北線引水坂雪崗支線工程中泵站設計及施工要點分析

葛煥麗

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

1 工程概況

深圳市北線引水坂雪崗支線工程位于深圳市中北部，距深圳市區直距約13 km，位于深圳市龍華區觀瀾街道、龍崗區坂田街道。工程建設主要包括：北線分水口至崗頭水庫輸水工程B0+000.000～B0+022.644、K0+000.000～K4+230.000段、泵站主體工程、泵站與崗頭水庫連通工程、泵站機電設備安裝及自動化控制工程、10 kV專線電纜工程及其它附屬工程設施等，工程位置區域見圖1。原始地貌類型主要為低丘陵地貌，局部地段原始地貌為沖溝，現已回填整平。隨著坂田街道的發展，其供水需求增長迅速，2009年9月平均日用水量已經達到了11.05萬m3/d，僅僅依靠梅坂應急供水的3萬m3/d規模和三座村級水廠已經無法滿足需水量的增長需求。特別是隨著華為科技新城的建設落地，用水量迅速增長，設計之預計初2020年用水量達到25萬m3/d。

2 取水泵站工程設計要點

2.1 站址選取

坂雪崗水廠交水點高程86.82 m，崗頭水庫正常水位高程71.40 m。北線至崗頭水庫輸水工程將原水供到崗頭水庫，需要通過泵站提升到水廠，因此在水廠附近修建取水泵站從崗頭水庫取水到水廠。通過取水口位置分析選擇，最終選定取水泵站布置在崗頭水庫南側。

2.2 泵站設計

2.2.1 引水渠及前池設計

泵站取水口在崗頭水庫南岸東側坳口，在低水位60 m高程以下時，可新開挖引渠從水庫深水區取水。引水渠與泵站前池連接的30 m段采用梯形斷面，底寬6 m，兩側采用M10漿砌石護坡，坡比為1∶1.5，砌石護坡厚500 mm；前段53 m引渠采用為梯形斷面土渠，斷面尺寸底寬6 m，邊坡1∶2，不作襯砌，渠底高程為59.63 m。

前池進水口與引水渠底中心的擴散角采用33.9°，前池長度21.6 m；前池的上游端與引水渠未端連接，前池的下游端與進水池(寬19.2 m)連接，因此，前池的寬度為6 m～19.2 m(底寬)。前池底板及兩邊池壁建筑結構采用漿砌石護坡護底，厚600 mm，兩側坡比1∶1.5。

2.2.2 泵站廠房設計

泵房是安裝主機組及其輔助設備的廠房，其主要作用是為機電設備及其運行人員提供良好的工作條件。根據工程位置，站址周邊無建筑物，有放坡開挖的空間，采用坡率法施工可減少基坑支護費用。根據可研階段成果，泵站采用矩形整體式鋼筋砼結構干室型泵房[1]。

(1)主廠房的布置方案比選

廠房布置根據泵機型式可作立式安裝布置和臥式安裝布置，對兩種布置方案進行分析和比較見表1。

根據表1比較，機組立式安裝的廠房尺寸要比臥式安裝小很多，布置簡單整齊，機組運行安全，故本次設計采用機組單列布置的方案一。主廠房(泵房)為二層半埋式建筑物，平面尺寸26.3 m×15.7 m，高程74.13 m以下部分為混凝土水下墻結構，地面以上為框架結構。

(2)泵房水泵的安裝高程確定

根據水機專業計算結果，水泵最小安裝高度為最低運行水位以上0.29 m。進水池最低運行水位59.91 m，水泵葉輪中心線高程應不高于60.2 m。考慮水泵在最低水位時也能以自灌式運行，按最低水位時水泵葉輪淹沒深度大于葉輪的3/4，為保證水泵自灌充水啟動，水泵葉輪頂淹沒在水下至少0.5 m。水泵葉輪中心線至泵殼頂高度0.715 m，以此確定水泵葉輪中心線高程應不高于58.695 m。因此確定水泵安裝高程為。

為安裝機組的需要，要布置起重設備。考慮機組重量5 t，輕級工作制，采用單梁橋式起重機。為使水泵層的設備能吊到檢修間，吊車梁軌道鋪設至檢修間。設備可從室外由汽車上一次吊入，吊車梁采用鋼筋砼T形梁。

(3)穩定分析計算

基本組合：完建期，正常運行水位情況。特殊情況：校核洪水位情況，地震工況。

①抗滑穩定計算采用式(1)或式(2)進行計算：

(1)

(2)

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；本泵站為3級，基本組合Kc允許值1.25，特殊情況中校核水位工況Kc允許值1.15；地震工況Kc允許值為1.05；ΣG為作用于泵房基礎底面以上的全部豎向荷載；ΣH為作用于泵房基礎底面以下的全部水平荷載；A為泵房基礎底面面積，17.2×29.3=504 m2；f為泵房基礎底面與地基之間的摩擦系數，一般為0.35；f′為泵房基礎底面與地基之間的摩擦角Φ0的正切值，即f′=tgΦ0，Φ0為25.2°，則f′=0.471；C0為泵房基礎底面與地基之間的粘結力，據初設報告取4.4 kPa。

以完建情況為例計算荷載：廠房地下部分自重G1=3024×25=75600 kN；廠房上部結構自重G2=342×25=8550 kN；墻趾上填土重G3=1.5×(15.7×2+29.3)×17.32×17.5=27597 kN；ΣG=G1+G2+G3=111747 kN，ΣH取值為20296 kN，因此按式(1)計算泵房整體抗滑穩定安全系數為：

完建情況大于規范允許值1.3，滿足要求。設計運行期ΣG取值為34137 kN，ΣH合計取值為12934 kN，Kc計算值為0.92；校核水位情況下ΣG合計取值23302 kN，ΣH合計取值為10734 kN，Kc計算值為0.76；地震工況下ΣG為34137 kN，ΣH為14733 kN，Kc計算值為1.04；設計運行和校核期以及地震工況下Kc值均小于規范允許值；若按式(2)計算設計運行期抗滑穩定安全系數：

同理計算校核洪水位情況下抗滑穩定安全系數為1.23，地震工況下抗滑穩定安全系數為1.24均大于規范允許值，滿足規范要求。

參考《水工設計手冊》第6卷“泄水與過壩建筑物”中的閘室穩定計算章節，可在原來結構布置的基礎上，結合工程的具體情況，采取以下措施：利用利用進水池作為阻滑板，增加抗滑力；結構要求必須將進水池底板與泵房底板可靠地連接起來，才能保證阻滑板與泵房底板起共同抗滑作用。

②抗浮穩定計算采用公式(3)進行計算：

(3)

式中：Kf為抗浮穩定安全系數；ΣV為作用于泵房基礎底面以上的全部重力；ΣU為作用于泵房基礎底面以上的浮托力。

③基底應力計算

主要驗算泵房地基承載力，按容許承載力方法，按式(4)計算：

(4)

式中：P為基礎底面應力的最大值或最小值，kPa/m2；ΣM為作用于泵房基礎底面以上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流向的形心軸的力矩；W為泵房基礎底面對于該底面垂直水流向的形心軸的截面矩，W取值為1444.7 m3。ΣG和A的值為已知。

不同情況下，泵房整體穩定及基底應力計算成果見表2。

經計算抗滑穩定安全系數及抗浮穩定安全系數均滿足規范要求；廠房底板位于全風化花崗巖土層，通過計算，廠房各部的基底應力均滿足承載力要求，且滿足最大基底應力與最小基底應力之比小于2.5，在各種力作用下，廠房整體穩定。

表2 穩定分析計算成果表

3 取水泵站建設方案

3.1 施工要點

(1)基坑開挖

基坑支護施工土方應分層分段限時開挖，且應在上一道錨桿或土釘完工，并達到設計強度后，方可開挖下層土方，每層開挖深度不大于1.5 m，嚴禁超挖，基坑開挖后暴露時間應盡可能縮短。采用1 m3挖掘機配合8 t自卸汽車裝運，棄土臨時堆放于指定區，部分土料用于建筑物回填。基坑開挖至設計高程，平整開挖面并夯實。澆筑砼墊層之前必須將地下水位降至巖土表面之下，不可帶水澆筑，墊層砼澆筑后可在其表面拉毛之后澆水養護。

(2)基坑支護

崗頭水庫取水泵站地層分布為殘積土、全風化花崗巖，地下水位埋深較淺，基坑開挖時將產生大量涌水，根據場地工程地質條件。基坑周邊環境以及結合基坑開挖深度，綜合考慮安全、技術、經濟、工期等因素的影響，采用支護方案如下:基坑采用放坡+土釘墻或放坡+錯桿支護，具體詳見支護剖面圖1。土釘采用全套管預成孔工藝施工，采用Φ20HRB400鋼筋制作，設計抗拔力8 kN/m。施工排水采用明溝結合集水井排水方式，基坑開挖接近地下水位時，開挖排水溝和集水井，設置水泵，及時抽降地下水，保證干地施工。排水溝隨著開挖不斷加深，保持溝底始終低于開挖面0.5 m。

基坑開挖情況及周邊環境，主要監測項目為開挖邊坡水平位移及垂直位移監測，邊坡水平位移允許值10 cm，預警值8.0 cm；開挖邊坡沉降允許值為12.0 cm，預警值10.0 cm；變形速率不大于5 mm/d，如連續兩次出現變形速率>5 mm/d，應作異常情況處理。

圖1 基坑支護驗算簡圖

基本參數。所依據的規程或方法：《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)，支護結構重要性系數1.000；基坑深度：15.670 m；基坑內地下水深度：16.170 m；基坑外地下水深度：11.670 m。

坡線參數(見表3)，整體穩定計算條件見表4，整體穩定驗算結果表見表5。

表3 坡線參數

表4 整體穩定計算條件

表5 整體穩定驗算結果表

(3)砼工程運輸與施工

①砼采用商品砼，自卸汽車運輸，泵房下部砼經溜槽入倉，上部結構砼需用吊車帶罐上料，拌合物直接入倉，避免游離。人工插入式振搗器平倉振搗。

②砼與鋼筋砼各部位施工有不同要求，泵房底板量大，面積大，應加強質量控制，可由兩側向中間逐步推進，接茬部分要強振，但不可過振。砼厚度為0.9 m～1.8 m，要分層上料，每層不可超過400 mm，振搗棒插入下層砼50 mm左右為宜，避免下層拌合物水泥漿上泛。最上層振搗至泛漿為止，不可漏振亦不可過振。

③邊墻砼施工應注意：邊墻需分倉澆筑砼拌合物；邊墻頂面、前池底板表面需用澆筑拌合物反上來的砂漿抹平，不可另加砂漿抹平，如果漿太稀可適量撒入水泥。

3.2 施工期間出現的問題與解決方案

(1)因施工期間未充分考慮邊坡支護結構與灌注樁的布置，從而做出支護的局部調整，最終導致鉆孔灌注樁無法避開支護的土釘和錨桿，進而無法按照原設計組織施工，為了不影響泵站的通水任務，泵站副廠房E1、9軸鉆孔灌注樁改為卷揚機帶沖抓錘沖孔灌注樁方式進行施工，樁鋼筋籠和混凝土砼標號及樁長按原設計不變。通過本次設計變更調整，可進一步結合現場地質實際情況，完善樁基施工，雖增加了部分工程投資，但可使工程順利推進，對本工程綜合效益是有利的。

(2)融合BIM技術的思考：上面變更的出現就是因為設計初考慮不充分導致的，如果泵站建設開始動工前，業主就召集設計方、施工方、材料供應商、監理方等，借助BIM技術建立3D全信息模型，用BIM檢查軟件檢查模型本身的質量和完整性、合理性，進行交叉碰撞檢查等優化設計，在工程施工前發現設計中的錯誤和缺陷，使得設計更充分，避免交叉施工因素等導致的設計變更工作，從而提高工程設計質量，從源頭上杜絕工程質量問題，同時，三維技術交底可對復雜施工組織、技術方案、工序、大型設備通道等進行施工模擬，為方案審批和可視化技術交底提供支撐，輔助決策。

4 總結

隨著BIM技術的發展應用，將它運用到實際的水利工程建設中去，能夠提升水工建筑行業整體發展。本工程的實施為坂雪崗水廠提供水源，部分解決北線檢修期間坂雪崗水廠的供水水源，提高了坂雪崗片區的供水保證率。對當地的經濟發展和社會穩定起到重要的作用。