大型海上取水口结构设计

廖泽球，张晓云

（1.广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；2.北京市自来水集团，北京 100089）

1 概述

某大型滨海燃煤发电厂位于我国南海海边，电厂采用一次循环海水直流供水系统，海上取水口长30.2m，宽7.2m，高8.8m，采用钢筋混凝土结构，取水口顶面标高-1.0m，位于海平面以下，属于淹没取水方式。取水口离岸边87.2m，取水口与岸边引水隧洞之间采用预制钢筋混凝土引水箱涵连接。取水方式为海上取水口→引水箱涵→引水隧洞→厂区。取水口所在位置海域海床平均标高-4.50m，海床地质条件为中微风化花岗岩。波浪条件比较恶劣，存在涌浪，每年6—10月属于台风期，现场施工场地狭窄。在如此复杂的自然条件下，取水口的设计和施工面临着极高的技术挑战。常规的整体吊装方案或分节海上安装方案均存在一定的技术难题。波浪物理模型试验表明，如果将取水口结构按进水孔分为3节，则单节重496 t，小于500 t，可以采用常规的500 t浮吊进行安装，但在设计波浪作用下，构件将发生移动，是不稳定的，只有在整体情况下才是稳定的。而采用整体浮运吊装，则存在需要开挖工作船航道，水下爆破开挖量较大等问题。经过深入分析比较，决定采用将大尺寸的取水口整体结构按照进水仓拆分为小于500 t的分体结构，然后水上拼装在一起，采用专门的连接板等技术措施，将独立的分体结构连结成整体，成为整体结构的新思路。该方案综合了分节海上安装施工方便和整体结构稳定性好的优点，从而实现了该项目的技术先进、安全经济的目标。

2 自然条件

取水口所在海域海床面标高-4.50m（1985国家高程基准，下同），取水口到岸边海床面相对平缓。由于属于海浪冲刷区域，海床地质主要为中微风化花岗岩，礁石裂隙丰富，基本没有泥砂覆盖层，岸边基岩出露。

200 a一遇设计高潮位4.07m，97%设计低潮位-1.53m，多年平均潮位0.58m，潮位属于不规则半日潮。

在设计高潮位条件下，50 a一遇最大波高H1%为9.5m，SE向波浪，平均周期为10.5 s。在设计低潮位条件下，50 a一遇最大波高H1%为7.9 m，SE向波浪，平均周期为10.1 s。除了波浪作用外，取水口区域还存在涌浪。

取水口所在海域波浪较大，水深较浅，海床地质以硬岩为主，是本取水口所在地理位置的自然特点。

3 结构布置

根据取水工艺要求，取水口长30.2 m，宽7.2 m，高8.8m，因长度较长，长度方向分3格进水，取水口底板面标高-7.0m，为正面开仓进水、其他面封闭的矩形箱体结构，布置于离岸边87.20m的海域，取水口平面布置图见图1。

图1 取水口及引水箱涵平面布置图Fig.1 Layout plan of the water intake and water diversion box culvert

取水口外开挖喇叭口引水槽，引水槽低标高为-8.00m，比取水口底面标高低1.0m，作为预留淤积深度余量。岸边引水隧洞口设闸门井，供隧洞施工或检修挡水之用，取水口与岸边隧洞口闸门井之间采用引水箱涵相连，引水箱涵为双孔矩形断面，总宽8.4m，高4.5 m，单孔内净空3.5m×3.5m。取水口和引水箱涵均采用钢筋混凝土结构。

由于海床地质为中微风化花岗岩，引水槽、取水口、引水箱涵基槽均需进行海上爆破开挖。

4 结构安全分析

由于本取水口所在海域波浪较大，取水口在波浪作用下的安全稳定是该取水口结构设计的首要技术问题。对于本取水口结构，由于正面开仓因素，海浪正面作用时，波浪压力穿过进口格栅，进入取水口箱体内后，作用在箱体内后壁上，从而对取水口结构形成向岸方向的推力。而波浪反向作用时，波浪从岸边向海域方向作用在取水口后壁上，对取水口结构形成向海域方向的推力。波浪往复作用对取水口相应形成向前向后的往复推力作用，由于取水口结构的复杂性，取水口后方引水箱涵、进水口正面的格栅和梁板以及取水口箱体的存在，对波浪的作用大小均有影响。结合物理模型试验，参考目前海工有关规范，对本取水口进行波浪作用下结构稳定计算。

单件稳定计算：根据试验单位推荐的数据，波谷作用下取水口结构两侧单件所受的波浪推力设计值3026 kN。取水口两侧单件结构重量5000 kN（在水中扣除浮力后重量为2959 kN），摩擦系数取0.60，则摩阻力：2959×0.6÷1.1=1614 kN。

摩阻力<波浪推力，说明单件在波浪作用下不安全。

整体稳定计算：取水口结构总重量14610 kN（在水中扣除浮力后重量为8647 kN），由于取水口中间块前后是开孔的，波谷作用时，后方引水箱涵的存在，使取水口中间块基本没有受波浪作用，波浪推力设计值近似采用3026×2=6052 kN。

摩阻力： 8647×0.6÷1.1=4716 kN<6052 kN。

计算结果表明取水口整体结构在波浪作用下也是不安全的。鉴于计算方法较难准确考虑取水口的结构特点，为了进一步复核取水口的安全性，委托科研单位进行了波浪物理模型试验进行验证。

波浪物理模型试验考虑了200 a一遇设计高潮位、97%设计低潮位与50 a一遇波浪进行组合的工况，取水口结构考虑整体结构和分为三件拼装两种结构方案。取水口抵抗波浪作用主要依靠取水口结构自重与海床抛石基础之间产生的摩擦力。根据试验结果，取水口整体结构方案在波浪作用下是稳定的。取水口三件拼装方案，在波浪作用下，中间箱体稳定没有发生位移，两端的箱体则不同程度地发生位移，表明是不稳定的。按照试验结论，本取水口结构必须采用整体结构进行设计才能确保取水口的安全稳定。考虑计算结果与试验结果存在的差异，安全起见，取水口结构在设计上还应考虑一定的安全加强措施。

3件取水口箱体连结成整体的具体措施见图2。

图2 取水口Fig.2 Water intake

将取水口箱体下埋1800mm，3件取水口箱体均安装就位后，在箱体外围四周采用C40水下不分散混凝土将3件箱体浇筑固定在一起，上部通过在3件箱体拼接处顶部设置顶部连接板将3件箱体连为一体，通过下部浇筑混凝土和上部连接板措施，使3件取水口箱体连结为一体，达到整体的效果。

顶部连接板宽4.0m（跨两侧各2.0m），长6.84m，厚0.80m，连接板与取水口箱体顶板之间采用X形双向连接钢筋（二级钢¢18@800）连接，连接钢筋下端预埋在取水口箱体顶板上。连接钢筋承受的水平剪力计算时，将取水口箱体作为一上下端铰支的垂直杆件，波浪水平推力作用于取水口箱体，进行分析计算得到。

连接板必须在水下条件下进行施工，为了避免波浪对浇筑连接板混凝土造成影响，在连接板外围设置挡水板，挡水板厚180mm，顶部标高2.0m，挡水板和箱体顶板对接处均设预埋的橡胶止水带止水。取水口箱体拼接就位后，将取水口箱体顶部的连接板范围形成围闭空间，为施工顶部连接板提供可抽干水或确保挡水板内水体处于静止状态便于施工水下混凝土。

5 施工方法

取水口箱体分为3件后，单件重量和尺寸明显减少，对预制场地、起吊船只、浮运航道等施工要求均降低了。引水箱涵和取水口箱体施工方法如下：

1）3件取水口箱体和引水箱涵在电厂码头附近场地预制和养护。

2）基槽采用水下爆破和水下开挖。

3）基槽开挖完毕，采用500 t浮吊船将引水箱涵吊运到设计位置，按照后退式次序从闸门井向外方向逐节安装，最后安装3件取水口箱体，先安装中间件，后安装两端件。

4）取水口箱体安装完毕，浇筑取水口箱体下部外围四周水下混凝土，吊装顶部连接板钢筋网片，浇筑连接板水下混凝土。

5）待混凝土达到设计强度后，打掉高出连接板顶面的挡水板，以避免高出的挡水板受波浪作用，增加取水口的受力。

6 结语

大型电厂的循环水取水口尺寸和重量较大，如果按照常规的整体结构进行施工，则对施工船只、施工航道、预制场地等均要求较高。在这种情况下，采用将大尺寸的整体结构分解为小尺寸、小吨位的结构，然后拼装在一起，结构下部采用水下混凝土浇筑锚固、上部采用连接板连接，将小结构连结成一体，达到整体的效果，既利用了小尺寸、小吨位的施工优点，又满足了整体结构的安全要求，某电厂循环水取水口结构设计施工实践证明该技术方案是可行的。

对于海上取水口结构，目前波浪作用计算理论还不够成熟，需要采用物理模型试验进行验证。建议针对海上取水口异形结构在波浪作用下的计算方法进行更多的探讨研究，为结构设计提供理论支持。

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