取水泵站取水头部施工要点研究——以玉清湖水库取水泵站为例

张 庆，刘玉堂

(山东水利建设集团有限公司，山东 济南 250000)

1 概 述

水利工程中的取水泵站取水头部是指在水泵站中用于引入水流的构件。取水头部的设计与施工十分关键，其直接关系到泵站的工作效率和水质，因此在设计与施工过程中，需要考虑很多因素，如水质、水流速度、水位高度等[1]。另外，取水头部的高度也非常重要，若取水头部的高度过低，则会导致泵站无法正常工作；若取水头部的高度过高，就会增加泵的工作负荷，导致能源浪费[2]。为此，采用合理的取水头部施工方案，可以减少泵站的损坏程度，还可以降低维护成本。

2 取水头部施工要点设计

2.1 工程概况

玉清湖水库取水泵站工程位于山东省玉清湖水库东入口南侧、水库大坝桩号K6+900处的坝后，工程主要由取水头部、引水管线、进水阀门池、进水前池、吸水井、泵房、变配电室及控制室、出水管、闸阀井等组成。供水规模为40万m3/d，设计流量为5.09 m3/s，取水采用虹吸取水方式。因该泵站还兼顾向小清河补水的功能，小清河补水量约20万m3/d，则取水头部、虹吸最大取水规模为60万m3/d。

取水头部位于玉清湖水库内，采用虹吸式引水，将玉清湖水引至坝后泵站，共设置8根DN1000×9虹吸取水管道，配备3台真空泵，2用1备。虹吸取水管道采用SS304不锈钢管，管径1.0 m，壁厚8 mm，管中心间距4 m，进口为喇叭形。

2.2 施工难点

(1)施工标准要求较高。在进行泵站取水头部施工时，需要进行定向爆破，在爆破时需要一次爆破成型；取水头部安装完成后顶面标高误差需低于±20 mm。

(2)施工难度较大。取水头部体积大，具有一定重量，在滑移、安装时存在较多难点；当处于恶劣天气时，会提高施工难度[3_4]。

(3)工期紧张。需在汛期前完成水上施工部分，施工时间较短，需要尽快完成施工。

2.3 水下爆破施工

针对取水头部构件安装位置进行定点爆破，为取水头部的水下安装平台开挖打好有利基础。在进行水下爆破施工之前，需要设计爆破相关参数。

2.3.1 爆破设计

由于取水头部构件安装在水下，因此设计爆破深度为5.6 m，明挖爆破段顶部、底部长依次为5.0、8.06 m，按照以下原则设计爆破方案：

(1)爆破必须一次成型，严禁出现爆破不完全现象。

(2)爆破过程中需保障周边环境安全[5]。

(3)取水头部位置应达到进水流态要求。

(4)保证爆破后不会出现周围土体滑坡或坍塌问题[6]。

2.3.2 爆破参数设计

选取直径32 mm乳化炸药作为爆破材料，并设计梯段高度5.5 mm，爆破孔直径90 mm，炸药单耗为0.9 kg/m3，共设计4排爆破孔，每排孔2枚非电毫秒导爆管雷管，通过表1设计爆破参数。

表1 爆破参数设计

表1中，采用复式网路实现联网，通过起爆器引爆MS1段雷管，每一爆破孔均为连续装药，并从中部填塞间隔。

在进行爆破时，需将水库水位降至死水位，沿着死水位以上0.2 m附近修1条临时通路至洞口周围；该通路需保障挖掘机正常行走，然后清理洞口附近风化岩体。当准备工作完成后，即可通过起爆器完成爆破。实现爆破后，采用挖掘机对水下安装平台进行开挖。

2.4 水下安装平台基础开挖

采用挖掘机挖掘爆渣，并修筑便道，之后通过W101拉铲开挖基坑，一次挖掘到位，具体挖掘步骤如下：

(1)采用探水杆每间隔50 m测量基坑，并开挖断面，同时绘制挖掘断面图。

(2)按照断面图对基轨找平，在超挖量较大的位置，由潜水员采用玻璃丝袋装碎石砌筑支墩，通过探水杆确定支墩的顶面标高与位置。

(3)在浮箱处焊接基轨，沿着基坑长度方向铺设4条基轨，并采用吊装架与倒链将其放在支墩上，使每条基轨保持在同一水平面上。

(4)将挂平用工字梁吊放在基轨位置，并装置牵引绞车与转向滑轮，然后穿上钢丝绳。

(5)基坑平整后，向基坑内抛填碎石。通过探水杆确定抛填区域与抛填量，通过船装运输将碎石运到抛填区域；当碎石抛填完成后，通过转动绞车牵引工字梁实现碎石刮平。

2.5 取水头部设计与施工

本文研究取水头部为箱式钢筋混凝土薄壁结构，该构件分上、下两节，其中，上、下分别为进水格栅间与进水箱体。上、下结构大小一致，长宽高均为11.1 m×5.9 m×5.4 m，上、下重量分别为54、110 t。

2.5.1 取水头部预制施工技术

通过岸边预制方式制作取水头部，预制位置一半在水中，另一半在岸上。通过这一方式，可以降低土方倒运成本，还能够减少土方开挖量。在进行取水头部预制前，需在基坑周围设计尺寸为50 mm×40 mm的排水沟，在沟内用碎石填平；同时在水库南、北角各设1个600 mm×600 mm的集水坑，通过砖砌为三七墙，周围采用碎石填平，内部采用潜水泵抽水。当完成周围排水施工设计后，即可在岸边预制取水头部。

2.5.2 取水头部漂浮下沉施工

在进行取水头部吊装前，需向基坑内注水，将基坑注水至坑内水面标高与水库水面标高齐平，以免影响浮运。通过以下步骤实现取水头部漂浮下沉施工：

(1)将2根长为42 m的DN2020钢管(浮箱)浮运至基坑内，并在取水头部长边方向各一根进行摆放。将每榀吊装架吊装至钢管设计区域，并与钢管进行焊接，采用φ100钢管将每榀吊装架上部连接到一起，并通过I25b、I45a分别焊接起吊龙门架立杆与横杆。

(2)起吊架装置完成后，进行起吊系统安装。通过钢丝绳构置环形双套，套在起吊架设计区域，通过废弃轮胎作为钢丝绳与起吊架的间隔材料，之后依次将60个倒链挂在钢丝绳吊环上；此时，起吊箱体吊环与倒链吊钩相连，收紧倒链准备起吊。

(3)在施工现场为每个倒链分配2名起吊手，并做好吊架的牵引工作；在航道正前方挂2根牵引绳，连接浮式起吊架，由人工实现出航道牵引。

(4)取水头部起吊需要缓慢执行，避免每一起吊点偏心受力，若起吊高度超出50 m则暂停起吊，静止30 min后判断起吊架各杆件节点受力，检查无误后，继续进行浮运；若发现杆件节点受力不均，则下放倒链，重新检查受力状态，并对杆件进行调整，经调整后重新起吊。

(5)当取水头部驶出航道后，通过卷扬机牵引至指定位置，并进行抛锚固定。结合取水头部下部样架的浮漂情况，修正浮式起吊架位置，当取水头部4角稳定处于4个浮漂围成的区域时，固定地锚，完成下沉准备工作。

2.5.3 取水头部就位安装施工

在岸上装置全站仪，施工人员通过对讲机沟通，核验取水头部每一角浮漂位置是否正确；核验完毕后，由施工人员发出安装指令。在安装时，通过倒链操作人员下放取水头部，当下沉至基坑坑底50 cm时，停止作业。通过潜水员观察下沉位置是否正确，若存在偏离，则通过对讲机指挥操作人员调整起吊架；若下沉位置正确，即可下放取水头部。当装置完成下节箱体后，向基坑内抛碎石稳固，并继续吊装上节格栅间，与下节箱体拼装后，完成取水头部安装。

2.6 混凝土浇筑回填

当完成取水头部安装后，需要在基坑内灌注混凝土进行回填，使水利工程泵站运行更加稳定，具体浇筑过程如图1所示。

图1 混凝土浇筑过程分析

在浇注过程中，需要连续进行，若需要中断浇注，则要在30 min之内继续浇注。若出现堵管问题，则可采用吊车提升导管进行抖动，使导管疏通；若无法疏通，则可考虑重新下放新导管，继续完成混凝土浇筑施工。

3 实验分析

采用仿真模拟方式验证设计的施工方案是否合理，在仿真过程中，对取水头部施加不同载荷条件，验证取水头部整体的稳定性，其中具体包含抗浮稳定性、抗倾覆性以及抗滑能力；通过这些指标评估施工效果。

测试施工方案在不同载荷状态下的安全系数，并对比规范要求系数，验证该方案的整体稳定性，测试结果如表2所示。

表2 施工方案稳定性测试

由表2可知，针对本文研究的取水头部构件的抗浮能力、抗滑移能力以及抗倾覆能力均能够在不同载荷下实现较高的安全系数，且每一载荷状态下的安全系数均超出规范要求。因此，本文研究的取水头部施工方案可保障取水头部具有较高的稳定性，可以维持水利工程泵站安全运行。

4 结 论

针对取水泵站取水头部的每一施工步骤进行设计，可保障取水头部安装稳定，使泵站具备更高的可靠性。未来研究过程中，可对该施工方案进行优化，对施工细节进行更精准地处理，提高水利工程泵站的可持续运行能力。