长江取水工程结构设计关键技术浅析

强健 王林 李士民

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

近年来，随着城市规模的不断扩张和愈加严格的饮用水水源地环境保护要求，长江沿线陆续出现一些新建取水工程。这些工程的共同的特点是取水规模较大，一般为20万m3/d以上。由于受到长江堤防保护、航道安全等因素制约，在取水工程建设工程中，取水工程的结构设计方案合理性是关键因素，不但决定了工程造价，也一定程度上决定了整个供水工程的成败。

程子悦等[1]通过采取“半嵌入型”平面布置方式、钻孔灌注桩与高压旋喷桩结合的地基处理方式、端部半圆形泵站体型等措施，完成了高流速区江边取水泵站的结构设计。王印忠等[2]从地下水取水构筑物取集海水的水文地质资料、构筑物形式和工程经济等方面探讨了海滩井、海滩渗渠和水平定向滤管等取水方式的适用条件，并给出了部分工程实例。丁党鹏等[3]在傍河型水源地开展集水廊道原位试验，测试河岸边取水的可行性和其出水能力，为傍河型水源地地下水取水设计及施工提供依据。常鹏飞等[4]介绍了一种较少见的江中桥墩式取水泵站的工程案例设计方案。胡纯等[5]结合具体工程实例，论述圆形取水泵房设计中需要注意的技术要点。范志国等[6]通过对常用分层取水口结构优缺点的比较，设计了一种新型的分层取水口结构。王霆等[7]介绍了在新安江大坝下的河道中建设全淹没式取水头部的设计与施工方案。李玉磊[8]以某取水泵站沉井为例，结合工程地质、沉井结构特点以及周边环境情况，阐述了沉井结构设计要点和采取的施工环境保护措施。龚珑聪[9]结合工程实例，介绍了江中取水沉管的水下挖槽与爆破、沉管定位、水下混凝土浇筑及取水头部安装等优化措施。

长江取水工程的主要特点有：(1)水域环境复杂；(2)地质条件变化大；(3)河床演变大；(4)受汛期影响大，施工期短；(5)施工区域受限，需避开航道与堤防保护范围；(6)长江堤防保护要求高。因此，长江取水工程结构设计必须合理选型与布置，因地制宜与施工条件相结合。本文以安徽省某长江取水工程结构设计为例，重点介绍了全淹没式取水头部、取水自流管、堤内取水泵房等设计要点及结构方案，分析了长江取水工程结构方案的主要关键技术和对策，为类似工程提供借鉴。

1 某长江取水工程结构设计

根据城市发展需求和长江水源地环境整治要求，安徽某沿江城市新建长江取水工程(图1)，供水设计规模为30万m3/d。该取水工程主要包括：

(1)取水头部1座，采用喇叭管取水头部。取水头部中心标高为-5.3m，比长江历年最低水位低6.55m，取水头部所在处河床标高为-8.5m。

(2)取水自流管2根，单根长度约300m，管径DN1600。自取水泵房向河床敷设，设计中心标高为-5.3m～-1.0m，泵房侧中心标高-1m，取水头部侧中心标高为-5.3m。

(3)堤内取水泵房1座，土建规模30万m3/d。泵房平面为矩形，尺寸约33m×27m，内底标高约-2.60m，泵房地坪层设计标高为17.00m，泵房室外地坪标高约为12.0m。

图1 某长江取水工程总体布置Fig.1 General layout of the water-intaking project along Changjiang River

1.1 取水头部

取水头部属特种水下结构，其基本设计特点是[10]：①工程设计因地而异；②设计理论借鉴港工、桥工的有关理论与规定；③水域环境复杂、施工条件各异。

取水头部结构设计需要考虑的主要因素有：

(1)取水头部在水域的位置：本工程取水头部水域多年平均水位6.24m，历年最低水位1.25m，取水喇叭管中心标高-5.3m，取水头部为全淹没式。

(2)河床冲刷深度：取水头部的阻流面积很小，对一般冲刷的影响可以忽略不计。对取水头部结构选型起主要影响作用的是河床冲刷深度。根据长江水利委员会的有关资料，本工程取水头部处河床最大冲刷深度为4.7m。为保证结构安全，取水头部结构设计按照最大冲刷深度范围内没有岩土体的最不利工况进行计算。

(3)流水压力：流水压力为取水头部所承受的主要荷载之一。取水头部结构设计前需获得该处在防洪设计水位条件下的最大流速。根据长江水利委员会的有关资料，本工程取水头部处最大流速为1.5m/s。流水压力的计算公式为[10]：

式中：Fdw,K为流水压力的合力标准值(kN)；Vw为设计流速(m/s)，取水头部处最大垂线平均流速；γw为水的重度(kN/m3)；g为重力加速度，9.8m/s2；Kf为水流力系数；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积(m2)，应计算至最低冲刷线处。

取水头部的结构形式一般有：重力式(墩形、箱形、沉船形)、沉井式、桩架式、悬臂式、底槽式、隧洞式等。底槽式、隧洞式一般适用于山区河段、水库取水。悬臂式一般适用于小型工程，不适用于较大规模的取水工程。重力式、沉井式也不适用于冲刷较大、施工期较短的长江水面上。经技术经济比选，本工程取水头部的结构形式选择了桩架式。

如图2所示，本工程采用了钢桩+钢支架的形式，形成取水喇叭口头部的结构支撑体系。为便于施工，减小流水压力，桩采用了12根φ800钢管桩，壁厚14mm，钢管内满灌C30微膨胀混凝土，桩长18m，桩顶标高-6.600m，桩底标高-24.600m。支架采用40#槽钢双拼加钢缀板形成的格构梁，取水喇叭口通过钢制管托与格构梁相连。为便于水下施工，所有钢构件之间均采用螺栓连接。

1.2 取水自流管

根据工艺设计，取水自流管为2根DN1600的钢管，单根长度约300m，两端分别连接取水头部和取水泵房，两端的标高分别为-5.3m、-1.0m。 此段管道为自流管，跨越长江堤防段的管道高程不宜过高，设计将管道纵向按折线型布置，即两个平直段加一个斜管段。如图3所示。

可以看到，按照不同的管道敷设方式和施工方式，取水自流管分为桩架沉管段、开槽沉管段、顶管段三部分。

桩架沉管段主要用于水中或浅覆土的江中段，管中心设计标高为-5.3m，采用DN1600钢管，壁厚16mm。每根管道采用纵向间距为4.0m的7排桩+支架支承。与取水头部一样，每排支撑采用2根φ800钢管桩，壁厚14mm，钢管内满灌C30微膨胀混凝土。支架40#槽钢双拼加钢缀板形成的格构钢梁，管道通过钢制管托与格构钢梁相连。所有钢构件之间均采用螺栓连接。

图2 取水头部Fig.2 Water-intaking head

图3 取水自流管纵向剖面示意Fig.3 Profile view of water-intaking gravity line

顶管段主要用于穿越长江大堤，管中心设计标高为-1.0m， 由取水泵房至河床中覆土约1.5D(D为管道外径)处。顶管采用DN1600钢管，壁厚16mm。顶管从兼作工作井的取水泵房始发，顶进至江中设计位置后，水下开挖取出顶管机头。

开槽沉管段纵向为反“Z”字形，管两端中心标高分别为-5.3m、 -1.0m，采用DN1600钢管，壁厚16mm，分别与桩架沉管段、顶管段水平对接相连，对接处采用便于水下对接的哈夫钢制套筒。本段管道采用水下开槽的沉管方式施工。

1.3 取水泵房

取水泵房由前池、格栅过滤间、吸水井和水泵设备间等组成。本取水泵房还兼具取水自流管顶管工作井的功能，构筑物的平面尺寸较大。沉井结构具有土方开挖量小、费用低等特点，经比选，本取水泵房采用了沉井工法。当采用沉井工法时，泵房的平面形状一般采用矩形或圆形两种基本形状。圆形沉井受力性能较好，但空间利用率较低。相对来说，矩形沉井空间利用率较高，可根据需要进行功能区格划分，井壁可直接作为顶管后靠背使用。经比选，本工程采用矩形沉井。

为应对外界水、土侧压力的不利影响，取水泵房利用功能区格划分的中隔墙及增设的竖向框架作为外壁板的横向支撑体系，以减小壁板的计算跨度。

取水泵房(沉井)平面尺寸32m×27m，高23.6m，刃脚底标高-6.60m，平台顶面标高17.0m，底板面标高-2.60m。下部为沉井结构，外壁厚1.2m，中隔墙壁厚1.0m，设置横向梁柱框架，梁截面尺寸1.0m×1.5m，框架外柱截面尺寸1.0m×3.0m，框架内柱截面尺寸1.0m×2.0m。沉井上方设备间为一层钢筋混凝土框架结构。如图4所示。

图4 取水泵房Fig.4 Water-intaking pumping house

取水泵房(沉井)的结构设计与计算要点有：

(1)下沉阶段的下沉验算及下沉稳定验算，下沉系数应大于1.05，下沉稳定系数应控制在0.8～0.9[11]；

(2)水下封底阶段应进行封底混凝土强度计算与封底后结构抗浮稳定计算；

(3)顶管施工阶段，应验算顶力作用下，后背土体的稳定，其验算公式为[12]：

PtK≤ξ(0.8Epk-Eep,k)

式中：PtK为顶力标准值(kN)；Epk为沉井后壁板上被动土压力合力标准值(kN)；Eep,k为沉井前壁板上主动土压力合力标准值(kN)；ξ为考虑合力点可能不一致的折减系数。

(4)正常使用阶段，应验算池内满水或空水的工况，取不同工况下的内力包络值作为强度和裂缝宽度计算的依据。本工程中根据泵房池体的区格划分(见图4a)，池Ⅰ、池Ⅱ、池Ⅲ、池Ⅳ均存在池内满水或空水的工况。因此在计算竖向框架内力时，大致可分为如下9种工况：1)池全空；2)仅池Ⅰ满水；3)仅池Ⅱ满水；4)仅池Ⅰ、Ⅱ满水；5)仅池Ⅰ、Ⅲ满水；6)仅池Ⅰ、Ⅳ满水；7)仅池Ⅱ、Ⅲ满水；8)仅池Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ满水；9)仅池Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ满水。

2 长江取水结构设计关键问题探讨

2.1 取水泵房与江堤的关系

在取水头部、取水管和取水泵房等组成的取水工程中，取水泵房与江堤的关系是取水工程总体设计方案中重要因素之一。取水泵房与江堤的关系是指取水泵房是位于堤内还是堤外，其核心是取水管穿越江堤的方式。众所周知，长江江堤的保护要求非常严格，在江堤保护范围内，一般不容许除堤防加固之外的其他建(构)筑物施工。

(1)取水泵房在堤外，取水管明敷过堤

一般情况下，取水泵房布置在堤外，取水泵房引出的有压原水管线采用“爬坡”的明敷方式顺江堤外轮廓越过江堤，如图5所示，以避免管道施工对江堤的影响。

图5 取水管线明敷过江堤方式示意Fig.5 Profile of water-intaking pipe crossing over the embankment along Changjiang River

此时取水泵房位于堤外，一般采用水力条件好、有利于行洪的圆形或长圆形的平面形式,如图6、图7所示。

图6 位于堤外的某圆形取水泵房平面示意Fig.6 Plan view of a circular pumping house outside the embankment

图7 位于堤外的某长圆形取水泵房平面示意Fig.7 Plan view of an oval pumping house outside the embankment

(2)取水泵房在堤内，取水管暗挖过堤

当堤外条件受限时，如江滩过于狭窄、有需要保护的构筑物等原因，取水泵房布置在堤内。由于是重力自流管，取水管埋深一般较大。根据已有的几个工程案例，取水自流管高程低于堤防顶面高程15m～25m。取水管不能采用明挖方式穿越江堤，一般采用顶管工法穿越长江大堤。

在第2节中，本文介绍了取水泵房在堤内的工程实例和主要技术方案，这里不再赘述。在这种方案中，最大的风险是顶管穿越江堤时，对江堤可能带来的影响。

2.2 顶管穿越江堤的风险与控制

采用顶管工法穿越江堤时，需采取可靠的措施确保大堤安全。根据历史案例调研，顶管穿越江堤的风险主要有：

(1)沉降：在顶管顶推过程中，顶管周边土体位移过大，造成大堤土体沉降甚至“冒顶”。上世纪90年代，安徽某取水工程曾出现顶管过江堤时，由于施工措施控制不力，在顶进到离堤脚不远处“冒顶”，顶管上方土方沉降坍塌，险些造成危害江堤的事故；

(2)渗水：在取水管道运行过程中，由于管道与泵房间的刚度差异大，管道段与泵房发生较大的不均匀沉降，导致管道与泵房接口处断裂，江水从断裂处涌出，冲刷土体，对大堤安全造成危害。

关于沉降风险的控制，可采取的技术措施有：1)保证足够的覆土厚度，一般不应小于2.5D(D为顶管外径)；2)控制出土量及顶推开挖面的土压力，维持顶管机提供的压力与静止土压力相当，则周围土体受到的扰动就很小；3)控制管道周围环形空隙的注浆量与注浆压力，注浆压入口的压力应稍大于该处的静止水土压力之和；4)控制顶进速度，动态管理，及时调整出土量和注浆压力。

关于渗水风险的控制，可采取的技术措施有：1)管道段特别是顶管进洞段的周边土体加固，减小顶管的绝对位移，减小不均匀沉降；2)管道与泵房结构间的套管采用可适应一定位移量的柔性套管；3)堤外增设阀门井，当出现管道断裂等渗水情况及时关闭堤外阀门，避免江水不断涌入。在前述给出的案例中，为确保安全，此三个措施均在该工程中应用。

2.3 沉井施工对邻近江堤的影响

给水工程的取水工程和原水管线多位于野外，遇有埋深较大的构筑物，多采用沉井工法。在前述某长江取水工程案例中，经技术经济比选，基底埋深较大的取水泵房及阀门井都采用了沉井工法。

由于其施工过程中的特性，沉井在下沉过程中会形成倒锥形滑移面，周边土体随沉井的下沉而产生位移，如图8所示。

图8 沉井下沉影响示意Fig.8 Sinking influence profile of the open caisson

当沉井工程临近江堤时，就必须考虑沉井施工对江堤安全的不利影响，可采取的技术措施有：

(1)沉井选址应尽量远离江堤，一般的，沉井外壁至江堤堤脚的距离不应小于3H(H为沉井结构地下总高度)；(2)沉井应采取不排水下沉方式，避免采用排水下沉方式时周边土体固结沉降的不利影响；(3)在沉井与江堤间采取必要的隔离措施，隔断或加长土体位移的传递路径。在前述某长江取水工程案例中，对堤外阀门井沉井及取水泵房沉井均采取了搅拌桩隔离的措施，有效地保护了长江江堤，如图9所示。

图9 沉井周边隔离措施Fig.9 Profile of separating facilities around the open caisson

2.4 大流速、大冲刷区域的取水头部技术保护措施

长江河道宽窄不一、蜿蜒曲直，不同的区域流速、冲刷或淤积幅度差异较大。在笔者参与的几个长江取水工程案例中，取水头部处流速最大为2.0m/s，最大冲刷为9.4m。

流速和冲刷是影响长江取水头部结构安全最重要的两个因素。当大流速、大冲刷同时出现时，应采取有效的技术措施保证取水头部的安全。根据实践案例的分析与总结，大流速、大冲刷区域取水头部的技术措施如下：

(1)最不利状态设计：应按照河势分析报告给出的最大流速和最大冲刷线进行设计，假想冲刷线以上无土层、均为水体。此外，要注意与取水头部相连的取水自流管的埋深。当取水自流管也位于冲刷线以上时，也应采取桩架等措施保证其安全。

(2)斜桩：对于采用桩架式的取水头部和取水自流管，主要依托桩的水平承载力来抵抗大流速水带来的流水压力。当常规的竖直桩不能满足要求时，可采取斜桩措施，可有效抵抗流水压力。如图10所示。

图10 取水头部斜桩示意Fig.10 Profile of raking piles under the water-intaking head

(3)抛石：抛石是长江河道整治常见的措施之一。当取水头部可预见大深度冲刷情况时，在完成取水头部施工后，应将水下沟槽回填至自然河床面，并在表层覆盖1.0m～2.0m厚的抛石，可有效抵御冲刷的影响。取水头部运营单位应常态监测河床冲刷情况，必要时补充抛石，确保取水头部及取水管的运营安全。

3 结语

长江取水工程结构设计是长江沿线城市供水设施建设的重要内容之一，取水工程结构方案的合理性在一定程度上决定了以长江为水源的供水工程的成败。笔者在连续数个长江取水工程结构设计实践的基础上，依托安徽某长江取水工程案例，介绍了取水头部、自流管、取水泵房等取水构筑物的结构方案和设计要点，对长江取水工程结构设计的几个主要关键问题进行了分析和探讨，为其他类似江河取水工程结构设计提供借鉴。