李士民 強健 王林

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092

引言

取水工程作為重要的民生工程，其在汛期時的安全必須要保證。對于堤壩以內(nèi)（背水側(cè)）的建、構(gòu)筑物，可通過加固堤防、提高堤壩的安全等級、干預(yù)調(diào)蓄等措施得到有效保護，而位于江灘上的取水構(gòu)筑物，如取水頭部、原水管線、取水泵房、堤外閥門井等，則要正面應(yīng)對超大洪水的沖擊。如何保證這些江灘取水設(shè)施的安全，如何考慮江灘構(gòu)筑物在超大洪水工況（下簡稱“超洪工況”）下對結(jié)構(gòu)的影響，將是結(jié)構(gòu)工程師在取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要面對的新課題。本文通過具體的工程實例，對取水頭部、原水自流管、取水泵房等構(gòu)筑物的受力特性進行分析，簡要闡述在超洪工況下取水構(gòu)筑物的計算思路。

1 工程概況

安徽省某沿江城市新建長江取水工程，供水設(shè)計規(guī)模為24萬m2/d，主要取水構(gòu)筑物包含取水頭部（樁架式）、原水自流管、取水泵房（含配電間、棧橋）等。原水取自長江水，由取水頭部引入，通過原水自流管接至取水泵房的吸水前池，再由水泵加壓后，將原水通過輸水管線送至位于堤內(nèi)的自來水廠進行后續(xù)加工處理。其中取水頭部、原水自流管、取水泵房均位于江灘之上，加壓后的原水輸水管線則以爬堤方式翻越長江大堤。

取水頭部采用樁架式喇叭口取水，取水管由樁架支承并由鋼梁固定，樁型為φ800鋼管樁（內(nèi)滿灌C30微膨脹混凝土），取水管中心標(biāo)高為-7.70m，樁頂標(biāo)高為-9.00m，樁長24m，現(xiàn)狀河床線最低點標(biāo)高為-12.30m，樁進入現(xiàn)狀河床土約20.7m。取水頭部的平面布置見圖1。

圖1 取水頭部平面布置Fig.1 Layout plan of water intake head

原水自流管為2根DN1400鋼管，一端與取水頭部相連，一端與取水泵房相接。與泵房連接的一段長度約67m，以頂管形式自泵房頂出。頂出后的自流管由樁架固定，長度約為86.5m，樁型同取水頭部。樁架段原水自流管的縱剖面布置見圖2。

圖2 原水自流管（樁架段）縱剖面Fig.2 Longitudinal section of gravity flow pipe with piles

取水泵房為圓形，內(nèi)徑為26m，泵房底板頂標(biāo)高為-2.80m，泵房頂板面標(biāo)高為15.50m。取水泵房采用沉井形式施工，兼作自流管的頂管工作井。取水泵房平、剖面布置見圖3。

圖3 取水泵房平、剖面Fig.3 Layout plan and section of raw water pump house

根據(jù)河勢分析報告，防洪設(shè)計水位建議值為13.76m。取水頭部處的最大流速建議值為1.75m/s，在防洪設(shè)計水位條件和最大流速下，相應(yīng)位置的河床最大沖刷深度建議值為5.00m。2020年6月—7月，長江在當(dāng)?shù)貐^(qū)段曾迎來幾次大的洪峰，其中超過防洪設(shè)計水位的天數(shù)有23d，最高洪水位達到了14.81m，高出防洪設(shè)計水位1.05m，屬于超大洪水。

2 構(gòu)筑物在超洪工況下的計算要點

2.1 取水頭部

樁架式取水頭部的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要在于樁的設(shè)計，而樁入河床土的深度是樁設(shè)計的主要環(huán)節(jié)。位于江中的鋼管樁可看作嵌固于河床上的懸臂桿件，其主要承受的水平荷載為流水壓力，而懸臂長度則為扣除最大沖刷深度后的高出河床地面的樁長。流水壓力的計算公式［1］為：

式中：Fdw，K為流水壓力的合力標(biāo)準值；Vw為設(shè)計流速，取水頭部處最大垂線平均流速；γw為水的重度；g為重力加速度；Kf為水流力系數(shù)；A為計算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積，應(yīng)計算至最低沖刷線處。

根據(jù)式（1）可知，流水壓力Fdw，K與水流速Vw、投影面積A有關(guān)，A與樁的懸臂長度直接相關(guān)，而樁的懸臂長度則取決于河床最大沖刷深度。因此，水最大流速和河床最大沖刷深度直接影響著樁的計算。鋼管樁的計算主要包括單樁水平承載力驗算和樁水平位移驗算兩個方面。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，一般后者起控制作用。參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94—2008）［2］第5.7.3條對樁在地面處的水平位移允許值χ0a的表述，在常規(guī)工況下，取水頭部的鋼管樁可參照對水平位移敏感結(jié)構(gòu)物，即扣除沖刷深度后，χ0a取為6mm。此時地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值可按JGJ94—2008中表5.7.5取值，樁的水平位移按表C.0.3-1計算。

在超大洪水來臨時，水位將高于防洪設(shè)計水位，河床的最大沖刷深度也會隨之加深。在《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》（第二版）［1］中第5.2.2節(jié)提到，最大沖刷包括三部分：1）河槽自然演變引起的自然沖刷；2）構(gòu)筑物壓縮水流斷面產(chǎn)生的一般沖刷；3）構(gòu)筑物周圍水流結(jié)構(gòu)變化造成的局部沖刷。作為取水頭部，因其阻流面積很小，通?？芍挥嬎憔植繘_刷。在河勢分析報告中，河床的局部沖刷采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286—2013）［3］的經(jīng)驗公式法來進行計算，即局部沖刷深度hs為：

式中：H0為沖刷處的水深；Ucp為近岸垂線平均流速；Uc為泥沙起動流速；n與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)（取1/4～1/6）。

參考《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》（第二版）式5.2.2-7，近岸垂線平均流速Ucp為：

式中：KE為汛期含沙量參數(shù)；為河床土壤平均粒徑。

在超洪工況下，除水深H0可現(xiàn)場實測外，其余各變量均可通過巖土勘察報告和河勢分析報告得知。由此，可近似求得該工況下的最大沖刷深度。而此時水的最大流速，則可通過現(xiàn)場實測得到。本工程中實測值與河勢分析報告提供的最大流速1.75m/s相差不大，故仍按1.75m/s考慮。考慮到超洪工況為短期工況，樁在地面處的水平位移允許值χ0a可參照對水平位移不敏感的結(jié)構(gòu)物，取為10mm。

2.2 原水自流管

若取水頭部為樁架式，那么原水自流管與取水頭部相接的一段一般也會考慮做成樁架式。在實際工程中，現(xiàn)狀河床線扣除最大沖刷深度后，應(yīng)保證自流管道的周圍尤其是管底土體不能被沖掉，形成“懸空管”。因此，樁架段的長度同樣也與最大沖刷深度有關(guān)。相同水位和流速條件下，離岸越近，河床的局部沖刷深度會越小。與取水頭部一樣，在超洪工況下，河床最大沖刷深度的增加也直接影響著樁架段自流管的布置長度。而對于自流管的樁計算，則與取水頭部相同，可參見第2.1節(jié)。

2.3 取水泵房

位于江灘上的取水泵房，考慮到利于行洪、減少水流阻力系數(shù)、減少對河床沖刷等因素，設(shè)計時一般會選擇圓形或長圓形。由于泵房吸水前池要與重力流的原水自流管相接，泵房通常會埋深較深。在土層地質(zhì)條件適宜的情況下，可采用沉井工藝施工。在超洪工況下，首先需要驗算構(gòu)筑物的抗浮穩(wěn)定。根據(jù)2020年3月1日實施的《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準》（JGJ476—2019）［4］中表3.0.3，抗浮工程設(shè)計等級為甲級的構(gòu)筑物，使用期間的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.10，施工期間可取1.05。超洪工況作為短期工況，可參照施工工況，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05?？垢》€(wěn)定滿足后，其次就是泵房內(nèi)的各構(gòu)件的計算。在水位低于防洪設(shè)計水位時，各構(gòu)件（包括井外壁、中隔墻、底板、底梁等）既要滿足強度計算，又要滿足裂縫寬度不大于0.2mm的要求。而在超洪工況，可僅須滿足各構(gòu)件的強度計算要求即可。

需要注意的是，同正常使用工況一樣，在超洪工況下，泵房的外壁板、中隔墻也應(yīng)該根據(jù)池Ⅰ、池Ⅱ（見圖3）內(nèi)同時空水、同時滿水或單格滿水等不同條件下分別計算各工況的內(nèi)力，再取包絡(luò)值設(shè)計外壁、中隔墻的鋼筋。

另外，由于在本工程中配電房與泵房合建，其設(shè)置于在泵房的上層。此時還應(yīng)考慮到最極端情況，即洪水位漫過泵房頂板的情況?？傮w設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)考慮配電房不要設(shè)置在地上一層，以保證極端情況下的供電安全。

3 超洪工況計算時仍存在的問題

（1）取水頭部形式多種多樣，參考《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》（第二版）［1］，取水頭部可分為重力式、沉井式、樁架式、懸臂式等。由于不同的結(jié)構(gòu)形式，其受力和變形特點均不相同，故計算方法也不能一概而論。當(dāng)超大洪水來臨時，不同的取水頭部應(yīng)根據(jù)其各自的受力、變形特點有針對性地進行超洪工況下的驗算。

（2）河勢分析報告中沖刷深度的取值是基于物理模型、規(guī)范經(jīng)驗公式、歷年實測沖刷等三種計算方法綜合而來。由于技術(shù)條件所限，本文無法通過第一、三種方法來估算超洪工況下的河床最大沖刷深度，僅依據(jù)規(guī)范經(jīng)驗公式進行估算，有一定的局限性，可能會存在一定的誤差。對于沖刷深度的計算還有包式公式［1］、65-1式［1］等其他計算方法。為減小誤差，在實際工程中可采用多公式對比分析，綜合判定超洪工況下的最大沖刷深度。

（3）在不同區(qū)域的江灘，土層地質(zhì)條件會有差異。河床下土質(zhì)為黏性土還是非黏性土、是否存在不易沖刷土層、是否為巖基河床等，這些都影響著河床局部沖刷深度的計算。在具體工程中結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)巖土勘察單位出具的巖土勘察報告和水文勘測單位提供的河勢分析報告，有針對性地來研究河床的沖刷規(guī)律并進行分析計算。

4 結(jié)語

通過在汛期內(nèi)超大洪水位條件下，對本工程江灘上各取水構(gòu)筑物的計算要點的闡述，現(xiàn)有以下幾點建議和結(jié)論供參考：

1.對樁架式取水頭部和樁架式自流管線，在超洪工況下，樁在地面處的水平位移允許值χ0a可參照對水平位移不敏感的結(jié)構(gòu)物，適當(dāng)放寬至10mm。一方面可保證超大洪水來臨時，取水頭部或原水管線的安全，另一方面還可避免由過多的安全儲備而產(chǎn)生的較大浪費。

2.當(dāng)超大洪水來臨時，取水泵房內(nèi)各設(shè)備及供水生產(chǎn)均處于正常運行狀態(tài)，因此泵房內(nèi)各水池區(qū)格的滿水、空水等工況與正常水位工況時相同。各構(gòu)件尤其是外壁、中隔墻等均需要按照不同的組合進行包絡(luò)設(shè)計。在超洪工況下各構(gòu)件可僅按強度控制。

3.位于江灘上的取水泵房頂板標(biāo)高應(yīng)高于超大洪水水位，在條件允許時，可與江堤的堤頂控制標(biāo)高持平。若配電間與取水泵房合建，應(yīng)當(dāng)避免建在地上一層。

4.原水自流管線在靠近取水頭部區(qū)段應(yīng)采用樁架布置。而靠近泵房側(cè)的非樁架段，在超洪工況下，現(xiàn)狀河床線扣掉最大沖刷深度后，還應(yīng)保證管道頂有一定的覆土厚度，不能出現(xiàn)因沖刷而產(chǎn)生“懸空管”現(xiàn)象。

5.江灘取水構(gòu)筑物除了在計算上考慮超大洪水位工況外，還應(yīng)做好適當(dāng)?shù)淖o底護岸加固措施。拋石護岸是最常用的防護措施。對于石塊直徑、拋石厚度、拋石范圍等，可參照《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》（第二版）第5.4.1節(jié)的計算方法來確定。另外，鋼絲石籠加固、梢捆和柴排加固也是一些因地制宜的護岸加固措施。

6.水文勘測單位出具的河勢分析報告一般會給出防洪設(shè)計水位建議值，但對于超大洪水位往往不提供。隨著近年來超大洪水的不斷出現(xiàn)，建議水文勘測單位條件允許時，盡量預(yù)估超大洪水可能出現(xiàn)的水位標(biāo)高以及在此水位條件下的最大流速、河床沖刷深度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為設(shè)計提供計算依據(jù)。