学文网摘要: 西江引水工程是为了改善广州市民的用水水质，从广州佛山三水区引西江水作为广州市供水水源，引水规模为350万m3/d，采用双管输水与单隧洞输水相结合的方法，输水管道（隧道）全长约13.9km。作为大型压力输水工程，其相关的工程经验可为类似的工程提供参考和借鉴，本文总结了西江引水工程的工艺设计中的相关要点、难点及解决方法，以期能为今后的输水工程提供解决问题的思路及方法。
关键词: 西江引水工程 长距离输水 有压 管道 隧道 工艺设计
0. 前言
近年来，随着城市经济的快速发展，城市面积的扩大，人民生活水平的提高，对供水的水质和水量有了更高的要求。同时也出现了部分城市现有水源被污染，水量水质不能满足供水要求等的现象。故通过长距离输水的方式，把距离城市较远的优质水源引入城市的长距离输水工程成为了一些城市供水发展必然选择。长距离输水工程具有取水量大，输送距离长，建设难度复杂，投资巨大等特点，属于城市大型给水工程。
盾构法作为一种非开挖施工方式在大型输水工程中有很大的应用前景，目前国内已有一些成功实施的工程。已建成的上海长兴岛青草沙取水工程，输水规模为708万m3/d，采用重力流盾构隧道输水方式，输水管全长约13.9km，2010年已建成通水，运行良好[1]。
下表0-1为国内运用盾构法施工的输水隧道情况[2]。
表0-1
1.工程简介
西江引水工程是为广州市民供水的大型市***工程，从广东佛山三水区境内下陈村的西江引水，输送至广州市自来水公司的江村、石门及西村水厂。解决水厂的水源置换以及未来新建水厂的水源供给。西江引水工程规模为350万m3/d，采用压力管道（隧道）输水方式，输水管道（隧道）全长12 km，其中小塘立交段、官窑立交和白坭水道段采用单隧道方式压力输水，盾构段隧道内径为4.8米，其余的采用双管道输水，管材为PCCP管，内径为3.6米。
2.设计要点
2.1水力坡降
水力坡降的计算对整个长距离输水工程有较大的影响，如计算损失数值偏小，则输水能力达不到设计要求；如计算损失偏大，则会造成工程投资浪费，管网末端消能难度加大。对水头损失的计算不准，都可能会造成相关的加压水泵长期不在高效段运行，效率偏低，增加工程后期运行费用。
西江引水工程盾构段内径为4.8米，可采用普通地铁施工的盾构进行施工，但由于输水隧道建成运行后，需要承受一定的内水压力，属于压力隧道输水，国内关于此类型的隧道没有相关的经验可以借鉴。已建成的青草沙水源工程，其输水隧道为重力输水，内压相对较小。如何解决输水隧道的内压问题，是本次工程设计的重点难点，也是保障工程建成后顺利实施的重要因素，需要设计阶段重点考虑。
整个管线水力坡降的计算，影响到取水头部水泵的选取、隧道段内压计算、水锤分析及二次泵站的设计等，不同材料的管道摩阻系数在《室外给排水设计规范》中有相应取值范围规定，可直接选取。但是盾构隧道的摩阻系数取值，没有相关规范可以参考，需经过具体分析计算确定。
2.1.1混凝土管片手孔封堵
盾构的混凝土管片有拼装手孔，建成后的隧道断面如***2-1所示，可清晰看见手孔分布。地铁交通隧道中，管片手孔不影响使用，可以不做封堵。但作为输水隧道，手孔会影响隧道内壁光滑，影响水力条件，在管片拼装完毕之后，应对手孔进行封堵抹平，设计需考虑这部分的工程量。
***2-1盾构的混凝土管片有拼装手孔***
2.1.2水力坡降计算
封堵完毕的的输水隧道采用达西公式和Colebrook-White（柯尔勃洛克 怀特公式）进行计算[3]：
英国建筑业研究中心根据 15 条水工隧道的观测及水力试验结果，编写了《CIRIA Report 96 - Hydraulic Roughness of Segmentally Lined Tunnels》报告建议如下[4]：
在计算水工隧道的水头损失应使用粗糙高度―ks 及Colebrook-White公式进行计算；粗糙高度，ks 可用下列公式来估算：
（2-3）
西江引水隧道工程环宽1.5m，但环与环的施工误差目前并不知道，因此假设不同的施工误差来计算粗糙高度ks。如表2-1所示，
表2-1
根据目前的施工工艺水平，一般环与环的施工误差不会超出5 mm，因此粗糙高度ks 不大于1.3 mm。根据计算的粗糙高度，可计算出隧道的水力坡度和沿程水头损失。
2.2高内水压隧道段压力计算
输水隧道取水口位于佛山下陈，整个输水段属于高压输水，随着沿程和局部的水头损失，输水管线（隧道）的内压是沿线下降的，参见***2-2
***2-2输水管段（隧道）水力坡降***
输水管道采用预应力钢筒混凝土管（PCCP），其承受内水压最大可达到2.0Mpa，为了施工的便利以及工程的安全可靠，整个输水管道可采用同一承压规格。
但针对隧道管段，需要区别考虑，隧道管片自身通过螺栓连接，无法承受这么高的内水压，因此，需要具体计算每段隧道段的承压能力，采用不同的结构形式。针对四段盾构段不同的内水压力，采用在隧道内侧趁钢内衬或混凝土内衬两种结构形式。
根据内水压的计算结果，在输水段上游内水压力较大，为承受较高的内压，小塘立交、官窑立交及和顺立交采用普通地铁管片内衬钢管的方法，输水管道下游白坭水道至鸦岗泵站采用内衬混凝土管的方法。
3设计难点
3.1备用水源
根据《室外给排水设计规范》，“输水干管不宜少于两条，当有安全贮水池或其它安全供水措施时，也可修建一条”。
西江工程输水隧道段的内径为4.8米，为单隧道输水，设计时必须考虑备用水源的问题。
广州市供水目前依赖流溪河、珠江西航道、东江水源，西江供水工程建成后，应考虑保留现有的西村水厂、石门水厂、江村水厂的取水构筑物，在西江供水工程发生事故时作为备用水源启用，水利等部门要将备用水源规划纳入水资源规划。
3.2管道段与隧道段的连接
内径4.8米的单输水隧道与双管3.6米的钢管如何连接是设计需要重点考虑的，根据设计***3-1，3-2所示，盾构施工时修建工作井施工完毕后可作为双管转单管的工作井，双管通过焊接的45度三通与内径4.8米的钢管在井内连接，通过4.8米内径的钢管与隧道段相连。因为隧道段较管道段埋深要深很多，隧道段的埋深约在15米左右，管道在与隧道的连接处有一个急速的转弯，因此，在转弯的高点设置排气阀，在转弯的低点设置泄水阀，便于日后的运行安全和维修便利。
***3-1 管道与隧道连接平面***
***3-2管道与隧道连接剖面***
4结语
本文通过总结大型长距离输水工程的设计要点，总结了有压输水隧道的水力计算方法，针对输水隧道不同于一般重力输水隧道的特点，隧道的结构形式进行了一系列的改变，在普通的地铁管片基础上，增加了钢板内衬及混凝土内衬，以克服不同的内水水压，为输水隧道设计提供了类似的参考经验。
目前，西江引水工程已建成通水，运行效果良好。
参考文献
陆晓如，沈庞勇，季***，王琪.青草沙水源地原水过江管隧道工程综述.给水排水，2009，（07）50-54
吴长征，凌霄.南水北调中线穿黄工程隧洞设计研究.人民黄河，2004，（1）29-30
成都科技大学.水力学（上册）.重庆：人民教育出版社，1983
J D Pitt．《CIRIA Report 96 - Hydraulic Roughness of Segmentally Lined Tunnels》.Ciria.1982
作者信息：张轶，工程师，1980年出生，籍贯北京，从事市***给排水设计工作，现就职于西北市***院深圳分院。
注：文章内所有公式及***表请以PDF形式查看。
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