居于港区码头腹部的电厂排水头结构设计及处理方法.pdf

2 0 1 4年第 4期 居于港区码头腹部的电厂排水头 结构设计及处理方法 庄 敏 ( 福 建省电力勘测设计院，福建 福州3 5 0 0 0 3 ) 摘要：适应建设大型工程的可用深水海岸线 日 见匮乏，目前已有部分电厂的循环水取、排水头 位置 因海洋功能区划的统筹布置不可避免地与港 区用地重叠 ，出现 电厂取水头或排水头直接布 置在码 头面下方的局 面。码 头有高桩码头与重力式码头等 2种结构型式，仅 当电厂的取 、排 水 头结构体在横 穿重力式码头时将成为码头的一部分 ，共同承担传导上部荷载至地基 以及保证港 区安全的使命 。因其埋设在码 头腹部 内，将与码头共 同建设 。该文结合厦 门嵩屿电厂工程 实 例，详细介绍电厂循环水排水头部埋设在码头内与港区码头共建的可实施性。实践表明，该方 案是 可行 与合 理 的 。 关键词 ：排 水头；重力式码 头；嵩屿电厂 中图分类号 ： T U 9 9 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 2— 3 0 1 1 ( 2 0 1 4) 0 4— 0 0 2 1— 0 3 1 工程简介 厦门嵩屿电厂装机容量 43 0 0 MW，东接厦门 港嵩屿港 区。嵩 屿港区坐北朝 南 ，由于腹 地不足 ， 需围海吹砂造地。填海场地东西 向长约 1 0 0 0 m，南 北向纵深 约 5 0 0 m。港 区码 头位 于南 侧 ，采用重力 式结构 ，码头前沿采 用直立式预制沉箱与抛石基床 组合结构 ，沉箱后方 至原有陆域间所有嵩屿港 区场 地采用吹砂 回填堆筑施工 。整个港 区工作量大 ，工 期紧迫 ，与 电厂厂外循环水排水工程交叉同步施工 。 图 1 排水 出口段 平面图 收稿 日期 ：2 0 1 4—1 0—1 0 l 后轨道梁 预制面板厚4 5 0 码头面层 码头前 沿鲼 5 ．1 8＼ l ‘ | I l 上7 1 平 均 高 潮 { ．5 U 】 厂 一 亏鼍 鞠 0 梁 j 一 1j 砰自 低 排 水沟 一、 预制柱 氍／ 白 虚林 ／ 出 水 口 箱 涵出 水 孔 -9 ． 0 2 ~ ． 8 ． 5 2 = 8 ．5 2 ＼ U U 一_j s ／／ 岛 袋砼廊 阪厚 ) 夕 ＆ 三 抛 石 基 床 1 ．3 o f _ 2 1 ． 0 1 7= ⋯ 安 岩 残 积 粉 盾 粘￡ 。 抛石基床6 P ’ = 生壁 ! 排水沟部分 排水喇叭 口部分 排水口箱涵部分 图 2排水 出 口段剖面图 电厂厂外 2条循环水排水沟分别埋设在港 区集 装箱堆场 2条南北走 向的道路下方 ，由港 区北侧穿 越整个港 区至码头前沿。排水沟道末端的排水 出 口 由喇叭 口型排 水头 与带 出水孔 的直立式 预制 沉箱 ( 以下简称出水 口箱涵 )组成 ，平面 图及剖面 图分 别见图 1 、图 2 。喇叭 口型排水头 由底板、顶板及侧 墙围合而成，分别埋设在港区2 、3 泊位处的重力 式码头面下 。 2 排水出口技术特点 为保证进港货船靠泊 ，要求 出水 口箱涵处 出水 21 一o o 《 恼 水 田一 2 0 1 4年第 4期 孔内速度 ≤0 ． 3 m ／ s 。电厂循环水排水 沟净尺 寸为 3 ． 0 m X 3 ． 0 m，过流量 2 5 m ／ s ，流速 >2 ． 7 m／ s 。 故排水沟与出水 口箱涵 间需设 置消能扩散构 筑物 ， 以降低高速水流动能，将水流合理地导向各出水孔 外排。 码头面标高 5 ． 1 8 m，码头前沿线至后轨道梁 中 心间距 3 9 m，前沿直立式预制沉箱宽 1 3 ． 6 m。根据 码头设计统一规划 ，消能扩散构筑物纵长最大尺寸 不得超过 2 0 m，出水 口箱涵处 出水孔必须 全部淹 没 。2条排水沟末端 内底标高分别为 一1 ． 5 0 9 m与 一 1 ． 7 5 6 m，工程海 域处 P=9 7 ％ 低潮位 为 一2 ． 9 5 m。经过优化计算 ，出水 口箱涵处 出水孔 内底标 高 为 一 8 ． 5 2 m，孔净高 4 ． 0 m，单孔净宽 2 ． 1 7 m，设 置 1 2个 出水孔将排放量为 2 5 m ／ s的温排水排入大 海 ，出水 口箱涵东西向长 3 3 ． 3 m。消能扩散构筑物 由 2个喇叭口型结构体组成 ( 以下简称喇叭 口型排 水头，见图 1 ) ，跌水喇叭 口净宽由3 ． 0 m渐变为 8 ． 0 m，纵长 4 ． 7 m，排水喇叭 口净宽 由 1 6 ． 0 m渐 变为 3 3 ． 3 m，纵长 1 5 ． 0 m，内底标 高均为 一8 ． 5 2 m，顶板面标高 4 ． 5 m，顶板 上方即为码头面结 构 层。喇叭 口型排水头 内另设 置 5个预制柱 ，与侧墙 一 起传递上部荷载至下部基础 ，输导水流至 1 2个出 水孔排出。 码头前沿长约 1 0 0 0 m 的直立式预制沉箱 ( K1 沉箱与 出水 口箱涵 ，见 图 1 ) 由中交 四航 院设计 ， 本文不多加叙述 ，仅就喇叭 口型排水头的基础及结 构进行论述。 3 喇叭口型排水头设计 3 ． 1 基础设计 喇叭 口型排水头处海底的岩土性质从上到下分 别为 ：表层英 安岩 残积粉 质粘土 ，厚 0～5 ． 4 0 m， f k = 2 3 0 k P a ；全风化英安岩 ，厚 0～6 ． 0 0 m，f a k = 3 5 0 k P a ；强风化英安 岩 ，厚度 大于 5 ． 0 0 m，f o ： 5 0 0 k Pa。 工程海域处平均高潮位 2 ． 7 1 m，平均低潮位 一 1 ． 3 2 m。排水头处海床面标高 一 2 1 ． 0 m左右 ，排 水头内底标高 一8 ． 5 2 m，则排水头将高悬于海床之 上 ，要采用基础支撑。可 以采用的基 础方案有桩基 或人工回填基础等两种。 基础支撑若采用桩基方案，需在海上修筑 2道 分别长约 5 3 0 m的施工栈桥 ；因码头工作 面上荷载 22 大 ，码头变形受到严格限制 ，桩基承台间距需加密 ， 桩 的根数众多 ，施工周期延长 ，海上 吊装等施工费 用极大 ；嵩屿港区吹砂 回填施 工过程可能破坏桩基 或施工栈桥 ；将与港区施工相冲突。 基础支撑若采用抛石基床方案 ，经水下分层夯 锤处理及涨落潮流作用后 ，抛石基床后期沉降量小 ， 码头面与排水头 的变形可控 ；排水头处下卧各土层 地基条件较好 ，可满足斜坡式抛石基床对地基土的 要求 ，无需清基 ，块石直接用船装运 至工程点水上 抛填 ，施工简便易行 ，费用低 ，与港 区施工不 冲突 ； 厦门地 区石材新鲜 ，强度高 ，内摩擦角大 ，基础承 载力高 ，可满足工程要求 ，且岩石储量丰富 ，价格 便宜。 经综合比较 ，基础支撑采用抛石基床方 案 ，抛 石基床边坡采 用 1 ： 1 ，顶面标 高 一9 ． 0 2 m。石料采 用本工程附近开采 的坚硬花岗岩混合石料 ，饱和抗 压强度 35 0 MP a ，重力密度 >2 5 k N ／ m ，硬度大 于 莫氏硬度的第 3级 ，软化系数 30 ． 8 。抛石基床的质 量控制指标是含泥、砂 、碎石量 <1 0 ％ ，抛石体水 下块石重度 ≥1 1 k N ／ m ，块度 1 0～1 0 0 k g ，孑 L 隙率 控制在 3 5 ％ 以内，内摩擦角要求 94 3 。 ～ 4 5 。 。 3 ． 2结构设计 喇叭口型排水头 由侧墙 、顶板 、底板及 支撑顶 板的梁 、柱系统等组成 ，长 l 9 ． 7 m，宽从 3 m渐变 为 3 3 ． 3 m，内底板以上外墙高达 1 3 m，内部空 间体 积 4 9 7 0 m ，结构件体积庞大。码头工作面上作用 的荷载包括均布荷载 ( 6 0 k N ／ m ) 、集装箱 正面 吊 ( 最大轴压 9 5 0 k N) 、轮胎龙 门吊 ( 空载行驶 ) 、空 箱堆高机、集装箱牵引半挂车等。排水头需承受上 部 的码头作 用荷 载及侧 向压力大，故梁、柱 、板结 构尺寸较大 。因排水头位于深水处 ，需完全 的海上 浮吊施工安装。1座排水头若采用整体式结构 ，本 体结构重约 6 3 0 0 t ，由于柱 的布置，即使将排水头 横切成几节 ，单节重量仍极大。施工单位海上 主要 船吊装备能力多为 2 0 0～ 5 0 0 t 。考虑 吊装 的可实施 性 ，结构型式采用预制装配式 ，将顶板、侧墙 、底 板 、梁 、柱分块预制后 ，进行水上拼装 。 ( 1 )侧墙结构 ：侧墙采用重力式扶壁结构 ，具 有构造简单 、施工安装速度快 、材料省、造价低 的 优点。根据施工单位装备能力，1 座排水头共设置9 个独立的轻型扶壁结构件 ，其中最 重件重量未超过 5 0 0 t 。即沿喇叭口型排水头两侧边线对称设置 6块 2 0 1 4年第 4 标准扶壁 ( 其 中 4块 前趾 局部 削角) 、2块 异形扶 壁 ，高均为 1 0 ． 1 m，扶壁顶标高 1 ． 0 8 m，其上现浇 胸墙 至 4 ． 5 0 m 标 高 ，伸 人 胸墙 0 ． 1 0 m，胸 墙 高 3 ． 5 2 m；排水头后墙 ( 即排水沟尾端下方 ，见 图 2 ) 设置 1 块预制扶壁，高分别为7 ． 5 1 4 m ( 7 ． 2 6 4 m ) 。 其上为排水沟 ，沟顶设置预制梁 ，两端搁置在胸墙 上。利用直立式 预制 出水 口箱 涵作为排 水头前墙 ， 排水头因此不受波浪破坏且节省投资。为使扶壁基 底反力均匀 ，优化扶壁合力作用位置 ，扶壁底部设 置上翘的尾板。 ( 2 )上部结构 ：上部结构采用梁 、板 系统 ，顶 板面以上即为码头 面结构层。因码头工作面上作用 的荷载较大 ，为减小梁板跨度 ，保证结构安全 ，作 为梁系的搁置点支撑柱考虑与排水头内导流墩相结 合 ，在排水头 中设 置 5个钢筋 混凝土独 立柱结构。 柱与倒 T形基础整体预制 ，高约 1 3 m，柱基 5 ． 0 m 5 ． 0 m1 ． 5 m ( h ) ，安放在抛石基床上。为防止 基床沉降对上部结构的不利影 响，梁 、板系统均采 用迭合简支结构 。预制简支梁搁置在独立柱与胸墙 上 ，预制简支面板搁置在简支梁上 、出水 口箱涵上 及胸墙上。该梁 、板 系统结构简单 ，受力 明确 ，对 沉降的适应性较好。 ( 3 )底板结 构 ：底板高程 较低 ，为 一8 ． 5 2 m， 若采用预制结构，施工难度较大，施工缝难以处理。 为降低施工难度 ，保证其整体型 ，采用水下灌注模 袋混凝土整体式底板结构 ，厚 0 ． 5 m。 ( 4 )扶壁后方回填 ：为有效减少作用在扶壁立 板和肋板上 的土压力 ，扶壁墙后设 置抛石棱体 ，亦 有压重的作用。抛石棱体顶宽大于 1 0 m，边坡采用 1 ： 1 ，石料要求及质量控制同抛石基床 。 3 ． 3 施 工要 求 根据本工程结构特点 ，设计建议施工按下列顺 序进行：水上抛石基床和混合倒滤层施工 ( 抛填、 夯实 、整平 )一安 放预 制扶 壁和 预制 柱 ( 水上 浮 运 、就位 、拼 装 )一 港 区人 工 回填砂 至 一9 ． 0 2 m 后 ，扶壁后方回填抛石棱体和混合倒滤层至 0 ． 9 8 m 高程一浇注模袋混凝土底板一浇筑胸墙_ 安装预制 梁系和板系一扶壁后方回填抛石棱体和混合倒滤层 至 4 ． 5 0 m高程。具体要求如下 ： ( 1 )基础施工 ：本工程抛石基床厚度 较大，要 求按 《 重力式码头设计与施工规范》 ( J T S 1 6 7— 2— 2 0 0 9 )及 《 港 口工程质量检验评定标准》 ( J T J 2 2 1 — 9 8 )对抛石基床 工程进行夯实整平施工及验 收。 抛石基床应经水下分层夯锤处理 ，靠 近码头沉箱处 基床 ，根据实际情况 ，采用重锤轻拍尽量密实 ，但 不得影响码头沉箱的安全 。 ( 2 )结构本体施工 ：除胸墙外，其余所有结构 件均岸上分块预制 ，设计强度达 到 1 0 0 ％后才能下 水外运 ，进行水上浮 吊拼装 。预制扶壁 的吊运应根 据设计 吊点位置进行试 吊作业 ，施工单位应制作专 用的吊具 ，以防扶壁立板和肋板受侧 向力。扶壁及 独立柱安放前必须检查基床和预制构件，不符合技 术要求时， 应及时修理预制构件和清理基床。扶壁 安放 的质量标准按规范要求 执行 。扶壁及独立柱安 放时，应选择 良好 的天气和适 当的水位 ，沉放完毕 后 ，应设 明显标记 ，以策安全 。 ( 3 )模袋混凝土底板施工 ：在扶壁 与独立柱安 放后进行 ，先在水下根据喇叭口平面形状划分网格 ， 再进行模袋混凝土灌注。模袋采用 7 e m聚丙烯加筋 带 ，布置间距 1 m。 ( 4 )扶壁墙后抛石棱体施工：要注意抛填方 式 ，回填速度应严格控制 ，厚度超过 2 m的应分层 抛填夯实。抛填 中，应加强扶壁位移和沉降的观测 ， 同时不得影响码头安全。 4 施工特别注意事项 4 ． 1预 制 块 连接 喇叭 口型排水头预制块 间整体连 接方式如下 ： 侧墙采用在扶壁上方设置现浇钢筋混凝土胸墙 ，胸 墙宽 3 m，扶壁伸人胸墙 1 0 0 m m，胸墙与扶壁 的立 板和肋板顶部外留长6 0 0 m m的竖向钢筋整体浇注。 顶板的预制梁嵌在胸墙及独立柱顶 预留槽 口内，面 板嵌在预制梁间。独立柱倒 T形基础埋设在水下灌 注模袋混凝土整体式底板结构 的下方。 4 ． 2港 区回填砂 防流失措施 喇叭 口型排水头基础及扶壁后方 回填料采用块 石 ，而码头及港 区回填料采用砂 ，在水流的往复运 动 中，块石周边 的砂随水流排入抛石体 ；排水头 内 部流动水体与大海 连通 ，扶壁水 上拼装存在缝 隙 ， 若不进行堵漏处理，砂将由此流失。尽管排水头不 属于港 区建设方业 主的项 目，但 埋设在码 头 内部 ， 除考虑 自身安全、经济外 ，亦不得给港 区建设带来 安全隐患及不必要的投资增加。为此，采取以下措 施防止港区回填砂流失 ： ( 下转 第7 l页) 2 3 ( 2 )改造渠 系建筑物。以解决灌溉 和排洪矛盾 为主，改造灌溉节制闸。系统规划该区域农业灌溉 水源 ，因地制宜建设 多种灌溉水源形式 ，减少渠道 上的灌溉节制 闸数量 ；改造 主要灌溉节制水 闸，扩 宽水闸宽度，降低水闸底高程，与渠道宽度相适宜， 满足过洪要求 ，完善水闸启闭设备，确保行洪安全。 ( 3 )加快实施塔尾新开河道段。根据 《 芗城区 排涝专项规划》 ，在天宝低排渠道塔尾支渠利用现 有渠道拓宽并延长 ，至与九龙江交叉 口处设一 座天 宝闸作为新出 口，利用外江处于低水位时排涝 ，提 高内涝排放效率。该方案实施后，可及时排放东坂 支渠 、田寮支渠 、靖城支渠 、塔尾支渠汇集的 内涝 水 ，加速上游涝水外排 ，将 大大减轻下游天宝低排 干渠压力 。此方案新 开河道 6 6 0 m，拓宽渠道 5 2 2 m，投资较少 ，排涝效果好 ，可优先考虑加快实施。 ( 4 )加 固扩宽宝新中排渠道 ，减轻天宝低排渠 道压力 。利用现有宝新 中排渠道较完善的排涝设施 ， 通过加 固拓宽宝新 中排渠道 ，扩大其排涝 能力 ，减 轻天宝低排渠道压力。按照汛期度汛要求 ，宝新 中 排渠道按水深 3 ． 0 m运行，如超过 3 ． 0 m，则将利 用泄洪 闸将洪水 分洪至天宝低排渠道。从 近年来宝 新 中排渠道对短时暴雨 的实际运行情况分析看 ( 具 体见表 1 ) ，上游垅尾段至盘谷桥段渠道宽度 已不适 应短时暴雨的排涝要求 ，甚至 出现垅尾段 渠道漫溢 而下游渠道还处于低水位的现象 。扩宽宝新 中排右 干渠上游垅尾段至盘谷桥段渠 道 ，增加上游过水能 力；加固宝新中排渠道，可以提高汛期运行水深标 准，减少泄洪分流，有效减轻天宝低排渠道压力。 ( 5 )切实加强管理，确保渠道长期运行通畅顺 利。首先要提高渠道管理意识 ，多方面筹集资金， 加大渠道管理资金投入。针对天宝低排渠道实际运 行情况 ，从阻止侵 占渠道 、协调灌溉与排涝 、规范 水闸管理 、规范鱼塘弃土 、规范农作物废弃物置放 等方面制定相关的渠道长效管理制度，将渠道清淤 作为一项定期工作 ，及 时组织实施 ，以确保渠道长 期有效运行。 作者简介 ：吴 琼 慧 ( 1 9 7 5一) ，女 ，福 建永 春 人 ，工程师，从事水利管理工作。 ( 上接第 2 3页) ( 1 )抛石体外侧反滤处理 ：为防止港 区人工 回 填砂流人排水头的抛石基床及扶壁墙后抛石棱体 内， 抛石体外坡进行反滤处理。先 1 道厚 5 0 0 m m二片 石水上抛填 ，再 1道粒径为 5～8 0 mm混合倒滤层 水上抛填 ，倒滤层内坡 1 ： 1 ，外坡 1 ： 1 ． 5 。 ( 2 )扶壁结构封缝处理 ：岸上分块预制 、水上 浮吊拼装的预制扶壁间存在施工缝隙，相邻扶壁间、 扶壁与码头 K 1预制沉箱 间的缝 隙均采用水下现浇 c ： 不分散水泥至立板顶面高程 ，扶壁与后方排水沟 间的缝隙采用专 门的橡胶止水带封堵。 5 结语 厦 门嵩屿电厂从 2 0 0 9年投运至今 ，一切生产正 常 ，厦门港嵩 屿港 区码头 亦安全运行 。实践证 明， 电厂循环水排水头部埋设在码头内与港区码头共建 的方案是可行的。 海上工程实施与施工单位的经验及机械装备关 系很大 ，设计开展前 ，必须掌握好施工单位海上施 工机具的装备能力 ，以便确定预制构件 的合理结构 型式 。港区或码头建设的方式也要充分了解 ，工程 设计施工过程中应与各方协商、配合，以保证工程 顺利实施。 作者简介 ：庄敏 ( 1 9 6 4一) ，女，福建福 州人， 高级工程师，从事火力发电厂水工结构设计工作。 71