移动式浮船长江水源取水工程中的设计体会

■李 力，王成云 ■中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430000

长江三峡工程是当今世界上在建的最大水利枢纽工程，三峡水库的建设对长江蓄洪调峰、水力发电、旅游景观等都起到了巨大作用，同时也对长江下游河道造成了一定影响。因长江下游水流变缓，水中泥砂下沉，河床的演变趋势也随之发生了变化，长江下游沿线原有固定式取水构筑物取水头部容易受到泥沙淤泥，致使取得的原水泥沙量大，甚至无法取水，给后续净水厂水处理构筑物造成很大冲击负荷，严重时无水可供。这将势必给相关地区城市居民生活和工业生产造成恶劣影响。本文就某取水项目采用移动式浮船取水应对此类问题的相应设计中遇到的问题及体会进行总结。

1 项目工程概况

某县城现有河床式取水泵房1 座，规模为6 万m3/d，供至县城一水厂，水源为长江水。因受长江河床演变影响，取水头部严重堵塞，致使城区长时间断水，给人民生活和工业企业生产带来了严重影响，供水企业不得不考虑另行设置取水设施，以便与现状固定式取水泵房互为备用。考虑到该县城用水量增加，即将进行二水厂的建设，此次取水工程将二水厂取水工程一并实施。

经过对一水厂现状运行情况调查，该厂原水含沙量高，水处理构筑物运行负荷大，水处理效率不高。

根据取水位置地勘报告，地质情况从上至下为:(1)填土(Q4ml):杂色，稍湿，主要由粘性土和砂土构成，上部含少量植物根系，下部夹大量粒径3～8cm 碎石、块石，呈棱角状。层厚1.20～1.60 米，堆填时间约五年，全场分布。(2)粉质黏土(Q2al +pl):红褐色～灰黄色，稍湿，硬塑状，局部为可塑状态，切面较粗糙，干强度中等，韧性一般，主要成分为粘性土，下部夹少量粉细砂。(3)残积土(S)杂色，原岩组织结构全部破坏，石英、长石已风化为砂土状，母岩为砂岩，含少量块状砂岩，水浸状态下易崩解。(4)强风化泥质砂岩(S)红棕色，原岩组织结构基本破坏，风化不均匀，岩芯大部分呈砂土状，结构松散，含少量石英、长石颗粒;部分呈4～8cm 碎块状。

经过对工艺条件、地质条件的仔细分析，并会同各方商讨，再结合现场的实际地质情况，决定采取将浮船固定于摇臂支墩基础之上的摇臂式浮船取水这一取水工艺。

2 选择浮船取水的优势

该取水工程水源为长江水，距现状取水口约65m，拟建取水口位于长江岸坡南岸，岸坡有适宜的倾角，在11～18°之间。岸坡主要由填土、粉质黏土、残积土、强风化泥质砂岩、中风化砂岩构成，长江流经区域的河道较为平直，江水流速平缓，作为取水口较理想。

在岸边建造固定式取水泵房，要先围堰筑坝，将围堰区域内的水全部抽干，建造泵房，再安装水泵、阀门、管路、自控系统等。固定式泵房具有维护管理方便、应用广泛、适应性强等优点，适合取水量较大的水厂。但土石方开挖量及水下工程量较大、工程投资高、施工周期长、取水头部易受泥沙淤积困扰。

(1)移动式浮船。优点:①工程用材少，投资少，无复杂水下工程，施工简单，上马快;②船体构造简单，可避开底层泥砂，取表层水;③在河流水文和河床易变化的情况下，有较强的适应性。缺点:①对管理水平要求较高;②船体维修养护频繁，怕冲撞、对风浪适应性差，供水安全性相对较差。

(2)固定式泵房。优点:①便于管理，维护管理方便;②应用广泛，取水安全可靠性高，适应性较强;③适合取水量较大的水厂。缺点:①土石方开挖量较大，有一定的水下工程量，工程投资较高;②施工周期长，施工受河流水位影响;③需要新增征地;④取水头部需设在航道以下，离河床较近，易受泥砂淤积困扰。

本项目取水口条件适宜采用移动式浮船取水。浮船分两个取水系统分别供至一水厂和二水厂，因浮船取水方式主要会对航运造成影响，设计的重中之重就是合理确定浮船的位置。

3 浮船取水定位设计

3.1 浮船横向定位

浮船在横向的定位主要取决于97%保证率最枯水位，使最枯水位时浮船底距河床底仍然满足安全距离要求。

该项目方案阶段，浮船设置与距岸边136m 处，摇臂输水管采用40m 长，即摇臂支墩距岸边95m。航道部门提出浮船横向定位在丰水期会影响航道，也不利于浮船安全。为了解决这一问题，同时提高浮船的安全性，要求浮船最大可能靠近岸边设置。

设计经过与建设单位、厂家进行商讨，设计中将浮船往岸边靠近10m，同时将摇臂输水管长度加长10m，使摇臂支墩更靠近岸边，同时加强运行期间对河床演变进行检测，定期及时对河底进行清淤，以保证浮船底距河床的安全距离。但此时丰水期仍然影响航运，因此考虑能够在丰水期将浮船移动靠岸。针对这一想法，分别提出了如下几种方案:(1)通过摇臂接头将浮船顺时针旋转靠岸。该方案易于实现，且操作相对方便。但是对摇臂装置的要求较高，必须保证在频繁移船过程中接头不漏水。另外由于取水浮船为双输水管，旋转至一定位置时，两输水管之间存在干涉，泵船移动的位置受到一定局限。(2)丰水期采用牵引设备将浮船移至岸边。该方案在岸坡建轨道，浮船通过牵引设备固定，可随水位升降改变浮船横向位置。但因本工程总规模达11 万m3/d，所需浮船尺寸大，重量大，所需卷扬机牵引力也大。而且据对取水口处实地踏勘，不适宜建设轨道。(3)采用多节浮船。该方案通过拆装浮船输水管的管节改变浮船位置。但该工程规模大，输水管管径较大，吊车无法靠近，拆装时起吊输水管很困难，可操作性差。

综合比较，通过摇臂接头将浮船顺时针旋转靠岸最具有可行性。计算得出的丰水期靠岸距离基本能够满足航运要求。

3.2 浮船在纵向的定位

因为本工程首要任务是作为一水厂备用取水设施，首先要考虑离一水厂近，纵向定位就锁定在现状取水泵房上下游附近。鉴于上游有采砂码头等，人员活动较多，不利于水源保护，不适于作为取水口;下游60～100m 段河床等高线比较密集，河床较陡，此处设置取水浮船可尽量靠近岸边，减少对航道的影响及栈桥长度;再往下游河道主流偏离岸边愈远。

3.3 摇臂支墩定位

浮船随水位涨落上下浮动主要是通过万向摇臂接头，而摇臂输水管考虑到安全性其长度也受到限制，一般在50～60m 范围内。设计为了使摇臂支墩尽量靠岸，取摇臂输水管为50m。

3.4 人行栈桥的设计

为了便于浮船泵站的操作和检修，需要在浮船摇臂支墩和河岸间设置人行栈桥。摇臂支墩和人行栈桥是移动式取水浮船方式中主要的水下土建构筑物，将会对河道行洪和堤防形成影响，其布置和设计是否合理十分关键。

4 结构设计中的体会

本工程拟建场地位于江边，上覆土层较厚，且拟建构筑物受水流水平冲刷力的影响较大，因此，各水下构筑物基础采用钻孔灌注桩，人行栈桥采用钢筋砼框架结构形式。

对于长江中的人行栈桥，其支墩间距设置是否合理关系到对行洪影响的大小，同时又要保证结构安全。该项目人行栈桥宽2.0m，其合适的支墩间距采用8-12m。

人行栈桥的一端连接了取水浮船，其受力要充分考虑在最不利情况下(如大风、高流速时)浮船造成的影响。

对取水泵船摇臂基础受力计算，对以下参数计算后得出:

(1)因无确切流速，取最大流速为2.5m/s，

(2)设计风速:最大风速为19.1m/s，则风压为q=0.631 × V2=0.631 ×19.12≈230N/m2=0.23KN/m2

(3)浮坞相关参数:船体浸水面积A=400m2;船体吃水横截面积A1=24m2;浮体迎风面面积A2=177m2;输水臂的横截面积A3=45m2。

(4)输水管对岸边基础的垂直压力:

输水管水管重:G 总=G 管+G 水=14T+20T=34T，G 摇臂=6T

输水管对基础的垂直压力:F 管压=(G 总/2 +G 摇臂)×2.5m/s×9.8

=(34T/2 +6T)×2.5m/s×9.8

=563.5kN

计:F 管压=563.5kN

(5)泵船由输水管及锚链、缆绳共同作用下固定，基础处于正常水位(洪水时淹没)。受力如下:

①水对船体的推力:F船=gfAVm1+gCA1Vm2，取m1=1.83，m2=0.25

=9.81 ×0.17 ×400 ×2.5(1.83 次方)+9.81 ×36 ×24 ×2.5(0.25次方)

=3567.9 +10657.8=14225.7N≈14.2KN

②风对船体的推力:F1 浮体=0.23KN/m2 ×177m2=40.71kN

③风对上游输水臂的推力:F1 管=0.23KN/m2 ×45m2=10.35kN

④风对下游输水臂的推力:F2 管=qA3×0.6=0.23KN/m2 ×45m2×0.6=6.21kN

⑤风对输水臂的推力:F管总=10.35 +6.21=16.56kN

⑥风作用输水臂的推力对基础反作用力:F基=16.56 × 5/8=10.35kN

⑦风作用输水臂的推力对泵船反作用力:F管船=16.56 ×3/8=6.21kN

⑧风作用输水臂的推力对基础的力矩:M=FL/8=16.56 ×40/8=82.8kN·m

⑨水和风对的船体推力与输水臂对船体反作用力的合力:F 合=40.71 +16.56=57.27kN

⑩船体对上游端钢丝绳的拉力:F 上'=57.27 ×SIN45≈40.5kN

11下游端钢丝绳对船体的拉力:F 下'=57.27 ×SIN45≈40.5kN

基础受力分析。由上面计算可以知:输水臂对基础的垂直压力563.5kN ＞水和风对的浮体推力与输水臂对浮体反作用力的合力57.27kNkN;

如此由两侧钢丝绳、中间输水臂组成的岸边宽，船边窄的三角形结构，足以满足风浪的冲击，达到工况要求。

5 结论

在长江为水源的取水工程中，河床演变的不确定性将在一定时期内存在，如何在新的形势下选择合理的取水方案关系到城市发展的基础，希望该工程的设计能给后续类似情况提供参考，使取水工程做到结构安全、经济、合理。

［1］给水排水设计手册.城镇给水.中国建筑工业出版社.

［2］严煦世，范瑾初.给水工程(第四版).中国建筑工业出版社.