徐惠良 劉佩華 方思久
(中國(guó)船舶工業(yè)總公司第九設(shè)計(jì)研究院)

　　陳行水庫(kù)長(zhǎng)江引水工程是上海市城市供水新開辟的第二水源工程，工藝流程如圖1。

　　陳行水庫(kù)長(zhǎng)江取水泵房位于上海市寶山區(qū)東北的長(zhǎng)江中，設(shè)計(jì)總規(guī)模為140×10⁴m³/d，分二期建設(shè)，一期土建按140×10⁴m³/d一次建成、設(shè)備安裝按40×10⁴m³/d規(guī)模設(shè)計(jì)。
　　由于泵房建于我國(guó)最大的河流長(zhǎng)江的河口段中，技術(shù)難度大；一期又要求建設(shè)周期短、投資省；作為城市供水的取水泵房還需日夜連續(xù)運(yùn)行，因而必須安全、節(jié)能。為此在設(shè)計(jì)中經(jīng)多方案反復(fù)比較，采用了多項(xiàng)新技術(shù)，不少為國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用。

1 工程概況

　　工程由兩個(gè)直徑為10.5m的蘑菇形取水頭(鋼制)、兩根直徑為2.6m的重力進(jìn)水管(鋼制)、一座內(nèi)徑和總高度都為28m的鋼筋混凝土泵房、兩根直徑1.6m和兩根直徑1.8m的虹吸出水管(鋼制)、棧橋和水庫(kù)內(nèi)消力池等六部分組成。此外在取水頭上、下游兩側(cè)各設(shè)一個(gè)安裝有航標(biāo)燈的標(biāo)志樁(鋼制)。取水泵房工程總布置見圖2。

　　泵房所在河段系長(zhǎng)江河口段，江水經(jīng)本河段向東南流入東海，平均年徑流量為9250×10⁸m³，多年平均流量為29300m³/s，水量能滿足取水要求。本河段系往復(fù)流感潮河段，每日有兩次漲落潮，平均潮位2.19m(吳淞標(biāo)高計(jì)，下同)，最高潮位6.1 m，最低潮位-0.30m。一年內(nèi)又受上游來(lái)水量影響，徑流有明顯的季節(jié)性變化，5月--10月的徑流量占年徑流量的71.7%，11月--來(lái)年4月僅占28.3%，因而夏季潮位高，冬季潮位低；枯水年份上游來(lái)水量減少，海水入侵，本河段會(huì)出現(xiàn)咸潮，一般發(fā)生在11月--來(lái)年4月。嚴(yán)重咸潮常出現(xiàn)在流量最小的2月—3月，其時(shí)水中氯離子濃度明顯超標(biāo)，其它水質(zhì)指標(biāo)均符合地面水Ⅰ、Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，尤其是致突變?cè)囼?yàn)全部為陰性。
　　陳行水庫(kù)的設(shè)計(jì)水位為：設(shè)計(jì)高水位7.25m、設(shè)計(jì)低水位0.00m、設(shè)計(jì)常水位5.50m。

2 泵房設(shè)計(jì)規(guī)模和工況

　　正確分析運(yùn)行工況是取水泵房設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。取水泵房功能除了要滿足受水水廠的原水需求外，更重要的是滿足水庫(kù)蓄淡避咸的需要。因此泵房的設(shè)計(jì)規(guī)模和工況分析必須考慮咸潮期長(zhǎng)江水中氯離子濃度的變化、水庫(kù)容積、受水水廠的需水量和長(zhǎng)江引水工程建成后的運(yùn)行方法。
　　此泵房設(shè)計(jì)最高水位按百年一遇確定，按千年一遇校核；設(shè)計(jì)枯水位的保證率取99%，咸潮期氯離子濃度≮400mg/L?的保證率取90%。
　　對(duì)陳行水庫(kù)長(zhǎng)江引水工程六種運(yùn)行方式分析，泵房設(shè)計(jì)規(guī)模主要由一個(gè)咸潮過(guò)后搶水運(yùn)行方式來(lái)確定。這種情況下，又主要取決于設(shè)計(jì)水文年氯離子變化規(guī)律、水庫(kù)容積、輸水規(guī)模、湖面蒸發(fā)和水庫(kù)滲漏水量。因此，長(zhǎng)江取水泵房的運(yùn)行工況為：
　　① 正常情況下，水庫(kù)水位為5.50m、長(zhǎng)江水位平均為2.19m、總?cè)∷繛?40.9×10⁴m³/d；
　　② 咸潮期到來(lái)前，水庫(kù)水位從5.50m升至7.25m，由于水庫(kù)單位水位差所對(duì)應(yīng)的容積隨水位增加而增加，所以水庫(kù)的平均水位為6.25m，這期間長(zhǎng)江的平均潮位要略低于年平均潮位，取2.00m，總?cè)∷繛?40.9×10⁴ +30×10⁴ =170.9×1010⁴m³/d(即考慮用約兩周時(shí)間將水庫(kù)蓄滿)；
　　③ 咸潮期水庫(kù)水位為7.25m，這期間長(zhǎng)江平均潮位要低于年平均潮位，取1.70m，總?cè)∷繛?40.9×10⁴m³/d；
　　④ 一個(gè)咸潮過(guò)后搶水運(yùn)行，按最不利的情況考慮，水庫(kù)水位為0.50～7.25m，平均為5.50m，而這期間長(zhǎng)江平均潮位更低，取1.00m，總?cè)∷恳鬄?49.55×10⁴m³/d。
　　此外，取水水泵還應(yīng)考慮在長(zhǎng)江水位處于設(shè)計(jì)最低水位0.00m、水庫(kù)水位處于最高水位7.25m，即凈揚(yáng)程最大的情況下不僅能正常運(yùn)行，而且能正常啟動(dòng)(因?yàn)楸颈梅坎捎煤缥鏊绞?。

3 取水泵選型

　　經(jīng)大量調(diào)研和比較，在國(guó)內(nèi)城市供水工程中首次采用斜流泵，它是引進(jìn)美國(guó)英格索蘭公司技術(shù)生產(chǎn)的斜流泵系列，具有單座安裝等特點(diǎn)，技術(shù)先進(jìn)，并已在電廠中使用。從整體看64KLXE—6型斜流泵效率高于其他類型泵。本工程分二期建設(shè)，一期需兩臺(tái)，一用一備，因此，以采用四臺(tái)泵的方案比較合理。泵的進(jìn)水流道尺度也是一個(gè)重要因素，它直接影響到泵房的結(jié)構(gòu)尺度，而且在圓形泵房中進(jìn)水流道還要與泵的臺(tái)數(shù)所決定的泵房尺度相匹配，64LKXE—6型泵為矩形流道，長(zhǎng)度要求6.0m。一般而言，肘形流道施工和泵的安裝檢修難度較大，經(jīng)平面布置比較，以采用四臺(tái)64KLXE—6型泵和矩形流道最適宜。
　　一期由于只需供水20×10⁴m³/d，兩臺(tái)泵即能滿足取水要求。但為滿足二期全部建成后達(dá)160×10⁴m³/d的要求，將二期擬建的兩臺(tái)泵改為64LKXE—9型，并將出水管管徑改為1.8m。改型后的運(yùn)行參數(shù)見表2。

4 泵房工藝布置

　　由于泵房建于江中，除6.3kV電源由岸上通過(guò)電纜供應(yīng)外，其余各種動(dòng)力、生產(chǎn)和生活用水都必須自備。為此，除主泵取水系統(tǒng)外，本泵房還需設(shè)置壓縮空氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)以及值班人員的生活設(shè)施等等。在陸上建這樣一個(gè)泵站，占地面積一般需1hm²左右。而本工程建造在水中，平均造價(jià)在2.5萬(wàn)元/m²以上。因此如何合理地布置，使在滿足功能要求的前提下，求得最經(jīng)濟(jì)的效果，是工藝布置的重要課題。設(shè)計(jì)采用立體布置方式，借天、借“水”，充分利用每一個(gè)可利用的空間合理布置。
4.1 泵房尺度
　　泵中心距為5.0m，布置四臺(tái)泵，泵房(+6.5m)層長(zhǎng)20m，+8.6m處設(shè)平臺(tái)和縱向走道，主泵房尺度定為26m×9m。由于泵房水下部分結(jié)構(gòu)形式采用圓形，所以將主泵房布置在圓的后半部分，在前半部分設(shè)置前池，經(jīng)計(jì)算和調(diào)整，確定最經(jīng)濟(jì)的水下結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為28.0m。
4.2 前池及配水形式
　　重力進(jìn)水管需敷設(shè)在河床底部，工程量大、造價(jià)貴，且造價(jià)與根數(shù)成正比；為取水安全，至少需要兩根，經(jīng)比較后采用兩根直徑為2.6m的重力進(jìn)水管。這兩根管與四臺(tái)水泵之間的配水是工藝設(shè)計(jì)的又一個(gè)重要課題。常規(guī)方法是采用孔洞配水方式，但其水頭損失大，所需的前池長(zhǎng)度長(zhǎng)，而且隔墻工程量很大，一般在長(zhǎng)方形的沉井結(jié)構(gòu)中結(jié)合沉井內(nèi)結(jié)構(gòu)所需的鋼筋混凝土隔墻設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的前池加底坎的配水方式，這種配水方式前池內(nèi)的水頭損失僅490Pa，比孔洞式配水可減少4.9kPa以上，一年能節(jié)電70×10⁴kW·h，而且前池內(nèi)無(wú)隔墻，減少了工程量和造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。這種配水方式與斜流泵的濕井式吸水流道銜接非常完美。設(shè)計(jì)將兩根重力進(jìn)水管的中心距和管內(nèi)流速、前池的形狀和尺度、斜流泵進(jìn)水流道的尺度、底坎的位置和高度綜合在一起考慮，經(jīng)反復(fù)試算，確定前池為梯形，長(zhǎng)10.6m，前部寬14.0m，后部寬18.8m；重力進(jìn)水管中心距8.4m；底坎中心線長(zhǎng)16.8m，底坎高1.0m，坎前池底比坎后加深0.3m，坎中心離前池前壁2.5m。經(jīng)水力模型試驗(yàn)，證明設(shè)計(jì)計(jì)算正確，在低水位四臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，前池內(nèi)水流仍較平穩(wěn)。二期投產(chǎn)后四臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)前池水流很平穩(wěn)。
4.3 豎向布置
　　前池底標(biāo)高取決于設(shè)計(jì)最低水位、水泵最小淹沒深度和水泵吸水喇叭口離池底的距離。據(jù)有關(guān)規(guī)范，喇叭口離池底的距離為喇叭口直徑的0.5倍。經(jīng)河海大學(xué)水力模型試驗(yàn)表明，0.5倍該直徑時(shí)水泵效率比0.3倍時(shí)提高6.27%～8.32%，不僅每年節(jié)電196×10⁴ kW·h，而且能增加20×10⁴m³/d的水量。設(shè)計(jì)長(zhǎng)江最低潮位取0.00m，水泵最小淹沒深度1.45m，經(jīng)水力計(jì)算前池底標(biāo)高取-4.70m。
　　長(zhǎng)江最高潮位為+6.10m，考慮風(fēng)浪等因素，結(jié)構(gòu)層頂面即泵房室外地坪面標(biāo)高定為+8.50m；主泵房?jī)?nèi)泵層即電機(jī)層標(biāo)高為+6.50m，平臺(tái)面標(biāo)高為+8.60m。主泵房軌頂標(biāo)高+19.50m，屋頂標(biāo)高+23.40m。
4.4 平面布置
　　為了在有限的泵房?jī)?nèi)布置上述諸多系統(tǒng)的設(shè)備，利用前池壁與圓形井壁之間兩個(gè)半月形空間設(shè)置了-2.0m、+2.0m和+5.5m三層輔助用房，分別布置了循環(huán)冷卻水泵、循環(huán)冷卻水池、取(長(zhǎng)江水)樣泵、自用水取水泵和吸水井、二級(jí)泵和清水池、反沖洗水泵、工具間等，充分利用了+8.50m以下的所有空間。+8.50m結(jié)構(gòu)層向外挑出3m，一則防風(fēng)浪，不讓風(fēng)浪拍打到+8.50m平面上；二則增加上部的使用面積。在主泵房的東側(cè)，底層(+8.50m)布置了供生產(chǎn)和生活用水的凈水間、污水處理間，二層布置水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)間；在南側(cè)布置了二層電氣用房和總控制室。兩側(cè)雖都為二層，但同層面的標(biāo)高均按使用要求設(shè)置，不在同一標(biāo)高上，相互之間用樓梯、走道、踏步相連，使之結(jié)合成為一體。

5 虹吸出水管

　　考慮泵房運(yùn)行操作維修的方便和安全，同時(shí)也受泵房?jī)?nèi)空間的限制，取水泵的出水管采用虹吸出水形式。這不僅不增加泵房尺度，節(jié)約工程造價(jià)，還節(jié)省了大閥門的費(fèi)用，節(jié)省電能。由于泵房中心離水庫(kù)外堤中心線為80m，外堤的底寬又大，因此虹吸出水管的投影長(zhǎng)度達(dá)122m。駝峰位置有兩個(gè)方案：①設(shè)在泵房一端；②設(shè)在水庫(kù)內(nèi)出水管的末端。后者在技術(shù)上比較成熟，但需要在水庫(kù)內(nèi)筑操作平臺(tái)和引橋，開、停泵時(shí)操作人員需往返200m以上，遇到緊急情況或惡劣天氣，非但不便，而且很不安全。因此將駝峰設(shè)在泵房一側(cè)，駝峰頂距泵房中心為23m，但這樣做，在駝峰后有近100 m長(zhǎng)的平段。考慮安裝和維修方便及平段穿壩體段盡可能短，平段管中心確定為+5.50m，這樣平段又將駝峰的下降段分成兩段，即駝峰下降段和出口下降段。這種虹吸出水管形式國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例，技術(shù)上難度大。當(dāng)水庫(kù)水位低于平段管頂標(biāo)高而又高于出口管頂標(biāo)高時(shí)，整個(gè)駝峰段和平段內(nèi)有大量空氣。這時(shí)如啟動(dòng)水泵，駝峰前上升段內(nèi)的空氣可以從設(shè)置在駝峰頂部的真空破壞閥排除，但駝峰后下降段和平段內(nèi)的空氣能否迅速排除是一個(gè)難題，也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)分析，設(shè)計(jì)在平段末端加設(shè)了一個(gè)排氣管，并預(yù)留了備接排氣閥門的法蘭接口。經(jīng)河海大學(xué)水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證，平段末端若不設(shè)排氣管，虹吸形成時(shí)間達(dá)5min，啟動(dòng)揚(yáng)程高達(dá)141.2kPa，而且虹吸形成后出口段不斷有空氣泡帶出；若在平段末端設(shè)置排氣管，則虹吸形成時(shí)間縮短到2min以內(nèi)，啟動(dòng)揚(yáng)程也降到113.0kPa。這證明在平段末端設(shè)置排氣設(shè)施十分有效和十分必要。建成投產(chǎn)后，實(shí)際上水泵啟動(dòng)后20s內(nèi)駝峰頂部先排氣，一般在20s后平段末端排氣，總計(jì)不到1min可形成虹吸，完全達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

6 泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 格形鋼板樁結(jié)構(gòu)
　　該結(jié)構(gòu)的鋼板樁深度是根據(jù)防止灌涌、土體隆起確定的，為-18.0m，而挖土深度取決于泵房底標(biāo)高，僅需挖至-6.4m，也就是說(shuō)格形鋼板樁結(jié)構(gòu)比沉井可少挖深11.6m，相應(yīng)也少回填11.6m，這部分的工程費(fèi)用可省450萬(wàn)元。格形由164塊PU16型拉森鋼板樁拼合成直徑31.32m的格形結(jié)構(gòu)，鋼板樁長(zhǎng)度23.5m，鋼板樁頂標(biāo)高+5.50m，底標(biāo)高-18.00m，打入第三層灰褐色亞粘土。本工程的格形鋼板樁用作泵房結(jié)構(gòu)，格體內(nèi)不回填料，而是要挖深后創(chuàng)造施工條件，格體結(jié)構(gòu)既是受壓，又要能止水，所以不宜采用板形鋼板樁，而必須采用有圍令支撐的槽形鋼板樁。
6.2 格體內(nèi)鋼圍令
　　設(shè)計(jì)根據(jù)波浪力、海流力、風(fēng)力、格體內(nèi)外的水位差和泥面差，滿足鋼板樁和鋼圍令的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及格體的整體穩(wěn)定，上下設(shè)置五道圍令，各道鋼圍令隨著格體內(nèi)抽水、挖泥深度自上而下逆作法安裝。
　　鋼板樁按上下圍令的布置，計(jì)算在外力作用下，控制鋼板樁的應(yīng)力不超過(guò)210MPa，鋼圍令由于是受壓結(jié)構(gòu)，所以主要控制穩(wěn)定性。根據(jù)資料，圍令的直徑和圍令高度之比不大于35∶1，本設(shè)計(jì)采用25∶1(31.32∶1.25)。
6.3 泵房基礎(chǔ)
　　為避免和減少泵房的沉降，泵房基礎(chǔ)采用樁基，設(shè)計(jì)結(jié)合施工平臺(tái)樁，在泵房范圍內(nèi)設(shè)置了37根直徑為600mm的鋼管樁。由于采用樁基，泵房在施工期間總的沉降量不超過(guò)1cm，11個(gè)月后土壤固結(jié)，沉降基本停止。
6.4 泵房壁和底板
　　泵房鋼筋混凝土底板厚度1.7m，外壁厚度1.5m。內(nèi)部隔墻根據(jù)工藝要求布置，厚度1.0～1.2m。底板、壁、內(nèi)隔墻為整體結(jié)構(gòu)。+8.50m以上建筑的鋼筋混凝土框架也與泵房結(jié)構(gòu)形成整體。

7 結(jié)論

　　陳行水庫(kù)長(zhǎng)江取水泵房施工、安裝周期僅17個(gè)月，其設(shè)計(jì)采用的先進(jìn)技術(shù)和方案是順利施工和投產(chǎn)的決定因素。投產(chǎn)后5年多來(lái)，泵房結(jié)構(gòu)沉降僅1cm，四臺(tái)泵一直正常運(yùn)行。1996年2月—3月長(zhǎng)江出現(xiàn)較嚴(yán)重的咸潮，長(zhǎng)江取水泵房完全滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行，以長(zhǎng)江水為水源的水廠出水水質(zhì)優(yōu)良，長(zhǎng)江水源的優(yōu)越性越來(lái)越明顯，因此陳行水庫(kù)長(zhǎng)江取水泵房工程的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益十分明顯，也為大江河口地區(qū)城市取水積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

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　　(收稿日期 1998-11-23)