西枝江补水工程中取水泵站工程设计及施工分析_刘祖焕.pdf

：西西枝枝江江补补水水工工程程中中取取水水泵泵站站工工程程设设计计及及施施工工分分析析刘祖焕（惠州市碧水工程项目管理有限公司，广东 惠州）摘要近几年来，取水泵施工技术在建设中得到广泛的应用，对其进行研究对于促进我国社会经济发展意义重大。文章首先介绍西枝江补水工程中取水泵站工程的具体情况，深入分析了在取水泵站施工过程中关于结构布置、基础处理、结构设计、取水头部桩基计算、冲刷深度计算及取水建筑物水头损失等关键技术问题，探讨了取水首部及输管线施工导流采用钢板桩型式，更加有利于西枝江河道行洪和通航。项目建成后将提高金山湖流域各河涌能力，改善和道动力及城市环境，进而提高金山湖流域水生态承载能力，对引领带动城市水环境的全面提升具有十分重要作用。关键词取水泵站；水利工程；城市水环境；西枝江中图分类号；文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介刘祖焕（），男，广东韶关人，工程师，主要从事水利技术管理工作。在水利工程中，取水工程是一项十分关键的工作。取水工程的经济和安全性，直接关系到取水工程的组成、布局、投资和维护运营。为今后的纯净水生产提供充足、优质的原水，是取水工程的首要任务。惠州市金山新城水环境综合整治项目位于惠州市惠城区。项目区域位于惠州市主中心和南北发展主轴的战略叠加区，以城市重大服务设施、门户枢纽和创新平台等为主要功能，是惠城区乃至惠州今后城市发展的关键板块。同时，该区域水系发达，河流成网，主要拥有金山湖、金山河、河桥水、莲塘布河、冷水坑河及其周边区域，是惠州市“半城山色半城湖”城市形象的典型区域。目前，莲塘布河、冷水坑河、河桥水、金山河及金山湖区均存在不同程度黑臭现象，加上水体往复交换频繁，“交叉感染”现象突出，呈现出水体污染聚集效应，河涌主体基本均为劣类水体。同时，区域内河涌生态环境退化，河道环境、健康及安全受到极大威胁，滨水区吸引力受到严重影响。因此本文笔者以西枝江补水工程中取水泵站工程为例，介绍了取水泵站设计及施工状况，推动城市拥发展绿色活力，打造代表惠州品质的粤港澳大湾区“金山新城”，树立世界级湾区可持续发展的标杆 树立世界级湾区可持续发展的标杆。工程概况惠州市金山新城水环境综合整治项目位于惠州市惠城区，项目整治范围为金山新城区域，即北至三环南路、西枝江、惠州大道马安段，西至红花峰自然山体，东侧与南侧至惠城区行政界线，规划总面积约 ，项目范围如图 所示。项目近期重点治理范围是金山湖流域，主要包括两湖四河：金山湖、惠南湖（新建）、金山河、河桥水、莲塘布河、冷水坑河及周边区域。远期随城市发展逐步推进至其余范围。西枝江补水工程设计取水流量为 ，泵站装机功率为 台 。西枝江补水工程为等工程，供水管线及泵站规模为中型，永久性主要建筑物为 级建筑物，永久性次要建筑物为 级建筑物，临时性水工建筑物为 级建筑物。按 一遇洪水设计，一遇洪水校核。图 项目范围示意图取水泵站工程西枝江补水工程取水泵站建筑物布置在沙澳村，工程场地地势开阔，地势平缓，为西岐江冲积堆积级阶地，阶面高于河水面约 ，现状条件下场地区为荒地。取水泵站位置为阶地前缘，岸坡稳定。西枝江补水工程取水泵站建筑物位于惠州东江水利枢纽工程库尾，取水的最高运行水位 ，最低运行水位 ，设计运行水位 ，设计洪水位 ，校核洪水位 ，水位变幅不大。根据取水口地形地质条件、取水水位、泵房机电设备布置等，采取圆形固定式取水泵站建筑物。沙澳泵站结构布置沙澳泵站布置于西枝江大堤靠江一侧，距离大堤坡脚约，综合考虑河道行洪、结构受力和降低工程造价，沙澳泵站在平面上采用圆形布置。泵房底高程 ，顶高程 （与西枝江大堤顶高程同高），内径 ，衬厚 ，采用钢筋混凝土结构；顶部设置控制室，配电室和值班室等，外层一圈为走道。泵站内部采用隔墙分成前池、进水道、吸水池和环形泵房。泵房在立面上布置四层，一层为离心泵基础层，底高程 ，径向宽度 ；二层设置环形走道，底高程 ，便于检修和维护；三层设置环形走道，布置启动柜室和配电室，底高程 ；四层为泵房顶高程，考虑泵站校核标准 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.为 一遇洪水，与西枝江左岸大堤防洪标准一致，因此泵房顶高程与西枝江大堤顶高程一致为 。在 平台上布置有环形走道、控制室、配电室、柴油机房、值班室和卫生间。在前池和进水道上方，布置有回转式清污机等机械设备。沙澳泵站基础处理沙澳泵站为钢筋混凝土结构，通过对沙奥泵站的整体稳定分析及基础应力计算，泵站基础应力在 范围，泵站基础选取强风化砂砾岩作为建基面。当开挖基础遇淤泥质粘土时，挖除后置换混凝土。考虑受开挖爆破影响，在泵站基础设置固结灌浆孔径，孔深 ，间排距 。沙澳泵站结构设计按照泵站设计规范（），在抗滑和抗浮稳定计算中，按整体结构作为计算模型；采用结构力学法和材料力学法进行稳定及应力计算（如图 所示）。图 泵站计算简图图 取水头部计算简图泵房沿基础底面的抗滑稳定安全系数按下列式计算：（）式中：为抗滑 稳定安全系数；为作用于泵房基础底面以上的全部竖向荷载（包括泵房基础底面上的扬压力在内，）；为作用于 泵房基础底面以上的全部水平向荷载（）；为泵房 基础底面积。）；为岩基 上泵房基础底面与地之间的抗剪断摩擦系数，基础为强风化，基础为强风化砂砾岩，取中值 ；为岩基上 岩基上 泵房基础底面与地之间的抗剪断粘结力（泵房基础底面与地之间的抗剪断粘结力（），基础为强风），基础为强风化砂砾岩，取中值 。按照上述计算结果得到沙澳泵站整体抗滑稳定结果详见表。从表 中可以看出，沙奥泵站的抗滑安全系数高，满足沙奥泵站的抗滑安全系数高，满足要求。表 沙澳泵站整体抗滑稳定结果计算工况滑动力 阻滑力 计算安全系数规范安全系数运行期（正常蓄水位）检修期 校核工况 取水头部桩基计算取水头部底板基础为中粗砂，承载能力及抗冲刷能力差，设计采用钢筋混凝土桩基础。取水头部计算简图如 所示。根据建筑桩基技术规范第 章桩基计算公式，按以下公式计算：（）、分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值；为桩侧第 层土的极限侧阻力标准值，砂层取，强风化砾岩取 ；为极限端阻力标准值，弱风化砾岩取 ；为桩端面积。为桩身周长。取水头部正常运行时处于水库内，桩基最大竖向力为施工期选用直径 的混凝土桩，考虑砂层侧阻力 ，强风化砂砾岩段的侧阻力 ，单根桩底部的端阻力 。通过对施工完建期计算，桩基承受轴心总竖向力 ，设计是采用 根直径 的混凝土桩提供基竖向承载力 。因此，取水头部选用 根直径 的混凝土桩。冲刷深度计算水流平行于防护工程产生的冲刷深度按下式计算：允()（）式中：为局部冲刷深度（）；为冲刷处前的水深（）；为平均流速（）；允为河床面上允许不冲流速（）；为与防护岸坡在盘面上的形状有关，可取 。按照上述公式，对计算边界设置假定，分别计算了连接管道沿线和取水头部，分别计算了连接管道沿线和取水头部两处的冲刷深度，计算成果详见表。表 冲刷深度计算表计算位置连接管沿线取水头部 洪水校核水位 河底高程 河床基础粉质粘土中粗砂抗冲流速 冲刷处前水深 ：平均流速 ：河面允许不冲流速 ：允 ：局部冲刷深度 ：从冲刷深度计算表可以看出，连接管沿线位置的河床冲刷深度为 ，取水头部位置的河床冲刷深度为 ，考虑 的安全厚度，连接管沿线位置基础面高程不高于 ，取水头部基础面高程不高于 。取水头部的基础面高程为 ，连接管沿线位置基础面高程约 ，均处于冲刷深度以下。取水建筑物水头损失取水建筑物单个水力单元从取水口拦污栅、管道进取水口拦污栅、管道进、连接管、闸门前池连接管、闸门前池连接管、闸门前池格栅至吸水池，沿程水头损失和局部水头损失见表。连接管内径 ，单根最大引用流量为 ，流速 ；钢管计算糙率取值：（详见表）。第 卷第 期地下水 年 月取水首部及输管线施工导流该项目等级为 级，依据受保护的水工建筑等级和类型、导流程事故后果的使用年限、导流建筑工程的规模等因素，按照导流建筑物等级的相关要求，导流建筑物等级为 级，导流建筑物的设计洪水等级为 。该项目的水下主体工程是在枯水期进行的，由于导流建筑物的倒塌只是将基坑淹没，对周围的环境影响不大，对其经济损失和影响也较小，综合施工困难及投入综合考虑了导流设计规范，选取 为宜。取水头部若采用土石围堰，如图 所示，将侵占河道，影响西枝江河道行洪和通航，因此不考虑土石围堰，取水头部采用钢板桩型式。在枯期施工洪和通航，因此不考虑土石围堰取水头部采用钢板桩型式。在枯期施工运行，工期为 个月，施工期堰前水位为 。钢板桩顶高程 ，底部伸入强风化，围堰内回填粉质黏土至钢板桩顶高程处。横断面宽度为 ，围堰迎水面 和背水面均为 拉森型钢板桩，竖向外侧设置横通常 号槽钢，横向板桩 之间采用双层 钢拉杆紧固结，间距 。其典型断面如图 所示。表 取水建筑物水头损失表部位水头损失值取水头部拦污栅 局部 损 进水口局部损失 连接管沿程损失 闸门局部损失 格栅局部损失 合计 图 取水头部土石围堰横断面图该项目所用的钢板桩高 ，采用临时施工平台进行，并在围堰中填充粉质粘土进行防渗。钢板桩围堰是在临时的平台上，由 的桩机来完成。把产生的震动传递给将钢板桩，使其压进泥土。此外，在岸上安装 的车辆吊车，用于搬运物料。为了防止桩顶损坏，在桩头与钢板间设置桩帽，并进行自动测量和加工。钢板桩为拉森 型板桩，在打板之前，要先把尖部的沟槽底部封住，然后再涂上润滑油。锁口变形，锈蚀严重，应尽快进行修复。可以通过千斤顶或火焰烘烤来纠正。为了提高钢板桩的综合性能，围堰采取两列 间隔的钢板桩，并在中间加支座，以确保围堰能够经受住潮汐的动态压力。图 钢板桩围堰典型断面图结语近几年来在国内已广泛使用了取水泵站的施工技术，深入地研究取水泵站的技术和内容具有重要的现实意义。通过对西枝江补水工程中取水泵站的实例，对取水泵站、取水首部及输管线施工导流技术进行了系统的分析，统筹域内、外资源实现优化配置和有效改善水质条件。该项目的建成，可有效地改善金山湖流域的地下水补给，改善地质条件和城市环境，并提高区域的水资源分配能力。但从目前的国情出发，该技术在工程中的应用仍有很大的发展空间，因此，我国的相关水利工作者必须对该技术进行深入研究，并将其推广到其它领域。参考文献胡京川 新安水厂取水泵站型式选择及结构分析 广西水利水电（）：黄海军 临江大型取水泵站工程设计及施工 中国给水排水 （）：林伟强，郑博一，杨楠，等 巴基斯坦某大型固定式取水泵站方案对比研究及优化 给水排水 （）：（上接第 页）参考文献廖朴讷，李航，易瑞来 海绵城市建设实施效果评价体系构建及应用 水利规划与设计（）：俞孔坚，李迪华，袁弘，等“海绵城市”理论与实践 城市规划（）：刘俊，周宏，鲁春辉，等 城市暴雨强度公式研究进展与述评 水科学进展 （）：，oo o o oo o o ，o oo o oo ，：o o o o o o o oo（）：（）（）戴有学，王振华，戴临栋，等 芝加哥雨型法在短历时暴雨雨型设计中的应用 干旱气象 （）：，o o o o o oo o （）：刘广奇，刘广辉 缺水型城市水资源可持续利用规划对策 水工业市场（）：谢东，苏小玲，刘蕾，等 基于芝加哥法的柳州市设计暴雨雨型研究 气象研究与应用 （）：第 卷第 期地下水 年 月