阳澄湖通江大型泵站扩建关键技术研究与实践

高兴和 陈兴奎 王飞 张旭 朱海锋

摘要：太湖流域七浦塘拓浚整治工程将苏州重要的饮水水源地阳澄湖与长江联通，而位于入江口的江边水利枢纽工程是阳澄湖通江的主要控制口门。在扩建该大型泵站工程中，必须考虑长江潮涨潮落的水文情势、江边软淤土地质条件、复杂结构紧邻已建枢纽和跨汛期施工等一些问题。为此，对扩建与整治项目的设计和施工的主要关键技术，以及实施效果进行了分析研究。通过优选泵型，优化工程布局和水力衔接条件，软弱地基处理，动水环境泵机安装等措施，保证了扩建工程保质按期完工。

关键词：软淤土; 深基坑; 通江泵站; 通江水利枢纽; 阳澄湖

中图法分类号： TV6文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.009

经国家和江苏省发改委审批实施的七浦塘江边枢纽工程[1]，是太湖流域苏州阳澄湖联通长江的主要控制建筑物，由已建中型挡潮闸（2×16 m）、Ⅴ级船闸（16 m×180 m×3 m）和扩建大（二）型泵站（双向120 m 3/s）组成。工程具有引水改善水环境、挡潮、防洪、排涝以及航运等综合功能。

扩建泵站位于已建水利枢纽的北侧[2]，闸站之间设置有隔堤衔接。站身与节制闸、船闸下闸首并列布置，工程主体通过下游侧翼墙与江堤衔接后形成沿江挡潮防洪线。泵站北侧布置为工程管理区，闸站和船闸下游公路桥联通两岸江堤，详见图1。

泵站工程由站身、进出水池、翼墙、拦污清污结构、闸站隔堤以及上下游引河等组成。选用4台/套、单机流量为30 m 3/s的开敞式立式轴流泵，引排双向运行。站身采用块基型结构，自下而上共5层，即进水流道层、水泵及出水流道层、电机及缆道层、地面层和厂房层。泵站上下游及隔堤翼墙分别采用钢筋混凝土空箱扶臂式、扶壁式结构。钻孔灌注桩结合水泥搅拌桩基础处理，水平铺盖结合排桩防渗、防冲。

1工程条件及特点

1.1水文工况条件

工程处于长江边，长江潮起潮落，潮位多变且落差较大。该项目既是调水引流工程，也是防洪排涝工程。泵站为引、排双向运行，按其使用频率，以供水为常态，调水引流为主要运行工况。

1.2地形地质条件

泵站基坑及地基为富含承压水且渗透性极差的深厚（大于15 m）软淤土，含水量为38%～51.3%，渗透系数为10-6～10-7 cm/s，标准贯入击数为2～3击，地基允许承载力仅为55～60 kPa。土层饱和且排水不畅，抗剪强度和承载能力极低，是典型的沿江软弱土地基[3]。

1.3结构布置条件

扩建泵站紧邻已建通江水利枢纽的北侧，不仅布置存在局限性，而且扩建将改变上下游水力衔接条件。泵站桩基底高程为-49.0 m，泵房顶为31.5 m，地下到地上总高为80.5 m，站房临空高度为40 m，翼墙挡土临空高度为16～18 m，站身为多层结构，结构复杂、体量高大。

1.4专业衔接特点

该工程涉及到水工、水力机械、金属结构、电气及自动化、房建、道路桥梁以及市政绿化等多个专业，因此，工程设计、施工的交叉和衔接错综复杂。

1.5施工特点

该工程的施工期跨汛期且工期紧，对泵站深基坑、高边坡施工极为不利。主基坑最大挖深到-9.0 m，地面高程6.5～8.5 m，基坑边坡高于15 m，属于饱和软弱土上的高边坡、深基坑[4]。

2关键技术研究与处理

综合工程条件和特点来看，该工程水文、运行工况和水力衔接复杂，地质条件极差且工程布置存在一定的局限，结构体量高大以及跨汛期施工的深基坑、高边坡是该工程的重大和关键技术问题。纵观当时在建水利工程，该工程是江苏省沿江在建工程中条件最差、技术最复杂、实施难度最大的大型泵站扩建工程。针对以上关键技术问题，开展了专题分析研究并制定了相应的措施。设计研究和施工实践表明，研制的措施是有效的，解决了所有技术难题，从中也获得了较为宝贵的经验。

2.1综合规划功能和优选泵型

江边水利枢纽扩建泵站是阳澄湖通江引排的必备动力，在缺失自然水头的工况下，提供双向动力，实现水源地之间河槽水流有序流动的控制和运用。该工程位于长江边，长江潮位一直处于涨落动态变化中。泵站运行工况中，正常（大部分）工况均处于平均潮位上下波动范围内，总体上双向运行水位差不大。不同于山丘区高扬程泵站，沿江泵站水头低、扬程小，水头损失占比大，对水泵运行效率影响很明显，而且，阳澄湖的“引江入湖”功能将使其“常态化”，引水运行概率更高。有鉴于此，沿江泵站的泵型选择，在兼顾发生频率相对较低的设计和校核工况的同时，应注重低扬程、正常运行工况的运行效率，由此来确定水泵相关技术指标。

为此，在施工图设计阶段，针对阳澄湖“常态化”“引江入湖”的调水引流功能要求，结合长江侧高低潮位动态变化的特点，对泵型进行了更进一步的数值模拟研究和调整[5]。具体到泵型参数，做出了以下调整：①降低水泵转速，叶轮直径由3 150 mm增大为3 350 mm;②电机功率由2 000 kW缩减为1 800 kW。泵型优化后进一步降低了运行能耗。

2.2数模验证并优化工程布局和水力衔接条件

该扩建泵站工程是在已建水利枢纽的情况下扩建泵站，属于改扩建工程。扩建泵站后，将改变原工程的总体布置格局及其上下游水力衔接条件。现状枢纽南岸为武钢厂区，北岸为枢纽管理所，根据各建筑物功能衔接要求，受限于场地条件，扩建泵站紧临枢纽北侧布置。为了确保工程水力衔接顺畅和总体布局满足规范要求，前期和初设阶段对布置进行了反復调整和优化，并通过数值模拟进行了验证和优化[6]，进一步完善了扩建泵站的位置以及上下游的衔接状况。根据数模验证和优化成果，扩建泵站上下游的水力衔接均满足规范的要求，工程总体布局合理可行，符合各建筑物功能需要。

七浦塘入江段河道是由原太仓地方引排河道升级、扩大为区域和流域引排河道，其功能、规模变化较大，工程引排运行将对船闸航运产生较大影响。施工图阶段满足工程规划功能要求，在全面梳理原水利枢纽工程和改扩建后的江边水利枢纽工程功能要求和功能变化的基础上，针对已建船闸和节制闸紧邻布置的现状，为进一步改善引排期船闸通航的条件，开展了专题数值模拟研究[7]，以尽量减少水利与航运的矛盾，为建成后的水利枢纽工程能够安全运行提供了技术支撑。

根据数模进一步复核和优化成果，在泵站工程实施期间，利用泵站在建工程下游围堰断流的施工条件，通水前完成了长江侧两闸之间向下游延伸一节导流墩的施工（导流墩偏角5°，墩身接长16 m）工作。采用该工程措施后，使船闸下游引航道在引排运行期的通航条件得到了较大改善。

2.3已建工程的安全防护

不同于新建工程，对于扩建工程的布置和施工，需处理好与已建工程的衔接和两者在施工期的安全问题。鉴于已建通江水利枢纽内河尚未贯通，无运行方面的要求，因此在施工期可通过南侧原有老荡茜闸进行引排导流，工程按全断面断流排水后实施旱地施工，已建枢纽排水后由通水工况返回到最不利的完建期，并将持续较长时期，而且老枢纽北侧节制闸和闸边控制楼紧临泵站深基坑（挖深15.7 m，基坑底低于已建枢纽基底5～6 m，详见图2），这些因素对软土地基上已建建筑物的稳定、结构安全以及待建主体基坑的安全均不利。

在工程设计过程中，南侧已建枢纽按原设计的完建期工况对墙后进行填土以适当卸载[8]，并通过降排水，以适当控制墙后地下水位;北侧闸站间采取的支护技术[9]，是该工程深基坑开挖和已建建筑物安全的关键。图2是已建闸边的泵站深基坑总挖深，为15.7 m，如按全坡开挖，坡比缓于1：4，开挖面宽需75 m，加上已建闸边控制楼尺寸，隔堤宽度达85 m。结合分期开挖需要，设计采用灌注排桩和插工字钢的连续搅拌桩结合放坡的支护措施，将总挖深分成卸载高差（5 m）、两级支护高差（4.7 m）和放坡高差（6.0 m）3个部分，开挖面宽仅为16 m，为此，将隔堤宽减为26 m，使泵站相对主河道偏移量大大减小，这样不仅有利于上下游弯道水力衔接，而且还可以节省隔堤和上下游弯道衔接的工程量。在汛期雨季、软土深基坑和高边坡施工条件下，结合现场条件，通过进一步优化闸塘开挖和桩基施工程序（详见前文），有效地保护了已建建筑物的安全。经施工期专项监测分析，被保护建筑物的位移、沉降变形均符合要求，未发生险工或险情。实践证明，在江边水利枢纽扩建治理工程中，对泵站深基坑和已建建筑物所采取的保护措施经济、合理，且实施有效，达到了设计预期效果。

2.4软淤土地基处理技术及效果

针对软淤土地基，基础处理[10]是以摩擦型钻孔灌注桩为主，水泥搅拌桩为辅。钻孔桩桩径为800～1 400 mm，桩长25～45 m;搅拌桩有600 mm和700 mm两种桩径，按桩距分有连续桩（防冲或支护桩）和均布桩（复合地基）。工程设计中，根据结构受力条件，按经济适用原则，合理确定的基础型式。实践证明，由于地质条件较差，采用钻孔灌注桩并结合土工格栅，可显著提高建筑物水平向承载能力，有效解决软土地基上高大挡土结构的侧向稳定问题。检测成果显示，桩基承载力满足结构安全要求，挡墙侧向位移在允许范围内，桩基结合土工格栅的减载效果达到了设计要求。

2.5土工格栅在软土地基上高大挡墙减载技术中的研究与应用

该扩建治理工程的上下游进出水池两侧翼墙均为高度大于15 m的大挡墙，特別是长江侧，潮起潮落，水位动态多变，落差大，且防洪高度更高，紧邻站身的挡墙自底板底部至防洪顶的总高度近18 m。而该工程地基为软淤土，抗剪强度极低，地基允许承载力仅为55～60 kPa。针对高大挡土、挡水结构主要承受水平向荷载的特点，通过对多设计方案进行比选研究，采用了钻孔灌注桩基础上的空箱扶壁式结构。该结构是利用桩基承受主要荷载，并利用空箱减轻竖向荷载。根据计算，由于墙后挡土高度大，挡墙承受水平荷载较大[11]，桩基设计桩径较大，虽然满足桩基布置需要，但是翼墙底板宽度及断面较大，很不经济。为了控制工程造价，适当减小桩基和翼墙断面尺寸，需研究水平减载处理措施。根据加筋土原理，设计引进了近几年开发利用较多的塑料土工格栅[12-13]，在墙后适当范围内分层铺设。利用格栅的拉结加强作用，大大提高了加筋土复合体的抗剪强度，使得墙后一定范围内的回填区形成了自稳定体（相当于改善土体破裂角），减小了水平向的土压力，从而节省了桩基和翼墙断面。

实践证明，土工格栅在软土地基上高大挡墙结构减载技术中的应用，不仅节省了投资，而且墙后填土质量和挡墙承载能力也得以明显提高，工程变形小。

2.6大体积混凝土结构温度裂缝防治措施

根据相关规范规定，对于类似该工程的情况，由于站身结构复杂且体量高大，属于大体积混凝土[14]，其结构内部因水化热积聚导致温度急剧升高，容易形成较大的内外温差而出现温度裂缝，需采取适当的温控和抗裂措施。为此，设计采取布管通水冷却[15-16]、配置温度钢筋[17]、采用低热水泥[18]以及掺加优质粉煤灰[19]和复合抗裂外加剂等多个措施加以控制，并结合施工方面的各种控制措施。直至完工，扩建泵站工程所有墩墙的常见裂缝发生部位均未产生裂缝。该工程在防止温度裂缝方面，通过对设计和施工两个方面进行多重有效控制，取得了理想的效果。

2.7汛期雨季、饱和软弱土深基坑、高边坡的优化

该扩建治理工程的泵站主基坑最大边坡高于15 m，属于饱和软弱土的高边坡、深基坑[4]。针对特殊不利的水文和地质条件，施工组织设计要求在冬、春季节施工。但因各种原因，实际主基坑施工期处于汛期雨季（6～9月），深基坑周边及支护体墙后地下水位较旱季有较大抬高，加上工程地质条件极差，原来按旱季较低地下水位工况下设计的基坑边坡及支护结构，显然已不能满足雨季工况下的基坑安全要求。

为了确保泵站深基坑开挖和南侧已建建筑物的安全，施工过程中，针对施工条件的实际变化，综合多方面的因素，经开展设计专题研究，提出了合理化的变更建议：调整并优化处于施工关键线路上的基坑开挖与桩基的施工程序，将主体深基坑调整为分期开挖，桩基穿插其间施工，适当抬高主基坑一期开挖面高程，减小基坑一次开挖深度，提高桩基施工面，对开挖边坡及支护体进行相应调整（见图2）。

实践证明，针对汛期雨季、饱和软弱土的特殊施工条件，对深基坑、高边坡与桩基实施的综合优化调整，缩短了工期，使工程施工更为安全、经济、合理，确保了工程进展顺利。

2.8动水环境下的非常规机泵安装技术

按泵站安装常规[20-21]，机泵安装结束后才拆坝通水，其边界条件为周边无水且通畅的绝对旱地环境。在该工程的泵站土建工程具备通水条件时，机泵尚未安装，但此时正值汛期来临，为了避免内陆洪涝灾害损失，同时，考虑到软基上高大泵房临空结构的稳定与安全以及深基坑度汛安全等因素，对该工程实施了提前拆坝通水并获得了成功。因而从中也积累了非常规安装的实践经验。

泵站通水后，站身浸泡于水中，正值夏季，相比常规条件，安装空间狭小闭塞，高温、高湿、蚊虫多，安装施工环境极其恶劣。关键是站身外河侧处于长江感潮区，潮位涨落变化，使得泵站上下游水位差发生动态变化，对站身结构形成双向动态多变水头;加上泵室排空水体后浮力的不利影响，导致站身结构重心发生动态变化，从而会对机泵安装增加难度。

在机泵安装过程中，经设计和施工各专业技术人员共同研究和探讨，决定尽量利用现有结构和潮位规律等一切可利用的条件，实施机泵非常规安装。泵站共有4台立式机组，单台设备总高度近15 m，按水下到水上的顺序，自下而上分层安装。根据站身两个块体的结构条件，采用设计预设的检修工况进行机组安装。采取分两批、两个块体各一台机组同期对称安装的方法，利用进出水流道工作闸门挡水，泵室设泵抽排水，形成封闭的旱地环境。不同于绝对旱地条件，检修工况下，由于局部排水，站身结构重心在动态水头下动态变化，而机泵轴向高度大，土建微小的变形便会影响机泵轴向和各层埋件的水平安装精度。经过反复试验摸索，机泵安装必须顺应潮位变化的规律，将高精度安装工作选择在水位差较小的相对平稳的条件下进行，并经连续多天多潮位反复调试和监测验证，各安装参数及指标精度符合要求。

2.9非常规工期控制

该工程于2014年3月开工，计划于2015年5月底前完成水下工程，水下工程工期仅有15个月。在工程实施过程中，实际具备深基坑开挖条件的时间在7～8月，且处于汛期雨季，扣除损失的工期，水下工期仅余10个月;而泵站主体自桩底至房顶总高度为80.5 m，水下主体工程施工任务艰巨，因此工期非常紧张。

为不影响既定工期目标，除了优化设计以外，在施工方面，按先主后次、先深后浅的原则，重点落实关键线路上的施工内容，合理安排施工工序，缩短工序搭接时间[22]。通过基坑分期开挖、调整桩基施工顺序和加强雨季基坑支护等施工技术措施，比如调整土方调配方案，开挖面满铺钢板，增加降排水、桩基施工设备及作业班组;混凝土中掺加抗裂及早强剂;泵房采用满堂脚手整体一次浇筑等，尽可能缩短各环节工期，克服雨季、深基坑土质差等特殊不利因素，及时完成了泵站水下主体工程，确保了整个七浦塘工程提前通水。

3工程地位及社会影响

苏州阳澄湖通江七浦塘工程是《太湖流域防洪规划》中阳澄淀泖区域治理骨干通江河道和《太湖流域水资源综合规划》中区域水资源配置工程。建成后，可增强区域引江能力和水資源调控能力，提高区域水环境容量，改善阳澄湖及区域水环境，保障阳澄湖水源地供水安全;提高阳澄淀泖区防洪除涝能力，扩大区域洪水排江能力，减轻太湖防洪压力。结合区域其他工程，阳澄淀泖区防洪除涝标准可从现状20 a一遇提高到50 a一遇。

内陆地势平缓，水位相对比较稳定，易于与阳澄湖沟通，七浦塘联通长江后，受长江潮汛影响，就需要设置控制设施，通过口门控制，在保持内部水位稳定的基础上，利用长江潮位涨落并补充引排动力，实现阳澄湖联通长江的各项综合功能。因此，七浦塘江边枢纽是阳澄湖通江的重要龙头口门，是保证阳澄湖及其内陆河道适宜水位并抵御长江洪潮的重要屏障，也是全面实现阳澄湖综合功能的最重要和最有效的控制性工程措施，可为阳澄湖供水、阳澄淀泖区域和太湖流域防洪保安发挥巨大作用，其功能作用和工程地位不言而喻。

苏州属“长三角”和“苏南”最发达地区，阳澄湖通江是苏州水利“十二五”期间的重点工程，更是惠及苏州人民百姓的民生工程[23]。项目于2012年开工，2015年赶在汛前全线通水，至年底基本建成并具备运行条件，开始发挥效益。特别是近3 a的梅雨和主汛期，均遭遇了强降雨天气，工程全线及时完工并全力投入排洪，为缓解地区严重汛情，减免洪涝灾害损失，保障地区防洪安全和在建工程度汛安全，发挥了重大的作用。建成后近3 a来，通过扩建泵站已向阳澄湖调水或换水近15亿m 3。工程调水引流和防洪减灾效益显著，正在对高度发达的苏州地区的经济社会产生积极、重大的影响。

4结 语

七浦塘工程将苏州重要水源地——阳澄湖与长江联通，其通江水利枢纽工程是阳澄湖沟通长江的重要控制口门。因其特殊的水文、地质及紧临已建枢纽和跨汛期施工等不利条件，使得该工程关键技术点多、实施难度大。通过开展设计和施工专项研究，顺利解决了所有重大关键技术问题，获得并积累了宝贵的实践经验。目前，七浦塘工程已全面完工并投入运行，工程在调水引流和防洪减灾方面正在发挥并将继续发挥巨大的作用。项目成果经苏州市社会公投，被推举为“2015苏州十大民心工程”，排名第三，取得了很高的社会地位和民众认可度，产生了广泛且良好的社会影响。

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引用本文：高兴和，陈兴奎，王飞，张旭，朱海锋.阳澄湖通江大型泵站扩建关键技术研究与实践[J].人民长江，2019，50（2）：47-52.

Research and practice on key technologies of extending large river-lake connected pumping station for Yangcheng Lake and Yangtze River

GAO Xinghe ，CHEN Xingkui 2，WANG Fei ZHANG Xu ZHU Haifeng 2

（1.Jiangsu Taihu Lake Water Resources Planning and Design Institute Co.， Ltd ， Suzhou 215128， China;2.Jiangsu Hydraulic Engineering Construction Co.， Ltd ， Yangzhou 225007， China）

Abstract： Yangcheng Lake， an important drinking water source for Suzhou， is connected to the Yangtze River by the Qiputang dredging remediation project and  Jiangbian Pumping Project. In the expanding construction of the pump station， the unfavorable construction conditions such as the hydrological regime of the tidal fluctuation of the Yangtze River， the geology of soft silt foundation， the complex structure closing to the built structure and the construction in rainy season. The main key technologies for the design and construction of the project and their effects are studied and summarized. The measures of prototype optimal selection， project layout optimization， optimal connection of hydraulic condition， soft foundation treatment， pump installation in dynamic flow etc.， ensured the quality of the project and completion on time.

Key words：soft silt soil; deep foundation pit; large river-lake connected pumping station; river-lake connected water conservancy project; Yangcheng Lake