攀月頭灌區取水口改造設計與研究

樂 圣

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州510630）

1 工程概況

攀月頭灌區福塘干渠工程是為了解決下游隆都灌區實現自流灌溉的灌溉供水工程。攀月頭灌區由攀月頭溝、團結溝及福塘干渠組成，控制的灌溉面積1.6萬畝，原進水渠首為攀月頭涵，位于潮州樞紐庫區內。隆都灌區由急水、中學后、中心、南面干渠組成，原設計灌溉面積3.5萬畝，原取水口為急水涵，兩個灌區相互獨立互不連通。

受韓江干流河床連年下切影響，位于潮州供水樞紐下游的隆都灌區已無法自流引水，工程從潮州供水樞紐庫區內重建取水口自流引水，通過延長福塘干渠供水至隆都灌區。取水口位于潮州水流樞紐上游東廂堤約2.4 km處，堤防等級為3級。輸水線路經潮州的鳳美、磷溪、福聚、塔后，交水至汕頭的急水，沿途主要采用管道和隧洞輸水。線路總長約7.35 km，設計流量5.07 m3/s，本工程屬粵東灌區續建配套與節水改造工程子項目之一，主要永久建筑物級別為3級，包括取水口、穿堤鋼管、出水池、量水間等［1］。

2 取水口改造重建

2.1 基本資料

（1）原攀月頭取水口為岸塔式取水口，穿堤涵為一孔φ1.6 m圓涵，進口底高程4.45 m，由于此進水涵閘興建于1965年，其破損較嚴重，管內淤堵，管周滲漏嚴重。

（2）潮州供水樞紐水庫正常蓄水位10.5 m，死水位8.5 m，取水口設計水位為9.5 m（灌溉設計保證率為90%），最低運行水位8.5 m，最高運行水位14.13 m（設計洪水位，50年一遇）。

（3）泥沙情況。根據取水口上游控制站潮安站記錄，多年平均含沙量為0.29 kg/m3，多年平均輸沙量為686萬t。

（4）地形情況。取水口位于潮州供水樞紐上游東廂堤約2.4 km處凹岸，堤防斷面為復式斷面，堤頂高程為20.0 m，堤外灘地高程為11.9 m，為地勢平坦開闊的沖積平原。

（5）地質情況。取水口地層巖性以第四系松散堆積層為主，自上而下分別為粉質粘土、粗砂、礫砂，堤基為強透水層。

2.2 改造的必要性

受河床下切、河勢變化、水位降低等影響，為充分發揮潮州供水樞紐的工程效益，將連通攀月頭灌區、隆都灌區，取水口取水規模發生較大變化，且現狀取水口年久失修、破損嚴重，取水流量已嚴重不足。因此工程有必要對其進行改造，以確保滿足當地灌溉供水需求。

2.3 改造目標

本工程的目標是確保滿足取水需求，具體概括：（1）在各種設計工況下取到對應流量的水，滿足設計供水保證率。（2）取水口進水流態較佳，減少淤積。（3）避免對航道產生影響。（4）方便運行維護管理。

2.4 取水口輸水管徑設計

攀月頭取水口設計流量為5.07 m3/s，穿堤后分兩條管，主管分流3.60 m3/s至隆都灌區，支管分流1.47 m3/s至原攀月頭取水口分水池。輸水管線示意圖見圖1。

圖1 輸水管線示意圖

輸水管徑的選擇以滿足交水點的水頭流量要求，且引水工程的總投資最省為原則。具體原則如下：

（1）考慮到本工程采用的是重力流自流輸水方式，不涉及到抽水年電費的問題，所以總投資最省即為在現有水頭條件下盡量選擇管徑最小的管材。

（2）輸水管徑的選擇必須滿足流量要求，取水口處設計運行水位為9.5 m時能取到設計流量5.07 m3/s，樞紐水位8.5 m時能取到90%的設計流量4.56 m3/s，樞紐水位10.5 m時能取到加大流量6.34 m3/s。

（3）原攀月頭取水口埋管管徑為DN1600，經復核，設計流量有一定富余，本著原規模重建原則及考慮日后城市發展的用水需求，支管管徑定為DN1000［2］。

為滿足以上幾點要求，本次選取主管輸水管徑2.0 m、2.2 m、2.4 m對不同流量進行水力計算，結果見表1。

表1 不同管徑水力計算比較表

2.5 取水口進口高程設計

為防止產生貫通式漏斗漩渦，有壓式進水口應滿足最小淹沒深度要求，示意圖見圖2，為保證進水口內為壓力流，最小淹沒深度S應不小于1.50 m～2.00 m。

圖2 有壓進水口淹沒深度示意圖

最小淹沒深度的驗算：按照不產生摻氣漩渦的弗汝德數Fr=V1/（9.81×S1）0.5＜0.23，進出水口最小淹沒水深及弗汝德數見表2。

表2 進水口最小淹沒水深成果及弗汝德數表

通過上述計算，取水口進水口底高程確定為4.60 m。

2.6 取水口形式及布置

進口翼墻段長18.5 m，翼墻選用八字形，底板坡度為1∶5，于翼墻中段設置沉沙池；檢修閘室段長10.2 m，寬4.0 m，為帶胸墻單孔閘，采用C25鋼筋砼結構。閘底板厚1.0 m，閘墩厚0.8 m，閘孔尺寸為2.4 m×2.4 m（凈寬×凈高）。閘墩上設防洪檢修閘門和攔污柵，閘底板高程4.6 m，閘墩頂高程11.9 m，并設置啟閉機室，啟閉機室操作層高程為15.9 m，在東廂堤頂和啟閉機室之間設置寬3 m的交通橋連接；穿堤頂管段長74.2 m，閘室后采用頂管穿過東廂堤，管道中心線高程4.20 m～5.80 m，鋼管總長74.2 m，坡比為1：47.2，管內徑為2.4 m，鋼管壁厚28 mm，管周回填灌漿，在管道穿過原東廂堤防滲墻后1 m處新增高壓擺噴防滲墻，沿堤軸線布置，長10 m，厚200 mm。頂管出發井采用灌注樁+內襯結構。頂管采用泥水平衡式頂管機進行頂進施工。出發井為圓形，內徑R=5.5 m，內襯墻厚0.8 m，灌注樁直徑0.8 m。管道在工作井處分岔，在分岔上游側設置進人孔。在堤外頂管出口處采用水泥攪拌樁加固土體，不設接收井［3］。

2.7 取水口閘室穩定計算

取水口受力有自重、水重、填土土壓力、浪壓力、地震力，取水口閘室計算見圖見圖3。

圖3 取水口閘室計算簡圖

閘室整體抗浮、抗滑及基地應力計算成果表見表3。

表3 取水口檢修閘閘室穩定計算成果表

由表3可知：抗滑穩定安全系數Ks、抗浮穩定安全系數設計值Kf大于規范允許值，滿足規范要求；閘室基底最大應力為134 kPa，最大平均應力為126 kPa，閘室基礎經水泥碎石砂換填后，地基承載力滿足要求。

2.8 基礎處理方案比選

根據取水口檢修閘的穩定計算成果，閘室基底最大應力為133.98 kPa，平均應力為129.92 kPa。取水口檢修閘底板建基面高程約3.60 m，該高程以上部分將作挖除處理。根據地質勘察資料，取水口閘室底板建基面以下地層主要為②-2層中粗砂、礫砂，松散狀，層厚約10.0 m～12.0 m，承載力標準值（fak=120 kPa～240 kPa），而在該層以下③層為淤質細砂層，松散狀，層厚2.2 m～3.0 m，承載力標準值（fak=90 kPa～110 kPa），存在液化可能。

參考本地區已建類似工程的經驗，根據取水口檢修閘地基承載力要求以及地基沉降量的要求，地基處理方案初步選取水泥攪拌樁和摻水泥碎石砂換填進行比選，兩個方案對比如下：

方案一：水泥攪拌樁

采用樁徑為φ600的水泥攪拌樁，攪拌樁布設于取水口檢修閘閘室，矩形連體布置，樁長約13.0 m，樁間距0.5 m，在底板下設0.3 m厚砂石料墊層，攪拌樁伸入砂石料墊層0.1 m，建筑物周圍采用連體攪拌樁圍封做抗液化處理，圍封樁平均樁長為13.0 m，經計算φ600攪拌樁的工程量約為790 m，直接工程費用約為8萬元。

方案二：挖除換填

本方案僅對持力層進行處理，根據以往工程相關經驗，采用摻8%水泥碎石砂進行換填，強度可達500 kPa以上。取水口檢修閘基礎換填厚度約為0.8 m，直接工程費用約為2.5萬元。

根據《水工建筑物抗震設計標準》（GB 51247-2008），本工程取水口檢修閘抗震設防類別為丙類，可不采取抗液化措施，且液化土層離基底較深，約9 m～10 m，因此不考慮抗液化處理。

攀月頭取水口閘室位于東廂堤迎水側，場地狹窄，水泥攪拌樁受施工場地限制，難以在狹窄的工作面開展工作，需在攪拌樁施工時填筑施工臨時平臺，增加臨時費用，且水泥攪拌樁施工完畢后需待樁體達到設計強度后進行靜載試樁，影響工程項目的施工進度。如果采用挖除換填，施工速度快，受周邊環境限制較少。因此，攀月頭取水口檢修閘基礎采用摻8%水泥碎石砂進行換填。

3 結語

類似攀月頭取水口的布置形式，在沖積平原上采用廣泛，未來水資源配置和灌區改造工程技術研究必將更受重視和深入，上述對取水口改造設計可為類似的工程設計提供借鑒。