觀音閣水庫輸水工程北臺溢流洞改造方案設計

孫 劍

(遼寧西北供水有限責任公司，沈陽 110003)

1 工程概述

遼寧省觀音閣水庫輸水工程位于太子河干流上，是將已建的觀音閣水庫水經過輸水隧洞及管線自流輸入到本溪市的大(2)型Ⅱ等工程，工程的主要任務是保障本溪市生活飲用水安全，解決本鋼、北營鋼廠等大型企業存在的水量與水質安全問題，并為本溪市、本溪縣和本溪新城經濟社會發展提供安全可靠的水源[1]。

北臺分洞樁號24+849.200-33+216.628，全長8367.428m。起點位于大峪分水口下游的迷宮偃后，出口位于本溪市橋頭鎮橋北凈水廠北側。北臺支線隧洞受下游供水要求末端水位不低于180.0m，在隧洞出口前樁號33+063.628-33+216.628處設Φ2.6m斜井，斜井下游為Φ2.6m圓形壓力隧洞與北臺管線相連，斜井上游保證隧洞無壓過流，在樁號33+043.628處設事故溢流隧洞。溢流洞與北臺分洞交點樁號33+043.628，溢流洞斷面為城門型2.4×2.8m，底坡3.9%，溢流洞出口位于洞線右側的山溝內，溢流洞長48.728m，在溢流洞與北臺分洞側墻交叉處設一薄壁堰溢流，堰頂高程高出北臺分洞洞內正常水深(0.82m)≥0.15m以確保北臺分洞正常輸水，薄壁堰高取1.15m。薄壁堰下游的溢流洞底高程較北臺分洞洞底高程低0.5m。溢流洞后接2.4×2.8m的鋼筋混凝土箱涵，箱涵后接DN1400玻璃鋼管道將溢流水引到北臺配水站廠區院內，玻璃鋼管連接鎮墩內設置孔口消能板，消能后經DN2000管道送至河道。

2 北臺溢流洞改造的必要性和可行性

2.1 必要性

遼寧省觀音閣水庫輸水工程設計水平年為2030年，其中各用戶最高日總需水量為123萬t/d，考慮1.5%的輸水損失，總輸水流量為125萬m3/d。

工程的主要供水對象為本溪鋼鐵(集團)有限責任公司、本溪北營鋼鐵(集團)股份有限公司及本溪市市政自來水公司、本溪新城等。各用戶需水量見表1，設計管道考慮輸水損失為1.5%。

表1 2030年各個用水戶水量分配表

工程試通水階段，運行管理單位對主要用水大戶本鋼和北鋼的用水規律進行長期的跟蹤和統計，兩用戶廠內調節水池容積很小，僅相當于泵站的吸水前池，不具備水量調節功能，工廠生產用水取自自建的河道攔蓄和提水設施，生產過程的用水峰谷差由自建提水設施調節。兩用水戶根據廠區規劃和生產供水系統復雜程度，決定不對廠內調節池進行改造擴建，向供水管理單位提出用水量時調節要求。

考慮本工程的主干線路為無壓重力流輸水隧洞，兩用水大戶的支線供水，本鋼線路為有壓重力流管道，北臺為無壓隧洞和有壓管道組合輸水，為保證北鋼用水安全，北臺分支管線只能按照北鋼峰值用水量供水，北鋼用水低谷時，由于遠距離輸水無法做到時調節，多余水量只能通過北臺溢流洞排向細河，造成資源和成本的極大浪費。

通過統計，近期本鋼及北鋼用水量均遠小于輸水工程設計用水量，且按規范規定安全系數計算得出調節容積較大。考慮近期各用戶用水量均為達產，輸水流量小，干線主洞和北臺支線分洞的斷面凈空較大，因此，通過對北臺溢流洞進行改造，抬高溢流水位，利用洞室富裕凈空蓄水是具備條件和有必要的。

2.2 改造的可行性

北臺分洞樁號24+849.200-33+216.628，全長8367.428m。其中，北臺分洞樁號27+947.700m-32+987.700m采用Φ2420×16mm螺旋縫鋼管襯砌，樁號33+063.628-33+173.628處為溢流洞交叉段及Φ2.6m圓形壓力隧洞，之間僅余75.9m的全斷面鋼筋混凝土襯砌。樁號27+947.700處底板高程為193.76m，樁號33+043.628處底板高程為188.156m，高差僅5.61m，通過結構受力計算分析，無壓隧洞的全斷面鋼筋混凝土襯砌承擔低內壓運行是可行的。

2.3 洞內儲水分析

北臺分洞主要用水戶為本溪市自來水公司橋北水廠和本鋼集團北營鋼廠，二者均無大容量蓄水池，且北營鋼廠用水量波動較大，為盡可能減小棄水量，考慮利用北臺分洞鋼襯段凈空空間作為臨時儲水空間，緩解短時間內用水量波動造成的棄水問題。

為保證隧洞結構安全，僅考慮將北臺分洞鋼襯起點以下部分作為儲水空間，鋼襯起點上游部分最大水深按襯砌結構直墻高度控制，即2.0m。此時，對于北臺分洞城門型斷面凈空高度0.8m，凈空比為24%，滿足規范要求。

鋼襯起點樁號27+947.7下游至樁號33+063.628按圓形斷面計算，有壓滿管儲水狀態，儲水量見表2。

表2 北臺分洞溢流斷面以上圓形隧洞水量計算

鋼襯起點樁號27+947.7上游側雍水高度按靜水位計算，儲水時水深2.0m，近期北臺用水量為0.43萬m3/h，正常輸水時洞內水深為0.45m，改造后鋼襯段有壓輸水，無壓段回水至樁號26+538.629，該段儲水量見表3。

表3 北臺分洞城門型斷面水量計算

北臺分洞儲水量為上述兩部分之和，即總儲水量為2.73萬m3。近期用水量為0.43萬m3/h，明流輸水時洞內水深為0.45m，鋼襯下游所占容積為3003m3，故可調節容積為2.43萬m3。

將北臺分洞作為調節儲水空間，現狀用水條件下可調節容積為2.43萬m3。在溢流洞末端設置溢流井，超出溢流堰頂后自動溢流。現狀用水條件下，發生溢流時堰上水頭0.26m，鋼襯上游洞段依然為明流輸水。故通過改造北臺溢流洞將北臺分洞鋼襯起點下游部分凈空空間作為調節容積，在現狀用水量條件下是可行的。

3 北臺溢流洞改造設計

3.1 方案布置

北臺溢流洞斷面為城門型2.4×2.8m，底坡3.9%，與北臺分洞交點高程為188.156m，出口高程為186.05m。溢流洞出口位于洞線右側的山溝內，溢流洞長48.728m，在溢流洞與北臺分洞側墻交叉處設一薄壁堰溢流，薄壁堰高1.15m。

溢流洞改造設計主要建筑物為溢流井，布置在溢流洞出口處，溢流井凈尺寸為3.0×2.4m，壁厚400mm，高12.35m，頂板厚200mm，為現澆鋼筋混凝土結構，外設保溫。溢流井頂板設Ф800進人孔及DN300罩型通氣孔，外壁設置檢修鋼梯至屋頂。

溢流井內設薄壁堰，堰頂高程195.80m，厚300mm，堰寬2.4m。為保證設計工況下，北臺分洞能夠明流供水，溢流堰底部預留泄水孔口，孔口尺寸2.0×1.2m(寬×高)，孔底高程186.32m。孔口用閘門封堵，本鋼分支管線事故溢流流量超過10萬t/天時，打開封堵閘門，溢流井停止使用，北臺分洞恢復明流狀態。

溢流洞改造后，北臺分洞鋼襯起點下游部分改為有壓輸水，考慮溢流洞與北臺分洞交叉口跨度7.9m，原設計按無壓洞考慮，未計算內水壓力。變為有壓洞后，為防止交叉段隧洞結構破壞，在原溢流堰下游側設置封堵墻，墻厚500mm。封堵墻中間預留4000mm寬過水通道，周邊與原隧洞接觸處鑿毛并涂抹界面劑后植筋連接[2]。

圖1 溢流井典型斷面圖

3.2 結構設計

3.2.1 溢流井

溢流井采用現澆鋼筋混凝土結構，井室頂板采用現澆板，板頂設檢修孔及通氣孔。溢流井設外保溫，地面至井頂設檢修鋼梯。

3.2.2 封堵墻

封堵墻采用現澆鋼筋混凝土結構，在原溢流堰下游側設置，墻厚500mm。封堵墻中間預留4000mm寬過水通道，周邊與原隧洞接觸處鑿毛并涂抹界面劑后植筋連接。

4 電氣及金屬結構

4.1 電氣

1)視頻監控

在溢流井及溢洪洞內設置攝像機，用于監控水位。攝像頭均采用水下高清網絡攝像機，供電方式采用太陽能電池板，視頻信號采用4G網卡上傳至北臺配水站控制室。

4.2 金屬結構

溢流井屋頂設監控設備，監控設備配置檢修平臺。檢修平臺距屋頂1.4m，由型鋼、鋼條與欄桿構成。型鋼兩端固定在豎井側壁，型鋼頂部焊接鋼筋組成檢修平臺，為保障人員安全，平臺邊緣設欄桿。施工、運行期間，欄桿間可根據操作需求增加麻繩或其他繩索提高操作人員安全保障。

溢流井內設薄壁堰，堰底部開孔，孔口尺寸2.0×1.2m(寬×高)，孔底高程186.32m。堰底孔口設置封堵閘門，本鋼分支管線事故溢流流量超過10萬t/天時，打開封堵閘門，溢流井停止使用，北臺分洞恢復明流狀態。

封堵閘門由埋件及閘門組成，埋件由型鋼焊接構成方框，方框中間縱向焊接兩根型鋼，形成三個小孔，每個小孔孔口尺寸0.6×1.2m(寬×高)。閘門由面板和角鋼焊接構成，閘門頂部設置吊耳便于運輸、安裝，閘門面板焊接螺母。埋件與閘門通過螺栓連接，固定在埋件上。在3個小孔上方設置掛鉤，安裝時可將閘門臨時固定在掛鉤上進行安裝調試。閘門、埋件及檢修平臺防腐通過除銹、刷漆實現，底漆、面漆采用環氧富鋅漆[3]。