赤壁市长江取水工程取水设计

2022-02-10齐艳杰

净水技术 2022年2期

封威，罗波，齐艳杰，何飞，唐歉

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010；2.长江设计集团有限公司，湖北武汉 430010；3.昆明市滇池水生态管理中心，云南昆明 650228)

水资源是自然资源的重要组成部分，也是国家综合实力的重要表现。饮用水水源作为安全饮水的首道屏障，是整个供水系统安全运行的重要前提，也是保证末端饮用水水质的必要条件。

目前，赤壁市中心城区在用水厂为二、三水厂，其水源均为陆水水库，水质不稳定，水源污染控制难度大，应对水源水质事故的抗冲击性不足。赤壁市长江取水工程的建设对于提高赤壁市饮用水水质、保障城市的建设安全、构建供水系统的安全保障体系，促进赤壁市社会建设和经济发展具有重要意义。

国内外诸多取水工程都采用了固定式取水头部和沉井泵房的形式。仅湖北省内就有多个实例。经调查，长江上游的黄石花湖水厂和嘉鱼县潘家湾取水泵站、下游的黄陂新武湖水厂、汉江上游的谷城水厂、下游的走马岭水厂等多个水厂的取水均采用固定式取水头部、自流式引水管和圆形沉井泵房的形式，且多年运行良好，说明固定式取水头部和沉井泵房在长江流域湖北段是适合的。该项目在充分调研类似项目的基础上，合理优化设计，以保证取水安全性及经济适用性。

1 项目简介

赤壁市长江取水工程项目地点位于湖北省咸宁市赤壁市，项目规划总规模为30万m3/d，其中近期建设规模为10万m3/d。该项目的建设对赤壁市供水格局及安全具有重大意义。项目水源为长江水，针对长江取水工程的特点，通过比选采用固定式取水头部、自流式引水管及圆形沉井泵房内设离心泵的方案，采用压力管穿堤的方式进行建设。

工程的总体规模为30万m3/d，近期规模为10万m3/d，其中取水头部和引水管按总规模设计，一次性实施，取水泵房土建按总规模设计和实施，设备按近期设计规模安装。

2 取水口

2.1 河势及河床分析

长江赤壁段长24.69 km，以赤壁山为界，上段为新堤(界牌)河段，下段为陆溪口河段，赤壁市位于其右岸。

根据《赤壁长江取水工程水文分析专题报告》，1981年以来，螺山至石头矶河段岸线基本稳定，变幅较小。深泓平面变化也不大，主要体现在几个分、汇流口位置的变化，深泓纵向变化冲淤交替，无明显的单向性冲淤变化趋势。本河段各洲滩历年来位置基本稳定，略有消长，但幅度不大，深槽冲淤交替，变化较为明显。河段内各典型断面河床形态呈冲淤交替变化，因河段边界条件较好，河段河床大部分较为稳定，过流面积、平均河底高程等变化幅度较小。从冲淤计算来看，本河段冲刷幅度较小，基本趋于稳定。总体而言，该河段近期河势较为稳定。

赤壁山上游段主流靠左岸，且右岸河滩宽浅，主流有逐年向左岸移动趋势；赤壁山矶头处河道最窄，河床最稳定，深弘线基本靠右岸；经过赤壁山矶头后，受赤壁山矶头束水挑流的影响，主流逐渐向左岸过渡，右岸变为弯道凸岸。因此，从河势及河床分析，赤壁山矶头上游附近最适宜兴建取水口[1]。

赤壁山矶头附近水下地形(1/10 000)如图1所示。

图1 赤壁山矶头附近水下地形图Fig.1 Underwater Topographic Map near Jitou in Chibi Mountain

2.2 岸边条件

以赤壁山矶头为界，目前上游基本为河漫滩，滩地宽(溪流汇入口至赤壁山矶头)为400～1 300 m，标高在25.10～30.50 m，可见赤壁山矶头上游附近目前均具有较好的建设条件。

2.3 取水口位置选择

从河势演变和岸边条件分析，工程取水点宜在赤壁山矶头上游3.0 km范围内选择。根据现场反复踏勘，拟选择3个取水点进行方案比较，如图2与表1所示。各方案优缺点比较如表2所示。

图2 取水口方案示意图Fig.2 Diagram of Water Intake Scheme

方案一：在原赤壁镇水厂取水口处(赤壁山矶头与过江汽渡码头中间)。

表1 各方案工程量及投资估算Tab.1 Project Quantity and Investment Estimation of Each Scheme

表2 各方案优缺点比较Tab.2 Comparison of Advantages and Disadvantages of Each Scheme

方案二：在原赤壁镇水厂取水口(赤壁山矶头)上游1.2 km处。

方案三：在原赤壁镇水厂取水口(赤壁山矶头)上游2.0 km处。

为确保原水水质和取水的安全可靠性，避免对赤壁山风景区环境造成影响，保证工程的顺利实施，宜采用方案二，且方案二投资较适中，实施条件较好，故推荐方案二为拟选方案。

3 工程内容

3.1 取水头部

根据《赤壁长江取水工程水文分析专题报告》，工程拟建取水口断面的1%频率洪水位为33.03 m，97%保证率水位为13.32 m，洪、枯水位变幅为19.71 m。同时结合长江水下地形情况和类似工程的实践经验，并根据进水管地形地质条件选定的施工方法，确定工程采用箱式取水头部。

根据水源特点和取水口地形、地质、水文条件，拟采用箱式取水头部。其主要优点是施工简单、水下工程量最少、检修维护方便、抗堵塞能力强。

取水头部按30万m3/d规模设计，其外形尺寸为L×B×H=12.60 m ×5.40 m ×6.50 m。其长度方向与长江水流方向平行，取水头部设于河床1.50 m标高处，其距离取水泵房边约810.00 m。根据长江干流航道规划，赤壁段航行基准面为13.22 m，吃水深度为3.70 m，为不影响航运，根据《赤壁市长江取水工程通航条件影响评价》审核意见，取水头部箱顶标高设计为6.80 m。

取水头部双侧开窗，双侧进水，共设8个窗口，单窗宽度为1 375 mm，窗口高度为2.30 m。进水格栅采用角钢L70×6、85×10扁钢制作而成，为保证取水安全，获得较好的水流条件，减少进砂和其他漂浮物，格栅顺水流方向呈45°布置。栅条净距为50 mm，单窗实际有效过流宽度为50×15=750 mm，取水头部格栅总有效过流面积为13.80 m2，堵塞系数取0.75，进栅流速为0.35 m/s，过栅水头损失为0.30 m。

为保证取水及行船安全，在取水头部外侧设置航标。

3.2 引水管

考虑到工程取水规模较大，为保证取水安全，引水管形式考虑采用自流管。从取水的安全可靠性考虑，设置2根引水管，在管径选择上考虑适当留有余地。

3.2.1 管径的确定

采用2根DN1400引水管，当取水量达到31.5万m3/d时(考虑5%的净水厂自用水)，2根引水管同时引水，管内流速为1.18 m/s，水力坡降i=1.08‰，单管长度约810.00 m，总水头损失约1.10 m。近期取水量为10.5万m3/d时(考虑5%的净水厂自用水)，为提高管内流速、减少淤积，采用单管引水，两管交替运行，管内流速为0.79 m/s，水力坡降i=0.515‰，总水头损失约0.52 m。当其中1根引水管维护检修，取水量为设计流量的70%时(取水水量为22.05万m3/d)，流速为1.65 m/s，水力坡降i=1.911‰，总水头损失约1.95 m。

3.2.2 敷设方式

为保证取水要求，自流引水管取水泵房端的管中心标高为10.25 m，引水管穿越河漫滩段最大埋设深度将大于10.00 m。因此，穿越河漫滩段引水管采用顶管施工埋设管道，引水管水下部分采用开槽浮运、沉管、抛石护管埋设施工。

3.2.3 管材选择

引水管为自流管道，管道铺设在长江岸滩下，距离岸边越近，埋深越大。结合管道施工方式及运行维护检修方便的因素，保证管道输水安全，建议采用钢管，壁厚采用16 mm。顶管段钢管外防腐采用双层熔结环氧粉末涂层防腐，沉管段钢管外防腐采用GZ-2新型高分子防腐涂料，钢管内防腐均采用GZ-2新型高分子防腐涂料防腐。

3.3 取水泵房

3.3.1 位置的选择

工程拟建取水口处深水区距长江右岸约100.00 m，该处长江右岸河滩宽约800.00 m，且较为平坦，取水泵房设置在河滩上具有较好的施工条件，同时取水泵房也可设置在堤内。堤内泵房优点如下：(1)安全可靠，管理方便；(2)堤内岸上施工，水下工程量小；(3)不需要单独考虑防洪安全；(4)不影响长江行洪。缺点为进水管较长，自流管需下部穿堤，对堤防的安全有影响。堤外泵房优点为压力管可上部翻堤，对堤防影响小。缺点如下：(1)水下工程量大；(2)对长江行洪有一定影响；(3)需自行解决防洪问题。

项目原水管为2根DN1400钢管，若将取水泵房设在长江大堤内部，则原水管只能从长江大堤的下部穿越，会对大堤的安全性产生较大影响。根据水利部门要求，工程原水管禁止穿越长江大堤，并要求取水泵房靠近大堤一侧外壁距离大堤堤脚50.00 m以上，尽量降低对长江大堤的影响。因此，只能将泵房设在长江大堤外。

工程的建设应降低对现状河道堤岸的影响，并保证建成后堤岸防汛功能不变。因此，将泵房设于堤外，对行洪不产生影响，项目建设方案已通过洪水影响评价。

3.3.2 结构型式选择

取水泵房处侧壁土层主要为②-2a粉质黏土、②-3粉质黏土、②-4粉质黏土、②-5粉质黏土夹粉土，构筑物基础底部位于②-4粉质黏土层与②-5粉质黏土夹粉土层中，该两层承载力特征值分别为95 kPa与110 kPa，存在性状差异。根据相关工程的实践经验，通过对基坑周边环境条件和水文地质条件的研究，取水泵房围护一般有沉井、单排灌注桩+支撑+止水帷幕、SMW工法、双排灌注桩+止水帷幕等形式。

近年来，沉井工艺越来越成熟，深度越来越深，平面尺寸也越来越大。沉井作为顶管井施工完成后即可作为工艺永久井使用，无需在坑内另作井，其造价较低，施工周期较短，顶管施工过程中安全系数较高。但沉井下沉时对周边环境有影响，需设置井外施工止水帷幕保护桩进行隔水及加固，以减小其施工带来的影响。

灌注灌注桩+止水帷幕的墙体刚度大，施工过程中对周边地基扰动小，对邻近建(构)筑物的影响小，支护开挖深度可达20.00 m，但这种方式施工工期较长。

SMW工法井为三轴搅拌桩插H型钢作为围护结构，具有挡土、挡水作用。具有经济性好、施工速度快的优势，但一般用于开挖探度≤12.00 m的顶管井。

双排灌注桩围护结构为无支撑悬臂结构，方便土方开挖，在场地受限地区深基坑支护工程中具有广泛应用，一般应用于开挖探度为8.00～14.00 m基坑。

在经济方面，沉井的费用较低；单排及双排灌注桩围护需另外本体结构或加设钢筋混凝土内衬，费用较高；SMW工法的费用不高，但适用深度较浅。

通过工程地质水文条件、经济性、周边环境、施工工期、安全性等方面综合比较，确定取水泵房采用沉井结构形式[2-4]。

泵房主要有圆形和矩形，其优缺点及适用条件比较如表3所示。

表3 泵房结构型式选择比较Tab.3 Comparison of Pump Room Structural Selection

工程取水泵房埋设较深，且建在长江大堤外，为减小对大堤安全的影响，采用沉井施工，推荐采用圆形泵房。

根据水文资料，长江取水段的1%频率的洪水位为33.03 m。考虑浪高和超高，取水泵房的顶部标高定为35.00 m，泵房的防洪设计按高于百年一遇洪水位设计。

3.3.3 泵型选择

用于取水的水泵一般有离心泵、潜水泵、混(斜)流泵和轴流泵，使用最多的是普通离心泵，其次为潜水泵、混流泵和轴流泵。

混流泵和轴流泵扬程低，流量大，扬程一般为4～15 m。该工程水泵流量Q=4 500 m3/h，扬程H=26 m。混流泵和轴流泵无法满足本工程需求。

离心泵是给水工程中广泛采用的一种水泵，适用于各种场合。其特点是流量与扬程适用范围广、结构简单、体型轻便、效率较高，大型水泵的效率高达86%～91%，运行费用低，并且其使用寿命长、安装检修方便、维护工作量相对较小、型号、厂家较多，选择余地大。缺点是低扬程时规格不全、泵房间与吸水井要分开、泵房施工较复杂、土建投资较高、泵房占地面积较大。

潜水泵直接安装在集水池内，适用于堤外取水及中小型取水。不需要吸水管道，土建结构简单、造价低、管路简单。缺点是潜水泵生产厂家较少、设备较为昂贵、效率较低、其工作扬程范围较为狭窄，在水位变幅较大的情况下，大流量的潜水泵不能适应扬程的变化，还易出现故障，使用寿命相对较短，设备安装、维护也较复杂。

根据该工程的具体条件：(1)取水泵房建在堤外，采用潜水泵节省的土建造价有限；(2)潜水泵维护、维修均不同于离心泵，对使用单位维修水平要求高，势必额外增加维修人员；(3)国内水厂使用经验表明，不管是进口还是国产潜水泵，问题均比较多，故障率高，严重时甚至影响生产。

综上，该工程取水泵选择卧式离心泵。

3.3.4 取水泵房设计

(1)吸水井

吸水井与泵房合建，分两格，中间用闸门连通，以利分格检修、清淤。井顶高为35.00 m，井内最低水位为11.85 m，井内底高程为8.45 m，进水自流管中心标高为10.25 m。

(2)取水泵房

泵房和吸水井合建，为地下圆形泵房。取水泵房外径为26.40 m，泵房底板标高为8.45 m，筒壁深为26.55 m。

水泵机组共设置4台泵位，双排布置。远期配置水泵4台，3用1备，近期安装2台离心泵，1用1备。水泵流量Q=4 500 m3/h，扬程H=26 m，配电机功率为450 kW,10 kV，均变频调速。

泵房内设潜污泵两台，作泵房内排除渍水用，设跨度为23.20 m，起重量为10 t的电动单梁环形桥式起重机1台，作安装和检修设备用。

(3)配电间

配电间设在取水泵房上部，包括PLC室、变压器室、低压配电间等。