北線引水坂雪崗支線工程中泵站設(shè)計及施工要點分析

葛煥麗

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

1 工程概況

深圳市北線引水坂雪崗支線工程位于深圳市中北部，距深圳市區(qū)直距約13 km，位于深圳市龍華區(qū)觀瀾街道、龍崗區(qū)坂田街道。工程建設(shè)主要包括：北線分水口至崗頭水庫輸水工程B0+000.000～B0+022.644、K0+000.000～K4+230.000段、泵站主體工程、泵站與崗頭水庫連通工程、泵站機電設(shè)備安裝及自動化控制工程、10 kV專線電纜工程及其它附屬工程設(shè)施等，工程位置區(qū)域見圖1。原始地貌類型主要為低丘陵地貌，局部地段原始地貌為沖溝，現(xiàn)已回填整平。隨著坂田街道的發(fā)展，其供水需求增長迅速，2009年9月平均日用水量已經(jīng)達到了11.05萬m3/d，僅僅依靠梅坂應(yīng)急供水的3萬m3/d規(guī)模和三座村級水廠已經(jīng)無法滿足需水量的增長需求。特別是隨著華為科技新城的建設(shè)落地，用水量迅速增長，設(shè)計之預(yù)計初2020年用水量達到25萬m3/d。

2 取水泵站工程設(shè)計要點

2.1 站址選取

坂雪崗水廠交水點高程86.82 m，崗頭水庫正常水位高程71.40 m。北線至崗頭水庫輸水工程將原水供到崗頭水庫，需要通過泵站提升到水廠，因此在水廠附近修建取水泵站從崗頭水庫取水到水廠。通過取水口位置分析選擇，最終選定取水泵站布置在崗頭水庫南側(cè)。

2.2 泵站設(shè)計

2.2.1 引水渠及前池設(shè)計

泵站取水口在崗頭水庫南岸東側(cè)坳口，在低水位60 m高程以下時，可新開挖引渠從水庫深水區(qū)取水。引水渠與泵站前池連接的30 m段采用梯形斷面，底寬6 m，兩側(cè)采用M10漿砌石護坡，坡比為1∶1.5，砌石護坡厚500 mm；前段53 m引渠采用為梯形斷面土渠，斷面尺寸底寬6 m，邊坡1∶2，不作襯砌，渠底高程為59.63 m。

前池進水口與引水渠底中心的擴散角采用33.9°，前池長度21.6 m；前池的上游端與引水渠未端連接，前池的下游端與進水池(寬19.2 m)連接，因此，前池的寬度為6 m～19.2 m(底寬)。前池底板及兩邊池壁建筑結(jié)構(gòu)采用漿砌石護坡護底，厚600 mm，兩側(cè)坡比1∶1.5。

2.2.2 泵站廠房設(shè)計

泵房是安裝主機組及其輔助設(shè)備的廠房，其主要作用是為機電設(shè)備及其運行人員提供良好的工作條件。根據(jù)工程位置，站址周邊無建筑物，有放坡開挖的空間，采用坡率法施工可減少基坑支護費用。根據(jù)可研階段成果，泵站采用矩形整體式鋼筋砼結(jié)構(gòu)干室型泵房[1]。

(1)主廠房的布置方案比選

廠房布置根據(jù)泵機型式可作立式安裝布置和臥式安裝布置，對兩種布置方案進行分析和比較見表1。

根據(jù)表1比較，機組立式安裝的廠房尺寸要比臥式安裝小很多，布置簡單整齊，機組運行安全，故本次設(shè)計采用機組單列布置的方案一。主廠房(泵房)為二層半埋式建筑物，平面尺寸26.3 m×15.7 m，高程74.13 m以下部分為混凝土水下墻結(jié)構(gòu)，地面以上為框架結(jié)構(gòu)。

(2)泵房水泵的安裝高程確定

根據(jù)水機專業(yè)計算結(jié)果，水泵最小安裝高度為最低運行水位以上0.29 m。進水池最低運行水位59.91 m，水泵葉輪中心線高程應(yīng)不高于60.2 m?？紤]水泵在最低水位時也能以自灌式運行，按最低水位時水泵葉輪淹沒深度大于葉輪的3/4，為保證水泵自灌充水啟動，水泵葉輪頂淹沒在水下至少0.5 m。水泵葉輪中心線至泵殼頂高度0.715 m，以此確定水泵葉輪中心線高程應(yīng)不高于58.695 m。因此確定水泵安裝高程為。

為安裝機組的需要，要布置起重設(shè)備?？紤]機組重量5 t，輕級工作制，采用單梁橋式起重機。為使水泵層的設(shè)備能吊到檢修間，吊車梁軌道鋪設(shè)至檢修間。設(shè)備可從室外由汽車上一次吊入，吊車梁采用鋼筋砼T形梁。

(3)穩(wěn)定分析計算

基本組合：完建期，正常運行水位情況。特殊情況：校核洪水位情況，地震工況。

①抗滑穩(wěn)定計算采用式(1)或式(2)進行計算：

(1)

(2)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；本泵站為3級，基本組合Kc允許值1.25，特殊情況中校核水位工況Kc允許值1.15；地震工況Kc允許值為1.05；ΣG為作用于泵房基礎(chǔ)底面以上的全部豎向荷載；ΣH為作用于泵房基礎(chǔ)底面以下的全部水平荷載；A為泵房基礎(chǔ)底面面積，17.2×29.3=504 m2；f為泵房基礎(chǔ)底面與地基之間的摩擦系數(shù)，一般為0.35；f′為泵房基礎(chǔ)底面與地基之間的摩擦角Φ0的正切值，即f′=tgΦ0，Φ0為25.2°，則f′=0.471；C0為泵房基礎(chǔ)底面與地基之間的粘結(jié)力，據(jù)初設(shè)報告取4.4 kPa。

以完建情況為例計算荷載：廠房地下部分自重G1=3024×25=75600 kN；廠房上部結(jié)構(gòu)自重G2=342×25=8550 kN；墻趾上填土重G3=1.5×(15.7×2+29.3)×17.32×17.5=27597 kN；ΣG=G1+G2+G3=111747 kN，ΣH取值為20296 kN，因此按式(1)計算泵房整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

完建情況大于規(guī)范允許值1.3，滿足要求。設(shè)計運行期ΣG取值為34137 kN，ΣH合計取值為12934 kN，Kc計算值為0.92；校核水位情況下ΣG合計取值23302 kN，ΣH合計取值為10734 kN，Kc計算值為0.76；地震工況下ΣG為34137 kN，ΣH為14733 kN，Kc計算值為1.04；設(shè)計運行和校核期以及地震工況下Kc值均小于規(guī)范允許值；若按式(2)計算設(shè)計運行期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

同理計算校核洪水位情況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.23，地震工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.24均大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。

參考《水工設(shè)計手冊》第6卷“泄水與過壩建筑物”中的閘室穩(wěn)定計算章節(jié)，可在原來結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程的具體情況，采取以下措施：利用利用進水池作為阻滑板，增加抗滑力；結(jié)構(gòu)要求必須將進水池底板與泵房底板可靠地連接起來，才能保證阻滑板與泵房底板起共同抗滑作用。

②抗浮穩(wěn)定計算采用公式(3)進行計算：

(3)

式中：Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣV為作用于泵房基礎(chǔ)底面以上的全部重力；ΣU為作用于泵房基礎(chǔ)底面以上的浮托力。

③基底應(yīng)力計算

主要驗算泵房地基承載力，按容許承載力方法，按式(4)計算：

(4)

式中：P為基礎(chǔ)底面應(yīng)力的最大值或最小值，kPa/m2；ΣM為作用于泵房基礎(chǔ)底面以上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流向的形心軸的力矩；W為泵房基礎(chǔ)底面對于該底面垂直水流向的形心軸的截面矩，W取值為1444.7 m3。ΣG和A的值為已知。

不同情況下，泵房整體穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算成果見表2。

經(jīng)計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；廠房底板位于全風化花崗巖土層，通過計算，廠房各部的基底應(yīng)力均滿足承載力要求，且滿足最大基底應(yīng)力與最小基底應(yīng)力之比小于2.5，在各種力作用下，廠房整體穩(wěn)定。

表2 穩(wěn)定分析計算成果表

3 取水泵站建設(shè)方案

3.1 施工要點

(1)基坑開挖

基坑支護施工土方應(yīng)分層分段限時開挖，且應(yīng)在上一道錨桿或土釘完工，并達到設(shè)計強度后，方可開挖下層土方，每層開挖深度不大于1.5 m，嚴禁超挖，基坑開挖后暴露時間應(yīng)盡可能縮短。采用1 m3挖掘機配合8 t自卸汽車裝運，棄土臨時堆放于指定區(qū)，部分土料用于建筑物回填。基坑開挖至設(shè)計高程，平整開挖面并夯實。澆筑砼墊層之前必須將地下水位降至巖土表面之下，不可帶水澆筑，墊層砼澆筑后可在其表面拉毛之后澆水養(yǎng)護。

(2)基坑支護

崗頭水庫取水泵站地層分布為殘積土、全風化花崗巖，地下水位埋深較淺，基坑開挖時將產(chǎn)生大量涌水，根據(jù)場地工程地質(zhì)條件?；又苓叚h(huán)境以及結(jié)合基坑開挖深度，綜合考慮安全、技術(shù)、經(jīng)濟、工期等因素的影響，采用支護方案如下:基坑采用放坡+土釘墻或放坡+錯桿支護，具體詳見支護剖面圖1。土釘采用全套管預(yù)成孔工藝施工，采用Φ20HRB400鋼筋制作，設(shè)計抗拔力8 kN/m。施工排水采用明溝結(jié)合集水井排水方式，基坑開挖接近地下水位時，開挖排水溝和集水井，設(shè)置水泵，及時抽降地下水，保證干地施工。排水溝隨著開挖不斷加深，保持溝底始終低于開挖面0.5 m。

基坑開挖情況及周邊環(huán)境，主要監(jiān)測項目為開挖邊坡水平位移及垂直位移監(jiān)測，邊坡水平位移允許值10 cm，預(yù)警值8.0 cm；開挖邊坡沉降允許值為12.0 cm，預(yù)警值10.0 cm；變形速率不大于5 mm/d，如連續(xù)兩次出現(xiàn)變形速率>5 mm/d，應(yīng)作異常情況處理。

圖1 基坑支護驗算簡圖

基本參數(shù)。所依據(jù)的規(guī)程或方法：《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)，支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.000；基坑深度：15.670 m；基坑內(nèi)地下水深度：16.170 m；基坑外地下水深度：11.670 m。

坡線參數(shù)(見表3)，整體穩(wěn)定計算條件見表4，整體穩(wěn)定驗算結(jié)果表見表5。

表3 坡線參數(shù)

表4 整體穩(wěn)定計算條件

表5 整體穩(wěn)定驗算結(jié)果表

(3)砼工程運輸與施工

①砼采用商品砼，自卸汽車運輸，泵房下部砼經(jīng)溜槽入倉，上部結(jié)構(gòu)砼需用吊車帶罐上料，拌合物直接入倉，避免游離。人工插入式振搗器平倉振搗。

②砼與鋼筋砼各部位施工有不同要求，泵房底板量大，面積大，應(yīng)加強質(zhì)量控制，可由兩側(cè)向中間逐步推進，接茬部分要強振，但不可過振。砼厚度為0.9 m～1.8 m，要分層上料，每層不可超過400 mm，振搗棒插入下層砼50 mm左右為宜，避免下層拌合物水泥漿上泛。最上層振搗至泛漿為止，不可漏振亦不可過振。

③邊墻砼施工應(yīng)注意：邊墻需分倉澆筑砼拌合物；邊墻頂面、前池底板表面需用澆筑拌合物反上來的砂漿抹平，不可另加砂漿抹平，如果漿太稀可適量撒入水泥。

3.2 施工期間出現(xiàn)的問題與解決方案

(1)因施工期間未充分考慮邊坡支護結(jié)構(gòu)與灌注樁的布置，從而做出支護的局部調(diào)整，最終導(dǎo)致鉆孔灌注樁無法避開支護的土釘和錨桿，進而無法按照原設(shè)計組織施工，為了不影響泵站的通水任務(wù)，泵站副廠房E1、9軸鉆孔灌注樁改為卷揚機帶沖抓錘沖孔灌注樁方式進行施工，樁鋼筋籠和混凝土砼標號及樁長按原設(shè)計不變。通過本次設(shè)計變更調(diào)整，可進一步結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)實際情況，完善樁基施工，雖增加了部分工程投資，但可使工程順利推進，對本工程綜合效益是有利的。

(2)融合BIM技術(shù)的思考：上面變更的出現(xiàn)就是因為設(shè)計初考慮不充分導(dǎo)致的，如果泵站建設(shè)開始動工前，業(yè)主就召集設(shè)計方、施工方、材料供應(yīng)商、監(jiān)理方等，借助BIM技術(shù)建立3D全信息模型，用BIM檢查軟件檢查模型本身的質(zhì)量和完整性、合理性，進行交叉碰撞檢查等優(yōu)化設(shè)計，在工程施工前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤和缺陷，使得設(shè)計更充分，避免交叉施工因素等導(dǎo)致的設(shè)計變更工作，從而提高工程設(shè)計質(zhì)量，從源頭上杜絕工程質(zhì)量問題，同時，三維技術(shù)交底可對復(fù)雜施工組織、技術(shù)方案、工序、大型設(shè)備通道等進行施工模擬，為方案審批和可視化技術(shù)交底提供支撐，輔助決策。

4 總結(jié)

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，將它運用到實際的水利工程建設(shè)中去，能夠提升水工建筑行業(yè)整體發(fā)展。本工程的實施為坂雪崗水廠提供水源，部分解決北線檢修期間坂雪崗水廠的供水水源，提高了坂雪崗片區(qū)的供水保證率。對當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定起到重要的作用。