东风西沙水库取水钢管建造方案研究

孙永林

（上海勘测设计研究院 上海 200434)

1 工程概述

东风西沙水库工程位于长江口南支上段、崇明岛的西南侧。2002年上海市对东风西沙实施了部分圈围成岛工程，东风西沙水库工程利用东风西沙岛与崇明岛之间的夹泓建设水库，夹泓呈狭长形，上宽下窄，呈西北——东南走向，上口与白茆沙北水道相接，下游出口与庙港口门相邻，水库库区规划总面积约3.74km2，总库容为976.2万 m3。作为上海市四大水源地之一，主要为崇明岛本岛居民提供优质的长江原水，近期供水规模为21.5万 m3/d，远期供水规模为40万m3/d。工程区地处长江三角洲入海口前缘，地貌属河口砂嘴砂岛地貌类型，其位置见图1。

东风西沙水库及取输水泵闸工程由上游取水泵闸、下游水闸、环库大堤及输水泵站等工程组成，其中新建东、西堤共约3572m，加高加固东风西沙海塘和崇明岛大堤约8436m；取水泵站规模为40m3/s，取水闸净宽14m，下游水闸净宽8m。

取水泵闸位于水库上游西南端，西堤与东风西沙岛之间的江心滩地上，上游侧为取水闸，下游侧为取水泵站，见图2。取水泵站泵房采用堤身式布置，泵房内设置五台抽芯式混流泵，单泵流量为 8m3/s，泵站采用取水安全性较高的管道深槽江心取水方式，共设置两个取水头部，后接2根直径3200mm的重力式泵站进水钢管，取水头部位置设于近年河势相对稳定的深水区域-8.0m等深线附近，并按航道部门要求离开白茆沙北水道江轮航道 500m，取水头部距离岸边泵房约450m。

图1 东风西沙水库区位图

取水泵闸的主要功能为进入咸潮期时，利用泵站提水维持水库水位，根据咸潮入侵短期预报，在咸潮来临之前 12小时左右将水库蓄至最高蓄水位5.65m，以及在咸潮期盐峰之间可取水时段内抢引淡水，非咸潮期在满足水质要求前提下自流引水入库、紧急情况下应急排水，并与下游水闸联动使水库内的水保持流动以保证水库水质。取水钢管是取水泵站的重要组成部分，采用江心取水的方式，使取水泵站能够取到优质的长江水，以满足水库的水质要求。

2 取水口区域工程条件

2.1 取水口及附近水域河势变化情况

取水泵闸取水口布置在东风西沙头部附近，东风西沙头部位于白茆沙北水道中下段北侧，该河段河势演变长期以来受上游宏观河势变化的影响，呈现冲淤反复的演变规律，近年来白茆沙南水道呈发展趋势，北水道总体保持相对稳定态势，白茆沙河段河势呈南强北弱相对稳定的河势格局。在白茆沙河段航道整治工程实施之后，整治工程将有利于维持现有南北水道相对稳定的分汊河势格局，在此条件下，取水口前沿河床产生持续性冲刷的可能性比较小。取水口及附近岸滩的地形 1980～2002年间呈持续冲刷态势，2002～2012年则呈现时冲时淤的季节性冲淤交替变化特征，变化幅度相对较小，总体上表现为相对稳定，因此适宜做为取水泵站及取水口的布置位置。

2.2 地质概况

根据本工程地质勘察报告揭示，工程区域位于东风西沙岛屿西北头部近圈围大堤的外侧浅滩区域，总体地形平坦，涨潮时水位高于滩面，退潮时出露滩面，拟建场地属河口砂嘴砂岛地貌类型。自然滩地面标高平均为2.50m。滩面以下地基土分层主要为①1-1层淤泥，灰色，为新近淤积形成，层厚约0.10～2.40m；②3-1层灰色粉砂，层厚约 1.00～7.50m；②3-2层灰色砂质粉土夹粘性土；②3-3层灰色粉砂，层厚约 1.20～11.90m；⑤1-1层灰色粘土，层厚约 0.80～10.20m；⑤1-2层灰色粉质粘土，层厚约 2.20～15.50m；⑤2-2层灰色粉质粘土夹砂，层厚约7.40～24.30m。

3 取水钢管建造方案比选

3.1 取水方式

根据已建工程经验，泵站取水可以是头部加管道江心取水，如陈行水库、宝钢水库，也可以是明渠进水，如青草沙水库等，进水方式的选取涉及多方面的因素。针对本工程的建设条件和区域位置，调研分析了类似工程实例，主要从河势、水文条件、污染物扩散条件及环境风险等方面比较东风西沙水库江心和岸边取水方式的差异，经比选后推荐采用江心取水方式，其优势主要体现为：

（1)随着东风西沙夹泓的淤涨萎缩，其过水能力逐渐减弱，目前东风西沙头部滩面呈淤涨态势。因此，近岸取水进水渠泥沙易于落淤，需定期进行清淤，与江心取水相比今后将增加运行成本。

（2)工程区外侧为白茆沙北水道，是长江涨落潮流的一条主通道；江心取水与边滩取水相比，由于水深较大，江心的涨落潮主流相对稳定，有较大的水深和流速，且无死水回流区，江心取水口的水文动力条件优于岸边取水口，且潮流的对流扩散能力更强。江心水域污染物的掺混和降解作用更为明显，从降低环境风险上讲，江心取水口的环境风险要小于岸边取水口。

（3)取水口附近有新建水闸，汛期时内河水闸外排水会对东风西沙取水口造成一定的威胁。目前崇明岛内河水质基本呈劣Ⅴ类，汛期内河污水通过水闸排入长江后，易在近岸形成污染带。汛期水闸外排水对江心取水处影响要小于近岸取水。

图2 取水泵闸布置图

3.2 取水钢管建造方案

取水头及进水钢管布置为河床式，即将取水头伸到长江的深水区，两个取水头所处滩面高程在-8.0m左右，水深约 12.0m。考虑到干地法施工需修筑的围堰工程量较大，相应工程费用也较高，故取水头部及进水钢管段拟采用水下施工方案。在取水头位置及建造方式基本明确地条件下，连接取水头的取水钢管建造主要考虑了以下三个方案，并进行了技术经济比较。

（1)埋管方案：采用水下开槽埋管施工，考虑到长江口河床冲刷的不稳定性，为保证管道安全，进水钢管基础采用低桩承台结构。每根进水钢管长约 40m，每根进水钢管下设两道承台，承台为预制横梁结构，上部设钢质支座环固定进水钢管。每个承台下布置 4根 PHC预应力钢筋混凝土管桩。取水头基础采用钢壳沉箱水下混凝土桩基承台结构，承台下布置12根PHC预应力钢筋混凝土管桩，桩顶设钢桩帽，以便与取水头下钢沉箱通过螺栓可靠连接。

（2)顶管方案：水平进水钢管采用顶管法施工，顶管埋深为现状滩面标高以下的最小覆土厚度为 5m（进出口位置)，最大覆土厚度为 8m（中部)，工作井利用现有取水泵站泵房，不设接收井，取水头部采用多点式取水头布置，在单根水平管头部设6根DN1500的垂直顶升管，顶部设钢格栅。顶管法及垂直顶升管法工艺成熟，在大量电厂排水项目中得到运用。

（3)组合方案：在取水钢管穿越围堰且目前滩面较高（0.0m高程以上)预计今后滩面高程变化不大的区域采用水平顶管方案，顶管段长度242.5米，深槽段（0.0m高程以下区域)及取水头部仍采用桩基埋管方案，埋管段长207.5m。工作井利用现有取水泵站泵房，不设接收井，顶管顶进到设计位置后水下切割工具头，由潜水员安装哈弗套管与埋管段连接。

以上三个方案的特点详见表1。经过对施工的环境条件、难度及技术水平和抗风险能力等多方面因素的综合评估后决定采用组合方案。

组合方案采用顶管与埋管相结合的方案。取水钢管采用2根DN3200钢管，两根进水钢管中心间距 13m，单根进水钢管长约 450m，其中埋管段长 204.5m，顶管段长度 243.7m（含穿墙段1.2m)，从泵房穿越围堰至0m等深线位置处与埋管段相接。泵房进口处管中心标高-4.50m，取水头部处管中心标高-9.10m。根据地形条件，顶管段坡比为 0.9%，在顶管与埋管衔接处（即离泵房 242.5m处)管道中心标高-6.70m。由于埋管采用桩基基础，为施工方便，尽量采用水平埋管布置，因此在距离泵房约335m处进行一次高程降低处理，降低高程为2.4m。钢管安装节长度控制在40m，管节间采用哈夫套管进行连接。

埋管段钢管考虑到长江口河床冲刷的不稳定性，为保证管道安全，其进水钢管基础采用低桩承台结构。每根进水钢管长约40m，每根进水钢管下设两道承台，承台一般间距23.40m，节间处间距16.60m。承台为1500×1000mm预制横梁结构，上部设钢质支座环固定进水钢管。每个承台下布置 4根桩支承 2根钢管，桩型选用D800×110mmPHC预应力钢筋混凝土管桩，桩长25～28m，桩基持力层为⑤2-2层。

表1 取水钢管建造方案比较

4 施工控制要点

4.1 埋管段管道安装连接

埋管段进水钢管基础采用低桩承台结构，其施工工序为水下土方开挖→水上打桩施工→桩帽、横梁安装→横梁间距水下测量→管道与管座抱箍定位→管道及管座水下沉放→潜水员水下定位→管座与横梁螺栓连接。

桩基施打过程中应严格控制沉桩过程中的桩顶高程。管桩的桩顶高程应与设计高程一致，才能保证横梁高程的准确性，但实际施工中，管桩的桩顶高程在施工中由于各种因素的影响很难达到标准，因此在管桩沉桩结束应实测桩顶高程，根据实测桩顶高程调整桩帽的高度以达到设计高程。如管桩高程偏低时需在桩帽内加设钢结构内衬垫措施来加高桩帽标高。

管桩与桩帽、桩帽与横梁、横梁与钢管外侧钢性支座环之间均采用螺栓连接，螺栓开孔需等水下定位结束后由潜水员水下开孔实施后再安装螺栓。

4.2 顶管段与埋管段连接

取水钢管组合方案分顶管和水下埋管两种施工工艺，因此顶管和埋管连接段最后施工，顶管顶进到设计位置后将管道内所有机械设备拆除后撤出，工具头暂时留在管内，由潜水员进行水下割除。在水下气割前顶管的工具头内的电气部分要拆除并密封，此时管道内应充水，工具头切割后起吊运走，待水下沉管开挖后，沉放安装连接段管道，管道两端用哈夫套管连接安装。

为确保该连接段管道的准确安装，同时便于哈夫连接接头的安装，最后一段连接段管道长度应待顶管工具头切割完成后，由潜水员水下测量已沉放安装好的埋管端部与顶管端部的实际距离后再按照该长度进行连接段管道的加工制作。同时在安装前必须准确测量出埋管段和顶管段管端的管顶标高，以确认该两端是否存在高差。如偏差较大，则需要相应调整该埋管连接段管道下的两道钢横梁的标高，否则管道安装及哈夫接头的安装将较难完成。如横梁顶高程偏低，则采取在桩帽内加设钢结构内衬垫措施来加高横梁标高的措施；如横梁顶高程偏高，则必须对桩顶进行切割破碎修整，将横梁标高降低后才能沉放管道。因此该段管道的桩基宜在施打时尽量不要高，宁可低些采取调高横梁的措施进行修正。

5 结语

东风西沙水库取水钢管建造方案采用顶管与埋管相结合的方式实施，充分考虑了江心取水方式在河势影响、水文条件及降低环境风险等方面的因素，综合了顶管与埋管两种施工工艺的优点，缩短了工期，可供类似的取水工程参考。