東風(fēng)西沙水庫取水鋼管建造方案研究

孫永林

（上?？睖y設(shè)計研究院 上海 200434)

1 工程概述

東風(fēng)西沙水庫工程位于長江口南支上段、崇明島的西南側(cè)。2002年上海市對東風(fēng)西沙實施了部分圈圍成島工程，東風(fēng)西沙水庫工程利用東風(fēng)西沙島與崇明島之間的夾泓建設(shè)水庫，夾泓呈狹長形，上寬下窄，呈西北——東南走向，上口與白茆沙北水道相接，下游出口與廟港口門相鄰，水庫庫區(qū)規(guī)劃總面積約3.74km2，總庫容為976.2萬 m3。作為上海市四大水源地之一，主要為崇明島本島居民提供優(yōu)質(zhì)的長江原水，近期供水規(guī)模為21.5萬 m3/d，遠期供水規(guī)模為40萬m3/d。工程區(qū)地處長江三角洲入海口前緣，地貌屬河口砂嘴砂島地貌類型，其位置見圖1。

東風(fēng)西沙水庫及取輸水泵閘工程由上游取水泵閘、下游水閘、環(huán)庫大堤及輸水泵站等工程組成，其中新建東、西堤共約3572m，加高加固東風(fēng)西沙海塘和崇明島大堤約8436m；取水泵站規(guī)模為40m3/s，取水閘凈寬14m，下游水閘凈寬8m。

取水泵閘位于水庫上游西南端，西堤與東風(fēng)西沙島之間的江心灘地上，上游側(cè)為取水閘，下游側(cè)為取水泵站，見圖2。取水泵站泵房采用堤身式布置，泵房內(nèi)設(shè)置五臺抽芯式混流泵，單泵流量為 8m3/s，泵站采用取水安全性較高的管道深槽江心取水方式，共設(shè)置兩個取水頭部，后接2根直徑3200mm的重力式泵站進水鋼管，取水頭部位置設(shè)于近年河勢相對穩(wěn)定的深水區(qū)域-8.0m等深線附近，并按航道部門要求離開白茆沙北水道江輪航道 500m，取水頭部距離岸邊泵房約450m。

圖1 東風(fēng)西沙水庫區(qū)位圖

取水泵閘的主要功能為進入咸潮期時，利用泵站提水維持水庫水位，根據(jù)咸潮入侵短期預(yù)報，在咸潮來臨之前 12小時左右將水庫蓄至最高蓄水位5.65m，以及在咸潮期鹽峰之間可取水時段內(nèi)搶引淡水，非咸潮期在滿足水質(zhì)要求前提下自流引水入庫、緊急情況下應(yīng)急排水，并與下游水閘聯(lián)動使水庫內(nèi)的水保持流動以保證水庫水質(zhì)。取水鋼管是取水泵站的重要組成部分，采用江心取水的方式，使取水泵站能夠取到優(yōu)質(zhì)的長江水，以滿足水庫的水質(zhì)要求。

2 取水口區(qū)域工程條件

2.1 取水口及附近水域河勢變化情況

取水泵閘取水口布置在東風(fēng)西沙頭部附近，東風(fēng)西沙頭部位于白茆沙北水道中下段北側(cè)，該河段河勢演變長期以來受上游宏觀河勢變化的影響，呈現(xiàn)沖淤反復(fù)的演變規(guī)律，近年來白茆沙南水道呈發(fā)展趨勢，北水道總體保持相對穩(wěn)定態(tài)勢，白茆沙河段河勢呈南強北弱相對穩(wěn)定的河勢格局。在白茆沙河段航道整治工程實施之后，整治工程將有利于維持現(xiàn)有南北水道相對穩(wěn)定的分汊河勢格局，在此條件下，取水口前沿河床產(chǎn)生持續(xù)性沖刷的可能性比較小。取水口及附近岸灘的地形 1980～2002年間呈持續(xù)沖刷態(tài)勢，2002～2012年則呈現(xiàn)時沖時淤的季節(jié)性沖淤交替變化特征，變化幅度相對較小，總體上表現(xiàn)為相對穩(wěn)定，因此適宜做為取水泵站及取水口的布置位置。

2.2 地質(zhì)概況

根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報告揭示，工程區(qū)域位于東風(fēng)西沙島嶼西北頭部近圈圍大堤的外側(cè)淺灘區(qū)域，總體地形平坦，漲潮時水位高于灘面，退潮時出露灘面，擬建場地屬河口砂嘴砂島地貌類型。自然灘地面標(biāo)高平均為2.50m。灘面以下地基土分層主要為①1-1層淤泥，灰色，為新近淤積形成，層厚約0.10～2.40m；②3-1層灰色粉砂，層厚約 1.00～7.50m；②3-2層灰色砂質(zhì)粉土夾粘性土；②3-3層灰色粉砂，層厚約 1.20～11.90m；⑤1-1層灰色粘土，層厚約 0.80～10.20m；⑤1-2層灰色粉質(zhì)粘土，層厚約 2.20～15.50m；⑤2-2層灰色粉質(zhì)粘土夾砂，層厚約7.40～24.30m。

3 取水鋼管建造方案比選

3.1 取水方式

根據(jù)已建工程經(jīng)驗，泵站取水可以是頭部加管道江心取水，如陳行水庫、寶鋼水庫，也可以是明渠進水，如青草沙水庫等，進水方式的選取涉及多方面的因素。針對本工程的建設(shè)條件和區(qū)域位置，調(diào)研分析了類似工程實例，主要從河勢、水文條件、污染物擴散條件及環(huán)境風(fēng)險等方面比較東風(fēng)西沙水庫江心和岸邊取水方式的差異，經(jīng)比選后推薦采用江心取水方式，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：

（1)隨著東風(fēng)西沙夾泓的淤漲萎縮，其過水能力逐漸減弱，目前東風(fēng)西沙頭部灘面呈淤漲態(tài)勢。因此，近岸取水進水渠泥沙易于落淤，需定期進行清淤，與江心取水相比今后將增加運行成本。

（2)工程區(qū)外側(cè)為白茆沙北水道，是長江漲落潮流的一條主通道；江心取水與邊灘取水相比，由于水深較大，江心的漲落潮主流相對穩(wěn)定，有較大的水深和流速，且無死水回流區(qū)，江心取水口的水文動力條件優(yōu)于岸邊取水口，且潮流的對流擴散能力更強。江心水域污染物的摻混和降解作用更為明顯，從降低環(huán)境風(fēng)險上講，江心取水口的環(huán)境風(fēng)險要小于岸邊取水口。

（3)取水口附近有新建水閘，汛期時內(nèi)河水閘外排水會對東風(fēng)西沙取水口造成一定的威脅。目前崇明島內(nèi)河水質(zhì)基本呈劣Ⅴ類，汛期內(nèi)河污水通過水閘排入長江后，易在近岸形成污染帶。汛期水閘外排水對江心取水處影響要小于近岸取水。

圖2 取水泵閘布置圖

3.2 取水鋼管建造方案

取水頭及進水鋼管布置為河床式，即將取水頭伸到長江的深水區(qū)，兩個取水頭所處灘面高程在-8.0m左右，水深約 12.0m?？紤]到干地法施工需修筑的圍堰工程量較大，相應(yīng)工程費用也較高，故取水頭部及進水鋼管段擬采用水下施工方案。在取水頭位置及建造方式基本明確地條件下，連接取水頭的取水鋼管建造主要考慮了以下三個方案，并進行了技術(shù)經(jīng)濟比較。

（1)埋管方案：采用水下開槽埋管施工，考慮到長江口河床沖刷的不穩(wěn)定性，為保證管道安全，進水鋼管基礎(chǔ)采用低樁承臺結(jié)構(gòu)。每根進水鋼管長約 40m，每根進水鋼管下設(shè)兩道承臺，承臺為預(yù)制橫梁結(jié)構(gòu)，上部設(shè)鋼質(zhì)支座環(huán)固定進水鋼管。每個承臺下布置 4根 PHC預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁。取水頭基礎(chǔ)采用鋼殼沉箱水下混凝土樁基承臺結(jié)構(gòu)，承臺下布置12根PHC預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，樁頂設(shè)鋼樁帽，以便與取水頭下鋼沉箱通過螺栓可靠連接。

（2)頂管方案：水平進水鋼管采用頂管法施工，頂管埋深為現(xiàn)狀灘面標(biāo)高以下的最小覆土厚度為 5m（進出口位置)，最大覆土厚度為 8m（中部)，工作井利用現(xiàn)有取水泵站泵房，不設(shè)接收井，取水頭部采用多點式取水頭布置，在單根水平管頭部設(shè)6根DN1500的垂直頂升管，頂部設(shè)鋼格柵。頂管法及垂直頂升管法工藝成熟，在大量電廠排水項目中得到運用。

（3)組合方案：在取水鋼管穿越圍堰且目前灘面較高（0.0m高程以上)預(yù)計今后灘面高程變化不大的區(qū)域采用水平頂管方案，頂管段長度242.5米，深槽段（0.0m高程以下區(qū)域)及取水頭部仍采用樁基埋管方案，埋管段長207.5m。工作井利用現(xiàn)有取水泵站泵房，不設(shè)接收井，頂管頂進到設(shè)計位置后水下切割工具頭，由潛水員安裝哈弗套管與埋管段連接。

以上三個方案的特點詳見表1。經(jīng)過對施工的環(huán)境條件、難度及技術(shù)水平和抗風(fēng)險能力等多方面因素的綜合評估后決定采用組合方案。

組合方案采用頂管與埋管相結(jié)合的方案。取水鋼管采用2根DN3200鋼管，兩根進水鋼管中心間距 13m，單根進水鋼管長約 450m，其中埋管段長 204.5m，頂管段長度 243.7m（含穿墻段1.2m)，從泵房穿越圍堰至0m等深線位置處與埋管段相接。泵房進口處管中心標(biāo)高-4.50m，取水頭部處管中心標(biāo)高-9.10m。根據(jù)地形條件，頂管段坡比為 0.9%，在頂管與埋管銜接處（即離泵房 242.5m處)管道中心標(biāo)高-6.70m。由于埋管采用樁基基礎(chǔ)，為施工方便，盡量采用水平埋管布置，因此在距離泵房約335m處進行一次高程降低處理，降低高程為2.4m。鋼管安裝節(jié)長度控制在40m，管節(jié)間采用哈夫套管進行連接。

埋管段鋼管考慮到長江口河床沖刷的不穩(wěn)定性，為保證管道安全，其進水鋼管基礎(chǔ)采用低樁承臺結(jié)構(gòu)。每根進水鋼管長約40m，每根進水鋼管下設(shè)兩道承臺，承臺一般間距23.40m，節(jié)間處間距16.60m。承臺為1500×1000mm預(yù)制橫梁結(jié)構(gòu)，上部設(shè)鋼質(zhì)支座環(huán)固定進水鋼管。每個承臺下布置 4根樁支承 2根鋼管，樁型選用D800×110mmPHC預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁，樁長25～28m，樁基持力層為⑤2-2層。

表1 取水鋼管建造方案比較

4 施工控制要點

4.1 埋管段管道安裝連接

埋管段進水鋼管基礎(chǔ)采用低樁承臺結(jié)構(gòu)，其施工工序為水下土方開挖→水上打樁施工→樁帽、橫梁安裝→橫梁間距水下測量→管道與管座抱箍定位→管道及管座水下沉放→潛水員水下定位→管座與橫梁螺栓連接。

樁基施打過程中應(yīng)嚴(yán)格控制沉樁過程中的樁頂高程。管樁的樁頂高程應(yīng)與設(shè)計高程一致，才能保證橫梁高程的準(zhǔn)確性，但實際施工中，管樁的樁頂高程在施工中由于各種因素的影響很難達到標(biāo)準(zhǔn)，因此在管樁沉樁結(jié)束應(yīng)實測樁頂高程，根據(jù)實測樁頂高程調(diào)整樁帽的高度以達到設(shè)計高程。如管樁高程偏低時需在樁帽內(nèi)加設(shè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墊措施來加高樁帽標(biāo)高。

管樁與樁帽、樁帽與橫梁、橫梁與鋼管外側(cè)鋼性支座環(huán)之間均采用螺栓連接，螺栓開孔需等水下定位結(jié)束后由潛水員水下開孔實施后再安裝螺栓。

4.2 頂管段與埋管段連接

取水鋼管組合方案分頂管和水下埋管兩種施工工藝，因此頂管和埋管連接段最后施工，頂管頂進到設(shè)計位置后將管道內(nèi)所有機械設(shè)備拆除后撤出，工具頭暫時留在管內(nèi)，由潛水員進行水下割除。在水下氣割前頂管的工具頭內(nèi)的電氣部分要拆除并密封，此時管道內(nèi)應(yīng)充水，工具頭切割后起吊運走，待水下沉管開挖后，沉放安裝連接段管道，管道兩端用哈夫套管連接安裝。

為確保該連接段管道的準(zhǔn)確安裝，同時便于哈夫連接接頭的安裝，最后一段連接段管道長度應(yīng)待頂管工具頭切割完成后，由潛水員水下測量已沉放安裝好的埋管端部與頂管端部的實際距離后再按照該長度進行連接段管道的加工制作。同時在安裝前必須準(zhǔn)確測量出埋管段和頂管段管端的管頂標(biāo)高，以確認該兩端是否存在高差。如偏差較大，則需要相應(yīng)調(diào)整該埋管連接段管道下的兩道鋼橫梁的標(biāo)高，否則管道安裝及哈夫接頭的安裝將較難完成。如橫梁頂高程偏低，則采取在樁帽內(nèi)加設(shè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墊措施來加高橫梁標(biāo)高的措施；如橫梁頂高程偏高，則必須對樁頂進行切割破碎修整，將橫梁標(biāo)高降低后才能沉放管道。因此該段管道的樁基宜在施打時盡量不要高，寧可低些采取調(diào)高橫梁的措施進行修正。

5 結(jié)語

東風(fēng)西沙水庫取水鋼管建造方案采用頂管與埋管相結(jié)合的方式實施，充分考慮了江心取水方式在河勢影響、水文條件及降低環(huán)境風(fēng)險等方面的因素，綜合了頂管與埋管兩種施工工藝的優(yōu)點，縮短了工期，可供類似的取水工程參考。