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        引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞越嶺段嶺北工區(qū)抽排水方案研究與設(shè)計(jì)

        2021-06-21 05:52:30
        陜西水利 2021年5期
        關(guān)鍵詞:正洞主洞支洞

        劉 旭

        (西安市水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,陜西 西安710100)

        1 工程概況

        陜西省引漢濟(jì)渭工程是陜西省省內(nèi)跨流域調(diào)水工程,整個(gè)調(diào)水工程由三個(gè)部分組成,包括秦嶺輸水隧洞(黃三段和越嶺段)、三河口水利樞紐和黃金峽水利樞紐[1]。

        1.1 工程范圍

        嶺北工程包含5、6、7號(hào)主洞及支洞,隧洞施工過(guò)程中涌水及生產(chǎn)廢水經(jīng)5、6、7支洞排出,出口段及出口延伸段自流至出口洞外排出,此處暫不考慮其抽排水設(shè)計(jì)。

        1)隧洞相鄰關(guān)系平面布置圖

        秦嶺隧洞嶺北段工程主要包括:正洞以及輔助支洞5號(hào)和6號(hào)、7號(hào)勘探試驗(yàn)洞,項(xiàng)目主要工程見(jiàn)圖1。

        圖1 隧洞相鄰關(guān)系平面示意圖

        2)6號(hào)勘探試驗(yàn)洞及主洞試驗(yàn)段

        6號(hào)勘探試驗(yàn)洞包括勘探試驗(yàn)洞土建工程和有關(guān)的勘探試驗(yàn)??碧皆囼?yàn)洞平距2470 m,洞口底板高程721.93 m,洞底高程516.57 m。洞身段為圓拱直墻型斷面,斜長(zhǎng)2479 m,斷面凈尺寸7.7 m×6.75 m(襯砌后),綜合縱坡8.32%;6號(hào)勘探試驗(yàn)洞主洞試驗(yàn)段工程擔(dān)負(fù)下游2 km、上游2.261 km的鉆爆法施工任務(wù)。其中,6號(hào)勘探試驗(yàn)洞與主洞試驗(yàn)段交點(diǎn)的正洞樁號(hào)為K65+163.517,主洞試驗(yàn)段交叉點(diǎn)底板高程為516.57 m。洞身段為圓拱曲墻馬蹄型斷面,斷面凈尺寸6.76 m×6.76 m(襯砌后)、正洞坡降為1/2530。

        3)5號(hào)支洞及TBM施工段

        5號(hào)支洞長(zhǎng)4595 m(平距),斜長(zhǎng)4620 m,洞身斷面凈尺寸5.2 m×6.0 m(襯砌后),為圓拱直墻型斷面,綜合縱坡9.94%。采用無(wú)軌運(yùn)輸方式,主要解決TBM長(zhǎng)段施工中通風(fēng)、出渣、檢修等問(wèn)題[2]。

        秦嶺隧洞TBM施工段由TBM后配套安裝洞(160 m)、TBM主機(jī)安裝洞(50 m)、TBM步進(jìn)洞(410 m)、TBM始發(fā)洞(25 m)、TBM檢修洞(560 m)、TBM拆卸洞(50 m)和TBM掘進(jìn)施工段(7175.517+8310 m)組成[3]。其中TBM后配套安裝洞、TBM主機(jī)安裝洞、TBM步進(jìn)洞、TBM始發(fā)洞、TBM檢修洞、TBM拆卸洞采用鉆爆法施工,現(xiàn)澆混凝土襯砌。

        嶺北TBM施工段采用一臺(tái)Φ8.02 m敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工,支洞采用固定皮帶機(jī)配合主洞連續(xù)皮帶機(jī)出渣,模筑襯砌段采用全圓穿行式模板臺(tái)車(chē)TBM同步襯砌技術(shù)。TBM通過(guò)6號(hào)支洞運(yùn)至組裝洞室,在洞內(nèi)組裝并完成調(diào)試后向進(jìn)口方向掘進(jìn)[4]。

        4)7號(hào)勘探試驗(yàn)洞

        7號(hào)勘探試驗(yàn)洞工程建設(shè)內(nèi)容包括施工臨建工程、7號(hào)勘探試驗(yàn)洞土建工程、黑河中橋、王家河中橋以及棄碴道路等??碧皆囼?yàn)洞平距1877 m,洞口底板高程623.27 m,洞底高程514.37 m。洞身段為圓拱直墻型斷面,斜長(zhǎng)1880 m,斷面凈尺寸7.0 m×6.0 m(襯砌后),綜合縱坡5.8%。

        2 地質(zhì)勘探概況

        2.1 秦嶺隧洞區(qū)地下水類(lèi)型

        以秦嶺山脊為界,地勢(shì)北高南低,高程多在1000 m~2500 m之間,相對(duì)高差1500 m,隧洞最大埋深約2000 m,地貌上分為秦嶺嶺南中低山區(qū)、秦嶺嶺脊高中山區(qū)及秦嶺嶺北中低山區(qū)三個(gè)主要地貌單元。根據(jù)秦嶺隧洞在區(qū)內(nèi)出露地層巖性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征,將含水介質(zhì)與地下水結(jié)合,分為第四個(gè)孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水及基巖裂隙水三大類(lèi)。

        2.2 區(qū)域地下水補(bǔ)、徑、排特征

        秦嶺隧洞通過(guò)區(qū)地下水根據(jù)其斷裂構(gòu)造和地形地貌條件分為嶺南、嶺北兩大水流系統(tǒng)及若干子水流系統(tǒng),主要以潛水為主,局部表現(xiàn)出弱承壓性。因此,地下水補(bǔ)給、徑流、排泄主要受地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造的控制[5]。

        區(qū)域地下水以近南北向徑流排泄,各子水流系統(tǒng)(即支流水系)地下水徑流方向與區(qū)域徑流方向有所不同。基巖山區(qū)的大氣降水及冰雪消融水通常以風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙作為主要通道,補(bǔ)給溝谷地下水。地下水的排泄方式,除以河流、溝谷作線狀排泄外,還以泉點(diǎn)作點(diǎn)狀排泄[6]。

        3 各施工段地下水涌水量情況

        3.1 5號(hào)勘探試驗(yàn)洞

        5號(hào)支洞工區(qū)輔助正洞施工,不施工正洞。正常涌水量5076 m3/d,最大涌水量10150 m3/d。5號(hào)支洞與主洞相交里程為k55+280。

        3.2 6號(hào)勘探試驗(yàn)洞

        6號(hào)支洞承擔(dān)主洞施工工區(qū)為k46+360~k67+163.517,長(zhǎng)度20803.517 m。正常涌水量14919 m3/d,最大涌水量29838 m3/d;支洞水平長(zhǎng)度2470 m,正常涌水量1101 m3/d,最大涌水量2202 m3/d。6號(hào)支洞與主洞相交里程為k65+164。

        6號(hào)支洞承擔(dān)的排水總量為:正常涌水量16020 m3/d,最大涌水量32040 m3/d。

        3.3 7號(hào)勘探試驗(yàn)洞

        7號(hào)支洞承擔(dān)主洞施工工區(qū)為k67+163.517~k75+286,長(zhǎng)度8122.483 m。正常涌水量5800 m3/d,最大涌水量11600 m3/d;支洞水平長(zhǎng)度1877 m,正常涌水量2065 m3/d,最大涌水量4130 m3/d。7號(hào)支洞與主洞相交里程為k70+723。

        7號(hào)支洞承擔(dān)的排水總量為:正常涌水量7865 m3/d,最大涌水量15730 m3/d。

        4 總體排水方案

        4.1 5號(hào)支洞排水方案

        4.1.1 5號(hào)支洞施工排水方案(與正洞貫通前)

        根據(jù)設(shè)計(jì)5號(hào)支洞正常涌水量5076 m3/d,最大涌水量為10152 m3/d,采取DN300單管道排水。根據(jù)施工進(jìn)度情況,在洞壁一側(cè)修建四級(jí)泵站排水。

        4.1.2 5號(hào)支洞施工排水方案(與正洞貫通后)

        5號(hào)支洞與正洞貫通后,排水通過(guò)引水溝流入主隧洞,通過(guò)主隧洞排除洞外。即5號(hào)支洞的水直接排入正洞由6號(hào)水泵站排出。

        4.2 6號(hào)支洞排水方案

        4.2.1 6號(hào)與5號(hào)支洞之間正洞貫通前排水方案

        6號(hào)支洞正洞與5號(hào)支洞正洞貫通前,正洞內(nèi)的6號(hào)水泵站承擔(dān)著6號(hào)支洞及正洞地下水排出任務(wù)。6號(hào)支洞工區(qū)正常涌水量16020 m3/d,最大涌水量32040 m3/d,采取DN400雙管道排水。因6號(hào)支洞已完工,考慮泵站維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本,采取一級(jí)排水。

        4.2.2 6號(hào)與5號(hào)支洞之間正洞貫通后排水方案

        6號(hào)支洞與5號(hào)支洞之間正洞貫通后,6號(hào)支洞同時(shí)承擔(dān)5號(hào)支洞主洞上游排水任務(wù),5號(hào)泵站承擔(dān)自身斜井的排水。

        4.2.3 6號(hào)與7號(hào)支洞之間正洞貫通后排水方案6號(hào)支洞與7號(hào)支洞之間正洞貫通后,6號(hào)支洞和7號(hào)支洞仍各自承擔(dān)本工區(qū)段的施工排水任務(wù)。

        4.3 7號(hào)勘探試驗(yàn)洞排水方案

        根據(jù)設(shè)計(jì)7號(hào)支洞正常涌水量為2065 m3/d,最大涌水量為4130 m3/d;采取DN300單管道排水。7號(hào)支洞貫通前,根據(jù)施工進(jìn)度情況,在洞壁一側(cè)修建二級(jí)泵站排水。

        7號(hào)泵站貫通后,還承擔(dān)本支洞工區(qū)的排水任務(wù),設(shè)計(jì)正洞工區(qū)正常涌水量為5800 m3/d,最大涌水量為11600 m3/d;增加一路DN300排水管道,采取雙管道排水。同時(shí),在7號(hào)斜井施工過(guò)程中,水泵選型上必須兼顧7號(hào)支洞貫通后的排水量。

        5 排水方案計(jì)算

        5.1 5號(hào)支洞排水方案計(jì)算

        1)水量計(jì)算

        5號(hào)支洞正常涌水量QZ=5076m3/d,最大涌水量Qmax=10152 m3/d;鉆爆施工用水量Q2=120 m3/d。

        隧洞正常總排水量:

        Q=QZ+Q2=5076+120=5196 m3/d÷20 h=259.8 m3/h

        隧洞最大排水量:

        QZmax=Qmax+Q2=10152+120=10272 m3/d÷20 h=513.6 m3/h

        2)管徑選擇

        選用DN325鋼管2根,一根正常,一根備用。

        3)揚(yáng)程計(jì)算

        5號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為520.554 m,最高點(diǎn)高程978.018 m

        地形高差:H1=978.018-520.554=457.464 m

        揚(yáng)水管道長(zhǎng)度:斜井長(zhǎng)度L=4620 m

        揚(yáng)水管道沿程損失為:DN325鋼管v=0.87 m/s,1000i=3.66,H2=4620×3.66/1000=16.91 m

        考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失,管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

        水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=457.464+2.5×16.91=499.739 m

        4)水泵選型

        按四級(jí)潛水泵考慮,水泵選型為:礦用隔爆型潛水排沙電泵320-30×5-260,Q=320 m3/h,H=150 m,N=260 kW;工作1臺(tái),備用1臺(tái),檢修1臺(tái)。共設(shè)泵12臺(tái)。

        5.2 6號(hào)洞排水方案計(jì)算

        5.2.1 主洞TBM施工前

        1)水量計(jì)算

        6號(hào)支洞正常涌水量Q1=1101 m3/d,最大涌水量Q1max=2202 m3/d;

        正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d,最大涌水量Q2max=29838 m3/d;鉆爆施工用水量Q3=120 m3/d。

        隧洞正常總排水量:

        QZ=Q1+Q2+2×Q3=1101+14919+2×120=16260 m3/d÷20 h=813 m3/h

        隧洞最大排水量:

        QZmax=Q1max+Q2max+2×Q3=2202+29838+2×120=32280 m3/d÷20 h=1614 m3/h

        2)管徑選擇

        選用DN400 mm鋼管2根,一根正常,一根備用。

        3)揚(yáng)程計(jì)算

        6號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為516.57 m,最高點(diǎn)高程721.93 m

        地形高差:H1=721.93-516.57=205.36 m

        揚(yáng)水管道長(zhǎng)度:斜井長(zhǎng)度L=2479 m

        揚(yáng)水管道沿程損失為:DN400鋼管v=1.80 m/s,1000i=11.4,H2=2479×11.4/1000=28.3 m

        考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失,管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

        水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×28.3=276.11 m

        4)水泵選型

        鑒于6號(hào)斜井已施工完成,考慮減少維護(hù)成本,采取井底一級(jí)潛污泵排水:

        水泵選型為:礦用隔爆型潛水排沙電泵400-50×6-630,

        Q=400 m3/h,H=300 m,N=630 kW;

        工作2臺(tái)、備用2臺(tái)、檢修1臺(tái),共設(shè)潛污泵5臺(tái)。

        5.2.2 TBM第一階段施工

        1)水量計(jì)算

        6號(hào)支洞正常涌水量Q1=1101 m3/d,最大涌水量Q1max=2202 m3/d;

        正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d,最大涌水量Q2max=29838 m3/d;TBM施工排水量Q3=1100 m3/d。

        隧洞正??偱潘浚?/p>

        QZ=Q1+Q2+Q3=1101+14919+1100=17120 m3/d÷20 h=856 m3/h

        隧洞最大排水量:

        QZmax=Q1max+Q2max+Q3=2202+29838+1100=33140 m3/d÷20 h=1657 m3/h

        2)管徑選擇

        選用DN400 mm鋼管2根,一根正常,一根備用。

        3)揚(yáng)程計(jì)算

        6號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為516.57 m,最高點(diǎn)高程721.93 m

        地形高差:H1=721.93-516.57=205.36 m

        揚(yáng)水管道長(zhǎng)度:斜井長(zhǎng)度L=2479 m

        揚(yáng)水管道沿程損失為:DN400 mm鋼管v=1.89 m/s,1000i=12.58,H2=2479×12.58/1000=31.19 m

        考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失,管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

        水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×31.19=283.335 m

        4)水泵選型

        鑒于6號(hào)斜井已施工完成,考慮減少維護(hù)成本,采取井底一級(jí)潛污泵排水。

        水泵選型為:礦用隔爆型潛水排沙電泵500-55×5-720,Q=500 m3/h,H=275 m,N=720 kW;工作2臺(tái)、備用2臺(tái)、檢修1臺(tái)。共設(shè)潛污泵5臺(tái)。

        5.2.3 TBM第二階段施工

        1)水量計(jì)算

        6號(hào)支洞正常涌水量Q1=11 0 1 m3/d,最大涌水量Q1max=2202 m3/d;

        正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d,最大涌水量Q2max=29838 m3/d;TBM施工排水泵流量Q4=1100 m3/d。

        5號(hào)支洞正常涌水量Q3=5076 m3/d,最大涌水量Q3max=10152 m3/d;

        隧洞正??偱潘?/p>

        QZ=Q1+Q2+Q3+Q4=1101+14919+5076+1100=22196 m3/d÷20 h=1109.8 m3/h

        隧洞最大排水量

        QZmax=Q1max+Q2max+Q3max+Q4=2202+29838+10152+1100=43292 m3/d÷20 h=2164.6 m3/h

        2)管徑選擇

        選用DN450 mm鋼管2根,一根正常,一根備用。

        3)揚(yáng)程計(jì)算

        6號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為516.57 m,最高點(diǎn)高程721.93 m

        地形高差:H1=721.93-516.57=205.36 m

        揚(yáng)水管道長(zhǎng)度:斜井長(zhǎng)度L=2479 m

        揚(yáng)水管道沿程損失為:

        DN450鋼管v=1.94 m/s,1000i=11.37,H2=2479×11.37/1000=28.19 m

        考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失,管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

        水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×28.19=275.835 m

        4)水泵選型

        6號(hào)斜井已施工完成,考慮減少維護(hù)成本,采取井底一級(jí)潛污泵排水:

        水泵選型為:礦用隔爆型潛水排沙電泵600-50×6-1000,Q=600 m3/h,H=300 m,N=1000 kW;工作2臺(tái)、備用2臺(tái)、檢修1臺(tái)。共設(shè)潛污泵5臺(tái)。

        5.3 7號(hào)支洞排水方案計(jì)算

        1)水量計(jì)算

        7號(hào)支洞正常涌水量Q1=2065 m3/d,最大涌水量Q1max=4130 m3/d;掌子面施工用水量Q3=120 m3/d。

        正洞段正常涌水量Q2=5800 m3/d,最大涌水量Q2max=11600 m3/d;每個(gè)掌子面施工用水量Q3=120 m3/d。

        隧洞正??偱潘縌Z=Q1+Q2+Q3=2065+5800+120×2=8105 m3/d÷20 h=405.25 m3/h

        隧洞最大排水量

        QZmax=Q1max+Q2max+2×Q3=4130+11600+120×2=15970 m3/d÷20 h=798.5 m3/h

        2)管徑選擇

        選用DN300 mm鋼管2根,一根正常,一根備用。

        3)揚(yáng)程計(jì)算

        7號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為514.37 m,最高點(diǎn)高程623.27 m

        地形高差:H1=623.27-514.37=108.9 m

        揚(yáng)水管道長(zhǎng)度:斜井長(zhǎng)度L=1880 m

        揚(yáng)水管道沿程損失為:DN300 mm鋼管v=1.59 m/s,1000i=12.6,H2=1880×12.6/1000=23.69 m

        考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失,管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

        水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=108.9+2.5×23.69=168.125 m

        4)水泵選型

        按二級(jí)潛污泵考慮水泵選型為:礦用隔爆型潛水排沙電泵400-50×2-220,Q=400 m3/h,H=100 m,N=220 kW;工作1臺(tái)、備用1臺(tái)、檢修1臺(tái)。共設(shè)潛污泵3臺(tái)。

        6 結(jié)語(yǔ)

        隧洞內(nèi)抽排水方案的確定既需要結(jié)合工程所在的地質(zhì)情況,也需要理論的計(jì)算作為支撐,需要結(jié)合工程的實(shí)際情況做研究做設(shè)計(jì),排水能力不宜過(guò)大也不宜過(guò)小,。

        施工過(guò)程中國(guó)按照此方案進(jìn)行了排水布置,排水效果良好,既保證了施工安全,也滿足了工程進(jìn)度要求,可為后續(xù)隧洞工程提積累經(jīng)驗(yàn)、供提借鑒。

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