陽澄湖通江大型泵站擴建關鍵技術研究與實踐

高興和 陳興奎 王飛 張旭 朱海鋒

摘要：太湖流域七浦塘拓浚整治工程將蘇州重要的飲水水源地陽澄湖與長江聯通，而位于入江口的江邊水利樞紐工程是陽澄湖通江的主要控制口門。在擴建該大型泵站工程中，必須考慮長江潮漲潮落的水文情勢、江邊軟淤土地質條件、復雜結構緊鄰已建樞紐和跨汛期施工等一些問題。為此，對擴建與整治項目的設計和施工的主要關鍵技術，以及實施效果進行了分析研究。通過優選泵型，優化工程布局和水力銜接條件，軟弱地基處理，動水環境泵機安裝等措施，保證了擴建工程保質按期完工。

關鍵詞：軟淤土; 深基坑; 通江泵站; 通江水利樞紐; 陽澄湖

中圖法分類號： TV6文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.009

經國家和江蘇省發改委審批實施的七浦塘江邊樞紐工程[1]，是太湖流域蘇州陽澄湖聯通長江的主要控制建筑物，由已建中型擋潮閘（2×16 m）、Ⅴ級船閘（16 m×180 m×3 m）和擴建大（二）型泵站（雙向120 m?3/s）組成。工程具有引水改善水環境、擋潮、防洪、排澇以及航運等綜合功能。

擴建泵站位于已建水利樞紐的北側[2]，閘站之間設置有隔堤銜接。站身與節制閘、船閘下閘首并列布置，工程主體通過下游側翼墻與江堤銜接后形成沿江擋潮防洪線。泵站北側布置為工程管理區，閘站和船閘下游公路橋聯通兩岸江堤，詳見圖1。

泵站工程由站身、進出水池、翼墻、攔污清污結構、閘站隔堤以及上下游引河等組成。選用4臺/套、單機流量為30 m?3/s的開敞式立式軸流泵，引排雙向運行。站身采用塊基型結構，自下而上共5層，即進水流道層、水泵及出水流道層、電機及纜道層、地面層和廠房層。泵站上下游及隔堤翼墻分別采用鋼筋混凝土空箱扶臂式、扶壁式結構。鉆孔灌注樁結合水泥攪拌樁基礎處理，水平鋪蓋結合排樁防滲、防沖。

1工程條件及特點

1.1水文工況條件

工程處于長江邊，長江潮起潮落，潮位多變且落差較大。該項目既是調水引流工程，也是防洪排澇工程。泵站為引、排雙向運行，按其使用頻率，以供水為常態，調水引流為主要運行工況。

1.2地形地質條件

泵站基坑及地基為富含承壓水且滲透性極差的深厚（大于15 m）軟淤土，含水量為38%～51.3%，滲透系數為10-6～10-7 cm/s，標準貫入擊數為2～3擊，地基允許承載力僅為55～60 kPa。土層飽和且排水不暢，抗剪強度和承載能力極低，是典型的沿江軟弱土地基[3]。

1.3結構布置條件

擴建泵站緊鄰已建通江水利樞紐的北側，不僅布置存在局限性，而且擴建將改變上下游水力銜接條件。泵站樁基底高程為-49.0 m，泵房頂為31.5 m，地下到地上總高為80.5 m，站房臨空高度為40 m，翼墻擋土臨空高度為16～18 m，站身為多層結構，結構復雜、體量高大。

1.4專業銜接特點

該工程涉及到水工、水力機械、金屬結構、電氣及自動化、房建、道路橋梁以及市政綠化等多個專業，因此，工程設計、施工的交叉和銜接錯綜復雜。

1.5施工特點

該工程的施工期跨汛期且工期緊，對泵站深基坑、高邊坡施工極為不利。主基坑最大挖深到-9.0 m，地面高程6.5～8.5 m，基坑邊坡高于15 m，屬于飽和軟弱土上的高邊坡、深基坑[4]。

2關鍵技術研究與處理

綜合工程條件和特點來看，該工程水文、運行工況和水力銜接復雜，地質條件極差且工程布置存在一定的局限，結構體量高大以及跨汛期施工的深基坑、高邊坡是該工程的重大和關鍵技術問題。縱觀當時在建水利工程，該工程是江蘇省沿江在建工程中條件最差、技術最復雜、實施難度最大的大型泵站擴建工程。針對以上關鍵技術問題，開展了專題分析研究并制定了相應的措施。設計研究和施工實踐表明，研制的措施是有效的，解決了所有技術難題，從中也獲得了較為寶貴的經驗。

2.1綜合規劃功能和優選泵型

江邊水利樞紐擴建泵站是陽澄湖通江引排的必備動力，在缺失自然水頭的工況下，提供雙向動力，實現水源地之間河槽水流有序流動的控制和運用。該工程位于長江邊，長江潮位一直處于漲落動態變化中。泵站運行工況中，正常（大部分）工況均處于平均潮位上下波動范圍內，總體上雙向運行水位差不大。不同于山丘區高揚程泵站，沿江泵站水頭低、揚程小，水頭損失占比大，對水泵運行效率影響很明顯，而且，陽澄湖的“引江入湖”功能將使其“常態化”，引水運行概率更高。有鑒于此，沿江泵站的泵型選擇，在兼顧發生頻率相對較低的設計和校核工況的同時，應注重低揚程、正常運行工況的運行效率，由此來確定水泵相關技術指標。

為此，在施工圖設計階段，針對陽澄湖“常態化”“引江入湖”的調水引流功能要求，結合長江側高低潮位動態變化的特點，對泵型進行了更進一步的數值模擬研究和調整[5]。具體到泵型參數，做出了以下調整：①降低水泵轉速，葉輪直徑由3 150 mm增大為3 350 mm;②電機功率由2 000 kW縮減為1 800 kW。泵型優化后進一步降低了運行能耗。

2.2數模驗證并優化工程布局和水力銜接條件

該擴建泵站工程是在已建水利樞紐的情況下擴建泵站，屬于改擴建工程。擴建泵站后，將改變原工程的總體布置格局及其上下游水力銜接條件?，F狀樞紐南岸為武鋼廠區，北岸為樞紐管理所，根據各建筑物功能銜接要求，受限于場地條件，擴建泵站緊臨樞紐北側布置。為了確保工程水力銜接順暢和總體布局滿足規范要求，前期和初設階段對布置進行了反復調整和優化，并通過數值模擬進行了驗證和優化[6]，進一步完善了擴建泵站的位置以及上下游的銜接狀況。根據數模驗證和優化成果，擴建泵站上下游的水力銜接均滿足規范的要求，工程總體布局合理可行，符合各建筑物功能需要。

七浦塘入江段河道是由原太倉地方引排河道升級、擴大為區域和流域引排河道，其功能、規模變化較大，工程引排運行將對船閘航運產生較大影響。施工圖階段滿足工程規劃功能要求，在全面梳理原水利樞紐工程和改擴建后的江邊水利樞紐工程功能要求和功能變化的基礎上，針對已建船閘和節制閘緊鄰布置的現狀，為進一步改善引排期船閘通航的條件，開展了專題數值模擬研究[7]，以盡量減少水利與航運的矛盾，為建成后的水利樞紐工程能夠安全運行提供了技術支撐。

根據數模進一步復核和優化成果，在泵站工程實施期間，利用泵站在建工程下游圍堰斷流的施工條件，通水前完成了長江側兩閘之間向下游延伸一節導流墩的施工（導流墩偏角5°，墩身接長16 m）工作。采用該工程措施后，使船閘下游引航道在引排運行期的通航條件得到了較大改善。

2.3已建工程的安全防護

不同于新建工程，對于擴建工程的布置和施工，需處理好與已建工程的銜接和兩者在施工期的安全問題。鑒于已建通江水利樞紐內河尚未貫通，無運行方面的要求，因此在施工期可通過南側原有老蕩茜閘進行引排導流，工程按全斷面斷流排水后實施旱地施工，已建樞紐排水后由通水工況返回到最不利的完建期，并將持續較長時期，而且老樞紐北側節制閘和閘邊控制樓緊臨泵站深基坑（挖深15.7 m，基坑底低于已建樞紐基底5～6 m，詳見圖2），這些因素對軟土地基上已建建筑物的穩定、結構安全以及待建主體基坑的安全均不利。

在工程設計過程中，南側已建樞紐按原設計的完建期工況對墻后進行填土以適當卸載[8]，并通過降排水，以適當控制墻后地下水位;北側閘站間采取的支護技術[9]，是該工程深基坑開挖和已建建筑物安全的關鍵。圖2是已建閘邊的泵站深基坑總挖深，為15.7 m，如按全坡開挖，坡比緩于1：4，開挖面寬需75 m，加上已建閘邊控制樓尺寸，隔堤寬度達85 m。結合分期開挖需要，設計采用灌注排樁和插工字鋼的連續攪拌樁結合放坡的支護措施，將總挖深分成卸載高差（5 m）、兩級支護高差（4.7 m）和放坡高差（6.0 m）3個部分，開挖面寬僅為16 m，為此，將隔堤寬減為26 m，使泵站相對主河道偏移量大大減小，這樣不僅有利于上下游彎道水力銜接，而且還可以節省隔堤和上下游彎道銜接的工程量。在汛期雨季、軟土深基坑和高邊坡施工條件下，結合現場條件，通過進一步優化閘塘開挖和樁基施工程序（詳見前文），有效地保護了已建建筑物的安全。經施工期專項監測分析，被保護建筑物的位移、沉降變形均符合要求，未發生險工或險情。實踐證明，在江邊水利樞紐擴建治理工程中，對泵站深基坑和已建建筑物所采取的保護措施經濟、合理，且實施有效，達到了設計預期效果。

2.4軟淤土地基處理技術及效果

針對軟淤土地基，基礎處理[10]是以摩擦型鉆孔灌注樁為主，水泥攪拌樁為輔。鉆孔樁樁徑為800～1 400 mm，樁長25～45 m;攪拌樁有600 mm和700 mm兩種樁徑，按樁距分有連續樁（防沖或支護樁）和均布樁（復合地基）。工程設計中，根據結構受力條件，按經濟適用原則，合理確定的基礎型式。實踐證明，由于地質條件較差，采用鉆孔灌注樁并結合土工格柵，可顯著提高建筑物水平向承載能力，有效解決軟土地基上高大擋土結構的側向穩定問題。檢測成果顯示，樁基承載力滿足結構安全要求，擋墻側向位移在允許范圍內，樁基結合土工格柵的減載效果達到了設計要求。

2.5土工格柵在軟土地基上高大擋墻減載技術中的研究與應用

該擴建治理工程的上下游進出水池兩側翼墻均為高度大于15 m的大擋墻，特別是長江側，潮起潮落，水位動態多變，落差大，且防洪高度更高，緊鄰站身的擋墻自底板底部至防洪頂的總高度近18 m。而該工程地基為軟淤土，抗剪強度極低，地基允許承載力僅為55～60 kPa。針對高大擋土、擋水結構主要承受水平向荷載的特點，通過對多設計方案進行比選研究，采用了鉆孔灌注樁基礎上的空箱扶壁式結構。該結構是利用樁基承受主要荷載，并利用空箱減輕豎向荷載。根據計算，由于墻后擋土高度大，擋墻承受水平荷載較大[11]，樁基設計樁徑較大，雖然滿足樁基布置需要，但是翼墻底板寬度及斷面較大，很不經濟。為了控制工程造價，適當減小樁基和翼墻斷面尺寸，需研究水平減載處理措施。根據加筋土原理，設計引進了近幾年開發利用較多的塑料土工格柵[12-13]，在墻后適當范圍內分層鋪設。利用格柵的拉結加強作用，大大提高了加筋土復合體的抗剪強度，使得墻后一定范圍內的回填區形成了自穩定體（相當于改善土體破裂角），減小了水平向的土壓力，從而節省了樁基和翼墻斷面。

實踐證明，土工格柵在軟土地基上高大擋墻結構減載技術中的應用，不僅節省了投資，而且墻后填土質量和擋墻承載能力也得以明顯提高，工程變形小。

2.6大體積混凝土結構溫度裂縫防治措施

根據相關規范規定，對于類似該工程的情況，由于站身結構復雜且體量高大，屬于大體積混凝土[14]，其結構內部因水化熱積聚導致溫度急劇升高，容易形成較大的內外溫差而出現溫度裂縫，需采取適當的溫控和抗裂措施。為此，設計采取布管通水冷卻[15-16]、配置溫度鋼筋[17]、采用低熱水泥[18]以及摻加優質粉煤灰[19]和復合抗裂外加劑等多個措施加以控制，并結合施工方面的各種控制措施。直至完工，擴建泵站工程所有墩墻的常見裂縫發生部位均未產生裂縫。該工程在防止溫度裂縫方面，通過對設計和施工兩個方面進行多重有效控制，取得了理想的效果。

2.7汛期雨季、飽和軟弱土深基坑、高邊坡的優化

該擴建治理工程的泵站主基坑最大邊坡高于15 m，屬于飽和軟弱土的高邊坡、深基坑[4]。針對特殊不利的水文和地質條件，施工組織設計要求在冬、春季節施工。但因各種原因，實際主基坑施工期處于汛期雨季（6～9月），深基坑周邊及支護體墻后地下水位較旱季有較大抬高，加上工程地質條件極差，原來按旱季較低地下水位工況下設計的基坑邊坡及支護結構，顯然已不能滿足雨季工況下的基坑安全要求。

為了確保泵站深基坑開挖和南側已建建筑物的安全，施工過程中，針對施工條件的實際變化，綜合多方面的因素，經開展設計專題研究，提出了合理化的變更建議：調整并優化處于施工關鍵線路上的基坑開挖與樁基的施工程序，將主體深基坑調整為分期開挖，樁基穿插其間施工，適當抬高主基坑一期開挖面高程，減小基坑一次開挖深度，提高樁基施工面，對開挖邊坡及支護體進行相應調整（見圖2）。

實踐證明，針對汛期雨季、飽和軟弱土的特殊施工條件，對深基坑、高邊坡與樁基實施的綜合優化調整，縮短了工期，使工程施工更為安全、經濟、合理，確保了工程進展順利。

2.8動水環境下的非常規機泵安裝技術

按泵站安裝常規[20-21]，機泵安裝結束后才拆壩通水，其邊界條件為周邊無水且通暢的絕對旱地環境。在該工程的泵站土建工程具備通水條件時，機泵尚未安裝，但此時正值汛期來臨，為了避免內陸洪澇災害損失，同時，考慮到軟基上高大泵房臨空結構的穩定與安全以及深基坑度汛安全等因素，對該工程實施了提前拆壩通水并獲得了成功。因而從中也積累了非常規安裝的實踐經驗。

泵站通水后，站身浸泡于水中，正值夏季，相比常規條件，安裝空間狹小閉塞，高溫、高濕、蚊蟲多，安裝施工環境極其惡劣。關鍵是站身外河側處于長江感潮區，潮位漲落變化，使得泵站上下游水位差發生動態變化，對站身結構形成雙向動態多變水頭;加上泵室排空水體后浮力的不利影響，導致站身結構重心發生動態變化，從而會對機泵安裝增加難度。

在機泵安裝過程中，經設計和施工各專業技術人員共同研究和探討，決定盡量利用現有結構和潮位規律等一切可利用的條件，實施機泵非常規安裝。泵站共有4臺立式機組，單臺設備總高度近15 m，按水下到水上的順序，自下而上分層安裝。根據站身兩個塊體的結構條件，采用設計預設的檢修工況進行機組安裝。采取分兩批、兩個塊體各一臺機組同期對稱安裝的方法，利用進出水流道工作閘門擋水，泵室設泵抽排水，形成封閉的旱地環境。不同于絕對旱地條件，檢修工況下，由于局部排水，站身結構重心在動態水頭下動態變化，而機泵軸向高度大，土建微小的變形便會影響機泵軸向和各層埋件的水平安裝精度。經過反復試驗摸索，機泵安裝必須順應潮位變化的規律，將高精度安裝工作選擇在水位差較小的相對平穩的條件下進行，并經連續多天多潮位反復調試和監測驗證，各安裝參數及指標精度符合要求。

2.9非常規工期控制

該工程于2014年3月開工，計劃于2015年5月底前完成水下工程，水下工程工期僅有15個月。在工程實施過程中，實際具備深基坑開挖條件的時間在7～8月，且處于汛期雨季，扣除損失的工期，水下工期僅余10個月;而泵站主體自樁底至房頂總高度為80.5 m，水下主體工程施工任務艱巨，因此工期非常緊張。

為不影響既定工期目標，除了優化設計以外，在施工方面，按先主后次、先深后淺的原則，重點落實關鍵線路上的施工內容，合理安排施工工序，縮短工序搭接時間[22]。通過基坑分期開挖、調整樁基施工順序和加強雨季基坑支護等施工技術措施，比如調整土方調配方案，開挖面滿鋪鋼板，增加降排水、樁基施工設備及作業班組;混凝土中摻加抗裂及早強劑;泵房采用滿堂腳手整體一次澆筑等，盡可能縮短各環節工期，克服雨季、深基坑土質差等特殊不利因素，及時完成了泵站水下主體工程，確保了整個七浦塘工程提前通水。

3工程地位及社會影響

蘇州陽澄湖通江七浦塘工程是《太湖流域防洪規劃》中陽澄淀泖區域治理骨干通江河道和《太湖流域水資源綜合規劃》中區域水資源配置工程。建成后，可增強區域引江能力和水資源調控能力，提高區域水環境容量，改善陽澄湖及區域水環境，保障陽澄湖水源地供水安全;提高陽澄淀泖區防洪除澇能力，擴大區域洪水排江能力，減輕太湖防洪壓力。結合區域其他工程，陽澄淀泖區防洪除澇標準可從現狀20 a一遇提高到50 a一遇。

內陸地勢平緩，水位相對比較穩定，易于與陽澄湖溝通，七浦塘聯通長江后，受長江潮汛影響，就需要設置控制設施，通過口門控制，在保持內部水位穩定的基礎上，利用長江潮位漲落并補充引排動力，實現陽澄湖聯通長江的各項綜合功能。因此，七浦塘江邊樞紐是陽澄湖通江的重要龍頭口門，是保證陽澄湖及其內陸河道適宜水位并抵御長江洪潮的重要屏障，也是全面實現陽澄湖綜合功能的最重要和最有效的控制性工程措施，可為陽澄湖供水、陽澄淀泖區域和太湖流域防洪保安發揮巨大作用，其功能作用和工程地位不言而喻。

蘇州屬“長三角”和“蘇南”最發達地區，陽澄湖通江是蘇州水利“十二五”期間的重點工程，更是惠及蘇州人民百姓的民生工程[23]。項目于2012年開工，2015年趕在汛前全線通水，至年底基本建成并具備運行條件，開始發揮效益。特別是近3 a的梅雨和主汛期，均遭遇了強降雨天氣，工程全線及時完工并全力投入排洪，為緩解地區嚴重汛情，減免洪澇災害損失，保障地區防洪安全和在建工程度汛安全，發揮了重大的作用。建成后近3 a來，通過擴建泵站已向陽澄湖調水或換水近15億m?3。工程調水引流和防洪減災效益顯著，正在對高度發達的蘇州地區的經濟社會產生積極、重大的影響。

4結 語

七浦塘工程將蘇州重要水源地——陽澄湖與長江聯通，其通江水利樞紐工程是陽澄湖溝通長江的重要控制口門。因其特殊的水文、地質及緊臨已建樞紐和跨汛期施工等不利條件，使得該工程關鍵技術點多、實施難度大。通過開展設計和施工專項研究，順利解決了所有重大關鍵技術問題，獲得并積累了寶貴的實踐經驗。目前，七浦塘工程已全面完工并投入運行，工程在調水引流和防洪減災方面正在發揮并將繼續發揮巨大的作用。項目成果經蘇州市社會公投，被推舉為“2015蘇州十大民心工程”，排名第三，取得了很高的社會地位和民眾認可度，產生了廣泛且良好的社會影響。

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引用本文：高興和，陳興奎，王飛，張旭，朱海鋒.陽澄湖通江大型泵站擴建關鍵技術研究與實踐[J].人民長江，2019，50（2）：47-52.

Research and practice on key technologies of extending large river-lake connected pumping station for Yangcheng Lake and Yangtze River

GAO Xinghe?，CHEN Xingkui?2，WANG Fei?ZHANG Xu?ZHU Haifeng?2

（1.Jiangsu Taihu Lake Water Resources Planning and Design Institute Co.， Ltd ， Suzhou 215128， China;2.Jiangsu Hydraulic Engineering Construction Co.， Ltd ， Yangzhou 225007， China）

Abstract： Yangcheng Lake， an important drinking water source for Suzhou， is connected to the Yangtze River by the Qiputang dredging remediation project and ?Jiangbian Pumping Project. In the expanding construction of the pump station， the unfavorable construction conditions such as the hydrological regime of the tidal fluctuation of the Yangtze River， the geology of soft silt foundation， the complex structure closing to the built structure and the construction in rainy season. The main key technologies for the design and construction of the project and their effects are studied and summarized. The measures of prototype optimal selection， project layout optimization， optimal connection of hydraulic condition， soft foundation treatment， pump installation in dynamic flow etc.， ensured the quality of the project and completion on time.

Key words：soft silt soil; deep foundation pit; large river-lake connected pumping station; river-lake connected water conservancy project; Yangcheng Lake