武汉黄陂区院基寺水库取水口工程安全论证

曲晓阳，王均星，肖宜，张勇超，郭星锐

（武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072）

摘要：武汉北部黄陂区前川城区由于经济发展需要，调整现有的供水格局，实施黄陂区引院入川（水源）工程。院基寺水库取水口工程是关键工程，由于在已建水库进行顶管施工且管道距离溢洪道位置较近，需进行工程安全论证分析，研究选取施工期、运行期和不利工况三个方向，运用Flow 3D、Geo studio等软件结合工程资料展开论证，最终论证工程安全可靠可正常建设和投入使用。

关键词：黄陂区引院入川（水源）院基寺水库取水口工程；工程安全论证；Geo studio；顶管施工；

1. 引言

水利工程中灌排工程建筑物设计选择日趋成熟，水源地取水有渡槽、倒虹吸、涵洞等多种选择，在各个取水工程中应用广泛。国外内关于水利取水设计的研究也取得一定进展，孙高升、孙煜研究了沉井式泵站在水库取水工程中的应用，王建西对曹妃甸工业区供水工程陡河水库取水泵站设计的多种方案进行探讨。但是，实际工程建设可能面临各种复杂的地形地质条件，需要我们对工程建设可行性进行分析，论证工程建设后产生的影响是否危及原建筑的正常使用和周边环境，因此需要一个合理可行的安全论证思路。本文以黄陂区前川水厂引院入川工程中院基寺水库取水口工程安全论证为例，该工程有地理位置和施工工艺特殊性，主要是在已建水库库岸顶管施工和取水管道距离溢洪道较近，文中基于其特殊性就工程施工期、工程运行期、工程不利工况分别展开论证。

2. 工程概况

2.1工程概况

武汉北部黄陂区前川城区由于经济发展需要，为提高供水安全性，调整现有的供水格局，实施黄陂区引院入川（水源）工程，将院基寺水库的优质水源输送至前川水厂。

院基寺水库位于武汉市黄陂区长轩岭街院子村，是一座以灌溉为主，兼有防洪、供水的中型水库，是梅院泥灌区的重要组成部分，该库1958年10月开工，1960年3月基本建成。水库属于多年调节水库，多年平均年径流量0.336亿m³。水库总库容1.048亿m³，其中调洪库容0.3002亿m³，兴利库容0.4978亿m³，死库容0.2500亿m³。校核洪水位60.20m，设计洪水位58.52m，正常蓄水位55.76m，汛限水位55.76m，死水位47.26m。

引院入川（水源）工程输水管线拟沿院基寺水库现状溢洪道~现状黄土公路敷设，总长度约27.4公里，取水工程及输水主干管按20万立方米/天的规模设计。其中取水口拟建在院基寺水库副坝西侧的1号溢洪道东侧凹湾处，位于1号溢洪道与2号溢洪道之间，距1号溢洪道约50米。

2.2取水口布置

本工程取水口拟建在院基寺水库副坝西侧的1号溢洪道东侧凹湾处，位于1号溢洪道与2号溢洪道之间，工程具体布置如图1所示。源水通过取水头取水后由DN1400mm管道引出，通过转输管道及加压泵站将源水输送至前川水厂高位水池。取水口东侧为水库堤防副坝，有现状进出道路，且取水口在凹湾内，两侧为山体，场地较为开阔。

图1  取水口位置示意图

2.3工程地质条件

取水口顶管施工区域，岩层分布较为有序，由上往下为5残坡积土、1-2素填土、4-2黏土、6-1强风化片麻岩、6-2中风化片麻岩、6-3弱风化片麻岩，岩体以中风化和弱风化片麻岩为主。

图2  取水管道施工区域地质剖面图

2.4工程施工方案

施工采用水中围堰加顶管掘进的施工方式。在水库中修筑土石围堰，使得取水口头部施工为干地施工。其中取水口前段管道采用按常规方法进行管道施工，穿越山体段采用顶管方式施工，与顶管段管道连接采用工作井连接。

3. 安全论证

3.1论证方案研究

院基寺水库取水口工程具有其独特性：一方面，涉及已建成水库取水工程建设，需在水库边坡进行顶管施工工作，工作面低于正常库水位；另一方面，取水管道建设距溢洪道较近，需考虑取水口施工和正常运行时是否会影响溢洪道泄流能力和安全。因此，有必要对工程的施工和运行进行安全论证，评估工程可行性和建成前后对溢洪道的影响。

技术路线：对该工程独特性第一方面，主要进行施工期顶管方案的安全论证，着重考虑施工期的防渗问题；对该工程第二方面，取水口建设与原有溢洪道关系紧密，因此在满足取水建筑自身安全稳定的前提下，也需保证原有溢洪道能够安全运行，所以既要考虑施工期的渗流稳定，也应该考虑运行期取水口工作时对溢洪道泄流能力的影响及出现的极端工况导致的取水管道破裂出现大体积漏水，进而影响到溢洪道边坡结构和渗流稳定的情况。

3.2安全论证内容

3.2.1施工期安全论证

施工期的安全论证基于该工程独特性第一方面，在已建水库修建取水工程。工程采用黏土抛填围堰，用于施工期临时挡水，保证整个取水口头部施工属于干地施工。取水管道施工于背水坡开凿沉井，采用泥水平衡顶管系统进行顶进施工。因为管道铺设面位于正常库水位之下，顶管施工过程中，管道和围岩之间的接触面会产生较大的空隙，需采取适当的防渗措施。施工期安全论证过程如下：

（1）顶进过程防渗措施：工程采用泥水平衡施工，泥浆不仅起不仅起护壁润滑作用，还会渗入管道周边围岩中填补渗漏通道，满足防渗需要。

（2）顶进结束防渗措施：工程顶进结束，注水泥浆置换触变泥浆，以防止接头漏水及渗水，并填充管道外壁空隙。注浆材料采用水灰比为0.45的水泥浆；注浆压力为P=0.3~0.5Mpa，最大压力不超过1Mpa；注浆量Q=0.4m³/m。顶管外壁空隙部分全部注浆置换为水泥浆，进一步满足防渗需求。

（3）防渗结果检验：围堰拆除前先做好穿坝体顶管部分的混凝土包封及注浆工作，试水7天管道无渗漏后方进行拆除围堰，检验防渗效果。

3.2.2运行期安全论证

运行期安全论证基于该取水工程独特性第二方面，取水口工作时，对溢洪道正常泄流能力的影响。将取水口工程区域模型在Civil 3D中建立，应用Flow 3D软件对选取的工况下溢洪道泄流情况进行模拟，对比取水口建设前后流速流量的变化，评估取水口建成后对溢洪道泄流能力的影响。

数值模拟过程选取了两个工况，设计洪水位工况（z=58.52m）和校核洪水位工况（z=60.20m），分别进行模拟。

（1）设计洪水位工况（z=58.52m）

①流速分布：

图3  设计洪水工况取水口前后流速图（左前右后）

图4  设计洪水工况取水口前后流场图（左前右后）

取水口建设前表面流场分布，整体水流沿两侧溢洪道自上游向下游下泄，1号溢洪道进口前由于地形内凹存在水流回旋，自上游50m处流线逐渐由弯变直，进口处无横向流速，进口流速在2.0m/s左右，下泄流速范围为4.8m/s—19.5m/s；2号溢洪道进口前水域面积宽广，地形垭口与溢洪道进口处连接形成大的回旋水流，进口处流线由弯变直，流速为2.5m/s左右，下泄流速范围为6.5m/s—19.2m/s。

取水口建设后表面流场分布，1号溢洪道进口流速在1.8m/s左右，下泄流速范围为5.0m/s—20.2m/s；2号溢洪道进口流速为2.4m/s左右，下泄流速范围为6.8m/s—19.2m/s。受Flow-3D软件限制，无法对单一管道控制流速，这里采用自由出流的方式，无泵情况下管内流速为7.2m/s左右。

工程建设前后流场基本一致，两溢洪道进口前流线走势及方向无明显变化，流速分布基本相同。

②流量情况：

取设计洪水位取水口建设前后流量平稳的30s分析，由图5图6可见流量趋势相似，工程建设前1号溢洪道计算流量平均值为：245.56 m³/s，2号溢洪道计算流量平均值为：227.67 m³/s；工程建设后1号溢洪道计算流量平均值为：245.58 m³/s，2号溢洪道计算流量平均值为：227.86 m³/s。工程建设前后流量差小于0.1%，在允许的范围内。取水管的建成对设计工况下溢洪道流量影响极小，可不考虑。

图5  设计洪水工况建管前后1号溢洪道流量对比折线图

图6  设计洪水工况建管前后2号溢洪道流量对比折线图

（2）校核洪水位工况（z=60.20m）

①流速分布：

图7  校核洪水工况取水口前后流速图（左前右后）

图8  校核洪水工况取水口前后流场图（左前右后）

取水口建设前表面流场分布，1号溢洪道进口前自上游60m处流线逐渐由弯变直，进口流速在2.6m/s左右，下泄流速范围为5.5m/s～21.5m/s；2号溢洪道进口前上游绕过山顶的水流与垭口处回流形成碰撞消能，流速减小，流速为2.7m/s左右，下泄流速范围为7.7m/s～20.4m/s。

取水口建设后表面流场分布，1号溢洪道进口流速在2.4m/s左右，下泄流速范围为6.5m/s～21.3m/s；2号溢洪道进口前上游绕过山顶的水流与垭口处回流形成碰撞更为剧烈，进口流速为2.8m/s左右，下泄流速范围为7.9m/s～20.5m/s。受Flow-3D软件限制，无法对单一管道控制流速，这里采用自由出流的方式，无泵情况下管内流速为7.0m/s左右。

建管前后流场基本一致，两溢洪道进口前流线走势及方向无显著变化，流速分布基本相同。

②流量情况：

取校核洪水位取水口建设前后流量平稳的20s分析，由图9图10可见流量趋势大致相似，工程建设前1号溢洪道计算流量平均值为：516.89 m³/s，2号溢洪道计算流量平均值为：490.22 m³/s；工程建设后1号溢洪道计算流量平均值为：511.61 m³/s，2号溢洪道计算流量平均值为：486.44 m³/s。工程建设前后流量差为1%，在允许的范围内，则取水管的建成对校核工况下1.2号溢洪道流量影响较小，可不考虑。

图9  校核洪水工况建管前后1号溢洪道流量对比折线图

图10  校核洪水工况建管前后2号溢洪道流量对比折线图

3.2.3不利工况安全论证

不利工况安全论证基于该工程独特性第二方面，运行期取水口工作时出现的极端工况导致的取水管道破裂出现大体积漏水，进而影响到溢洪道边坡结构和渗流稳定。

新建输水管道之后，溢洪道附近山体的渗流场发生变化，山体中渗流出露、过大的水力坡降等会对附近的溢洪道乃至整体结构的安全稳定产生重大的影响。因此需计算完建后的渗流情况，通过渗流计算，可以确定渗流场中水头分布特性及关键部位的渗透水压力及通过山体的渗透流量，结合工程所在地的实际地质因素和水力条件，计算山体实际承受的水力坡降，与允许水力坡降进行比较来评价结构的渗透稳定。

采用Geo studio软件对管道连接处漏水情况进行研究，进行山体边坡渗流稳定计算，根据取水口附近具体地形地质条件，选取了B1- B1'、B2- B2'、B3- B3'三个不利断面（本文着重考虑前两个断面）进行研究，具体位置如图11所示。此外本工程位于水库附近，降雨、排水等特殊情况可能造成地下水位的升降变化，所以对每个断面选择三种不同的下游水位（为表述方便，认为漏水处管道高程为断面上游水位，溢洪道地下水位为下游水位）进行计算，对地下水位做出敏感性分析，从而对可能发生的几种情况作出全面的评价。

图11  取水管道附近不利断面

B1- B1'、B2- B2'不利断面，每个断面上游侧水位取该桩号处输水管道高程，下游侧水位取溢洪道地下3m、5m、7m三种情况。

B1- B1'断面对应桩号为KA0+152，此桩号处管道底部高程为45.15m，此外根据地勘资料，溢洪道侧高程为47.6m。因此第一类边界条件设为：渗入边界水位为45.15m，渗出边界水位分别为44.6m、42.6m、40.6m三种情况。

B2- B2'断面对应桩号为KA0+189，此桩号处管道底部高程为44.747m，根据地勘资料，溢洪道底部高程为48.25m。因此第一类边界条件设为：渗入边界水位为44.747m，渗出边界水位分别为45.25m（高于渗入边界水位，可省略其计算）、43.25m、41.25m。

渗流计算工况如下表2。

表1  计算工况汇总

考虑到最不利情况，将山体简化为均质材料进行计算。各岩层的渗透系数及重度、凝聚力、内摩擦角等材料参数根据场地岩土原位测试等试验结果综合建议值选取。各层土体的允许水力坡降取值如下表3，而片麻岩允许水力坡降一般较大。

表2  土层允许水力坡降

（1）B1- B1'断面

B1- B1'断面整体模型如图12所示。二维模型管道处钻孔编号为ZK5，溢洪道侧钻孔编号为BZK3。模型以从管道侧指向溢洪道侧为X轴正方向，以距ZK5号孔水平距离为X坐标，单位：m，以竖直向上方向为Y轴正方向，以高程作为Y坐标，单位：m。二维模型水平长103.2m，其中孔号ZK5至BZK3之间为主要研究区域，其水平距离为73.2m，从两点分别向外扩展15m进行建模，地质分层随地层走势相应延伸。二维模型左侧高31m，右侧高17.6m，即模型取高程为30m以上区域，涵盖该断面所有地质信息。山体自上而下共有4-2黏土、5残坡积土、6-1强风化片麻岩P、6-2中风化片麻岩P、6-3微风化片麻岩P共5层。

图12  B1- B1'断面整体模型

渗流基本微分方程的边界条件有三类：已知水头边界条件、已知流量边界条件、混合边界条件。本工程中已知资料符合其中的第一类边界条件：已知水头边界条件，即。

B1- B1'断面渗流计算边界条件可以表述为：

工况1：地下水位为地面以下3m深。即渗入边界水位H1=45.15m，渗出边界水位H2=44.6m。

工况2：地下水位为地面以下5m深。即渗入边界水位H1=45.15m，渗出边界水位H2=42.6m。

工况3：地下水位为地面以下7m深。即渗入边界水位H1=45.15m，渗出边界水位H2=40.6m。

模型建立完毕即可进行单元网格划分，设置单元网格间距为1m，施加渗流计算边界条件。经过计算得到三种工况下模型渗流情况如下图13所示。图中箭头方向代表渗流方向，箭头大小代表流速大小。不同颜色区域的分界线为等势线。

工况1

工况2

工况3

图13  B1- B1'断面模型渗流整体分布图

（2）B2- B2'断面

B2- B2'断面整体模型如图14所示。二维模型管道处钻孔编号为ZK6，溢洪道侧钻孔编号为BZK6。模型以从管道侧指向溢洪道侧为X轴正方向，以距ZK6号孔水平距离为X坐标，单位：m，以竖直向上方向为Y轴正方向，以高程作为Y坐标，单位：m。二维模型水平长87.9m，其中孔号ZK6至BZK6之间为主要研究区域，其水平距离为57.9m，，从两点分别向外扩展15m进行建模，地质分层随地层走势相应延伸。二维模型左侧高29.65m，右侧高18.25m，即模型取高程为30m以上区域，涵盖该断面所有地质信息。山体自上而下共有4-2黏土、5残坡积土、6-1强风化片麻岩P、6-2中风化片麻岩P、6-3微风化片麻岩P共5层。

图14  B2- B2'断面整体模型

B2- B2'断面渗流计算边界条件可以表述为：

工况4：地下水位为地面以下5m深。即渗入边界水位H1=44.747m，渗出边界水位H2=43.25m。

工况5：地下水位为地面以下7m深。即渗入边界水位H1=44.747m，渗出边界水位H2=41.25m。

经过计算得到模型渗流情况如下图15所示。

工况4

工况5

图15  B2- B2'断面模型渗流整体分布图

分析各工况下的渗流，在渗入点及渗出点水力坡降值达到极大值。将两个断面水力坡降计算结果汇总如下表3所示：

表3  各工况水力坡降汇总表

分析各工况渗流整体分布图，在研究区域内绝大部分水力坡降很小，只在渗入和渗出边界处达到最大值，如表3所示。断面最大水力坡降值所在区域除工况1为强风化片麻岩层外，其余均在中风化片麻岩层。岩体允许水力坡降一般较大，参考砾石允许水力坡降一般为0.6~1.0，片麻岩允许水力坡降远大于砾石，因此可以认为本工程片麻岩层中水力坡降小于允许水力坡降不会发生渗透破坏。此外，一般情况下，渗流破坏基本发生在表层岩体部位，本工程中，计算得到表层岩体最大水力坡降分别为0.0733、0.0512，而残坡积土和粘土允许水力坡降为0.45和0.5，表层土体水力坡降小于土体允许水力坡降，不利断面内不会发生渗透破坏。因此，即使运行过程中管道连接处发生漏水现象，山体中不会发生渗流出露，并且水力坡降较小，不会对附近的溢洪道及整体结构的安全稳定产生重大的影响。

4. 结论

通篇的论证主要围绕着该取水口工程的特殊性展开，即涉及已建成水库取水工程建设，需在水库边坡进行顶管施工工作，工作面低于正常库水位；取水管道铺设距溢洪道较近，需考虑工程施工和正常运行时对溢洪道是否会产生泄流能力和安全的影响。从三个方面展开论证：

（1）施工期安全论证：由于取水管贯穿水库边坡，顶管施工管道和围岩之间会有裂隙生成，易形成渗漏通道影响水库安全，针对这一点，结合施工方案做了详细论证：①顶管顶进过程，采用泥水平衡，泥浆可以起到一定的填补裂隙的作用。②顶进结束采用水泥浆置换，进一步填补裂隙。③围堰拆除前先进试水，发现管道无渗水不形成渗漏通道后再进行围堰拆除工作，进一步保证防渗。

（2）运行期安全论证：考虑到取水口据溢洪道较近，需分析取水时对溢洪道的影响。利用Flow 3D软件展开论证分析：建管前后对溢洪道进口流速和下泄流速范围波动影响有限，各种由地形及水力因素形成的回旋水流没有显著作用。无泵控制下的管内流速远大于设计流速1.501m/s，因此取水管的建成对本工程1号溢洪道和2号溢洪道的流速影响可以忽略不计；建管前后两个溢洪道泄流能力经过对比，设计工况和校核工况建管前后流量差均小于0.1%，流量曲线走势也最为相近，取水管的建成对本工程溢洪道（一）和（二）的泄流能力影响基本可以忽略不计。

（3）不利工况安全论证：考虑到运行期取水口工作时出现的极端工况导致的取水管道破裂出现大体积漏水，进而影响到溢洪道边坡结构和渗流稳定的安全事故，用Geo studio软件进行不利工况的安全论证：不利断面B1- B1'、B2- B2'、B3- B3'断面最大水力坡降分别为0.2093、0.3147，最大值发生在中风化片麻岩层和微风化片麻岩层，水力坡降相对较小，不会对附近的溢洪道及整体结构的安全稳定产生重大的影响，工程的建设所造成的渗流场和地质结构的改变不会引起边坡发生滑动破坏。

参考文献：

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[2] 王梅霞，郝菊红.热力管道穿越渭河提防工程方案论证[B].陕西水利，2014，4：75-76.

[3] 孙高升，孙煜.沉井式泵站在水库取水工程中的应用[C].中国给水排水，2013，29（18）：89-92.

[4] 陈位洪，赵世海等.西江引水工程穿越北江大堤管道工程对大堤的影响分析[C].特种结构，2009，26（5）：95-99.

作者简介：

曲晓阳，山东诸城人，本硕连读于武汉大学水利水电学院，现为研二，导师为肖宜老师。

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