论文部分内容阅读
摘要：取水构建筑物是火力发电厂设计必不可少的设计环节。近年来，由于用地等的限制，淤泥土层上建取水构建筑物越来越广泛，取水构建筑物基本都在水下，施工设计比较复杂。本文介绍广州某热电联厂深厚淤泥层上建取水构建筑物的设计与施工，其设计施工经验具有典型性，可供类似工程设计施工借鉴，具有一定的参考价值。
关键词：取水构建筑物；淤泥；设计施工
地表水取水构建筑物包括取水泵房、进水井、取水头部、引水管道、支撑结构以及必要的护围等附属设施。其中，取水头部及取水泵房是电厂的重要组成部分，而位于大江、大河中的取水头部，因水文条件复杂、水深较大，且受河床地质条件限制，其造价往往较高，施工费用昂贵，施工难度较大。设计时应根据实际情况因地制宜地选用合理的结构形式，这样才能做到经济合理、技术可靠、施工简便快捷。取水头部的结构形式种类繁多，应用最广的是重力式取水头，包括墩型、箱型和沉船型。“浅筑堰，深下水”是取水头部施工的惯用方式。当水深2～3m左右，常用围堰、筑岛或搭设栈台；水深接近或超过5m 时，多采用水下作业，或与预制吊装、浮运沉放等配合。
1 工程概况
广州某热电联厂设计规模为2x300MW级，取水构建筑物地段位于电厂东南侧，北江下游右岸。沿岸有一人工堤，堤外为河漫滩。原始地貌为河漫滩及水下暗坡。根据水文资料，取水构建筑物河段冲瘀基本稳定，主槽靠近丁坝（丁坝作用是在洪水期保护洪水对防洪堤的冲刷，在枯水期使水流归槽有利于通航）附近，具体布置见图1。枯水期水位在5m以上，在P=97%的枯水位仍能保证近3m的水头，洪水期水深近15m，水深良好，对取水有利，能够保证取水。取水构建筑区域地基土为15m左右淤泥土层，中间夹杂约2m厚的③2细砂层。
图1 取水构建筑物平面布置
2 场地地质概况
場地覆盖层主要由第四纪的人工填土层、冲积层、冲淤积层、残积层组成，下伏基岩为第三系（E）砂岩和砾岩。各岩土层自上而下为：①人工素填土层；②淤泥：浅灰色，含少量粉细砂，见少量植物根系，稍有臭味，饱和，流塑状，淤积成因，厚度为2.8m。③2细砂：饱和，松散～稍密状，平均厚度2.61m。④淤泥质土亚层：饱和，呈流塑状，冲淤积成因。厚度1.90m～12.30m。⑤冲积层：主要为⑤1粉质粘土、⑤2粉砂亚层。粉质粘土：湿～稍湿，呈可塑状，局部硬塑。厚度1.40m～3.80m。粉砂（⑤2）：一般以粉土过渡，饱和，呈松散～稍密状，冲积成因。厚度1.00m～4.10m。⑥2圆砾：浅灰色，灰白色，主要成分为灰岩、砂岩、石英砂岩等，呈饱和，稍密～中密状，厚度10.20m～18.60m。⑦含砾粉质粘土：土质不均匀。呈湿～稍湿，可塑～硬塑状态，残积成因。分布厚度一般小于2.50m，位于⑥2圆砾层与岩面之间。场地下伏基岩为第三系（E）砾岩和砂岩。
3 取水构建筑物的设计方案比选
（1）根据淤泥土层初选基础方案
本工程取水构建筑物下地基土为深厚淤泥层，不能采用天然地基。取水泵房埋地约4m，露出地面14.3m，尺寸为长x宽x高=21.9mx19.0mx18.3m，形状如图1所示，由于不是常规的矩形，且泵房较大，若采用常规沉井施工不太现实，一方面泵房太大，在北江浅滩上难找到适合的加工沉井工地，且枯水期北江水位浅，浮运取水泵房困难，另一方面取水泵房埋地较浅，若采用沉井，④淤泥质土即为其持力层，受力难满足取水泵房要求，故取水泵房只能采用桩基础，既能满足取水泵房受力要求，又能有效控制取水泵房沉降。取水头采用钢筋混凝土结构，尺寸为长x宽x高=8.4mx4.2mx2.9m，基础开挖后持力层为④淤泥质土，若采用常规的抛毛石加固地基，由于取水头部荷载较大，可能会引起不均匀沉降。取水泵房与取水头之间为两根DN1000的引水管，引水管与取水头及取水泵房的连接为刚性连接，这样若取水头引起不均匀沉降，而取水泵房基本无沉降，很可能引起引水管拉扯变形。所以，取水头也采用管桩基础。
（2）根据施工细选方案
方案一：
取水泵房设置于北江浅滩，荷载大，采用冲孔灌注桩基础；穿防洪堤段进厂补给水管道采用顶管施工，置于原状土上；取水头采用预制钢筋混凝土箱型结构，通过浮运沉箱与桩基础固定；取水泵房与取水头间引水管道采用冲孔灌注桩基础。根据本工程的实际情况，取水泵房离岸较近，水位较浅，可以筑岛施工，但是泵房尺寸较大，池壁底板等厚重，所需灌注桩数量较多，工期要求紧张，而引水管及取水头处水深较深，取水头部又为预制结构，需要大量的水上作业船舶和专用设备，工程费用昂贵，且容易受到风浪的影响，施工难度大，周期长，另外，取水头部和泵房离得较近，施工方法各异，操作起来不易统一施工。总体说来，本方案不经济可行。
方案二：
由于工期较紧，应业主要求，将取水泵房和取水头和引水管线灌注桩改为PHC管桩基础。因穿防洪堤段进厂补给水管道顶管施工，会破坏防洪堤防渗结构，故改用支墩固定，直接顺着防洪堤坡面上去，穿过原有混凝土管道，再沿着防洪堤坡面向下，支墩位于堤坡面上时，支墩施工完后按照原样恢复堤坡面。取水构建筑物赶在枯水期施工。取水泵房采用筑岛加钢板桩围堰施工，取水头部、引水管采用水下施工。但是，取水头部为预制钢筋混凝土结构，若基础采用PHC管桩基础，管桩与取水头连接困难。查阅资料，可以通过预制取水头上预留插筋，水下开挖棱台基坑，水下放置承台钢筋网，然后将取水头预制好浮运到拟建位置沉放到指定标高后水下浇筑混凝土，如图2所示，基本能解决管桩与取水头的连接问题，但是此方案受到了施工单位的否定：（1）水下截桩头存在困难，难以保证工程质量；（2）取水头尺寸大，所需基坑较大，在淤泥上开挖，水流有流速，基坑开挖过程中容易被淤泥重新回填；（3）水下浇筑承台困难；（4）预制取水头浮运下沉准确定位较困难。因此，从施工方面看，此方案不可行，另外，虽然管桩基础比灌注桩省了工期，但是取水头部和引水管线施工同样存在方案一的问题，综上原因，此方案不可行。 图2 取水头纵剖面
方案三：
综合方案一、二的优缺点，取水泵房和取水头采用PHC管桩基础，PHC管桩持力层为⑨4微风化砾岩层；取水头由预制箱型钢筋混凝土结构改为现浇箱型混凝土结构；穿防洪堤段进厂补给水管道设计同方案二；引水管线由于荷载较小，开挖后基本能置于2m厚的③2细砂层上，可以采用直接预埋，管底设置500厚碎石垫层。取水构建筑物采用统一的施工方式，即赶在枯水期施工，施工采用筑岛+钢板桩支护+深搅桩止水帷幕。此方案优点为：1.管桩基础解决了淤泥不能作为持力层的缺点；2.通过筑岛，取水构建筑物全部为地上施工，施工工艺相对简单，操作起来方便；3.本工程取水构建筑物距离较近，采用统一的施工方式，节约成本，便于施工。
4 取水构建筑物的施工
本工程采用筑岛+钢板桩支护+深搅桩止水帷幕施工，其施工要点为：先在取水头、取水管线和取水泵房处筑島，通过由防洪堤上铺设至取水泵房位置处的临时道路，通过拖车等将筑岛材料运来，用铲车等将材料推放至取水泵房位置分层夯填，回填位置由取水泵房沿江中心方向推进至取水头位置再超填筑2m，填筑范围根据取水构建筑物外轮廓确定。最后筑岛高出水面至少40～50cm。筑岛完成后在取水构建筑物外轮廓位置打钢板桩围堰支护，由于施工问题，钢板桩止水效果有限，防止江水进入围堰内，在钢板桩外侧设置两道深搅旋喷桩，形成止水帷幕，然后进行开挖。由于水泵房及取水头开挖深度大，防止钢板桩倾斜，对钢板桩进行水平支撑或斜支撑。取水构建筑物封顶后，对引水管线及取水头处筑岛进行挖除，取水构建筑物完工。
5 结束语
本文结合工程实践，针对淤泥土层较厚、水深较深、取水构建筑物尺寸较大、不适合水下开挖的取水构建筑物，介绍了一种相应的设计施工方案，对于类似工程具有一定的参考价值。本工程取水构建筑方案的优势主要体现在：1.有效解决了深厚覆盖淤泥层上建取水构建筑物的困难；2.有效减小了水下施工的工作量，降低了施工难度；3.施工周期短且可控；4.针对取水构建筑物距离较近，采用统一的施工方式，节约成本，便于施工。
参考文献：
[1] 给水排水工程结构设计手册编写组.给水排水工程结构设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社.2007.
[2] 吴晨旭.杭州某水厂富春江中取水头部及泵房结构设计介绍[J].特种结构.2010，27（2）：25-27.
[3]曾磊.一种新型的取水头部设计施工方案[J].特种结构.2011，28（4）：93-95.
关键词：取水构建筑物；淤泥；设计施工
地表水取水构建筑物包括取水泵房、进水井、取水头部、引水管道、支撑结构以及必要的护围等附属设施。其中，取水头部及取水泵房是电厂的重要组成部分，而位于大江、大河中的取水头部，因水文条件复杂、水深较大，且受河床地质条件限制，其造价往往较高，施工费用昂贵，施工难度较大。设计时应根据实际情况因地制宜地选用合理的结构形式，这样才能做到经济合理、技术可靠、施工简便快捷。取水头部的结构形式种类繁多，应用最广的是重力式取水头，包括墩型、箱型和沉船型。“浅筑堰，深下水”是取水头部施工的惯用方式。当水深2～3m左右，常用围堰、筑岛或搭设栈台；水深接近或超过5m 时，多采用水下作业，或与预制吊装、浮运沉放等配合。
1 工程概况
广州某热电联厂设计规模为2x300MW级，取水构建筑物地段位于电厂东南侧，北江下游右岸。沿岸有一人工堤，堤外为河漫滩。原始地貌为河漫滩及水下暗坡。根据水文资料，取水构建筑物河段冲瘀基本稳定，主槽靠近丁坝（丁坝作用是在洪水期保护洪水对防洪堤的冲刷，在枯水期使水流归槽有利于通航）附近，具体布置见图1。枯水期水位在5m以上，在P=97%的枯水位仍能保证近3m的水头，洪水期水深近15m，水深良好，对取水有利，能够保证取水。取水构建筑区域地基土为15m左右淤泥土层，中间夹杂约2m厚的③2细砂层。
图1 取水构建筑物平面布置
2 场地地质概况
場地覆盖层主要由第四纪的人工填土层、冲积层、冲淤积层、残积层组成，下伏基岩为第三系（E）砂岩和砾岩。各岩土层自上而下为：①人工素填土层；②淤泥：浅灰色，含少量粉细砂，见少量植物根系，稍有臭味，饱和，流塑状，淤积成因，厚度为2.8m。③2细砂：饱和，松散～稍密状，平均厚度2.61m。④淤泥质土亚层：饱和，呈流塑状，冲淤积成因。厚度1.90m～12.30m。⑤冲积层：主要为⑤1粉质粘土、⑤2粉砂亚层。粉质粘土：湿～稍湿，呈可塑状，局部硬塑。厚度1.40m～3.80m。粉砂（⑤2）：一般以粉土过渡，饱和，呈松散～稍密状，冲积成因。厚度1.00m～4.10m。⑥2圆砾：浅灰色，灰白色，主要成分为灰岩、砂岩、石英砂岩等，呈饱和，稍密～中密状，厚度10.20m～18.60m。⑦含砾粉质粘土：土质不均匀。呈湿～稍湿，可塑～硬塑状态，残积成因。分布厚度一般小于2.50m，位于⑥2圆砾层与岩面之间。场地下伏基岩为第三系（E）砾岩和砂岩。
3 取水构建筑物的设计方案比选
（1）根据淤泥土层初选基础方案
本工程取水构建筑物下地基土为深厚淤泥层，不能采用天然地基。取水泵房埋地约4m，露出地面14.3m，尺寸为长x宽x高=21.9mx19.0mx18.3m，形状如图1所示，由于不是常规的矩形，且泵房较大，若采用常规沉井施工不太现实，一方面泵房太大，在北江浅滩上难找到适合的加工沉井工地，且枯水期北江水位浅，浮运取水泵房困难，另一方面取水泵房埋地较浅，若采用沉井，④淤泥质土即为其持力层，受力难满足取水泵房要求，故取水泵房只能采用桩基础，既能满足取水泵房受力要求，又能有效控制取水泵房沉降。取水头采用钢筋混凝土结构，尺寸为长x宽x高=8.4mx4.2mx2.9m，基础开挖后持力层为④淤泥质土，若采用常规的抛毛石加固地基，由于取水头部荷载较大，可能会引起不均匀沉降。取水泵房与取水头之间为两根DN1000的引水管，引水管与取水头及取水泵房的连接为刚性连接，这样若取水头引起不均匀沉降，而取水泵房基本无沉降，很可能引起引水管拉扯变形。所以，取水头也采用管桩基础。
（2）根据施工细选方案
方案一：
取水泵房设置于北江浅滩，荷载大，采用冲孔灌注桩基础；穿防洪堤段进厂补给水管道采用顶管施工，置于原状土上；取水头采用预制钢筋混凝土箱型结构，通过浮运沉箱与桩基础固定；取水泵房与取水头间引水管道采用冲孔灌注桩基础。根据本工程的实际情况，取水泵房离岸较近，水位较浅，可以筑岛施工，但是泵房尺寸较大，池壁底板等厚重，所需灌注桩数量较多，工期要求紧张，而引水管及取水头处水深较深，取水头部又为预制结构，需要大量的水上作业船舶和专用设备，工程费用昂贵，且容易受到风浪的影响，施工难度大，周期长，另外，取水头部和泵房离得较近，施工方法各异，操作起来不易统一施工。总体说来，本方案不经济可行。
方案二：
由于工期较紧，应业主要求，将取水泵房和取水头和引水管线灌注桩改为PHC管桩基础。因穿防洪堤段进厂补给水管道顶管施工，会破坏防洪堤防渗结构，故改用支墩固定，直接顺着防洪堤坡面上去，穿过原有混凝土管道，再沿着防洪堤坡面向下，支墩位于堤坡面上时，支墩施工完后按照原样恢复堤坡面。取水构建筑物赶在枯水期施工。取水泵房采用筑岛加钢板桩围堰施工，取水头部、引水管采用水下施工。但是，取水头部为预制钢筋混凝土结构，若基础采用PHC管桩基础，管桩与取水头连接困难。查阅资料，可以通过预制取水头上预留插筋，水下开挖棱台基坑，水下放置承台钢筋网，然后将取水头预制好浮运到拟建位置沉放到指定标高后水下浇筑混凝土，如图2所示，基本能解决管桩与取水头的连接问题，但是此方案受到了施工单位的否定：（1）水下截桩头存在困难，难以保证工程质量；（2）取水头尺寸大，所需基坑较大，在淤泥上开挖，水流有流速，基坑开挖过程中容易被淤泥重新回填；（3）水下浇筑承台困难；（4）预制取水头浮运下沉准确定位较困难。因此，从施工方面看，此方案不可行，另外，虽然管桩基础比灌注桩省了工期，但是取水头部和引水管线施工同样存在方案一的问题，综上原因，此方案不可行。 图2 取水头纵剖面
方案三：
综合方案一、二的优缺点，取水泵房和取水头采用PHC管桩基础，PHC管桩持力层为⑨4微风化砾岩层；取水头由预制箱型钢筋混凝土结构改为现浇箱型混凝土结构；穿防洪堤段进厂补给水管道设计同方案二；引水管线由于荷载较小，开挖后基本能置于2m厚的③2细砂层上，可以采用直接预埋，管底设置500厚碎石垫层。取水构建筑物采用统一的施工方式，即赶在枯水期施工，施工采用筑岛+钢板桩支护+深搅桩止水帷幕。此方案优点为：1.管桩基础解决了淤泥不能作为持力层的缺点；2.通过筑岛，取水构建筑物全部为地上施工，施工工艺相对简单，操作起来方便；3.本工程取水构建筑物距离较近，采用统一的施工方式，节约成本，便于施工。
4 取水构建筑物的施工
本工程采用筑岛+钢板桩支护+深搅桩止水帷幕施工，其施工要点为：先在取水头、取水管线和取水泵房处筑島，通过由防洪堤上铺设至取水泵房位置处的临时道路，通过拖车等将筑岛材料运来，用铲车等将材料推放至取水泵房位置分层夯填，回填位置由取水泵房沿江中心方向推进至取水头位置再超填筑2m，填筑范围根据取水构建筑物外轮廓确定。最后筑岛高出水面至少40～50cm。筑岛完成后在取水构建筑物外轮廓位置打钢板桩围堰支护，由于施工问题，钢板桩止水效果有限，防止江水进入围堰内，在钢板桩外侧设置两道深搅旋喷桩，形成止水帷幕，然后进行开挖。由于水泵房及取水头开挖深度大，防止钢板桩倾斜，对钢板桩进行水平支撑或斜支撑。取水构建筑物封顶后，对引水管线及取水头处筑岛进行挖除，取水构建筑物完工。
5 结束语
本文结合工程实践，针对淤泥土层较厚、水深较深、取水构建筑物尺寸较大、不适合水下开挖的取水构建筑物，介绍了一种相应的设计施工方案，对于类似工程具有一定的参考价值。本工程取水构建筑方案的优势主要体现在：1.有效解决了深厚覆盖淤泥层上建取水构建筑物的困难；2.有效减小了水下施工的工作量，降低了施工难度；3.施工周期短且可控；4.针对取水构建筑物距离较近，采用统一的施工方式，节约成本，便于施工。
参考文献：
[1] 给水排水工程结构设计手册编写组.给水排水工程结构设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社.2007.
[2] 吴晨旭.杭州某水厂富春江中取水头部及泵房结构设计介绍[J].特种结构.2010，27（2）：25-27.
[3]曾磊.一种新型的取水头部设计施工方案[J].特种结构.2011，28（4）：93-95.