攀月頭灌區(qū)取水口改造設(shè)計(jì)與研究

樂 圣

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州510630）

1 工程概況

攀月頭灌區(qū)福塘干渠工程是為了解決下游隆都灌區(qū)實(shí)現(xiàn)自流灌溉的灌溉供水工程。攀月頭灌區(qū)由攀月頭溝、團(tuán)結(jié)溝及福塘干渠組成，控制的灌溉面積1.6萬畝，原進(jìn)水渠首為攀月頭涵，位于潮州樞紐庫區(qū)內(nèi)。隆都灌區(qū)由急水、中學(xué)后、中心、南面干渠組成，原設(shè)計(jì)灌溉面積3.5萬畝，原取水口為急水涵，兩個(gè)灌區(qū)相互獨(dú)立互不連通。

受韓江干流河床連年下切影響，位于潮州供水樞紐下游的隆都灌區(qū)已無法自流引水，工程從潮州供水樞紐庫區(qū)內(nèi)重建取水口自流引水，通過延長(zhǎng)福塘干渠供水至隆都灌區(qū)。取水口位于潮州水流樞紐上游東廂堤約2.4 km處，堤防等級(jí)為3級(jí)。輸水線路經(jīng)潮州的鳳美、磷溪、福聚、塔后，交水至汕頭的急水，沿途主要采用管道和隧洞輸水。線路總長(zhǎng)約7.35 km，設(shè)計(jì)流量5.07 m3/s，本工程屬粵東灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程子項(xiàng)目之一，主要永久建筑物級(jí)別為3級(jí)，包括取水口、穿堤鋼管、出水池、量水間等［1］。

2 取水口改造重建

2.1 基本資料

（1）原攀月頭取水口為岸塔式取水口，穿堤涵為一孔φ1.6 m圓涵，進(jìn)口底高程4.45 m，由于此進(jìn)水涵閘興建于1965年，其破損較嚴(yán)重，管內(nèi)淤堵，管周滲漏嚴(yán)重。

（2）潮州供水樞紐水庫正常蓄水位10.5 m，死水位8.5 m，取水口設(shè)計(jì)水位為9.5 m（灌溉設(shè)計(jì)保證率為90%），最低運(yùn)行水位8.5 m，最高運(yùn)行水位14.13 m（設(shè)計(jì)洪水位，50年一遇）。

（3）泥沙情況。根據(jù)取水口上游控制站潮安站記錄，多年平均含沙量為0.29 kg/m3，多年平均輸沙量為686萬t。

（4）地形情況。取水口位于潮州供水樞紐上游東廂堤約2.4 km處凹岸，堤防斷面為復(fù)式斷面，堤頂高程為20.0 m，堤外灘地高程為11.9 m，為地勢(shì)平坦開闊的沖積平原。

（5）地質(zhì)情況。取水口地層巖性以第四系松散堆積層為主，自上而下分別為粉質(zhì)粘土、粗砂、礫砂，堤基為強(qiáng)透水層。

2.2 改造的必要性

受河床下切、河勢(shì)變化、水位降低等影響，為充分發(fā)揮潮州供水樞紐的工程效益，將連通攀月頭灌區(qū)、隆都灌區(qū)，取水口取水規(guī)模發(fā)生較大變化，且現(xiàn)狀取水口年久失修、破損嚴(yán)重，取水流量已嚴(yán)重不足。因此工程有必要對(duì)其進(jìn)行改造，以確保滿足當(dāng)?shù)毓喔裙┧枨蟆?/p>

2.3 改造目標(biāo)

本工程的目標(biāo)是確保滿足取水需求，具體概括：（1）在各種設(shè)計(jì)工況下取到對(duì)應(yīng)流量的水，滿足設(shè)計(jì)供水保證率。（2）取水口進(jìn)水流態(tài)較佳，減少淤積。（3）避免對(duì)航道產(chǎn)生影響。（4）方便運(yùn)行維護(hù)管理。

2.4 取水口輸水管徑設(shè)計(jì)

攀月頭取水口設(shè)計(jì)流量為5.07 m3/s，穿堤后分兩條管，主管分流3.60 m3/s至隆都灌區(qū)，支管分流1.47 m3/s至原攀月頭取水口分水池。輸水管線示意圖見圖1。

圖1 輸水管線示意圖

輸水管徑的選擇以滿足交水點(diǎn)的水頭流量要求，且引水工程的總投資最省為原則。具體原則如下：

（1）考慮到本工程采用的是重力流自流輸水方式，不涉及到抽水年電費(fèi)的問題，所以總投資最省即為在現(xiàn)有水頭條件下盡量選擇管徑最小的管材。

（2）輸水管徑的選擇必須滿足流量要求，取水口處設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為9.5 m時(shí)能取到設(shè)計(jì)流量5.07 m3/s，樞紐水位8.5 m時(shí)能取到90%的設(shè)計(jì)流量4.56 m3/s，樞紐水位10.5 m時(shí)能取到加大流量6.34 m3/s。

（3）原攀月頭取水口埋管管徑為DN1600，經(jīng)復(fù)核，設(shè)計(jì)流量有一定富余，本著原規(guī)模重建原則及考慮日后城市發(fā)展的用水需求，支管管徑定為DN1000［2］。

為滿足以上幾點(diǎn)要求，本次選取主管輸水管徑2.0 m、2.2 m、2.4 m對(duì)不同流量進(jìn)行水力計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 不同管徑水力計(jì)算比較表

2.5 取水口進(jìn)口高程設(shè)計(jì)

為防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，有壓式進(jìn)水口應(yīng)滿足最小淹沒深度要求，示意圖見圖2，為保證進(jìn)水口內(nèi)為壓力流，最小淹沒深度S應(yīng)不小于1.50 m～2.00 m。

圖2 有壓進(jìn)水口淹沒深度示意圖

最小淹沒深度的驗(yàn)算：按照不產(chǎn)生摻氣漩渦的弗汝德數(shù)Fr=V1/（9.81×S1）0.5＜0.23，進(jìn)出水口最小淹沒水深及弗汝德數(shù)見表2。

表2 進(jìn)水口最小淹沒水深成果及弗汝德數(shù)表

通過上述計(jì)算，取水口進(jìn)水口底高程確定為4.60 m。

2.6 取水口形式及布置

進(jìn)口翼墻段長(zhǎng)18.5 m，翼墻選用八字形，底板坡度為1∶5，于翼墻中段設(shè)置沉沙池；檢修閘室段長(zhǎng)10.2 m，寬4.0 m，為帶胸墻單孔閘，采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)。閘底板厚1.0 m，閘墩厚0.8 m，閘孔尺寸為2.4 m×2.4 m（凈寬×凈高）。閘墩上設(shè)防洪檢修閘門和攔污柵，閘底板高程4.6 m，閘墩頂高程11.9 m，并設(shè)置啟閉機(jī)室，啟閉機(jī)室操作層高程為15.9 m，在東廂堤頂和啟閉機(jī)室之間設(shè)置寬3 m的交通橋連接；穿堤頂管段長(zhǎng)74.2 m，閘室后采用頂管穿過東廂堤，管道中心線高程4.20 m～5.80 m，鋼管總長(zhǎng)74.2 m，坡比為1：47.2，管內(nèi)徑為2.4 m，鋼管壁厚28 mm，管周回填灌漿，在管道穿過原東廂堤防滲墻后1 m處新增高壓擺噴防滲墻，沿堤軸線布置，長(zhǎng)10 m，厚200 mm。頂管出發(fā)井采用灌注樁+內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。頂管采用泥水平衡式頂管機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)施工。出發(fā)井為圓形，內(nèi)徑R=5.5 m，內(nèi)襯墻厚0.8 m，灌注樁直徑0.8 m。管道在工作井處分岔，在分岔上游側(cè)設(shè)置進(jìn)人孔。在堤外頂管出口處采用水泥攪拌樁加固土體，不設(shè)接收井［3］。

2.7 取水口閘室穩(wěn)定計(jì)算

取水口受力有自重、水重、填土土壓力、浪壓力、地震力，取水口閘室計(jì)算見圖見圖3。

圖3 取水口閘室計(jì)算簡(jiǎn)圖

閘室整體抗浮、抗滑及基地應(yīng)力計(jì)算成果表見表3。

表3 取水口檢修閘閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表3可知：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)設(shè)計(jì)值Kf大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求；閘室基底最大應(yīng)力為134 kPa，最大平均應(yīng)力為126 kPa，閘室基礎(chǔ)經(jīng)水泥碎石砂換填后，地基承載力滿足要求。

2.8 基礎(chǔ)處理方案比選

根據(jù)取水口檢修閘的穩(wěn)定計(jì)算成果，閘室基底最大應(yīng)力為133.98 kPa，平均應(yīng)力為129.92 kPa。取水口檢修閘底板建基面高程約3.60 m，該高程以上部分將作挖除處理。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，取水口閘室底板建基面以下地層主要為②-2層中粗砂、礫砂，松散狀，層厚約10.0 m～12.0 m，承載力標(biāo)準(zhǔn)值（fak=120 kPa～240 kPa），而在該層以下③層為淤質(zhì)細(xì)砂層，松散狀，層厚2.2 m～3.0 m，承載力標(biāo)準(zhǔn)值（fak=90 kPa～110 kPa），存在液化可能。

參考本地區(qū)已建類似工程的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)取水口檢修閘地基承載力要求以及地基沉降量的要求，地基處理方案初步選取水泥攪拌樁和摻水泥碎石砂換填進(jìn)行比選，兩個(gè)方案對(duì)比如下：

方案一：水泥攪拌樁

采用樁徑為φ600的水泥攪拌樁，攪拌樁布設(shè)于取水口檢修閘閘室，矩形連體布置，樁長(zhǎng)約13.0 m，樁間距0.5 m，在底板下設(shè)0.3 m厚砂石料墊層，攪拌樁伸入砂石料墊層0.1 m，建筑物周圍采用連體攪拌樁圍封做抗液化處理，圍封樁平均樁長(zhǎng)為13.0 m，經(jīng)計(jì)算φ600攪拌樁的工程量約為790 m，直接工程費(fèi)用約為8萬元。

方案二：挖除換填

本方案僅對(duì)持力層進(jìn)行處理，根據(jù)以往工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采用摻8%水泥碎石砂進(jìn)行換填，強(qiáng)度可達(dá)500 kPa以上。取水口檢修閘基礎(chǔ)換填厚度約為0.8 m，直接工程費(fèi)用約為2.5萬元。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51247-2008），本工程取水口檢修閘抗震設(shè)防類別為丙類，可不采取抗液化措施，且液化土層離基底較深，約9 m～10 m，因此不考慮抗液化處理。

攀月頭取水口閘室位于東廂堤迎水側(cè)，場(chǎng)地狹窄，水泥攪拌樁受施工場(chǎng)地限制，難以在狹窄的工作面開展工作，需在攪拌樁施工時(shí)填筑施工臨時(shí)平臺(tái)，增加臨時(shí)費(fèi)用，且水泥攪拌樁施工完畢后需待樁體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行靜載試樁，影響工程項(xiàng)目的施工進(jìn)度。如果采用挖除換填，施工速度快，受周邊環(huán)境限制較少。因此，攀月頭取水口檢修閘基礎(chǔ)采用摻8%水泥碎石砂進(jìn)行換填。

3 結(jié)語

類似攀月頭取水口的布置形式，在沖積平原上采用廣泛，未來水資源配置和灌區(qū)改造工程技術(shù)研究必將更受重視和深入，上述對(duì)取水口改造設(shè)計(jì)可為類似的工程設(shè)計(jì)提供借鑒。