錢塘江取水口頭部的樁群防撞工程技術(shù)

杭州高新（濱江）水務(wù)有限公司 杭州 310053

1 工程概況

錢塘江是浙江省最大的河流，干流全長約605 km。杭州某水廠的取水口位置即設(shè)在錢塘江、富春江與浦陽江交匯而成的三江口彎道凹岸處，水流條件較為復(fù)雜，既受上游富春江與浦陽江來流的影響，又受下游潮水的影響，但又以徑流作用為主，落潮流大于漲潮流，小潮時(shí)甚至無漲潮流。

取水工程主要由取水口頭部、取水管道、取水泵站及附屬建（構(gòu)）筑物組成。取水口頭部100 m范圍內(nèi)為－2.24 m，外江水通過取水管自流入標(biāo)準(zhǔn)海塘內(nèi)側(cè)的集水井（泵池）。取水口頭部喇叭口開口朝上，頂高程為0.90 m，水平設(shè)置攔污柵。

取水口頭部采用樁群保護(hù)方式防撞，樁群防撞設(shè)施圍繞取水頭部2 個(gè)取水口布置。

2 取水口前防撞標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)船撞力[1-3]

根據(jù)取水口工程通航尺度及技術(shù)要求論證，取水口頭部防撞功能可滿足自航貨船1 000 t級(jí)，兼顧內(nèi)河駁船（一列式拖帶）500 t級(jí)船隊(duì)通行要求。

2.1 設(shè)計(jì)船撞力公式

經(jīng)綜合分析和比較，采用美國AASHTO規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果作為本取水口的設(shè)計(jì)船撞力。即：

式中：Ps——輪船撞擊力（N）；

DWT——撞擊橋梁的船舶的載質(zhì)量噸位（t）；

V——設(shè)計(jì)撞擊速度，即船舶撞擊防撞墩時(shí)的行駛速度（m/s）。

美國《公路橋梁船舶撞擊設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范和評(píng)述》建議的確定船舶設(shè)計(jì)撞擊速度的方法為：在航道范圍內(nèi)，船舶以正常速度行駛；在航道中心線至3 倍船長以外處，船舶以水流速度漂流，水流速度可按航道所在處的多年平均流速確定；此兩者之間的區(qū)域，設(shè)計(jì)船速按直線內(nèi)插確定。

2.2 取水口頭部區(qū)流速的確定

三江航運(yùn)繁忙，船舶在上游徑流及下游涌潮作用下，可能會(huì)發(fā)生逃錨而危及防撞墩。

本取水口頭部區(qū)位于錢塘江河口區(qū)上游起始端，以受徑流作用為主，即使在大潮期間，工程水域在潮水期間流速仍明顯小于洪水，邊灘位置漲落潮流速更小，為1.0 m/s以下。為實(shí)地驗(yàn)證涌潮過后的取水口頭部處的流速，2010年12月8日（農(nóng)歷十一月初三）浙江省河海測繪院在工程實(shí)地位置進(jìn)行了潮流觀測，觀測了涌潮過后10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min六個(gè)時(shí)間點(diǎn)斷面垂線流速分布，觀測到的最大面層流速為0.68 m/s，最大底流速為0.48 m/s，最大垂線平均流速為0.59 m/s。

富春江與浦陽江不同洪水頻率遭遇的情況下取水口位置的洪水位及流速從表1可以看出，富春江5%與浦陽江1%洪水組合后得到取水口頭部最大流速1.12 m/s。

表1 不同洪水頻率遭遇的情況下取水口位置的洪水位和流速

根據(jù)以上資料，取用船舶撞擊防撞墩的最大撞擊速度為1.12 m/s，防撞墩的設(shè)計(jì)船撞力見表2。

表2 設(shè)計(jì)船撞力

3 工程主要建筑物及布置

本工程取水口頭部應(yīng)用樁群保護(hù)方式防撞，是因?yàn)椴捎梅雷矘度罕Ｗo(hù)方式布設(shè)方便，對(duì)取水口過流斷面影響輕微，且施工工藝成熟。其主體結(jié)構(gòu)為環(huán)梁及樁基，附屬結(jié)構(gòu)為防撞警戒樁。

3.1 主體防撞設(shè)施

主體防撞設(shè)施為環(huán)梁及支承環(huán)梁的15 根鋼管灌注樁，見圖1。

圖1 主體防撞設(shè)施

環(huán)梁平面尺寸為19.6 m×17.8 m，頭部呈半圓形，尾部呈矩形，中部設(shè)置支撐梁。環(huán)梁采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面寬1 800 mm，高1 600 mm，頂高程為4.2 m。環(huán)梁頂部設(shè)置有3 個(gè)航標(biāo)燈座，航標(biāo)燈采用太陽能供電，燈桿采用Φ351 mm厚11 mm的無縫鋼管，鋼管頂高程10.0 m，管頂安裝航標(biāo)燈。鋼結(jié)構(gòu)外表面防腐采用725L-H52-9環(huán)氧防腐隔離層涂料，涂膜總厚度為1 100 μm。

支承環(huán)梁的鋼管樁采用Q235Φ1 000 mm，壁厚12 mm，底高程為－25.0 m，長度為27.7 m。管內(nèi)為Φ1 000 mm混凝土灌注樁，長度亦為27.7 m。鋼管樁兼作管內(nèi)混凝土灌注樁施工的套筒，混凝土灌注樁在鋼管樁打設(shè)完畢后，在鋼管樁內(nèi)采用回旋鉆機(jī)成孔后澆筑灌注樁混凝土作業(yè)。

3.2 附屬防撞設(shè)施

附屬防撞設(shè)施為警戒樁。

警戒樁承擔(dān)船舶航行警戒和船舶失控碰撞防撞設(shè)施時(shí)消去其部分動(dòng)能的作用。船舶航行警戒的功能由航標(biāo)燈擔(dān)當(dāng)，對(duì)失控船舶碰撞主要考慮2 種工況：一為上游船隊(duì)下行時(shí)船隊(duì)甩尾碰撞，二為下游錨地小型船舶在涌潮作用下失錨碰撞。

上游側(cè)警戒樁主要順沿取水口頭部與孔家埠圍堤的轉(zhuǎn)角連線布置，共4 根，樁間距為12.0 m。樁體外設(shè)置圓環(huán)體鋼浮筒，當(dāng)上游船隊(duì)下行、船隊(duì)甩尾碰撞樁體時(shí)，加以側(cè)偏導(dǎo)向消能。下游側(cè)警戒樁則平行于取水口管軸線布置，以防備下游錨地小型船舶在涌潮作用下失錨，碰撞取水頭部。下游側(cè)警戒樁共3 根，樁間距為12.0 m。

為防備小型船舶的闖入而碰撞取水頭部，在警戒樁樁體間采用錨鏈相接。

警戒樁結(jié)構(gòu)采用Q235Φ1 000 mm、壁厚12 mm的鋼管樁，樁頂高程10.0 m，底高程為－25.0 m，單樁長度為35.0 m，樁頂上部設(shè)航標(biāo)燈。鋼管樁外表面防腐采用725LH52-9環(huán)氧防腐隔離層涂料，涂膜總厚度為1 100 μm。上游側(cè)警戒樁內(nèi)澆筑混凝土灌注樁，外設(shè)鋼浮筒導(dǎo)向消能。

4 結(jié)語

本工程取水口頭部防撞功能滿足自航貨船1 000 t級(jí)，兼顧內(nèi)河駁船（一列式拖帶）500 t級(jí)船隊(duì)通行要求。因?yàn)橥ê酱泶鸵? 000 t級(jí)內(nèi)河船舶為主，同時(shí)考慮通往錢塘江上游海輪的通航要求，故防撞墩的設(shè)計(jì)船撞力為4.23 MN。

防撞主要采用樁群保護(hù)方式，樁群防撞設(shè)施裝置由15根鋼管灌注樁和環(huán)梁組成。同時(shí)在其外圍再設(shè)置警戒樁；警戒樁分別布置在取水口頭部上下游內(nèi)側(cè)，共7 根。經(jīng)過近兩年的運(yùn)行觀測，本工程樁群防撞設(shè)施的防撞保護(hù)效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)實(shí)踐，我們認(rèn)為防撞設(shè)施不能影響航道通航，占用航道范圍應(yīng)盡量小。對(duì)可能碰撞的船舶能量要進(jìn)行消能緩沖，使船舶不能直接撞擊取水口，或使船舶撞擊力控制在安全范圍內(nèi)，減少船舶與防撞結(jié)構(gòu)的損壞。本本程的樁群防撞設(shè)施的防撞結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，平時(shí)維修養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用小，被撞壞后較易修復(fù)。