重慶市某大型凈水廠取水工程結構設計實例分析

劉 濤，張家全

1.重慶水務集團股份有限公司，重慶 400015

2.中國市政工程華北設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，取水泵站位于廠區西側濱江路旁，結合了重慶市已建水廠的經驗與長江河床穩定、河岸平坦、水流較穩定的特點。該工程土建按照60萬m3/d進行設計，設備按40萬m3/d進行安裝；整個取水工程內容包括取水頭部、引水管道、吸水井、取水泵房及配電間等。

2 取水工程結構設計

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構，在其側面或頂面設置進水窗口，并安裝攔污格柵，引水管伸入箱體內取水。對于規模較大的箱式取水頭部，箱體采用預制構件，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，基礎采用鉆孔灌注樁。箱體下河床局部挖深，箱體嵌入河床內，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，應設置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構示意圖如圖1所示。

圖1 水下沉管溝槽埋管結構示意圖（單位：mm）

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

根據長江原水中夏季濁度較高的特點，當管道內水流流速長期低于0.6m/s時，容易發生泥沙沉積，并導致水生生物在管壁上附著生長，嚴重時將影響管道的輸水能力。根據國內同類型取水工程的實踐經驗，為防止管道內發生泥沙淤積，可以設專用管道進行主動沖洗，也可以通過取水泵及泵房內的管道設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頂進，全長413m。工作井尺寸為圓形工作井，內徑為13m。管頂覆土層厚度為0～36.7m，頂管在中風化基巖中埋深≥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操作，施工工藝類似于盾構法，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筑物。由于長江水位變化大、岸邊地形起伏大，取水泵房的設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濟及技術比較。

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，泵房室內地面標高取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，取水頭部頂面標高取162.00m，底標高取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。泵房內安裝16t電動橋式起重機1臺，4臺臥式離心泵（一期4臺），預留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，泵房室內地面標高取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，取水頭部頂面標高取162.00m，底標高取158.85m。泵房內安裝16t電動橋式起重機1臺，4臺臥式離心泵（一期4臺），預留1臺泵位。

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

表1 取水泵房技術經濟分析比較表

方案二雖然給工藝布置帶來一些困難，但是結構受力均勻安全可靠，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施結構設計。①取水泵房下部結構。下部為鋼筋砼圓形結構、泵房內直徑為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化巖中。設計中考慮井壁外側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，為減少邊坡擋墻，采用鋼筋混凝土池壁原槽澆筑[3]。②取水泵房上部結構。上部采用梯形鋼屋架。變配電間采用普通框架結構，屋面采用鋼筋混凝土現澆板?；A采用直徑為1000～1200mm的鉆孔灌注樁，以中風化基巖為基礎持力層。③配電間結構配電間采用現澆鋼筋混凝土框架結構，鋼筋混凝土屋面板，現澆鋼筋混凝土梁、板、柱。基礎采用直徑為1000～1200mm的鉆孔灌注樁。

2.5 抗浮設計

該工程構筑物抗浮設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后形成的嵌固力承擔，局部抗浮主要由抗拔錨桿承擔。

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，結構混凝土底板采用C40混凝土，池壁等均采用C30混凝土，墊層采用C20混凝土，抗滲等級為S8。取水深基坑位于廠區外西側，根據地勘報告，取水深井直徑約為28m，深38.7～43.7mm，深井圍巖為中等風化泥巖和砂巖。在基坑頂設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，壓實系數不小于0.97。壓實填土地基承載力特征值及變形模量還應結合現場荷載試驗進行確定。場區填筑前應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，內徑為13m，井深28.5m。深井砂巖中含基巖裂隙水，深井井底標高為160.18～160.87m，施工中應于深井內設置積水井匯集地下水，并準備相應的抽排設備。綜合結構安全、節省投資、地質資料等因素，深井泵房基坑采用豎直開挖。

4 結束語

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的供需水矛盾，改善該供水區域內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鍵性工程。文章以其結構設計為例，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構設計提供借鑒。