近岸浅滩区电厂取水口干施工技术研究

王著桥

摘要：燃煤电厂取水口一般位于水中，常采用水上开挖基槽、处理基础、陆上预制水上安装取水头及取水管线的工艺，存在施工难度大、工期长、费用高等缺点。本文依托某浅滩区燃煤电厂取水口工程，研究采用深井降水、陆挖基槽及处理基础、现浇取水头的干施工工艺，取得了良好效果，拓展了类似电厂取水口项目施工思路，积累了相关施工经验，以供参考。

关键词：取水口；施工；技术

燃煤电厂取水口一般由取水前池、取水头及取水管线等组成，功能为从河流、海洋中抽取电厂冷却用水，结构位置多位于水下，船舶水上施工存在难度大、周期长、安全风险高及质量管控难等问题。本文依托某位于近岸浅滩区的燃煤电厂取水口工程，通过研究计算，采用建造围堰、深井降水等措施创造干施工条件，取得了良好效果。

一、项目简介

某燃煤电厂配套取水口位于电厂装卸码头平台西南侧河道内，主要施工内容包括过渡前池与引水明渠、护坡、钢筋混凝土取水头、挡砂围堰及护岸等。

取水口过渡前池为漏斗形，池顶口112m×93m，池底51.5m×23.4m，池底标高－8.0～－6.65m，四面放坡，池底及池内边坡铺设土工布、碎石垫层并采用混凝土护面。过渡前池与河道通过引水明渠连通，引水明渠底宽10m、两侧放坡，坡面结构形式与过渡前池相同。取水头共两座，单座9m×4.7m×10.91m，重430t，每个取水头后方接2根直径1080mm取水钢管，接入后方电厂内取水泵房。

二、工艺研究

该取水口施工区域低潮时大部分区域可露出水面，高潮时基本被淹没（水深1.5～2.0m），施工水域临近的河道狭窄，常规水上作业船舶施工空间受限、基坑开挖难度大、质量不易控制、施工安全风险高，考虑取水口所处环境的特点，创造条件采用干施工工艺可有效避免上述问题。为验证干施工可行性，可以分析和研究地质情况、降水方案、放坡坡比及开挖方法。

（一）地质情况分析

根据地勘报告，取水口施工深度范围内表层为3～4m厚的贫黏土（底标高－2～－1），标贯击数2～4击，中压缩性，中等强度。下层为13～14m厚的贫黏土（底标高－16～－2），夹粉土质砂薄层，其中7～17m深度范围内（底标高－15～－5）贫黏土与粉土质砂呈互层状，层厚0.5～3cm，高压缩性、低强度。标贯击由上至下逐渐增大（2～12击），土质含水率37%，渗透系数表层5×10－6cm/s，下层1.5×10－5cm/s，无侧限抗压强度32kPa。土质渗透系数低，透水性较差，有利于通过降水创造干施工环境。

（二）降水方案分析

取水口干施工期间，基坑内需持续降水，保持水位低于坑底1～2m。该工程取水前池紧邻河道，河道水位变化对降水的影响不好确定，要通过试验观察水位及渗透性变化情况。为此，在取水前池靠近河侧坡顶中部位置设试验井，采用旋挖钻机成孔，井孔径0.6m，深约20m（达到两倍基坑开挖深度），孔内埋入钢筋骨架包裹钢丝网、土工布制作的井身，骨架与孔壁间空隙填筑中粗砂砾，井内设水泵将水位降至孔底附近，开展为期一周的试验，试验期间专人定期记录井内水位的变化情况。

观测结果显示，试验期间井内水位基本呈现缓慢、匀速上涨，未因河道水头压力及水位变化影响产生明显变化，河道水位对开挖基坑内水位不会产生较大影响。

（三）边坡稳定计算

施工方根据地质资料、现场环境条件对边坡坡比进行了初步计算并提交设计单位复核确认，考虑地下水位影响以及施工期间坡顶荷载，计算结果显示1：3.5边坡坡比较稳定，满足基坑整体放坡开挖施工需求，计算概况如下：

采用圆弧分析法进行边坡稳定性计算，该计算方法为循环重复计算，计算过程基本相似，本文只列计算公式及计算结果，对计算过程不再重复说明。

根据计算模型，假定边坡滑动面为圆柱体，滑动土体为不变形的刚性结构，土体分条两侧作用力不考虑。

1.计算参数

（1）分条方式：瑞典分条法。

（2）分条数量：50条。

（3）地下水影响：不考虑。

（4）边坡相关指标值

（5）荷载相关指标值

（6）土层相关指标值

2.计算理论

根据边坡极限稳定平衡原理，均匀土质的边坡如失稳，其滑动面将呈现接近圆弧形的曲面，因此可将滑动面计算模型近似为按圆弧形考虑。在垂直方向上，边坡土划分成条状，任意从条状土中提取第j条，不考虑土条侧面作用力，则该第j条土包括第j条土自身重量、第j条土所受法向反作用力以及第j条土所受切向阻力作用力。

计算过程中，要考虑一定的安全系数，安全系数=极限抗滑力矩/滑动力矩，根据相关规范，安全系数取值应不小于1.3。

3.计算式

Ks=∑{mjnj+[（λl1j+λl2j）dj+pdj]cosθjtanδj}/∑[（λl1j+λl2j）dj+pdj]sinθj

式中：

Ks－边坡稳定性安全系数；

mj－土粘聚力；

nj－第j条土圆弧长度；

λ－土重度；

θj－第j条土法线与垂线夹角；

δj－土内摩擦角；

dj－第j条土宽；

lj－第j条土平均高；

l1j－第j条土水位以上高；

l2j－第j条土水位以下高；

λ－第j条土平均重度的浮重度；

p－第j条土条均布荷载；

H－计算土坡总高度。

根据几何图形计算求解lj：

lj=（e2－[（j－0.5）×dj－d0]2）1/2－[e+d0－（j－0.5）×dj]tanφ

式中：

e－土坡滑动圆弧半径；

d0－坡角距圆心垂线与坡角地坪线交点长度；

φ－土坡与水平面夹角；

l1j计算式：

l1j=lw－{（e－lj/cosθj）×cosθj －[esin（ω+φ）－H]}

当l1j≥lj时，取l1j=lj；

当l1j≤0时，取l1j=0；

l2j计算式：

l2j=lj－l1j；

lw－土坡外地下水位深度；

lj计算式：

lj={arccos[（（j－1）×bj－d0）/e]－arccos[（j×dj－d0）/e]×2×e×π}/360

θj=90－arccos{[（j－0.5）×dj－d0]/e}

4.计算安全系数

将数据各参数代入上面的公式，通过循环计算，求得最小的安全系数Fs：

计算步数 安全系数 滑裂角/° 圆心X/m 圆心Y/m 半径R/m

1 1.675 33.279 8.363 10.595 13.498

2 1.442 26.106 20.555 19.499 28.332

计算结果：

第一步：开挖内部整体稳定性安全系数Ks=1.675>1.3符合要求。 [标高 －5.15m]

第二步：开挖内部整体稳定性安全系数Ks=1.442>1.3符合要求。 [标高 －10.30m]

（四）取水前池开挖

根据现场情况分析，该工程施工范围不大（100×80m），基坑平面上拟采用全断面倒退开挖方式，纵向上根据挖掘设备特性放坡、分层开挖，每个作业面配两台挖掘设备接力开挖、倒运土方，自卸车外运弃土。基坑开挖过程中，各井点降水井需持续采用水泵降水并观测水位，保持地下水位始终位于开挖面以下1～2m。

（五）取水头及边坡防护

该工程取水头共2座，单座重430t，例如，采用预制安装工艺需配大吨位起重设备，安全风险大、施工成本高，因基坑内降水后具备干施工条件，经研究取水头拟采取现浇工艺，在取水头外围搭设双排脚手架施工平台，内芯设满堂脚手架作为支撑，纵向分层施工，泵车浇筑混凝土。边坡防护采用人力可搬运的小型预制方块，可以节省设备费用并提高边坡表观质量。

三、施工过程简介

（一）清表及围堰建设

基坑开挖前采用挖掘机清理表层植被。场地原始地面标高约+1.8～+2.3m，高潮时部分区域被河水淹没，为避免河道水倒灌，沿河道一侧采用黏土修筑U型临时围堰，围堰顶标高+3.5m，与后方陆域在+3.5m标高附近连接。

施工区域后方有一道宽3～4m防洪坝，可兼作进场主通道。为满足整体倒退开挖施工要求，开挖区内顶面整体铺设一层1m厚砂层，作为开挖工作面兼做施工道路，行车路线上铺设钢板以提高承载力。

（二）降水井施工

降水井深度经前述计算需18m。根据经验，降水期间井底会有一定回淤情况，水泵通过绳索悬挂放置在距离井底2m左右位置，为确保降水深度，降水井深度定为20m，低于开挖底标高9.5m。

降水井沿开挖区河侧边线布置，距坡肩2m，井间距6m，共布置17座。开挖区中间位置增加1座。相邻的井内安装φ50硬塑料水管，井内安设潜水泵，自动控制五分钟间隔开启一次，抽干后自动关闭。

（三）基坑开挖及修坡

基坑平面上采用从一端开始整断面倒退开挖方式，纵向采用2台挖掘机配合接力施工，一台短臂挖掘机开挖上层约3m厚土层，首层开挖控制避免挖到软弱土层，一层平台形成后，铺设钢板，一台长臂挖掘机在平台开挖下层至设计标高兼顾修坡，开挖土方直接堆放到后方，用短臂挖掘机装车运走。开挖点后方设置环形路线，进场、出场车辆单向行驶，重车、空车分开，避免相互影响。

开挖期间，降水井内水泵保持24h工作状态，专人负责监控水泵工作情况及井内水位变化情况。实际施工时，取水前池基坑内水位控制较好，未出现积水、水位上涨情况，基坑降水达到预计效果。边坡基本稳定，开挖过程较为顺利。

（四）现浇取水头

取水头采用在槽底铺设一层碎石垫层+浇筑15cm素混凝土垫层作为施工平台，平台四周开挖水沟。取水头外围搭设双排脚手架施工平台，内侧满堂脚手架支撑，做施工平台+顶板支撑。取水头高10.91m，分四层施工，每层高度约3.5m，人工支模，泵车浇筑混凝土。

（五）基坑监测

施工过程中在基坑顶部四周布设了沉降位移观测点，基坑开挖过程中每天观测一次，数据显示沉降位移均在可控范围内，基坑边坡稳定。

（六）验收及放水

取水前池内施工完成后对取水头、管线连接情况、护坡进行验收，符合进水条件后放水，完成前池内施工。

参考文献：

[1]JTS257－2008 水运工程质量检验标准[S].交通运输部，2008.

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