長江取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)淺析

強(qiáng)健 王林 李士民

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

近年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張和愈加嚴(yán)格的飲用水水源地環(huán)境保護(hù)要求，長江沿線陸續(xù)出現(xiàn)一些新建取水工程。這些工程的共同的特點(diǎn)是取水規(guī)模較大，一般為20萬m3/d以上。由于受到長江堤防保護(hù)、航道安全等因素制約，在取水工程建設(shè)工程中，取水工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理性是關(guān)鍵因素，不但決定了工程造價，也一定程度上決定了整個供水工程的成敗。

程子悅等[1]通過采取“半嵌入型”平面布置方式、鉆孔灌注樁與高壓旋噴樁結(jié)合的地基處理方式、端部半圓形泵站體型等措施，完成了高流速區(qū)江邊取水泵站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。王印忠等[2]從地下水取水構(gòu)筑物取集海水的水文地質(zhì)資料、構(gòu)筑物形式和工程經(jīng)濟(jì)等方面探討了海灘井、海灘滲渠和水平定向?yàn)V管等取水方式的適用條件，并給出了部分工程實(shí)例。丁黨鵬等[3]在傍河型水源地開展集水廊道原位試驗(yàn)，測試河岸邊取水的可行性和其出水能力，為傍河型水源地地下水取水設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。常鵬飛等[4]介紹了一種較少見的江中橋墩式取水泵站的工程案例設(shè)計(jì)方案。胡純等[5]結(jié)合具體工程實(shí)例，論述圓形取水泵房設(shè)計(jì)中需要注意的技術(shù)要點(diǎn)。范志國等[6]通過對常用分層取水口結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的比較，設(shè)計(jì)了一種新型的分層取水口結(jié)構(gòu)。王霆等[7]介紹了在新安江大壩下的河道中建設(shè)全淹沒式取水頭部的設(shè)計(jì)與施工方案。李玉磊[8]以某取水泵站沉井為例，結(jié)合工程地質(zhì)、沉井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及周邊環(huán)境情況，闡述了沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和采取的施工環(huán)境保護(hù)措施。龔瓏聰[9]結(jié)合工程實(shí)例，介紹了江中取水沉管的水下挖槽與爆破、沉管定位、水下混凝土澆筑及取水頭部安裝等優(yōu)化措施。

長江取水工程的主要特點(diǎn)有：(1)水域環(huán)境復(fù)雜；(2)地質(zhì)條件變化大；(3)河床演變大；(4)受汛期影響大，施工期短；(5)施工區(qū)域受限，需避開航道與堤防保護(hù)范圍；(6)長江堤防保護(hù)要求高。因此，長江取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須合理選型與布置，因地制宜與施工條件相結(jié)合。本文以安徽省某長江取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)介紹了全淹沒式取水頭部、取水自流管、堤內(nèi)取水泵房等設(shè)計(jì)要點(diǎn)及結(jié)構(gòu)方案，分析了長江取水工程結(jié)構(gòu)方案的主要關(guān)鍵技術(shù)和對策，為類似工程提供借鑒。

1 某長江取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)城市發(fā)展需求和長江水源地環(huán)境整治要求，安徽某沿江城市新建長江取水工程(圖1)，供水設(shè)計(jì)規(guī)模為30萬m3/d。該取水工程主要包括：

(1)取水頭部1座，采用喇叭管取水頭部。取水頭部中心標(biāo)高為-5.3m，比長江歷年最低水位低6.55m，取水頭部所在處河床標(biāo)高為-8.5m。

(2)取水自流管2根，單根長度約300m，管徑DN1600。自取水泵房向河床敷設(shè)，設(shè)計(jì)中心標(biāo)高為-5.3m～-1.0m，泵房側(cè)中心標(biāo)高-1m，取水頭部側(cè)中心標(biāo)高為-5.3m。

(3)堤內(nèi)取水泵房1座，土建規(guī)模30萬m3/d。泵房平面為矩形，尺寸約33m×27m，內(nèi)底標(biāo)高約-2.60m，泵房地坪層設(shè)計(jì)標(biāo)高為17.00m，泵房室外地坪標(biāo)高約為12.0m。

圖1 某長江取水工程總體布置Fig.1 General layout of the water-intaking project along Changjiang River

1.1 取水頭部

取水頭部屬特種水下結(jié)構(gòu)，其基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)是[10]：①工程設(shè)計(jì)因地而異；②設(shè)計(jì)理論借鑒港工、橋工的有關(guān)理論與規(guī)定；③水域環(huán)境復(fù)雜、施工條件各異。

取水頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素有：

(1)取水頭部在水域的位置：本工程取水頭部水域多年平均水位6.24m，歷年最低水位1.25m，取水喇叭管中心標(biāo)高-5.3m，取水頭部為全淹沒式。

(2)河床沖刷深度：取水頭部的阻流面積很小，對一般沖刷的影響可以忽略不計(jì)。對取水頭部結(jié)構(gòu)選型起主要影響作用的是河床沖刷深度。根據(jù)長江水利委員會的有關(guān)資料，本工程取水頭部處河床最大沖刷深度為4.7m。為保證結(jié)構(gòu)安全，取水頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照最大沖刷深度范圍內(nèi)沒有巖土體的最不利工況進(jìn)行計(jì)算。

(3)流水壓力：流水壓力為取水頭部所承受的主要荷載之一。取水頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前需獲得該處在防洪設(shè)計(jì)水位條件下的最大流速。根據(jù)長江水利委員會的有關(guān)資料，本工程取水頭部處最大流速為1.5m/s。流水壓力的計(jì)算公式為[10]：

式中：Fdw,K為流水壓力的合力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；Vw為設(shè)計(jì)流速(m/s)，取水頭部處最大垂線平均流速；γw為水的重度(kN/m3)；g為重力加速度，9.8m/s2；Kf為水流力系數(shù)；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積(m2)，應(yīng)計(jì)算至最低沖刷線處。

取水頭部的結(jié)構(gòu)形式一般有：重力式(墩形、箱形、沉船形)、沉井式、樁架式、懸臂式、底槽式、隧洞式等。底槽式、隧洞式一般適用于山區(qū)河段、水庫取水。懸臂式一般適用于小型工程，不適用于較大規(guī)模的取水工程。重力式、沉井式也不適用于沖刷較大、施工期較短的長江水面上。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，本工程取水頭部的結(jié)構(gòu)形式選擇了樁架式。

如圖2所示，本工程采用了鋼樁+鋼支架的形式，形成取水喇叭口頭部的結(jié)構(gòu)支撐體系。為便于施工，減小流水壓力，樁采用了12根φ800鋼管樁，壁厚14mm，鋼管內(nèi)滿灌C30微膨脹混凝土，樁長18m，樁頂標(biāo)高-6.600m，樁底標(biāo)高-24.600m。支架采用40#槽鋼雙拼加鋼綴板形成的格構(gòu)梁，取水喇叭口通過鋼制管托與格構(gòu)梁相連。為便于水下施工，所有鋼構(gòu)件之間均采用螺栓連接。

1.2 取水自流管

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，取水自流管為2根DN1600的鋼管，單根長度約300m，兩端分別連接取水頭部和取水泵房，兩端的標(biāo)高分別為-5.3m、-1.0m。 此段管道為自流管，跨越長江堤防段的管道高程不宜過高，設(shè)計(jì)將管道縱向按折線型布置，即兩個平直段加一個斜管段。如圖3所示。

可以看到，按照不同的管道敷設(shè)方式和施工方式，取水自流管分為樁架沉管段、開槽沉管段、頂管段三部分。

樁架沉管段主要用于水中或淺覆土的江中段，管中心設(shè)計(jì)標(biāo)高為-5.3m，采用DN1600鋼管，壁厚16mm。每根管道采用縱向間距為4.0m的7排樁+支架支承。與取水頭部一樣，每排支撐采用2根φ800鋼管樁，壁厚14mm，鋼管內(nèi)滿灌C30微膨脹混凝土。支架40#槽鋼雙拼加鋼綴板形成的格構(gòu)鋼梁，管道通過鋼制管托與格構(gòu)鋼梁相連。所有鋼構(gòu)件之間均采用螺栓連接。

圖2 取水頭部Fig.2 Water-intaking head

圖3 取水自流管縱向剖面示意Fig.3 Profile view of water-intaking gravity line

頂管段主要用于穿越長江大堤，管中心設(shè)計(jì)標(biāo)高為-1.0m， 由取水泵房至河床中覆土約1.5D(D為管道外徑)處。頂管采用DN1600鋼管，壁厚16mm。頂管從兼作工作井的取水泵房始發(fā)，頂進(jìn)至江中設(shè)計(jì)位置后，水下開挖取出頂管機(jī)頭。

開槽沉管段縱向?yàn)榉础癦”字形，管兩端中心標(biāo)高分別為-5.3m、 -1.0m，采用DN1600鋼管，壁厚16mm，分別與樁架沉管段、頂管段水平對接相連，對接處采用便于水下對接的哈夫鋼制套筒。本段管道采用水下開槽的沉管方式施工。

1.3 取水泵房

取水泵房由前池、格柵過濾間、吸水井和水泵設(shè)備間等組成。本取水泵房還兼具取水自流管頂管工作井的功能，構(gòu)筑物的平面尺寸較大。沉井結(jié)構(gòu)具有土方開挖量小、費(fèi)用低等特點(diǎn)，經(jīng)比選，本取水泵房采用了沉井工法。當(dāng)采用沉井工法時，泵房的平面形狀一般采用矩形或圓形兩種基本形狀。圓形沉井受力性能較好，但空間利用率較低。相對來說，矩形沉井空間利用率較高，可根據(jù)需要進(jìn)行功能區(qū)格劃分，井壁可直接作為頂管后靠背使用。經(jīng)比選，本工程采用矩形沉井。

為應(yīng)對外界水、土側(cè)壓力的不利影響，取水泵房利用功能區(qū)格劃分的中隔墻及增設(shè)的豎向框架作為外壁板的橫向支撐體系，以減小壁板的計(jì)算跨度。

取水泵房(沉井)平面尺寸32m×27m，高23.6m，刃腳底標(biāo)高-6.60m，平臺頂面標(biāo)高17.0m，底板面標(biāo)高-2.60m。下部為沉井結(jié)構(gòu)，外壁厚1.2m，中隔墻壁厚1.0m，設(shè)置橫向梁柱框架，梁截面尺寸1.0m×1.5m，框架外柱截面尺寸1.0m×3.0m，框架內(nèi)柱截面尺寸1.0m×2.0m。沉井上方設(shè)備間為一層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 取水泵房Fig.4 Water-intaking pumping house

取水泵房(沉井)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算要點(diǎn)有：

(1)下沉階段的下沉驗(yàn)算及下沉穩(wěn)定驗(yàn)算，下沉系數(shù)應(yīng)大于1.05，下沉穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)控制在0.8～0.9[11]；

(2)水下封底階段應(yīng)進(jìn)行封底混凝土強(qiáng)度計(jì)算與封底后結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定計(jì)算；

(3)頂管施工階段，應(yīng)驗(yàn)算頂力作用下，后背土體的穩(wěn)定，其驗(yàn)算公式為[12]：

PtK≤ξ(0.8Epk-Eep,k)

式中：PtK為頂力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；Epk為沉井后壁板上被動土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；Eep,k為沉井前壁板上主動土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；ξ為考慮合力點(diǎn)可能不一致的折減系數(shù)。

(4)正常使用階段，應(yīng)驗(yàn)算池內(nèi)滿水或空水的工況，取不同工況下的內(nèi)力包絡(luò)值作為強(qiáng)度和裂縫寬度計(jì)算的依據(jù)。本工程中根據(jù)泵房池體的區(qū)格劃分(見圖4a)，池Ⅰ、池Ⅱ、池Ⅲ、池Ⅳ均存在池內(nèi)滿水或空水的工況。因此在計(jì)算豎向框架內(nèi)力時，大致可分為如下9種工況：1)池全空；2)僅池Ⅰ滿水；3)僅池Ⅱ滿水；4)僅池Ⅰ、Ⅱ滿水；5)僅池Ⅰ、Ⅲ滿水；6)僅池Ⅰ、Ⅳ滿水；7)僅池Ⅱ、Ⅲ滿水；8)僅池Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ滿水；9)僅池Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ滿水。

2 長江取水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題探討

2.1 取水泵房與江堤的關(guān)系

在取水頭部、取水管和取水泵房等組成的取水工程中，取水泵房與江堤的關(guān)系是取水工程總體設(shè)計(jì)方案中重要因素之一。取水泵房與江堤的關(guān)系是指取水泵房是位于堤內(nèi)還是堤外，其核心是取水管穿越江堤的方式。眾所周知，長江江堤的保護(hù)要求非常嚴(yán)格，在江堤保護(hù)范圍內(nèi)，一般不容許除堤防加固之外的其他建(構(gòu))筑物施工。

(1)取水泵房在堤外，取水管明敷過堤

一般情況下，取水泵房布置在堤外，取水泵房引出的有壓原水管線采用“爬坡”的明敷方式順江堤外輪廓越過江堤，如圖5所示，以避免管道施工對江堤的影響。

圖5 取水管線明敷過江堤方式示意Fig.5 Profile of water-intaking pipe crossing over the embankment along Changjiang River

此時取水泵房位于堤外，一般采用水力條件好、有利于行洪的圓形或長圓形的平面形式,如圖6、圖7所示。

圖6 位于堤外的某圓形取水泵房平面示意Fig.6 Plan view of a circular pumping house outside the embankment

圖7 位于堤外的某長圓形取水泵房平面示意Fig.7 Plan view of an oval pumping house outside the embankment

(2)取水泵房在堤內(nèi)，取水管暗挖過堤

當(dāng)?shù)掏鈼l件受限時，如江灘過于狹窄、有需要保護(hù)的構(gòu)筑物等原因，取水泵房布置在堤內(nèi)。由于是重力自流管，取水管埋深一般較大。根據(jù)已有的幾個工程案例，取水自流管高程低于堤防頂面高程15m～25m。取水管不能采用明挖方式穿越江堤，一般采用頂管工法穿越長江大堤。

在第2節(jié)中，本文介紹了取水泵房在堤內(nèi)的工程實(shí)例和主要技術(shù)方案，這里不再贅述。在這種方案中，最大的風(fēng)險是頂管穿越江堤時，對江堤可能帶來的影響。

2.2 頂管穿越江堤的風(fēng)險與控制

采用頂管工法穿越江堤時，需采取可靠的措施確保大堤安全。根據(jù)歷史案例調(diào)研，頂管穿越江堤的風(fēng)險主要有：

(1)沉降：在頂管頂推過程中，頂管周邊土體位移過大，造成大堤土體沉降甚至“冒頂”。上世紀(jì)90年代，安徽某取水工程曾出現(xiàn)頂管過江堤時，由于施工措施控制不力，在頂進(jìn)到離堤腳不遠(yuǎn)處“冒頂”，頂管上方土方沉降坍塌，險些造成危害江堤的事故；

(2)滲水：在取水管道運(yùn)行過程中，由于管道與泵房間的剛度差異大，管道段與泵房發(fā)生較大的不均勻沉降，導(dǎo)致管道與泵房接口處斷裂，江水從斷裂處涌出，沖刷土體，對大堤安全造成危害。

關(guān)于沉降風(fēng)險的控制，可采取的技術(shù)措施有：1)保證足夠的覆土厚度，一般不應(yīng)小于2.5D(D為頂管外徑)；2)控制出土量及頂推開挖面的土壓力，維持頂管機(jī)提供的壓力與靜止土壓力相當(dāng)，則周圍土體受到的擾動就很小；3)控制管道周圍環(huán)形空隙的注漿量與注漿壓力，注漿壓入口的壓力應(yīng)稍大于該處的靜止水土壓力之和；4)控制頂進(jìn)速度，動態(tài)管理，及時調(diào)整出土量和注漿壓力。

關(guān)于滲水風(fēng)險的控制，可采取的技術(shù)措施有：1)管道段特別是頂管進(jìn)洞段的周邊土體加固，減小頂管的絕對位移，減小不均勻沉降；2)管道與泵房結(jié)構(gòu)間的套管采用可適應(yīng)一定位移量的柔性套管；3)堤外增設(shè)閥門井，當(dāng)出現(xiàn)管道斷裂等滲水情況及時關(guān)閉堤外閥門，避免江水不斷涌入。在前述給出的案例中，為確保安全，此三個措施均在該工程中應(yīng)用。

2.3 沉井施工對鄰近江堤的影響

給水工程的取水工程和原水管線多位于野外，遇有埋深較大的構(gòu)筑物，多采用沉井工法。在前述某長江取水工程案例中，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，基底埋深較大的取水泵房及閥門井都采用了沉井工法。

由于其施工過程中的特性，沉井在下沉過程中會形成倒錐形滑移面，周邊土體隨沉井的下沉而產(chǎn)生位移，如圖8所示。

圖8 沉井下沉影響示意Fig.8 Sinking influence profile of the open caisson

當(dāng)沉井工程臨近江堤時，就必須考慮沉井施工對江堤安全的不利影響，可采取的技術(shù)措施有：

(1)沉井選址應(yīng)盡量遠(yuǎn)離江堤，一般的，沉井外壁至江堤堤腳的距離不應(yīng)小于3H(H為沉井結(jié)構(gòu)地下總高度)；(2)沉井應(yīng)采取不排水下沉方式，避免采用排水下沉方式時周邊土體固結(jié)沉降的不利影響；(3)在沉井與江堤間采取必要的隔離措施，隔斷或加長土體位移的傳遞路徑。在前述某長江取水工程案例中，對堤外閥門井沉井及取水泵房沉井均采取了攪拌樁隔離的措施，有效地保護(hù)了長江江堤，如圖9所示。

圖9 沉井周邊隔離措施Fig.9 Profile of separating facilities around the open caisson

2.4 大流速、大沖刷區(qū)域的取水頭部技術(shù)保護(hù)措施

長江河道寬窄不一、蜿蜒曲直，不同的區(qū)域流速、沖刷或淤積幅度差異較大。在筆者參與的幾個長江取水工程案例中，取水頭部處流速最大為2.0m/s，最大沖刷為9.4m。

流速和沖刷是影響長江取水頭部結(jié)構(gòu)安全最重要的兩個因素。當(dāng)大流速、大沖刷同時出現(xiàn)時，應(yīng)采取有效的技術(shù)措施保證取水頭部的安全。根據(jù)實(shí)踐案例的分析與總結(jié)，大流速、大沖刷區(qū)域取水頭部的技術(shù)措施如下：

(1)最不利狀態(tài)設(shè)計(jì)：應(yīng)按照河勢分析報告給出的最大流速和最大沖刷線進(jìn)行設(shè)計(jì)，假想沖刷線以上無土層、均為水體。此外，要注意與取水頭部相連的取水自流管的埋深。當(dāng)取水自流管也位于沖刷線以上時，也應(yīng)采取樁架等措施保證其安全。

(2)斜樁：對于采用樁架式的取水頭部和取水自流管，主要依托樁的水平承載力來抵抗大流速水帶來的流水壓力。當(dāng)常規(guī)的豎直樁不能滿足要求時，可采取斜樁措施，可有效抵抗流水壓力。如圖10所示。

圖10 取水頭部斜樁示意Fig.10 Profile of raking piles under the water-intaking head

(3)拋石：拋石是長江河道整治常見的措施之一。當(dāng)取水頭部可預(yù)見大深度沖刷情況時，在完成取水頭部施工后，應(yīng)將水下溝槽回填至自然河床面，并在表層覆蓋1.0m～2.0m厚的拋石，可有效抵御沖刷的影響。取水頭部運(yùn)營單位應(yīng)常態(tài)監(jiān)測河床沖刷情況，必要時補(bǔ)充拋石，確保取水頭部及取水管的運(yùn)營安全。

3 結(jié)語

長江取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是長江沿線城市供水設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容之一，取水工程結(jié)構(gòu)方案的合理性在一定程度上決定了以長江為水源的供水工程的成敗。筆者在連續(xù)數(shù)個長江取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，依托安徽某長江取水工程案例，介紹了取水頭部、自流管、取水泵房等取水構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對長江取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個主要關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和探討，為其他類似江河取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。