向家坝灌区北总干渠一期穿越岷江建筑物选型论证研究

2019-03-07周武平马连军王文斌杨宝全

水利规划与设计 2019年1期

周武平,马连军,杜鹏,王文斌,杨宝全

(1.四川省水利水电勘测设计研究院,四川成都 610072；2.四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

1 概述

向家坝灌区北总干渠工程是向家坝水电站配套的以农业灌溉、城乡生活及工业供水为任务的大型灌区工程，设计灌溉面积329.40万亩，供水人口380.19万。其中，北总干渠一期工程的灌溉面积为198.57万亩，供水人口254.59万。该工程的北总干渠在岷江猫儿沱处穿越，该穿江建筑物平面全长1.98km，是北总干渠一期工程的关键性项目，因此开展岷江猫儿沱穿江建筑物的选型研究是十分必要且意义重大的。

2 穿江建筑物型式拟定

北总干渠穿岷江猫儿沱河段为Ⅱ级航道，是环境保护区的缓冲区。河床及岸坡总宽度约2km，右岸进口地形总体为斜坡，左岸地形为陡崖，河床地形如图1所示。根据工程建设条件，穿江建筑物拟定了江底浅埋倒虹吸管、跨江渡槽和江底隧洞3种建筑型式，设计输水流量93m3/s，为Ⅰ级建筑物，3种型式建筑物布置详见下文内容。

2.1 江底浅埋倒虹吸管

2.1.1 工程布置

江底浅埋倒虹吸管由进口闸室、右岸滩地埋管、主河床埋管及出口闸室四部分组成，各部分详细布置如下：

进口段设进水池和闸室，闸室设拦污栅和工作门。闸室最大高度17.75m，长度23m，工作门尺寸5.5m×5.5m(宽×高)，拦污栅尺寸6m×10.7m(宽×高)。闸室上游右侧设泄水闸，闸后接720m泄水渠，泄水渠出口设消力池，池长60m，深4m。

为满足小流量不淤流速及供水保证率要求，倒虹吸采用两根钢管，钢管直径5.5m，管最大净水头107m，钢管采用16MnR，管壁厚度16～26mm，总长度1 997m。钢管采用21个镇墩镇定，镇墩间设支墩，间距10m，镇墩尺寸16m×8m×12m(长×宽×高)，镇墩与支墩基础置于基岩上。主河床段的钢管采用1m厚C20混凝土外包。管道顶位于基岩下1.0m，以满足抗冲刷要求。

出口段设消力池和闸室，闸室长15m，最大高度13.7m，闸室设事故门，尺寸5.5m×6.2m(宽×高)。倒虹吸管典型结构示意图如图2所示。

2.1.2 施工方案

江底浅埋倒虹管采取枯水期两期两段施工导流方案，需解决复杂的通航问题，导流及通航明渠断面大，进、出口水力衔接要求高，结构复杂，工程量大。

图1 猫儿沱河床地形纵剖面图

图2 猫儿沱江底浅埋倒虹吸管立视图(单位：cm)

2.1.2.1 导流标准及导流时段

根据规范规定，导流建筑物级别为4级，土石围堰设计洪水重现期为10～20年，导流设计洪水标准为10年一遇。

根据水文资料，穿江断面岷江洪枯洪水倍比大于20倍，水位变幅大于10m，因此导流时段选择11月—第2年4月，相应时段10年一遇导流设计流量为QP=10%=4180 m3/s。

2.1.2.2 导流方式

穿江断面岷江枯期河床宽约300m，覆盖层厚度约4m，基岩挖深约8m。主河床位于左岸，右岸为滩地，高出左岸4～7m，右岸交通及地形条件较好。河床具备分期导流的条件，综合地形及通航因素，施工采用两期两段、一期先围右岸的施工导流方式，即：一期(一枯，第1年11月—第2年4月)先围右侧漫滩，左侧主河床导流和通航，二期(二枯，第2年11月—第3年4月)围左侧主河床，右侧明渠过流和通航。

2.1.2.3 围堰

因通航水深等因素，围堰选择土石堰，坡比1∶1.5，迎水面采用钢筋笼块石护坡防冲。一期上游横向围堰顶长164m，顶宽8m，堰顶高程275m，最大堰高11m；下游横向围堰顶长243.7m，顶宽8m，堰顶高程274m，最大堰高10m；纵向围堰长389m，堰顶高程274～275m。二期围堰上游横向围堰顶长230m，顶宽8m，堰顶高程275.9m，最大堰高12.8m；下游横向围堰顶长239.69m，顶宽8m，堰顶高程273m，最大堰高9.9m；纵向围堰长314m，在一枯基坑内完成，两侧均采用钢筋笼块石防冲和度汛保护，堰顶高程273～276m。

2.1.2.4 工期

经施工进度计划推算，倒虹管方案施工工期24个月，其中：第1年7—9月进行施工准备、左岸航道疏浚和右岸边坡开挖，10—11月为一期(即一枯)围堰施工期，12月—第2年3月为河床基坑主体工程施工期，完成10年一遇全年洪水位以下全部倒虹管施工，第2年4—5月为一枯围堰拆除、通航明渠度汛期防护施工期。

第2年6—9月河床基坑停工度汛、岸坡倒虹管继续施工，并进行二期施工准备和左岸边坡开挖，10—11月为二期(即二枯)围堰施工期，12月—第3年3月为河床基坑主体工程施工期，完成10年一遇全年洪水位以下全部倒虹管施工，第3年4—5月为二枯围堰拆除、通航河道恢复施工期，第3年6月完成20年一遇全年洪水位以下全部倒虹管外包混凝土施工。

2.2 跨江渡槽

2.2.1 工程布置

因岷江猫儿沱位置的通航要求，该处跨江渡槽选用连续刚构渡槽型式，由进口节制闸、连续刚构渡槽及出口检修闸组成，各部分详细布置如下：

进口段设进水池和闸室，闸室设拦污栅和工作门。闸室最大高度18m，长度16m，工作门尺寸9.0m×9.0m(宽×高)，拦污栅尺寸9.0m×12.6m(宽×高)。闸室上游右侧设泄水闸，闸后接755m泄水渠，泄水渠出口设消力池，池长60m，深4m。

连续刚构梁渡槽段，全长1584m，由4m×99m及6m×198m两种跨度组成，刚构箱梁采用C55混凝土，边跨纵向跨长99m，中跨纵向跨长198m，边、中跨比0.5。箱梁断面拟定成4室过水，单室流道净空宽4.25m，水深3.45m。箱梁跨中梁高为5.4m，顶板厚0.4m，底板厚0.6m；箱梁端部梁高为15.4m，箱梁端部横截面选用单箱8室，顶板厚0.4m，底板厚1.5m。箱梁边腹板厚为0.5m，中腹板厚0.6m。渡槽过水底板(隔板)坡降采用1/3000。

渡槽下部支承结构采用C50混凝土高墩。顺水流方向截面总宽14m，单支空心墩截面高3m，空心墩间距为8m，横槽长19.8m，空心墩采用多矩形空心断面，空心墩边壁厚0.8m，中隔板厚为0.7m。

出口段设消力池和闸室，闸室长15m，最大高度13.7m，闸室设事故门，尺寸9.0m×8.2m(宽×高)。连续刚构渡槽典型结构示意如图3所示。

2.2.2 施工方案

刚构渡槽江心墩在度汛水位以下结构采用钢围堰施工，度汛水位以上结构在钢围堰上搭建全年施工平台施工，岸边墩地面高于10年一遇洪水，但需搭建高于度汛水位的作业平台施工。

2.2.2.1 导流标准及导流时段

根据规范规定，导流建筑物级别为4级，土石围堰设计洪水重现期为10～20年，钢围堰按混凝土围堰设计洪水标准为5～10年重现期。根据水文资料，选择枯期时段即可完成相应基坑施工任务，渡槽施工期导流设计洪水标准为10年一遇。

根据水文资料，渡槽方案的导流时段同江底浅埋倒虹吸管方案。

2.2.2.2 导流方式

渡槽在度汛洪水位以下的基础及墩体施工在一个枯水期内完成。江心墩采用双壁钢围堰形成江心枯期基坑进行墩体施工；岸边墩虽高于枯期水位，但也需枯期围堰施工到度汛水位以上。施工时段11月—第2年4月。

2.2.2.3 中上部墩体及刚构箱梁施工

在墩体下游侧按10年一遇防洪水位搭设钢结构施工平台，作为工作电梯、塔吊基础平台及人员设备材料等转运作业平台，对中上部墩体及刚构箱梁进行全年施工。

2.2.2.4 围堰结构拟定

江心墩双壁钢围堰设计为圆形，外直径28.8m，设计挡水位272.8m；岸边墩基坑周边地面高程高于273m，需在基坑周边形成小围堰，堰顶高程273.5m。

2.2.2.5 工期

经施工进度计划推算，钢构渡槽方案施工工期50个月，其中：第1年1—3月进行右岸高墩渡槽施工准备、10月完成河床双壁钢围堰及水下槽墩施工准备，第1年4月开始右岸高墩基础开挖，11月完成双壁钢围堰安装沉放，12月—第2年1月完成江心墩基础灌注桩施工，第2年3月上旬完成基础承台混凝土浇筑，第2年4月完成度汛水位以下槽墩浇筑，第2年9月完成江心墩及岸边墩的墩体施工，第2年12月底完成墩顶0#节段施工及支座临时刚固，第3年1月完成挂篮安装和验收，之后按每月1～2节段的进度进行刚构箱梁施工，至第5年2月完成全部合龙段施工及充水验收，刚构渡槽具备验收通水条件。

图3 猫儿沱刚构渡槽典型结构示意图(单位：cm)

2.3 穿江隧洞

根据岷江猫儿沱处河床地形条件，左岸地形比较陡峭，只能布置竖井隧洞，因此穿江隧洞可布置两种方案：方案一为右岸斜井，左岸竖井；方案二为右岸竖井，左岸竖井，本节对两种隧洞布置方案进行比选论证。

2.3.1 穿江隧洞布置方案比选

2.3.1.1 右岸斜井左岸竖井方案布置

方案一进口段设进水池和闸室，闸室设拦污栅和工作门。闸室最大高度8m，长度14m，工作门尺寸9.0m×8.0m(宽×高)，拦污栅尺寸9.0m×9.75m(宽×高)。闸室上游右侧设泄水闸，闸后接696m泄水渠，泄水渠出口设消力池，池长60m，深4m。

滩地埋管采用单根钢管，直径7.0m，管材采用16 MnR，管壁厚度18～26mm，埋管段总长度606.55m。钢管转弯处设置镇墩，镇墩长10～20m，宽11m，高14～16m，共计8个镇墩，镇墩基础置于弱风化基岩上。

右岸斜井、过江平洞、左岸竖井总长1251.58m。右岸斜井段包括进口及下斜弯段，长537.26m，坡比1∶8.5，斜井在新鲜粉砂质泥岩与泥质粉砂岩中穿过；过江平洞段长547.77m，1/500的纵坡，井内水头约160m。平洞在新鲜粉砂质泥岩与泥质粉砂岩中穿过；竖井段包括竖井及下直弯段长166.55m，竖井与过江平洞相连转弯半径为20m。洞室围岩主要为新鲜粉砂质泥岩。

江底隧洞采用圆形断面，内径7.0m，开挖初期支护对隧洞全断面喷射钢纤维C25混凝土厚15cm，布设Φ25锚杆，长度L=3.0m，间排距1.2m×1.2m，必要时布设Ι20钢支撑，每榀间距1.2m。二次衬砌按不同高度的内水头衬砌：80m以下静水头采取0.7m厚C30混凝土衬砌；80～110m静水头采取0.7m厚C45预应力混凝土衬砌；110～140m静水头采取0.8m厚C45预应力混凝土衬砌；140～160m静水头采取0.9m厚C45预应力混凝土衬砌。

出口段设消力池和闸室，闸室长36m，最大高度13.45m，闸室设事故门，尺寸9.0m×7.0m(宽×高)。

2.3.1.2 右岸竖井左岸竖井方案布置

方案二进、出口结构布置与方案一相同。

滩地埋管段的单根钢管直径7.2m，管材也采用16MnR，管壁厚度18～26mm，埋管段总长度980m。钢管转弯处设置镇墩，镇墩长10～20m，宽11m，高14～16m，共计9个镇墩，镇墩基础置于弱风化基岩上。

右岸竖井、过江平洞、左岸竖井段总长934.15m，右岸竖井段包括进口及下斜弯段长96.02m，竖井在新鲜粉砂质泥岩与泥质粉砂岩中穿过；过江平洞段长670.73m，1/500的纵坡；竖井段包括竖井及下直弯段长167.4m，竖井与过江平洞相连转弯半径为20m。

江底隧洞采用圆形断面，内径7.2m，衬砌厚度与原则同方案一。

2.3.1.3 穿江隧洞方案比选

猫儿沱穿江建筑物拟定右岸斜井左岸竖井方案一和右岸竖井左岸竖井方案二两个方案，针对两个方案进行比较，投资综合比选详见表1。

通过江底隧洞两种方案的投资比较，右岸斜井方案一投资较节省；从施工条件方面看，右岸竖井虽出渣提升距离较短，但出渣较斜井慢，且安全风险较高。因此，北总干渠穿岷江猫儿沱江底隧洞采用右岸斜井左岸竖井方案。

表1 两种方案江底隧洞主要工程量及投资

2.3.2 穿江隧洞施工方案

猫儿沱江底隧洞方案没有施工期导流问题，江底平洞段基岩最小埋设深度约53m，右岸斜井左岸竖井的水平埋深大于100m。施工中均要进行超前勘探查明前方是否存在渗漏、涌水、透水等不良地质条件，以采取对应措施。

2.3.2.1 施工导流与度汛

根据规范规定，江底隧洞施工期防洪度汛设计洪水标准为20年一遇。左岸竖井和右岸斜井设计高程高于200年一遇洪水位289.5m。同时为便于施工出渣及设备进入，在左岸竖井287.0m高程处布置一条施工支洞，支洞口高于岷江20年一遇洪水位284.8m。

2.3.2.2 施工方案

根据地质钻孔资料，竖井及斜井进口段为Ⅴ类围岩，其余洞段(井段)为Ⅳ类围岩，洞室周边30m范围内围岩吸水率小于7.6Lu，围岩透水性弱。根据江底隧洞特性，以及井下深埋隧洞施工通风及安全保证要求，采用超前钻孔勘察、超前灌浆、上导洞先行、钻爆法双向掘进施工方案。同时加以超前勘探、短进尺、弱爆破、强支护、强通风、勤监测等措施和施工方法，保证安全掘进。左岸工作面经竖井提升出渣，右岸工作面经斜井牵引有轨斗车出渣，井口地面卸渣，转运至渣场。

2.3.2.3 施工支洞布置

左岸竖井深度约145m，井口地面高程约350m，井底开挖高程198.2m。若全部采用自上向下开挖，则通风散烟、出渣提升、人员及物资运送耗时、废电，安全保证难度及施工难度较大。因此，左岸竖井在20年一遇洪水位以上布置一条施工支洞，长度约150m，进口高程287m，与竖井交点高程290m。

2.3.2.4 施工工期

右岸斜井江底隧洞方案施工工期40～44个月，其中：施工准备期3～4个月，洞口(井口)明挖及挂口施工期4～6个月，竖井及隧洞开挖工期17个月(拟定开挖进尺分别为：竖井15～20m/月、斜井(斜洞)40～50m/月、江底平洞40～60m/月)，洞身及井体混凝土衬砌工期10个月(拟定衬砌进尺分别为：竖井40m/月、斜井及平洞60～100m/月)，回填及固结灌浆4个月，斜井进口衔接段压力钢管(埋管)和竖井井口衔接施工期3～4个月。