宿迁市七堡引水枢纽工程设计

　　摘要：从地形地貌、工程布置及建筑物方面分析了宿迁市七堡引水枢纽工程，探讨了该工程的地层岩性，从1号沉井、穿河顶管、2号沉井、陆地顶管等6个方面分析了主要建筑物的设计，最后指出，为了顶管的施工需要，倒虹吸枢纽沿线设置4座沉井，以期为类似工程提供借鉴。

　　关键词：引水枢纽；顶管；沉井

　　文献标识码：A　　中图分类号：TU990

　　文章编号：2096-4137（2019）22-46-03　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2019.22.12

　　1　工程概况

　　宿迁市七堡引水枢纽工程从骆马湖水库引水到西民便河和古黄河，设计引水流量为10m3/s；工程位于江苏省宿迁市宿豫区皂河镇七堡村，主要功能是调水引流、改善水环境。枢纽由进水口渠道、倒虹吸枢纽、出口箱涵及明渠组成，本文主要介绍倒虹吸枢纽的顶管和沉井。骆马湖至古黄河采用顶管方式穿越中运河和古黄河，为了顶管的施工需要，倒虹吸枢纽沿线设置4座沉井。倒虹吸枢纽由1号沉井、穿河顶管、2号沉井、古黄河引水泵闸、陆地顶管、3号沉井、4号沉井组成。

　　2　工程设计

　　2.1　设计工程地质基本资料

　　2.1.1　地形地貌

　　工程区位于徐淮黄泛平原区，地形开阔平坦，水系较为发达，工程场地地势起伏较大，顶管沿线地形呈中间高两头低的特征，地形大致可分为3段。顶管进口段（靠近古黄河）长度约280m，地面高程为24.80～26.50m；顶管中间段长度约2241m，地面高程为26.50～29.00m，绝大部分高程在28.00m左右；顶管出口段（靠近西民便河）长度约260m，地面高程为23.00～25.50m，两岸民房比较集中。沿线多为农田，南端有民宅。

　　2.1.2　地层岩性

　　①层：填土。岸上钻孔中该层为以壤土或砂壤土为主的素填土，表层含植物根须；水中钻孔该层为淤泥。

　　②层：重粉质砂壤土或粉砂（局部黏性大或夹流塑或软塑状壤土）。暗黄色或灰色，中密状（局部稍密状），湿，无光泽，干强度低、韧性低，摇振反应迅速。

　　②-1层：重粉质壤土。黄色、暗黄色或灰色，软塑-可塑状，含铁质粉末，稍有光泽，干强度及韧性中－低，无摇振反应。

　　③层：重粉质壤土。暗黄色或灰色，软塑－可塑状，稍有光泽，干强度及韧性中－低，无摇振反应。含腐植物。

　　④层：重粉质砂壤土夹粉砂。暗黄色或灰色，中密－密实状，湿，无光泽，干强度低、韧性低，摇振反应迅速。

　　⑤层：粉质黏土或壤土（局部夹砂粒）。灰色或暗黄色，可塑状，有光泽，干强度及韧性中－高，无摇振反应，夹铁锰结核，偶含腐植物及螺壳。

　　⑥层：粉砂或细砂（局部夹砂壤土）。黄色或灰色，中密状，湿，主要成份以石英、长石为主，有水平向层理。

　　⑦层：粉质黏土。褐黄色（局部为灰色），硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核，混较多礓结石。

　　⑧层：细砂或粉砂（局部夹中粗砂）。黄色，密实状，湿，以石英、长石为主，无明显层理，混礓结石。

　　⑧-1层：黏土。褐黄色，硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核。

　　⑨层：黏土。褐黄色，硬塑状，有光泽，干强度及韧性高，无摇振反应，夹铁锰结核，混较多礓结石。钻孔未揭穿此层。

　　2.1.3　地震及评价

　　本区曾发生过8级以上的特大地震，是我国强烈地震带之一，地震活动的强度和频度较高。根据GB18306-2015《中国地震动参数区划图》，场地区地震动峰值加速度为0.30g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录P中的有关规定，判别勘察深度内②层、④层重粉质砂壤土为可液化土层，⑥层粉砂、⑧层细砂均为不液化土层。

　　2.2　工程布置及建筑物

　　2.2.1　工程布置

　　进水口渠道底宽18.50m，底高程20.33m，两侧边坡1:3。

　　倒虹吸枢纽包括穿河顶管、古黄河引水泵闸和陆地顶管及4个沉井。倒虹吸枢纽各建筑物中心线沿引水线路中心线呈直线布置，自北向南依次布置1号沉井及进水闸、穿河顶管、2号沉井、陆地顶管、3号沉井、陆地顶管、4号沉井，总长为3240.80m。1号沉井及进水闸布置在骆马湖水库堤防以北的骆马湖水库中，穿河顶管穿越中运河和古黄河，2号沉井布置在古黄河以南的农田内，3号沉井布置在古黄河至西民便河中部，4号沉井布置在牛角塘附近。

　　2.2.2　主要建筑物

　　（1）1号沉井

　　依据顶管施工需要，1号沉井底部净长7.00m、净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在骆马湖水库堤防以北35m处。1号沉井既作为倒虹吸的引水进口竖井，又作为钢筋混凝土顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长9.80m，宽10.30m，沉井顶高程27.70m，沉井底面高程1.30m，刃脚底高程-2.30m。沉井高度达30.00m，壁厚尺寸需要分段设计，沉井分上、中、下3部分，上部沉井高程15.00~27.70m段井壁厚度为1.00m；中部沉井高程7.50~15.00m段井壁厚度为1.20m；下部沉井高程-1.10~7.50m段井壁厚度为1.40m；刃脚高程-2.30~-1.10m，厚度为0.40~1.40m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.40m，其下封底混凝土厚度为1.20m。靠近骆马湖水库堤防侧在中心高程4.05m处设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.56m。

　　（2）穿河顶管

　　穿河顶管布置在骆马湖至古黄河段，以顶管方式穿越中运河和古黄河。采用钢筋混凝土圆形管，根据布置，顶管中心线高程为4.05m、长度615m、内径3.50m，考虑到顶管在施工期和检修期会承受约20m深地下水压力及最高25.5m的土压力，顶管壁厚0.33m，则外径为4.16m。

　　为穿河顶管进、出洞口的防渗需要，在顶进洞口及接收洞口设置联排Φ700mm的高压旋喷桩，处理范围为长10m、宽4.2m、高12m。

　　（3）2号沉井

　　依据穿河顶管施工需要，2号沉井底部净长9.20m、净宽7.50m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在古黄河堤防以南的农田内。沉井既作为倒虹吸枢纽穿河顶管的引水出口竖井，又作为穿河顶管的顶进工作井，同时也是陆地顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长12.40m、宽10.70，沉井顶高程26.50m，沉井底面高程1.30m，沉井刃脚底高程-2.70m。沉井高度达29.20m，井壁厚度需要分段设计，沉井分上部、中部、下部3部分，上部沉井高程17.20~26.50m段井壁厚度为1.00m；中部沉井高程7.50~17.20m段井壁厚度为1.40m；下部沉井高程-1.27~7.50m段井壁厚度为1.60m；刃脚高程-1.27~-2.70m，厚度为0.40~1.60m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.40m，其下封底混凝土厚度为2.60m。北侧中心高程4.05m，设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m。南侧中心高程13.80m，设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.62m。

　　（4）陆地顶管

　　从古黄河至西民便河的陆地顶管长度为2580m，在陆地顶管中部设置一个工作井，即3号沉井。2号沉井和3号沉井之间的陆地顶管长度为1280m，3号沉井和4号沉井之间的陆地顶管长度为1300m，顶管中心线高程为13.80m，内径3.50m，考虑到顶管在施工期和检修期会承受约13m深地下水压力及最高约15m的土压力，顶管壁厚0.33m，则外径为4.16m。

　　（5）3号沉井

　　依据顶管施工需要，3号沉井底部净长9.20m、净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在古黄河至西民便河中部。3号沉井既是陆地顶管的顶进工作井，又作为陆地顶管的接收井。沉井外形轮廓尺寸长12.00m、宽10.30m，沉井顶高程28.50m，沉井底面高程11.10m，刃脚底高程7.80m。沉井高度达20.7m，壁厚尺寸需要分段设计，沉井分上、下2部分，上部沉井高程20.50~28.50m段井壁厚度为1.00m；下部沉井高程8.99~20.5m段井壁厚度为1.40m；刃脚在高程7.80~8.99m，厚度为0.40~1.40m。沉井下沉采用不排水下沉方式施工，底板钢筋混凝土厚度1.20m，封底混凝土厚度2.30m。北侧中心高程13.80m设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m；南侧中心高程13.80m设置顶管圆形接收孔，孔直径为4.62m。

　　（6）4号沉井

　　依据陆地顶管施工需要，4号沉井底部净长9.20m、净宽7.5m，采用钢筋混凝土矩形沉井结构，布置在牛角塘附近。4号沉井是陆地顶管的顶进工作井。沉井外形轮廓尺寸长11.60m、宽9.90m，沉井顶高程25.50m，沉井底面高程11.10m，刃脚底高程8.40m。沉井高度为17.10m，井壁厚度需要分段确定，高程17.00~25.50井壁厚度为1.00m；高程9.35~17.00m井壁厚度为1.20m，刃脚高程8.40~9.35m，厚度为0.40~1.20m。考虑到4号沉井高度不大，为了增加顶进工作井的顶力，在沉井后背土体采用高压旋喷桩加固土体；本工程采用直径为0.70m的单头高压旋喷桩，桩长12.00m，置换率约30%，水泥参入量暂定为15%。高压旋喷桩范围为整个沉井宽9.90m、长10m。

　　沉井底部为⑥层粉砂，如采用排水下沉，容易发现流沙，并引起该沉井附近民房因地基排水下沉而开裂，选择不排水下沉施工，水下封底混凝土厚度2.00m、底板钢筋混凝土厚度1.00m。北侧中心高程13.80m处设置顶管圆形顶进孔，孔直径为4.36m；南侧底高程17.83m处设置矩形出水孔两孔，孔高2.00m、孔宽2.50m。

　　为了陆地顶管的检修需要，在4号沉井内设置检修门槽，检修门净宽2.50m，闸底板顶高程17.83m，闸顶高程23.50m，闸底板采用长度为2.00m的悬臂式底板、厚度为1.00~1.50m，闸墩厚1.05m。

　　3　顶管与沉井设计计算

　　3.1　顶管设计计算

　　穿河顶管要求顶管上部覆土厚度应不小于顶管外径的2倍，并对施工期的顶管进行抗浮安全性计算，抗浮稳定安全系数应大于1.10。顶管上作用的土压力按CECS246-2008《给水排水工程顶管技术规程》有关公式进行计算；水压力按当地地下水位进行考虑。计算工况包括施工期（空管）、运行期（满管）的受力计算对管道进行结构内力计算；按偏心受压构件进行顶管的配筋分析。考虑到顶管受到比较大的顶力，要求顶管混凝土标号不低于C50，按顶管规程计算顶管本身的最大允许顶力。

　　3.2　沉井设计计算

　　根据CECS137-2015《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》的有关规定，沉井的稳定计算主要包括：下沉、下沉稳定性及抗浮验算，必要时应进行沉井结构的抗滑、抗倾稳定计算。沉井的结构计算，沿水平方向不同高程截取相应的断面，按闭合框架进行钢筋混凝土沉井的内力分析得出轴力、弯矩、剪力，再按偏心受压构件进行沉井的配筋计算，对沉井的刃角也要进行结构计算；对于工作井的底板按三边简支和顶力作用边为固端进行计算，对于接受井的底板按四边简支进行计算。沉井的顶力作用边为了承受较大的顶力，要求沉井上设置插筋与底板钢筋焊接，使底板与沉井顶力边形成固端。通过沉井的稳定计算、沉井壁的抗剪计算结果，取小值作为顶管施工中沉井允许最大顶力。

　　4　结语

　　在本工程的初步设计阶段对于古黄河至西明便河段的陆地，比较了大开挖的明渠、现浇箱涵、预制埋管、顶管4个方案，最终因为顶管方案投资省，且对沿线农田的影响最小作为本工程的推荐方案。知道顶管作为穿越江河最佳方案，但是在陆地上设计施工管径3.5m，一次顶进长度达到1300m，为国内少有的大直径超长距离的顶管，也为今后设计类似工程提供很好的工程设计方案。

　　参考文献

　　[1]　CECS137-2015．给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程[S]．北京：中国计划出版社，2015．

　　[2]　CECS246-2008．给水排水工程顶管技术规程[S]．北京：中国计划出版社，2008．

　　[3]　DG/TJ08-2049-2016．顶管工程施工规程[S]．上海：同济大学出版社，2017．

　　上海勘测设计研究院有限公司

　　黄少丞