临汾市龙子祠泉东泉全封闭保护工程探析

贾俊杰

（临汾市汾西灌区水利服务中心，山西 临汾 041000）

1 区域概况

龙子祠泉源位于临汾市城区西南13km的吕梁山系姑射山山麓，金殿镇龙子祠村西南，属山西省岩溶大泉。龙子祠泉源所在区域为临汾凹陷带，来自吕梁山区的洪水堆积作用，在盆地西部吕梁山东麓的各条沟谷出口形成了规模不等的洪积扇沿山麓依次排列，各洪积扇间有涧河将其分隔。龙子祠泉以散泉形式，出露于临汾盆地西缘的吕梁山前第四纪砂砾石层中，泉群出露面积0.2km2，出露标高478～465m。龙子祠泉多年平均流量4.028m3/s，年径流量12702万m3。出水集中的有北泉、南泉、东泉三个泉，其中东泉是龙子祠泉的主要出水区，出水量占总出水量的30%。

2 东泉保护工程的问题与对策

2.1 工程存在问题

一是北泉、南泉均有隔离防护措施，东泉周边为栏杆格挡，泉边树木的树叶、树上鸟的鸟粪等都会落入泉中，污染泉水；二是现状309国道在东泉的西北部通过，国道上拉煤的载重大卡车川流不息，煤粉乱飞，黑土飞扬，使泉域上空的空气受到污染，间接影响东泉水源质量；三是南侧晋掌村、北边龙子祠村居民生活产生的烟尘等致使东泉范围内的大气受到污染，同时污染出露泉水的水质。

2.2 保护理念

根据泉域自然条件和周边村落环境，以加强饮用水水源地保护为核心进行保护。为减少环境污染，拟在水源保护区内对东泉上部空间实施封闭工程，封闭水源面积约2510m2。

工程应体现龙子祠丰厚的历史文化和优美的神话传说，使建筑体量、建筑处理手法与场地自然地貌有机结合，让建筑作为一种元素嵌入并植根于自然环境之中。引进简约的现代建筑风格立面，在满足各项功能的基础上力求创新。

2.3 保护方案

（1）封闭保护形式选择。东泉位于南泉西侧的大院内，其出水流量约占龙子祠泉的30%，加上南泉和北泉的来水，水量在40%以上，是龙子祠泉源重要组成部分，考虑309国道、学校、居民及池周围树木对东泉水质的污染，采用全封闭保护方式。

（2）平面布置。东泉院内西南角，有合欢树1株、柳树1株、法国梧桐13株，呈“L”型布置。东泉出水量大，无法在池内打桩基、钻孔，且施工排水任务大；打桩机有可能影响东泉以后出水量；其形状不规则，跨度变化大，难以布置，故采用单跨钢桁架玻璃幕墙结构。

（3）建筑结构形式。拟采用管桁架结构，钢管结构的优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地整合在一起。

3 主体工程设计

3.1 主体工程结构

根据东泉现状情况，全封闭保护工程采用管式钢桁架结构，为12榀桁架呈弧形，四周及顶部均为夹胶钢化玻璃，封闭结构长66.00m，跨度3.6～54m，最大层高8.1m，封闭面积2836.2m2，12榀管桁架结构情况见表1。

表1 管桁架结构情况表

3.2 地基基础方案（钻孔灌注桩）

（1）地基土构成及岩性分布特征。第一层杂填土，主要成分为砂砾石、碎石等，含有少量粉土、砖块，成分不均匀，结构疏松。第二层砾石，主要成分为砂岩、灰岩等，含有少量粉土，偶见卵石。第三层卵石，主要为石灰岩等，充填物主要为粉土及少许粗砾砂，偶见漂石成分，轻微风化。第四层粗砾砂，主要成分为石英、长石、砂岩、灰岩等，偶可见卵石。第五层卵石，卵石成分为灰岩、砂岩等，中等风化，粒径一般为3.0～15.0cm，最大约为20cm，含量约为58～62%可见漂石。

（2）此次稳定水位埋深约为2.0～3.0m，场地的地下水类型为孔隙潜水，主要由大气降水和侧向径流补给。水位变化受季节性影响较大，潜水水位变化幅度约0.5m左右，勘察期间为枯水期。地下水流向自西向东，向汾河方向排泄。

场地内各层地基土承载力fak特征值：砾石170kPa；卵石250kPa；粗砾砂200kPa；卵石300kPa。

（3）根据本次勘察揭露地层情况，钻孔灌注桩具有较强克服地层阻碍能力，施工时对周围环境影响相对较小，可采用钻孔灌注桩。但钻孔灌注桩经常出现的问题，是泥浆护壁造成的孔底沉渣，影响桩端承压力的发挥，所以浇注前应清底、检查，达到规范要求后，方可进行混凝土浇注。

4 受力计算

4.1 桩基承载力计算

采用钻孔灌注桩，本次桩径按直径1.3m，单桩竖向承载力极限值计算。初步设计计算时，钻孔灌注桩的极限侧阻力及极限端阻力建议采用表2数值。

表2 极限侧阻力及极限端阻力参数表

机械洛阳铲与人工配合成孔灌注桩，单桩竖向极限承载力Quk标准值计算公式：

经计算，单桩竖向极限承载力标准值Quk为4950.21kN，实际承载力应经试验复核后确定。

4.2 有关标准及计算

（1）风压、雪压取值。参照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），本次设计取50年一遇基本风压Wo为0.40kN/m2；50年一遇基本雪压So为0.25kN/m2。

（2）地震加速度。参照《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2011），本工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第二组。

（3）本次钢结构封闭工程，根据设防分类、烈度和房屋高度，依据相应抗震等级，结合以上计算和构造措施要求。根据丙类建筑的抗震等级要求，本工程抗震等级为二级。

（4）参照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），本工程楼（屋）面，为不上人的屋面，荷载值为0.5kN/m2。

4.3 计算成果

利用中国建筑科学研究院编制的PKPM软件（V2.2版）盈建科计算软件，根据钢桁架结构布置情况，对各跨度管桁架进行计算，计算结果见表3。

表3 钢桁架结构计算成果表

5 施工技术难点

5.1 技术难点

东泉全封闭防护工程，为钢桁架玻璃幕墙型式，最大水平跨度54m，下层为东泉水面，跨度之大为当地同类型水利工程之首，钢结构上部铺装夹胶钢化玻璃，各项技术指标要求极高，受场地限制，大型机械设备无法进入施工现场，施工难度很大。

（1）基础工程。基础采用直径1300mm混凝土灌注桩作为支撑，由于在水源地内施工，地下水位高，地表以下1m即见水，稍有不慎将会造成塌孔，施工难度非常高。

（2）钢结构工程。东泉水池最大水平跨度54m，弧形弯曲长度达70m，距水面最大高度8.1m，最大单榀重量超过20t，从材料的选择、焊接到安装难度都极大。

（3）玻璃封闭工程。玻璃尺寸多数单块为2.0m×1.2m，面积2.4m2，材料为6mm+0.76mm+6mm夹胶钢化玻璃，自重很大，且由于东泉池面为不规则形状，部分玻璃为异形尺寸，加工难度大，玻璃封闭从加工到安装难度都非常大。

（4）场地限制。龙子祠泉之东泉的水池，位于龙祠村内，道路狭窄，交通受限，且周边建筑物居多，大型机械设备无法进入施工现场，给工程施工带来很大的难度。

5.2 解决方案

针对工程中的众多施工重大技术难题，经多次现场考察、研究，最终确定以下施工方案：

（1）基础工程施工技术。基础采用直径1300mm混凝土灌注桩，钻孔24个累计深度194.96m，平均孔深8.12m，最大孔深9.8m。针对地下水位过高且为流动水的情况，钻孔采用冲击钻方式，对孔壁进行挤压加强土体密度，护壁采用加长钢护筒防止塌孔。

（2）钢结构工程施工技术。首先从选材上入手，因结构跨度大，要求原材料、构配件必须有足够的强度，钢结构纵向12品钢桁架，采用直径456mm×18、直径426mm×18、直径299mm×16三种型号钢管，重量86.42t，钢结构框架横向檩条，采用200mm×150mm×5mm，120mm×80mm×5mm两种规格的镀锌方管，重量84.01t，整个钢支撑结构及附件总重210.5t。

由于材料型号特殊，本地市场无此规格原料，需进行特殊定制加工，并根据每榀桁架不同的弯曲角度进行冷压弯曲加工，确保原材料质量。现场焊接采用国内先进的二保焊技术，该工艺适用于低碳钢和低合金高强度钢等各种大型钢结构工程焊接，其抗裂性能好，焊接变形小，适应变形范围大，可进行薄板件及中厚板件焊接。

（3）玻璃封闭工程施工。顶层玻璃由于单块面积较大，为了保证质量采用6mm+0.76mm+6mm型号的夹胶钢化玻璃，制安面积3110.68m2，用胶条塞缝，并注密封胶。由于玻璃层长期暴晒于阳光下，风吹雨淋，为了确保密封条的使用寿命，胶条密封采用两种材料，下层为结构胶，上层为耐厚胶，以保证玻璃层的工程质量。

（4）场地限制解决方案。东泉封闭工程中跨度大、材料重、场地小，大型机械设备无法进入施工现场。为解决此问题，施工中采用160t和25t吊车各1台配合作业。160t吊车用于12品钢桁架的起吊，25t吊车主要用于钢构件在现场内的拼装对接、大型钢桁架起吊时辅助作用、钢檩条和钢化玻璃的吊装。

6 工程效益

以上工程施工方法，确保了工程的施工质量。工程完成验收后，至今运行情况良好，有效防止了扬尘污染，改善了水源地城市饮用水的水质；泉域生态得到明显改善，水土流失得到控制，有效保证了临汾市城市饮用水的安全，社会效益显著。