3南水北调中线工程总干渠吴庄隧洞设计方案优化(水科学2009.2)1

1南水北调中线工程总干渠京石段吴庄隧洞设计方案优化王春华（水利部河北水利水电勘测设计研究院，天津300250）摘要：论述了吴庄隧洞历经规划、初设多次设计方案比选，其中有盘山渠、隧洞长洞、短洞方案等，工程进行了多次补充地质勘察，做了大量的前期工作，从洞线工程地质条件、节约资金、方便施工及管理等综合因素进行优化。关键词：南水北调；隧洞；优化；设计；1工程概况吴庄隧洞位于河北省保定市满城县城西北约5km的吴家庄村北，是南水北调中线京石段应急供水工程的一项控制性大型输水隧洞，隧洞全长2373m，设计流量为125m3/s，加大流量为1503/s（原设计流量为1603/s，加大流量为1903/s），设计水头0.448m。渠底高程62.775～61.415m。采用双洞线无压流圆拱直墙形方案，断面宽7.8m，高8.45m。工程2003年9月通过水规总院初步设计审查，2006年7月全线顺利贯通，2008年9月建成通水。2工程地质条件工程区位于太行山东部边缘低山丘陵区，最高山峰石牛山高程411.6m，山体坡度300～400，山前坡地高程69m～101m。工程区地震基本烈度为Ⅵ度区。构造不发育，局部存在小断裂及节理密集带。2基岩较为单一，为蓟县系雾迷山组（JXW）中厚层～厚层含燧石条带白云岩，岩层走向NE300～400，倾向SE，倾角60～80，弱风化～微风化岩层为主。岩块饱和抗压强度128～196MPa，强度较高，为硬质岩石。弹性模量8.13×104～10×104。泊松比0.18～0.27。纵波波速3500～6100m/s。山前坡地为坎状梯田，第四系松散堆积物，表层为黄土状壤土，中部为壤土或含碎石壤土，下部红粘土。地下水类型为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，渠底以上地下水量较小，受季节控制明显，地下水稳定水位在渠底高程以下，地下水对混凝土无腐蚀性。本工程在线路规划、初设各设计阶段线路优化比选过程中进行了多次详细补充工程地质勘察工作，基本查明了工程区工程地质与水文地质条件，为线路优化比选提供了可靠地质依据。3洞线优化3.1盘山渠方案1994年，规划阶段吴庄隧洞原为盘山渠方案，线路全长10685m,由于地势较低，下游接漕河渡槽施工难度较大、投资高等不利因素，经现场查勘，于1994年8月将穿漕河渡槽位置向漕河上游移2km，原吴庄盘山渠方案改为隧洞方案，见图1。33.2短洞方案1995年，原初步设计方案吴庄隧洞全长1745m，主体建筑工程投资1.95亿元。洞轴线走向近南北。隧洞全部位于蓟县系雾迷山组（JXW）中厚层～厚层含燧石条带白云岩中，进口段节理密集带较发育，存在数条小断层，岩体自稳条件差。出口段岩体相对较完整。隧洞Ⅳ类围岩占18%；Ⅲ类围岩占53%；Ⅱ类围岩占29%。进出口均为深挖土方明渠方案，高边坡护砌，进口挖深38～41m，出口挖深29～22m。进口段挖方46.5万m3,出口段挖方30.1万m3。深挖方不仅施工困难，高边坡将影响工程的安全运行和管理。3.3长洞方案2001年，原修改初步阶段阶段决短洞方案存在的隧洞进出口深挖方问题，根据原初步设计阶段补充地质勘察成果，进行早进洞，晚出洞，在进出口黄土状土中进行水工隧洞长洞方案的修改设计。进行了4种设计方案比较，见表1。4表1长洞4种设计方案主要指标比较表序号方案投资亿元隧洞长度m土洞长度m土岩结合长度m1短洞方案2.7820332401502长洞方案3.0321703851503暗涵方案2.9820602651504变水头方案2.682060265150注:(1)短洞方案综合考虑较优;(2)长洞方案钢筋混凝土量大;(3)暗涵方案钢筋混凝土量较大;(4)变水头方案需增加17cm水头。从表2看出，方案4变水头方案能节约部分投资，但南水北调中线工程水头非常珍贵，增加水头有困难。表2显示在现水头情况下采用短洞方案投资最省，综合考虑较优。因土洞段自稳能力差，需较强的临时及永久支护，所以长洞4种方案中存在建筑工程投资增加较多的问题。3.4推荐方案(1)2003年根据国务院批复，原设计流量为1603/s改为125m3/s，加大流量为1903/s改为1503/s(2)对吴庄隧洞线路进行优化调整，进口位置向东移了500m，隧洞全长2125m。主体建筑工程投资2.01亿元。(3)新洞线隧洞全部位于蓟县系雾迷山组（JXW）中厚层～厚层含燧石条带白云岩中，进出口口段节理不发育，岩体自稳条件较好，由于进出口及洞身围岩因避开了原洞线小断裂及节理密集带，不稳定的Ⅳ类围岩减少了15%,稳定性较差的Ⅲ类围岩占减少了35%,基本稳定的Ⅱ类围岩增加了50%，洞室围岩完整性明显好于原初设洞线。经研究确定为本工程最佳方案。2004～2006年施工中隧洞实测Ⅳ类围岩占3.15%；Ⅲ类围岩占518.25%；Ⅱ类围岩占79.06%，与勘察成果吻合。4结语调整后洞线较原初设的短线方案增长380m，与原设计方案比较投资增加0.06亿元，但隧洞围岩工程地质条件明显改善，进出口开挖量减少15%，施工开挖中不确定因素减少，后期工程运用及管理条件大大改善。2003年推荐方案通过水规总院初步设计审查，2004年开工，2006年7月全线顺利贯通，2008年9月建成通水。[收稿日期]2008-1-18[作者简介]王春华（1952-），男，（汉族）河北省玉田人，高级工程师，主要从事工程地质与水文地质工作，（TeI）02226786277。参考文献：[1]熊启均，隧洞/取水输水建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，200.09.[2]孙广中，地质工程理论与实践[M].北京：地震出版社，1996.[3]乔平定,李增军,黄土地区工程地质[M].北京：中国水利水电出版社，1990.2.[4]水利部河北水利水电勘测设计研究院,南水北调中线京石段应急供水工程吴庄隧洞初步设计报告[R]，2003.9[5]陈宝玉，赵建国，南水北调中线工程河北省内隧洞主要工程地质条件及评价，南水北调中线河北段工程设计与实践论文集[C]，世界社会文献出版社，2006.10