萬家寨引黃工程引黃設(shè)計(jì)

萬家寨引黃工程引黃設(shè)計(jì)

根據(jù)1983年節(jié)水部發(fā)布的《山西省雁北、晉中、內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾能源基地、北京工業(yè)和家庭供水工作總結(jié)》的精神，萬家寨引水工程的主要任務(wù)是山西省燕北、晉中、內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾能源基地、北京工業(yè)和家庭供水工作和一些農(nóng)業(yè)供水。同時(shí)，黃河水源綜合設(shè)計(jì)的一般配置已被安排為華北電網(wǎng)的前端負(fù)荷。會(huì)議確定在萬家寨選用高壩方案,水庫正常高水位980m,供水線路由萬家寨水庫揚(yáng)水至雁北地區(qū),然后分流入汾河水庫至太原地區(qū)和桑干河冊田水庫,往下沿永定河經(jīng)官廳水庫及官廳山峽至北京地區(qū)。內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾能源基地用水直接由萬家寨水庫提取。此后陸續(xù)開展了萬家寨水利樞紐和引黃工程的設(shè)計(jì)和建設(shè),1998年10月萬家寨水利樞紐建成,第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電,引黃工程分二期建設(shè),第一期工程于2001年9月試通水。1自治工程的配合問題引黃工程規(guī)模大,工程艱巨,為緩解資金困難采取了總體規(guī)劃分部實(shí)施的措施,將北干線和南干線分期建設(shè)。1993年經(jīng)國家計(jì)委批準(zhǔn)先建北干線后建南干線,后因太原比大同、平朔需水更迫切,應(yīng)山西省要求并經(jīng)國家計(jì)委同意,改為先建南干線后建北干線。1996年經(jīng)世界銀行評(píng)估后,又增加了聯(lián)結(jié)段汾河水庫至太原的埋管工程。在下土寨分水閘以前的總干線,對(duì)向太原引水和向大同、平朔引水的隧洞是打兩條小洞還是打一條大洞的問題,經(jīng)當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)分析,在先建北線的條件下,南干線建設(shè)滯后如不超過5年,將北干和南干合并建設(shè)是經(jīng)濟(jì)合理的,后經(jīng)水利部規(guī)劃設(shè)計(jì)總院審查批準(zhǔn)采用了打一條大洞方案。對(duì)南干線,根據(jù)不同時(shí)期需用水量,也采取了分期實(shí)施的辦法,第一期基本完成土建工程,機(jī)電設(shè)備分期安裝。南干土建工程因隧洞斷面小,根據(jù)施工需要,不再分期。2水利工程及洪水引黃工程每年8、9兩個(gè)月份不引水,為解決這一時(shí)期供水區(qū)的用水,選擇合適地點(diǎn)建設(shè)調(diào)節(jié)水庫是必要的。庫容根據(jù)供水區(qū)8、9月的需水量,并考慮水庫本身的蒸發(fā)滲漏損失、泥沙淤積和防洪要求確定。北干線選擇了大梁水庫作為年調(diào)節(jié)水庫?？値烊轂?.02億m3。該水庫為一旁引水庫,位于呂梁山以東的山前凹地處,庫區(qū)主要為黃土分布,黃土以下為第三系紅粘土,是水庫的主要防滲層,局部有缺蝕,下伏基巖有奧陶系灰?guī)r和石炭系砂頁巖,壩址處黃土最大厚度達(dá)20多m,黃土具濕陷性。庫區(qū)左岸臨近煤礦采空區(qū),工程地質(zhì)條件較差,基礎(chǔ)處理工作量大。由于庫址不在河道上,洪水及泥沙來量少,可減輕防洪負(fù)擔(dān),減少泥沙淤積,適應(yīng)工程汛期蓄水的需要。經(jīng)沿線多次查找比較,仍以大梁庫址較好。大梁水庫以下為全年輸水,為解決長距離輸水工程臨時(shí)檢修期的用水,在北干線末端選擇了趙家小村水庫作為周調(diào)節(jié)水庫,總庫容500萬m3。南干線也需要建調(diào)節(jié)水庫,規(guī)劃中山西省水利勘測設(shè)計(jì)院曾提出過好水溝、蒯屯關(guān)、下靜游3個(gè)庫址,由于各種原因當(dāng)時(shí)還不能確定。根據(jù)山西省意見暫用汾河水庫替代,有待今后進(jìn)一步解決。目前要求引水線路盡可能不影響下一步對(duì)庫址的選擇。引黃泵站由萬家寨水庫取水,因引水期水位變化達(dá)23m,并由于引水管道特性不一、各個(gè)水泵制造上的差異、泥沙磨損程度的不同等各種因素的影響,使水泵的抽水流量不同,為解決總干一、二級(jí)泵站與總干三級(jí)泵站間的流量平衡,在申同咀山梁靠近總干二級(jí)泵站出口處設(shè)申同咀日調(diào)節(jié)水庫1座,總庫容20萬m3,庫容按單臺(tái)機(jī)組12h抽水量確定,根據(jù)不平衡流量,通過增減泵站開機(jī)臺(tái)數(shù)使水庫蓄放周期不超過24h。3超濾、排水抗磨引黃工程總揚(yáng)程大,為減少泵站的級(jí)數(shù),水泵的揚(yáng)程在可能條件下應(yīng)選得大一些,但又必須考慮黃河泥沙對(duì)水泵的磨損,提高水泵運(yùn)行的壽命,保證1年10個(gè)月引水期內(nèi)不大修。因此,所選水泵的揚(yáng)程又不能太高。經(jīng)過對(duì)國內(nèi)已建工程運(yùn)行情況的調(diào)研和試驗(yàn)分析,根據(jù)萬家寨水庫的泥沙情況,在采取了一系列抗磨措施后,引黃工程水泵最大設(shè)計(jì)揚(yáng)程采用140m,使年連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到7300h是可能的,對(duì)此設(shè)計(jì)采取了以下措施:(1)汛期8、9月份高含沙量時(shí)不引水;(2)非汛期采取引表層清水,取水口采用閘門頂進(jìn)水方式,經(jīng)泥沙分析,多年平均引水含沙量約為1kg/m3,一般引水含沙量不超過5kg/m3,短時(shí)最大不超過10kg/m3;(3)提高水泵制造加工精度,改善水泵葉輪形態(tài),降低水流與泵輪的相對(duì)流速;(4)泵輪采用耐磨合金鋼做母材,表面噴涂抗磨涂層;(5)采取中拆或下拆方法,便于對(duì)水泵易磨損部件及時(shí)更換。4萬家堡河段水利工程引黃工程泵站站址的選擇考慮了以下因素:(1)滿足水泵選定的揚(yáng)程,并盡可能使各泵站的揚(yáng)程相同,以減少泵型;(2)利用有利的地形地質(zhì)條件,對(duì)地下廠房要求圍巖的穩(wěn)定性好,出水高壓管道應(yīng)避開土層,選在較好的基巖中;(3)要求站址場地開闊,交通便利,便于施工和運(yùn)行管理,站址盡量靠近主干公路;(4)與引水線路選擇密切結(jié)合,總體布局合理。黃河萬家寨河段河谷呈U形,兩岸陡壁高出河床100多m,距黃河邊約3km的明燈山高程達(dá)1500m以上,其間黃土覆蓋不厚,基巖出露較好,主要分布地層為寒武和奧陶系的灰?guī)r,巖石比較堅(jiān)硬完整,因此,在引水工程首部設(shè)兩級(jí)地下泵站,每級(jí)揚(yáng)程140m,水位達(dá)到高程1240m以上,以便引水隧洞容易穿過明燈山。往下引水線路避開偏關(guān)縣北部交通極為不便的山區(qū),直達(dá)巖頭寺建第三級(jí)泵站,該處位于偏關(guān)河右岸主干公路旁,站址基巖埋深較淺,巖石岸坡穩(wěn)定,山體較高。第三級(jí)泵站揚(yáng)程采用76m,以下接南干一、二級(jí)泵站。南干一級(jí)泵站設(shè)在下土寨村偏關(guān)河左岸,該處河道寬闊,岸坡為黃土覆蓋,下部有基巖出露,坡后為一巖石山梁,主要分布寒武、奧陶系灰?guī)r,引水線路由這里跨過偏關(guān)河,渡槽高度不大,工程比較簡單。南干二級(jí)泵站設(shè)在辛虎信窯村附近,該處地形高程基本滿足要求,有較高的巖石山體,在周圍一片黃土群中是惟一可供選擇的地點(diǎn)。根據(jù)地形地質(zhì)條件,兩站揚(yáng)程均采用140m,將水揚(yáng)到高程1550m以上,再穿過海河與汾河的分水嶺。所有站址的選擇,基本沿引水線路的走向,使泵型得到了簡化,泵站數(shù)減到了最少,站址的地形地質(zhì)條件較好。5大水面、下地下水段萬家寨水庫引水位與分水嶺高差達(dá)800多m,設(shè)計(jì)從節(jié)省能耗,減少工程投資,減少隧洞施工難度并滿足工期要求等方面進(jìn)行了綜合比較。對(duì)南干線最后一級(jí)泵站(南干二級(jí)泵站)揚(yáng)程,采用140m和76m兩方案作了比較。140m方案單洞最大長度約43km;76m方案單洞長度約90km,由于洞線高程降低,隧洞出口需沿汾河下移,洞長增加約8km,按鉆爆法施工需20多條支洞,總計(jì)增加支洞長度約4km,此外,洞線須穿過一段飽和粘土的凹地,同時(shí)還增加了地下水位以下的洞段長度,加大了施工難度,預(yù)計(jì)工期約增加半年多。140m方案雖增加了能耗,但投資少,便于施工,同時(shí)考慮山西省對(duì)引水的迫切要求,推薦采用140m方案,并通過了中國國際工程咨詢公司評(píng)估。北干線可研設(shè)計(jì)過分水嶺前曾考慮采用四級(jí)揚(yáng)水,總揚(yáng)程485m,隧洞過分水嶺后,進(jìn)入大梁水庫,出口高程與水庫正常蓄水位相接,后經(jīng)中國國際工程咨詢公司建議,取消了賈堡第四級(jí)揚(yáng)水站(設(shè)計(jì)揚(yáng)程約130m)。為了保持水庫原來的調(diào)節(jié)作用,在水庫底以下建一小泵站,將需要調(diào)蓄的那部分水量單獨(dú)揚(yáng)入庫內(nèi),供停引期下游使用,引水期引來的大部分水量不經(jīng)過水庫直供下游用戶,此方案雖增加了隧洞的埋深,加大了工程投資和施工難度,但減少了泵站投資,并可節(jié)省大量能耗,綜合比較結(jié)果是經(jīng)濟(jì)合理的,最后被評(píng)估通過。6水泵內(nèi)流量平衡控制引黃工程由多個(gè)梯級(jí)泵站組成,其間主要通過隧洞連接,缺乏較大的調(diào)節(jié)庫容,解決站間流量的平衡,是保證引水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。當(dāng)上級(jí)站下放的流量大于下級(jí)泵站抽水的流量時(shí),下級(jí)泵站將發(fā)生棄水;相反當(dāng)下級(jí)泵站抽水的流量大于上級(jí)泵站下放的流量時(shí),下級(jí)泵站前池水位將下降并可能被抽空,使機(jī)組受到氣蝕破壞。引黃工程解決泵站間的流量平衡采取了以下4項(xiàng)措施:(1)對(duì)總干一、二級(jí)泵站采用串聯(lián)方法,即將兩站通過壓力隧洞相連,使兩站的抽水流量自行達(dá)到平衡。(2)對(duì)總干一、二級(jí)泵站與總干三級(jí)泵站的流量平衡,采用水庫調(diào)節(jié)的方法。根據(jù)地形地質(zhì)條件,在靠近總干二級(jí)泵站下游設(shè)一日調(diào)節(jié)水庫,通過水庫的放水閘,控制下泄流量,使下放流量與總干三級(jí)泵站的抽水流量相等。(3)根據(jù)世界銀行代表的推薦,采用了變速機(jī)組,通過改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)到改變水泵抽水的流量,引黃工程總干三級(jí)站,南干一、二級(jí)站,3座地面泵站均采用了帶變頻裝置的變速機(jī)組,轉(zhuǎn)速變化范圍為70%～100%,高效區(qū)一般在94%以上。(4)通過改變泵站出口水位改變水泵的揚(yáng)程來調(diào)節(jié)水泵的抽水流量,在泵站出水豎井出口安設(shè)了控制閘,通過閘門調(diào)節(jié)下泄流量及豎井水位,當(dāng)豎井水位達(dá)到穩(wěn)定時(shí),泵站的流量也就達(dá)到了平衡。7巖相德原盆地各斷陷盆地施工支洞的布置引黃工程以無壓隧洞引水為主,隧洞坡降根據(jù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算采用1/1500,隧洞線路除了要適合調(diào)節(jié)水庫位置及泵站站址的選擇外,在保持線路基本順直的情況下,盡量減少或避開通過一些不良的地質(zhì)地段?？偢删€分布的地層主要是寒武系、奧陶系的灰?guī)r、第三系紅粘土和第四系黃土,灰?guī)r溶蝕不發(fā)育,黃土具濕陷性,洞線選擇主要為減少和避開土層,特別是濕陷性黃土。南干線自分水閘至杜莊,出露地層與總干基本相同,沿線有利民堡、九姑村、溫嶺3個(gè)斷陷盆地,馬家溝灰?guī)r,巖溶較發(fā)育,洞線盡可能沿巖石出露高的地方走,以減少土洞長度,并能將施工支洞選在基巖中;杜莊以南,洞線經(jīng)過石炭、二疊、三疊和侏羅系地層,洞線全部在地下水位以下,隧洞出口原選在汾河支流洪河上,后段線路靠近寧靜向斜軸部與向斜軸大體平行,地下水十分豐富。施工排水困難,后來將洞線改在了向斜的一翼,地下水情況有很大改善,此段線路鄰近灰河河谷和寧靜公路,交通方便,有利于安排施工支洞。因地層巖性軟硬不一,洞線考慮盡量避開煤系地層及其采空區(qū),對(duì)二疊、三疊系地層,多穿過劉家溝組和銅川組的砂巖,少經(jīng)過和尚溝組的泥質(zhì)粉砂巖、泥頁巖,以及二馬營組的蝕變砂巖。北干線分水嶺以前地層同總干線,分水嶺為一背斜,其核心部位為片麻巖及侵入巖,穿過核心進(jìn)入大梁水庫,由水庫再往南沿七里河至朔州。洞線主要經(jīng)過石炭、二疊系砂頁巖及煤系地層,洞線布置除結(jié)合水庫位置,避開或減少土層外,施工支洞位置選擇是關(guān)鍵,特別是過分水嶺深埋洞段,大梁水庫以下洞線不僅要避開安堡大型露天煤礦,還要避開地方一些中小煤礦的采空區(qū)。隧洞斷面,鉆爆法施工的有門洞形和馬蹄形,斷面尺寸,總干線為5m×5.6m,南干線和北干線分別為4m×4.2m和4m×4m(寬×高)。TBM施工的為圓形,總干和南干直徑分別為5.46m和4.2m,考慮長隧洞,斷面凈空采用20%。8基層組織、分層開挖與“花溪”采空?qǐng)鯰BM施工和管片設(shè)計(jì),我國在這方面的經(jīng)驗(yàn)不多,自引大入秦工程首次引進(jìn)后,在引黃工程中也得到廣泛的應(yīng)用,其中總干線隧洞采用1臺(tái)TBM施工,長度約22km,南干線隧洞采用4臺(tái)TBM施工,長度達(dá)90km,聯(lián)結(jié)段隧洞采用1臺(tái)TBM施工,長度約13km。目前TBM施工不僅要完成開挖,同時(shí)擔(dān)負(fù)著預(yù)制管片襯砌的工作,開挖與襯砌連續(xù)作業(yè),這就大大提高了成洞的速度,在引黃工程施工中最高日成洞達(dá)103m,最高月成洞達(dá)1821m(不包括灌漿)。單洞最大長度達(dá)43km,由2臺(tái)掘進(jìn)機(jī)對(duì)打。施工經(jīng)過了各種各樣的地層,有灰?guī)r、砂巖、泥巖和土層,也有寬度大小不等的斷層及破碎帶,還經(jīng)歷過地下水強(qiáng)滲漏段,目前已基本完成了隧洞的開挖和襯砌,但有些缺陷還有待處理。TBM施工的優(yōu)點(diǎn)是速度快,施工安全,對(duì)空氣污染少,勞動(dòng)強(qiáng)度低,節(jié)省勞力,開挖對(duì)圍巖的破壞小,可以減少施工支洞,有利于通過寬闊高大的分水嶺,但也存在一些問題,值得進(jìn)一步研究解決。TBM在開挖掘進(jìn)方面存在的主要問題是:掘進(jìn)不是一條直線,有時(shí)偏差較大,特別是在土層中最大下沉曾達(dá)到53cm,減小了無壓水工隧洞的凈空;施工中地質(zhì)描述困難,只有通過出渣的情況和掘進(jìn)機(jī)手的感覺去判