移動式浮船長江水源取水工程中的設(shè)計體會

■李 力，王成云 ■中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430000

長江三峽工程是當(dāng)今世界上在建的最大水利樞紐工程，三峽水庫的建設(shè)對長江蓄洪調(diào)峰、水力發(fā)電、旅游景觀等都起到了巨大作用，同時也對長江下游河道造成了一定影響。因長江下游水流變緩，水中泥砂下沉，河床的演變趨勢也隨之發(fā)生了變化，長江下游沿線原有固定式取水構(gòu)筑物取水頭部容易受到泥沙淤泥，致使取得的原水泥沙量大，甚至無法取水，給后續(xù)凈水廠水處理構(gòu)筑物造成很大沖擊負荷，嚴重時無水可供。這將勢必給相關(guān)地區(qū)城市居民生活和工業(yè)生產(chǎn)造成惡劣影響。本文就某取水項目采用移動式浮船取水應(yīng)對此類問題的相應(yīng)設(shè)計中遇到的問題及體會進行總結(jié)。

1 項目工程概況

某縣城現(xiàn)有河床式取水泵房1 座，規(guī)模為6 萬m3/d，供至縣城一水廠，水源為長江水。因受長江河床演變影響，取水頭部嚴重堵塞，致使城區(qū)長時間斷水，給人民生活和工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴重影響，供水企業(yè)不得不考慮另行設(shè)置取水設(shè)施，以便與現(xiàn)狀固定式取水泵房互為備用。考慮到該縣城用水量增加，即將進行二水廠的建設(shè)，此次取水工程將二水廠取水工程一并實施。

經(jīng)過對一水廠現(xiàn)狀運行情況調(diào)查，該廠原水含沙量高，水處理構(gòu)筑物運行負荷大，水處理效率不高。

根據(jù)取水位置地勘報告，地質(zhì)情況從上至下為:(1)填土(Q4ml):雜色，稍濕，主要由粘性土和砂土構(gòu)成，上部含少量植物根系，下部夾大量粒徑3～8cm 碎石、塊石，呈棱角狀。層厚1.20～1.60 米，堆填時間約五年，全場分布。(2)粉質(zhì)黏土(Q2al +pl):紅褐色～灰黃色，稍濕，硬塑狀，局部為可塑狀態(tài)，切面較粗糙，干強度中等，韌性一般，主要成分為粘性土，下部夾少量粉細砂。(3)殘積土(S)雜色，原巖組織結(jié)構(gòu)全部破壞，石英、長石已風(fēng)化為砂土狀，母巖為砂巖，含少量塊狀砂巖，水浸狀態(tài)下易崩解。(4)強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(S)紅棕色，原巖組織結(jié)構(gòu)基本破壞，風(fēng)化不均勻，巖芯大部分呈砂土狀，結(jié)構(gòu)松散，含少量石英、長石顆粒;部分呈4～8cm 碎塊狀。

經(jīng)過對工藝條件、地質(zhì)條件的仔細分析，并會同各方商討，再結(jié)合現(xiàn)場的實際地質(zhì)情況，決定采取將浮船固定于搖臂支墩基礎(chǔ)之上的搖臂式浮船取水這一取水工藝。

2 選擇浮船取水的優(yōu)勢

該取水工程水源為長江水，距現(xiàn)狀取水口約65m，擬建取水口位于長江岸坡南岸，岸坡有適宜的傾角，在11～18°之間。岸坡主要由填土、粉質(zhì)黏土、殘積土、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化砂巖構(gòu)成，長江流經(jīng)區(qū)域的河道較為平直，江水流速平緩，作為取水口較理想。

在岸邊建造固定式取水泵房，要先圍堰筑壩，將圍堰區(qū)域內(nèi)的水全部抽干，建造泵房，再安裝水泵、閥門、管路、自控系統(tǒng)等。固定式泵房具有維護管理方便、應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強等優(yōu)點，適合取水量較大的水廠。但土石方開挖量及水下工程量較大、工程投資高、施工周期長、取水頭部易受泥沙淤積困擾。

(1)移動式浮船。優(yōu)點:①工程用材少，投資少，無復(fù)雜水下工程，施工簡單，上馬快;②船體構(gòu)造簡單，可避開底層泥砂，取表層水;③在河流水文和河床易變化的情況下，有較強的適應(yīng)性。缺點:①對管理水平要求較高;②船體維修養(yǎng)護頻繁，怕沖撞、對風(fēng)浪適應(yīng)性差，供水安全性相對較差。

(2)固定式泵房。優(yōu)點:①便于管理，維護管理方便;②應(yīng)用廣泛，取水安全可靠性高，適應(yīng)性較強;③適合取水量較大的水廠。缺點:①土石方開挖量較大，有一定的水下工程量，工程投資較高;②施工周期長，施工受河流水位影響;③需要新增征地;④取水頭部需設(shè)在航道以下，離河床較近，易受泥砂淤積困擾。

本項目取水口條件適宜采用移動式浮船取水。浮船分兩個取水系統(tǒng)分別供至一水廠和二水廠，因浮船取水方式主要會對航運造成影響，設(shè)計的重中之重就是合理確定浮船的位置。

3 浮船取水定位設(shè)計

3.1 浮船橫向定位

浮船在橫向的定位主要取決于97%保證率最枯水位，使最枯水位時浮船底距河床底仍然滿足安全距離要求。

該項目方案階段，浮船設(shè)置與距岸邊136m 處，搖臂輸水管采用40m 長，即搖臂支墩距岸邊95m。航道部門提出浮船橫向定位在豐水期會影響航道，也不利于浮船安全。為了解決這一問題，同時提高浮船的安全性，要求浮船最大可能靠近岸邊設(shè)置。

設(shè)計經(jīng)過與建設(shè)單位、廠家進行商討，設(shè)計中將浮船往岸邊靠近10m，同時將搖臂輸水管長度加長10m，使搖臂支墩更靠近岸邊，同時加強運行期間對河床演變進行檢測，定期及時對河底進行清淤，以保證浮船底距河床的安全距離。但此時豐水期仍然影響航運，因此考慮能夠在豐水期將浮船移動靠岸。針對這一想法，分別提出了如下幾種方案:(1)通過搖臂接頭將浮船順時針旋轉(zhuǎn)靠岸。該方案易于實現(xiàn)，且操作相對方便。但是對搖臂裝置的要求較高，必須保證在頻繁移船過程中接頭不漏水。另外由于取水浮船為雙輸水管，旋轉(zhuǎn)至一定位置時，兩輸水管之間存在干涉，泵船移動的位置受到一定局限。(2)豐水期采用牽引設(shè)備將浮船移至岸邊。該方案在岸坡建軌道，浮船通過牽引設(shè)備固定，可隨水位升降改變浮船橫向位置。但因本工程總規(guī)模達11 萬m3/d，所需浮船尺寸大，重量大，所需卷揚機牽引力也大。而且據(jù)對取水口處實地踏勘，不適宜建設(shè)軌道。(3)采用多節(jié)浮船。該方案通過拆裝浮船輸水管的管節(jié)改變浮船位置。但該工程規(guī)模大，輸水管管徑較大，吊車無法靠近，拆裝時起吊輸水管很困難，可操作性差。

綜合比較，通過搖臂接頭將浮船順時針旋轉(zhuǎn)靠岸最具有可行性。計算得出的豐水期靠岸距離基本能夠滿足航運要求。

3.2 浮船在縱向的定位

因為本工程首要任務(wù)是作為一水廠備用取水設(shè)施，首先要考慮離一水廠近，縱向定位就鎖定在現(xiàn)狀取水泵房上下游附近。鑒于上游有采砂碼頭等，人員活動較多，不利于水源保護，不適于作為取水口;下游60～100m 段河床等高線比較密集，河床較陡，此處設(shè)置取水浮船可盡量靠近岸邊，減少對航道的影響及棧橋長度;再往下游河道主流偏離岸邊愈遠。

3.3 搖臂支墩定位

浮船隨水位漲落上下浮動主要是通過萬向搖臂接頭，而搖臂輸水管考慮到安全性其長度也受到限制，一般在50～60m 范圍內(nèi)。設(shè)計為了使搖臂支墩盡量靠岸，取搖臂輸水管為50m。

3.4 人行棧橋的設(shè)計

為了便于浮船泵站的操作和檢修，需要在浮船搖臂支墩和河岸間設(shè)置人行棧橋。搖臂支墩和人行棧橋是移動式取水浮船方式中主要的水下土建構(gòu)筑物，將會對河道行洪和堤防形成影響，其布置和設(shè)計是否合理十分關(guān)鍵。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的體會

本工程擬建場地位于江邊，上覆土層較厚，且擬建構(gòu)筑物受水流水平?jīng)_刷力的影響較大，因此，各水下構(gòu)筑物基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，人行棧橋采用鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)形式。

對于長江中的人行棧橋，其支墩間距設(shè)置是否合理關(guān)系到對行洪影響的大小，同時又要保證結(jié)構(gòu)安全。該項目人行棧橋?qū)?.0m，其合適的支墩間距采用8-12m。

人行棧橋的一端連接了取水浮船，其受力要充分考慮在最不利情況下(如大風(fēng)、高流速時)浮船造成的影響。

對取水泵船搖臂基礎(chǔ)受力計算，對以下參數(shù)計算后得出:

(1)因無確切流速，取最大流速為2.5m/s，

(2)設(shè)計風(fēng)速:最大風(fēng)速為19.1m/s，則風(fēng)壓為q=0.631 × V2=0.631 ×19.12≈230N/m2=0.23KN/m2

(3)浮塢相關(guān)參數(shù):船體浸水面積A=400m2;船體吃水橫截面積A1=24m2;浮體迎風(fēng)面面積A2=177m2;輸水臂的橫截面積A3=45m2。

(4)輸水管對岸邊基礎(chǔ)的垂直壓力:

輸水管水管重:G 總=G 管+G 水=14T+20T=34T，G 搖臂=6T

輸水管對基礎(chǔ)的垂直壓力:F 管壓=(G 總/2 +G 搖臂)×2.5m/s×9.8

=(34T/2 +6T)×2.5m/s×9.8

=563.5kN

計:F 管壓=563.5kN

(5)泵船由輸水管及錨鏈、纜繩共同作用下固定，基礎(chǔ)處于正常水位(洪水時淹沒)。受力如下:

①水對船體的推力:F船=gfAVm1+gCA1Vm2，取m1=1.83，m2=0.25

=9.81 ×0.17 ×400 ×2.5(1.83 次方)+9.81 ×36 ×24 ×2.5(0.25次方)

=3567.9 +10657.8=14225.7N≈14.2KN

②風(fēng)對船體的推力:F1 浮體=0.23KN/m2 ×177m2=40.71kN

③風(fēng)對上游輸水臂的推力:F1 管=0.23KN/m2 ×45m2=10.35kN

④風(fēng)對下游輸水臂的推力:F2 管=qA3×0.6=0.23KN/m2 ×45m2×0.6=6.21kN

⑤風(fēng)對輸水臂的推力:F管總=10.35 +6.21=16.56kN

⑥風(fēng)作用輸水臂的推力對基礎(chǔ)反作用力:F基=16.56 × 5/8=10.35kN

⑦風(fēng)作用輸水臂的推力對泵船反作用力:F管船=16.56 ×3/8=6.21kN

⑧風(fēng)作用輸水臂的推力對基礎(chǔ)的力矩:M=FL/8=16.56 ×40/8=82.8kN·m

⑨水和風(fēng)對的船體推力與輸水臂對船體反作用力的合力:F 合=40.71 +16.56=57.27kN

⑩船體對上游端鋼絲繩的拉力:F 上'=57.27 ×SIN45≈40.5kN

11下游端鋼絲繩對船體的拉力:F 下'=57.27 ×SIN45≈40.5kN

基礎(chǔ)受力分析。由上面計算可以知:輸水臂對基礎(chǔ)的垂直壓力563.5kN ＞水和風(fēng)對的浮體推力與輸水臂對浮體反作用力的合力57.27kNkN;

如此由兩側(cè)鋼絲繩、中間輸水臂組成的岸邊寬，船邊窄的三角形結(jié)構(gòu)，足以滿足風(fēng)浪的沖擊，達到工況要求。

5 結(jié)論

在長江為水源的取水工程中，河床演變的不確定性將在一定時期內(nèi)存在，如何在新的形勢下選擇合理的取水方案關(guān)系到城市發(fā)展的基礎(chǔ)，希望該工程的設(shè)計能給后續(xù)類似情況提供參考，使取水工程做到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、合理。

［1］給水排水設(shè)計手冊.城鎮(zhèn)給水.中國建筑工業(yè)出版社.

［2］嚴煦世，范瑾初.給水工程(第四版).中國建筑工業(yè)出版社.