張 慶，劉玉堂

(山東水利建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

1 概 述

水利工程中的取水泵站取水頭部是指在水泵站中用于引入水流的構(gòu)件。取水頭部的設(shè)計(jì)與施工十分關(guān)鍵，其直接關(guān)系到泵站的工作效率和水質(zhì)，因此在設(shè)計(jì)與施工過程中，需要考慮很多因素，如水質(zhì)、水流速度、水位高度等[1]。另外，取水頭部的高度也非常重要，若取水頭部的高度過低，則會(huì)導(dǎo)致泵站無法正常工作；若取水頭部的高度過高，就會(huì)增加泵的工作負(fù)荷，導(dǎo)致能源浪費(fèi)[2]。為此，采用合理的取水頭部施工方案，可以減少泵站的損壞程度，還可以降低維護(hù)成本。

2 取水頭部施工要點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

玉清湖水庫取水泵站工程位于山東省玉清湖水庫東入口南側(cè)、水庫大壩樁號K6+900處的壩后，工程主要由取水頭部、引水管線、進(jìn)水閥門池、進(jìn)水前池、吸水井、泵房、變配電室及控制室、出水管、閘閥井等組成。供水規(guī)模為40萬m3/d，設(shè)計(jì)流量為5.09 m3/s，取水采用虹吸取水方式。因該泵站還兼顧向小清河補(bǔ)水的功能，小清河補(bǔ)水量約20萬m3/d，則取水頭部、虹吸最大取水規(guī)模為60萬m3/d。

取水頭部位于玉清湖水庫內(nèi)，采用虹吸式引水，將玉清湖水引至壩后泵站，共設(shè)置8根DN1000×9虹吸取水管道，配備3臺(tái)真空泵，2用1備。虹吸取水管道采用SS304不銹鋼管，管徑1.0 m，壁厚8 mm，管中心間距4 m，進(jìn)口為喇叭形。

2.2 施工難點(diǎn)

(1)施工標(biāo)準(zhǔn)要求較高。在進(jìn)行泵站取水頭部施工時(shí)，需要進(jìn)行定向爆破，在爆破時(shí)需要一次爆破成型；取水頭部安裝完成后頂面標(biāo)高誤差需低于±20 mm。

(2)施工難度較大。取水頭部體積大，具有一定重量，在滑移、安裝時(shí)存在較多難點(diǎn)；當(dāng)處于惡劣天氣時(shí)，會(huì)提高施工難度[3_4]。

(3)工期緊張。需在汛期前完成水上施工部分，施工時(shí)間較短，需要盡快完成施工。

2.3 水下爆破施工

針對取水頭部構(gòu)件安裝位置進(jìn)行定點(diǎn)爆破，為取水頭部的水下安裝平臺(tái)開挖打好有利基礎(chǔ)。在進(jìn)行水下爆破施工之前，需要設(shè)計(jì)爆破相關(guān)參數(shù)。

2.3.1 爆破設(shè)計(jì)

由于取水頭部構(gòu)件安裝在水下，因此設(shè)計(jì)爆破深度為5.6 m，明挖爆破段頂部、底部長依次為5.0、8.06 m，按照以下原則設(shè)計(jì)爆破方案：

(1)爆破必須一次成型，嚴(yán)禁出現(xiàn)爆破不完全現(xiàn)象。

(2)爆破過程中需保障周邊環(huán)境安全[5]。

(3)取水頭部位置應(yīng)達(dá)到進(jìn)水流態(tài)要求。

(4)保證爆破后不會(huì)出現(xiàn)周圍土體滑坡或坍塌問題[6]。

2.3.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

選取直徑32 mm乳化炸藥作為爆破材料，并設(shè)計(jì)梯段高度5.5 mm，爆破孔直徑90 mm，炸藥單耗為0.9 kg/m3，共設(shè)計(jì)4排爆破孔，每排孔2枚非電毫秒導(dǎo)爆管雷管，通過表1設(shè)計(jì)爆破參數(shù)。

表1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

表1中，采用復(fù)式網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，通過起爆器引爆MS1段雷管，每一爆破孔均為連續(xù)裝藥，并從中部填塞間隔。

在進(jìn)行爆破時(shí)，需將水庫水位降至死水位，沿著死水位以上0.2 m附近修1條臨時(shí)通路至洞口周圍；該通路需保障挖掘機(jī)正常行走，然后清理洞口附近風(fēng)化巖體。當(dāng)準(zhǔn)備工作完成后，即可通過起爆器完成爆破。實(shí)現(xiàn)爆破后，采用挖掘機(jī)對水下安裝平臺(tái)進(jìn)行開挖。

2.4 水下安裝平臺(tái)基礎(chǔ)開挖

采用挖掘機(jī)挖掘爆渣，并修筑便道，之后通過W101拉鏟開挖基坑，一次挖掘到位，具體挖掘步驟如下：

(1)采用探水桿每間隔50 m測量基坑，并開挖斷面，同時(shí)繪制挖掘斷面圖。

(2)按照斷面圖對基軌找平，在超挖量較大的位置，由潛水員采用玻璃絲袋裝碎石砌筑支墩，通過探水桿確定支墩的頂面標(biāo)高與位置。

(3)在浮箱處焊接基軌，沿著基坑長度方向鋪設(shè)4條基軌，并采用吊裝架與倒鏈將其放在支墩上，使每條基軌保持在同一水平面上。

(4)將掛平用工字梁吊放在基軌位置，并裝置牽引絞車與轉(zhuǎn)向滑輪，然后穿上鋼絲繩。

(5)基坑平整后，向基坑內(nèi)拋填碎石。通過探水桿確定拋填區(qū)域與拋填量，通過船裝運(yùn)輸將碎石運(yùn)到拋填區(qū)域；當(dāng)碎石拋填完成后，通過轉(zhuǎn)動(dòng)絞車牽引工字梁實(shí)現(xiàn)碎石刮平。

2.5 取水頭部設(shè)計(jì)與施工

本文研究取水頭部為箱式鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，該構(gòu)件分上、下兩節(jié)，其中，上、下分別為進(jìn)水格柵間與進(jìn)水箱體。上、下結(jié)構(gòu)大小一致，長寬高均為11.1 m×5.9 m×5.4 m，上、下重量分別為54、110 t。

2.5.1 取水頭部預(yù)制施工技術(shù)

通過岸邊預(yù)制方式制作取水頭部，預(yù)制位置一半在水中，另一半在岸上。通過這一方式，可以降低土方倒運(yùn)成本，還能夠減少土方開挖量。在進(jìn)行取水頭部預(yù)制前，需在基坑周圍設(shè)計(jì)尺寸為50 mm×40 mm的排水溝，在溝內(nèi)用碎石填平；同時(shí)在水庫南、北角各設(shè)1個(gè)600 mm×600 mm的集水坑，通過磚砌為三七墻，周圍采用碎石填平，內(nèi)部采用潛水泵抽水。當(dāng)完成周圍排水施工設(shè)計(jì)后，即可在岸邊預(yù)制取水頭部。

2.5.2 取水頭部漂浮下沉施工

在進(jìn)行取水頭部吊裝前，需向基坑內(nèi)注水，將基坑注水至坑內(nèi)水面標(biāo)高與水庫水面標(biāo)高齊平，以免影響浮運(yùn)。通過以下步驟實(shí)現(xiàn)取水頭部漂浮下沉施工：

(1)將2根長為42 m的DN2020鋼管(浮箱)浮運(yùn)至基坑內(nèi)，并在取水頭部長邊方向各一根進(jìn)行擺放。將每榀吊裝架吊裝至鋼管設(shè)計(jì)區(qū)域，并與鋼管進(jìn)行焊接，采用φ100鋼管將每榀吊裝架上部連接到一起，并通過I25b、I45a分別焊接起吊龍門架立桿與橫桿。

(2)起吊架裝置完成后，進(jìn)行起吊系統(tǒng)安裝。通過鋼絲繩構(gòu)置環(huán)形雙套，套在起吊架設(shè)計(jì)區(qū)域，通過廢棄輪胎作為鋼絲繩與起吊架的間隔材料，之后依次將60個(gè)倒鏈掛在鋼絲繩吊環(huán)上；此時(shí)，起吊箱體吊環(huán)與倒鏈吊鉤相連，收緊倒鏈準(zhǔn)備起吊。

(3)在施工現(xiàn)場為每個(gè)倒鏈分配2名起吊手，并做好吊架的牽引工作；在航道正前方掛2根牽引繩，連接浮式起吊架，由人工實(shí)現(xiàn)出航道牽引。

(4)取水頭部起吊需要緩慢執(zhí)行，避免每一起吊點(diǎn)偏心受力，若起吊高度超出50 m則暫停起吊，靜止30 min后判斷起吊架各桿件節(jié)點(diǎn)受力，檢查無誤后，繼續(xù)進(jìn)行浮運(yùn)；若發(fā)現(xiàn)桿件節(jié)點(diǎn)受力不均，則下放倒鏈，重新檢查受力狀態(tài)，并對桿件進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)調(diào)整后重新起吊。

(5)當(dāng)取水頭部駛出航道后，通過卷揚(yáng)機(jī)牽引至指定位置，并進(jìn)行拋錨固定。結(jié)合取水頭部下部樣架的浮漂情況，修正浮式起吊架位置，當(dāng)取水頭部4角穩(wěn)定處于4個(gè)浮漂圍成的區(qū)域時(shí)，固定地錨，完成下沉準(zhǔn)備工作。

2.5.3 取水頭部就位安裝施工

在岸上裝置全站儀，施工人員通過對講機(jī)溝通，核驗(yàn)取水頭部每一角浮漂位置是否正確；核驗(yàn)完畢后，由施工人員發(fā)出安裝指令。在安裝時(shí)，通過倒鏈操作人員下放取水頭部，當(dāng)下沉至基坑坑底50 cm時(shí)，停止作業(yè)。通過潛水員觀察下沉位置是否正確，若存在偏離，則通過對講機(jī)指揮操作人員調(diào)整起吊架；若下沉位置正確，即可下放取水頭部。當(dāng)裝置完成下節(jié)箱體后，向基坑內(nèi)拋碎石穩(wěn)固，并繼續(xù)吊裝上節(jié)格柵間，與下節(jié)箱體拼裝后，完成取水頭部安裝。

2.6 混凝土澆筑回填

當(dāng)完成取水頭部安裝后，需要在基坑內(nèi)灌注混凝土進(jìn)行回填，使水利工程泵站運(yùn)行更加穩(wěn)定，具體澆筑過程如圖1所示。

圖1 混凝土澆筑過程分析

在澆注過程中，需要連續(xù)進(jìn)行，若需要中斷澆注，則要在30 min之內(nèi)繼續(xù)澆注。若出現(xiàn)堵管問題，則可采用吊車提升導(dǎo)管進(jìn)行抖動(dòng)，使導(dǎo)管疏通；若無法疏通，則可考慮重新下放新導(dǎo)管，繼續(xù)完成混凝土澆筑施工。

3 實(shí)驗(yàn)分析

采用仿真模擬方式驗(yàn)證設(shè)計(jì)的施工方案是否合理，在仿真過程中，對取水頭部施加不同載荷條件，驗(yàn)證取水頭部整體的穩(wěn)定性，其中具體包含抗浮穩(wěn)定性、抗傾覆性以及抗滑能力；通過這些指標(biāo)評估施工效果。

測試施工方案在不同載荷狀態(tài)下的安全系數(shù)，并對比規(guī)范要求系數(shù)，驗(yàn)證該方案的整體穩(wěn)定性，測試結(jié)果如表2所示。

表2 施工方案穩(wěn)定性測試

由表2可知，針對本文研究的取水頭部構(gòu)件的抗浮能力、抗滑移能力以及抗傾覆能力均能夠在不同載荷下實(shí)現(xiàn)較高的安全系數(shù)，且每一載荷狀態(tài)下的安全系數(shù)均超出規(guī)范要求。因此，本文研究的取水頭部施工方案可保障取水頭部具有較高的穩(wěn)定性，可以維持水利工程泵站安全運(yùn)行。

4 結(jié) 論

針對取水泵站取水頭部的每一施工步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，可保障取水頭部安裝穩(wěn)定，使泵站具備更高的可靠性。未來研究過程中，可對該施工方案進(jìn)行優(yōu)化，對施工細(xì)節(jié)進(jìn)行更精準(zhǔn)地處理，提高水利工程泵站的可持續(xù)運(yùn)行能力。