徐海寧 馬龍飛

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）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，要實現(xiàn)長時間、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)計方案的合理性至關(guān)重要。劉濤等［1］以長江某取水泵站為例，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］介紹了一種較少見的江中橋墩式取水泵站的工程案例設(shè)計方案。邱文新等［3］從技術(shù)經(jīng)濟角度比較分析了浮船移動式取水泵站和自流管固定式取水泵站。吳云鵬等［4］對深水庫區(qū)中應(yīng)用沖孔咬合樁作為圍護結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)進行了研究，并對可能發(fā)生的施工質(zhì)量問題提出應(yīng)急技術(shù)處理措施。本文對水庫取水工程的水下施工、結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容作了詳細(xì)介紹。

1 工程概況

本文所述工程以水庫為水源，取水泵站建于水庫岸邊，水庫水由設(shè)置于水庫中的兩座短管蘑菇式取水頭部進入，經(jīng)埋置于庫床底部的兩根管道進入岸邊的取水泵房，后經(jīng)取水泵房提升后向水廠輸送。同時配套建設(shè)的還有加藥間和配電間以及泵站的工作場地，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，位于水庫南端入口東側(cè)的臨水坡岸處。擬建泵站西側(cè)為引用水源地——水庫，屬于一級水源保護地，保護要求較高。用地紅線西側(cè)約一半在水庫常水位下，不可避免地需要侵占水庫水體。在方案設(shè)計時需考慮如何在泵站施工過程中和建成后盡最大可能減少侵占水庫面積和對水庫水體水質(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。

擬建場地類型屬于丘陵地貌，山體坡度較緩，表層覆蓋2m ～3m 雜填土和碎石土，其下為強風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖，地質(zhì)條件良好。水庫水下地質(zhì)表層土為淤泥質(zhì)黏土，其下為碎石土、強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化頁巖、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。場地位于臨水的水庫坡岸上，最大填土高度9m，且取水泵房埋深較大，因此在施工過程中需保證填土場地、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

2.1 堰頂高程

本泵站場區(qū)部分位于水庫水體中，施工前需設(shè)置圍堰。水庫設(shè)計常水位51.17m，50 年一遇設(shè)計防洪水位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，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挖深度。

（2）按照較低的常水位設(shè)計，由于圍堰施工時段主要在非汛期，堰外水位主要受水庫發(fā)電機組的影響，能夠滿足施工時間要求，且節(jié)省工程量，加快施工進度。

因此，取堰頂高程為52.5m，擋土墻頂標(biāo)高為56.1m。取水泵房基坑開挖出的土石方可用于圍堰填方，基坑開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地外圍擋水區(qū)域和連同場地范圍一起筑島，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行比較，見表1。

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

表1 圍堰施工方案對比Tab.1 Comparison of cofferdam construction areas

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

2.3 施工方法

常見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，需對堰基上層土體進行處理。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，對現(xiàn)有場地進行筑島回填，筑島范圍滿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施性、環(huán)境影響、建成后場地穩(wěn)定性等方面進行對比分析，見表2。

表2 圍堰施工方法對比Tab.2 Comparison of cofferdam construction schemes

通過在施工過程中采取嚴(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，如圖3 所示；在站區(qū)臨水側(cè)，考慮到圍堰底部長期浸于水中，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，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、水下開槽埋管、取水頭部安裝、拋石施工等對周圍水域造成的影響，對施工區(qū)域外采用土工布防污屏進行防污處理，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 場地及基礎(chǔ)穩(wěn)定性

3.1 填方場地穩(wěn)定性

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

（1）平面布置

隨岸邊平面走勢長方向布置，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階構(gòu)造，每級臺階高為500mm，臺階寬度根據(jù)現(xiàn)場位置設(shè)置，每個臺階面向內(nèi)傾斜，臺階面坡度為逆向2%，如圖6 所示。該措施能夠有效增強基底的抗滑移穩(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，減少水流對基底的擾動。擋土墻采用水工擋土墻規(guī)范［6］進行設(shè)計，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)化巖層或強風(fēng)化巖層，開挖面采用階梯狀放坡，回填毛石混凝土至標(biāo)高52.000?；A(chǔ)入巖深度需滿足抗傾覆穩(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，向水庫取水頭部頂進。泵房位于現(xiàn)狀水庫沿岸，西側(cè)為水庫，東側(cè)為山坡，場地空間狹小?；由疃冗_到15.2m，支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級。土體表層以碎石土、強風(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?；鶐r裂隙水在巖石局部裂隙處和破碎帶中較富集，需加強坑內(nèi)止水措施。針對本工程特點，選用咬合樁+內(nèi)支撐的基坑開挖與支護型式。

咬合樁+內(nèi)支撐支護可與頂管施工工況相協(xié)調(diào)，在提高基坑支護可靠性的同時，基本不影響周圍環(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，不會因節(jié)點松動引起基坑位移，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)計與施工要點

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

1.基坑施工階段

基坑土方開挖的順序、方法遵循“開槽支撐、隨撐隨挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，開挖作業(yè)結(jié)合圍檁、支撐結(jié)構(gòu)體系的施工工況進行。為使支撐均勻受力，土方開挖需分層均勻開挖，每層土方開挖高度不超過2m。開挖至基坑坑底后，及時施工坑底排水系統(tǒng)、墊層和結(jié)構(gòu)底板，依次拆除各道內(nèi)支撐并施工泵房內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。在拆撐階段，由于高度范圍沒有樓板，無法換撐，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

頂管施工過程中對泵房內(nèi)襯墻的后坐力較大，基坑后靠背的承載能力須滿足要求［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

5.1 取水頭部方案

取水頭部設(shè)計必須因地制宜，進行合理選型與布置，并在計算和構(gòu)造方面適當(dāng)增加安全度［7］。其常見結(jié)構(gòu)形式繁多，按受力條件和構(gòu)造特點可分為重力式、沉井式、樁架式、懸臂式、底槽式、隧洞式、復(fù)合式等。該水庫取水口離岸邊近，水下施工方便，水源水量穩(wěn)定，無大型船只通航。為節(jié)省工程造價、簡化施工工藝，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。

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，頂面進水。施工時先預(yù)制取水頭部鋼筒，隨后浮運至指定地點，周邊拋石護底，安裝取水頭部鋼筒，最后施工取水頭部周圍漿砌塊石和擋墻。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底與取水頭部相連，長度分別為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)計地坪標(biāo)高為56.0m，鋼管埋深過大，水下開槽施工不實際，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［8］。在頂出水庫底部的段落，頂管上方土體采用袋裝土壓重。待頂管結(jié)束，移除機頭上方部分袋裝土，取出頂管機頭后移除全部袋裝土。由于機頭取出過程為水下作業(yè)，泵房處管道應(yīng)進行封堵，避免管道內(nèi)水涌入泵房。

2.水下開槽埋管

水庫地勢逐漸變低，頂管自取水泵房頂出后覆土厚度逐漸變小時，采用水下開槽埋管方式繼續(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，在埋管段鋼管周圍依次覆蓋袋裝砂或碎石、拋石，有效保護管道的安全。

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

6 結(jié)語

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

1.水庫岸邊采用筑島后實施雙排樁圍堰的方案形成施工場地，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)省造價的同時，避免了對水體的二次污染。

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)合水庫水深和庫底地形，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，避免了大開挖造成的影響，隱蔽性好，大大降低了對水庫生態(tài)的干擾和破壞。

5.防污屏的使用大大降低了施工期間對場地周邊水域的影響，有利于保護水庫環(huán)境。