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文档简介
万家寨引黄工程引黄设计
根据1983年节水部发布的《山西省雁北、晋中、内蒙古准格尔能源基地、北京工业和家庭供水工作总结》的精神,万家寨引水工程的主要任务是山西省燕北、晋中、内蒙古准格尔能源基地、北京工业和家庭供水工作和一些农业供水。同时,黄河水源综合设计的一般配置已被安排为华北电网的前端负荷。会议确定在万家寨选用高坝方案,水库正常高水位980m,供水线路由万家寨水库扬水至雁北地区,然后分流入汾河水库至太原地区和桑干河册田水库,往下沿永定河经官厅水库及官厅山峡至北京地区。内蒙古准格尔能源基地用水直接由万家寨水库提取。此后陆续开展了万家寨水利枢纽和引黄工程的设计和建设,1998年10月万家寨水利枢纽建成,第一台机组发电,引黄工程分二期建设,第一期工程于2001年9月试通水。1自治工程的配合问题引黄工程规模大,工程艰巨,为缓解资金困难采取了总体规划分部实施的措施,将北干线和南干线分期建设。1993年经国家计委批准先建北干线后建南干线,后因太原比大同、平朔需水更迫切,应山西省要求并经国家计委同意,改为先建南干线后建北干线。1996年经世界银行评估后,又增加了联结段汾河水库至太原的埋管工程。在下土寨分水闸以前的总干线,对向太原引水和向大同、平朔引水的隧洞是打两条小洞还是打一条大洞的问题,经当时设计分析,在先建北线的条件下,南干线建设滞后如不超过5年,将北干和南干合并建设是经济合理的,后经水利部规划设计总院审查批准采用了打一条大洞方案。对南干线,根据不同时期需用水量,也采取了分期实施的办法,第一期基本完成土建工程,机电设备分期安装。南干土建工程因隧洞断面小,根据施工需要,不再分期。2水利工程及洪水引黄工程每年8、9两个月份不引水,为解决这一时期供水区的用水,选择合适地点建设调节水库是必要的。库容根据供水区8、9月的需水量,并考虑水库本身的蒸发渗漏损失、泥沙淤积和防洪要求确定。北干线选择了大梁水库作为年调节水库。总库容为1.02亿m3。该水库为一旁引水库,位于吕梁山以东的山前凹地处,库区主要为黄土分布,黄土以下为第三系红粘土,是水库的主要防渗层,局部有缺蚀,下伏基岩有奥陶系灰岩和石炭系砂页岩,坝址处黄土最大厚度达20多m,黄土具湿陷性。库区左岸临近煤矿采空区,工程地质条件较差,基础处理工作量大。由于库址不在河道上,洪水及泥沙来量少,可减轻防洪负担,减少泥沙淤积,适应工程汛期蓄水的需要。经沿线多次查找比较,仍以大梁库址较好。大梁水库以下为全年输水,为解决长距离输水工程临时检修期的用水,在北干线末端选择了赵家小村水库作为周调节水库,总库容500万m3。南干线也需要建调节水库,规划中山西省水利勘测设计院曾提出过好水沟、蒯屯关、下静游3个库址,由于各种原因当时还不能确定。根据山西省意见暂用汾河水库替代,有待今后进一步解决。目前要求引水线路尽可能不影响下一步对库址的选择。引黄泵站由万家寨水库取水,因引水期水位变化达23m,并由于引水管道特性不一、各个水泵制造上的差异、泥沙磨损程度的不同等各种因素的影响,使水泵的抽水流量不同,为解决总干一、二级泵站与总干三级泵站间的流量平衡,在申同咀山梁靠近总干二级泵站出口处设申同咀日调节水库1座,总库容20万m3,库容按单台机组12h抽水量确定,根据不平衡流量,通过增减泵站开机台数使水库蓄放周期不超过24h。3超滤、排水抗磨引黄工程总扬程大,为减少泵站的级数,水泵的扬程在可能条件下应选得大一些,但又必须考虑黄河泥沙对水泵的磨损,提高水泵运行的寿命,保证1年10个月引水期内不大修。因此,所选水泵的扬程又不能太高。经过对国内已建工程运行情况的调研和试验分析,根据万家寨水库的泥沙情况,在采取了一系列抗磨措施后,引黄工程水泵最大设计扬程采用140m,使年连续运行时间达到7300h是可能的,对此设计采取了以下措施:(1)汛期8、9月份高含沙量时不引水;(2)非汛期采取引表层清水,取水口采用闸门顶进水方式,经泥沙分析,多年平均引水含沙量约为1kg/m3,一般引水含沙量不超过5kg/m3,短时最大不超过10kg/m3;(3)提高水泵制造加工精度,改善水泵叶轮形态,降低水流与泵轮的相对流速;(4)泵轮采用耐磨合金钢做母材,表面喷涂抗磨涂层;(5)采取中拆或下拆方法,便于对水泵易磨损部件及时更换。4万家堡河段水利工程引黄工程泵站站址的选择考虑了以下因素:(1)满足水泵选定的扬程,并尽可能使各泵站的扬程相同,以减少泵型;(2)利用有利的地形地质条件,对地下厂房要求围岩的稳定性好,出水高压管道应避开土层,选在较好的基岩中;(3)要求站址场地开阔,交通便利,便于施工和运行管理,站址尽量靠近主干公路;(4)与引水线路选择密切结合,总体布局合理。黄河万家寨河段河谷呈U形,两岸陡壁高出河床100多m,距黄河边约3km的明灯山高程达1500m以上,其间黄土覆盖不厚,基岩出露较好,主要分布地层为寒武和奥陶系的灰岩,岩石比较坚硬完整,因此,在引水工程首部设两级地下泵站,每级扬程140m,水位达到高程1240m以上,以便引水隧洞容易穿过明灯山。往下引水线路避开偏关县北部交通极为不便的山区,直达岩头寺建第三级泵站,该处位于偏关河右岸主干公路旁,站址基岩埋深较浅,岩石岸坡稳定,山体较高。第三级泵站扬程采用76m,以下接南干一、二级泵站。南干一级泵站设在下土寨村偏关河左岸,该处河道宽阔,岸坡为黄土覆盖,下部有基岩出露,坡后为一岩石山梁,主要分布寒武、奥陶系灰岩,引水线路由这里跨过偏关河,渡槽高度不大,工程比较简单。南干二级泵站设在辛虎信窑村附近,该处地形高程基本满足要求,有较高的岩石山体,在周围一片黄土群中是惟一可供选择的地点。根据地形地质条件,两站扬程均采用140m,将水扬到高程1550m以上,再穿过海河与汾河的分水岭。所有站址的选择,基本沿引水线路的走向,使泵型得到了简化,泵站数减到了最少,站址的地形地质条件较好。5大水面、下地下水段万家寨水库引水位与分水岭高差达800多m,设计从节省能耗,减少工程投资,减少隧洞施工难度并满足工期要求等方面进行了综合比较。对南干线最后一级泵站(南干二级泵站)扬程,采用140m和76m两方案作了比较。140m方案单洞最大长度约43km;76m方案单洞长度约90km,由于洞线高程降低,隧洞出口需沿汾河下移,洞长增加约8km,按钻爆法施工需20多条支洞,总计增加支洞长度约4km,此外,洞线须穿过一段饱和粘土的凹地,同时还增加了地下水位以下的洞段长度,加大了施工难度,预计工期约增加半年多。140m方案虽增加了能耗,但投资少,便于施工,同时考虑山西省对引水的迫切要求,推荐采用140m方案,并通过了中国国际工程咨询公司评估。北干线可研设计过分水岭前曾考虑采用四级扬水,总扬程485m,隧洞过分水岭后,进入大梁水库,出口高程与水库正常蓄水位相接,后经中国国际工程咨询公司建议,取消了贾堡第四级扬水站(设计扬程约130m)。为了保持水库原来的调节作用,在水库底以下建一小泵站,将需要调蓄的那部分水量单独扬入库内,供停引期下游使用,引水期引来的大部分水量不经过水库直供下游用户,此方案虽增加了隧洞的埋深,加大了工程投资和施工难度,但减少了泵站投资,并可节省大量能耗,综合比较结果是经济合理的,最后被评估通过。6水泵内流量平衡控制引黄工程由多个梯级泵站组成,其间主要通过隧洞连接,缺乏较大的调节库容,解决站间流量的平衡,是保证引水系统安全、经济运行的关键问题之一。当上级站下放的流量大于下级泵站抽水的流量时,下级泵站将发生弃水;相反当下级泵站抽水的流量大于上级泵站下放的流量时,下级泵站前池水位将下降并可能被抽空,使机组受到气蚀破坏。引黄工程解决泵站间的流量平衡采取了以下4项措施:(1)对总干一、二级泵站采用串联方法,即将两站通过压力隧洞相连,使两站的抽水流量自行达到平衡。(2)对总干一、二级泵站与总干三级泵站的流量平衡,采用水库调节的方法。根据地形地质条件,在靠近总干二级泵站下游设一日调节水库,通过水库的放水闸,控制下泄流量,使下放流量与总干三级泵站的抽水流量相等。(3)根据世界银行代表的推荐,采用了变速机组,通过改变机组的转速达到改变水泵抽水的流量,引黄工程总干三级站,南干一、二级站,3座地面泵站均采用了带变频装置的变速机组,转速变化范围为70%~100%,高效区一般在94%以上。(4)通过改变泵站出口水位改变水泵的扬程来调节水泵的抽水流量,在泵站出水竖井出口安设了控制闸,通过闸门调节下泄流量及竖井水位,当竖井水位达到稳定时,泵站的流量也就达到了平衡。7岩相德原盆地各断陷盆地施工支洞的布置引黄工程以无压隧洞引水为主,隧洞坡降根据经济计算采用1/1500,隧洞线路除了要适合调节水库位置及泵站站址的选择外,在保持线路基本顺直的情况下,尽量减少或避开通过一些不良的地质地段。总干线分布的地层主要是寒武系、奥陶系的灰岩、第三系红粘土和第四系黄土,灰岩溶蚀不发育,黄土具湿陷性,洞线选择主要为减少和避开土层,特别是湿陷性黄土。南干线自分水闸至杜庄,出露地层与总干基本相同,沿线有利民堡、九姑村、温岭3个断陷盆地,马家沟灰岩,岩溶较发育,洞线尽可能沿岩石出露高的地方走,以减少土洞长度,并能将施工支洞选在基岩中;杜庄以南,洞线经过石炭、二叠、三叠和侏罗系地层,洞线全部在地下水位以下,隧洞出口原选在汾河支流洪河上,后段线路靠近宁静向斜轴部与向斜轴大体平行,地下水十分丰富。施工排水困难,后来将洞线改在了向斜的一翼,地下水情况有很大改善,此段线路邻近灰河河谷和宁静公路,交通方便,有利于安排施工支洞。因地层岩性软硬不一,洞线考虑尽量避开煤系地层及其采空区,对二叠、三叠系地层,多穿过刘家沟组和铜川组的砂岩,少经过和尚沟组的泥质粉砂岩、泥页岩,以及二马营组的蚀变砂岩。北干线分水岭以前地层同总干线,分水岭为一背斜,其核心部位为片麻岩及侵入岩,穿过核心进入大梁水库,由水库再往南沿七里河至朔州。洞线主要经过石炭、二叠系砂页岩及煤系地层,洞线布置除结合水库位置,避开或减少土层外,施工支洞位置选择是关键,特别是过分水岭深埋洞段,大梁水库以下洞线不仅要避开安堡大型露天煤矿,还要避开地方一些中小煤矿的采空区。隧洞断面,钻爆法施工的有门洞形和马蹄形,断面尺寸,总干线为5m×5.6m,南干线和北干线分别为4m×4.2m和4m×4m(宽×高)。TBM施工的为圆形,总干和南干直径分别为5.46m和4.2m,考虑长隧洞,断面净空采用20%。8基层组织、分层开挖与“花溪”采空场TBM施工和管片设计,我国在这方面的经验不多,自引大入秦工程首次引进后,在引黄工程中也得到广泛的应用,其中总干线隧洞采用1台TBM施工,长度约22km,南干线隧洞采用4台TBM施工,长度达90km,联结段隧洞采用1台TBM施工,长度约13km。目前TBM施工不仅要完成开挖,同时担负着预制管片衬砌的工作,开挖与衬砌连续作业,这就大大提高了成洞的速度,在引黄工程施工中最高日成洞达103m,最高月成洞达1821m(不包括灌浆)。单洞最大长度达43km,由2台掘进机对打。施工经过了各种各样的地层,有灰岩、砂岩、泥岩和土层,也有宽度大小不等的断层及破碎带,还经历过地下水强渗漏段,目前已基本完成了隧洞的开挖和衬砌,但有些缺陷还有待处理。TBM施工的优点是速度快,施工安全,对空气污染少,劳动强度低,节省劳力,开挖对围岩的破坏小,可以减少施工支洞,有利于通过宽阔高大的分水岭,但也存在一些问题,值得进一步研究解决。TBM在开挖掘进方面存在的主要问题是:掘进不是一条直线,有时偏差较大,特别是在土层中最大下沉曾达到53cm,减小了无压水工隧洞的净空;施工中地质描述困难,只有通过出渣的情况和掘进机手的感觉去判
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