吉林中部供水工程关键技术问题综述

齐文彪，刘 阳

(吉林省水利水电勘测设计研究院，长春 130021)

1 工程概况

吉林省中部供水工程位于吉林省的中部，从第二松花江上丰满水库引水至中部地区，向长春市、四平市、辽源市及所属的九台市、德惠市、农安县、公主岭市、梨树市、伊通县、东辽县、长春双阳区等11个市、县、区的城区，以及供水线路附近可直接供水的26个镇供水，同时退还和增加农业用水及河道生态用水，改善生态环境。工程年最大引水量10.29亿m3，设计引水流量为38.0 m3/s。

工程从丰满水库取水口开始，向下游分别由1条输水总干线、3条输水干线、10座调节水库和12条输水支线组成。

输水干线包括总干线、长春干线、四平干线和辽源干线。输水干线线路全长263.45 km，其中隧洞长133.98 km，管 线 PCCP(钢 管、现 浇 涵)长129.47 km。共设2座提水泵站(四平、辽源合建)，净扬程四平为32.0 m/10.0 m(高扬程泵/低扬程泵)，辽源为104.0 m。

工程规模巨大，供水结构类型繁多，其中超长有压隧洞穿越地质条件复杂和灰岩溶洞地区，涉及到的隧洞施工开挖爆破、衬砌、渗流、地应力及软岩大变形等岩石力学问题需要进行专门的研究。

2 分水枢纽

工程总体布局中，地理位置处于中部区域的分水枢纽位置一旦确定，总干线、长春干线、四平干线、辽源干线和相应的支线也就随之确定下来，不同的分水枢纽产生不同的树枝状输水系统。从类型上分有2种:一是以水库为分水枢纽;二是以调压井为分水枢纽。泉眼分水枢纽，位于新立城水库大坝上游2.5 km处的伊通河左岸;冯家岭分水枢纽，位于新立城水库库尾上游14.1 km的低山。

工程线路附近主要调节水库的水位情况包括:丰满水库，死水位242.00 m，正常蓄水位263.50 m;星星哨水库，死水位236.00 m，正常蓄水位245.50 m;石头口门水库，死水位182.5 m，正常蓄水位189.00 m;双阳水库，正常蓄水位218.86 m;新立城水库，死水位210.80 m，正常蓄水位219.63 m;二龙山水库;正常蓄水位222.50 m;下三台水库，正常蓄水位213.60 m;金满水库，正常蓄水位308.75 m。位置见图1。

图1 工程总体布置图Fig.1 Map of the project layout

总干线丰满水库取水口设计水位242.00 m，设计引水流量为38.0 m3/s，冯家岭分水枢纽调压井设计水位224.74 m。当丰满水库在高于死水位242.00 m运行时，或者总干线引水流量小于设计引水流量时，冯家岭调压井水位相应升高。

泉眼分水枢纽，由新立城水库利用丰满水库的水头优势，向四平干线、辽源干线搬移水量，完全依靠从新立城水库提水来完成，从1库导入另外2库。

冯家岭分水枢纽，通过低山处的调压井来利用丰满水库的水头优势，减少向四平干线、辽源干线提水的费用，能同时给新立城水库、金满水库和下三台水库提供更多的水量。从远期来看，冯家岭分水枢纽与二龙山水库产生联系的条件更好一些，联合起来调水能力较大。

2种分水枢纽差别是水头优势，在近期和远期是否要统筹考虑?丰满水库正常蓄水位和死水位之间，有21.5 m水头，在丰满水库天然水头的压力下，是压入到3个地区的3个水库，还是1个地区的1个水库?这21.5 m水头由3库来利用还是由1库来利用?分析论证的结论是，压入到3个地区的3个水库技术经济指标更好。

至于2种分水枢纽在运行安全性上的差别，因冯家岭调压井连接的干线工程与下游各受水城市之间，都有调节水库，分水枢纽调压井和干线工程与受水城市属于“软连接”，当分水枢纽和干线工程遇到事故检修工况时，调节水库能满足各受水城市的用水要求，故这2种分水枢纽运行安全性差别很小。

总干线是超长有压隧洞，调水能力潜力较大。考虑远期可利用这个有利特点，研究从第二松花江相邻的流域调水入白山水库，或者调水入丰满水库，向西到吉林西部干旱地区甚至到西部的省份调水，通过总干线超长有压隧洞，充分利用这一天然水头，调取更多的水量。经过技术经济综合分析，调压井型的冯家岭分水枢纽优势很明显，故采用之［1］。

调压井型分水枢纽与水库型分水枢纽比较，前者工程技术难度较大，运行调度相对复杂，但是经济指标优越，而且整个系统后期调水能力潜力大，对我国大型调水工程，有较高的借鉴价值。

3 超长有压隧洞

总干线从丰满水库取水口向西南穿过温德河、岔路河，从星星哨水库上游通过，至饮马河处分水入饮马河，自流入石头口门水库;线路经过双阳河分水入双阳河，自流入双阳水库;线路至总干线末端冯家岭分水枢纽调压井，该调压井同时为四平干线和辽源干线进水调压井，长春干线也是从此调压井分水至伊通河，自流入新立城水库。

总干线全长109.7 km，其中隧洞长97.62 km，PCCP和钢管长9.82 km，现浇预应力涵长2.26 km，全程采用自流压力输水形式。通过:①水力过渡过程数值计算研究;②充水过程、放空过程分析研究;③饮马河调压井—冯家岭分水枢纽调压井—长春干线的水工水力学模型试验。得出的结论:总干线隧洞内水压力可控制在55.0 m水头以下。隧洞洞径5.1～6.8 m、调压井直径18～20 m。

总干线超长有压隧洞，随着丰满水库水位的变化，有较大的调水量裕度，是一条“黄金水道”。虽然有压输水方案比无压输水方案投资略高，但是，采用自流有压输水方案仍然被认为是合理的。而且丰满水库取水口—饮马河段隧洞尽可能采用大洞径的方案，远期可以将第二松花江的水量搬移到调节能力较大的石头口门水库。

超长有压隧洞的调水能力:总干线设计流量38.0 m3/s，年最大引水量为10.29亿 m3。由于总干线采用自流有压输水，在调水能力上，具有较大潜力;在丰满水库水位变化时，超供能力较大，可与丰满水库运行调度结合起来，尽可能减少对丰满水库调峰电量的影响，减少运行费用。采用1984—2008年丰满水库实测水位进行可调水量分析，总干线丰满水库取水口—饮马河段隧洞长71.85 km，多年平均可调水量为15.77亿m3;在90%保证率下可调水流量为47.97 m3/s，年可调水量为13.03亿 m3。

考虑中部供水工程的调蓄水库的调节能力，按90%保证率可调水量做为城镇可供水量，总干线超长有压隧洞可增加供水量约2.76亿m3。但是，如果考虑:①中部地区和西部干旱地区远期需水量增加情况，②远期从第二松花江的相邻流域调水，③增加二龙山水库做为工程的调节水库，那么，总干线超长有压隧洞调水量还可以增大［1－2］。

4 TBM选择

总干线丰满水库取水口—饮马河段，为自然段长71.85 km的隧洞，洞径为6.8 m，开挖洞径7.97 m。线路位于中低山区，施工支洞及交通道路布置困难。但是，线路途经温德河、岔路河、饮马河，在地形地貌上，这3条大河的河谷，天然地将71.85 km的线路，分割成近乎相等的3段山脉，在3条河的河谷地带，隧洞埋深较浅，容易布置施工支洞。这样，3段山脉采用3台TBM施工，河谷段采用钻爆法施工，每台TBM掘进距离均为20 km左右。

隧洞围岩类别和抗压强度:丰满水库取水口—饮马河段，Ⅱ，Ⅲ类围岩占79.8%。Ⅱ类围岩的长石砂岩、花岗岩、安山岩、闪长岩单轴饱和抗压强度Rb为80～130 MPa，凝灰岩、砂岩、砂砾岩及灰岩单轴饱和抗压强度Rb为60～80 MPa;Ⅲ类围岩的花岗岩、凝灰岩、闪长岩及灰岩单轴饱和抗压强度Rb为60～80 MPa，砂岩、砂砾岩单轴饱和抗压强度Rb为40 ～60 MPa。

石英含量:从岩性上看，花岗岩石英含量为25% ～37%，砂岩石英含量在38%左右，凝灰岩石英含量为10%～20%。虽然砂岩的石英含量相对较高，但弹性抗力系数低，对刀盘的损耗较小，适宜开敞式TBM掘进机掘进。

地应力:2个勘探试验平硐和钻孔地应力测试结果表明，地应力以水平应力为主，最大水平应力为8.8 MPa。

隧洞围岩没有软岩大变形问题，饮马河右岸的TBM3段，经过埋深较浅的小河沿沟和碱草甸子沟，都用钻爆法通过。从以上条件看，隧洞适合开敞式TBM。

TBM选型:硬岩TBM主要分为开敞式、双护盾、单护盾3种。双护盾TBM护盾长度一般超过10 m，是开敞式TBM的3倍，岩石坍塌，压力和摩擦力更大，难以脱困;刀盘被卡住时，前方出现失稳坍塌岩体，要破碎管片，挖开较长距离才能到达刀盘前处理;遇到不稳定岩体，不能像开敞式TBM那样及时处理，新奥法难以实施;只有在破碎、软弱、具有不塌条件下，才能快速施工，这种条件是本工程不具备的;双护盾TBM必须采用管片衬砌，不能满足百年寿命;双护盾TBM长径比大于1，灵敏性较差。开敞式TBM由于护盾短于3 m，可以按新奥法施工，快速支撑围岩，减少坍塌，直观根据岩体变化采用相应措施，方便加固撑靴处围岩，机器脱困时相对容易;开敞式TBM长径比小于1，易于调整掘进机姿态。

辽宁大伙房水库输水工程，位于长白山脉的南延部分，采用3台开敞式TBM，开挖直径为8.0 m，其位置与本工程同处于长白山脉，地质条件相近。经过对我国西南、西北地区一些已建和在建的水工长大隧洞、铁路长大隧洞考察调研，尤其是TBM施工的隧洞情况，总体上看，本工程和辽宁大伙房工程的地质条件接近，要好于西南、西北地区那些长大隧洞工程。

根据以上分析，本工程采用开敞式TBM。

5 总干线隧洞选线

丰满水库取水口—饮马河段，自然洞长71.85 km，为连续有压隧洞(简称1#隧洞)，石门子河—饮马河段线路，位于总干线的中段，在饮马河右岸穿越7 162 m的灰岩地层。

由于线路经过灰岩地区，布置了直线穿灰岩和绕灰岩2条线路进行比选。在平面上看，2个线路大致成三角形布置，穿灰岩线路为三角形的一边，绕灰岩线路由另2边组成。

5.1 穿灰岩线路地质条件

线路穿越的地层岩性主要为古生代石炭系与泥盆系灰岩、石炭系凝灰岩、三叠系凝灰岩、侏罗系凝灰岩等。饮马河左岸为2#隧洞，主要以白垩系泥岩、砂岩为主，其次是流纹质凝灰岩、安山质凝灰岩和安山岩等。

本区岩溶不发育，与南方地区相比，甚至和吉林省南部浑江小区一带相比，相对微弱。从钻探资料分析，地下岩溶主要是近浅表的溶沟溶槽、溶蚀裂隙，充填有紫红色残积土及块石，发育的深度30～50 m，30 m以上到基岩面之间相对较发育，发育的部位，主要位于较大的沟谷及附近，分水岭地段发育相对较弱。基岩面到30 m深度内类似地下石林，沟槽相间，30 m以下岩溶沟槽密度和规模减小。石炭系地层溶蚀洞穴分布高程在225～267 m，泥盆系地层在197～248 m。垂直分带性不明显。石炭系灰岩垂直分带不少于2级。岩溶水排泄基准面为饮马河。

溶岩水文地质条件，穿灰岩区洞线主要沿山脊或分水岭走，在灰岩边部的高位置穿过，条件相对较好，属于补给区，径流排泄条件较好，降雨径流经沟谷很快排泄到饮马河，多年平均入渗深度78.8 mm，地下水量有限。

线路的主要工程地质问题是涌水、涌泥和可能遇到空洞。从上述岩溶及岩溶水条件分析，发生类似南方大规模涌水突泥的概率不大，但在小河沿沟、碱草甸子沟发生中小规模的涌水涌泥现象不能排除。在碱草甸子沟、小河沿沟采用钻爆法通过，穿灰岩线路是可以成立的，水文地质风险是可控的。另外，隧洞出口排水条件好，如发生较大涌水，可直接自流排泄到饮马河，对施工安全有利［3］。

5.2 绕灰岩线路地质条件

线路穿越的地层岩性主要为古生代侵入岩闪长岩、石炭系灰岩、中生代三叠系小蜂蜜顶子组凝灰岩、侏罗系侵入岩花岗岩和新生代第四系全新统堆积物。饮马河左岸的2#隧洞，主要为白垩系泥岩、砂岩和砂砾岩。

线路为了躲避灰岩区，增加了线路Ⅳ－Ⅴ类围岩的长度。在饮马河两岸有近7 km的浅埋洞段，为Ⅳ－Ⅴ类围岩，其中有5 493 m的浅埋隧洞位于全风化、强风化的Ⅴ类围岩中，围岩埋深浅，最小埋深7.6 m，稳定性差，不能满足有压隧洞最小覆盖厚度和水力劈裂要求，需要采用预应力砼衬砌，施工难度大。

综上所述，穿灰岩线路工程布置合理，技术可行，水文地质风险可控，线路长度比绕灰岩方案短1 165 m，工程投资节省约2.47亿元。因此，采用直线穿灰岩线路。

在我国东北地区，还没有长大隧洞穿越灰岩地区的工程实例。本工程选线设计，历时长达7年，最终才下决心决策。我们的体会是:在灰岩地区选线，不能一遇到灰岩，就谈虎色变，动辄拿南方岩溶发育地区的危险情况来说事，用不可知论来研究工作，不做深入细致的工作，随意否定穿灰岩线路。本工程的做法是，加大勘察、试验和科学研究的工作量和工作深度，做专题研究，客观认识岩溶发育规律，认识水文地质条件，认识溶洞大小和涌水量大小的量级，评价水文地质风险及其可控制情况，为选线工作提供有力的技术支撑［4－5］。

6 岩塞爆破

丰满水库取水口施工方案，因深水围堰投资太高，而丰满大坝重建工程还未完全确定，能否利用大坝重建的水库低水位时期进行取水口施工，不确定因素较多。所以，设计采用水下岩塞爆破技术进行取水口施工。

桩号0－297.38处为岩塞爆破口，岩体为砂砾岩，在洞口预留岩塞，待下游建筑物完成之后，采用水下爆破的方法施工。考虑岩塞体上面的水压力、碎块石含黏性土压力和自重等荷载的作用，结合下游输水隧洞过流断面以及地质条件，确定岩塞直径内径7.0 m，外径24.7 m，岩塞厚度15.8 m，厚高比1∶1.6，岩塞中心线仰角 79°，对进口岩塞段及上部围岩进行固结灌浆。

桩号0－279.41至0－233.41为集渣坑段，集渣坑底高程为201.05 m，采用以聚渣为主的开门爆破，布置靴型集渣坑，用来收集爆破岩塞时产生的石渣。考虑岩塞体积为2 420 m3(自然方)，岩渣松散系数取1.7，渣坑的有效利用系数采用0.75，集渣体积1 814 m3，集渣坑总容积为2 375 m3，据此确定集渣坑断面形式。由岩塞部位开始自圆形渐变至城门洞型，城门洞型宽7 m，高8.5 m，长46.0 m。

通过“丰满水库取水口水下岩塞爆破集渣坑体型模型试验”，发现:①集渣坑中有积水，对急速进入的岩渣顶托和反向冲击，影响集渣效果，应将积水排除;②集渣坑中会产生气囊，影响积渣量，应设排气孔将气囊排走。

7 预应力衬砌结构

总干线隧洞，在温德河和小河沿沟3段，在饮马河－石溪河的波状台地和丘陵线路上有12段，上覆岩体厚度较薄，有的段落上部有村屯或公路。经过对这15段隧洞的地形、地貌和地质条件分析，对隧洞内外水压力分析，对围岩承担内水压力能力分析(采用挪威准则，有的洞段参考水力劈裂准则和初始应力场最小主应力准则)，结合防渗要求，结论是:这15段衬砌应按抗裂设计考虑，采用预应力衬砌，衬砌段总长14.756 km。

目前，国内外水工隧洞预应力衬砌，有机械式和灌浆式2类:①机械式预应力衬砌，应用不受围岩条件限制，在围岩不具备承担内水压力能力或局部不满足覆盖厚度要求的洞段都可应用，在衬砌施工前围岩属于暂时稳定能满足机械式预应力管片安装时间要求的都可以实施。工程造价高，施工技术复杂，需要精细施工，由有工程实践经验的专业队伍实施。②灌浆式预应力衬砌，由于预应力的产生和保持都要通过围岩作用来实现，因此对围岩有较高的要求，即围岩能够承受灌浆压力或围岩经工程处理后能承受灌浆压力的隧洞才能应用。

本工程涉及预应力衬砌有15段，地质条件各异。灌浆式预应力实现的效果如何，和地质条件有很大关系。本工程隧洞内水压力并不高，灌浆式预应力与机械式预应力相比，工程造价相对较低。由于灌浆式预应力其可灌性如何，是否会产生水力劈裂，开灌前衬砌和围岩是否开环等问题，要做现场灌浆试验才确定，目前还没有进行。经综合分析比较，采用机械式后张法预应力衬砌。

机械式后张法预应力分为有粘结、无粘结和缓粘结3种。辽宁大伙房水库输水(二期)工程，隧洞直径6.0 m，最大内水压力0.6 MPa;小浪底工程，排沙洞直径6.5 m，最大内水压力1.2 MPa;二者都采用无粘结形式。南水北调中线穿黄工程，隧洞直径7.0 m，最大内水压力0.51 MPa，采用有粘结形式。经分析，本工程采用无粘结预应力衬砌形式。

预应力钢筋采用高强度无粘结低松弛1 860级8 × ∅j15.2钢绞线，公称截面面积 Ap=8 ×140 mm2。预应力筋束沿管道轴向的中心间距为400 mm，采用双层双圈无粘结预应力钢绞线环形游动锚支撑变角张拉技术，环锚锚板锚固端和张拉端各设8个锚孔，内层4根钢绞线从锚固端起始沿内层圆周环绕2圈后进入内层张拉端，外层4根钢绞线从锚固端起始沿外层圆周环绕2圈后进入外层张拉端，钢绞线锚固端与张拉端包角为2×360°。两侧锚具槽位置圆心夹角90°，预留内槽口长度为1.2 m，中心深度为0.2 m，宽度为0.20 m。

8 预应力圆涵

总干线在饮马河—石溪河段(桩号73+411至99+703 m)，隧洞直径5.1 m，地貌为波状台地和丘陵，地势高低起伏，峰谷垂直于线路交替分布，在2处河谷和2处沟谷的地方，埋深较浅，为7～18 m，成洞条件极差，这就不可避免要采用洞、管(涵)交替布置。为了避免双管和单洞交替出现的情况，需选用内径5.1 m的管道，并且这4段管的内水压力为0.5～0.55 MPa。南水北调京石段 PCCP管直径为4.0 m，是目前国内最大的。直径5.1 m的PCCP管，我国还没有工程实例，运输这么大直径管的大型设备，依赖于进口，整套技术不确定因素太多。所以，只有现浇预应力圆涵具备条件。

东深供水改造工程，采用了2根现浇无粘结预应力圆涵，单根直径4.8 m，最大内水压力0.3 MPa，覆土深度6.6 m。

现浇预应力圆涵的难度系数为管径×工作压力，本工程难度系数最大值为280.5，最大覆土深度18 m。总干线预应力圆涵总长度为2 265 m，内径5.1 m，外部采用圆拱直墙型式。顶部和侧壁厚度0.45 m，底部厚度0.8 m。预应力钢筋采用高强度无粘结低松弛1 860级6×∅j15.2钢绞线，公称截面面积Ap=6×140 mm2，预应力筋束沿管道轴向的中心间距为300 mm。

9 结语

分水枢纽类型的选择，在工程总体布局的选线技术中，是统领全局的、高层次的、核心的技术。调压井类型的分水枢纽，能充分利用丰满水库的水头优势，又因有总干线和3条干线与受水城市之间都有调节水库连接，干线工程与受水城市属于“软连接”这个好的自然条件，致使调压井型在冯家岭分水枢纽中，在技术、经济和运行安全方面优势明显。

总干线采用超长有压隧洞，看重的是远期调水能力的潜力，技术手段的关键是隧洞内水压力能控制到较低的数值。对大型跨流域调水工程，应该有政治家的思想和战略眼光，不是一种单打一的技术观点，而是一种综合的水利规划概念。

位于东北长白山脉的辽宁大伙房水库输水工程和中部供水工程，地质条件比我国西南、西北地区的一些长大隧洞要好，本工程采用开敞式TBM是适宜的。

总干线超长有压隧洞穿越灰岩地区，这在东北地区尚无先例，其勘察、试验、科学研究和专题研究的深入开展，是选线决策的重要技术支撑。

由于工程规模巨大，供水结构类型繁多，穿越线路长，涉及地质条件复杂，后续工作还有许多，如拟开展的特殊科研试验有:①丰满水库取水口水下岩塞爆破工程水工水力学模型试验及爆破试验;②浅埋隧洞预应力衬砌段围岩灌浆加固现场试验研究;③隧洞后张法无粘结机械预应力现场试验研究;④直径5.1 m现浇无粘结预应力涵试验段研究;⑤长距离有压输水工程水工水力学整体模型试验;⑥超长有压隧洞TBM施工关键技术问题研究;⑦隧洞穿灰岩段科学试验研究;⑧长春干线伊丹河河道冰期输水研究;⑨隧洞三维渗流场分析、涌水预测及地表环境监测研究;⑩长距离有压输水系统运行调度管理研究等。

［1］林一山.中国西部南水北调工程［M］.北京:中国水利水电出版社，2001.(LIN Yi-shan.The South-to-North Water Transfer Project in West China［M］.Beijing:China Water Power Press，2001.(in Chinese))

［2］谈英武.中国南水北调西线工程［M］.郑州:黄河水利出版社，2004.(TAN Ying-wu.The Western Route of South-to-North Water Transfer Project in China［M］.Zhengzhou:Yellow River Water Conservancy Press，2004.(in Chinese))

［3］卢耀如.岩溶水文地质环境演化与工程效应研究［M］.北京:科学出版社，1999.(LU Yao-ru.Evolutions of Karst Hydrogeological Environments and Their Engineering Impacts［M］.Beijing:Science Press，1999.(in Chinese))

［4］张 梅.宜万铁路岩溶断层隧道修建技术［M］.北京:科学出版社，2010.(ZHANG Mei.Technology of Tunnel Construction of Yichang-Wanzhou Railway in the Karst Fault Area［M］.Beijing:Science Press，2010.(in Chinese))

［5］白学翠，余 波，卢昆华，等.天生桥二级水电站强岩溶深埋长大隧洞勘察与设计［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.(BAI Xue-cui，YU Bo，LU Kun-hua，et al.Survey and Design of Tianshengqiao Hydropower Station in Deep Buried Large Tunnel in Karst Area［M］.Beijing:China Water Power Press，2011.(in Chinese))