鄂北工程总体布局及主要技术问题

陈长江，刘家明

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉）

鄂北工程总体布局及主要技术问题

陈长江，刘家明

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉）

根据鄂北地区水资源配置工程的实际情况，确定了工程总体布局原则，对引水线路的选择、引水线路及建筑物的布置、调蓄工程布置和分水口门布置进行了总体布局，提出了工程主要解决的技术难题，并总结了为解决这些技术难题所采用的多项新技术、新工艺、新材料，可为类似工程提供借鉴。

鄂北地区水资源配置工程；总体布局；技术方案

鄂北地区水资源配置工程（以下简称鄂北工程）从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，线路长269.67 km，是从根本上解决鄂北地区干旱缺水问题的一项大型水资源配置工程。

鄂北工程多年平均引水量7.70亿m3，渠首设计引水流量为38 m3/s，受水区行政区划涉及襄州、枣阳、随县、曾都、广水和大悟等6个县（市、区），受水区设计水平年总人口482万人，灌溉面积400多万亩（1亩=1/15 hm2）。

一、工程总体布局

1.总体布局原则

总体布局遵循以下原则：符合确定的总体配置思路，有利于区域间水资源的互相调配和水质保护；满足受水区用水要求，尽量靠近主要用水对象水源；充分利用现有工程，尽可能与现有灌溉、供水系统结合，减少配套工程，并便于利用现有水库对外引水进行调蓄，与当地水资源联合调度；充分考虑地形地质条件，尽量避开交通等重要设施及生态敏感区，避开集镇、村庄，减少移民占地；兼顾技术可行性和经济合理性，既要考虑可能的设计、施工和管理水平，还要统筹考虑工程建设投资和运行费用，实现工程调度灵活、良性运行。

2.线路及建筑物布置

鄂北工程从丹江口水库起，在清泉沟隧洞进水闸后90 m的隧洞左侧设分岔口，35 m后新建取水竖井。控制闸后新建纪洪隧洞、纪洪明渠至孟楼渡槽，接孟楼—七方倒虹吸穿东排子河、夹河套地区，倒虹吸跨白河、唐河时以管桥架空；倒虹吸后接七方—刘桥明渠、渡槽，跨东郊水库下游优良河后接花儿山隧洞、兴隆—万福隧洞至随州，再以渡槽、隧洞及零星明渠段至封江口水库，出封江口水库后，以隧洞为主要建筑物进入大悟县王家冲水库。线路总长度269.67 km。引水干渠设计流量自 38.0 m3/s递减至 1.8 m3/s，进口新建取水竖井后鄂北干渠渠首水位147.7 m，干渠终点水位100.0 m。工程总体布置见图1。

鄂北工程引水干渠主要建筑物：取水建筑物（新建取水井前）0.16 km，占总长度0.1%；明渠53段，长24.01 km，占总长度8.9%；暗涵38座，长30.96 km，占总长度11.5%；隧洞55座，长119.43 km，占总长度 44.3%；倒虹吸11座，长76.10 km，占总长度28.2%；渡槽 22座，长 19.01 km，占总长度7.0%；沿线设节制闸18座，分水闸（阀）18座，检修闸11座，退水闸12座，放空阀16处，新建水库1座。

图1 鄂北地区水资源配置工程总体布置示意图

3.引水线路选择

根据工程总体规划，取水口清泉沟进水闸、中段江口在线调节水库、末端大悟王家冲是引水线路的3个关键节点，根据总体布置原则，鄂北水资源配置工程拟定了两条线路3个方案比选，即高线自流方案、低线提水方案、高线提水方案。

高线自流方案，经清泉沟隧洞进水闸后沿湖北、河南两省省界附近布置引水工程，以隧洞、明渠、渡槽、倒虹吸等至王家冲水库，以管桥型式跨唐白河，夹河套地区采用PCCP倒虹吸，长约72 km；该方案渠首设计水位147.7 m，终点设计水位100.0 m（王家冲水库正常蓄水位100 m）；该方案全线自流，线路总长269.672 km。

低线提水方案，经清泉沟隧洞进水闸后利用引丹灌区总干渠25 km，沿引丹总干渠至三同碑后，在引丹总干渠右岸新建明渠、渡槽、倒虹吸等到枣阳的七方镇，设一级泵站（刘桥泵站）提水，夹河套地区采用PCCP倒虹吸，长约25.4km，其后线路与高线自流方案相同，线路总长289.64km。其中刘桥泵站设计流量36.2 m3/s，设计净扬程17.2m，多年平均提水量6.23亿m3。

高线提水方案，引水线路同高线自流方案，在刘桥分水口之前设一级泵站提水，泵站设计流量36.2 m3/s，设计净扬程10.5 m，多年平均提水量6.23亿m3，夹河套地区采用PCCP倒虹吸，长约71 km。

高线自流和高线提水方案引水线路相同，单方水投资高线自流方案略高，考虑抽水电费因素后，高线自流方案经济财务指标优于提水方案。低线提水方案部分利用现有渠道，工程投资少，泵站提水能耗及运行费用高，对唐西引丹灌区用水调度产生干扰，综合考虑各种因素，最终选用高线自流方案。

4.调蓄工程布置

受水区内城镇供水和农业灌溉大多以水库供水为主，因此只要外引水能补充到水库里，即能解决受水区大部分的用水问题。另外，考虑清泉沟取水过程的不均匀性，而城市用水过程基本均衡，应尽量将水引到当地水库进行调蓄，减少直供，以免供水破坏。与此同时，可充分利用这些水库的调节作用进行充蓄和错峰调度，减少引水工程规模，降低工程投资。此外应根据配置需求，考虑设置在线调节水库。

根据调蓄作用的不同，鄂北水资源配置工程设补偿调节水库、充蓄调节水库、在线调节水库3类，工程沿线共利用36座水库作为调蓄工程的总体布局方案，其中补偿调节水库17处，总兴利库容6.05亿m3；充蓄调节水库18处 （其中大中型水库16处、小型水库2处），总兴利库容4.89亿m3；在线调节水库 1处，为封江口水库，兴利库容1.37亿m3。

5.分水口门布置

根据受水区基本情况、供水对象位置、地形条件及调蓄工程布局等，鄂北地区水资源配置工程共设24个分水口门；襄州区设夹河套、黑清河、官沟3个分水口，枣阳市设高庵、刘桥、熊河、吉河、北郊、东郊、华阳河、随阳8个分水口，随县设黑龙口、鲁城河、黑屋湾、龙脉、封江口和高城镇6个分水口，曾都区设两河口、先觉庙2个分水口，广水市设余店镇 （余店河）、四家门楼、广水应山城区、霞家河4个分水口，大悟县设王家冲1个分水口。为解决老河口市及襄州部分城镇供水，设4个应急分水口，老河口设古城水库分水口、滕庄水库分水口，襄州设千亩大堰分水口、樊庄水库分水口。

二、主要技术问题

鄂北工程沿线主要为低山、丘陵、垅岗和河谷平原地形。其中唐西和唐东地区主要为波状起伏岗波状平原，一般海拔110～150 m，夹河套地区海拔 70～80 m；随州、大悟为低山、丘陵区，海拔200～500 m。工程区主要出露太古界、元古界、震旦系、寒武系、白垩系至下第三系、上第三系和第四系地层及岩浆岩。枣阳沙河以西以第四系上更新统黏性土为主，该土具有膨胀性。沙河以东大多基岩直接出露，岩体稳定性较好。沿线引水建筑物主要技术问题如下：

1.引水线路上段

（1）纪洪隧洞段土洞

纪洪隧洞连续长度达9.85 km，其中土洞段洞长3.7 km，开挖尺寸7.9 m×7.9 m，土洞埋深40 m左右，地层为上更新统黏土，具弱膨胀性；大尺寸土洞存在的主要工程问题为土洞塑性变形破坏和膨胀性土在干湿交替环境下的胀缩破坏及施工工期的问题。

为解决土洞塑性变形和胀缩破坏问题，一方面结构设计上采用初衬、二衬方式，CRD法施工，马蹄形断面；初衬为型钢拱架+小导管+喷锚网，二衬为钢筋混凝土；开工初期组织设计、施工、监理等有关单位对土洞施工方法进行了论证，反复比较CRD法、三台阶法施工的优缺点、实施的可能性、不同工法对施工安全的影响及对施工工期的影响；受作业空间限制及交叉作业影响，CRD法实施难度大，工期难以保证，通过论证将CRD法变更为三台阶法，不仅方便了施工，同时提高了工程质量、安全、工期的保证率。另一方面在施工时严格遵循“管超前、严灌浆、短台阶、短循环、快封闭、勤量测、强支护”的原则，严格控制各台阶间开挖距离、仰拱支护与下台阶的距离及二衬钢筋混凝土与掌子面的距离，防止冒进，随挖随撑，加强早期支护，及时监控量测洞内拱顶下沉和水平收敛值。

通过上述措施，截至目前纪洪隧洞土洞开挖2.5 km（含支洞），未出现塑性变形破坏、胀缩破坏，施工比较顺利。

（2）长距离、大跨度孟楼渡槽

孟楼渡槽长5.0 km，设计流量38 m3/s，是鄂北工程中最长的渡槽，槽身采用单孔多纵梁式三向预应力简支矩形槽，跨度30 m，槽身净宽6.5 m，侧墙净高5.0 m，单跨自重约1 200 t，槽身采用桩墩支承，平均墩高12 m，最大墩高23.1 m，长距离、大跨度三向预应力渡槽在湖北省首次使用，槽身混凝土浇筑及槽身安装是渡槽施工主要难点。

综合考虑现场的地形地质条件及施工条件，采用架槽机法施工，该方法槽身在地面进行混凝土浇筑、养护和预应力张拉，然后采用提槽机、运槽车和架槽机将预制好的槽身吊装至槽墩上进行后续拼装、接缝处理。

孟楼渡槽槽身采用C50W8F150混凝土，混凝土抗渗、抗冻标号高，对骨料的质量要求高，因此浇筑前混凝土配合比设计和试验对控制混凝土质量至关重要；同时渡槽结构为多肋结构，自重达1 200 t，混凝土浇筑时对模板承载力要求高，模板受力大，模板工程须重点关注，采用大型钢模板较好。

孟楼渡槽混凝土强度等级高(C50)，水泥等胶凝材料用量大，混凝土水化热大，因此必须严格控制混凝土建筑时的温度，防止产生温度裂缝；同时渡槽为多肋结构，体型复杂，人工难以振捣密实的部位或人工振捣不方便的部位，建议在模板上安装附着式振捣器进行混凝土振捣，以保证混凝土施工质量。

槽身安装的重点：渡槽4个支座受力是否均匀是架槽控制的重点，每个支撑力的反力与4个支点反力的平均值相差不应超过±5%；同时应规划好渡槽第1、2跨架设先后顺序，以便于确定提、运、架设备的拆除方案。

目前孟楼渡槽预制槽身84节，安装槽身65节，质量、安全可控。

（3）孟楼—七方长距离倒虹吸

孟楼—七方倒虹吸起点位于老河口孟楼镇，终点位于枣阳七方镇，总长约72 km，该段倒虹吸连续距离长、水头小、管径大、压力高，设计采用PCCP三管同槽埋设，单管管径3.8 m，管道工作压力 0.4～0.8 MPa。 该段技术难点为管道生产、运输、安装。

孟楼—七方PCCP倒虹吸的连续长度及管径国内外少见，所采用的PCCP管道单节重量60～70 t，外径近5 m，在湖北省尚属首次使用，根据国内PCCP生产经验，PCCP生产工艺复杂。为积累PCCP生产、运输、安装等经验，鄂北水资源配置工程先期在襄州黄集镇太山村开展了PCCP生产性试验，对PCCP原材料选择和配合比试验、管道接口密封试验、管道水压试验、阴极保护试验、膨胀土边坡优化和对管道的影响试验、PCCP管道安装施工工法等进行了专题研究，通过生产性试验，组织编写了《鄂北地区水资源配置工程PCCP及钢配件制作质量评定管理办法》《PCCP及钢配件安装施工质量评定管理办法》，填补了湖北省水利工程PCCP及钢配件制作、安装质量评定管理办法的空白，为后续PCCP工程设计施工提供了技术依据。目前5 km PCCP生产性试验段安装完毕，管道打压试验已完成，试验效果良好，满足设计要求。

为加快工程进度，节省工程投资，鄂北水资源配置工程在孟楼—七方沿线设置了3个PCCP生产厂，现地就近建厂生产工程所需PCCP，根据试验成果，采用专用驼管车运输管道，安装现场采用650～750 t履带吊装车。目前已累计生产PCCP管道18 000节，安装PCCP管道23 km。

（4）膨胀土深基坑、高边坡稳定

鄂北工程枣阳华阳河以西引水干渠的黏性土具有弱或中膨胀性、局部具有强膨胀性，沿线具有膨胀性明渠15段，总长约16 km，具有膨胀性暗涵12段，总长约26 km，开挖深度超过10 m高度的边坡长13.6 km，最大开挖深度近35 m。该段技术难点是膨胀土涨缩变形对深基坑、高边坡稳定的影响。

鄂北水资源配置工程开工以来，膨胀性土渠段先后出现不同程度的滑坡，其中袁冲暗涵段采用削坡减载后（最大开挖深度近25 m），滑坡虽有一定抑止，但作用不明显，原有滑坡仍进一步滑动，同时又出现部分新的滑坡，严重影响了施工进度及安全。通过现场的地质勘探和分析，该段膨胀土边坡失稳为裂隙强度控制下的边坡失稳。为探索膨胀土高边坡基坑开挖、支护施工方案，湖北省设计院、长科院、施工单位联合开展膨胀土高边坡的试验研究工作，在袁冲暗涵段滑坡处选取90 m作为试验段，根据现场地质情况及滑动面，采用伞形锚进行加固，左右岸边坡分别布置2排和3排，右岸3排锚杆的锚固深度分别为22 m、15 m和13 m，左岸锚杆锚固深度为15 m、13 m，伞形锚间距均为2 m。监测数据表明试验段加固处理后的边坡是稳定的，伞形锚加固膨胀土深挖方高边坡是可行的。

目前袁冲暗涵段采用伞形锚加固膨胀土高边坡800 m，达到预期效果，为暗涵施工创造了条件。伞形锚加固膨胀土高边坡为处理膨胀土高边坡提供了有益探索，积累了一些经验。

2.引水线路中下段

引水线路中下段主要引水建筑物为隧洞，长度约109 km，占引水线路中下段长度的65%，且地质条件复杂，开挖洞径大，有的埋深不到40 m，有的埋深超过640 m，主要技术问题是隧洞的施工方法、施工安全、施工进度。

（1）兴隆—万福、唐县—尚市隧洞

兴隆—万福隧洞连续长度15.38 km，开挖断面 6.6 m×6.6 m；唐县—尚市隧洞连续长度16.55 km，开挖断面7.4 m×7.4 m。隧洞沿线地层岩性主要为紫红色砂砾岩、泥质粉砂岩、片岩、片麻岩、白云钠长石英片岩，大部分为Ⅳ、Ⅴ类围岩，部分为Ⅲ类围岩，洞顶埋深17～45 m，围岩条件较差，存在局部失稳、掉块、坍塌等工程地质问题。该段技术难点是施工期安全及施工进度。

设计采用马蹄形断面作为隧洞断面形式，前期支护采用钢拱架+喷混凝土+锚杆+挂钢筋网，后期采用钢筋混凝土衬砌。施工采用全断面掘进，Ⅲ、Ⅳ类围岩采用光面爆破施工，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用光面爆破与悬臂式掘进机、台阶法相结合施工；不良地质条件洞段采用短进尺和分布开挖方式施工，开挖后及时进行临时支护。

由于竖井运输效率低、难度大、风险大，在开工初期，鄂北局组织设计、施工、监理等有关单位对运输方式进行论证，将兴隆—万福6个竖井变更为5条施工斜井，将唐县—尚市6个竖井变更为6条施工斜井，变更后虽然增加了施工通道的长度、工程量及工期，但改善了主洞运输条件，有利于提高施工效率，加快主洞施工进度，保证施工人员、设备的安全，同时应对突发情况。

截至目前兴隆—万福、唐县—尚市隧洞已完成洞挖28.6 km，工程进展顺利，工程质量、安全、进度可控。在周围地势比较平坦、附近高差较小条件下，支洞采取一定工程措施后，浅埋式长隧洞运输通道采用斜井方案，对工程进度、安全更有利。

（2）宝林隧洞

宝林隧洞连续长度13.84 km，最大埋深650 m，平均埋深 240 m，穿过国家级中华山森林公园保护区，隧洞主要地层岩性为混合片麻岩、白云钠长片麻岩，大部分为Ⅱ、Ⅲ类围岩，少部分为Ⅳ、Ⅴ类围岩，开挖断面4～5.8 m，设计工期45个月，是鄂北水资源配置工程工期最长的控制性工程，技术难点是如何使用TBM进行施工，确保按期完工。

根据宝林隧洞地形、地质条件及对周围可能造成的环境影响，进出口采用钻爆法施工，洞身采用TBM掘进机施工。

TBM掘进机的设计、制造等前期工作是影响工程施工质量、工期的关键环节。特别是宝林隧洞开挖直径只有4 m，是国内使用TBM施工最小的洞径，TBM掘进机需重新设计，设计难度大、周期长、安装困难。为提高施工企业使用TBM的效率，在招标时将TBM设备与隧洞一起招标，详细明确TBM掘进机的技术指标、供货时间等要求，由施工单位确定TBM制造厂家，不仅节省了工程投资，同时缩短了TBM制造时间，施工企业参与TBM设计、制造全过程，确保了TBM的产品质量，并且施工企业可提前了解TBM的性能，为后期提高TBM的使用效率奠定了基础。

目前宝林隧洞TBM工作正常，已掘进2.8 km，日最大掘进达到35 m。

三、结 语

①鄂北工程是一项旨在解决鄂北地区资源性缺水的民生工程，工程在建设过程中虽出现种技术难题，但在各参建方的共同努力下，正在有条不紊地建设过程中，相信在不久的将来会按照原定进度按时完工，及时造福鄂北广大人民群众。

②鄂北地区水资源配置工程运用多项新技术、新工艺、新材料，不仅节约工程投资，减少占地，同时利于水质及环境保护，为工程顺利实施提供了技术保障，在类似工程中可适当推广。

③PCCP倒虹吸连续长72 km，后期运行维护困难，同时PCCP阴极保护有待进一步探讨。

[1]湖北省水利水电规划勘测设计院.湖北省鄂北地区水资源配置工程初步设计报告［R］.2015.

[2]张忠东，宋晓峰，肖瑜.引汉济渭（一期）调水工程关键技术研究［J］.中国水利，2015（14）.

General layout of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province and key technical issues

Chen Changjiang,Liu Jiaming

The principles of defining project general layout are specified taking the actual situation of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province into consideration,including selection of diversion routes,arrangement of diversion routes and structures,as well as diversion and storage project and water diversion gates.Key technical obstacles are found and examined,with a summary of new technologies,processes and materials for solving these problems that can be learned by other similar projects.

Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province;general layout;technical options

TV68

B

1000-1123（2017）22-0005-04

2017-10-11

陈长江，总工程师。

责任编辑 张瑜洪