攀月头灌区取水口改造设计与研究

乐 圣

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州510630）

1 工程概况

攀月头灌区福塘干渠工程是为了解决下游隆都灌区实现自流灌溉的灌溉供水工程。攀月头灌区由攀月头沟、团结沟及福塘干渠组成，控制的灌溉面积1.6万亩，原进水渠首为攀月头涵，位于潮州枢纽库区内。隆都灌区由急水、中学后、中心、南面干渠组成，原设计灌溉面积3.5万亩，原取水口为急水涵，两个灌区相互独立互不连通。

受韩江干流河床连年下切影响，位于潮州供水枢纽下游的隆都灌区已无法自流引水，工程从潮州供水枢纽库区内重建取水口自流引水，通过延长福塘干渠供水至隆都灌区。取水口位于潮州水流枢纽上游东厢堤约2.4 km处，堤防等级为3级。输水线路经潮州的凤美、磷溪、福聚、塔后，交水至汕头的急水，沿途主要采用管道和隧洞输水。线路总长约7.35 km，设计流量5.07 m3/s，本工程属粤东灌区续建配套与节水改造工程子项目之一，主要永久建筑物级别为3级，包括取水口、穿堤钢管、出水池、量水间等［1］。

2 取水口改造重建

2.1 基本资料

（1）原攀月头取水口为岸塔式取水口，穿堤涵为一孔φ1.6 m圆涵，进口底高程4.45 m，由于此进水涵闸兴建于1965年，其破损较严重，管内淤堵，管周渗漏严重。

（2）潮州供水枢纽水库正常蓄水位10.5 m，死水位8.5 m，取水口设计水位为9.5 m（灌溉设计保证率为90%），最低运行水位8.5 m，最高运行水位14.13 m（设计洪水位，50年一遇）。

（3）泥沙情况。根据取水口上游控制站潮安站记录，多年平均含沙量为0.29 kg/m3，多年平均输沙量为686万t。

（4）地形情况。取水口位于潮州供水枢纽上游东厢堤约2.4 km处凹岸，堤防断面为复式断面，堤顶高程为20.0 m，堤外滩地高程为11.9 m，为地势平坦开阔的冲积平原。

（5）地质情况。取水口地层岩性以第四系松散堆积层为主，自上而下分别为粉质粘土、粗砂、砾砂，堤基为强透水层。

2.2 改造的必要性

受河床下切、河势变化、水位降低等影响，为充分发挥潮州供水枢纽的工程效益，将连通攀月头灌区、隆都灌区，取水口取水规模发生较大变化，且现状取水口年久失修、破损严重，取水流量已严重不足。因此工程有必要对其进行改造，以确保满足当地灌溉供水需求。

2.3 改造目标

本工程的目标是确保满足取水需求，具体概括：（1）在各种设计工况下取到对应流量的水，满足设计供水保证率。（2）取水口进水流态较佳，减少淤积。（3）避免对航道产生影响。（4）方便运行维护管理。

2.4 取水口输水管径设计

攀月头取水口设计流量为5.07 m3/s，穿堤后分两条管，主管分流3.60 m3/s至隆都灌区，支管分流1.47 m3/s至原攀月头取水口分水池。输水管线示意图见图1。

图1 输水管线示意图

输水管径的选择以满足交水点的水头流量要求，且引水工程的总投资最省为原则。具体原则如下：

（1）考虑到本工程采用的是重力流自流输水方式，不涉及到抽水年电费的问题，所以总投资最省即为在现有水头条件下尽量选择管径最小的管材。

（2）输水管径的选择必须满足流量要求，取水口处设计运行水位为9.5 m时能取到设计流量5.07 m3/s，枢纽水位8.5 m时能取到90%的设计流量4.56 m3/s，枢纽水位10.5 m时能取到加大流量6.34 m3/s。

（3）原攀月头取水口埋管管径为DN1600，经复核，设计流量有一定富余，本着原规模重建原则及考虑日后城市发展的用水需求，支管管径定为DN1000［2］。

为满足以上几点要求，本次选取主管输水管径2.0 m、2.2 m、2.4 m对不同流量进行水力计算，结果见表1。

表1 不同管径水力计算比较表

2.5 取水口进口高程设计

为防止产生贯通式漏斗漩涡，有压式进水口应满足最小淹没深度要求，示意图见图2，为保证进水口内为压力流，最小淹没深度S应不小于1.50 m～2.00 m。

图2 有压进水口淹没深度示意图

最小淹没深度的验算：按照不产生掺气漩涡的弗汝德数Fr=V1/（9.81×S1）0.5＜0.23，进出水口最小淹没水深及弗汝德数见表2。

表2 进水口最小淹没水深成果及弗汝德数表

通过上述计算，取水口进水口底高程确定为4.60 m。

2.6 取水口形式及布置

进口翼墙段长18.5 m，翼墙选用八字形，底板坡度为1∶5，于翼墙中段设置沉沙池；检修闸室段长10.2 m，宽4.0 m，为带胸墙单孔闸，采用C25钢筋砼结构。闸底板厚1.0 m，闸墩厚0.8 m，闸孔尺寸为2.4 m×2.4 m（净宽×净高）。闸墩上设防洪检修闸门和拦污栅，闸底板高程4.6 m，闸墩顶高程11.9 m，并设置启闭机室，启闭机室操作层高程为15.9 m，在东厢堤顶和启闭机室之间设置宽3 m的交通桥连接；穿堤顶管段长74.2 m，闸室后采用顶管穿过东厢堤，管道中心线高程4.20 m～5.80 m，钢管总长74.2 m，坡比为1：47.2，管内径为2.4 m，钢管壁厚28 mm，管周回填灌浆，在管道穿过原东厢堤防渗墙后1 m处新增高压摆喷防渗墙，沿堤轴线布置，长10 m，厚200 mm。顶管出发井采用灌注桩+内衬结构。顶管采用泥水平衡式顶管机进行顶进施工。出发井为圆形，内径R=5.5 m，内衬墙厚0.8 m，灌注桩直径0.8 m。管道在工作井处分岔，在分岔上游侧设置进人孔。在堤外顶管出口处采用水泥搅拌桩加固土体，不设接收井［3］。

2.7 取水口闸室稳定计算

取水口受力有自重、水重、填土土压力、浪压力、地震力，取水口闸室计算见图见图3。

图3 取水口闸室计算简图

闸室整体抗浮、抗滑及基地应力计算成果表见表3。

表3 取水口检修闸闸室稳定计算成果表

由表3可知：抗滑稳定安全系数Ks、抗浮稳定安全系数设计值Kf大于规范允许值，满足规范要求；闸室基底最大应力为134 kPa，最大平均应力为126 kPa，闸室基础经水泥碎石砂换填后，地基承载力满足要求。

2.8 基础处理方案比选

根据取水口检修闸的稳定计算成果，闸室基底最大应力为133.98 kPa，平均应力为129.92 kPa。取水口检修闸底板建基面高程约3.60 m，该高程以上部分将作挖除处理。根据地质勘察资料，取水口闸室底板建基面以下地层主要为②-2层中粗砂、砾砂，松散状，层厚约10.0 m～12.0 m，承载力标准值（fak=120 kPa～240 kPa），而在该层以下③层为淤质细砂层，松散状，层厚2.2 m～3.0 m，承载力标准值（fak=90 kPa～110 kPa），存在液化可能。

参考本地区已建类似工程的经验，根据取水口检修闸地基承载力要求以及地基沉降量的要求，地基处理方案初步选取水泥搅拌桩和掺水泥碎石砂换填进行比选，两个方案对比如下：

方案一：水泥搅拌桩

采用桩径为φ600的水泥搅拌桩，搅拌桩布设于取水口检修闸闸室，矩形连体布置，桩长约13.0 m，桩间距0.5 m，在底板下设0.3 m厚砂石料垫层，搅拌桩伸入砂石料垫层0.1 m，建筑物周围采用连体搅拌桩围封做抗液化处理，围封桩平均桩长为13.0 m，经计算φ600搅拌桩的工程量约为790 m，直接工程费用约为8万元。

方案二：挖除换填

本方案仅对持力层进行处理，根据以往工程相关经验，采用掺8%水泥碎石砂进行换填，强度可达500 kPa以上。取水口检修闸基础换填厚度约为0.8 m，直接工程费用约为2.5万元。

根据《水工建筑物抗震设计标准》（GB 51247-2008），本工程取水口检修闸抗震设防类别为丙类，可不采取抗液化措施，且液化土层离基底较深，约9 m～10 m，因此不考虑抗液化处理。

攀月头取水口闸室位于东厢堤迎水侧，场地狭窄，水泥搅拌桩受施工场地限制，难以在狭窄的工作面开展工作，需在搅拌桩施工时填筑施工临时平台，增加临时费用，且水泥搅拌桩施工完毕后需待桩体达到设计强度后进行静载试桩，影响工程项目的施工进度。如果采用挖除换填，施工速度快，受周边环境限制较少。因此，攀月头取水口检修闸基础采用掺8%水泥碎石砂进行换填。

3 结语

类似攀月头取水口的布置形式，在冲积平原上采用广泛，未来水资源配置和灌区改造工程技术研究必将更受重视和深入，上述对取水口改造设计可为类似的工程设计提供借鉴。