江滩取水构筑物在超大洪水工况下的计算要点

李士民 强健 王林

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

取水工程作为重要的民生工程，其在汛期时的安全必须要保证。对于堤坝以内（背水侧）的建、构筑物，可通过加固堤防、提高堤坝的安全等级、干预调蓄等措施得到有效保护，而位于江滩上的取水构筑物，如取水头部、原水管线、取水泵房、堤外阀门井等，则要正面应对超大洪水的冲击。如何保证这些江滩取水设施的安全，如何考虑江滩构筑物在超大洪水工况（下简称“超洪工况”）下对结构的影响，将是结构工程师在取水工程结构设计时需要面对的新课题。本文通过具体的工程实例，对取水头部、原水自流管、取水泵房等构筑物的受力特性进行分析，简要阐述在超洪工况下取水构筑物的计算思路。

1 工程概况

安徽省某沿江城市新建长江取水工程，供水设计规模为24万m2/d，主要取水构筑物包含取水头部（桩架式）、原水自流管、取水泵房（含配电间、栈桥）等。原水取自长江水，由取水头部引入，通过原水自流管接至取水泵房的吸水前池，再由水泵加压后，将原水通过输水管线送至位于堤内的自来水厂进行后续加工处理。其中取水头部、原水自流管、取水泵房均位于江滩之上，加压后的原水输水管线则以爬堤方式翻越长江大堤。

取水头部采用桩架式喇叭口取水，取水管由桩架支承并由钢梁固定，桩型为φ800钢管桩（内满灌C30微膨胀混凝土），取水管中心标高为-7.70m，桩顶标高为-9.00m，桩长24m，现状河床线最低点标高为-12.30m，桩进入现状河床土约20.7m。取水头部的平面布置见图1。

图1 取水头部平面布置Fig.1 Layout plan of water intake head

原水自流管为2根DN1400钢管，一端与取水头部相连，一端与取水泵房相接。与泵房连接的一段长度约67m，以顶管形式自泵房顶出。顶出后的自流管由桩架固定，长度约为86.5m，桩型同取水头部。桩架段原水自流管的纵剖面布置见图2。

图2 原水自流管（桩架段）纵剖面Fig.2 Longitudinal section of gravity flow pipe with piles

取水泵房为圆形，内径为26m，泵房底板顶标高为-2.80m，泵房顶板面标高为15.50m。取水泵房采用沉井形式施工，兼作自流管的顶管工作井。取水泵房平、剖面布置见图3。

图3 取水泵房平、剖面Fig.3 Layout plan and section of raw water pump house

根据河势分析报告，防洪设计水位建议值为13.76m。取水头部处的最大流速建议值为1.75m/s，在防洪设计水位条件和最大流速下，相应位置的河床最大冲刷深度建议值为5.00m。2020年6月—7月，长江在当地区段曾迎来几次大的洪峰，其中超过防洪设计水位的天数有23d，最高洪水位达到了14.81m，高出防洪设计水位1.05m，属于超大洪水。

2 构筑物在超洪工况下的计算要点

2.1 取水头部

桩架式取水头部的结构设计主要在于桩的设计，而桩入河床土的深度是桩设计的主要环节。位于江中的钢管桩可看作嵌固于河床上的悬臂杆件，其主要承受的水平荷载为流水压力，而悬臂长度则为扣除最大冲刷深度后的高出河床地面的桩长。流水压力的计算公式［1］为：

式中：Fdw，K为流水压力的合力标准值；Vw为设计流速，取水头部处最大垂线平均流速；γw为水的重度；g为重力加速度；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，应计算至最低冲刷线处。

根据式（1）可知，流水压力Fdw，K与水流速Vw、投影面积A有关，A与桩的悬臂长度直接相关，而桩的悬臂长度则取决于河床最大冲刷深度。因此，水最大流速和河床最大冲刷深度直接影响着桩的计算。钢管桩的计算主要包括单桩水平承载力验算和桩水平位移验算两个方面。根据以往工程经验，一般后者起控制作用。参考《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）［2］第5.7.3条对桩在地面处的水平位移允许值χ0a的表述，在常规工况下，取水头部的钢管桩可参照对水平位移敏感结构物，即扣除冲刷深度后，χ0a取为6mm。此时地基土水平抗力系数的比例系数m值可按JGJ94—2008中表5.7.5取值，桩的水平位移按表C.0.3-1计算。

在超大洪水来临时，水位将高于防洪设计水位，河床的最大冲刷深度也会随之加深。在《给水排水工程结构设计手册》（第二版）［1］中第5.2.2节提到，最大冲刷包括三部分：1）河槽自然演变引起的自然冲刷；2）构筑物压缩水流断面产生的一般冲刷；3）构筑物周围水流结构变化造成的局部冲刷。作为取水头部，因其阻流面积很小，通常可只计算局部冲刷。在河势分析报告中，河床的局部冲刷采用《堤防工程设计规范》（GB50286—2013）［3］的经验公式法来进行计算，即局部冲刷深度hs为：

式中：H0为冲刷处的水深；Ucp为近岸垂线平均流速；Uc为泥沙起动流速；n与防护岸坡在平面上的形状有关（取1/4～1/6）。

参考《给水排水工程结构设计手册》（第二版）式5.2.2-7，近岸垂线平均流速Ucp为：

式中：KE为汛期含沙量参数；为河床土壤平均粒径。

在超洪工况下，除水深H0可现场实测外，其余各变量均可通过岩土勘察报告和河势分析报告得知。由此，可近似求得该工况下的最大冲刷深度。而此时水的最大流速，则可通过现场实测得到。本工程中实测值与河势分析报告提供的最大流速1.75m/s相差不大，故仍按1.75m/s考虑。考虑到超洪工况为短期工况，桩在地面处的水平位移允许值χ0a可参照对水平位移不敏感的结构物，取为10mm。

2.2 原水自流管

若取水头部为桩架式，那么原水自流管与取水头部相接的一段一般也会考虑做成桩架式。在实际工程中，现状河床线扣除最大冲刷深度后，应保证自流管道的周围尤其是管底土体不能被冲掉，形成“悬空管”。因此，桩架段的长度同样也与最大冲刷深度有关。相同水位和流速条件下，离岸越近，河床的局部冲刷深度会越小。与取水头部一样，在超洪工况下，河床最大冲刷深度的增加也直接影响着桩架段自流管的布置长度。而对于自流管的桩计算，则与取水头部相同，可参见第2.1节。

2.3 取水泵房

位于江滩上的取水泵房，考虑到利于行洪、减少水流阻力系数、减少对河床冲刷等因素，设计时一般会选择圆形或长圆形。由于泵房吸水前池要与重力流的原水自流管相接，泵房通常会埋深较深。在土层地质条件适宜的情况下，可采用沉井工艺施工。在超洪工况下，首先需要验算构筑物的抗浮稳定。根据2020年3月1日实施的《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ476—2019）［4］中表3.0.3，抗浮工程设计等级为甲级的构筑物，使用期间的抗浮稳定安全系数取1.10，施工期间可取1.05。超洪工况作为短期工况，可参照施工工况，抗浮稳定安全系数取1.05。抗浮稳定满足后，其次就是泵房内的各构件的计算。在水位低于防洪设计水位时，各构件（包括井外壁、中隔墙、底板、底梁等）既要满足强度计算，又要满足裂缝宽度不大于0.2mm的要求。而在超洪工况，可仅须满足各构件的强度计算要求即可。

需要注意的是，同正常使用工况一样，在超洪工况下，泵房的外壁板、中隔墙也应该根据池Ⅰ、池Ⅱ（见图3）内同时空水、同时满水或单格满水等不同条件下分别计算各工况的内力，再取包络值设计外壁、中隔墙的钢筋。

另外，由于在本工程中配电房与泵房合建，其设置于在泵房的上层。此时还应考虑到最极端情况，即洪水位漫过泵房顶板的情况。总体设计时，应当考虑配电房不要设置在地上一层，以保证极端情况下的供电安全。

3 超洪工况计算时仍存在的问题

（1）取水头部形式多种多样，参考《给水排水工程结构设计手册》（第二版）［1］，取水头部可分为重力式、沉井式、桩架式、悬臂式等。由于不同的结构形式，其受力和变形特点均不相同，故计算方法也不能一概而论。当超大洪水来临时，不同的取水头部应根据其各自的受力、变形特点有针对性地进行超洪工况下的验算。

（2）河势分析报告中冲刷深度的取值是基于物理模型、规范经验公式、历年实测冲刷等三种计算方法综合而来。由于技术条件所限，本文无法通过第一、三种方法来估算超洪工况下的河床最大冲刷深度，仅依据规范经验公式进行估算，有一定的局限性，可能会存在一定的误差。对于冲刷深度的计算还有包式公式［1］、65-1式［1］等其他计算方法。为减小误差，在实际工程中可采用多公式对比分析，综合判定超洪工况下的最大冲刷深度。

（3）在不同区域的江滩，土层地质条件会有差异。河床下土质为黏性土还是非黏性土、是否存在不易冲刷土层、是否为岩基河床等，这些都影响着河床局部冲刷深度的计算。在具体工程中结构工程师应根据岩土勘察单位出具的岩土勘察报告和水文勘测单位提供的河势分析报告，有针对性地来研究河床的冲刷规律并进行分析计算。

4 结语

通过在汛期内超大洪水位条件下，对本工程江滩上各取水构筑物的计算要点的阐述，现有以下几点建议和结论供参考：

1.对桩架式取水头部和桩架式自流管线，在超洪工况下，桩在地面处的水平位移允许值χ0a可参照对水平位移不敏感的结构物，适当放宽至10mm。一方面可保证超大洪水来临时，取水头部或原水管线的安全，另一方面还可避免由过多的安全储备而产生的较大浪费。

2.当超大洪水来临时，取水泵房内各设备及供水生产均处于正常运行状态，因此泵房内各水池区格的满水、空水等工况与正常水位工况时相同。各构件尤其是外壁、中隔墙等均需要按照不同的组合进行包络设计。在超洪工况下各构件可仅按强度控制。

3.位于江滩上的取水泵房顶板标高应高于超大洪水水位，在条件允许时，可与江堤的堤顶控制标高持平。若配电间与取水泵房合建，应当避免建在地上一层。

4.原水自流管线在靠近取水头部区段应采用桩架布置。而靠近泵房侧的非桩架段，在超洪工况下，现状河床线扣掉最大冲刷深度后，还应保证管道顶有一定的覆土厚度，不能出现因冲刷而产生“悬空管”现象。

5.江滩取水构筑物除了在计算上考虑超大洪水位工况外，还应做好适当的护底护岸加固措施。抛石护岸是最常用的防护措施。对于石块直径、抛石厚度、抛石范围等，可参照《给水排水工程结构设计手册》（第二版）第5.4.1节的计算方法来确定。另外，钢丝石笼加固、梢捆和柴排加固也是一些因地制宜的护岸加固措施。

6.水文勘测单位出具的河势分析报告一般会给出防洪设计水位建议值，但对于超大洪水位往往不提供。随着近年来超大洪水的不断出现，建议水文勘测单位条件允许时，尽量预估超大洪水可能出现的水位标高以及在此水位条件下的最大流速、河床冲刷深度等关键数据，为设计提供计算依据。