江灘取水構(gòu)筑物在超大洪水工況下的計(jì)算要點(diǎn)

李士民 強(qiáng)健 王林

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

引言

取水工程作為重要的民生工程，其在汛期時(shí)的安全必須要保證。對(duì)于堤壩以內(nèi)（背水側(cè)）的建、構(gòu)筑物，可通過(guò)加固堤防、提高堤壩的安全等級(jí)、干預(yù)調(diào)蓄等措施得到有效保護(hù)，而位于江灘上的取水構(gòu)筑物，如取水頭部、原水管線、取水泵房、堤外閥門井等，則要正面應(yīng)對(duì)超大洪水的沖擊。如何保證這些江灘取水設(shè)施的安全，如何考慮江灘構(gòu)筑物在超大洪水工況（下簡(jiǎn)稱“超洪工況”）下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將是結(jié)構(gòu)工程師在取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要面對(duì)的新課題。本文通過(guò)具體的工程實(shí)例，對(duì)取水頭部、原水自流管、取水泵房等構(gòu)筑物的受力特性進(jìn)行分析，簡(jiǎn)要闡述在超洪工況下取水構(gòu)筑物的計(jì)算思路。

1 工程概況

安徽省某沿江城市新建長(zhǎng)江取水工程，供水設(shè)計(jì)規(guī)模為24萬(wàn)m2/d，主要取水構(gòu)筑物包含取水頭部（樁架式）、原水自流管、取水泵房（含配電間、棧橋）等。原水取自長(zhǎng)江水，由取水頭部引入，通過(guò)原水自流管接至取水泵房的吸水前池，再由水泵加壓后，將原水通過(guò)輸水管線送至位于堤內(nèi)的自來(lái)水廠進(jìn)行后續(xù)加工處理。其中取水頭部、原水自流管、取水泵房均位于江灘之上，加壓后的原水輸水管線則以爬堤方式翻越長(zhǎng)江大堤。

取水頭部采用樁架式喇叭口取水，取水管由樁架支承并由鋼梁固定，樁型為φ800鋼管樁（內(nèi)滿灌C30微膨脹混凝土），取水管中心標(biāo)高為-7.70m，樁頂標(biāo)高為-9.00m，樁長(zhǎng)24m，現(xiàn)狀河床線最低點(diǎn)標(biāo)高為-12.30m，樁進(jìn)入現(xiàn)狀河床土約20.7m。取水頭部的平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 取水頭部平面布置Fig.1 Layout plan of water intake head

原水自流管為2根DN1400鋼管，一端與取水頭部相連，一端與取水泵房相接。與泵房連接的一段長(zhǎng)度約67m，以頂管形式自泵房頂出。頂出后的自流管由樁架固定，長(zhǎng)度約為86.5m，樁型同取水頭部。樁架段原水自流管的縱剖面布置見(jiàn)圖2。

圖2 原水自流管（樁架段）縱剖面Fig.2 Longitudinal section of gravity flow pipe with piles

取水泵房為圓形，內(nèi)徑為26m，泵房底板頂標(biāo)高為-2.80m，泵房頂板面標(biāo)高為15.50m。取水泵房采用沉井形式施工，兼作自流管的頂管工作井。取水泵房平、剖面布置見(jiàn)圖3。

圖3 取水泵房平、剖面Fig.3 Layout plan and section of raw water pump house

根據(jù)河勢(shì)分析報(bào)告，防洪設(shè)計(jì)水位建議值為13.76m。取水頭部處的最大流速建議值為1.75m/s，在防洪設(shè)計(jì)水位條件和最大流速下，相應(yīng)位置的河床最大沖刷深度建議值為5.00m。2020年6月—7月，長(zhǎng)江在當(dāng)?shù)貐^(qū)段曾迎來(lái)幾次大的洪峰，其中超過(guò)防洪設(shè)計(jì)水位的天數(shù)有23d，最高洪水位達(dá)到了14.81m，高出防洪設(shè)計(jì)水位1.05m，屬于超大洪水。

2 構(gòu)筑物在超洪工況下的計(jì)算要點(diǎn)

2.1 取水頭部

樁架式取水頭部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要在于樁的設(shè)計(jì)，而樁入河床土的深度是樁設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)。位于江中的鋼管樁可看作嵌固于河床上的懸臂桿件，其主要承受的水平荷載為流水壓力，而懸臂長(zhǎng)度則為扣除最大沖刷深度后的高出河床地面的樁長(zhǎng)。流水壓力的計(jì)算公式［1］為：

式中：Fdw，K為流水壓力的合力標(biāo)準(zhǔn)值；Vw為設(shè)計(jì)流速，取水頭部處最大垂線平均流速；γw為水的重度；g為重力加速度；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，應(yīng)計(jì)算至最低沖刷線處。

根據(jù)式（1）可知，流水壓力Fdw，K與水流速Vw、投影面積A有關(guān)，A與樁的懸臂長(zhǎng)度直接相關(guān)，而樁的懸臂長(zhǎng)度則取決于河床最大沖刷深度。因此，水最大流速和河床最大沖刷深度直接影響著樁的計(jì)算。鋼管樁的計(jì)算主要包括單樁水平承載力驗(yàn)算和樁水平位移驗(yàn)算兩個(gè)方面。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，一般后者起控制作用。參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94—2008）［2］第5.7.3條對(duì)樁在地面處的水平位移允許值χ0a的表述，在常規(guī)工況下，取水頭部的鋼管樁可參照對(duì)水平位移敏感結(jié)構(gòu)物，即扣除沖刷深度后，χ0a取為6mm。此時(shí)地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值可按JGJ94—2008中表5.7.5取值，樁的水平位移按表C.0.3-1計(jì)算。

在超大洪水來(lái)臨時(shí)，水位將高于防洪設(shè)計(jì)水位，河床的最大沖刷深度也會(huì)隨之加深。在《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）［1］中第5.2.2節(jié)提到，最大沖刷包括三部分：1）河槽自然演變引起的自然沖刷；2）構(gòu)筑物壓縮水流斷面產(chǎn)生的一般沖刷；3）構(gòu)筑物周圍水流結(jié)構(gòu)變化造成的局部沖刷。作為取水頭部，因其阻流面積很小，通?？芍挥?jì)算局部沖刷。在河勢(shì)分析報(bào)告中，河床的局部沖刷采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286—2013）［3］的經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，即局部沖刷深度hs為：

式中：H0為沖刷處的水深；Ucp為近岸垂線平均流速；Uc為泥沙起動(dòng)流速；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)（取1/4～1/6）。

參考《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）式5.2.2-7，近岸垂線平均流速Ucp為：

式中：KE為汛期含沙量參數(shù)；為河床土壤平均粒徑。

在超洪工況下，除水深H0可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)外，其余各變量均可通過(guò)巖土勘察報(bào)告和河勢(shì)分析報(bào)告得知。由此，可近似求得該工況下的最大沖刷深度。而此時(shí)水的最大流速，則可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到。本工程中實(shí)測(cè)值與河勢(shì)分析報(bào)告提供的最大流速1.75m/s相差不大，故仍按1.75m/s考慮。考慮到超洪工況為短期工況，樁在地面處的水平位移允許值χ0a可參照對(duì)水平位移不敏感的結(jié)構(gòu)物，取為10mm。

2.2 原水自流管

若取水頭部為樁架式，那么原水自流管與取水頭部相接的一段一般也會(huì)考慮做成樁架式。在實(shí)際工程中，現(xiàn)狀河床線扣除最大沖刷深度后，應(yīng)保證自流管道的周圍尤其是管底土體不能被沖掉，形成“懸空管”。因此，樁架段的長(zhǎng)度同樣也與最大沖刷深度有關(guān)。相同水位和流速條件下，離岸越近，河床的局部沖刷深度會(huì)越小。與取水頭部一樣，在超洪工況下，河床最大沖刷深度的增加也直接影響著樁架段自流管的布置長(zhǎng)度。而對(duì)于自流管的樁計(jì)算，則與取水頭部相同，可參見(jiàn)第2.1節(jié)。

2.3 取水泵房

位于江灘上的取水泵房，考慮到利于行洪、減少水流阻力系數(shù)、減少對(duì)河床沖刷等因素，設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)選擇圓形或長(zhǎng)圓形。由于泵房吸水前池要與重力流的原水自流管相接，泵房通常會(huì)埋深較深。在土層地質(zhì)條件適宜的情況下，可采用沉井工藝施工。在超洪工況下，首先需要驗(yàn)算構(gòu)筑物的抗浮穩(wěn)定。根據(jù)2020年3月1日實(shí)施的《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ476—2019）［4］中表3.0.3，抗浮工程設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的構(gòu)筑物，使用期間的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.10，施工期間可取1.05。超洪工況作為短期工況，可參照施工工況，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05?？垢》€(wěn)定滿足后，其次就是泵房?jī)?nèi)的各構(gòu)件的計(jì)算。在水位低于防洪設(shè)計(jì)水位時(shí)，各構(gòu)件（包括井外壁、中隔墻、底板、底梁等）既要滿足強(qiáng)度計(jì)算，又要滿足裂縫寬度不大于0.2mm的要求。而在超洪工況，可僅須滿足各構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算要求即可。

需要注意的是，同正常使用工況一樣，在超洪工況下，泵房的外壁板、中隔墻也應(yīng)該根據(jù)池Ⅰ、池Ⅱ（見(jiàn)圖3）內(nèi)同時(shí)空水、同時(shí)滿水或單格滿水等不同條件下分別計(jì)算各工況的內(nèi)力，再取包絡(luò)值設(shè)計(jì)外壁、中隔墻的鋼筋。

另外，由于在本工程中配電房與泵房合建，其設(shè)置于在泵房的上層。此時(shí)還應(yīng)考慮到最極端情況，即洪水位漫過(guò)泵房頂板的情況?？傮w設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮配電房不要設(shè)置在地上一層，以保證極端情況下的供電安全。

3 超洪工況計(jì)算時(shí)仍存在的問(wèn)題

（1）取水頭部形式多種多樣，參考《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）［1］，取水頭部可分為重力式、沉井式、樁架式、懸臂式等。由于不同的結(jié)構(gòu)形式，其受力和變形特點(diǎn)均不相同，故計(jì)算方法也不能一概而論。當(dāng)超大洪水來(lái)臨時(shí)，不同的取水頭部應(yīng)根據(jù)其各自的受力、變形特點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行超洪工況下的驗(yàn)算。

（2）河勢(shì)分析報(bào)告中沖刷深度的取值是基于物理模型、規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式、歷年實(shí)測(cè)沖刷等三種計(jì)算方法綜合而來(lái)。由于技術(shù)條件所限，本文無(wú)法通過(guò)第一、三種方法來(lái)估算超洪工況下的河床最大沖刷深度，僅依據(jù)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，有一定的局限性，可能會(huì)存在一定的誤差。對(duì)于沖刷深度的計(jì)算還有包式公式［1］、65-1式［1］等其他計(jì)算方法。為減小誤差，在實(shí)際工程中可采用多公式對(duì)比分析，綜合判定超洪工況下的最大沖刷深度。

（3）在不同區(qū)域的江灘，土層地質(zhì)條件會(huì)有差異。河床下土質(zhì)為黏性土還是非黏性土、是否存在不易沖刷土層、是否為巖基河床等，這些都影響著河床局部沖刷深度的計(jì)算。在具體工程中結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)巖土勘察單位出具的巖土勘察報(bào)告和水文勘測(cè)單位提供的河勢(shì)分析報(bào)告，有針對(duì)性地來(lái)研究河床的沖刷規(guī)律并進(jìn)行分析計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在汛期內(nèi)超大洪水位條件下，對(duì)本工程江灘上各取水構(gòu)筑物的計(jì)算要點(diǎn)的闡述，現(xiàn)有以下幾點(diǎn)建議和結(jié)論供參考：

1.對(duì)樁架式取水頭部和樁架式自流管線，在超洪工況下，樁在地面處的水平位移允許值χ0a可參照對(duì)水平位移不敏感的結(jié)構(gòu)物，適當(dāng)放寬至10mm。一方面可保證超大洪水來(lái)臨時(shí)，取水頭部或原水管線的安全，另一方面還可避免由過(guò)多的安全儲(chǔ)備而產(chǎn)生的較大浪費(fèi)。

2.當(dāng)超大洪水來(lái)臨時(shí)，取水泵房?jī)?nèi)各設(shè)備及供水生產(chǎn)均處于正常運(yùn)行狀態(tài)，因此泵房?jī)?nèi)各水池區(qū)格的滿水、空水等工況與正常水位工況時(shí)相同。各構(gòu)件尤其是外壁、中隔墻等均需要按照不同的組合進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。在超洪工況下各構(gòu)件可僅按強(qiáng)度控制。

3.位于江灘上的取水泵房頂板標(biāo)高應(yīng)高于超大洪水水位，在條件允許時(shí)，可與江堤的堤頂控制標(biāo)高持平。若配電間與取水泵房合建，應(yīng)當(dāng)避免建在地上一層。

4.原水自流管線在靠近取水頭部區(qū)段應(yīng)采用樁架布置。而靠近泵房側(cè)的非樁架段，在超洪工況下，現(xiàn)狀河床線扣掉最大沖刷深度后，還應(yīng)保證管道頂有一定的覆土厚度，不能出現(xiàn)因沖刷而產(chǎn)生“懸空管”現(xiàn)象。

5.江灘取水構(gòu)筑物除了在計(jì)算上考慮超大洪水位工況外，還應(yīng)做好適當(dāng)?shù)淖o(hù)底護(hù)岸加固措施。拋石護(hù)岸是最常用的防護(hù)措施。對(duì)于石塊直徑、拋石厚度、拋石范圍等，可參照《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）第5.4.1節(jié)的計(jì)算方法來(lái)確定。另外，鋼絲石籠加固、梢捆和柴排加固也是一些因地制宜的護(hù)岸加固措施。

6.水文勘測(cè)單位出具的河勢(shì)分析報(bào)告一般會(huì)給出防洪設(shè)計(jì)水位建議值，但對(duì)于超大洪水位往往不提供。隨著近年來(lái)超大洪水的不斷出現(xiàn)，建議水文勘測(cè)單位條件允許時(shí)，盡量預(yù)估超大洪水可能出現(xiàn)的水位標(biāo)高以及在此水位條件下的最大流速、河床沖刷深度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。