重慶市某大型凈水廠取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析

劉 濤，張家全

1.重慶水務(wù)集團股份有限公司，重慶 400015

2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司重慶分公司，重慶 400100

1 工程概況

該工程以長江為水源，取水泵站位于廠區(qū)西側(cè)濱江路旁，結(jié)合了重慶市已建水廠的經(jīng)驗與長江河床穩(wěn)定、河岸平坦、水流較穩(wěn)定的特點。該工程土建按照60萬m3/d進行設(shè)計，設(shè)備按40萬m3/d進行安裝；整個取水工程內(nèi)容包括取水頭部、引水管道、吸水井、取水泵房及配電間等。

2 取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 取水頭部

該工程取水口處水深較深，取水條件較好，可采用箱式取水頭部。箱式取水頭部箱體為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，在其側(cè)面或頂面設(shè)置進水窗口，并安裝攔污格柵，引水管伸入箱體內(nèi)取水。對于規(guī)模較大的箱式取水頭部，箱體采用預(yù)制構(gòu)件，分成幾部分先在岸上制作完畢，浮運至取水點，再在水下進行拼裝就位，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。箱體下河床局部挖深，箱體嵌入河床內(nèi)，與灌注樁連接。該取水形式適用于取水量較大、枯水位取水點水深不太深、河床較為穩(wěn)定、含砂量少的水體取水。

2.2 水下沉管

（1）管徑的確定從取水的安全可靠性考慮，應(yīng)設(shè)置2根2×DN1800鋼管，采用C25水下砼包管，河床表面采用1000mm厚的鉛絲石籠護面；埋設(shè)于河灘上的引水管道擬采用開槽埋管法施工。具體水下沉管溝槽埋管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 水下沉管溝槽埋管結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

（2）為了防止管道內(nèi)泥沙淤積，該工程設(shè)計采用2根DN1800鋼管。雙根管道運行時，通水量達(dá)到60萬m3/d時的設(shè)計流速為1.43m/s（含自用水系數(shù)1.05）；通水量為40萬m3/d時的設(shè)計流速為0.96m/s（含自用水系數(shù)1.05）；通水量為30萬m3/d時，運行1根取水管，設(shè)計流速為1.43m/s（含自用水系數(shù)1.05）。

根據(jù)長江原水中夏季濁度較高的特點，當(dāng)管道內(nèi)水流流速長期低于0.6m/s時，容易發(fā)生泥沙沉積，并導(dǎo)致水生生物在管壁上附著生長，嚴(yán)重時將影響管道的輸水能力。根據(jù)國內(nèi)同類型取水工程的實踐經(jīng)驗，為防止管道內(nèi)發(fā)生泥沙淤積，可以設(shè)專用管道進行主動沖洗，也可以通過取水泵及泵房內(nèi)的管道設(shè)置對引水管道進行直接沖洗。

2.3 頂管

引水管道埋深較深處，均采用頂管施工。頂管段由工作井往兩側(cè)頂進，全長413m。工作井尺寸為圓形工作井，內(nèi)徑為13m。管頂覆土層厚度為0～36.7m，頂管在中風(fēng)化基巖中埋深≥5.0m。頂管采用機械掘進式頂管，其機械掘進式頂管刀片切削的毛洞直徑較管道外徑略大1～2cm，毛洞內(nèi)注觸變泥漿，頂管管道基本懸浮于管外壁與毛洞壁間的觸變泥漿中，頂管前進所需克服的摩擦阻力很小，頂管完成后以水泥砂漿置換觸變泥漿，以填充機頭刀片超挖部分的巖石；機頭刀片切削的巖石在機頭經(jīng)自動打包后以皮帶輸送機運送至工作井提升出洞[1]。整個頂管工藝無人員在洞內(nèi)操作，施工工藝類似于盾構(gòu)法，是比較安全的一種非開挖管道施工方式。機械掘進式頂管施工工藝縱斷面示意圖如圖2所示。

圖2 機械掘進式頂管施工工藝縱斷面示意圖

2.4 取水泵站

（1）取水泵站方案比選。該工程取水采用自流引水式岸邊式取水構(gòu)筑物。由于長江水位變化大、岸邊地形起伏大，取水泵房的設(shè)計及施工難度很大且投資費用較高。為了選擇合理的工程方案，選擇如下兩個方案進行經(jīng)濟及技術(shù)比較。

方案一：取水泵房為長方形。采用大開挖施工方案，泵房采用長方形構(gòu)筑物。百年一遇洪水位為黃海高程196.81mm，考慮浪高為0.5m的安全高度，泵房室內(nèi)地面標(biāo)高取198.00m；保證率為97%的枯水位為167.01m，考慮水頭損失和安裝需要及航道要求，取水頭部頂面標(biāo)高取162.00m，底標(biāo)高取158.85m。取水泵房長度為42m，寬度為12m，地下部分深度為38.10m，地上部分高度為10.2m。泵房內(nèi)安裝16t電動橋式起重機1臺，4臺臥式離心泵（一期4臺），預(yù)留1臺泵位。

方案二：取水泵房為圓形。采用大開挖施工方案；泵房采用圓形構(gòu)筑物，直徑為28m。泵房地下部分深38.10m，地面上部高10.2m。百年一遇洪水位為黃海高程196.81mm，考慮浪高0.5m和0.5m的安全高度，泵房室內(nèi)地面標(biāo)高取198.00m；保證率為97%的枯水位為167.01m，考慮水頭損失和安裝需要及航道要求，取水頭部頂面標(biāo)高取162.00m，底標(biāo)高取158.85m。泵房內(nèi)安裝16t電動橋式起重機1臺，4臺臥式離心泵（一期4臺），預(yù)留1臺泵位。

從上述取水泵房兩個方案在技術(shù)及經(jīng)濟上進行比較可以看出，方案二投資最優(yōu)。其對比結(jié)果如表1所示。

表1 取水泵房技術(shù)經(jīng)濟分析比較表

方案二雖然給工藝布置帶來一些困難，但是結(jié)構(gòu)受力均勻安全可靠，投資較少。因此該工程推薦方案二，即泵房為圓形。

（2）圓形取水泵房及配套設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計。①取水泵房下部結(jié)構(gòu)。下部為鋼筋砼圓形結(jié)構(gòu)、泵房內(nèi)直徑為28m，凈深38.7m[2]。由于取水泵房埋置較深，井筒大部分進入基巖微風(fēng)化巖中。設(shè)計中考慮井壁外側(cè)和底板與巖石整澆在一起，可減少壁板的厚度。取水泵房頂部周邊地形較陡，為減少邊坡?lián)鯄?，采用鋼筋混凝土池壁原槽澆筑[3]。②取水泵房上部結(jié)構(gòu)。上部采用梯形鋼屋架。變配電間采用普通框架結(jié)構(gòu)，屋面采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。基礎(chǔ)采用直徑為1000～1200mm的鉆孔灌注樁，以中風(fēng)化基巖為基礎(chǔ)持力層。③配電間結(jié)構(gòu)配電間采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土屋面板，現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁、板、柱?；A(chǔ)采用直徑為1000～1200mm的鉆孔灌注樁。

2.5 抗浮設(shè)計

該工程構(gòu)筑物抗浮設(shè)計原則上均以自重抗浮為主。該工程取水泵房整體抗浮主要由圍巖與襯砌間的抗剪能力及部分筒壁嵌入圍巖巖體內(nèi)后形成的嵌固力承擔(dān)，局部抗浮主要由抗拔錨桿承擔(dān)。

3 施工注意事項

3.1 深井泵房基坑開挖及回填

（1）基坑開挖。取水深井泵房為圓形井筒，井壁厚度為800mm。底板厚度為3000～5000mm，結(jié)構(gòu)混凝土底板采用C40混凝土，池壁等均采用C30混凝土，墊層采用C20混凝土，抗?jié)B等級為S8。取水深基坑位于廠區(qū)外西側(cè)，根據(jù)地勘報告，取水深井直徑約為28m，深38.7～43.7mm，深井圍巖為中等風(fēng)化泥巖和砂巖。在基坑頂設(shè)置止水帷幕和降水井，頂部土層放坡開挖，底部巖層豎直開挖。巖層頂部設(shè)置護筒，巖石邊坡采用逆作法噴錨支護，挖到基底以后再澆筑池壁。

（2）基坑回填。主體實施后，對基坑周圈進行回填，為防止不均勻沉降，填料采用碎塊石、級配卵石土，回填施工時應(yīng)在基坑周圍對稱均勻回填并分層壓實，分層壓實厚度為300～500mm，壓實系數(shù)不小于0.97。壓實填土地基承載力特征值及變形模量還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場荷載試驗進行確定。場區(qū)填筑前應(yīng)做好地表水的疏排措施，保證不受地表水和地下水的影響。

3.2 頂管工作井

取水管線工作井基坑為圓形井筒，內(nèi)徑為13m，井深28.5m。深井砂巖中含基巖裂隙水，深井井底標(biāo)高為160.18～160.87m，施工中應(yīng)于深井內(nèi)設(shè)置積水井匯集地下水，并準(zhǔn)備相應(yīng)的抽排設(shè)備。綜合結(jié)構(gòu)安全、節(jié)省投資、地質(zhì)資料等因素，深井泵房基坑采用豎直開挖。

4 結(jié)束語

該凈水廠以長江為原水取水，建成實施后，可有效解決重慶市主城區(qū)的供需水矛盾，改善該供水區(qū)域內(nèi)人民群眾的生活用水條件，該取水工程也是保障凈水廠運行的關(guān)鍵性工程。文章以其結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，探討了取水頭部的布置、水下沉管的管徑選擇及防止泥沙淤積措施、頂管的施工方式及取水泵站的合理選形，為其他類似取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。