觀音巖引水工程重大技術(shù)方案優(yōu)化及管道通水技術(shù)研究

羅勁松，何 攀，陳華金

(攀枝花市原水投資管理有限公司，四川 攀枝花，617000)

1 工程概況

隨著金沙江流域觀音巖、金沙、銀江、烏東德等梯級(jí)水電站逐步建成投運(yùn)，將會(huì)導(dǎo)致攀枝花市生活水廠的移動(dòng)式取水設(shè)施無法正常取水，加之現(xiàn)有飲用水水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)建有主要工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)區(qū)與生活區(qū)、取水口與排污口交錯(cuò)分布，存在飲水安全隱患。因此，建設(shè)觀音巖引水工程、解決攀枝花市生活水廠的水源問題十分必要。工程建成后，可解決攀枝花市東城、西城、江南、江北四大片區(qū)的城鄉(xiāng)供水需求，對進(jìn)一步改善水質(zhì)、解決沿線農(nóng)業(yè)灌溉問題、大力促進(jìn)攀枝花市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用和意義。

觀音巖引水工程以攀枝花城區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉。工程等別為Ⅲ等中型工程，總引水規(guī)模為9.4m3/s，設(shè)計(jì)日供水量70萬t，年供水能力達(dá)2.52億m3，設(shè)計(jì)供水人口129萬人，設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)灌溉面積0.4萬hm2。輸水管道起點(diǎn)位于觀音巖水庫大壩右岸，終點(diǎn)是金江水廠，線路總體方向是自西向東，輸水管道干支線總長79km，輸水管線主要分布在金沙、銀江和烏東德三座水電站庫區(qū)，沿金沙江兩岸布置，屬于重力流長距離管道輸水工程。

2 觀音巖引水工程的特點(diǎn)

2.1 地形、地質(zhì)條件復(fù)雜

觀音巖引水工程位于云貴高原北部橫斷山區(qū)川滇山地，地勢西北高、東南低，山脈走向多呈近南北向。輸水管道布設(shè)區(qū)域山高谷深，山勢陡峻，山頂海拔多在1200m～2900m，切割深度達(dá)300m～1000m，屬中山地貌。引水干管沿金沙江兩岸布置，線路區(qū)域溝壑縱橫、河道狹窄、谷坡陡峭，兩岸支流、沖溝較多。

輸水管道布設(shè)沿線地表多有厚度不一的第四系堆積物分布，以人工填土、坡積物、崩坡積物為主，少數(shù)地段為階地堆積物。沿線兩側(cè)多見基巖裸露，出露的地層巖性較多，總體以納拉河為界分為兩段，上游基巖主要為沉積巖，下游主要為巖漿巖。輸水管道布設(shè)區(qū)域存在多處不良地質(zhì)構(gòu)造段，如攀煤矸石電廠南側(cè)危巖體，該處危巖體主要由粉砂及泥質(zhì)碳酸鹽與粘土礦物混合組成，具有松、軟、易溶蝕等物理特性，危巖體兩面臨空，整體穩(wěn)定性極差，為潛在產(chǎn)生崩塌或整體滑動(dòng)區(qū)段。因此，在這些區(qū)域敷設(shè)大口徑輸水管道，其難度極其巨大。

2.2 輸水管道線路長、管徑大、水壓高

觀音巖引水工程是四川省內(nèi)線路最長、管徑較大的長距離管道輸水工程。輸水管道干線長61km，支線長18km，管道敷設(shè)主要以埋地和架空敷設(shè)為主，設(shè)有主線跨江管橋2座、支線跨江管橋3座、隧洞2座。輸水主管道上游段32km采用雙管線布置，管徑為DN1800～DN1600，下游段29km采用單管線布置，管徑為DN2000～DN1400，支管管徑為DN1200～DN400。觀音巖水庫正常蓄水位1134.0m，管道布設(shè)區(qū)域地形高差達(dá)到120m以上，輸水管道主干管最大工作壓力1.02MPa，最大靜水壓力達(dá)到1.4MPa。

由于輸水線路長、沿線地形起伏較大、沿線分水口多，管線閥門的啟閉操作及爆管等工況極易引發(fā)水錘事故，在管材的選擇上，要求管材具有良好的適應(yīng)性和較高的承受內(nèi)外壓力能力。因此，通過多方案比選并結(jié)合攀枝花本地的實(shí)際情況，采用了Q345B直縫埋弧焊接鋼管。

2.3 輸水管道臨近建(構(gòu))筑物多、涉及面廣、影響面大

觀音巖引水工程輸水管道穿越攀枝花市主城區(qū)，布設(shè)區(qū)域涵蓋西區(qū)、東區(qū)、仁和區(qū)，管道沿線村鎮(zhèn)、廠礦、道路、管線密集分布，施工對周邊公路、鐵路、商鋪、廠礦建筑物的影響較大，且建設(shè)通道十分狹窄。因此，在建設(shè)過程中既要考慮對周邊重要建構(gòu)筑物采取可靠的工程防護(hù)措施，保證管道供水安全，又要保證輸水管道與城市規(guī)劃、景觀打造協(xié)調(diào)一致。

輸水管道征用土地45.67hm2，沿公路埋設(shè)段27.4km，線路施工涉及的單位多、農(nóng)戶廣，包括各區(qū)、縣、村鎮(zhèn)及交通、交警、城管、水利、國土、林業(yè)等部門和攀鋼、攀煤、市交投公司、市城投公司等企事業(yè)單位，征用580余戶農(nóng)民的土地，征地協(xié)調(diào)問題錯(cuò)綜復(fù)雜，一旦協(xié)調(diào)處理不好，極易引發(fā)社會(huì)矛盾，造成巨大的社會(huì)影響。

3 工程重大技術(shù)方案及優(yōu)化措施

觀音巖引水工程自2015年8月8日正式開工以來，已完成9座水廠的試通水任務(wù)，其中2017年12月26日實(shí)現(xiàn)全線第一座水廠——格里坪水廠試通水；2018年6月26日實(shí)現(xiàn)河門口水廠試通水；2018年9月主城區(qū)管道貫通，相繼實(shí)現(xiàn)炳草崗水廠、大渡口水廠試通水。同時(shí)，控制性工程觀音巖管橋、大水井隧洞、尖山隧洞、503管橋、陶家渡管橋、荷花池管橋相繼建成投運(yùn)。

觀音巖引水工程的特點(diǎn)決定了工程的復(fù)雜性、艱巨性，工程建設(shè)過程面臨著一系列重大技術(shù)問題。在工程建設(shè)過程中，項(xiàng)目業(yè)主帶領(lǐng)參建各方科學(xué)論證，創(chuàng)新性地采用了多項(xiàng)重大技術(shù)優(yōu)化措施，化解了一個(gè)又一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

3.1 隧洞工程的優(yōu)化和創(chuàng)新

對于長距離輸水管道，管道布置在不良地質(zhì)段時(shí)，其工程防護(hù)措施尤其重要。前已敘及，攀煤矸石電廠南側(cè)危巖體是典型的不良地質(zhì)構(gòu)造段，該區(qū)段原設(shè)計(jì)采用埋地和架空管道方案從危巖體上經(jīng)過，金沙電站建成發(fā)電后危巖體長期浸泡水中極易引起滑坡，管道存在很大的安全隱患。處理危巖體此類不良地質(zhì)構(gòu)造段優(yōu)先采用線路避讓措施，但是這一區(qū)域又是管道敷設(shè)的唯一通廊，即便是增加大量的抗滑樁、錨固等防護(hù)措施，也不能確保危巖體的整體穩(wěn)定，且工程費(fèi)用巨大。

為保證輸水管道投運(yùn)后的安全運(yùn)行，必須突破原方案，尋找更優(yōu)化的技術(shù)措施。2016年12月，由業(yè)主組織設(shè)計(jì)院、施工單位、監(jiān)理單位一起多次現(xiàn)場踏勘，并進(jìn)行多方案論證，最終確定采用隧洞方案穿越危巖體區(qū)域(見圖1)。

圖1 隧洞布置方案

新建大水井隧洞起點(diǎn)位于巴關(guān)河火車站廣場東側(cè)，穿越攀煤矸石電廠危巖體區(qū)域，出口位于河門口水廠。隧洞段全長520m，采用弧形隧洞，隧洞最大埋深為75m，設(shè)計(jì)底板高程從上游至下游由1036m升至1038m，縱坡0.385%，隧洞凈空尺寸依據(jù)管線安裝、布置要求，采用城門洞型斷面，斷面凈尺寸6.6m×4.6m(最寬處×洞凈高)，隧洞內(nèi)布置兩條DN1800的管道(見圖2)。

圖2 大水井隧洞內(nèi)管道結(jié)構(gòu)方案

該不良地質(zhì)段的管道敷設(shè)方案技術(shù)優(yōu)化措施有以下借鑒意義：

(1)創(chuàng)新性地采用了弧形隧洞技術(shù)方案，既有效避開了危巖體區(qū)域帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，消除了管道運(yùn)行的重大安全隱患，又保證了管道布置的平順，大大降低了施工難度，對類似工程有重要的借鑒意義；

(2)隧洞內(nèi)管道結(jié)構(gòu)形式采用C30混凝土全包封結(jié)構(gòu)，確保了隧洞結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，且管道運(yùn)行管理、維護(hù)、檢修都較為方便，因此，在工程另一座隧洞(尖山隧洞)的設(shè)計(jì)中也采用了相同的方案。

3.2 管橋工程的優(yōu)化和創(chuàng)新

觀音巖引水工程設(shè)有5座跨江管橋，主線管橋2座、支線管橋3座，由于橋址處水流湍急，兩岸地勢陡峭，受施工場地限制，橋型設(shè)計(jì)上均采用無支架的橋型方案(見表1)。在建設(shè)過程中，根據(jù)現(xiàn)場不同的地形地質(zhì)條件、施工場地情況和不同的使用功能，對其中部分管橋的結(jié)構(gòu)型式、施工方案進(jìn)行了重大的優(yōu)化調(diào)整。

表1 管橋設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1 陶家渡管橋

陶家渡管橋是整個(gè)工程沿線第一座支線管橋，管橋主拱圈原設(shè)計(jì)為單跨等截面預(yù)制拼裝箱型拱，即采用預(yù)制拱圈拼裝成拱，施工時(shí)需采用250t跨江索纜吊裝。由于吊裝重量大，吊裝系統(tǒng)需占用管橋左岸岸坡110kV國家電網(wǎng)及鐵路倉庫，并跨越右岸麗攀高速公路，拆遷費(fèi)用非常高、安全隱患大、施工難度大，因此，管橋吊裝系統(tǒng)成為了制約管橋施工的關(guān)鍵因素和技術(shù)難點(diǎn)。

結(jié)合管橋施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，并通過各參建單位的技術(shù)論證，最終對陶家渡管橋的施工方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

(1)管橋拱圈的施工方式由預(yù)制吊裝拼裝成拱調(diào)整為鋼拱架作底?，F(xiàn)澆混凝土方式，主拱圈由肋拱調(diào)整為板拱，管橋吊裝系統(tǒng)重量由原250t降低到32t，簡化了吊裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解決了原吊裝系統(tǒng)占地問題，大大降低了施工的安全風(fēng)險(xiǎn)和難度。

(2)在原有橋面主體結(jié)構(gòu)不變的情況下，在管橋兩端設(shè)置了鋼制引橋和人行走梯，橋梁總長度由176m調(diào)整為224.5m，便于運(yùn)行期間的管道維護(hù)和檢修。

3.2.2 密地管橋

密地管橋橋址處水面較寬闊，是本工程中長度最長、跨徑最大的支線管橋。原設(shè)計(jì)采用的是主跨150m勁型骨架鋼筋混凝土拱橋，在施工期兩個(gè)拱座受江水位影響非常大，在金沙江最低水位時(shí)仍需要占用河道圍堰施工，枯水期圍堰高達(dá)7m以上，豐水期圍堰高達(dá)14m，圍堰施工難度較大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、工程費(fèi)用高、工期也難以保證。

基于圍堰施工的難點(diǎn)，經(jīng)業(yè)主組織各參建單位反復(fù)論證，進(jìn)行多方案比較，并借鑒了攀枝花地區(qū)跨江管道多采用柔性懸索橋的經(jīng)驗(yàn)，確定對橋型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，采用主跨205m懸索橋方案。

密地懸索橋全長266m，主跨主梁采用鋼桁架，桁架寬5.75m；索塔采用門式索塔，在橋面以下部分為實(shí)體墩，橋面以上為矩形雙塔柱，基礎(chǔ)采用6根直徑1.8m樁基；錨碇均采用巖錨系統(tǒng)。

密地管橋優(yōu)化調(diào)整為懸索橋橋型，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)懸索橋跨徑較原設(shè)計(jì)拱橋增大55m，橋塔基礎(chǔ)不需要占用河道進(jìn)行圍堰施工，施工期不受江水位變化影響，有效解決了原設(shè)計(jì)拱橋圍堰施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、工程措施費(fèi)用高的問題。

(2)密地管橋是四川省首個(gè)敷設(shè)大口徑輸水管道的懸索橋，橋上敷設(shè)2根DN800輸水管道，由于懸索橋撓度大，為適應(yīng)索橋變形，采用了柔韌性更好、抗沖擊性能更為優(yōu)良的Q345D管材，并在每根管道上設(shè)置2個(gè)球形補(bǔ)償器和3個(gè)波紋管伸縮節(jié)，保證管道中部與兩側(cè)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)變形。

(3)懸索橋結(jié)構(gòu)相對簡單，工程總體造價(jià)比原設(shè)計(jì)勁型骨架鋼筋混凝土拱橋低，但由于懸索橋是柔性橋，鋼桁架、主纜、吊桿等需要長期監(jiān)測、維護(hù)，運(yùn)行維護(hù)成本相對較高。

4 輸水管道初次通水方案的研究和應(yīng)用

長距離輸水管線初次通水是對整個(gè)工程設(shè)計(jì)、施工、管理的全面考驗(yàn)，通水方案對系統(tǒng)初次通水及安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。重力流長距離輸水管線初次通水過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)水力過渡的連續(xù)過程，并且管道中流態(tài)是含有水、氣、渣等多相流，如果通水方案不當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生氣囊，減少過水?dāng)嗝?，甚至?xí)a(chǎn)生較大的斷流彌合水錘，導(dǎo)致爆管。因此，選擇最優(yōu)通水方案、保證引水管道安全運(yùn)行，是觀音巖引水工程由施工轉(zhuǎn)入試運(yùn)行的重大技術(shù)課題。

觀音巖引水工程是典型的重力流長距離輸水工程，具有管道長、管徑大、沿地形起伏不平的特點(diǎn)，管道內(nèi)極易積氣。結(jié)合工程特點(diǎn)，通過多種通水方案的論證、比較，確定主管道初次通水采用分段通水靜態(tài)升壓方案。該方案的原理為利用檢修閥將管道分段，先將上游管線完成灌水過程和充水升壓過程，再進(jìn)行下游管線的灌水過程和充水升壓過程。

以引水工程上游格里坪水廠初次通水為例，該段管道總長16.65km，前段1.58km管徑為DN 1700，后段15.07km管徑為DN1800，沿線設(shè)置了2個(gè)調(diào)流閥、4個(gè)干管閥、33個(gè)排氣閥、5個(gè)補(bǔ)氣閥、27個(gè)排泥閥(見圖3)。

圖3 格里坪水廠段管道布置示意

(1)初次通水過程分三段進(jìn)行，第1段為觀音巖大壩T1調(diào)流閥至G2干管閥，主管道全長6.05km；第2段為G2干管閥至G4干管閥，主管道全長約10.6km；第3段為格里坪支管閥至水廠，支管全長2.3km。

(2)通水前關(guān)閉G2干管閥，開啟G1干管閥、T2調(diào)流閥和沿途排氣閥，緩慢開啟T1調(diào)流閥向主管道內(nèi)灌水，觀察流量計(jì)的讀數(shù)(流量數(shù)據(jù)為T1之前臨時(shí)安裝的便攜式流量計(jì)讀數(shù))，緩慢增大T1調(diào)流閥的流量達(dá)到0.2m3/s～0.3m3/s，最大流量不超過0.5m3/s，并保持恒定流量向管道內(nèi)灌水。依次開啟排泥閥對主管道進(jìn)行沖洗，當(dāng)排水由渾濁逐漸變清，即可關(guān)閉排泥閥。

(3)當(dāng)排氣閥不再大量排氣、T1調(diào)流閥處流量下降為零、G2干管閥處壓力不再上升(維持在0.9MPa左右不變)，則第一段主管道通水升壓結(jié)束，全程通水時(shí)間約為10h。

(4)第1段管道通水升壓結(jié)束后，穩(wěn)壓24h，檢查管道、設(shè)備無問題后再進(jìn)行第2段的通水升壓操作。第2段管道和第3段管道均重復(fù)該過程，直至三段管線全部完成通水升壓即可投入運(yùn)行。

長距離輸水管道的初次通水，重點(diǎn)要做好以下幾項(xiàng)技術(shù)工作：一是制定嚴(yán)密的通水操作方案和應(yīng)急預(yù)案，并嚴(yán)格執(zhí)行；二是確定合理的灌水流量，管道流速一般控制在0.1m/s～0.12m/s；三是要做好管道的排氣，嚴(yán)密觀察排氣閥的排氣情況，保證管道氣凈水滿；四是管道沖洗排水時(shí)要嚴(yán)格控制排水量，防止排水對周邊邊坡、建筑物造成影響。

按照上述的通水方案和技術(shù)措施，河門口、陶家渡、小寶鼎、荷花池、炳草崗、大渡口等6個(gè)水廠也順利完成初次通水進(jìn)入試運(yùn)行階段，引水管道及設(shè)備運(yùn)行兩年多以來未發(fā)生任何事故。

5 結(jié)論

工程建設(shè)過程中，結(jié)合觀音巖引水工程的特點(diǎn)對隧洞、管橋和輸水管道等重點(diǎn)控制性工程的技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新是必要的、合理的，對其他類似工程具有借鑒意義。輸水管道采用分段通水靜態(tài)升壓的初次通水方案，保證了各水廠順利完成初次通水進(jìn)入試運(yùn)行階段，為觀音巖引水工程的全面投運(yùn)打下了良好基礎(chǔ)。