（水利工程专业论文）南水北调东线第一期工程穿黄隧洞结构分析研究.pdf

摘要 我国水资源的分布特点、开发利用状况、经济社会发展和环境的特点，决定 了在节约用水的前提下，还需要进行适当的丰贫调剂。为此提出南水北调的设想， 其中穿黄隧洞一直是制约南水北调东线的关键因素之一。东线穿黄隧洞在山东省 东平、东阿两县境内，位于黄河以下约7 0 m ，穿越1 2 个断层。黄河水、孔隙水、 岩溶裂隙水“三水相通”是其独特的水文地质特征。 通过对南水北调东线穿黄隧洞的前期水文、地质资料、探洞独特的予注浆堵 水技术、设计资料等进行分析研究，论证穿黄隧洞设计方案的合理性，确保隧洞 在施工期、运行期和检修期的安全性。本文在平洞和斜井段分别选取三个处于不 同岩层的典型断面进行分析研究。对穿黄隧洞在各种荷载组合下的应力与稳定性 进行研究，解决了穿黄隧洞的支护问题。该项目的研究对于类似的隧洞引水工程， 尤其是以隧洞形式过江、过河的工程具有重要的指导和借鉴意义。 关键词：南水北调东线，穿黄隧洞，支护，应力，稳定性 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fw a t e r r e s o u r c e sa n dd e m a n d so fs o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n de n v i r o n m e n t f e a t u r e s ，t h ea p p r o p r i a t eb a l a n c eo fr i c hw a t e ra n dd r yp e r i o di sn e e d e do nt h e p r e m i s eo fw a t e rs a v i n g s ot h ea s s u m p t i o no fs o u t h t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o n h a sb e e np r e s e n t e d y e l l o wr i v e rc r o s s i n gt u n n e li so n eo ft h ek e yr e s t r a i n t st o s o u t ht on o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c te a s tr o u t e ，w h i c hi sl o c a t e di nd o n g p i n g a n dd o n g ec o u n t i e s ，s h a n d o n gp r o v i n c e ，a b o u t7 0 mb e n e a t ht h ey e l l o wr i v e r b e da n dc r o s s i n g12f a u l t s t h eu n i q u eh y d r o - g e o l o g i cf e a t u r eo ft h i sp r o j e c ti s t h ei n t e r c o n n e c t i o no fr i v e rw a t e r , p o r ew a t e ra n dk a r s tw a t e r t h er e a s o n a b i l i t yo ft h ed e s i g na l t e r n a t i v eo fy e l l o wr i v e rc r o s s i n gt u n n e l i sd e m o n s t r a t e db a s e do nt h ea n a l y s i so fp r o p h a s eh y d r o l o g i cd a t a ，g e o l o g i c a l m a t e r i a l sa n dd e s i g nd a t as oa st og u a r a n t e et h ep r o j e c ts a f e t yd u r i n gc o n s t r u c t i o n ， o p e r a t i o na n dr e c o n d i t i o n i n gp e r i o d s t h r e et y p i c a lc r o s ss e c t i o n si nd i f f e r e n t r o c kl a y e r sa r es e l e c t e da tb o t ha d i ta n di n c l i n e ds h a f t ，a n dt h ea n a l y s i sh a sb e e n c a r r i e do u t i nt h i sa n a l y s i s ，t h es t r e s sa n ds t a b i l i t yu n d e rv a r i e sl o a d i n gc a s e s h a v eb e e nc o n d u c t e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs u p p o r t i n gp r o b l e mh a sb e e ns o l v e d t h ea n a l y s i so ft h i sp r o j e c tc a nb eu s e df o rg u i d a n c ea n dr e f e r e n c et ot h ef a m i l i a r d i v e r s i o np r o j e c t ，e s p e c i a l l yt ot h ep r o j e c tw h i c ha d o p t st h ec r o s s i n gt u n n e l u n d e r n e a t ht h er i v e r k e y w o r d s ： s o u t h - t o - n o r t hw a t e rd i v e i o np r o j e c te a s tr o u t e ，y e l l o wr i v e r c r o s s i n gt u n n e l ，s u p p o r t ，s t r e s s ，s t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的晚明并表示了谢意。 学位论文作者签名：念廷序签字日期：p7 年多月习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：l b 车志 导师签名： 签字日期：w 年 易月29h 1 移衄 签字日期：2 夕午咕月7 日 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 1 1 1 我国水资源分布现状 水资源危机是困扰世界的危机之，目前世界上约有8 0 多个国家、4 0 的人口面临缺水问题。1 9 9 7 年1 月，联合国发布的世界水资源综合评估 报告指出，水问题将严重制约2 l 世纪全球的经济和社会发展，并可能导 致国家间的冲突。中国是世界上最为缺水的国家之一，人均水资源占有量仅 为世界平均水平的l 4 ，每亩耕地占有的水资源量仅为世界平均值的8 0 。 我国水资源不仅总量缺乏，而且时空分布也很不均匀【l 】。 从水资源的时间分布来看，年际年内变化很大。长江以南的中等河流， 最大与最小年径流量的比值在5 以下，北方则多在l o 以上。水资源的年际 变化差异还表现在，径流量存在明显的丰枯交替及连续数年出现丰水或枯水 的现象。径流年内分布也很不均匀。年径流量中连续4 个最大月所占的比例， 长江以南及云贵高原以东的地区为6 0 左右，西南地区为6 0 7 0 ，长江 以北则为8 0 以上，海河平原高达9 0 。径流年际年内分布情况，给水资 源的开发利用带来很大的困难。 从水资源的空间分布来看，南北差异较大。由于我国降雨分布由东南向 西北递减的总趋势，形成南方水多、北方水少的局面。长江以南的南方地区 河川径流量约占全国总径流量的8 3 ，而北方地区的河川径流量仅占全国 总径流量的1 7 。按流域面积平均，北方各大流域的水资源量均低于全国平 均水平，如海滦河片仅达到全国平均值的1 2 ，黄河片还不到全国平均值的 1 3 。 水资源分布与需求的极端不一致也是我国水资源的一大特点。我国的水 土资源分布情况是南方水多地少，北方水少地多。南方单位耕地面积所占的 河川年径流量为4 50 0 0 m v h m 2 ，为全国平均水平的1 1 7 倍；北方单位耕地面 积所占的水资源量为4 5 1 0 3 m 3 h m 2 ，为全国平均水平的1 7 ；南北差异达1 0 倍。其中最高的浙闽片为全国平均水平的2 1 4 3 倍，最低的海河流域单位耕 地面积所占的水资源量只有全国平均水平的1 1 ，两者差距达2 2 倍之多。 按人口平均，长江流域以北的北方片人均水资源占有量仅为南方片的l 3 ， 其中最高的珠江流域为最低的海河流域的1 2 1 9 倍。 第一章绪论 总体上说，我国缺水问题相当突出，尤其以北方为甚。我国年总用水量 1 9 4 9 年为1 0 3 0 亿立方米，2 0 0 4 年增长到5 5 4 8 亿立方米。目前的用水量大 约是1 0 条黄河的水量。受全球性气候变化等影响，近年来我国部分地区降 水发生变化，北方地区水资源明显减少。 改革开放以来，我国工业用水从1 9 8 0 年的4 5 7 亿立方米，增加到2 0 0 4 年的1 2 2 9 亿立方米。城镇生活用水从1 9 8 0 年的6 8 亿立方米，提高到2 0 0 4 年的3 6 1 亿立方米。农业用水在经过了大规模的增长后，基本上维持在4 0 0 0 多亿立方米的用水规模。 5 0 多年来，全国兴建了8 5 万座水库，总蓄水能力达5 0 0 0 多亿立方米， 兴建引水工程l o o 多万项，引水闸3 万多座，提水工程4 0 多万处，形成年 供水能力5 8 0 0 亿立方米。但是，我国缺水问题一直存在，而且越来越突出。 按目前的正常需要和不超采地下水，正常年份全国缺水量将近4 0 0 亿立方 米。“十五”期间，农田受旱面积年均达3 8 5 亿亩，平均每年因旱减产粮食3 5 0 亿公斤。全国农村有3 2 亿人饮水不安全。全国有4 0 0 余座城市供水不足， 比较严重缺水的有1 1 0 座。 水资源的时空分布与社会经济系统、生态系统对水资源需求的不一致 性，是我国对水资源进行调控的内在动因。水资源的分布特点、水资源开发 利用状况、经济社会发展和环境的需要，决定了我国水资源在节约用水的前 提下，还需要进行适当的丰贫调剂。 1 1 2 南水北调的提出 为满足我国经济发展的需要，从二十世纪五十年代初就提出“南水北调” 的设想，经过近半个世纪的前期工作，对东线、中线、西线的调水水源、调 水线路和供水范围等进行了广泛深入的研究论证，形成了南水北调东线、中 线、西线与长江、黄河、淮河和海河四大江河相互联接的“四横三纵”的工程 总体布局，见图1 1 。 东线工程作为南水北调的重要组成部分，从江苏省扬州附近的长江干流 引水，利用京杭大运河以及与其平行的河道输水，连通洪泽湖、骆马湖、南 四湖、东平湖作为调蓄水库，经泵站逐级提水进入东平湖后，分水两路，一 路向北穿过黄河后自流到天津；另一路向东自流经胶东半岛输水干线向山东 半岛供水【3 “5 1 ，线路布置见图1 2 。 第一章绪论 图1 - 1南水北调工程总体布局 根据2 0 0 1 年南水北调东线工程修订规划分三期实施。第一期工程利用 江苏省江水北调工程扩大规模，向北延伸，向山东省鲁北和胶东地区供水， 抽江5 0 0 m 3 s 、过黄河5 0 m 3 s 、送胶东5 0 m 3 s ；第二期工程在第一期工程基 础上扩大北调规模，供水范围扩展到河北省和天津市，抽江6 0 0 m 3 1 s 、过黄 河l o o m 3 s 、到天津5 0 m 3 s 、送胶东5 0 m 3 s ：第三期工程在第二期工程基础 上继续扩大规模，实现抽江8 0 0 m 3 s 、过黄河2 0 0 r a 3 s 、到天津l o o m 3 s 、送 胶末9 0 m 3 s 的最终规模。 为贯彻落实国务院领导“先节水后调水，先治污后通水，先环保后用水” 的指示精神，国家计委、水利部于2 0 0 0 年1 2 月在北京召开了南水北调工程 前期工作座谈会，部署了南水北调工程总体规划工作。淮委负责会同海委于 2 0 0 1 年编制完成南水北调东线工程规划( 2 0 0 1 年修订) 。此后，在东、 中、西线规划等1 2 个附件的基础上，国家计委和水利部联台编报了南水 北调工程总体规划。 2 0 0 2 年1 2 月，国务院批准丁南水北调工程总体规戈9 。1 2 月2 7 日， 国务院在北京和江苏省、山东省旖工现场同时举行了南水北调工程开工典礼 仪式，国务院总理朱铬基宣布南水北调工程开工，东线第一期工程的江苏段 三阳河，潼河、宝应站工程和山东段济平干渠工程开工建设。 2 0 0 7 年1 2 月2 8 日，南水北调采线穿黄河工程开工。 翼 墨二要堕丝 北京砖卜一j j 一弓乇津币 圈l - 2 南水北调东线线路圈 l13 穿黄河工程的研究 穿黄河工程是南水北调东线工程的咽喉工程。从研究东线调水工程时就 开始了对过黄河的方式、位置的研究，1 9 7 7 年1 1 月水电部规划设计管理局 组织黄河中下游查勘后，在山东聊城召开查勘讨论会。会议同意1 9 7 6 年南 水北调近期规划报告中关于穿黄的方式和位置的意见并提出应采用多种 南水北调东线工程线路图 第一章绪论 手段进行地质勘探，以查明穿黄枢纽处河床的工程地质及水文地质条件。 1 9 7 8 年3 月原水利电力部以( 7 8 ) 水电规字第3 2 号文下达了穿黄工程 的设计任务书，对穿黄方式明确指示按立交埋管或洞挖方案进行比较，穿黄 线路要求对位山、柏木山、黄庄三条线路进行比较，并以位山线洞挖方案为 重点。1 9 7 8 年1 9 8 0 年，原水电部第十三工程局设计院对三条线路进行了大 量勘测和设计比较工作。经比选后，重点研究在解山和位山之间黄河河底开 挖隧洞的立交方案。该处黄河河床窄，基岩面较高，围岩成洞条件好；工程 布置不改变黄河现状，不影响黄河行洪、排凌；运行管理方便：与黄河有关 的总体规划布局矛盾少。但因当时对河底岩溶发育及水文地质情况了解还不 够清楚，故提出了在河床底部开挖一条过河勘探试验洞的问题。 开挖勘探试验洞成了当时选定穿黄线路的关键。1 9 7 9 年l o 月，水利部 规划设计管理局以( 7 9 ) 水规字第1 1 8 号文正式给天津院下达了穿黄探洞的 设计任务。1 9 8 0 年5 月天津院完成了南水北调( 东线) 穿黄隧洞工程勘 探试验洞初步设计报告，并行文报审。后因国家经济处于调整时期，暂时 无力进行南水北调工程建设，探洞施工也暂缓进行。1 9 8 3 年1 2 月，水电建 设总局根据国务院、国家计委关于抓紧南水北调第二期可行性研究工作的指 示精神，以( 8 3 ) 水建计字第2 3 9 号文给我院下达了“南水北调穿黄勘探试 验洞补充修改初设”的任务，我院于1 9 8 4 年6 月完成了勘探试验洞初步设 计补充修改报告。水电建设总局以( 8 4 ) 水建地字第l 号文对补充报告进 行了批复，同意开挖勘探试验洞的任务。 穿黄探洞自1 9 8 5 年6 月至1 9 8 8 年1 月底探洞主体工程全部完成。通过 开挖探洞进一步查明了河底地质构造和岩溶发育等地质隋况，落实了在岩溶 地区采用超前灌浆堵水开挖水下隧洞的施工方法。在探洞施工过程中同时还 进行了多项科学试验工作，取得了大量第一手资料，为南水北调东线的关键 工程穿黄隧洞工程的设计与施工提供了可靠的科学依据。根据探洞查明 的黄河位山段河床基岩地质条件，认为位山线洞挖方案是可行的【o 7 】。 至此，南水北调东线工程的过黄河的线路和方案已经基本确定。 本课题以南水北调东线穿黄隧洞为例，根据隧洞的边界条件，在已开挖 穿黄勘探试验洞的基础上，主要研究打通穿黄隧洞的可行性，为其设计和施 工提供技术支撑。 1 2 国内外研究现状 隧洞在交通、矿业特别是水利工程的输、调水工程中都是非常重要的水 第一章绪论 工建筑物之一，其长度短则数百米，长则数公里，甚至数十公里，埋深在几 米到几千米不等，经常需要穿越不同的地质单元，因此隧洞所处的地质环境 和地质条件复杂多变，带来隧洞的工程地质问题多种多样【5 0 】，如：开挖突发 涌水、坍塌、岩爆、有害气体等，特别是位于地表水体( 海、湖及河流等) 、 高埋深以下的隧洞，这些问题更加突出，而且往往相伴而生 3 6 3 7 t4 3 。 国内外对隧洞开挖出现的问题及支护方案一向非常重视，如已竣工的英 法英吉利海底隧道、日本青函海底隧道【4 0 】、山西省万家寨引黄入晋工程，正 在实施的南水北调中线穿黄河工程隧洞以及近期贯通的南京过江隧道等，均 无一例外地需要研究这一问题。 自从奥地利学者拉布西维兹( l v r a b c e wi c z ) 教授于5 0 年代提 出新奥法( n e wa u s t r i a nt u n n e l l i n gm e t h o d 简称n a t m ) 的概念后【2 】，隧洞 的施工技术就极为迅速地发展。在西欧、北欧、美国和日本等国，许多隧道 工程已成为地下工程中现代新技术标志之一。之后六十年代n a t m 被介绍 到我国， 七十年代末八十年代初得到迅速发展。它是以隧道工程经验和岩 体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段 的一种施工方法，经过一些国家的许多实践和理论研究证实。 新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面 施工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的变形发展，阻 止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝 土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性【3 2 3 4 】。在隧洞爆 破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力 降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性【8 】。 由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地 防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀， 保护原有岩体强度【1 7 】。隧洞开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上 原有地质构造上的裂缝，随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护 以较高的速度射向岩面，很好的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了 围岩的强度。 ( 提高围岩的粘聚力c 和内摩擦角) 。同时喷锚支护起到了 封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、 解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定f 1 9 2 0 】。 喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷 锚支护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的 非弹性变形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承 第一章绪论 能力得以充分发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对 围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生 松动破坏f 1 4 】。 目前，对于高埋深的长隧洞，国内外普遍采用的是掘进机( t b m ) 技术。 其主要有以下特点： ( 1 ) 快速。t b m 是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧 道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作 业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。 ( 2 ) 优质。t b m 采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层 不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。 ( 3 ) 高效。t b m 施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和 社会效益：同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。t b m 施工用人少， 降低了劳动强度、降低了材料消耗。 ( 4 ) 安全。用t b m 施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了 体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。 ( 5 ) 环保。t b m 施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；减少了长 大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境；如果使用双护盾t b m 还可以 减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。 ( 6 ) 自动化、信息化程度高。t b m 采用了计算机控制、传感器、激光 导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、 信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。t b m 具 有施工数据采集功能、t b m 姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数 据实时远传功能，可实现信息化施工【3 1 3 5 】。 无论采用何种施工方法，都要面临上述问题，尤其是施工中的塌方、涌 水和支护问题。其中支护参数的合理性直接关系到工程的经济性，甚至成败。 1 3 本文的工作 收集南水北调东线穿黄隧洞的地质资料( 包括区域地质、工程地质) 、工 程设计资料( 工程布置、施工方法等) 、穿黄探洞设计、施工的资料、探洞维 护期资料、除险加固设计施工资料以及国内外其他隧洞设计施工资料等，对 上述资料进行综合分析，根据本工程的特点，结合目前国内外水利水电行业 隧洞施工研究成果，并参考其它相关行业( 如铁路、公路、矿山及国防等) 的 资料，运用有限元、结构力学等理论对本工程隧洞予注浆、开挖、一次支护、 第一章绪论 二次支护以及观测措施进行研究。 鉴于自上世纪七十年代开始至今，本工程已积累了大量翔实、全面系统 的资料，经过多次国内外专家的论证，而且在八十年代末至九十年代初开挖 了穿黄探洞，为隧洞的设计施工奠定了坚实的技术基础。因此在上述详实资 料的基础上进行该课题研究是可行的。 通过对本工程区的地质资料、穿黄探洞开挖资料、探洞维护期资料、探 洞除险加固灌浆处理资料、穿黄隧洞设计资料等进行分析，论证设计方案的 合理性，确保隧洞在施工期、运行期和检修期的安全性，对穿黄隧洞在各种 荷载组合下的应力与稳定性进行研究。主要研究内容为： ( 1 ) 按照围岩分类，选取平洞段( i i 、i i i 类岩体中) 一个断面和斜井 段( 位于、v 类岩体中) 两个断面，采用弹塑性有限单元法和结构力学 方法分析隧洞围岩的稳定性和衬砌内力 2 8 ，2 9 】； ( 2 ) 根据应力分析结果验算衬砌结构的配筋及其支护方案； ( 3 ) 防渗设计； ( 4 ) 灌浆设计； ( 5 ) 观测设计； ( 6 ) 予注浆设计。 第二章工程概况 第二章工程概况 2 1 南水北调东线工程进展 2 0 0 2 年1 0 月，国家发展计划委员会和水利部联合向国务院上报了南 水北调工程总体规划，2 0 0 2 年1 2 月2 3 日国务院以国函 2 0 0 2 】1 1 7 号对南 水北调工程总体规划进行了批复，原则同意南水北调工程总体规划， 要求根据前期工作的深度，先期实施东线和中线第一期工程1 4 5 】。 2 0 0 4 年6 月1 6 - - 2 2 日，南水北调东线第一期工程项目建议书在北 京顺利通过水利部水利水电规划设计总院审查，并于2 0 0 4 年l o 月1 7 日 - 2 3 日通过中国国际工程咨询公司评估。 2 0 0 8 年1 2 月0 8 日，印发国家发改委关于审批南水北调东线第一期工 程可行性研究总报告的请示的通知( 发改农经 2 0 0 8 】2 9 7 4 号) ，国家发 展和改革委员会。 2 0 0 2 年1 2 月2 7 日东线第一期工程江苏三阳河、潼河、宝应站工程及 山东济平干渠工程开工建设，标志着南水北调工程已历史性地由规划研究阶 段转为实施阶段。 东线工程作为南水北调工程的重要组成部分，规划从江苏省扬州附近的 长江干流引水，利用京杭大运河以及与其平行的河道输水，连通洪泽湖、骆 马湖、南四湖、东平湖作为调蓄水库，经泵站逐级提水进入东平湖后，分水 两路，一路向北穿过黄河后自流到天津；另一路向东自流经胶东半岛输水干 线向山东半岛供水。 东线工程规划分三期实施。第一期工程利用江苏省江水北调工程，扩大 规模，向北延伸，向山东省鲁北和胶东地区供水，抽江5 0 0 m a s 、过黄河 5 0 m v s 、送胶东5 0 m 3 s ；第二期工程在第一期工程基础上扩大北调规模，供 水范围扩展到河北省和天津市，抽江6 0 0 m 3 s 、过黄河1 0 0 m 3 s 、到天津 5 0 m v s 、送胶东5 0 m 3 s ：第三期工程在第二期工程基础上继续扩大规模，实 现抽江8 0 0 m 3 s 、过黄河2 0 0 m 3 s 、到天津l o o m 3 s 、送胶东9 0 m 3 s 的最终规 榭3 】。 穿黄河工程是南水北调东线工程从东平湖至黄河以北输水干渠的一段 第二章工程概况 输水工程，全长7 8 7 k m ，是南水北调东线的关键控制性项目。工程位于山 东省东平和东阿两县境内，黄河下游中段，地处鲁中南山区与华北平原接壤 带中部的剥蚀堆积孤山和残丘区。经过多年的规划研究，尤其是穿黄勘探试 验洞的开挖成功，使得东线穿越黄河的位置和方式已基本明确。 穿黄河工程从东平湖老湖区引水，在东平湖西堤( 玉斑堤) 魏河村北建 出湖闸，开挖南干渠至黄河南大堤前( 予路堤) 建埋管进口检修闸，以埋管 方式穿过子路堤、黄河滩地至黄河南岸解山村，经隧洞穿过黄河主槽及黄河 北大堤，在东阿县位山村以埋涵的形式向西北穿过位山引黄渠渠底，与黄河 以北输水干渠相接。工程主要由出湖闸、南干渠、埋管进口检修闸、滩地埋 管、穿黄隧洞、穿引黄渠埋涵、出口闸及连接明渠等建筑物组成。 2 2 勘测设计简要过程 2 2 1 工程选线阶段 从1 9 7 3 年研究东线调水工程时就开始了对过黄河的方式、位置的研究。 1 9 7 7 年1 1 月水电部规划设计管理局组织黄河中下游查勘后，在山东聊城召 开查勘讨论会。会议同意1 9 7 6 年南水北调近期规划报告中关于穿黄的 方式和位置的意见，并提出应采用多种手段进行地质勘探，以查明穿黄枢纽 处河床的工程地质及水文地质条件。 1 9 7 8 年3 月原水利电力部以( 7 8 ) 水电规字第3 2 号文下达了穿黄河工 程的设计任务书，对穿黄方式明确指示按立交埋管或洞挖方案进行比较，穿 黄线路要求对位山、柏木山、黄庄三条线路进行比较，并以位山线洞挖方案 为重点。1 9 7 8 年1 9 8 0 年，原水电部第十三工程局设计院对三条线路进行 了大量勘测和设计比较工作。经比选后，重点研究在解山和位山之间黄河河 底开挖隧洞的立交方案。该处黄河河床窄，基岩面较高，围岩成洞条件好； 工程布置不改变黄河现状，不影响黄河行洪、排凌；运行管理方便；与黄河 有关的总体规划布局矛盾少。但因当时对河底岩溶发育及水文地质情况了解 还不够清楚，故提出在河床底部开挖一条过河勘探试验洞。 2 2 2 穿黄探洞工程建设 开挖勘探试验洞成了当时选定穿黄线路的关键。1 9 7 9 年1 0 月，水利部 第二章工程概况 规划设计管理局以( 7 9 ) 水规字第1 1 8 号文正式给天津院下达了穿黄探洞的 设计任务。1 9 8 0 年5 月天津院完成了南水北调( 东线) 穿黄隧洞工程勘 探试验洞初步设计报告，并行文报审。后因国家经济处于调整时期，暂时 无力进行南水北调工程建设，探洞施工也暂缓进行。1 9 8 3 年1 2 月，水电建 设总局根据国务院、国家计委关于抓紧南水北调第二期可行性研究工作的指 示精神，以( 8 3 ) 水建计字第2 3 9 号文给我院下达了“南水北调穿黄勘探试 验洞补充修改初设”的任务，我院于1 9 8 4 年6 月完成了勘探试验洞初步设 计补充修改报告。水电建设总局以( 8 4 ) 水建地字第l 号文对补充报告进 行了批复，同意勘探试验洞的任务，探洞建设由我院负责，由水电五局承包 施工，施工期为3 年。 穿黄探洞自1 9 8 5 年6 月开始进行施工准备，1 9 8 6 年4 月份正式钻灌开 挖，至1 9 8 8 年1 月底探洞主体工程全部完成。通过开挖探洞进一步查明了 河底地质构造和岩溶发育等地质情况，落实了在岩溶地区采用超前灌浆堵水 开挖水下隧洞的施工方法。在探洞施工过程中同时还进行了多项科学试验工 作，取得了大量第一手资料，为南水北调东线的关键工程穿黄隧洞工程 的设计与施工提供了可靠的科学依据。根据探洞查明的黄河位山段河床基岩 地质条件，认为位山线洞挖方案是可行的【6 ，7 1 。 至此，南水北调东线工程的关键技术问题已经解决。 2 2 3 穿黄隧洞工程设计 1 9 8 8 年1 月穿黄勘探试验洞工程顺利完工后，原水电部于1 9 8 8 年3 月 以( 8 8 ) 水电水规字第2 8 号文给国家计委发了“关于请求批准建设南水北调 东线二期工程穿黄试验洞的报告”，并指示天津院要在穿黄勘探试验洞工程 已取得了成功的基础上，结合南水北调二期工程，将探洞扩建成能过2 0 0 m 3 s 流量的永久工程。后经国家计委研究、为避免投资积压暂不进行兴建，但作 为前期工作天津院仍按要求于1 9 8 8 年底完成了南水北调东线二期工程穿 黄试验洞初步设计说明书。 按原水利部南水北调办公室( 以下简称“水利部南办”) 的要求，1 9 8 9 年6 月天津院编制完成了南水北调东线穿黄工程( 过黄河5 0 m 3 s 流量) 设计报告，水利水电规划设计总院( 以下简称“水规总院”) 于1 9 8 9 年9 月 对该设计报告进行了审查并以( 8 9 ) 水规南字第l 号文同意该设计报告，并 第二章工程概况 提出为使输水留有余地将正式洞径增大。1 9 9 0 年1 0 月水利部以水规 1 9 9 0 1 5 1 号文下达“关于南水北调东线穿黄勘探洞加固工程设计的批复”，同意穿黄隧 洞南岸竖井、北岸斜井按永久断面一次建成，平洞段按临时断面扩挖。同意 1 9 9 0 年安排施工，总工期控制在3 年左右。由于种种原因，工程中途停工， 探洞从此转入维护时期。 2 2 4 穿黄探洞维护 1 9 9 0 年组建穿黄探洞管理局，负责探洞维护。探洞维护期间，根据水 利部关于“加强南水北调( 东线) 穿黄探洞汛期检查，做好封堵准备，确保 安全度汛”的紧急通知精神，1 9 9 4 年8 月1 0 日水利部海委以海管字【1 9 9 4 】 第7 号文向水利部呈报了穿黄勘探洞安全度汛应急方案。8 月1 9 日水利部 以水规计 1 9 9 4 1 2 8 8 号文对该方案进行了批复，要求在1 9 9 4 年1 0 月底前全 部完工，同时要求海委和天津院共同编制穿黄探洞加固后的工程维护、管理 设计。天津院于1 9 9 4 年8 月和1 1 月分别完成了南水北调东线穿黄探洞防 汛加固工程技施设计报告和南水北调东线穿黄探洞度汛应急工程维护、 管理设计专题报告。作为此后管理、维护的依据。 2 2 5 穿黄探洞加固 由于探洞施工时形成的灌浆阻水帷幕和喷锚支护均属临时措施，经多年 的高压地下水的溶蚀作用，原阻水帷幕的阻水效果逐渐变差，1 9 9 9 年8 月3 0 日探洞水仓水泵房发生了突然涌水。对此，国家防总和水利部领导极为重视， 并立即做出：“穿黄探洞一直是黄河防洪的心腹之患，这次一定要拿出一劳 永逸的治理方案，“”的重要指示。穿黄隧洞注浆帷幕事宜图和效果图分别 见图2 1 和图2 2 。 第二章工程概况 童装蝰幂平露圄 $ 仓日房 孥塑竺呈堡查! 坚墨 f 一 女蠹誊惫 2 号支挥月 ；厂一 ，苎冀螋苎苎烹! ! 黑 蒌夏嚣7 一 槭耗。蔫f 娥 注浆健幂纵截面国 图2 - l 穿黄隧洞注浆帷幕纵示意图 根据水利部领导的指示精神天律院于1 9 9 9 年9 月底提出了南水北 调东线穿黄探洞加固工程方案设计报告，1 9 9 9 年1 1 月4 7 日，水规总院 对该设计报告进行了审查，审查结论认为：为确保黄河大堤的安全，对探洞 进行全面加固是非常必要和紧迫的，探洞加固工程宜采取分步进行的方式。 首先要求在2 0 0 0 年汛前对穿黄探洞按扩建为大嗣断面的要求进行全面灌浆 补强1 q ，然后在此基础上采用永久加固方案即采用钢筋混凝土进行衬 砌0i 1 】，达到劳水逸”的治理目的。根据审壹会议精神，天津院于1 9 9 9 年1 2 月完成了穿黄探洞加固工程即按承久工程断面进行全面灌浆的设计， 提出了位山穿黄探洞应急加周工程初步设计报告。1 9 9 9 年1 2 月8 9 日， 经水规总院组织审查通过。后经水利部批准，该工程于2 0 0 0 年1 月开工 并于2 0 0 0 年6 月底全部完工。2 0 0 0 年7 月通过了水利部组织的工程投入使 用验收，满足了2 0 0 0 年黄河度汛安全的要求。 第二章工程概况 图2 - 2 穿黄隧洞注浆帷幕效果图 通过隧洞灌浆补强工作，对隧洞的地质情况也有了进一步的深入了解。 23 穿黄河工程总体布置 23 l 工程总体布置 工程从深潮区引水，于东平湖西堤玉斑堤魏河村北建出湖闸，开挖南干 渠至子路堤，由输水埋管穿过子路堤、黄河滩地及原位山枢纽引河至黄河南 岸解山村，之后以河底隧洞方式穿过黄河主槽及黄河北大堤，在东阿县位山 村以埋涵的形式向西北穿过位山引黄渠渠底，与黄河以北输水干集相接。 工程进r 7 经比较选在东平湖玉斑堤魏河村北附近，该处引水干渠湖外占 地最少；途经子路堤是九顶琵琶山和予路山的垭口，地势低，工程量最少： 解山和位山是黄河河床下降伏的马鞍形的山粱的顶部，由此确定了穿黄河工 程线路的走向。 穿黄河工程位于山东省东平、东阿两县境内，黄河下游中段，地处鲁中 第二章工程概况 南山区与华北平原接壤带中部的剥蚀堆积孤山和残丘区。工程由南岸输水渠 段、穿黄枢纽段及北岸穿引黄渠埋涵段组成，线路总长7 8 7 k m 。其中南岸 输水渠段包括东平湖出湖闸、南干渠，全长2 5 4 k m ：穿黄枢纽段包括子路 堤埋管进口检修闸、滩地埋管、穿黄隧洞，全长4 6 1 k m ；北岸穿引黄渠埋 涵段包括隧洞出口连接段、穿引黄渠埋涵、出口闸及连接明渠，全长0 7 2 k i n 。 穿黄河工程以东平湖深湖区为疏浚起点，起点底高程3 4 8 m ，与出湖闸 衔接底高程3 4 5 4 m ，纵坡1 3 5 0 0 0 ，疏浚引水通道断面型式为梯形，底宽分 别为3 5 m 、1 5 m ；疏浚通道后接出湖闸，进口底高程3 4 5 4 m ，消力坎顶高程 为3 4 2 1 m ，箱涵纵坡为1 1 0 0 0 ，出湖闸为两孔一联，共四孔，闸孔尺寸( 宽 x 高) 5 0 x 3 5 m ；出湖闸后接南干渠，渠首底高程3 4 2 1 m ，渠末底高程3 4 1 3 m ， 纵坡1 2 8 9 0 0 ，南干渠为梯形断面，底宽1 8 m ；南干渠后接埋管进口检修闸， 闸进口底高程3 4 1 3 m ，闸底板高程2 8 8 8 m ，闸孔尺寸( 宽高) 9 3 x 9 3 m ； 检修闸后接滩地埋管，埋管进口底高程2 8 8 8 m ，出口底高程2 7 3 0 m ，纵坡 1 2 5 0 0 ，埋管为内圆外城门洞型，内径d = 9 3 m ；埋管后接穿黄隧洞，隧洞 进、出口底高程均为2 7 3 0 m ，隧洞断面为圆形，内径d = 9 3 m ：隧洞后接连 接段，连接段进口底高程2 7 3 0 m ，出口与穿引黄渠埋涵衔接底高程为2 9 0 m ： 穿引黄渠埋涵出口底高程2 8 7 9 m ，纵坡1 2 0 0 0 ，为有压箱涵，两孔一联， 共两孔，断面尺寸( 宽高) 5 0 5 0 m ；埋涵之后接出口闸，闸底板高程2 8 7 9 m ， 消力坎顶高程3 0 9 3 m ，为两孔有压涵闸，闸孔尺寸( 宽x 高) 5 0 x 5 0 m ；出 口闸后接北岸输水明渠，渠道底高程3 0 9 3 m ，平坡，明渠为梯形断面，底 宽1 6 m 。 2 3 1 1 南岸输水渠段 从东平湖至黄河子路堤为南岸输水渠段，主要由东平湖出湖闸、南干渠 等建筑物组成，全长约2 5 4 k m 。 东平湖南部为深湖区，接纳大汶河来水，常年有水；北部为浅湖区，湖 底地势较高，一般无水。出湖闸布置在北部浅湖区西侧，为了满足引水流量 要求，出湖闸前需在浅湖区疏浚引水通道与深湖区连接，疏浚长度9 0 0 0 m ， 其中约6 5 6 0 m 利用向黄河退水河槽扩挖而成，至青龙山脚处折向西，并设 一转弯段以使2 4 4 0 m 的疏浚引水通道与玉斑堤垂直，至玉斑堤魏河村北接 出湖闸。 出湖涵闸位于斑鸠店镇魏河村北东平湖西堤( 玉斑堤) 上，玉斑堤堤顶 第二章工程概况 高程4 7 3 0 m ，宽8 6 m 。出湖闸采用无压涵洞型式，全长1 3 5 m 。在湖内一侧 设闸门，以控制输水流量，同时挡东平湖洪水。 南干渠渠线顺直，走向西，在接近子路堤之前转向西北，由于子路堤位 于子路山和九顶琵琶山之间，为使渠线与玉斑堤及子路堤正交并尽量避开斑 鸠店镇开发区，渠线设有两个转弯段，转弯半径分别为1 0 0 0 m 和5 0 0 m ；渠 道沿线地势平坦，地面高程在4 0 3 0 m 左右，南干渠长2 4 0 0 m ，渠道采用梯 形断面。地层为全新统现代冲积湖积层，以砂壤土为主，地下水位3 4 - - 3 6 m 。 南干渠在东平县斑鸠店镇内通过，与现有梁济公路( 2 2 0 国道) 及镇内 道路多次交叉。为不影响当地的交通和生产，同时结合当地城镇发展规划， 需要布置不同荷载标准的公路桥和生产桥。 2 3 1 2 穿黄枢纽段 由黄河子路堤前开始，向北过黄河滩地，经穿黄隧洞过黄河后至黄河北 岸位山西侧止，为穿黄枢纽段，包括埋管进口检修闸、滩地埋管、穿黄隧洞， 全长约4 6 1 k m 。 埋管进口检修闸位于黄河南大堤( 子路堤) 前，主要作为滩地埋管、穿 黄隧洞检修时使用。为了有利于分期实施并与滩地埋管连接，该闸为有压进 口，闸后接有压埋管，全长8 6 5l8 m 。水闸设拦污栅及检修闸门。 滩地埋管线路所经过地段为黄河滩地，基本沿九顶琵琶山西侧，向北穿 过原位山枢纽引河，然后经过柏木山东侧至解山村，全长3 9 4 3 m 。埋管中间 设有一个转弯段与隧洞进口平顺连接，转弯半径5 0 0 m 。埋管采用内圆外门 洞形断面。为满足检修要求，在滩地埋管管线中间地段及竖井进口前设置两 个垂直检修通道。 穿黄隧洞在黄河南岸解山村和北岸位山村之间穿越黄河主槽，主要由南 岸竖井、过河平洞和北岸斜井等部分组成，全长5 8 5 3 8 m 。隧洞轴线与穿黄 勘探试验洞轴线相同，将探洞作为穿黄隧洞的施工上导洞，这样既可以部分 利用探洞施工时形成的阻水帷幕，又可以使隧洞底高程降低，更多地穿过新 鲜岩石，有利于隧洞稳定。隧洞进口设在南岸滩地现状挡水堤埝外约5 0 m 处的滩地上，北岸采用2 0 0 斜井与出口连接段相接。穿黄隧洞平剖面见图2 3 图2 - 4 。 第二章工程概况 、 ! 穿黄隧洞平面布置圈 e 位 _ 。_，ji二二i；，一 t 打。 图2 - 3 穿黄隧洞平面布置图 匿盈匝避 l 霎萎霪 二二二二二篓虽三三三三 图2 _ 4 穿黄隧洞纵剖面图 23 l3 穿引黄渠埋涵段 穿引黄渠埋涵段主要包括出口连接段、穿引黄渠埋涌、出口闸t 受连接明 渠。出口连接段为钢筋混凝土结构，长6 0o m 。 位山引黄渠分为东、西两条干渠主要为当地引黄供水。其中，西渠每 年冬季还担负着向河北省供水的引黄入卫、引黄济淀任务。东渠底宽3 3 m 西渠底宽5 7 m ，渠底高程均为3 72 0 m 。穿黄隧洞出口连接段后以埋涵方式 穿过东、西引黄渠渠底，埋涵长4 2 0 m 埋涵采用方形钢筋混凝土整体箱涵 穿引黄渠埋涵穿过位山东、西引黄渠之后接出日闸，闸段长l o o m ，其 主要作用是通过调节闸门开度，控制输水流量和保证滩地埋管进r l 的淹没深 度。出口闸后通过长度为1 4 0 m 的连接明渠与黄河北岸输水干渠相接，衔接 水位为3 56 1 m 。 第二章工程概况 2 3 2 总体水力学计算 东线第一期穿黄河工程的水面线设计结合第二期一并考虑，尤其是要满 足后期滩地埋管、穿黄隧洞及出口闸的过流能力。因此，本阶段按照在分期 实施设计中，保持输水线路的底高程不变，维持水深不变的原则即南干渠设 计水深为4 5 m ，进行水面线设计。建筑物规模、底高程按1 0 0 m v s 规模确定。 在此基础上按第一期工程输水流量5 0 m 3 s 通过出口闸及出湖闸的控制运用 验算各建筑物的过流能力，并由下游逐段向上进行水面线的衔接计算，下游 起调水位3 5 6 1 m 。同时验算输水流量1 0 0 m 3 s 情况下各建筑物的过流能力和 水面衔接。 由于穿黄河工程主要消耗水头的建筑物为埋管、隧洞及埋涵，水头损失 主要为沿程损失，所以糙率的选取关系到工程以后能否正常运行。我们参考 其他类似工程，计算中糙率系数选用： 混凝土0 0 1 4 、预制混凝土板o 0 1 6 。为了保证工程能够正常运行，施工 中应严格控制施工质量。 ： 由北岸输水明渠进口水位逐段推算上游水位直至出湖闸下，各期各控制 断面设计水位及断面特征见表2 1 。 第二