观音阁水库输水工程北台溢流洞改造方案设计

孙 剑

(辽宁西北供水有限责任公司，沈阳 110003)

1 工程概述

辽宁省观音阁水库输水工程位于太子河干流上，是将已建的观音阁水库水经过输水隧洞及管线自流输入到本溪市的大(2)型Ⅱ等工程，工程的主要任务是保障本溪市生活饮用水安全，解决本钢、北营钢厂等大型企业存在的水量与水质安全问题，并为本溪市、本溪县和本溪新城经济社会发展提供安全可靠的水源[1]。

北台分洞桩号24+849.200-33+216.628，全长8367.428m。起点位于大峪分水口下游的迷宫偃后，出口位于本溪市桥头镇桥北净水厂北侧。北台支线隧洞受下游供水要求末端水位不低于180.0m，在隧洞出口前桩号33+063.628-33+216.628处设Φ2.6m斜井，斜井下游为Φ2.6m圆形压力隧洞与北台管线相连，斜井上游保证隧洞无压过流，在桩号33+043.628处设事故溢流隧洞。溢流洞与北台分洞交点桩号33+043.628，溢流洞断面为城门型2.4×2.8m，底坡3.9%，溢流洞出口位于洞线右侧的山沟内，溢流洞长48.728m，在溢流洞与北台分洞侧墙交叉处设一薄壁堰溢流，堰顶高程高出北台分洞洞内正常水深(0.82m)≥0.15m以确保北台分洞正常输水，薄壁堰高取1.15m。薄壁堰下游的溢流洞底高程较北台分洞洞底高程低0.5m。溢流洞后接2.4×2.8m的钢筋混凝土箱涵，箱涵后接DN1400玻璃钢管道将溢流水引到北台配水站厂区院内，玻璃钢管连接镇墩内设置孔口消能板，消能后经DN2000管道送至河道。

2 北台溢流洞改造的必要性和可行性

2.1 必要性

辽宁省观音阁水库输水工程设计水平年为2030年，其中各用户最高日总需水量为123万t/d，考虑1.5%的输水损失，总输水流量为125万m3/d。

工程的主要供水对象为本溪钢铁(集团)有限责任公司、本溪北营钢铁(集团)股份有限公司及本溪市市政自来水公司、本溪新城等。各用户需水量见表1，设计管道考虑输水损失为1.5%。

表1 2030年各个用水户水量分配表

工程试通水阶段，运行管理单位对主要用水大户本钢和北钢的用水规律进行长期的跟踪和统计，两用户厂内调节水池容积很小，仅相当于泵站的吸水前池，不具备水量调节功能，工厂生产用水取自自建的河道拦蓄和提水设施，生产过程的用水峰谷差由自建提水设施调节。两用水户根据厂区规划和生产供水系统复杂程度，决定不对厂内调节池进行改造扩建，向供水管理单位提出用水量时调节要求。

考虑本工程的主干线路为无压重力流输水隧洞，两用水大户的支线供水，本钢线路为有压重力流管道，北台为无压隧洞和有压管道组合输水，为保证北钢用水安全，北台分支管线只能按照北钢峰值用水量供水，北钢用水低谷时，由于远距离输水无法做到时调节，多余水量只能通过北台溢流洞排向细河，造成资源和成本的极大浪费。

通过统计，近期本钢及北钢用水量均远小于输水工程设计用水量，且按规范规定安全系数计算得出调节容积较大。考虑近期各用户用水量均为达产，输水流量小，干线主洞和北台支线分洞的断面净空较大，因此，通过对北台溢流洞进行改造，抬高溢流水位，利用洞室富裕净空蓄水是具备条件和有必要的。

2.2 改造的可行性

北台分洞桩号24+849.200-33+216.628，全长8367.428m。其中，北台分洞桩号27+947.700m-32+987.700m采用Φ2420×16mm螺旋缝钢管衬砌，桩号33+063.628-33+173.628处为溢流洞交叉段及Φ2.6m圆形压力隧洞，之间仅余75.9m的全断面钢筋混凝土衬砌。桩号27+947.700处底板高程为193.76m，桩号33+043.628处底板高程为188.156m，高差仅5.61m，通过结构受力计算分析，无压隧洞的全断面钢筋混凝土衬砌承担低内压运行是可行的。

2.3 洞内储水分析

北台分洞主要用水户为本溪市自来水公司桥北水厂和本钢集团北营钢厂，二者均无大容量蓄水池，且北营钢厂用水量波动较大，为尽可能减小弃水量，考虑利用北台分洞钢衬段净空空间作为临时储水空间，缓解短时间内用水量波动造成的弃水问题。

为保证隧洞结构安全，仅考虑将北台分洞钢衬起点以下部分作为储水空间，钢衬起点上游部分最大水深按衬砌结构直墙高度控制，即2.0m。此时，对于北台分洞城门型断面净空高度0.8m，净空比为24%，满足规范要求。

钢衬起点桩号27+947.7下游至桩号33+063.628按圆形断面计算，有压满管储水状态，储水量见表2。

表2 北台分洞溢流断面以上圆形隧洞水量计算

钢衬起点桩号27+947.7上游侧雍水高度按静水位计算，储水时水深2.0m，近期北台用水量为0.43万m3/h，正常输水时洞内水深为0.45m，改造后钢衬段有压输水，无压段回水至桩号26+538.629，该段储水量见表3。

表3 北台分洞城门型断面水量计算

北台分洞储水量为上述两部分之和，即总储水量为2.73万m3。近期用水量为0.43万m3/h，明流输水时洞内水深为0.45m，钢衬下游所占容积为3003m3，故可调节容积为2.43万m3。

将北台分洞作为调节储水空间，现状用水条件下可调节容积为2.43万m3。在溢流洞末端设置溢流井，超出溢流堰顶后自动溢流。现状用水条件下，发生溢流时堰上水头0.26m，钢衬上游洞段依然为明流输水。故通过改造北台溢流洞将北台分洞钢衬起点下游部分净空空间作为调节容积，在现状用水量条件下是可行的。

3 北台溢流洞改造设计

3.1 方案布置

北台溢流洞断面为城门型2.4×2.8m，底坡3.9%，与北台分洞交点高程为188.156m，出口高程为186.05m。溢流洞出口位于洞线右侧的山沟内，溢流洞长48.728m，在溢流洞与北台分洞侧墙交叉处设一薄壁堰溢流，薄壁堰高1.15m。

溢流洞改造设计主要建筑物为溢流井，布置在溢流洞出口处，溢流井净尺寸为3.0×2.4m，壁厚400mm，高12.35m，顶板厚200mm，为现浇钢筋混凝土结构，外设保温。溢流井顶板设Ф800进人孔及DN300罩型通气孔，外壁设置检修钢梯至屋顶。

溢流井内设薄壁堰，堰顶高程195.80m，厚300mm，堰宽2.4m。为保证设计工况下，北台分洞能够明流供水，溢流堰底部预留泄水孔口，孔口尺寸2.0×1.2m(宽×高)，孔底高程186.32m。孔口用闸门封堵，本钢分支管线事故溢流流量超过10万t/天时，打开封堵闸门，溢流井停止使用，北台分洞恢复明流状态。

溢流洞改造后，北台分洞钢衬起点下游部分改为有压输水，考虑溢流洞与北台分洞交叉口跨度7.9m，原设计按无压洞考虑，未计算内水压力。变为有压洞后，为防止交叉段隧洞结构破坏，在原溢流堰下游侧设置封堵墙，墙厚500mm。封堵墙中间预留4000mm宽过水通道，周边与原隧洞接触处凿毛并涂抹界面剂后植筋连接[2]。

图1 溢流井典型断面图

3.2 结构设计

3.2.1 溢流井

溢流井采用现浇钢筋混凝土结构，井室顶板采用现浇板，板顶设检修孔及通气孔。溢流井设外保温，地面至井顶设检修钢梯。

3.2.2 封堵墙

封堵墙采用现浇钢筋混凝土结构，在原溢流堰下游侧设置，墙厚500mm。封堵墙中间预留4000mm宽过水通道，周边与原隧洞接触处凿毛并涂抹界面剂后植筋连接。

4 电气及金属结构

4.1 电气

1)视频监控

在溢流井及溢洪洞内设置摄像机，用于监控水位。摄像头均采用水下高清网络摄像机，供电方式采用太阳能电池板，视频信号采用4G网卡上传至北台配水站控制室。

4.2 金属结构

溢流井屋顶设监控设备，监控设备配置检修平台。检修平台距屋顶1.4m，由型钢、钢条与栏杆构成。型钢两端固定在竖井侧壁，型钢顶部焊接钢筋组成检修平台，为保障人员安全，平台边缘设栏杆。施工、运行期间，栏杆间可根据操作需求增加麻绳或其他绳索提高操作人员安全保障。

溢流井内设薄壁堰，堰底部开孔，孔口尺寸2.0×1.2m(宽×高)，孔底高程186.32m。堰底孔口设置封堵闸门，本钢分支管线事故溢流流量超过10万t/天时，打开封堵闸门，溢流井停止使用，北台分洞恢复明流状态。

封堵闸门由埋件及闸门组成，埋件由型钢焊接构成方框，方框中间纵向焊接两根型钢，形成三个小孔，每个小孔孔口尺寸0.6×1.2m(宽×高)。闸门由面板和角钢焊接构成，闸门顶部设置吊耳便于运输、安装，闸门面板焊接螺母。埋件与闸门通过螺栓连接，固定在埋件上。在3个小孔上方设置挂钩，安装时可将闸门临时固定在挂钩上进行安装调试。闸门、埋件及检修平台防腐通过除锈、刷漆实现，底漆、面漆采用环氧富锌漆[3]。