10kV,由施工变电所架设10kV线路至各个支洞及料场,在各个支洞及料场设置若干台10kV变压器,为支洞及料场负荷提供电源。   在施工用电上,I洞线线路最长,负荷最大,相应的66kV线路、施工变电所容量及10kV配电设备数量都比其他两条洞线大。Ⅲ洞线线路较短,负荷小于Ⅰ洞线,相应的变电所容量以及10kV变压器的数量小于Ⅰ洞线,但Ⅲ洞线的66kV线路、10kV线路数量同Ⅰ洞线几乎相同,Ⅲ洞线沿线通过大型河谷较少,大部分跨越山区,村屯较少,交通极其不便,造成66kV线路和10kV线路架设困难,需砍伐大量的林木,植被破坏严重,对环境保护不利。经综合考虑,I洞线设计方案要优于Ⅲ洞线。
  (五)施工条件
  Ⅰ洞线隧洞总长85.3km,隧洞线路较长,但交通方便,沿线靠近公路,施工临时道路多为扩建原有乡道,共需新建、扩建施工道路119km;各支洞口施工场地开阔,临时设施容易集中布置;弃渣堆放场地多在施工支洞口附近的天然沟谷里,弃渣运距短,平均运距约在1~1.5km;混凝土襯砌所需骨料料场均匀分布在各施工场地附近,且为天然砂石骨料,骨料的开采和运输方便。隧洞进口及出口施工容易.修建施工围堰后可直接进洞施工。120km;支洞口施工场地开阔,临时设施容易布置;弃渣场地多在施工支洞口附近的天然沟谷里,弃渣运距稍远,约为1 ~2km;混凝土衬砌所需骨料料场距离各施工场地较远,但仍为天然砂石料。Ⅱ洞线头部需修建大型提水泵站,经2.40km长的压力输水管道将水送人稳流池,并通过暗渠与输水隧洞连接,泵站施工时需修建施工围堰,由于泵站位于库区边上,因此泵站施工时排水量较大;压力输水管道位于山坡上,需新修临时施工道路。隧洞进口可直接进洞,隧洞出口需修建施工围堰。在桩号13+230.00~14+520.00之间为过六股河段,由于埋深浅,成洞困难,只能以明挖、修建暗渠与主洞相连,由于六股河为常年性河流,所以该段施工需进行分期施工导流.施工排水强度大.施工难度大。
  Ⅲ洞线隧洞总长71.51km,隧洞长度居中,洞线远离公路,交通不便,施工道路多为新建道路,个别施工支洞进场困难,共需新建、扩建施工道路168km;大部分施工支洞口场地狭窄,临时设施布置分散,远离支洞口;多数支洞口附近弃渣场地小,大部分弃渣需另运至远处弃渣场地,弃渣运距长,约为3~4km,最远达5km;各施工场地附近无天然砂石料场,只能采用人工砂石料,而当地山区植~被覆盖率达80%,采用人工砂石料将对环境造成极大破坏,若采用天然砂石料,将因砂石料运距太远而增加工程造价;隧洞进口因位于水库库区内,水位较高,只能采用岩塞爆破,施工技术相对复杂,施工难度大。出口与Ⅱ洞线施工方法相同。
  通过以上施工条件比较.Ⅰ洞线优于Ⅱ.Ⅲ洞线。
  (六)对电站的影响
  水库是电网骨干调峰电站,目前水库调度运行以发电为主。从水库坝下输水的Ⅰ、Ⅱ方案对电站的电力电量影响较小,而从水库库区输水的Ⅲ方案,水库调度运行将以输水为主,对电站的电力电量影响较大。因此坝下引水的Ⅰ、Ⅱ方案要优于坝上引水的Ⅲ方案。
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