摘要：鄂北地区水资源配置工程多年平均引水量7.70亿m3，渠首设计流量38.0m3/s，输水线路全长269.34km。本文简述了工程总体设计及关键技术方案。介绍了工程水资源配置方案、总体布局、工程规模、输水线路和输水方式。对长3.7km土洞，夹河套段选择长72.08km倒虹吸型式，穿越中华山长13.84km的TBM隧洞方案，深挖明渠和浅埋隧洞调整为暗涵，以及长联高架渡槽施工方法进行了比选推荐。

关键词：鄂北水资源配置；总体布局及工程规模；设计及施工技术要点

1 工程概况

鄂北地区泛指湖北省武当山、大洪山和桐柏山、双峰山之间的区域，是湖北省有名的“旱包子”区域。工程受水区为唐东地区、随州府澴河北区和大悟澴水区，行政区划涉及襄州区、枣阳市、随县、曾都区、广水市和大悟县等6个县（市、区）。受水区范围1.02万km2，2010年总人口377.38万人，耕地485万亩，生产总值544.2亿元。

鄂北地区水资源配置工程是在不影响南水北调中线工程的前提下，将《南水北调中线工程规划》中分配给湖北省的水量（11.07亿m3）以及通过置换汉江中下游干流供水区水源调剂出来的水量（2.91亿m3）引调到唐西、唐东区和随州府澴河北区、大悟澴水区进行水资源配置，解决鄂北地区水资源短缺问题，满足受水区生活、生产以及生态用水需求，促进经济社会可持续发展的战略性基础工程。

工程多年平均引水量7.70亿m3，渠首设计流量38.0m3/s，沿线设置调节水库36座，分水口门24处。清泉沟隧洞进口闸设计水位150.0m（吴淞），输水干渠起点设计水位147.7m，在线调节水库充蓄水位119.7m，终点王家冲水库设计水位100.0m。工程规模为Ⅱ等大（2）型。

线路起点在丹江口水库清泉沟隧洞进口闸，自西北向东南方向延伸，末端在大悟县王家冲水库，全长269.34km。主要建筑物有明渠23.93km，暗涵30.53km，隧洞119.77km，倒虹吸75.85km，渡槽19.1km，各类闸阀75座，扩建水库1座。

总工期45个月，通水工期36个月。总投资183.26亿元。

2 主要工程地质条件

工程引水线路地貌主要为低山、丘陵、垅岗和河谷平原地形，以枣阳沙河为界，沙河以西为平原、垅岗地形区，沙河以东为低山丘陵区。

工程区主要出露太古界、元古界、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、白垩系、第三系、第四系地层及岩浆岩及侵入岩。其中基岩主要出露在引水线路进口～纪洪段、沙河以东段，第三系与第四系主要分布在引水线路纪洪～沙河段。

区内水文地质条件比较复杂，引水线路沿线河流冲沟较多,地下水类型主要有孔隙潜水、碎屑岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水以及岩溶水。受水区地下水资源总体上较贫乏。

输水线路沙河以西土层均具膨胀性，以弱膨胀性为主。明渠土层孔隙潜水主要以上层滞水形式分布于土层上部，土层以下的岩质明渠存在渗漏问题。

输水隧洞围岩以灰岩、泥灰岩、泥岩、砂砾岩、片岩、片麻岩、粉砂岩、白云岩以及侵入花岗岩为主，少量为粘土。主要工程地质问题为埋深浅、岩性差、Ⅳ～Ⅴ类围岩多，存在塑性变形破坏、洞室涌水突泥问题。少数隧洞洞线长，无合适的支洞布置条件，部分洞段走向与岩层交角小。

跨唐白河等倒虹吸管槽地基土层为粗砂、含砾粗砂，存在基坑临时边坡稳定，基坑涌水、涌砂及渗透变形问题。

3 水资源配置方案

本工程水资源配置总原则是在《南水北调中线工程规划》分配给湖北省的总水量中进行调配，不影响南水北调中线一期工程；超出的水量从汉江中下游干流供水区中调整，水量调整时应不影响汉江中下游河道内需水要求，不影响汉江干流供水区和其他调整区供水目标。

为了满足供水保证率，减小工程规模，节省投资，配置方案采取了唐西引丹灌区与工程受水区进行联合调度以及充分利用区内已建水库的调节作用，形成外引水与当地水联合调度的水资源配置格局。联合调度时应不影响唐西引丹灌区的供水目标要求。

配置系统概化为唐西引丹灌区和鄂北受水区调蓄水库、用水片组成的供水网络系统。唐西地区分为9个计算单元，鄂北受水区分为6个用水片、27个计算单元。各计算单元均同时存在生活、工业和农业需水。供水水源主要由丹江口水库，当地蓄水工程、提水工程、部分中水回用水量及少量的地下水组成。当地水资源优先满足农业灌溉需要。水资源配置数学模型计算框图见图1。

经长系列调算，丹江口水库清泉沟取水口总引水量为13.98亿m3，唐西引丹灌区供水6.28亿m3，鄂北地区多年平均供水7.70亿m3，其中城镇生活及第三产业供水2.41亿m3，工业供水3.33亿m3，农业供水1.96亿m3。生活、工业供水保证率在95%以上，农业灌溉保证率72.1～81.4%，满足规划目标要求。

清泉沟进水口多引的2.91亿m3水是通过减少丹江口水库下泄水量、调减湖北省汉江中下游干流供水量来实现的，并通过引江济汉等工程增加长江引水量来解决调减的水量。

 

图1 配置模型计算框图

 

4 工程总体布局

考虑丹江口水库调度方案、输水线路地形条件、受水点位置等因素，本工程采用全线自流方案。从已建的清泉沟隧洞进口取水，利用部分洞段后、左侧新建分岔隧洞和取水竖井，再经隧洞、明渠、暗涵、渡槽、倒虹吸等建筑物自西北向东南方向全线自流至王家冲水库。

受水区内城镇供水和农业灌溉大多以水库供水为主，拟尽量将水引到当地水库里进行调蓄，减少直供，提高保证率；同时，利用水库的调节作用降低工程规模，减少工程投资。由于广水市境内骨干水库距引水线路较远，需另行设置在线调节水库。适当调整现有供水格局后，共设置了36座调蓄水库，其中，补偿调节水库17处、总兴利库容6.05亿m3，充蓄调节水库18处、总兴利库容4.89亿m3，在线调节水库1处、兴利库容1.37亿m3。

根据供水目标、调蓄工程布局，总干渠沿线共布置24个分水口，其中唐东地区11个，随州府澴河北区12个，大悟澴水区1个。

王家冲水库既是受水区末端交水点，也是事故备用、退水水库。

5 工程规模

根据配置成果，总干渠渠首设计流量38.0m3/s，唐东地区设计流量38.0～26.7m3/s，进入随州后设计流量20.2m3/s，至大悟县设计流量1.8m3/s。

本工程丹江口水库自流设计引水水位为水库死水位150.00m（吴淞），相应鄂北输水干渠渠首设计水位147.70m（黄海）。在线路中段设封江口水库为在线调节水库，入库设计水位119.70m，出库设计水位112.00m，充蓄率0.7。线路末端为王家冲水库，正常蓄水位100.00m。

6 输水线路和输水方式

输水线路和输水方式比选时遵循的原则：有利于充分利用现有的水利设施；输水线路靠近供水目标；减少占地拆迁；避开不良地质地段；降低工程技术难度；便于运行管理。

根据工程总布局，取水口为清泉沟隧洞进水闸、中段的调节水库封江口水库、末端的王家冲水库是输水线路布置的三个关键节点。受水区地形北部高南部低，线路宜沿北部布置。输水线路从唐西经唐白河夹河套地区至唐东的地形呈马鞍形，便利地跨越唐白河也是较重要的节点。引丹灌区渠系发达，若能加以利用，可能节省投资，也是线路布置应考虑的因素。基于上述分析，拟定了两条线路三个方案比选。

方案一，高线自流方案：经唐西的清泉沟隧洞进水闸后沿湖北、河南两省省界附近布置输水工程，跨夹河套唐白河进入唐东，经封江口水库到王家冲水库，该方案可全线自流引水。线路全长269.34km，夹河套段倒虹吸长72.08km，管材为PCCP，3管同槽布置，管内径φ3.8m。

方案二，低线提水方案：经唐西的清泉沟隧洞进水闸后利用引丹灌区总干渠25km，再沿总干渠、六干渠布置输水工程，跨夹河套唐白河进入唐东，在刘桥水库附近布置泵站提水，泵站以东线路同方案一。线路全长289.48km，夹河套段倒虹吸长25.4km，管材为PCCP，3管同槽布置，管内径φ3.6m；刘桥泵站装机12.8MW，设计流量36.2m3/s，多年平均提水量6.23亿m3。

方案三，高线提水方案：输水线路与方案一相同，在刘桥水库附近设刘桥泵站提水以减少倒虹吸的规模和投资。线路全长269.34km，夹河套段倒虹吸长70.88km，管材为PCCP，3管同槽布置，管内径φ3.5m；刘桥泵站装机8.96MW，设计流量36.2m3/s，多年平均提水量6.23亿m3。

高线提水方案与高线自流方案线路相同，总投资略高，泵站提水能耗高、运行管理相对复杂、运行费用较高，总费用现值高于自流方案。低线提水方案部分利用现有渠道，工程投资较少，泵站提水能耗及运行费用高，总费用现值指标略高，工程建设与现有灌渠运行有干扰、运行管理相对复杂。高线自流方案输水线路较短，能自流输水，建设与运行管理相对简单，占地少、能耗低、运行费用较省。虽然工程投资高于其他方案，但总费用现值低，供水成本低，具有较好的可持续。综合考虑节能减排、保护耕地、环境保护、运行管理和经济指标等因素，推荐高线自流方案。

7 输水工程设计及施工的主要技术要点

7.1 纪洪段的土洞

纪洪段无压隧洞桩号0+000～9+850，设计流量38m3/s。其中，土洞段桩号6+150～9+850，长度3.7 km，纵坡1/4000，开挖洞径7.9m。土洞段地形为岗波状平原地貌，洞顶埋深40m左右。围岩（土）为上更新统粘土具弱膨胀性。地下水主要为包气带滞水。

该段若采用明渠形式，存在征地多、边坡稳定、水土流失、不便于管理等问题；若采用暗涵形式，存在临时占地多、环境影响较大、投资多等问题；综合考虑采用土洞方案。

考虑到洞线长、洞径大、埋深浅、弱膨胀性等因素，在进行水头分配时，尽量多分配水头，按开挖宽度不超过8m控制。隧洞横断面比较了城门洞形、马蹄形、蛋形。结构设计上采用初衬、二衬方式。开挖方法比较了台阶法、中隔墙法（CD法）、交叉中隔墙法（CRD）。

拟采用马蹄形断面，开挖断面宽7.9m、设计纵坡1∶4000，初期支护为型钢拱架+小导管注浆+喷锚网，二期衬砌70cm厚钢筋混凝土。总的施工原则为管超前、严注浆、短开挖、快封闭、勤量测。开挖方法采用CRD法，初衬施工采用新奥法，二衬施工采用模筑混凝土。

7.2 夹河套段建筑物选型

孟楼镇～七方镇段输水线路总长度72.08km，设计流量38m3/s，跨白河、唐河及夹河套地区，沿线总体地势两边高中间低，孟楼镇附近地面高程约135m，夹河套地面高程约70m，七方镇地面高程约130m，地形呈马鞍形。沿线地层主要为Q2~Q4粘土、壤土及砂土。白河、唐河在交叉断面以上流域面积分别为11980 km2、8237km2。

此段的输水建筑物形式可选择渡槽或倒虹吸管。渡槽是明流输水、需要的水头少，倒虹吸是有压自流输水、需要的水头多。

倒虹吸方案能适应现有地形地质条件，天然地基承载力满足要求，分水口易设置，施工难度小，运行管理便利、移民占地少，投资省，拟推荐。倒虹吸长72.08km，管材为PCCP，3管同槽布置，管内径φ3.8m，工作压力为0.4～0.8MPa。

7.3 穿越中华山段建筑物选线及选型

输水线路以隧洞穿越广水市中华山保护区。中华山为低山丘陵区，区内峰谷相间，沟谷发育，植被茂密。隧洞穿越地层主要为元古界、太古界的板岩、片麻岩和白云岩、大理岩及侵入岩等。隧洞埋深较大，一般为200m左右，最大埋深近600m。隧洞围岩以Ⅱ、Ⅲ类居多。宝林隧洞段长13.84km，设计流量3.5m3/s，隧洞纵坡1:9600，断面为圆形，直径4.0m。

从总体布置来看，输水线路穿越中华山主要有三条线路选择，一是以长隧洞的方式下穿中华山，此线路最短，工程布置较为顺畅，但无布置施工支洞条件，宜采用TBM工法施工；二是从中华山南缘以暗涵为主的方式绕行，此方案线路最长，施工条件较好；三是傍山隧洞方案，线路长度介于下穿和绕山两方案之间，易于布置施工支洞，可采用钻爆法施工，但需穿越军事管理区，存在诸多问题，不宜作为比选方案。由此，主要比较以下两方案。

方案一、下穿方案：本方案线路下穿中华山，全长17.88km。主要建筑物有渡槽、明渠和隧洞。渡槽3段共1.64km，渠道3段共1.0km，隧洞3段共15.24km。宝林隧洞长度13.84km，无布置施工支洞条件，拟采用TBM工法开挖施工。

方案二、绕线方案：本方案线路绕中华山南缘依山而设，线路全长23.83km。主要输水建筑物有渡槽、暗涵和隧洞。渡槽11段长7.45km，暗涵15段长11.50km，隧洞4段长4.88km。

方案一线路较短，洞室埋深大，围岩稳定性好，采用TBM工法对环境影响最小，可充分利用洞段地质条件好的特点，拟推荐。

7.4 深挖明渠和浅埋隧洞选型

本工程明渠主要集中在沙河以西，隧洞主要集中在沙河以东。明渠长50km，隧洞长120km。

明渠开挖深度多在10～30m，其余为浅埋、半挖半填或全填方渠道，占用的多为耕地，且明渠土层具有弱～中等膨胀性。从工程安全、减少占地、保护水质和便于管理等方面综合考虑，将长约25.5km深挖明渠调整为暗涵。部分隧洞为浅埋隧洞，地质条件差，综合考虑工程安全、方便施工、节省投资等因素，将长约5km的隧洞调整为暗涵。

经优化，30.5km的深挖明渠和浅埋隧洞调整为暗涵，减少占地6000多亩。从目前引调水工程经验看，采用暗涵是合适的。

7.5 长联高架渡槽施工方法选择

孟楼渡槽是本工程中最长的渡槽，总长4.99km，槽底纵坡1∶5000，平面转弯半径8000m。槽身采用单孔多纵梁式三向预应力简支矩形槽，跨度30.0m，槽孔净尺寸6.5m×5.0m，单槽重约1200t。槽身采用桩墩支承，槽墩主要采用空心墩。

孟楼渡槽具有长度长、断面大、结构重的特点，设计和施工难度大，技术要求高。

孟楼渡槽槽身比较了架槽机、造槽机和满堂支架法等三种工法。

满堂支架法的优点包括技术难度小，施工灵活，便于工期控制，缺点是场地适应新差，工序繁杂，支架、模板变形不易控制，人力资源需求较多，施工安全性低，环境影响大，施工周期45d，直接投资约3.5亿元，经济性稍差。

架槽机法优点是场地适应性好，机械化程度高，施工进度快，单跨施工周期约25d，质量易于控制，缺点是设备需定制，通用性差，直接投资约3.3亿元。

造槽机法优缺点基本类同架槽机法，工程直接投资约3.4亿元。

从施工质量保证、施工安全性及新技术、新设备、新工艺方面，架槽机对于本工程具有优势，孟楼渡槽推荐架槽机工法。

8 结论与建议

（1）水资源配置方案充分考虑了水源条件、与受水区水资源联合运用，总体布局方案充分考虑了取水水位、受水区位置、调蓄工程、工程规模等因素。

（2）全线自流的输水方式大大减少了运行管理费用，使工程具有可持续性，符合调水工程总布局的最新思路。

（3）选择的建筑物型式和施工方法能较好的适应工程特点，具有保证工程安全、节约占地、保护水质、便于管理、保护环境、节省投资等优点。

（4）下阶段应进一步研究本工程供水与当地水源联合调度运行方式；细化水资源配置和调度管理措施；应结合模型试验和计算分析等方法做好孟楼～七方倒虹吸的设计；本工程隧洞长约120km，多数埋深不大，地质条件较差，应重点考虑隧洞围岩稳定和施工方案；有近一半的输水线路存在膨胀土问题，应重点研究其对边坡、隧洞、桩基等的影响。

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作者简介：李文峰(1965—)，男，湖北麻城人，正高、院副总工，主要从事水利水电工程设计工作。E-mail:lwfeng123@sina.com。