水庫(kù)取水泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)

徐海寧 馬龍飛

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

引言

取水泵站工程作為給水工程的重要組成部分，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)、有效的為后續(xù)凈水廠輸送足量原水的功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性至關(guān)重要。劉濤等［1］以長(zhǎng)江某取水泵站為例，介紹了取水頭部的布置、水下沉管技術(shù)及防止泥沙淤積措施、頂管的施工方式等。常鵬飛等［2］介紹了一種較少見(jiàn)的江中橋墩式取水泵站的工程案例設(shè)計(jì)方案。邱文新等［3］從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度比較分析了浮船移動(dòng)式取水泵站和自流管固定式取水泵站。吳云鵬等［4］對(duì)深水庫(kù)區(qū)中應(yīng)用沖孔咬合樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)可能發(fā)生的施工質(zhì)量問(wèn)題提出應(yīng)急技術(shù)處理措施。本文對(duì)水庫(kù)取水工程的水下施工、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容作了詳細(xì)介紹。

1 工程概況

本文所述工程以水庫(kù)為水源，取水泵站建于水庫(kù)岸邊，水庫(kù)水由設(shè)置于水庫(kù)中的兩座短管蘑菇式取水頭部進(jìn)入，經(jīng)埋置于庫(kù)床底部的兩根管道進(jìn)入岸邊的取水泵房，后經(jīng)取水泵房提升后向水廠輸送。同時(shí)配套建設(shè)的還有加藥間和配電間以及泵站的工作場(chǎng)地，平面示意如圖1 所示。

圖1 取水泵站平面示意（單位： m）Fig.1 Schematic plan of the water intake pump station（unit：m）

本取水泵站緊鄰水庫(kù)，位于水庫(kù)南端入口東側(cè)的臨水坡岸處。擬建泵站西側(cè)為引用水源地——水庫(kù)，屬于一級(jí)水源保護(hù)地，保護(hù)要求較高。用地紅線西側(cè)約一半在水庫(kù)常水位下，不可避免地需要侵占水庫(kù)水體。在方案設(shè)計(jì)時(shí)需考慮如何在泵站施工過(guò)程中和建成后盡最大可能減少侵占水庫(kù)面積和對(duì)水庫(kù)水體水質(zhì)的影響。

東側(cè)山坡上為生態(tài)林地，植被較為茂密，場(chǎng)地紅線不能侵占，建設(shè)范圍自然地面標(biāo)高為約47.0m ～57.8m。

擬建場(chǎng)地類(lèi)型屬于丘陵地貌，山體坡度較緩，表層覆蓋2m ～3m 雜填土和碎石土，其下為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖，地質(zhì)條件良好。水庫(kù)水下地質(zhì)表層土為淤泥質(zhì)黏土，其下為碎石土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化頁(yè)巖、中風(fēng)化石英砂巖等。

取水泵站構(gòu)筑物包括取水頭部、取水泵房、加藥間和配電間等。取水泵房兼作取水管頂管工作井，由取水泵房向取水頭部頂進(jìn)。場(chǎng)地位于臨水的水庫(kù)坡岸上，最大填土高度9m，且取水泵房埋深較大，因此在施工過(guò)程中需保證填土場(chǎng)地、上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及駁岸擋土墻的穩(wěn)定性等。

2 圍堰設(shè)計(jì)

2.1 堰頂高程

本泵站場(chǎng)區(qū)部分位于水庫(kù)水體中，施工前需設(shè)置圍堰。水庫(kù)設(shè)計(jì)常水位51.17m，50 年一遇設(shè)計(jì)防洪水位52.61m，2000 年一遇校核防洪水位54.63m。為確定圍堰的堰頂高程，要考慮以下要素：

（1）由于圍堰位于水深處，若按照千年一遇水位設(shè)計(jì)，圍堰體量很大，高度比較低的常水位高3.46m，回填量大，增加取水泵房基坑的開(kāi)挖深度。

（2）按照較低的常水位設(shè)計(jì)，由于圍堰施工時(shí)段主要在非汛期，堰外水位主要受水庫(kù)發(fā)電機(jī)組的影響，能夠滿(mǎn)足施工時(shí)間要求，且節(jié)省工程量，加快施工進(jìn)度。

因此，取堰頂高程為52.5m，擋土墻頂標(biāo)高為56.1m。取水泵房基坑開(kāi)挖出的土石方可用于圍堰填方，基坑開(kāi)挖工序和圍堰填方工程需分階段分標(biāo)高施工。

2.2 圍堰施工方案

圍堰施工方案分為只施工場(chǎng)地外圍擋水區(qū)域和連同場(chǎng)地范圍一起筑島，如圖2 所示。從是否方便施工、環(huán)境影響和工程量等方面進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

圖2 圍堰施工區(qū)域示意Fig.2 Schematic diagram of cofferdam construction area

表1 圍堰施工方案對(duì)比Tab.1 Comparison of cofferdam construction areas

可見(jiàn)，與場(chǎng)地范圍合并的筑島方案可減小回填量，降低對(duì)水庫(kù)環(huán)境的影響，相對(duì)縮短了施工工期，選擇該方案是合適的。

2.3 施工方法

常見(jiàn)的圍堰施工方法有土袋圍堰、鋼板樁圍堰、灌注樁等幾種。其中土袋圍堰采用土石方構(gòu)筑，需對(duì)堰基上層土體進(jìn)行處理。鋼板樁圍堰屬于板樁圍堰的一種，將帶鎖口的型鋼插入河床的深水中實(shí)現(xiàn)圍堰的效果；鋼板樁屬于重復(fù)使用的設(shè)備，待基礎(chǔ)出水面后需要拔出鋼板樁，拆除圍堰。灌注樁圍堰施工前，對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)地進(jìn)行筑島回填，筑島范圍滿(mǎn)足咬合樁施工空間要求即可。

將上述幾種圍堰施工方法從可實(shí)施性、環(huán)境影響、建成后場(chǎng)地穩(wěn)定性等方面進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

表2 圍堰施工方法對(duì)比Tab.2 Comparison of cofferdam construction schemes

通過(guò)在施工過(guò)程中采取嚴(yán)格的控制措施，咬合樁圍堰能夠取得理想的止水效果［5］，且在截水的同時(shí)可抵抗側(cè)向水壓力，有利于堰體的穩(wěn)定性。因此，采用雙排樁圍堰施工是合適的。

在站區(qū)非臨水側(cè)和局部位置，采用單排咬合樁圍堰+擋土墻設(shè)計(jì)，如圖3 所示；在站區(qū)臨水側(cè)，考慮到圍堰底部長(zhǎng)期浸于水中，且存在側(cè)向水壓力，在迎水側(cè)增加一排Ⅱ序樁，采用雙排樁圍堰+擋土墻設(shè)計(jì)，如圖4 所示。

圖3 單排咬合樁圍堰剖面示意Fig.3 Section of single row secant pile cofferdam

圖4 雙排咬合樁圍堰示意Fig.4 Schematic diagram of double row interlocking pile cofferdam

2.4 防污屏及防污染措施

為了隔絕圍堰施工、水下開(kāi)槽埋管、取水頭部安裝、拋石施工等對(duì)周?chē)蛟斐傻挠绊?，?duì)施工區(qū)域外采用土工布防污屏進(jìn)行防污處理，使渾濁水中的渾濁物自然附著在土工布上，防止施工期間對(duì)周邊水域的水質(zhì)造成影響。如圖5 所示，防污屏施工分為兩個(gè)區(qū)域：取水泵站擋土墻施工區(qū)域，施工防污屏，修筑圍堰；取水頭部、自流管施工區(qū)域，施工防污屏。

圖5 防污屏施工范圍示意Fig.5 Schematic diagram of antifouling screen construction scope

3 場(chǎng)地及基礎(chǔ)穩(wěn)定性

3.1 填方場(chǎng)地穩(wěn)定性

本泵站室外設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為56.0m，鄰水側(cè)采用擋土墻圍護(hù)并填土到設(shè)計(jì)地坪。為提高填方場(chǎng)地的穩(wěn)定性，提出以下三方面措施：

（1）平面布置

隨岸邊平面走勢(shì)長(zhǎng)方向布置，盡量少侵占水體，減小坡面寬度。

（2）坡面構(gòu)造

坡面在剖面上采用抗滑移臺(tái)階構(gòu)造，每級(jí)臺(tái)階高為500mm，臺(tái)階寬度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置設(shè)置，每個(gè)臺(tái)階面向內(nèi)傾斜，臺(tái)階面坡度為逆向2%，如圖6 所示。該措施能夠有效增強(qiáng)基底的抗滑移穩(wěn)定性，提高填土在斜坡面上的穩(wěn)定性。

圖6 抗滑移臺(tái)階Fig.6 Anti sliding step

（3）駁岸型式

駁岸采用雙排樁+擋土墻的結(jié)構(gòu)型式，阻斷了后方填土的滑移面，減少水流對(duì)基底的擾動(dòng)。擋土墻采用水工擋土墻規(guī)范［6］進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制要求更加嚴(yán)格。

3.2 建筑基礎(chǔ)

岸邊構(gòu)筑物根據(jù)地層情況采用不同的基礎(chǔ)形式：

（1）加藥間采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底標(biāo)高53.1m，持力層為殘積土層、碎石土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層。地面以下基礎(chǔ)柱間設(shè)置剪力墻和拉梁，如圖7 所示，增加整體抗剪能力。

圖7 地下基礎(chǔ)示意Fig.7 Schematic diagram of underground foundation

（2）配電間采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)底標(biāo)高52.000。原狀表層為雜填土及碎石土的軟弱土層全部挖除至中風(fēng)化巖層或強(qiáng)風(fēng)化巖層，開(kāi)挖面采用階梯狀放坡，回填毛石混凝土至標(biāo)高52.000。基礎(chǔ)入巖深度需滿(mǎn)足抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑移穩(wěn)定性要求。

由于基礎(chǔ)上方填土層較厚，且室內(nèi)設(shè)備荷載要傳遞到基礎(chǔ)，在底層設(shè)置架空層，防止室內(nèi)地坪沉降，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

4 泵房基坑

4.1 基坑方案

取水泵房基坑兼做頂管工作井，向水庫(kù)取水頭部頂進(jìn)。泵房位于現(xiàn)狀水庫(kù)沿岸，西側(cè)為水庫(kù)，東側(cè)為山坡，場(chǎng)地空間狹小?；由疃冗_(dá)到15.2m，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。土體表層以碎石土、強(qiáng)風(fēng)化巖為主，以下為中風(fēng)化巖石，裂隙發(fā)育，且?guī)r體整體較為破碎。基巖裂隙水在巖石局部裂隙處和破碎帶中較富集，需加強(qiáng)坑內(nèi)止水措施。針對(duì)本工程特點(diǎn)，選用咬合樁+內(nèi)支撐的基坑開(kāi)挖與支護(hù)型式。

咬合樁+內(nèi)支撐支護(hù)可與頂管施工工況相協(xié)調(diào)，在提高基坑支護(hù)可靠性的同時(shí)，基本不影響周?chē)h(huán)境。取水泵房基坑剖面如圖8 所示，內(nèi)支撐采用了鋼筋混凝土支撐與鋼支撐組合的型式，第一道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，剛度大，整體性好，布置靈活，不會(huì)因節(jié)點(diǎn)松動(dòng)引起基坑位移，施工質(zhì)量容易得到保證；其下各道均采用型鋼圍檁和鋼管支撐，自重輕，安裝和拆除方便，施工速度快，可以重復(fù)利用，且安裝后能立即發(fā)揮支撐作用，減少由于時(shí)間效應(yīng)而增加的基坑位移。

圖8 取水泵房基坑剖面Fig.8 Profile of foundation pit of water intake pump house

4.2 設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

取水泵房基坑一側(cè)臨近水庫(kù)，采用筑島回填擋水，另一側(cè)臨近山坡，采用放坡開(kāi)挖。在基坑施工階段和頂管施工階段需分別采取對(duì)應(yīng)措施。

1.基坑施工階段

基坑土方開(kāi)挖的順序、方法遵循“開(kāi)槽支撐、隨撐隨挖、分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，開(kāi)挖作業(yè)結(jié)合圍檁、支撐結(jié)構(gòu)體系的施工工況進(jìn)行。為使支撐均勻受力，土方開(kāi)挖需分層均勻開(kāi)挖，每層土方開(kāi)挖高度不超過(guò)2m。開(kāi)挖至基坑坑底后，及時(shí)施工坑底排水系統(tǒng)、墊層和結(jié)構(gòu)底板，依次拆除各道內(nèi)支撐并施工泵房?jī)?nèi)襯結(jié)構(gòu)。在拆撐階段，由于高度范圍沒(méi)有樓板，無(wú)法換撐，如圖8所示，需考慮拆撐后內(nèi)襯墻直接受力的工況。

2.頂管施工階段

頂管施工過(guò)程中對(duì)泵房?jī)?nèi)襯墻的后坐力較大，基坑后靠背的承載能力須滿(mǎn)足要求［9］。為預(yù)留足夠的頂管施工作業(yè)空間，泵房部分內(nèi)隔墻在頂管施工前暫不澆筑，如圖9 所示。

圖9 頂管施工階段剖面Fig.9 Profile of pipe jacking construction stage

5 取水頭部及連接管設(shè)計(jì)

5.1 取水頭部方案

取水頭部設(shè)計(jì)必須因地制宜，進(jìn)行合理選型與布置，并在計(jì)算和構(gòu)造方面適當(dāng)增加安全度［7］。其常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式繁多，按受力條件和構(gòu)造特點(diǎn)可分為重力式、沉井式、樁架式、懸臂式、底槽式、隧洞式、復(fù)合式等。該水庫(kù)取水口離岸邊近，水下施工方便，水源水量穩(wěn)定，無(wú)大型船只通航。為節(jié)省工程造價(jià)、簡(jiǎn)化施工工藝，采取預(yù)制鋼筒取水頭部、懸臂式立管，如圖10 所示，整體性好，穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖10 懸臂立管預(yù)制鋼筒取水頭部Fig.10 Cantilever riser prefabricated steel cylinder water intake head

預(yù)制鋼筒取水頭部采用DN2800 鋼制取水頭，頂面進(jìn)水。施工時(shí)先預(yù)制取水頭部鋼筒，隨后浮運(yùn)至指定地點(diǎn)，周邊拋石護(hù)底，安裝取水頭部鋼筒，最后施工取水頭部周?chē)鷿{砌塊石和擋墻。為便于水下施工，且提高施工效率，取水頭部與水下管線之間采用法蘭螺栓連接，安裝和拆卸較方便，簡(jiǎn)化了施工工藝。

5.2 水下連接管

兩根取水管自取水泵房穿越庫(kù)底與取水頭部相連，長(zhǎng)度分別為81.7m 和73.34m，采用DN1600鋼管水下連接，剖面如圖11 所示。根據(jù)水下施工條件，取水管采取頂管暗挖、水下開(kāi)槽埋管的組合方式施工。

圖11 取水頭部及自流管縱剖面Fig.11 Longitudinal section of water intake head and gravity pipe

1.頂管暗挖法

鋼管中心標(biāo)高40.100m，室外設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為56.0m，鋼管埋深過(guò)大，水下開(kāi)槽施工不實(shí)際，故在管道埋深足夠大的區(qū)段，采用頂管暗挖法施工。水下施工不需截流或圍堰，施工速度快，對(duì)環(huán)境影響小，不受通航限制，適用范圍廣。鋼管自取水泵房兼頂管工作井內(nèi)頂出，穿越土層主要為中風(fēng)化巖，需采用具有破巖功能的頂管機(jī)［8］。在頂出水庫(kù)底部的段落，頂管上方土體采用袋裝土壓重。待頂管結(jié)束，移除機(jī)頭上方部分袋裝土，取出頂管機(jī)頭后移除全部袋裝土。由于機(jī)頭取出過(guò)程為水下作業(yè)，泵房處管道應(yīng)進(jìn)行封堵，避免管道內(nèi)水涌入泵房。

2.水下開(kāi)槽埋管

水庫(kù)地勢(shì)逐漸變低，頂管自取水泵房頂出后覆土厚度逐漸變小時(shí)，采用水下開(kāi)槽埋管方式繼續(xù)敷設(shè)至取水頭部位置。埋管段與頂管段鋼管采用哈夫接頭連接，便于水下施工，且安全快捷。如圖12 所示，在埋管段鋼管周?chē)来胃采w袋裝砂或碎石、拋石，有效保護(hù)管道的安全。

圖12 埋管段橫剖面Fig.12 Cross section of buried pipe section

6 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)取水泵站工程由于功能特殊、環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)中需要綜合考慮各方面因素，才能在保證場(chǎng)地穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)保護(hù)水庫(kù)環(huán)境，其結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下：

1.水庫(kù)岸邊采用筑島后實(shí)施雙排樁圍堰的方案形成施工場(chǎng)地，筑島面積小，高效便捷，降低工程量，最小程度地侵占水域，降低對(duì)水體的污染。在圍堰施工完成后，不需拆除，可作為永久結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用，節(jié)省造價(jià)的同時(shí)，避免了對(duì)水體的二次污染。

2.泵房基坑深度較大，并兼做頂管工作井，施工工況復(fù)雜，考慮隔水效果及邊坡的穩(wěn)定性，采用咬合樁結(jié)合內(nèi)支撐的形式。

3.坡地上填方形成的廠區(qū)要考慮場(chǎng)地和駁岸擋土墻的穩(wěn)定性以及建筑基礎(chǔ)的抗滑移及抗剪構(gòu)造。

4.結(jié)合水庫(kù)水深和庫(kù)底地形，采用預(yù)制拼裝和頂管暗挖法作為取水頭部和水下連接管施工方案，避免了大開(kāi)挖造成的影響，隱蔽性好，大大降低了對(duì)水庫(kù)生態(tài)的干擾和破壞。

5.防污屏的使用大大降低了施工期間對(duì)場(chǎng)地周邊水域的影響，有利于保護(hù)水庫(kù)環(huán)境。