大型海上取水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廖澤球，張曉云

（1.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663；2.北京市自來水集團(tuán)，北京 100089）

1 概述

某大型濱海燃煤發(fā)電廠位于我國(guó)南海海邊，電廠采用一次循環(huán)海水直流供水系統(tǒng)，海上取水口長(zhǎng)30.2m，寬7.2m，高8.8m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，取水口頂面標(biāo)高-1.0m，位于海平面以下，屬于淹沒取水方式。取水口離岸邊87.2m，取水口與岸邊引水隧洞之間采用預(yù)制鋼筋混凝土引水箱涵連接。取水方式為海上取水口→引水箱涵→引水隧洞→廠區(qū)。取水口所在位置海域海床平均標(biāo)高-4.50m，海床地質(zhì)條件為中微風(fēng)化花崗巖。波浪條件比較惡劣，存在涌浪，每年6—10月屬于臺(tái)風(fēng)期，現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地狹窄。在如此復(fù)雜的自然條件下，取水口的設(shè)計(jì)和施工面臨著極高的技術(shù)挑戰(zhàn)。常規(guī)的整體吊裝方案或分節(jié)海上安裝方案均存在一定的技術(shù)難題。波浪物理模型試驗(yàn)表明，如果將取水口結(jié)構(gòu)按進(jìn)水孔分為3節(jié)，則單節(jié)重496 t，小于500 t，可以采用常規(guī)的500 t浮吊進(jìn)行安裝，但在設(shè)計(jì)波浪作用下，構(gòu)件將發(fā)生移動(dòng)，是不穩(wěn)定的，只有在整體情況下才是穩(wěn)定的。而采用整體浮運(yùn)吊裝，則存在需要開挖工作船航道，水下爆破開挖量較大等問題。經(jīng)過深入分析比較，決定采用將大尺寸的取水口整體結(jié)構(gòu)按照進(jìn)水倉(cāng)拆分為小于500 t的分體結(jié)構(gòu)，然后水上拼裝在一起，采用專門的連接板等技術(shù)措施，將獨(dú)立的分體結(jié)構(gòu)連結(jié)成整體，成為整體結(jié)構(gòu)的新思路。該方案綜合了分節(jié)海上安裝施工方便和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)目的技術(shù)先進(jìn)、安全經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

2 自然條件

取水口所在海域海床面標(biāo)高-4.50m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），取水口到岸邊海床面相對(duì)平緩。由于屬于海浪沖刷區(qū)域，海床地質(zhì)主要為中微風(fēng)化花崗巖，礁石裂隙豐富，基本沒有泥砂覆蓋層，岸邊基巖出露。

200 a一遇設(shè)計(jì)高潮位4.07m，97%設(shè)計(jì)低潮位-1.53m，多年平均潮位0.58m，潮位屬于不規(guī)則半日潮。

在設(shè)計(jì)高潮位條件下，50 a一遇最大波高H1%為9.5m，SE向波浪，平均周期為10.5 s。在設(shè)計(jì)低潮位條件下，50 a一遇最大波高H1%為7.9 m，SE向波浪，平均周期為10.1 s。除了波浪作用外，取水口區(qū)域還存在涌浪。

取水口所在海域波浪較大，水深較淺，海床地質(zhì)以硬巖為主，是本取水口所在地理位置的自然特點(diǎn)。

3 結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)取水工藝要求，取水口長(zhǎng)30.2 m，寬7.2 m，高8.8m，因長(zhǎng)度較長(zhǎng)，長(zhǎng)度方向分3格進(jìn)水，取水口底板面標(biāo)高-7.0m，為正面開倉(cāng)進(jìn)水、其他面封閉的矩形箱體結(jié)構(gòu)，布置于離岸邊87.20m的海域，取水口平面布置圖見圖1。

圖1 取水口及引水箱涵平面布置圖Fig.1 Layout plan of the water intake and water diversion box culvert

取水口外開挖喇叭口引水槽，引水槽低標(biāo)高為-8.00m，比取水口底面標(biāo)高低1.0m，作為預(yù)留淤積深度余量。岸邊引水隧洞口設(shè)閘門井，供隧洞施工或檢修擋水之用，取水口與岸邊隧洞口閘門井之間采用引水箱涵相連，引水箱涵為雙孔矩形斷面，總寬8.4m，高4.5 m，單孔內(nèi)凈空3.5m×3.5m。取水口和引水箱涵均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

由于海床地質(zhì)為中微風(fēng)化花崗巖，引水槽、取水口、引水箱涵基槽均需進(jìn)行海上爆破開挖。

4 結(jié)構(gòu)安全分析

由于本取水口所在海域波浪較大，取水口在波浪作用下的安全穩(wěn)定是該取水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要技術(shù)問題。對(duì)于本取水口結(jié)構(gòu)，由于正面開倉(cāng)因素，海浪正面作用時(shí)，波浪壓力穿過進(jìn)口格柵，進(jìn)入取水口箱體內(nèi)后，作用在箱體內(nèi)后壁上，從而對(duì)取水口結(jié)構(gòu)形成向岸方向的推力。而波浪反向作用時(shí)，波浪從岸邊向海域方向作用在取水口后壁上，對(duì)取水口結(jié)構(gòu)形成向海域方向的推力。波浪往復(fù)作用對(duì)取水口相應(yīng)形成向前向后的往復(fù)推力作用，由于取水口結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，取水口后方引水箱涵、進(jìn)水口正面的格柵和梁板以及取水口箱體的存在，對(duì)波浪的作用大小均有影響。結(jié)合物理模型試驗(yàn)，參考目前海工有關(guān)規(guī)范，對(duì)本取水口進(jìn)行波浪作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算。

單件穩(wěn)定計(jì)算：根據(jù)試驗(yàn)單位推薦的數(shù)據(jù)，波谷作用下取水口結(jié)構(gòu)兩側(cè)單件所受的波浪推力設(shè)計(jì)值3026 kN。取水口兩側(cè)單件結(jié)構(gòu)重量5000 kN（在水中扣除浮力后重量為2959 kN），摩擦系數(shù)取0.60，則摩阻力：2959×0.6÷1.1=1614 kN。

摩阻力<波浪推力，說明單件在波浪作用下不安全。

整體穩(wěn)定計(jì)算：取水口結(jié)構(gòu)總重量14610 kN（在水中扣除浮力后重量為8647 kN），由于取水口中間塊前后是開孔的，波谷作用時(shí)，后方引水箱涵的存在，使取水口中間塊基本沒有受波浪作用，波浪推力設(shè)計(jì)值近似采用3026×2=6052 kN。

摩阻力： 8647×0.6÷1.1=4716 kN<6052 kN。

計(jì)算結(jié)果表明取水口整體結(jié)構(gòu)在波浪作用下也是不安全的。鑒于計(jì)算方法較難準(zhǔn)確考慮取水口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了進(jìn)一步復(fù)核取水口的安全性，委托科研單位進(jìn)行了波浪物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

波浪物理模型試驗(yàn)考慮了200 a一遇設(shè)計(jì)高潮位、97%設(shè)計(jì)低潮位與50 a一遇波浪進(jìn)行組合的工況，取水口結(jié)構(gòu)考慮整體結(jié)構(gòu)和分為三件拼裝兩種結(jié)構(gòu)方案。取水口抵抗波浪作用主要依靠取水口結(jié)構(gòu)自重與海床拋石基礎(chǔ)之間產(chǎn)生的摩擦力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，取水口整體結(jié)構(gòu)方案在波浪作用下是穩(wěn)定的。取水口三件拼裝方案，在波浪作用下，中間箱體穩(wěn)定沒有發(fā)生位移，兩端的箱體則不同程度地發(fā)生位移，表明是不穩(wěn)定的。按照試驗(yàn)結(jié)論，本取水口結(jié)構(gòu)必須采用整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)才能確保取水口的安全穩(wěn)定?？紤]計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在的差異，安全起見，取水口結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上還應(yīng)考慮一定的安全加強(qiáng)措施。

3件取水口箱體連結(jié)成整體的具體措施見圖2。

圖2 取水口Fig.2 Water intake

將取水口箱體下埋1800mm，3件取水口箱體均安裝就位后，在箱體外圍四周采用C40水下不分散混凝土將3件箱體澆筑固定在一起，上部通過在3件箱體拼接處頂部設(shè)置頂部連接板將3件箱體連為一體，通過下部澆筑混凝土和上部連接板措施，使3件取水口箱體連結(jié)為一體，達(dá)到整體的效果。

頂部連接板寬4.0m（跨兩側(cè)各2.0m），長(zhǎng)6.84m，厚0.80m，連接板與取水口箱體頂板之間采用X形雙向連接鋼筋（二級(jí)鋼￠18@800）連接，連接鋼筋下端預(yù)埋在取水口箱體頂板上。連接鋼筋承受的水平剪力計(jì)算時(shí)，將取水口箱體作為一上下端鉸支的垂直桿件，波浪水平推力作用于取水口箱體，進(jìn)行分析計(jì)算得到。

連接板必須在水下條件下進(jìn)行施工，為了避免波浪對(duì)澆筑連接板混凝土造成影響，在連接板外圍設(shè)置擋水板，擋水板厚180mm，頂部標(biāo)高2.0m，擋水板和箱體頂板對(duì)接處均設(shè)預(yù)埋的橡膠止水帶止水。取水口箱體拼接就位后，將取水口箱體頂部的連接板范圍形成圍閉空間，為施工頂部連接板提供可抽干水或確保擋水板內(nèi)水體處于靜止?fàn)顟B(tài)便于施工水下混凝土。

5 施工方法

取水口箱體分為3件后，單件重量和尺寸明顯減少，對(duì)預(yù)制場(chǎng)地、起吊船只、浮運(yùn)航道等施工要求均降低了。引水箱涵和取水口箱體施工方法如下：

1）3件取水口箱體和引水箱涵在電廠碼頭附近場(chǎng)地預(yù)制和養(yǎng)護(hù)。

2）基槽采用水下爆破和水下開挖。

3）基槽開挖完畢，采用500 t浮吊船將引水箱涵吊運(yùn)到設(shè)計(jì)位置，按照后退式次序從閘門井向外方向逐節(jié)安裝，最后安裝3件取水口箱體，先安裝中間件，后安裝兩端件。

4）取水口箱體安裝完畢，澆筑取水口箱體下部外圍四周水下混凝土，吊裝頂部連接板鋼筋網(wǎng)片，澆筑連接板水下混凝土。

5）待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，打掉高出連接板頂面的擋水板，以避免高出的擋水板受波浪作用，增加取水口的受力。

6 結(jié)語(yǔ)

大型電廠的循環(huán)水取水口尺寸和重量較大，如果按照常規(guī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，則對(duì)施工船只、施工航道、預(yù)制場(chǎng)地等均要求較高。在這種情況下，采用將大尺寸的整體結(jié)構(gòu)分解為小尺寸、小噸位的結(jié)構(gòu)，然后拼裝在一起，結(jié)構(gòu)下部采用水下混凝土澆筑錨固、上部采用連接板連接，將小結(jié)構(gòu)連結(jié)成一體，達(dá)到整體的效果，既利用了小尺寸、小噸位的施工優(yōu)點(diǎn)，又滿足了整體結(jié)構(gòu)的安全要求，某電廠循環(huán)水取水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工實(shí)踐證明該技術(shù)方案是可行的。

對(duì)于海上取水口結(jié)構(gòu)，目前波浪作用計(jì)算理論還不夠成熟，需要采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。建議針對(duì)海上取水口異形結(jié)構(gòu)在波浪作用下的計(jì)算方法進(jìn)行更多的探討研究，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。

[1] JTS145-2—2013，海港水文規(guī)范[S].JTS 145-2—2013，Code of hydrology for sea harbour[S].

[2] JTS167-2—2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].JTS 167-2—2009，Design and construction code for gravity quay[S].

[3] 馮士明，沈良君，胡德華，等.水下不分散混凝土在核電站取水口工程中的應(yīng)用[J].混凝土，2001（8）：6-8.FENG Shi-ming，SHEN Liang-jun，HU De-hua，etal.Application of non-dispersible underwater concrete in the construction of Qinshan nuclear power station[J].Concrete，2001（8）：6-8.

[4] 謝喬木，陳波，楊云蘭，等.沉管在核電排水工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2013（3）：37-41.XIE Qiao-mu，CHEN Bo，YANG Yun-lan，etal.Use of immersed tubes in drainage works for a nuclear power plant[J].China Harbour Engineering，2013（3）：37-41.