赤壁市長江取水工程取水設(shè)計

封 威，羅 波，齊艷杰，何 飛，唐 歉

(1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.長江設(shè)計集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430010；3.昆明市滇池水生態(tài)管理中心，云南昆明 650228)

水資源是自然資源的重要組成部分，也是國家綜合實(shí)力的重要表現(xiàn)。飲用水水源作為安全飲水的首道屏障，是整個供水系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要前提，也是保證末端飲用水水質(zhì)的必要條件。

目前，赤壁市中心城區(qū)在用水廠為二、三水廠，其水源均為陸水水庫，水質(zhì)不穩(wěn)定，水源污染控制難度大，應(yīng)對水源水質(zhì)事故的抗沖擊性不足。赤壁市長江取水工程的建設(shè)對于提高赤壁市飲用水水質(zhì)、保障城市的建設(shè)安全、構(gòu)建供水系統(tǒng)的安全保障體系，促進(jìn)赤壁市社會建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

國內(nèi)外諸多取水工程都采用了固定式取水頭部和沉井泵房的形式。僅湖北省內(nèi)就有多個實(shí)例。經(jīng)調(diào)查，長江上游的黃石花湖水廠和嘉魚縣潘家灣取水泵站、下游的黃陂新武湖水廠、漢江上游的谷城水廠、下游的走馬嶺水廠等多個水廠的取水均采用固定式取水頭部、自流式引水管和圓形沉井泵房的形式，且多年運(yùn)行良好，說明固定式取水頭部和沉井泵房在長江流域湖北段是適合的。該項目在充分調(diào)研類似項目的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化設(shè)計，以保證取水安全性及經(jīng)濟(jì)適用性。

1 項目簡介

赤壁市長江取水工程項目地點(diǎn)位于湖北省咸寧市赤壁市，項目規(guī)劃總規(guī)模為30萬m3/d，其中近期建設(shè)規(guī)模為10萬m3/d。該項目的建設(shè)對赤壁市供水格局及安全具有重大意義。項目水源為長江水，針對長江取水工程的特點(diǎn)，通過比選采用固定式取水頭部、自流式引水管及圓形沉井泵房內(nèi)設(shè)離心泵的方案，采用壓力管穿堤的方式進(jìn)行建設(shè)。

工程的總體規(guī)模為30萬m3/d，近期規(guī)模為10萬m3/d，其中取水頭部和引水管按總規(guī)模設(shè)計，一次性實(shí)施，取水泵房土建按總規(guī)模設(shè)計和實(shí)施，設(shè)備按近期設(shè)計規(guī)模安裝。

2 取水口

2.1 河勢及河床分析

長江赤壁段長24.69 km，以赤壁山為界，上段為新堤(界牌)河段，下段為陸溪口河段，赤壁市位于其右岸。

根據(jù)《赤壁長江取水工程水文分析專題報告》，1981年以來，螺山至石頭磯河段岸線基本穩(wěn)定，變幅較小。深泓平面變化也不大，主要體現(xiàn)在幾個分、匯流口位置的變化，深泓縱向變化沖淤交替，無明顯的單向性沖淤變化趨勢。本河段各洲灘歷年來位置基本穩(wěn)定，略有消長，但幅度不大，深槽沖淤交替，變化較為明顯。河段內(nèi)各典型斷面河床形態(tài)呈沖淤交替變化，因河段邊界條件較好，河段河床大部分較為穩(wěn)定，過流面積、平均河底高程等變化幅度較小。從沖淤計算來看，本河段沖刷幅度較小，基本趨于穩(wěn)定?？傮w而言，該河段近期河勢較為穩(wěn)定。

赤壁山上游段主流靠左岸，且右岸河灘寬淺，主流有逐年向左岸移動趨勢；赤壁山磯頭處河道最窄，河床最穩(wěn)定，深弘線基本靠右岸；經(jīng)過赤壁山磯頭后，受赤壁山磯頭束水挑流的影響，主流逐漸向左岸過渡，右岸變?yōu)閺澋劳拱?。因此，從河勢及河床分析，赤壁山磯頭上游附近最適宜興建取水口[1]。

赤壁山磯頭附近水下地形(1/10 000)如圖1所示。

圖1 赤壁山磯頭附近水下地形圖Fig.1 Underwater Topographic Map near Jitou in Chibi Mountain

2.2 岸邊條件

以赤壁山磯頭為界，目前上游基本為河漫灘，灘地寬(溪流匯入口至赤壁山磯頭)為400～1 300 m，標(biāo)高在25.10～30.50 m，可見赤壁山磯頭上游附近目前均具有較好的建設(shè)條件。

2.3 取水口位置選擇

從河勢演變和岸邊條件分析，工程取水點(diǎn)宜在赤壁山磯頭上游3.0 km范圍內(nèi)選擇。根據(jù)現(xiàn)場反復(fù)踏勘，擬選擇3個取水點(diǎn)進(jìn)行方案比較，如圖2與表1所示。各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。

圖2 取水口方案示意圖Fig.2 Diagram of Water Intake Scheme

方案一：在原赤壁鎮(zhèn)水廠取水口處(赤壁山磯頭與過江汽渡碼頭中間)。

表1 各方案工程量及投資估算Tab.1 Project Quantity and Investment Estimation of Each Scheme

表2 各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.2 Comparison of Advantages and Disadvantages of Each Scheme

方案二：在原赤壁鎮(zhèn)水廠取水口(赤壁山磯頭)上游1.2 km處。

方案三：在原赤壁鎮(zhèn)水廠取水口(赤壁山磯頭)上游2.0 km處。

為確保原水水質(zhì)和取水的安全可靠性，避免對赤壁山風(fēng)景區(qū)環(huán)境造成影響，保證工程的順利實(shí)施，宜采用方案二，且方案二投資較適中，實(shí)施條件較好，故推薦方案二為擬選方案。

3 工程內(nèi)容

3.1 取水頭部

根據(jù)《赤壁長江取水工程水文分析專題報告》，工程擬建取水口斷面的1%頻率洪水位為33.03 m，97%保證率水位為13.32 m，洪、枯水位變幅為19.71 m。同時結(jié)合長江水下地形情況和類似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)進(jìn)水管地形地質(zhì)條件選定的施工方法，確定工程采用箱式取水頭部。

根據(jù)水源特點(diǎn)和取水口地形、地質(zhì)、水文條件，擬采用箱式取水頭部。其主要優(yōu)點(diǎn)是施工簡單、水下工程量最少、檢修維護(hù)方便、抗堵塞能力強(qiáng)。

取水頭部按30萬m3/d規(guī)模設(shè)計，其外形尺寸為L×B×H=12.60 m ×5.40 m ×6.50 m。其長度方向與長江水流方向平行，取水頭部設(shè)于河床1.50 m標(biāo)高處，其距離取水泵房邊約810.00 m。根據(jù)長江干流航道規(guī)劃，赤壁段航行基準(zhǔn)面為13.22 m，吃水深度為3.70 m，為不影響航運(yùn)，根據(jù)《赤壁市長江取水工程通航條件影響評價》審核意見，取水頭部箱頂標(biāo)高設(shè)計為6.80 m。

取水頭部雙側(cè)開窗，雙側(cè)進(jìn)水，共設(shè)8個窗口，單窗寬度為1 375 mm，窗口高度為2.30 m。進(jìn)水格柵采用角鋼L70×6、85×10扁鋼制作而成，為保證取水安全，獲得較好的水流條件，減少進(jìn)砂和其他漂浮物，格柵順?biāo)鞣较虺?5°布置。柵條凈距為50 mm，單窗實(shí)際有效過流寬度為50×15=750 mm，取水頭部格柵總有效過流面積為13.80 m2，堵塞系數(shù)取0.75，進(jìn)柵流速為0.35 m/s，過柵水頭損失為0.30 m。

為保證取水及行船安全，在取水頭部外側(cè)設(shè)置航標(biāo)。

3.2 引水管

考慮到工程取水規(guī)模較大，為保證取水安全，引水管形式考慮采用自流管。從取水的安全可靠性考慮，設(shè)置2根引水管，在管徑選擇上考慮適當(dāng)留有余地。

3.2.1 管徑的確定

采用2根DN1400引水管，當(dāng)取水量達(dá)到31.5萬m3/d時(考慮5%的凈水廠自用水)，2根引水管同時引水，管內(nèi)流速為1.18 m/s，水力坡降i=1.08‰，單管長度約810.00 m，總水頭損失約1.10 m。近期取水量為10.5萬m3/d時(考慮5%的凈水廠自用水)，為提高管內(nèi)流速、減少淤積，采用單管引水，兩管交替運(yùn)行，管內(nèi)流速為0.79 m/s，水力坡降i=0.515‰，總水頭損失約0.52 m。當(dāng)其中1根引水管維護(hù)檢修，取水量為設(shè)計流量的70%時(取水水量為22.05萬m3/d)，流速為1.65 m/s，水力坡降i=1.911‰，總水頭損失約1.95 m。

3.2.2 敷設(shè)方式

為保證取水要求，自流引水管取水泵房端的管中心標(biāo)高為10.25 m，引水管穿越河漫灘段最大埋設(shè)深度將大于10.00 m。因此，穿越河漫灘段引水管采用頂管施工埋設(shè)管道，引水管水下部分采用開槽浮運(yùn)、沉管、拋石護(hù)管埋設(shè)施工。

3.2.3 管材選擇

引水管為自流管道，管道鋪設(shè)在長江岸灘下，距離岸邊越近，埋深越大。結(jié)合管道施工方式及運(yùn)行維護(hù)檢修方便的因素，保證管道輸水安全，建議采用鋼管，壁厚采用16 mm。頂管段鋼管外防腐采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層防腐，沉管段鋼管外防腐采用GZ-2新型高分子防腐涂料，鋼管內(nèi)防腐均采用GZ-2新型高分子防腐涂料防腐。

3.3 取水泵房

3.3.1 位置的選擇

工程擬建取水口處深水區(qū)距長江右岸約100.00 m，該處長江右岸河灘寬約800.00 m，且較為平坦，取水泵房設(shè)置在河灘上具有較好的施工條件，同時取水泵房也可設(shè)置在堤內(nèi)。堤內(nèi)泵房優(yōu)點(diǎn)如下：(1)安全可靠，管理方便；(2)堤內(nèi)岸上施工，水下工程量??；(3)不需要單獨(dú)考慮防洪安全；(4)不影響長江行洪。缺點(diǎn)為進(jìn)水管較長，自流管需下部穿堤，對堤防的安全有影響。堤外泵房優(yōu)點(diǎn)為壓力管可上部翻堤，對堤防影響小。缺點(diǎn)如下：(1)水下工程量大；(2)對長江行洪有一定影響；(3)需自行解決防洪問題。

項目原水管為2根DN1400鋼管，若將取水泵房設(shè)在長江大堤內(nèi)部，則原水管只能從長江大堤的下部穿越，會對大堤的安全性產(chǎn)生較大影響。根據(jù)水利部門要求，工程原水管禁止穿越長江大堤，并要求取水泵房靠近大堤一側(cè)外壁距離大堤堤腳50.00 m以上，盡量降低對長江大堤的影響。因此，只能將泵房設(shè)在長江大堤外。

工程的建設(shè)應(yīng)降低對現(xiàn)狀河道堤岸的影響，并保證建成后堤岸防汛功能不變。因此，將泵房設(shè)于堤外，對行洪不產(chǎn)生影響，項目建設(shè)方案已通過洪水影響評價。

3.3.2 結(jié)構(gòu)型式選擇

取水泵房處側(cè)壁土層主要為②-2a粉質(zhì)黏土、②-3粉質(zhì)黏土、②-4粉質(zhì)黏土、②-5粉質(zhì)黏土夾粉土，構(gòu)筑物基礎(chǔ)底部位于②-4粉質(zhì)黏土層與②-5粉質(zhì)黏土夾粉土層中，該兩層承載力特征值分別為95 kPa與110 kPa，存在性狀差異。根據(jù)相關(guān)工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過對基坑周邊環(huán)境條件和水文地質(zhì)條件的研究，取水泵房圍護(hù)一般有沉井、單排灌注樁+支撐+止水帷幕、SMW工法、雙排灌注樁+止水帷幕等形式。

近年來，沉井工藝越來越成熟，深度越來越深，平面尺寸也越來越大。沉井作為頂管井施工完成后即可作為工藝永久井使用，無需在坑內(nèi)另作井，其造價較低，施工周期較短，頂管施工過程中安全系數(shù)較高。但沉井下沉?xí)r對周邊環(huán)境有影響，需設(shè)置井外施工止水帷幕保護(hù)樁進(jìn)行隔水及加固，以減小其施工帶來的影響。

灌注灌注樁+止水帷幕的墻體剛度大，施工過程中對周邊地基擾動小，對鄰近建(構(gòu))筑物的影響小，支護(hù)開挖深度可達(dá)20.00 m，但這種方式施工工期較長。

SMW工法井為三軸攪拌樁插H型鋼作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有擋土、擋水作用。具有經(jīng)濟(jì)性好、施工速度快的優(yōu)勢，但一般用于開挖探度≤12.00 m的頂管井。

雙排灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)為無支撐懸臂結(jié)構(gòu)，方便土方開挖，在場地受限地區(qū)深基坑支護(hù)工程中具有廣泛應(yīng)用，一般應(yīng)用于開挖探度為8.00～14.00 m基坑。

在經(jīng)濟(jì)方面，沉井的費(fèi)用較低；單排及雙排灌注樁圍護(hù)需另外本體結(jié)構(gòu)或加設(shè)鋼筋混凝土內(nèi)襯，費(fèi)用較高；SMW工法的費(fèi)用不高，但適用深度較淺。

通過工程地質(zhì)水文條件、經(jīng)濟(jì)性、周邊環(huán)境、施工工期、安全性等方面綜合比較，確定取水泵房采用沉井結(jié)構(gòu)形式[2-4]。

泵房主要有圓形和矩形，其優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件比較如表3所示。

表3 泵房結(jié)構(gòu)型式選擇比較Tab.3 Comparison of Pump Room Structural Selection

工程取水泵房埋設(shè)較深，且建在長江大堤外，為減小對大堤安全的影響，采用沉井施工，推薦采用圓形泵房。

根據(jù)水文資料，長江取水段的1%頻率的洪水位為33.03 m?？紤]浪高和超高，取水泵房的頂部標(biāo)高定為35.00 m，泵房的防洪設(shè)計按高于百年一遇洪水位設(shè)計。

3.3.3 泵型選擇

用于取水的水泵一般有離心泵、潛水泵、混(斜)流泵和軸流泵，使用最多的是普通離心泵，其次為潛水泵、混流泵和軸流泵。

混流泵和軸流泵揚(yáng)程低，流量大，揚(yáng)程一般為4～15 m。該工程水泵流量Q=4 500 m3/h，揚(yáng)程H=26 m?；炝鞅煤洼S流泵無法滿足本工程需求。

離心泵是給水工程中廣泛采用的一種水泵，適用于各種場合。其特點(diǎn)是流量與揚(yáng)程適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、體型輕便、效率較高，大型水泵的效率高達(dá)86%～91%，運(yùn)行費(fèi)用低，并且其使用壽命長、安裝檢修方便、維護(hù)工作量相對較小、型號、廠家較多，選擇余地大。缺點(diǎn)是低揚(yáng)程時規(guī)格不全、泵房間與吸水井要分開、泵房施工較復(fù)雜、土建投資較高、泵房占地面積較大。

潛水泵直接安裝在集水池內(nèi)，適用于堤外取水及中小型取水。不需要吸水管道，土建結(jié)構(gòu)簡單、造價低、管路簡單。缺點(diǎn)是潛水泵生產(chǎn)廠家較少、設(shè)備較為昂貴、效率較低、其工作揚(yáng)程范圍較為狹窄，在水位變幅較大的情況下，大流量的潛水泵不能適應(yīng)揚(yáng)程的變化，還易出現(xiàn)故障，使用壽命相對較短，設(shè)備安裝、維護(hù)也較復(fù)雜。

根據(jù)該工程的具體條件：(1)取水泵房建在堤外，采用潛水泵節(jié)省的土建造價有限；(2)潛水泵維護(hù)、維修均不同于離心泵，對使用單位維修水平要求高，勢必額外增加維修人員；(3)國內(nèi)水廠使用經(jīng)驗(yàn)表明，不管是進(jìn)口還是國產(chǎn)潛水泵，問題均比較多，故障率高，嚴(yán)重時甚至影響生產(chǎn)。

綜上，該工程取水泵選擇臥式離心泵。

3.3.4 取水泵房設(shè)計

(1)吸水井

吸水井與泵房合建，分兩格，中間用閘門連通，以利分格檢修、清淤。井頂高為35.00 m，井內(nèi)最低水位為11.85 m，井內(nèi)底高程為8.45 m，進(jìn)水自流管中心標(biāo)高為10.25 m。

(2)取水泵房

泵房和吸水井合建，為地下圓形泵房。取水泵房外徑為26.40 m，泵房底板標(biāo)高為8.45 m，筒壁深為26.55 m。

水泵機(jī)組共設(shè)置4臺泵位，雙排布置。遠(yuǎn)期配置水泵4臺，3用1備，近期安裝2臺離心泵，1用1備。水泵流量Q=4 500 m3/h，揚(yáng)程H=26 m，配電機(jī)功率為450 kW,10 kV，均變頻調(diào)速。

泵房內(nèi)設(shè)潛污泵兩臺，作泵房內(nèi)排除漬水用，設(shè)跨度為23.20 m，起重量為10 t的電動單梁環(huán)形橋式起重機(jī)1臺，作安裝和檢修設(shè)備用。

(3)配電間

配電間設(shè)在取水泵房上部，包括PLC室、變壓器室、低壓配電間等。

3.4 棧橋

棧橋設(shè)在泵房靠長江大堤一側(cè)，橋面寬為5.00 m，長為51.00 m，其下采用鋼筋砼柱和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)通過比選，該工程采用箱式取水頭部及自流引水管、圓形沉井泵房，采用離心式水泵較為安全合理經(jīng)濟(jì)。

(2)對于堤防安全性要求高的情況，采用在堤外建泵房的形式可有效保證大堤安全，減少建設(shè)過程涉堤的相關(guān)手續(xù)。

(3)堤外泵房的設(shè)計要充分考慮防洪水位，防范泵房洪水期淹水風(fēng)險。