观音岩引水工程重大技术方案优化及管道通水技术研究

时间：2024-07-28

罗劲松，何攀，陈华金

(攀枝花市原水投资管理有限公司，四川攀枝花，617000)

1 工程概况

随着金沙江流域观音岩、金沙、银江、乌东德等梯级水电站逐步建成投运，将会导致攀枝花市生活水厂的移动式取水设施无法正常取水，加之现有饮用水水源地保护区内建有主要工业基础设施，工业区与生活区、取水口与排污口交错分布，存在饮水安全隐患。因此，建设观音岩引水工程、解决攀枝花市生活水厂的水源问题十分必要。工程建成后，可解决攀枝花市东城、西城、江南、江北四大片区的城乡供水需求，对进一步改善水质、解决沿线农业灌溉问题、大力促进攀枝花市经济社会可持续发展具有重要作用和意义。

观音岩引水工程以攀枝花城区及乡镇供水为主，兼顾农业灌溉。工程等别为Ⅲ等中型工程，总引水规模为9.4m3/s，设计日供水量70万t，年供水能力达2.52亿m3，设计供水人口129万人，设计农业灌溉面积0.4万hm2。输水管道起点位于观音岩水库大坝右岸，终点是金江水厂，线路总体方向是自西向东，输水管道干支线总长79km，输水管线主要分布在金沙、银江和乌东德三座水电站库区，沿金沙江两岸布置，属于重力流长距离管道输水工程。

2 观音岩引水工程的特点

2.1 地形、地质条件复杂

观音岩引水工程位于云贵高原北部横断山区川滇山地，地势西北高、东南低，山脉走向多呈近南北向。输水管道布设区域山高谷深，山势陡峻，山顶海拔多在1200m～2900m，切割深度达300m～1000m，属中山地貌。引水干管沿金沙江两岸布置，线路区域沟壑纵横、河道狭窄、谷坡陡峭，两岸支流、冲沟较多。

输水管道布设沿线地表多有厚度不一的第四系堆积物分布，以人工填土、坡积物、崩坡积物为主，少数地段为阶地堆积物。沿线两侧多见基岩裸露，出露的地层岩性较多，总体以纳拉河为界分为两段，上游基岩主要为沉积岩，下游主要为岩浆岩。输水管道布设区域存在多处不良地质构造段，如攀煤矸石电厂南侧危岩体，该处危岩体主要由粉砂及泥质碳酸盐与粘土矿物混合组成，具有松、软、易溶蚀等物理特性，危岩体两面临空，整体稳定性极差，为潜在产生崩塌或整体滑动区段。因此，在这些区域敷设大口径输水管道，其难度极其巨大。

2.2 输水管道线路长、管径大、水压高

观音岩引水工程是四川省内线路最长、管径较大的长距离管道输水工程。输水管道干线长61km，支线长18km，管道敷设主要以埋地和架空敷设为主，设有主线跨江管桥2座、支线跨江管桥3座、隧洞2座。输水主管道上游段32km采用双管线布置，管径为DN1800～DN1600，下游段29km采用单管线布置，管径为DN2000～DN1400，支管管径为DN1200～DN400。观音岩水库正常蓄水位1134.0m，管道布设区域地形高差达到120m以上，输水管道主干管最大工作压力1.02MPa，最大静水压力达到1.4MPa。

由于输水线路长、沿线地形起伏较大、沿线分水口多，管线阀门的启闭操作及爆管等工况极易引发水锤事故，在管材的选择上，要求管材具有良好的适应性和较高的承受内外压力能力。因此，通过多方案比选并结合攀枝花本地的实际情况，采用了Q345B直缝埋弧焊接钢管。

2.3 输水管道临近建(构)筑物多、涉及面广、影响面大

观音岩引水工程输水管道穿越攀枝花市主城区，布设区域涵盖西区、东区、仁和区，管道沿线村镇、厂矿、道路、管线密集分布，施工对周边公路、铁路、商铺、厂矿建筑物的影响较大，且建设通道十分狭窄。因此，在建设过程中既要考虑对周边重要建构筑物采取可靠的工程防护措施，保证管道供水安全，又要保证输水管道与城市规划、景观打造协调一致。

输水管道征用土地45.67hm2，沿公路埋设段27.4km，线路施工涉及的单位多、农户广，包括各区、县、村镇及交通、交警、城管、水利、国土、林业等部门和攀钢、攀煤、市交投公司、市城投公司等企事业单位，征用580余户农民的土地，征地协调问题错综复杂，一旦协调处理不好，极易引发社会矛盾，造成巨大的社会影响。

3 工程重大技术方案及优化措施

观音岩引水工程自2015年8月8日正式开工以来，已完成9座水厂的试通水任务，其中2017年12月26日实现全线第一座水厂——格里坪水厂试通水；2018年6月26日实现河门口水厂试通水；2018年9月主城区管道贯通，相继实现炳草岗水厂、大渡口水厂试通水。同时，控制性工程观音岩管桥、大水井隧洞、尖山隧洞、503管桥、陶家渡管桥、荷花池管桥相继建成投运。

观音岩引水工程的特点决定了工程的复杂性、艰巨性，工程建设过程面临着一系列重大技术问题。在工程建设过程中，项目业主带领参建各方科学论证，创新性地采用了多项重大技术优化措施，化解了一个又一个风险和挑战。

3.1 隧洞工程的优化和创新

对于长距离输水管道，管道布置在不良地质段时，其工程防护措施尤其重要。前已叙及，攀煤矸石电厂南侧危岩体是典型的不良地质构造段，该区段原设计采用埋地和架空管道方案从危岩体上经过，金沙电站建成发电后危岩体长期浸泡水中极易引起滑坡，管道存在很大的安全隐患。处理危岩体此类不良地质构造段优先采用线路避让措施，但是这一区域又是管道敷设的唯一通廊，即便是增加大量的抗滑桩、锚固等防护措施，也不能确保危岩体的整体稳定，且工程费用巨大。

为保证输水管道投运后的安全运行，必须突破原方案，寻找更优化的技术措施。2016年12月，由业主组织设计院、施工单位、监理单位一起多次现场踏勘，并进行多方案论证，最终确定采用隧洞方案穿越危岩体区域(见图1)。

图1 隧洞布置方案

新建大水井隧洞起点位于巴关河火车站广场东侧，穿越攀煤矸石电厂危岩体区域，出口位于河门口水厂。隧洞段全长520m，采用弧形隧洞，隧洞最大埋深为75m，设计底板高程从上游至下游由1036m升至1038m，纵坡0.385%，隧洞净空尺寸依据管线安装、布置要求，采用城门洞型断面，断面净尺寸6.6m×4.6m(最宽处×洞净高)，隧洞内布置两条DN1800的管道(见图2)。

图2 大水井隧洞内管道结构方案

该不良地质段的管道敷设方案技术优化措施有以下借鉴意义：

(1)创新性地采用了弧形隧洞技术方案，既有效避开了危岩体区域带来的安全风险，消除了管道运行的重大安全隐患，又保证了管道布置的平顺，大大降低了施工难度，对类似工程有重要的借鉴意义；

(2)隧洞内管道结构形式采用C30混凝土全包封结构，确保了隧洞结构整体的稳定性，且管道运行管理、维护、检修都较为方便，因此，在工程另一座隧洞(尖山隧洞)的设计中也采用了相同的方案。

3.2 管桥工程的优化和创新

观音岩引水工程设有5座跨江管桥，主线管桥2座、支线管桥3座，由于桥址处水流湍急，两岸地势陡峭，受施工场地限制，桥型设计上均采用无支架的桥型方案(见表1)。在建设过程中，根据现场不同的地形地质条件、施工场地情况和不同的使用功能，对其中部分管桥的结构型式、施工方案进行了重大的优化调整。

表1 管桥设计参数

3.2.1 陶家渡管桥

陶家渡管桥是整个工程沿线第一座支线管桥，管桥主拱圈原设计为单跨等截面预制拼装箱型拱，即采用预制拱圈拼装成拱，施工时需采用250t跨江索缆吊装。由于吊装重量大，吊装系统需占用管桥左岸岸坡110kV国家电网及铁路仓库，并跨越右岸丽攀高速公路，拆迁费用非常高、安全隐患大、施工难度大，因此，管桥吊装系统成为了制约管桥施工的关键因素和技术难点。

结合管桥施工现场的实际情况，并通过各参建单位的技术论证，最终对陶家渡管桥的施工方案进行了优化调整。

(1)管桥拱圈的施工方式由预制吊装拼装成拱调整为钢拱架作底模现浇混凝土方式，主拱圈由肋拱调整为板拱，管桥吊装系统重量由原250t降低到32t，简化了吊装系统结构，解决了原吊装系统占地问题，大大降低了施工的安全风险和难度。

(2)在原有桥面主体结构不变的情况下，在管桥两端设置了钢制引桥和人行走梯，桥梁总长度由176m调整为224.5m，便于运行期间的管道维护和检修。

3.2.2 密地管桥

密地管桥桥址处水面较宽阔，是本工程中长度最长、跨径最大的支线管桥。原设计采用的是主跨150m劲型骨架钢筋混凝土拱桥，在施工期两个拱座受江水位影响非常大，在金沙江最低水位时仍需要占用河道围堰施工，枯水期围堰高达7m以上，丰水期围堰高达14m，围堰施工难度较大、安全风险高、工程费用高、工期也难以保证。

基于围堰施工的难点，经业主组织各参建单位反复论证，进行多方案比较，并借鉴了攀枝花地区跨江管道多采用柔性悬索桥的经验，确定对桥型进行优化调整，采用主跨205m悬索桥方案。

密地悬索桥全长266m，主跨主梁采用钢桁架，桁架宽5.75m；索塔采用门式索塔，在桥面以下部分为实体墩，桥面以上为矩形双塔柱，基础采用6根直径1.8m桩基；锚碇均采用岩锚系统。

密地管桥优化调整为悬索桥桥型，具有以下几个特点：

(1)悬索桥跨径较原设计拱桥增大55m，桥塔基础不需要占用河道进行围堰施工，施工期不受江水位变化影响，有效解决了原设计拱桥围堰施工难度大、安全风险高、工程措施费用高的问题。

(2)密地管桥是四川省首个敷设大口径输水管道的悬索桥，桥上敷设2根DN800输水管道，由于悬索桥挠度大，为适应索桥变形，采用了柔韧性更好、抗冲击性能更为优良的Q345D管材，并在每根管道上设置2个球形补偿器和3个波纹管伸缩节，保证管道中部与两侧的自由转动变形。

(3)悬索桥结构相对简单，工程总体造价比原设计劲型骨架钢筋混凝土拱桥低，但由于悬索桥是柔性桥，钢桁架、主缆、吊杆等需要长期监测、维护，运行维护成本相对较高。

4 输水管道初次通水方案的研究和应用

长距离输水管线初次通水是对整个工程设计、施工、管理的全面考验，通水方案对系统初次通水及安全运行起到至关重要的作用。重力流长距离输水管线初次通水过程是一个动态水力过渡的连续过程，并且管道中流态是含有水、气、渣等多相流，如果通水方案不当，则会产生气囊，减少过水断面，甚至会产生较大的断流弥合水锤，导致爆管。因此，选择最优通水方案、保证引水管道安全运行，是观音岩引水工程由施工转入试运行的重大技术课题。

观音岩引水工程是典型的重力流长距离输水工程，具有管道长、管径大、沿地形起伏不平的特点，管道内极易积气。结合工程特点，通过多种通水方案的论证、比较，确定主管道初次通水采用分段通水静态升压方案。该方案的原理为利用检修阀将管道分段，先将上游管线完成灌水过程和充水升压过程，再进行下游管线的灌水过程和充水升压过程。

以引水工程上游格里坪水厂初次通水为例，该段管道总长16.65km，前段1.58km管径为DN 1700，后段15.07km管径为DN1800，沿线设置了2个调流阀、4个干管阀、33个排气阀、5个补气阀、27个排泥阀(见图3)。

图3 格里坪水厂段管道布置示意

(1)初次通水过程分三段进行，第1段为观音岩大坝T1调流阀至G2干管阀，主管道全长6.05km；第2段为G2干管阀至G4干管阀，主管道全长约10.6km；第3段为格里坪支管阀至水厂，支管全长2.3km。

(2)通水前关闭G2干管阀，开启G1干管阀、T2调流阀和沿途排气阀，缓慢开启T1调流阀向主管道内灌水，观察流量计的读数(流量数据为T1之前临时安装的便携式流量计读数)，缓慢增大T1调流阀的流量达到0.2m3/s～0.3m3/s，最大流量不超过0.5m3/s，并保持恒定流量向管道内灌水。依次开启排泥阀对主管道进行冲洗，当排水由浑浊逐渐变清，即可关闭排泥阀。

(3)当排气阀不再大量排气、T1调流阀处流量下降为零、G2干管阀处压力不再上升(维持在0.9MPa左右不变)，则第一段主管道通水升压结束，全程通水时间约为10h。

(4)第1段管道通水升压结束后，稳压24h，检查管道、设备无问题后再进行第2段的通水升压操作。第2段管道和第3段管道均重复该过程，直至三段管线全部完成通水升压即可投入运行。

长距离输水管道的初次通水，重点要做好以下几项技术工作：一是制定严密的通水操作方案和应急预案，并严格执行；二是确定合理的灌水流量，管道流速一般控制在0.1m/s～0.12m/s；三是要做好管道的排气，严密观察排气阀的排气情况，保证管道气净水满；四是管道冲洗排水时要严格控制排水量，防止排水对周边边坡、建筑物造成影响。

按照上述的通水方案和技术措施，河门口、陶家渡、小宝鼎、荷花池、炳草岗、大渡口等6个水厂也顺利完成初次通水进入试运行阶段，引水管道及设备运行两年多以来未发生任何事故。