向家壩灌區北總干渠一期穿越岷江建筑物選型論證研究

周武平,馬連軍,杜 鵬,王文斌,楊寶全

(1.四川省水利水電勘測設計研究院,四川 成都 610072；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

1 概述

向家壩灌區北總干渠工程是向家壩水電站配套的以農業灌溉、城鄉生活及工業供水為任務的大型灌區工程，設計灌溉面積329.40萬畝，供水人口380.19萬。其中，北總干渠一期工程的灌溉面積為198.57萬畝，供水人口254.59萬。該工程的北總干渠在岷江貓兒沱處穿越，該穿江建筑物平面全長1.98km，是北總干渠一期工程的關鍵性項目，因此開展岷江貓兒沱穿江建筑物的選型研究是十分必要且意義重大的。

2 穿江建筑物型式擬定

北總干渠穿岷江貓兒沱河段為Ⅱ級航道，是環境保護區的緩沖區。河床及岸坡總寬度約2km，右岸進口地形總體為斜坡，左岸地形為陡崖，河床地形如圖1所示。根據工程建設條件，穿江建筑物擬定了江底淺埋倒虹吸管、跨江渡槽和江底隧洞3種建筑型式，設計輸水流量93m3/s，為Ⅰ級建筑物，3種型式建筑物布置詳見下文內容。

2.1 江底淺埋倒虹吸管

2.1.1 工程布置

江底淺埋倒虹吸管由進口閘室、右岸灘地埋管、主河床埋管及出口閘室四部分組成，各部分詳細布置如下：

進口段設進水池和閘室，閘室設攔污柵和工作門。閘室最大高度17.75m，長度23m，工作門尺寸5.5m×5.5m(寬×高)，攔污柵尺寸6m×10.7m(寬×高)。閘室上游右側設泄水閘，閘后接720m泄水渠，泄水渠出口設消力池，池長60m，深4m。

為滿足小流量不淤流速及供水保證率要求，倒虹吸采用兩根鋼管，鋼管直徑5.5m，管最大凈水頭107m，鋼管采用16MnR，管壁厚度16～26mm，總長度1 997m。鋼管采用21個鎮墩鎮定，鎮墩間設支墩，間距10m，鎮墩尺寸16m×8m×12m(長×寬×高)，鎮墩與支墩基礎置于基巖上。主河床段的鋼管采用1m厚C20混凝土外包。管道頂位于基巖下1.0m，以滿足抗沖刷要求。

出口段設消力池和閘室，閘室長15m，最大高度13.7m，閘室設事故門，尺寸5.5m×6.2m(寬×高)。倒虹吸管典型結構示意圖如圖2所示。

2.1.2 施工方案

江底淺埋倒虹管采取枯水期兩期兩段施工導流方案，需解決復雜的通航問題，導流及通航明渠斷面大，進、出口水力銜接要求高，結構復雜，工程量大。

圖1 貓兒沱河床地形縱剖面圖

圖2 貓兒沱江底淺埋倒虹吸管立視圖(單位：cm)

2.1.2.1 導流標準及導流時段

根據規范規定，導流建筑物級別為4級，土石圍堰設計洪水重現期為10～20年，導流設計洪水標準為10年一遇。

根據水文資料，穿江斷面岷江洪枯洪水倍比大于20倍，水位變幅大于10m，因此導流時段選擇11月—第2年4月，相應時段10年一遇導流設計流量為QP=10%=4180 m3/s。

2.1.2.2 導流方式

穿江斷面岷江枯期河床寬約300m，覆蓋層厚度約4m，基巖挖深約8m。主河床位于左岸，右岸為灘地，高出左岸4～7m，右岸交通及地形條件較好。河床具備分期導流的條件，綜合地形及通航因素，施工采用兩期兩段、一期先圍右岸的施工導流方式，即：一期(一枯，第1年11月—第2年4月)先圍右側漫灘，左側主河床導流和通航，二期(二枯，第2年11月—第3年4月)圍左側主河床，右側明渠過流和通航。

2.1.2.3 圍堰

因通航水深等因素，圍堰選擇土石堰，坡比1∶1.5，迎水面采用鋼筋籠塊石護坡防沖。一期上游橫向圍堰頂長164m，頂寬8m，堰頂高程275m，最大堰高11m；下游橫向圍堰頂長243.7m，頂寬8m，堰頂高程274m，最大堰高10m；縱向圍堰長389m，堰頂高程274～275m。二期圍堰上游橫向圍堰頂長230m，頂寬8m，堰頂高程275.9m，最大堰高12.8m；下游橫向圍堰頂長239.69m，頂寬8m，堰頂高程273m，最大堰高9.9m；縱向圍堰長314m，在一枯基坑內完成，兩側均采用鋼筋籠塊石防沖和度汛保護，堰頂高程273～276m。

2.1.2.4 工期

經施工進度計劃推算，倒虹管方案施工工期24個月，其中：第1年7—9月進行施工準備、左岸航道疏浚和右岸邊坡開挖，10—11月為一期(即一枯)圍堰施工期，12月—第2年3月為河床基坑主體工程施工期，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月為一枯圍堰拆除、通航明渠度汛期防護施工期。

第2年6—9月河床基坑停工度汛、岸坡倒虹管繼續施工，并進行二期施工準備和左岸邊坡開挖，10—11月為二期(即二枯)圍堰施工期，12月—第3年3月為河床基坑主體工程施工期，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月為二枯圍堰拆除、通航河道恢復施工期，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

因岷江貓兒沱位置的通航要求，該處跨江渡槽選用連續剛構渡槽型式，由進口節制閘、連續剛構渡槽及出口檢修閘組成，各部分詳細布置如下：

進口段設進水池和閘室，閘室設攔污柵和工作門。閘室最大高度18m，長度16m，工作門尺寸9.0m×9.0m(寬×高)，攔污柵尺寸9.0m×12.6m(寬×高)。閘室上游右側設泄水閘，閘后接755m泄水渠，泄水渠出口設消力池，池長60m，深4m。

連續剛構梁渡槽段，全長1584m，由4m×99m及6m×198m兩種跨度組成，剛構箱梁采用C55混凝土，邊跨縱向跨長99m，中跨縱向跨長198m，邊、中跨比0.5。箱梁斷面擬定成4室過水，單室流道凈空寬4.25m，水深3.45m。箱梁跨中梁高為5.4m，頂板厚0.4m，底板厚0.6m；箱梁端部梁高為15.4m，箱梁端部橫截面選用單箱8室，頂板厚0.4m，底板厚1.5m。箱梁邊腹板厚為0.5m，中腹板厚0.6m。渡槽過水底板(隔板)坡降采用1/3000。

渡槽下部支承結構采用C50混凝土高墩。順水流方向截面總寬14m，單支空心墩截面高3m，空心墩間距為8m，橫槽長19.8m，空心墩采用多矩形空心斷面，空心墩邊壁厚0.8m，中隔板厚為0.7m。

出口段設消力池和閘室，閘室長15m，最大高度13.7m，閘室設事故門，尺寸9.0m×8.2m(寬×高)。連續剛構渡槽典型結構示意如圖3所示。

2.2.2 施工方案

剛構渡槽江心墩在度汛水位以下結構采用鋼圍堰施工，度汛水位以上結構在鋼圍堰上搭建全年施工平臺施工，岸邊墩地面高于10年一遇洪水，但需搭建高于度汛水位的作業平臺施工。

2.2.2.1 導流標準及導流時段

根據規范規定，導流建筑物級別為4級，土石圍堰設計洪水重現期為10～20年，鋼圍堰按混凝土圍堰設計洪水標準為5～10年重現期。根據水文資料，選擇枯期時段即可完成相應基坑施工任務，渡槽施工期導流設計洪水標準為10年一遇。

根據水文資料，渡槽方案的導流時段同江底淺埋倒虹吸管方案。

2.2.2.2 導流方式

渡槽在度汛洪水位以下的基礎及墩體施工在一個枯水期內完成。江心墩采用雙壁鋼圍堰形成江心枯期基坑進行墩體施工；岸邊墩雖高于枯期水位，但也需枯期圍堰施工到度汛水位以上。施工時段11月—第2年4月。

2.2.2.3 中上部墩體及剛構箱梁施工

在墩體下游側按10年一遇防洪水位搭設鋼結構施工平臺，作為工作電梯、塔吊基礎平臺及人員設備材料等轉運作業平臺，對中上部墩體及剛構箱梁進行全年施工。

2.2.2.4 圍堰結構擬定

江心墩雙壁鋼圍堰設計為圓形，外直徑28.8m，設計擋水位272.8m；岸邊墩基坑周邊地面高程高于273m，需在基坑周邊形成小圍堰，堰頂高程273.5m。

2.2.2.5 工期

經施工進度計劃推算，鋼構渡槽方案施工工期50個月，其中：第1年1—3月進行右岸高墩渡槽施工準備、10月完成河床雙壁鋼圍堰及水下槽墩施工準備，第1年4月開始右岸高墩基礎開挖，11月完成雙壁鋼圍堰安裝沉放，12月—第2年1月完成江心墩基礎灌注樁施工，第2年3月上旬完成基礎承臺混凝土澆筑，第2年4月完成度汛水位以下槽墩澆筑，第2年9月完成江心墩及岸邊墩的墩體施工，第2年12月底完成墩頂0#節段施工及支座臨時剛固，第3年1月完成掛籃安裝和驗收，之后按每月1～2節段的進度進行剛構箱梁施工，至第5年2月完成全部合龍段施工及充水驗收，剛構渡槽具備驗收通水條件。

圖3 貓兒沱剛構渡槽典型結構示意圖(單位：cm)

2.3 穿江隧洞

根據岷江貓兒沱處河床地形條件，左岸地形比較陡峭，只能布置豎井隧洞，因此穿江隧洞可布置兩種方案：方案一為右岸斜井，左岸豎井；方案二為右岸豎井，左岸豎井，本節對兩種隧洞布置方案進行比選論證。

2.3.1 穿江隧洞布置方案比選

2.3.1.1 右岸斜井左岸豎井方案布置

方案一進口段設進水池和閘室，閘室設攔污柵和工作門。閘室最大高度8m，長度14m，工作門尺寸9.0m×8.0m(寬×高)，攔污柵尺寸9.0m×9.75m(寬×高)。閘室上游右側設泄水閘，閘后接696m泄水渠，泄水渠出口設消力池，池長60m，深4m。

灘地埋管采用單根鋼管，直徑7.0m，管材采用16 MnR，管壁厚度18～26mm，埋管段總長度606.55m。鋼管轉彎處設置鎮墩，鎮墩長10～20m，寬11m，高14～16m，共計8個鎮墩，鎮墩基礎置于弱風化基巖上。

右岸斜井、過江平洞、左岸豎井總長1251.58m。右岸斜井段包括進口及下斜彎段，長537.26m，坡比1∶8.5，斜井在新鮮粉砂質泥巖與泥質粉砂巖中穿過；過江平洞段長547.77m，1/500的縱坡，井內水頭約160m。平洞在新鮮粉砂質泥巖與泥質粉砂巖中穿過；豎井段包括豎井及下直彎段長166.55m，豎井與過江平洞相連轉彎半徑為20m。洞室圍巖主要為新鮮粉砂質泥巖。

江底隧洞采用圓形斷面，內徑7.0m，開挖初期支護對隧洞全斷面噴射鋼纖維C25混凝土厚15cm，布設Φ25錨桿，長度L=3.0m，間排距1.2m×1.2m，必要時布設Ι20鋼支撐，每榀間距1.2m。二次襯砌按不同高度的內水頭襯砌：80m以下靜水頭采取0.7m厚C30混凝土襯砌；80～110m靜水頭采取0.7m厚C45預應力混凝土襯砌；110～140m靜水頭采取0.8m厚C45預應力混凝土襯砌；140～160m靜水頭采取0.9m厚C45預應力混凝土襯砌。

出口段設消力池和閘室，閘室長36m，最大高度13.45m，閘室設事故門，尺寸9.0m×7.0m(寬×高)。

2.3.1.2 右岸豎井左岸豎井方案布置

方案二進、出口結構布置與方案一相同。

灘地埋管段的單根鋼管直徑7.2m，管材也采用16MnR，管壁厚度18～26mm，埋管段總長度980m。鋼管轉彎處設置鎮墩，鎮墩長10～20m，寬11m，高14～16m，共計9個鎮墩，鎮墩基礎置于弱風化基巖上。

右岸豎井、過江平洞、左岸豎井段總長934.15m，右岸豎井段包括進口及下斜彎段長96.02m，豎井在新鮮粉砂質泥巖與泥質粉砂巖中穿過；過江平洞段長670.73m，1/500的縱坡；豎井段包括豎井及下直彎段長167.4m，豎井與過江平洞相連轉彎半徑為20m。

江底隧洞采用圓形斷面，內徑7.2m，襯砌厚度與原則同方案一。

2.3.1.3 穿江隧洞方案比選

貓兒沱穿江建筑物擬定右岸斜井左岸豎井方案一和右岸豎井左岸豎井方案二兩個方案，針對兩個方案進行比較，投資綜合比選詳見表1。

通過江底隧洞兩種方案的投資比較，右岸斜井方案一投資較節省；從施工條件方面看，右岸豎井雖出渣提升距離較短，但出渣較斜井慢，且安全風險較高。因此，北總干渠穿岷江貓兒沱江底隧洞采用右岸斜井左岸豎井方案。

表1 兩種方案江底隧洞主要工程量及投資

2.3.2 穿江隧洞施工方案

貓兒沱江底隧洞方案沒有施工期導流問題，江底平洞段基巖最小埋設深度約53m，右岸斜井左岸豎井的水平埋深大于100m。施工中均要進行超前勘探查明前方是否存在滲漏、涌水、透水等不良地質條件，以采取對應措施。

2.3.2.1 施工導流與度汛

根據規范規定，江底隧洞施工期防洪度汛設計洪水標準為20年一遇。左岸豎井和右岸斜井設計高程高于200年一遇洪水位289.5m。同時為便于施工出渣及設備進入，在左岸豎井287.0m高程處布置一條施工支洞，支洞口高于岷江20年一遇洪水位284.8m。

2.3.2.2 施工方案

根據地質鉆孔資料，豎井及斜井進口段為Ⅴ類圍巖，其余洞段(井段)為Ⅳ類圍巖，洞室周邊30m范圍內圍巖吸水率小于7.6Lu，圍巖透水性弱。根據江底隧洞特性，以及井下深埋隧洞施工通風及安全保證要求，采用超前鉆孔勘察、超前灌漿、上導洞先行、鉆爆法雙向掘進施工方案。同時加以超前勘探、短進尺、弱爆破、強支護、強通風、勤監測等措施和施工方法，保證安全掘進。左岸工作面經豎井提升出渣，右岸工作面經斜井牽引有軌斗車出渣，井口地面卸渣，轉運至渣場。

2.3.2.3 施工支洞布置

左岸豎井深度約145m，井口地面高程約350m，井底開挖高程198.2m。若全部采用自上向下開挖，則通風散煙、出渣提升、人員及物資運送耗時、廢電，安全保證難度及施工難度較大。因此，左岸豎井在20年一遇洪水位以上布置一條施工支洞，長度約150m，進口高程287m，與豎井交點高程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個月，其中：施工準備期3～4個月，洞口(井口)明挖及掛口施工期4～6個月，豎井及隧洞開挖工期17個月(擬定開挖進尺分別為：豎井15～20m/月、斜井(斜洞)40～50m/月、江底平洞40～60m/月)，洞身及井體混凝土襯砌工期10個月(擬定襯砌進尺分別為：豎井40m/月、斜井及平洞60～100m/月)，回填及固結灌漿4個月，斜井進口銜接段壓力鋼管(埋管)和豎井井口銜接施工期3～4個月。

3 穿江建筑物選型

3.1 穿江建筑物投資比較

貓兒沱穿江建筑物擬定江底淺埋倒虹吸、跨江渡槽及江底隧洞三種方案，各方案的工程量及投資比選詳見表2。

通過三種型式的穿江建筑物相對投資比較，江底隧洞方案投資較優，雖工期長于江底淺埋倒虹吸方案，但不影響該工程的總工期。

3.2 穿江建筑物綜合比較

對三種型式的穿江建筑物從工程布置、施工條件、水力條件、通航條件等方面進行了綜合比較，各方案的綜合優缺點比選詳見表3。

表2 各種方案穿江建筑物主要工程量及投資

通過綜合比較，渡槽方案水頭損失最小，但技術難度大，施工工藝復雜，投資最高；倒虹管方案布置及施工較為常規，但施工期通航影響及生態環境影響最為突出，投資也相對較高。綜上，江底隧洞方案最優，因此貓兒沱穿江建筑物型式選擇江底隧洞方案，結構示意圖如圖4所示。

表3 各方案的綜合優缺點比選

圖4 貓兒沱江底隧洞典型結構示意圖(單位：cm)

4 結語

(1)岷江貓兒沱穿江建筑物外部環境復雜，涉及通航及環境等敏感、強制性因素，通過對3種不同型式穿江建筑物的結構受力、水頭損失、施工方案、通航與環境影響、經濟及安全性等方面進行綜合對比論證，最終選定的貓兒沱江底隧洞結構是經濟合理的，且滿足各種外部條件要求。

(2)貓兒沱江底隧洞位于岷江水面以下約70m，最大內水頭約160m，穿越軟巖巖層，選擇經濟合理、結構安全的建筑物結構，是北總干渠穿江建筑物順利建設和良好運行的強有力保障。