復雜山區市政水廠設計中關鍵問題處理探討

劉耀龍

（中國市政工程東北設計研究總院有限公司，吉林 長春 130021）

復雜山區水廠地形高低起伏，場地條件復雜，部分施工工藝需要采取特殊措施，從而導致復雜山區水廠設計過程中需要考慮的因素眾多，使得復雜山區水廠建設在某種程度受到一定阻礙。因此，需對復雜山區水廠設計過程中的特殊問題進行針對處理，推進復雜山區水廠的建設順利開展。文章針對復雜山區水廠設計特點進行研究分析，對山區水廠設計關鍵問題進行具體討論，探討復雜山區水廠設計中關鍵問題的處理措施。

1 復雜山區水廠設計特點

與傳統的平原場地相比，復雜山區水廠對設計的要求更高，在復雜山區中進行水廠設計時，相關設計人員應強化水廠結構與復雜山區特點之間契合度，避免復雜山區水廠設計過程中出現問題。復雜山區水廠的設計特點如下：（1）山區水廠普遍地形高低起伏較大，大范圍挖填土方的現象不可避免，場區總平面多數涉及高邊坡、高擋墻、土方平衡計算準確性不足等問題。（2）廠區地基土特性一般為巖性土，對深基坑、沉井等施工工藝，需要考慮有其特殊措施，采用傳統的施工方案將不可取。（3）山區水廠水源地與用水城區存在一定高差，地形陡坡地段較多，作業空間有限，導致長距離輸水管道施工安裝困難。

2 復雜山區水廠設計關鍵問題及處理措施

針對復雜山區的特殊情況，文章列舉水廠總平面、土方平衡、沉井、頂管設計關鍵問題及相應的問題處理措施。

2.1 總平面

由于山區場地地形高低起伏較大，總平面設計方案確定過程需要考慮如何充分結合場地的自然條件，進行場區建（構）筑物布置，以達到節約用地，提高土地利用率，減少土方工程量等目的[1]。對于在山區建設的水廠而言，傳統的總平面平坡式布置方案平整場地的土方開挖量較大、不經濟，且如果設計場地坡度較大，不僅場區建（構）筑物布置的難度會增加，還可能會增加工藝流程的布置復雜程度，從而進一步增加工程造價。

針對上述問題，在實際總平面設計過程中設計人員需要考慮如下因素的影響：地形坡度、工藝流程以及場區道路運輸、占地面積大小、土石方工程量。在保證滿足生產工藝流程的前提下，綜合考慮廠區的總平面圖布置和豎向布置，復雜山區水廠總平面布置可以考慮設置成臺階式方案，也可以結合實際情況設置成多級形式，從而保證總平面布置的統一性、一致性。總平面的臺階長邊方向宜沿場地等高線布置，同時臺階的布置方向應與工藝生產流程有效銜接，以便形成自上而下階梯順序，場區總平面臺階的數量不宜過多.布置過多不利于場地生產運輸，運行維護的難度增加，應以創造良好的生產運輸條件為宜。

場地臺階的設置方式可以根據實際情況設置為邊坡或者擋土墻。兩種方案可以根據實際情況考慮采用，采用邊坡時，節約投資，但占地面積較大。對于工程地質條件比較好的場地，可以設置為擋土墻,常用的形式為主要形式是重力式漿砌片石擋土墻，此方案具有取材容易、便于砌筑等特點，此時施工工程量較大、成本高，但可以節約用地面積。實際設計過程中可以進行邊坡與擋土墻經濟對比分析，選擇最優的臺階方案。

2.2 土方平衡

土方平衡計算作為復雜山區水廠設計中一項重要項目，土方開挖量不僅涉及場地布置，還會涉及造價、經濟等問題。目前，方格網法是場地土方平衡計算的方法中最常用的方法。該方法具有計算簡便、成果直觀清晰等優點。但是由于山區場地地形高低起伏和其他方面因素干擾，在此條件下此方法計算出來的土方挖填方量容易出現較大誤差[2]。

針對復雜山區水廠建設場地土方平衡設計問題，為保證相應問題可以得到有效改善，就要求借助標準化軟件平臺對場地地形進行數字地面模型模擬，從而進行精確計算，可以考慮采用如下步驟進行計算：首先基于專業的土方計算軟件（FastTFT、Civil3D、鴻葉）平臺，依據已測場地地形等高線和高程點布設方格網，根據場地設計標高，坡度坡向控制，進行方格網的土方計算。其次在原始地形中將高程點離散，作數據采集；再根據離散點高程生成三角網，對生成的三角網依據實際地形進行調整，如增加、裁剪、合并等，從而保證建立的數字地面模型與實際地形一致。數字地面模型建立的準確與否，關系到能否獲取的精確的的土方工程量。最后再將方格網與三角網計算的結果進行相互比較，當這兩者計算結果之差是在經驗值＜5%時，此時可以認為方格網計算出來的土石方量準確性可靠；否則，認為準確度不足，則需要重新檢查場地的坡度、設計標高是否確定合理，再重新檢查方格網的布置是否需要增加或裁剪，將方格網進行優化調整之后再次進行土方計算。

整個過程需要多次重復以上步驟，直到采用兩種網格計算出的場區土方結果的差值＜5%，此時，總結得出數據結果。整個土方平衡計算過程如圖1 所示。

圖1 土方平衡優化計算

2.3 巖層沉井下沉

在市政水廠工程中，沉井結構具有整體性好、穩定性強、剛度大等優點，應用比較普遍。但也因沉井結構較深，導致其結構內力過大發生破壞，從而直接影響著市政結構工程的質量。目前，沉井的主要下沉施工方法有排水下沉和不排水下沉兩種方法。在一般土層施工過程中主要靠減少井壁與周圍土層的摩阻力、井端阻力的方法來進行沉井的下沉，而在復雜山區地質情況多為巖土層，由于開挖困難，采用傳統的方法不可取。在復雜山區水廠建設現場進行巖層沉井施工時，下沉穩定驗算需滿足式（1）要求[3]。

式中：Ks為下沉系數，G1k為沉井自重標準值（包括外加配重的重量的標準值），Fw為下沉的浮托力標準值，Ff為井壁摩阻力標準值。

（1）增加沉井自重。施工過程中可以在沉井頂部增加配重，可以利用鋼鐵塊或者土沙袋迫使沉井下沉，也可以考慮在沉井上提前澆筑一節來增加自重。對于不排水下沉的沉井，可以考慮將沉井內的水事先抽出一部分，減小浮托力。

（2）減小沉井外壁的摩阻力。為減小沉井的與周圍土層的摩阻力，可以將沉井的井壁設計成階梯形，如圖2 所示。同時在沉井內灌砂助沉，或在井壁注射高壓水流軟化井壁附近的硬土，當水流沿井壁上升時可以將井壁潤滑。如果刃腳下巖石層的阻力過大，難以下沉，可以考慮采用爆破方案，首先對刃腳下部直角部位巖石進行爆破，隨后人工清理部分爆落巖石，再刃腳其他部位進行爆破，巖石施暴方法考慮采用靜態爆破，以減小對周圍場地的擾動。

圖2 沉井斷面構造圖

2.4 長距離輸水管道頂管

山區水廠與用水地往往距離較遠，為滿足功能需求，通常都需要長距離輸送。與平原場地相比，長距離輸水管道在山區特殊地貌條件下施工，受地形陡坡地段較多，作業空間有限等因素的影響，常常會導致管道施工過程中不僅安裝困難，而且還會影響建設周期。特別是當管道沿半山斜坡敷設時，管線需要順坡開挖成溝。當斜坡較大時，此時很可能會破壞斜坡的平衡狀態，在后期降雨作用下，容易引發山體滑坡、崩塌、泥石流等地質災害。

因此，針對場地地形陡坡，局部斜坡坡度較大可以考慮采用頂管施工穿越。采用頂管法穿越，常規操作方案如下：首先在一側進行工作坑的開挖，之后在工作坑內根據管道的設計位置和套管的外形尺寸大小，進行內部頂進設備和套管安裝。接著，將套管端部的刃腳部分用頂緊設備頂入土層中，然后作業人員在套管內部邊挖土邊用頂進設備把套管逐節頂入土層中，重復操作以上步驟，直到頂到目標長度為止。頂管法穿越示意圖如圖3 所示。

圖3 頂管法示意圖

當施工過程中遇見山區巖石時，可以考慮先采用風鉆先擊碎套管前端的石方，然后人工將碎石從管道內清理出。人工將管道內部碎石清理后，方可啟動管后端的液壓頂進設備向前推進套管。不斷重復上述步驟，直到將套管全部頂進。通常一次清進工作長度建議設置為200 ～300mm 比較合理。

3 結論

在復雜山區進行水廠建設，因為受到地質、場地、環境等特殊因素的制約，對設計的要求更高，設計各方面都需要考慮仔細與相關問題處理，合理的設計方案一定程度直接影響山區水廠結構的穩定性和綜合建設效果。

文章針對復雜山區水廠的設計特點進行分析，然后從總平面設計、土方平衡、沉井以及頂管方面進行了相關問題的分析及探討，最后提出一些建議性處理措施，為今后復雜山區的水廠設計提供一些借鑒。