近岸淺灘區(qū)電廠取水口干施工技術(shù)研究

王著橋

摘要：燃煤電廠取水口一般位于水中，常采用水上開挖基槽、處理基礎(chǔ)、陸上預(yù)制水上安裝取水頭及取水管線的工藝，存在施工難度大、工期長、費(fèi)用高等缺點(diǎn)。本文依托某淺灘區(qū)燃煤電廠取水口工程，研究采用深井降水、陸挖基槽及處理基礎(chǔ)、現(xiàn)澆取水頭的干施工工藝，取得了良好效果，拓展了類似電廠取水口項(xiàng)目施工思路，積累了相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，以供參考。

關(guān)鍵詞：取水口；施工；技術(shù)

燃煤電廠取水口一般由取水前池、取水頭及取水管線等組成，功能為從河流、海洋中抽取電廠冷卻用水，結(jié)構(gòu)位置多位于水下，船舶水上施工存在難度大、周期長、安全風(fēng)險高及質(zhì)量管控難等問題。本文依托某位于近岸淺灘區(qū)的燃煤電廠取水口工程，通過研究計(jì)算，采用建造圍堰、深井降水等措施創(chuàng)造干施工條件，取得了良好效果。

一、項(xiàng)目簡介

某燃煤電廠配套取水口位于電廠裝卸碼頭平臺西南側(cè)河道內(nèi)，主要施工內(nèi)容包括過渡前池與引水明渠、護(hù)坡、鋼筋混凝土取水頭、擋砂圍堰及護(hù)岸等。

取水口過渡前池為漏斗形，池頂口112m×93m，池底51.5m×23.4m，池底標(biāo)高－8.0～－6.65m，四面放坡，池底及池內(nèi)邊坡鋪設(shè)土工布、碎石墊層并采用混凝土護(hù)面。過渡前池與河道通過引水明渠連通，引水明渠底寬10m、兩側(cè)放坡，坡面結(jié)構(gòu)形式與過渡前池相同。取水頭共兩座，單座9m×4.7m×10.91m，重430t，每個取水頭后方接2根直徑1080mm取水鋼管，接入后方電廠內(nèi)取水泵房。

二、工藝研究

該取水口施工區(qū)域低潮時大部分區(qū)域可露出水面，高潮時基本被淹沒（水深1.5～2.0m），施工水域臨近的河道狹窄，常規(guī)水上作業(yè)船舶施工空間受限、基坑開挖難度大、質(zhì)量不易控制、施工安全風(fēng)險高，考慮取水口所處環(huán)境的特點(diǎn)，創(chuàng)造條件采用干施工工藝可有效避免上述問題。為驗(yàn)證干施工可行性，可以分析和研究地質(zhì)情況、降水方案、放坡坡比及開挖方法。

（一）地質(zhì)情況分析

根據(jù)地勘報告，取水口施工深度范圍內(nèi)表層為3～4m厚的貧黏土（底標(biāo)高－2～－1），標(biāo)貫擊數(shù)2～4擊，中壓縮性，中等強(qiáng)度。下層為13～14m厚的貧黏土（底標(biāo)高－16～－2），夾粉土質(zhì)砂薄層，其中7～17m深度范圍內(nèi)（底標(biāo)高－15～－5）貧黏土與粉土質(zhì)砂呈互層狀，層厚0.5～3cm，高壓縮性、低強(qiáng)度。標(biāo)貫擊由上至下逐漸增大（2～12擊），土質(zhì)含水率37%，滲透系數(shù)表層5×10－6cm/s，下層1.5×10－5cm/s，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度32kPa。土質(zhì)滲透系數(shù)低，透水性較差，有利于通過降水創(chuàng)造干施工環(huán)境。

（二）降水方案分析

取水口干施工期間，基坑內(nèi)需持續(xù)降水，保持水位低于坑底1～2m。該工程取水前池緊鄰河道，河道水位變化對降水的影響不好確定，要通過試驗(yàn)觀察水位及滲透性變化情況。為此，在取水前池靠近河側(cè)坡頂中部位置設(shè)試驗(yàn)井，采用旋挖鉆機(jī)成孔，井孔徑0.6m，深約20m（達(dá)到兩倍基坑開挖深度），孔內(nèi)埋入鋼筋骨架包裹鋼絲網(wǎng)、土工布制作的井身，骨架與孔壁間空隙填筑中粗砂礫，井內(nèi)設(shè)水泵將水位降至孔底附近，開展為期一周的試驗(yàn)，試驗(yàn)期間專人定期記錄井內(nèi)水位的變化情況。

觀測結(jié)果顯示，試驗(yàn)期間井內(nèi)水位基本呈現(xiàn)緩慢、勻速上漲，未因河道水頭壓力及水位變化影響產(chǎn)生明顯變化，河道水位對開挖基坑內(nèi)水位不會產(chǎn)生較大影響。

（三）邊坡穩(wěn)定計(jì)算

施工方根據(jù)地質(zhì)資料、現(xiàn)場環(huán)境條件對邊坡坡比進(jìn)行了初步計(jì)算并提交設(shè)計(jì)單位復(fù)核確認(rèn)，考慮地下水位影響以及施工期間坡頂荷載，計(jì)算結(jié)果顯示1：3.5邊坡坡比較穩(wěn)定，滿足基坑整體放坡開挖施工需求，計(jì)算概況如下：

采用圓弧分析法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，該計(jì)算方法為循環(huán)重復(fù)計(jì)算，計(jì)算過程基本相似，本文只列計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果，對計(jì)算過程不再重復(fù)說明。

根據(jù)計(jì)算模型，假定邊坡滑動面為圓柱體，滑動土體為不變形的剛性結(jié)構(gòu)，土體分條兩側(cè)作用力不考慮。

1.計(jì)算參數(shù)

（1）分條方式：瑞典分條法。

（2）分條數(shù)量：50條。

（3）地下水影響：不考慮。

（4）邊坡相關(guān)指標(biāo)值

（5）荷載相關(guān)指標(biāo)值

（6）土層相關(guān)指標(biāo)值

2.計(jì)算理論

根據(jù)邊坡極限穩(wěn)定平衡原理，均勻土質(zhì)的邊坡如失穩(wěn)，其滑動面將呈現(xiàn)接近圓弧形的曲面，因此可將滑動面計(jì)算模型近似為按圓弧形考慮。在垂直方向上，邊坡土劃分成條狀，任意從條狀土中提取第j條，不考慮土條側(cè)面作用力，則該第j條土包括第j條土自身重量、第j條土所受法向反作用力以及第j條土所受切向阻力作用力。

計(jì)算過程中，要考慮一定的安全系數(shù)，安全系數(shù)=極限抗滑力矩/滑動力矩，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，安全系數(shù)取值應(yīng)不小于1.3。

3.計(jì)算式

Ks=∑{mjnj+[（λl1j+λl2j）dj+pdj]cosθjtanδj}/∑[（λl1j+λl2j）dj+pdj]sinθj

式中：

Ks－邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)；

mj－土粘聚力；

nj－第j條土圓弧長度；

λ－土重度；

θj－第j條土法線與垂線夾角；

δj－土內(nèi)摩擦角；

dj－第j條土寬；

lj－第j條土平均高；

l1j－第j條土水位以上高；

l2j－第j條土水位以下高；

λ－第j條土平均重度的浮重度；

p－第j條土條均布荷載；

H－計(jì)算土坡總高度。

根據(jù)幾何圖形計(jì)算求解lj：

lj=（e2－[（j－0.5）×dj－d0]2）1/2－[e+d0－（j－0.5）×dj]tanφ

式中：

e－土坡滑動圓弧半徑；

d0－坡角距圓心垂線與坡角地坪線交點(diǎn)長度；

φ－土坡與水平面夾角；

l1j計(jì)算式：

l1j=lw－{（e－lj/cosθj）×cosθj －[esin（ω+φ）－H]}

當(dāng)l1j≥lj時，取l1j=lj；

當(dāng)l1j≤0時，取l1j=0；

l2j計(jì)算式：

l2j=lj－l1j；

lw－土坡外地下水位深度；

lj計(jì)算式：

lj={arccos[（（j－1）×bj－d0）/e]－arccos[（j×dj－d0）/e]×2×e×π}/360

θj=90－arccos{[（j－0.5）×dj－d0]/e}

4.計(jì)算安全系數(shù)

將數(shù)據(jù)各參數(shù)代入上面的公式，通過循環(huán)計(jì)算，求得最小的安全系數(shù)Fs：

計(jì)算步數(shù) 安全系數(shù) 滑裂角/° 圓心X/m 圓心Y/m 半徑R/m

1 1.675 33.279 8.363 10.595 13.498

2 1.442 26.106 20.555 19.499 28.332

計(jì)算結(jié)果：

第一步：開挖內(nèi)部整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Ks=1.675>1.3符合要求。 [標(biāo)高 －5.15m]

第二步：開挖內(nèi)部整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Ks=1.442>1.3符合要求。 [標(biāo)高 －10.30m]

（四）取水前池開挖

根據(jù)現(xiàn)場情況分析，該工程施工范圍不大（100×80m），基坑平面上擬采用全斷面倒退開挖方式，縱向上根據(jù)挖掘設(shè)備特性放坡、分層開挖，每個作業(yè)面配兩臺挖掘設(shè)備接力開挖、倒運(yùn)土方，自卸車外運(yùn)棄土。基坑開挖過程中，各井點(diǎn)降水井需持續(xù)采用水泵降水并觀測水位，保持地下水位始終位于開挖面以下1～2m。

（五）取水頭及邊坡防護(hù)

該工程取水頭共2座，單座重430t，例如，采用預(yù)制安裝工藝需配大噸位起重設(shè)備，安全風(fēng)險大、施工成本高，因基坑內(nèi)降水后具備干施工條件，經(jīng)研究取水頭擬采取現(xiàn)澆工藝，在取水頭外圍搭設(shè)雙排腳手架施工平臺，內(nèi)芯設(shè)滿堂腳手架作為支撐，縱向分層施工，泵車澆筑混凝土。邊坡防護(hù)采用人力可搬運(yùn)的小型預(yù)制方塊，可以節(jié)省設(shè)備費(fèi)用并提高邊坡表觀質(zhì)量。

三、施工過程簡介

（一）清表及圍堰建設(shè)

基坑開挖前采用挖掘機(jī)清理表層植被。場地原始地面標(biāo)高約+1.8～+2.3m，高潮時部分區(qū)域被河水淹沒，為避免河道水倒灌，沿河道一側(cè)采用黏土修筑U型臨時圍堰，圍堰頂標(biāo)高+3.5m，與后方陸域在+3.5m標(biāo)高附近連接。

施工區(qū)域后方有一道寬3～4m防洪壩，可兼作進(jìn)場主通道。為滿足整體倒退開挖施工要求，開挖區(qū)內(nèi)頂面整體鋪設(shè)一層1m厚砂層，作為開挖工作面兼做施工道路，行車路線上鋪設(shè)鋼板以提高承載力。

（二）降水井施工

降水井深度經(jīng)前述計(jì)算需18m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，降水期間井底會有一定回淤情況，水泵通過繩索懸掛放置在距離井底2m左右位置，為確保降水深度，降水井深度定為20m，低于開挖底標(biāo)高9.5m。

降水井沿開挖區(qū)河側(cè)邊線布置，距坡肩2m，井間距6m，共布置17座。開挖區(qū)中間位置增加1座。相鄰的井內(nèi)安裝φ50硬塑料水管，井內(nèi)安設(shè)潛水泵，自動控制五分鐘間隔開啟一次，抽干后自動關(guān)閉。

（三）基坑開挖及修坡

基坑平面上采用從一端開始整斷面倒退開挖方式，縱向采用2臺挖掘機(jī)配合接力施工，一臺短臂挖掘機(jī)開挖上層約3m厚土層，首層開挖控制避免挖到軟弱土層，一層平臺形成后，鋪設(shè)鋼板，一臺長臂挖掘機(jī)在平臺開挖下層至設(shè)計(jì)標(biāo)高兼顧修坡，開挖土方直接堆放到后方，用短臂挖掘機(jī)裝車運(yùn)走。開挖點(diǎn)后方設(shè)置環(huán)形路線，進(jìn)場、出場車輛單向行駛，重車、空車分開，避免相互影響。

開挖期間，降水井內(nèi)水泵保持24h工作狀態(tài)，專人負(fù)責(zé)監(jiān)控水泵工作情況及井內(nèi)水位變化情況。實(shí)際施工時，取水前池基坑內(nèi)水位控制較好，未出現(xiàn)積水、水位上漲情況，基坑降水達(dá)到預(yù)計(jì)效果。邊坡基本穩(wěn)定，開挖過程較為順利。

（四）現(xiàn)澆取水頭

取水頭采用在槽底鋪設(shè)一層碎石墊層+澆筑15cm素混凝土墊層作為施工平臺，平臺四周開挖水溝。取水頭外圍搭設(shè)雙排腳手架施工平臺，內(nèi)側(cè)滿堂腳手架支撐，做施工平臺+頂板支撐。取水頭高10.91m，分四層施工，每層高度約3.5m，人工支模，泵車澆筑混凝土。

（五）基坑監(jiān)測

施工過程中在基坑頂部四周布設(shè)了沉降位移觀測點(diǎn)，基坑開挖過程中每天觀測一次，數(shù)據(jù)顯示沉降位移均在可控范圍內(nèi)，基坑邊坡穩(wěn)定。

（六）驗(yàn)收及放水

取水前池內(nèi)施工完成后對取水頭、管線連接情況、護(hù)坡進(jìn)行驗(yàn)收，符合進(jìn)水條件后放水，完成前池內(nèi)施工。

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