徐惠良 劉佩華 方思久
(中國船舶工業(yè)總公司第九設計研究院)

　　陳行水庫長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。

　　陳行水庫長江取水泵房位于上海市寶山區(qū)東北的長江中，設計總規(guī)模為140×10⁴m³/d，分二期建設，一期土建按140×10⁴m³/d一次建成、設備安裝按40×10⁴m³/d規(guī)模設計。
　　由于泵房建于我國最大的河流長江的河口段中，技術難度大；一期又要求建設周期短、投資省；作為城市供水的取水泵房還需日夜連續(xù)運行，因而必須安全、節(jié)能。為此在設計中經多方案反復比較，采用了多項新技術，不少為國內首次應用。

1 工程概況

　　工程由兩個直徑為10.5m的蘑菇形取水頭(鋼制)、兩根直徑為2.6m的重力進水管(鋼制)、一座內徑和總高度都為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)、棧橋和水庫內消力池等六部分組成。此外在取水頭上、下游兩側各設一個安裝有航標燈的標志樁(鋼制)。取水泵房工程總布置見圖2。

　　泵房所在河段系長江河口段，江水經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。本河段系往復流感潮河段，每日有兩次漲落潮，平均潮位2.19m(吳淞標高計，下同)，最高潮位6.1 m，最低潮位-0.30m。一年內又受上游來水量影響，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；枯水年份上游來水量減少，海水入侵，本河段會出現(xiàn)咸潮，一般發(fā)生在11月--來年4月。嚴重咸潮常出現(xiàn)在流量最小的2月—3月，其時水中氯離子濃度明顯超標，其它水質指標均符合地面水Ⅰ、Ⅱ類標準，尤其是致突變試驗全部為陰性。
　　陳行水庫的設計水位為：設計高水位7.25m、設計低水位0.00m、設計常水位5.50m。

2 泵房設計規(guī)模和工況

　　正確分析運行工況是取水泵房設計的關鍵。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蓄淡避咸的需要。因此泵房的設計規(guī)模和工況分析必須考慮咸潮期長江水中氯離子濃度的變化、水庫容積、受水水廠的需水量和長江引水工程建成后的運行方法。
　　此泵房設計最高水位按百年一遇確定，按千年一遇校核；設計枯水位的保證率取99%，咸潮期氯離子濃度≮400mg/L?的保證率取90%。
　　對陳行水庫長江引水工程六種運行方式分析，泵房設計規(guī)模主要由一個咸潮過后搶水運行方式來確定。這種情況下，又主要取決于設計水文年氯離子變化規(guī)律、水庫容積、輸水規(guī)模、湖面蒸發(fā)和水庫滲漏水量。因此，長江取水泵房的運行工況為：
　?、?正常情況下，水庫水位為5.50m、長江水位平均為2.19m、總取水量為140.9×10⁴m³/d；
　?、?咸潮期到來前，水庫水位從5.50m升至7.25m，由于水庫單位水位差所對應的容積隨水位增加而增加，所以水庫的平均水位為6.25m，這期間長江的平均潮位要略低于年平均潮位，取2.00m，總取水量為140.9×10⁴ +30×10⁴ =170.9×1010⁴m³/d(即考慮用約兩周時間將水庫蓄滿)；
　?、?咸潮期水庫水位為7.25m，這期間長江平均潮位要低于年平均潮位，取1.70m，總取水量為140.9×10⁴m³/d；
　?、?一個咸潮過后搶水運行，按最不利的情況考慮，水庫水位為0.50～7.25m，平均為5.50m，而這期間長江平均潮位更低，取1.00m，總取水量要求為249.55×10⁴m³/d。
　　此外，取水水泵還應考慮在長江水位處于設計最低水位0.00m、水庫水位處于最高水位7.25m，即凈揚程最大的情況下不僅能正常運行，而且能正常啟動(因為本泵房采用虹吸出水方式)。

3 取水泵選型

　　經大量調研和比較，在國內城市供水工程中首次采用斜流泵，它是引進美國英格索蘭公司技術生產的斜流泵系列，具有單座安裝等特點，技術先進，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，一期需兩臺，一用一備，因此，以采用四臺泵的方案比較合理。泵的進水流道尺度也是一個重要因素，它直接影響到泵房的結構尺度，而且在圓形泵房中進水流道還要與泵的臺數(shù)所決定的泵房尺度相匹配，64LKXE—6型泵為矩形流道，長度要求6.0m。一般而言，肘形流道施工和泵的安裝檢修難度較大，經平面布置比較，以采用四臺64KLXE—6型泵和矩形流道最適宜。
　　一期由于只需供水20×10⁴m³/d，兩臺泵即能滿足取水要求。但為滿足二期全部建成后達160×10⁴m³/d的要求，將二期擬建的兩臺泵改為64LKXE—9型，并將出水管管徑改為1.8m。改型后的運行參數(shù)見表2。

4 泵房工藝布置

　　由于泵房建于江中，除6.3kV電源由岸上通過電纜供應外，其余各種動力、生產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)、水質監(jiān)測系統(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施等等。在陸上建這樣一個泵站，占地面積一般需1hm²左右。而本工程建造在水中，平均造價在2.5萬元/m²以上。因此如何合理地布置，使在滿足功能要求的前提下，求得最經濟的效果，是工藝布置的重要課題。設計采用立體布置方式，借天、借“水”，充分利用每一個可利用的空間合理布置。
4.1 泵房尺度
　　泵中心距為5.0m，布置四臺泵，泵房(+6.5m)層長20m，+8.6m處設平臺和縱向走道，主泵房尺度定為26m×9m。由于泵房水下部分結構形式采用圓形，所以將主泵房布置在圓的后半部分，在前半部分設置前池，經計算和調整，確定最經濟的水下結構內徑為28.0m。
4.2 前池及配水形式
　　重力進水管需敷設在河床底部，工程量大、造價貴，且造價與根數(shù)成正比；為取水安全，至少需要兩根，經比較后采用兩根直徑為2.6m的重力進水管。這兩根管與四臺水泵之間的配水是工藝設計的又一個重要課題。常規(guī)方法是采用孔洞配水方式，但其水頭損失大，所需的前池長度長，而且隔墻工程量很大，一般在長方形的沉井結構中結合沉井內結構所需的鋼筋混凝土隔墻設計。本設計采用先進的前池加底坎的配水方式，這種配水方式前池內的水頭損失僅490Pa，比孔洞式配水可減少4.9kPa以上，一年能節(jié)電70×10⁴kW·h，而且前池內無隔墻，減少了工程量和造價，經濟效益十分顯著。這種配水方式與斜流泵的濕井式吸水流道銜接非常完美。設計將兩根重力進水管的中心距和管內流速、前池的形狀和尺度、斜流泵進水流道的尺度、底坎的位置和高度綜合在一起考慮，經反復試算，確定前池為梯形，長10.6m，前部寬14.0m，后部寬18.8m；重力進水管中心距8.4m；底坎中心線長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。經水力模型試驗，證明設計計算正確，在低水位四臺泵同時運行時，前池內水流仍較平穩(wěn)。二期投產后四臺泵同時運行時前池水流很平穩(wěn)。
4.3 豎向布置
　　前池底標高取決于設計最低水位、水泵最小淹沒深度和水泵吸水喇叭口離池底的距離。據(jù)有關規(guī)范，喇叭口離池底的距離為喇叭口直徑的0.5倍。經河海大學水力模型試驗表明，0.5倍該直徑時水泵效率比0.3倍時提高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。設計長江最低潮位取0.00m，水泵最小淹沒深度1.45m，經水力計算前池底標高取-4.70m。
　　長江最高潮位為+6.10m，考慮風浪等因素，結構層頂面即泵房室外地坪面標高定為+8.50m；主泵房內泵層即電機層標高為+6.50m，平臺面標高為+8.60m。主泵房軌頂標高+19.50m，屋頂標高+23.40m。
4.4 平面布置
　　為了在有限的泵房內布置上述諸多系統(tǒng)的設備，利用前池壁與圓形井壁之間兩個半月形空間設置了-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(長江水)樣泵、自用水取水泵和吸水井、二級泵和清水池、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結構層向外挑出3m，一則防風浪，不讓風浪拍打到+8.50m平面上；二則增加上部的使用面積。在主泵房的東側，底層(+8.50m)布置了供生產和生活用水的凈水間、污水處理間，二層布置水質分析監(jiān)測間；在南側布置了二層電氣用房和總控制室。兩側雖都為二層，但同層面的標高均按使用要求設置，不在同一標高上，相互之間用樓梯、走道、踏步相連，使之結合成為一體。

5 虹吸出水管

　　考慮泵房運行操作維修的方便和安全，同時也受泵房內空間的限制，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，還節(jié)省了大閥門的費用，節(jié)省電能。由于泵房中心離水庫外堤中心線為80m，外堤的底寬又大，因此虹吸出水管的投影長度達122m。駝峰位置有兩個方案：①設在泵房一端；②設在水庫內出水管的末端。后者在技術上比較成熟，但需要在水庫內筑操作平臺和引橋，開、停泵時操作人員需往返200m以上，遇到緊急情況或惡劣天氣，非但不便，而且很不安全。因此將駝峰設在泵房一側，駝峰頂距泵房中心為23m，但這樣做，在駝峰后有近100 m長的平段?？紤]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內外尚無先例，技術上難度大。當水庫水位低于平段管頂標高而又高于出口管頂標高時，整個駝峰段和平段內有大量空氣。這時如啟動水泵，駝峰前上升段內的空氣可以從設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的空氣能否迅速排除是一個難題，也是一個關鍵問題。經分析，設計在平段末端加設了一個排氣管，并預留了備接排氣閥門的法蘭接口。經河海大學水力模型試驗驗證，平段末端若不設排氣管，虹吸形成時間達5min，啟動揚程高達141.2kPa，而且虹吸形成后出口段不斷有空氣泡帶出；若在平段末端設置排氣管，則虹吸形成時間縮短到2min以內，啟動揚程也降到113.0kPa。這證明在平段末端設置排氣設施十分有效和十分必要。建成投產后，實際上水泵啟動后20s內駝峰頂部先排氣，一般在20s后平段末端排氣，總計不到1min可形成虹吸，完全達到設計的預期效果。

6 泵房結構設計

6.1 格形鋼板樁結構
　　該結構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高，僅需挖至-6.4m，也就是說格形鋼板樁結構比沉井可少挖深11.6m，相應也少回填11.6m，這部分的工程費用可省450萬元。格形由164塊PU16型拉森鋼板樁拼合成直徑31.32m的格形結構，鋼板樁長度23.5m，鋼板樁頂標高+5.50m，底標高-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構，格體內不回填料，而是要挖深后創(chuàng)造施工條件，格體結構既是受壓，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 格體內鋼圍令
　　設計根據(jù)波浪力、海流力、風力、格體內外的水位差和泥面差，滿足鋼板樁和鋼圍令的結構強度以及格體的整體穩(wěn)定，上下設置五道圍令，各道鋼圍令隨著格體內抽水、挖泥深度自上而下逆作法安裝。
　　鋼板樁按上下圍令的布置，計算在外力作用下，控制鋼板樁的應力不超過210MPa，鋼圍令由于是受壓結構，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，本設計采用25∶1(31.32∶1.25)。
6.3 泵房基礎
　　為避免和減少泵房的沉降，泵房基礎采用樁基，設計結合施工平臺樁，在泵房范圍內設置了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1cm，11個月后土壤固結，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。內部隔墻根據(jù)工藝要求布置，厚度1.0～1.2m。底板、壁、內隔墻為整體結構。+8.50m以上建筑的鋼筋混凝土框架也與泵房結構形成整體。

7 結論

　　陳行水庫長江取水泵房施工、安裝周期僅17個月，其設計采用的先進技術和方案是順利施工和投產的決定因素。投產后5年多來，泵房結構沉降僅1cm，四臺泵一直正常運行。1996年2月—3月長江出現(xiàn)較嚴重的咸潮，長江取水泵房完全滿足設計要求。經過幾年運行，以長江水為水源的水廠出水水質優(yōu)良，長江水源的優(yōu)越性越來越明顯，因此陳行水庫長江取水泵房工程的經濟、社會效益十分明顯，也為大江河口地區(qū)城市取水積累了有益的經驗。

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　　(收稿日期 1998-11-23)