水库分层取水头部的施工工艺方法

摘要

一种在已建成水库中建分层取水头部的施工工艺方法，其技术要点是：选择临水面较陡且便于挖掘的水库坡面，在该处设置施工岩坎或围堰，向下分层挖掘取水竖井坑，每层挖掘后的边坡进行喷锚处理，该竖井坑的深度要低于水库最低取水层的水平面2～5米；实施钢筋混凝土竖井工程：绑札钢筋，分层浇筑混凝土，直至竖井混凝土全部浇筑完成，安装闸门；在所完成竖井的面临水库取水侧的外围安装有一防护的气泡帷幕装置；实施竖井前水下岩体开挖工程，在保证已成竖井闸门及周边建筑物安全的情况下，实施水下爆破，实施水下出渣，水下施工采用浮船，水上定位后实施爆破与出渣，直至水下岩体挖掘全部完成。本发明在已成水库中建设分层取水的取水口，从而减少了水处理费用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水库取水技术领域，具体地说是一种水库分层取水头部的施工工艺方法。

背景技术

众所周知，为综合利用水资源而兴建水库，形成了相对静止的人工湖。在太阳辐射和水的理化特性的影响下，形成了一种与天然河流不同的水域环境，从而给水库周围的工农业生产及人民生活与健康带来种种影响，其中水库水质问题是重要方面，它主要包括水温变化，浊水长期化和富营养化三个方面。

在水质变化中，水温是主要因素。水库是个热容量很大的水体，在当地气象、水文及水库运行方式影响下，使深水水库的垂直水温分布随季节变化。在初春至夏末一段时间内，水库面层温度高，深层温度低，沿水深方向形成较大的温度梯度，使水体相应呈现较大的密度梯度。温度高密度小比重小，反之密度大比重大。比重大的低温水沉入下层，而比重小的高温水浮在上层。暖表层和冷底层的形成限制水库中溶解氧的传递，因此不同水深处的不同水温的水质不同，即出现不同水质的水呈水平分层分布。为了满足供水部门对供水水库不同水质的要求，美国和日本分别在上世纪三四十年代便开始研究分层取水问题，而我国是从上世纪六十年代才开始认识到这个问题。

将水库深层取水改为分层取水，是解决水质问题的重要措施之一。目前，国内对分层取水的研究，主要用于农田灌溉、生态、下游水产养殖、旅游和改善环境等，但取水的方式各不相同。而做为城市给水，采用选层取水在我国尚无先例。城市输水工程，工程主要由取水头部、输水隧洞、输水管线、加压泵站、配水站、稳压塔等建筑物组成，由此可见，水库内的取水头部是城市输水工程最重要的环节。

发明内容

本发明的目的是在已经形成水库的基础上提供一种水库分层取水头部的施工工艺方法。

本发明的目的是这样实现的：

①、选择在已建成水库临水面较陡的山体处，在该处的水库岸坡面上设置施工岩坎或围堰挡水，在岩坎或围堰后旱地条件下，向下分层挖掘取水竖井坑，每层挖掘完成后的边坡进行必要的喷锚处理，该竖井坑的深度要低于水库最低取水层的水平面2～5米，同时在井坑的底部锚喷混凝土层；

②、实施钢筋混凝土竖井工程：绑扎钢筋，分层浇筑混凝土，每层高度在2～4米，直至竖井混凝土全部浇筑完成，安装全部闸门；

③、落闸挡水，拆除水上岩坎或围堰，闸门前充水；

④、在所完成竖井的临水侧的外围设置有一在爆破作业时对竖井及闸门进行安全防护的气泡帷幕装置；

⑤、实施竖井前水下岩体开挖工程：水下施工采用浮船法，水上定位后实施爆破，根据地质条件，分层按梯段进行岩体开挖，在保证已成竖井闸门及周边建筑物安全的情况下，合理选择爆破参数及毫秒延时技术，实施水下爆破，梯段深度控制在3～4米范围内，实施水下出渣，水下施工利用浮船及钉爬或抓斗出渣，直至水下岩体挖掘全部完成，实施底部及边坡检验。

本发明所采用的竖井坑呈梯形结构，这样结构稳固，便于施工。

每层挖掘深度为2～4米，这样便于对边坡进行喷锚处理。

挖掘竖井坑的范围要大于取水侧竖井边缘的2～4米。

根据竖井坑底部岩层的地质结构，如果该处岩层完整且坚固，则不需要锚喷混凝土层；如果该处岩层相对破碎、完整性差，则在竖井坑底部增设锚喷混凝土层。

上述的气泡帷幕装置为在竖井上全部闸门前部与爆破作业区之间的底部，设置有一通气管槽，在通气管槽的管槽体上设有至少两排均匀分布的排气小孔；该金属通气管槽通过软管与外部空压机相连通，而金属通气管槽端部则密封。爆破前，将启动空压机，则空压机输出的压缩空气经软管、金属管束及通气孔形成气泡层上升，从而在竖井上全部闸门与爆破作业区之间形成气泡帷幕；在爆破发生时，气泡帷幕将减弱对全部闸门及竖井冲击波。

本发明具有如下优点：

1、本发明在已成水库中建设取水口，取水方式为选分层取水，从而减少了水处理费用。

2、本发明在取水口处采用了竖井及水下明开前庭的施工方法。

3、水下施工采取控制延时毫秒爆破技术，并对临近建筑物及工程竖井新浇混凝土及闸门采取气泡帷幕减震防护措施，使得临近建筑物及竖井等不受任何破坏。

4、竖井施工及前庭采用了喷锚加固技术，从而保证了工程顺利施工及工程质量。

附图说明

图1是本发明的分层取水竖井剖面图。

图2是本发明的取水口平面布置简图；

图3是本发明的洞轴线两侧竖井开挖边坡示意简图；

图4是本发明的迎水侧竖井开挖边坡示意简图；

图5是本发明的边坡喷砼受力图(kN/m)；

图6是本发明的边坡喷砼受力图(kN/m)；

图7是本发明的边坡平面破坏受力分析示意图；

图8是本发明的支护型边坡剖面计算分析示意图；为本发明一种最宽度的剖面图。

图9是本发明的支护型边坡剖面计算分析示意图；为本发明第二种宽度的剖面图。

图10是本发明的支护型边坡剖面计算分析示意图；为本发明最狭窄处的剖面图。

图11是本发明的明渠与取水口、预留岩坎关系示意简图；

图12是本发明的水下钻孔爆破施工程序图；

下面将结合附图通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

实例1(以目前在建的辽宁省大伙房水库输水工程以例)：

该工程是将浑江调来的水经水库调节后有效配置给辽宁中部地区的抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦等6个缺水城市大型输水工程，工程主要由取水头部、输水隧洞、输水管线、加压泵站、配水站、稳压塔等建筑物组成，全长260.8km，其中隧洞段长29.1km、管线段长231.7km。，

取水头部设在大伙房水库的南岸，引水规模5770000m³/d，其防洪标准应与水库大坝等主要构筑物的防洪标准相同，采用1000年一遇洪水设计，设计水位为136.63m，PMF洪水校核，校核水位为139.32m。

取水建筑物型式为岸边竖井式取水塔，分为取水闸门段、旋转滤网段、收缩段和快速闸门段，全长64.20m，最大宽度34m，最大深度达48.5m，开挖量达17.5万m³。

由于取水口紧邻库区且受左右冲沟等地形地貌限制，无法放坡开挖，只能开用竖井施工方式。本发明的竖井布置见下图2。

1、工程地质简述

选择临水面较陡且岩体相对破碎、完整性差而便于挖掘的水库坡面，在该处的水库坡面上设置施工围堰。头部位于大伙房水库库区左岸一突出的山梁，多为裸露的岩体，表部为杂林，临水面较陡，平面略成半岛型。山梁面向水库水面一侧水下坡角36°～52°。水面以上至坡顶一段陡坎坡度在70°～80°左右，其余坡面坡度在30°～45°左右。

受浑河断裂及其派生断裂影响，地形地貌复杂，小型构造较为发育，根据地质测绘，于取水头部发现小规模断层共4条。

地层岩性为花岗质片麻岩，混合花岗岩。预留岩坎部位岩体卸荷裂隙发育，岩体多呈散体状，裂隙内多泥质充填、半充填，岩体强度较低，透水性较强，块状构造，少数片麻状构造。全、强风化层厚7.5～8.1m，其余均为弱风化，岩体较破碎～完整性差，强风化及弱风化岩顶部多呈中等透水，透水性较强。

2、竖井边坡稳定分析与施工

整体边坡稳定分析

整体边坡稳定分析采用有限元计算。

选用参数见下表：

有限元计算围岩物理力学参数表

  围岩分类  泊松比  μ  粘聚力  c(KPa)  内摩擦角  ф(°)  岩石容重  γ(KN/m³)  弹性模量  E(GPa)  抗拉强度  σt(MPa)  III  0.13  600.0  40  26.2  23.1  20.0

  围岩分类  泊松比  μ  粘聚力  c(KPa)  内摩擦角  ф(°)  岩石容重  γ(KN/m³)  弹性模量  E(GPa)  抗拉强度  σt(MPa)  IV  0.35  250.0  30.0  24.5  1.8  7.5  V  0.45  50.0  27.5  22.5  0.8  2.5

采用平面有限元进行计算，计算选取具有代表性的开挖剖面。

选择在已建成水库临水面较陡的山体处，在该处的水库岸坡面上设置施工岩坎或围堰挡水，在岩坎或围堰后旱地条件下，向下分层挖掘取水竖井坑，每层挖掘完成后的边坡进行必要的喷锚处理，该竖井坑的深度要低于水库最低取水层的水平面2～5米，同时在井坑的底部锚喷混凝土层。取水头部竖井开挖为方形，计算选取迎水侧边坡和洞轴线两侧开挖边坡进行支护结构应力和边坡位移计算。不计地质构造应力，自重应力按有限元计算。计算简图如下，图3和图4中阴影部份为竖井开挖区。

上述图中大写III～V为岩性分类，阿拉伯数字1～5为开挖顺序。图中△符号代表位移约束，通常认为距离开挖竖井宽2倍以上距离的围岩变形值可忽略不计，因此计算模型中设定左右方向水平位移约束，底部竖直位移约束。

实际施工中高边坡竖井开挖为从上部向下部分层开挖和锚喷支护。计算软件按10m/层的开挖深度进行模拟计算，即每10m为一个施工步，每步分两个增量步分别模拟开挖和锚喷支护。

计算结果，如图3所示的洞轴线两侧竖井开挖边坡；

喷砼最大受压力出现在边坡开挖至113.0高程的马道处为280kN/m，当继续开挖至底板，其喷砼的受力将持续降低至156.5kN/m，如上图所示。而边坡累计最大位移出现在竖井开挖完毕后的坡顶为4.3mm。如图5中的受力峰值均为分层开挖每层的坡底喷砼受力，各受力峰值随着下层竖井的开挖和支护，其受力将逐渐降低，这是由于下层开挖后，其边坡的位移与上层边坡位移方向一致。

喷砼最大受压力出现在边坡开挖至113.0高程的马道处为201KN/m，而边坡最大位移出现在竖井开挖完毕后的坡顶为4.3mm。如图6中的受力峰值为分层开挖每层的坡底喷砼受力及软弱夹层与坡面交点的上侧，各受力峰值随着下层竖井的开挖和支护，其受力将逐渐降低。

另外对上述两种边坡在无锚喷支护情况下的分层开挖进行相同的施工步模拟计算，得出其最大位移与上述结果相近。

除了进行上述正常施工步的模拟计算外，还进行了竖井一次开挖到底的模拟计算，其坡顶最大位移值为15mm。

平面有限元计算是将岩体作为各向同性体进行计算，因此对开挖施工中遇到的断层软弱带所形成危石应采取必要的锚固措施。

边坡滑落体加固计算：

根据有限单元法整体计算，整体边坡是稳定的，但由于岩石呈碎裂-散体结构，存在滑动的可能性，需对滑裂面进行加固。

采用平面剪切破坏边坡稳定分析，详见图7的边坡平面破坏受力分析示意图。

式中：Fs——边坡的安全系数；

c——滑动面的粘聚力；

φ——滑动面的内摩擦角；

W——滑体自重；

L——滑动面长度；

U1——作用在滑体底面上水浮托力；

U2——张拉裂缝中的水压力；

α——边坡角；

β——滑动面倾角；

对于验算不稳定的边坡，假如对滑体施加一加固力T，则可得加固后边坡得安全系数计算式为

式中：T——作用于边坡滑体上得加固力；

δ——锚杆与水平面得夹角。

求得使边坡稳定性安全系数达到许用值〔Fs〕时，所需施加的锚固力计算公式为

经计算确定支护型式如图8、图9及图10所示。

竖井施工要点：实施钢筋混凝土竖井工程(如图2、3所示)：绑扎钢筋，分层浇筑混凝土，每层高度在2～4米，直至竖井混凝土全部浇筑完成，安装全部闸门；

竖井的主要结构包括：启闭机室1，取水竖井2，取水口3，通气孔4，取水闸门5，出水隧洞6，检修门7，胸墙8，取水门槽9，竖井横梁10，检修与拦污栅槽11

(1)为确保竖井旱地施工，岩坎前帷幕阻水效果较好，竖井爆破开挖必须严格爆破作业规程，应适当设置缓爆孔减少对帷幕及岩体的破坏影响。

(2)在钻孔施工前，要精确测量孔位和孔口高程。

(3)边孔欲裂爆破确保开挖边坡型状。

(4)根据竖井开挖支护方案，竖井采取自上而下边开挖边支护的型式，开挖后及时喷射混凝土封闭。

(5)应按照设计方案及时进行锚喷支护，适当增加支护锚杆的长度，必要时采取预应力锚束等支护措施。

(6)除了及时进行支护外，必须进行必要的变形监测，随时对边坡变形进行观测，出现情况及时处理。

(7)作好开挖边坡的排水处理，喷射混凝土表层应留有排水孔，减少地下水对边坡稳定性的不利影响。

3、水下明渠设计及施工要点

明渠设计：明渠与取水口、预留岩坎关系见附图11：

图11中的分别结构为：上层工作门中心线12，中层工作门中心线13，底层工作门中心线14，拦污栅中心线15，检修门中心线16，闸墩前缘17，预留岩坎18。

落闸挡水，拆除水上岩坎或围堰，闸门前充水；

明渠地质条件：

根据竖井开挖揭露的地质条件，结合前期钻孔资料，明渠部位最大覆土层厚仅1m，全强风化层14.5～21m，其余为弱风化。

岩体裂隙发育，岩体岩体强度较低，岩体为场地基岩岩性较简单，主要为太古代混合花岗岩，局部存在辉绿岩脉侵入体。明渠左侧岩体风化较重，右侧岩体较破碎。

未发现有区域性构造及较大断层构造通过，通过已开挖边坡的测绘结果，边坡岩体完整性差～破碎，包括原生节理及后期卸荷裂隙的互相切割，岩体呈镶嵌碎裂结构，同时局部有辉绿岩脉侵入体的存在，更加强了边坡岩体的破碎程度。

1、边坡支护

边坡采用锚喷及时支护，不同部位结合开挖揭露的地质条件采用不同的支护型式。

锚喷混凝土C25厚度150mm，钢筋网Φ8@200*200mm，锚杆Φ25长5m，@2*2m梅花型设置。对钻进成孔困难部位采用Φ25长5m自钻式锚杆。对钻进成孔困难部位采用Φ25长5m自钻式锚杆。

在97.5～103.5m、109.5～115.5m、123.5～125.5m设置Φ32长12m锚杆，@2*2m梅花型设置，下倾角角17°，长锚杆应在表层喷网结束后进行，垫板部位混凝土表面必须平整。

锚杆钻孔直径100mm，为确保锚杆处于钻孔中央，每隔2m宜设置一个隔离架，M20砂浆，砂浆应饱满密实。

2、爆破防护要求

因预留岩坎临近主体建筑物，需要进行控制爆破。爆破产生的危害主要是飞石、爆破震动及水中冲击波对建筑物的破坏影响，其防护目标为取水塔及大伙房水库副坝。

爆破工程安全防护要求是：

岩坎距闸墩最近距离为3.0m，距检修闸门最近距离8.5m，距二副坝140米左右，应爆破振动、水中冲击波、飞石采取技术和防护措施，确保周围建筑物的安全。

采用预裂爆破技术对岩坎边坡进行爆破，预裂爆破的相邻两炮孔间岩面的不平整度应不大于15cm，孔壁表层不应产生明显的爆破裂隙，残留炮孔痕迹保存率应控制在SL47-94第3.4.1条的规定范围内。

①爆破飞石不得损坏已建成的建筑物，爆破震动不得对建筑物，产生破坏性影响，振动速度安全标准定为5cm/s。

②爆破震动对闸墩基地固结灌浆不得产生损坏性变形。

水下施工钻孔时钻机布置在浮动式钻孔工作船上，采用套管法进行水下钻孔，加强抛掷控制爆破，使爆破后岩块向库区抛掷，震动速度应在允许范围内，水中冲击波不得对取水塔建筑物及设备(包括闸墩、竖井横梁10、取水闸门5及取水门槽9、检修与拦污栅槽11等)和大伙房水库副坝产生破坏性影响。

水下钻孔爆破施工程序见下框图12。

3、防护措施

1)防爆破飞石、滚石。在取水口设置直径不小于30cm的园木，防止大块石滚落、损坏建筑物和闸门等，园木防护高度不小于8m。园木上方挂社设宾格网防护，防止个别飞石损坏建筑物和闸门。岩坎爆破面的顶部，在每次爆破前覆盖防炮被或30cm厚砂袋，防止飞石向上空飞溅，影响取水口建筑物施工。

2)严格火工品的使用和管理。

3)安全警戒。实施爆破时，按照规定拉响警报，清理警戒线以内的机械设备、船只、作业人员、游人、游泳等非作业人员。

4)气泡帷幕。采气泡帷幕进行过滤水中震波的传递，本工程布置三组气泡帷幕，布置在闸墩前沿线和闸门之间的位置，每组气泡帷幕长度6m，底高程+98m，每组气泡帷幕由三根气泡帷幕发射管组成，间隔0.5米布置。可保证气泡帷幕滤波系数可达70％以上。

气泡帷幕发射管另一端连接21m³空压机组，其中两组气泡帷幕发射管由两端进气，另外一组发射管由中间进气，这样可以保证在安全防护范围内气泡数量均匀，从而有效保护建筑物。发射管管径32mm，上面钻小孔，设置三排小孔，中间钢管90°发射角，两侧钢管斜上45°发射角，小孔孔径1.5mm，每排小孔孔间距10cm，梅花形布置。当水下爆破起爆前5分钟，将空压机组全部打开，直接将空气注入到发射管，通过发射管上的小孔形成密集的气泡群。因为质量较轻，密集的气泡不断从发射管处往上升，从而形成三道气泡帷幕。

在所完成竖井的面临水库取水侧的外围设置安装有一在爆破作业时对竖井进行安全防护的气泡帷幕装置，该装置为在竖井上全部闸门前部与爆破作业区之间的底部，设置有一水槽，在水槽内均匀分布有二至三层金属管束层，在该金属管的管壁上均匀分布有通气孔，该金属管束底部通过软管与空压机相连通，而金属管束顶部则密封。爆破前，将启动空压机，则空压机输出的压缩空气经软管、金属管束及通气孔形成气泡层上升，从而在竖井上全部闸门与爆破作业区之间形成气泡帷幕；在爆破发生时，气泡帷幕能形成一道空气隔墙，它可以有效地缓冲爆破水击波对取竖井水塔的影响。岩坎开挖完成后，拆除挡石排及安全网。

实施竖井前水下岩体开挖工程：水下施工采用浮船法，水上定位后实施爆破，根据地质条件，分层按梯段进行岩体开挖，在保证已成竖井闸门及周边建筑物安全的情况下，合理选择爆破参数及毫秒延时技术，实施水下爆破，梯段深度控制在3～4米范围内，实施水下出渣，水下施工利用浮船及钉爬或抓斗出渣，直至水下岩体挖掘全部完成，实施底部及边坡检验。

4、施工要点

(1)水下爆破，无法标定其钻孔位置，实行随钻随测的原则。

水下爆破作业采用垂直钻孔形式。根据实际情况配接好套管长度，距水面附近配短花管，以便钻孔时石渣和水从花管中流出。套管固定好以后开始钻进，当钻孔深度达到设计要求后，加大风压上下提升钻杆，将孔底沉渣和孔壁清理干净，以便于装药。

按设计段数将塑料导爆管雷管和小药卷加工成起爆药包，主爆药包外侧用厚壁塑料袋密封两层，防止药包在装填过程中被孔壁轻易擦破。在药包上部加装30～50cm砂袋，增加药包重量，以克服水的浮力，使药包能顺利投放到孔底，砂袋直径同药卷直径。

水下爆破采用孔内外微差，实现逐孔起爆，以防止爆破震动作用对建筑物产生危害。施工时根据具体情况设计起爆网络，采取并联储备连接方式，提高网络的可靠度，确保一次起爆成功。采用复式搭接连接，保证起爆效果和建筑物的安全。

(2)由于岩石面起伏较大，根据测量实测结果，按照设计适当调整孔距、超深和装药量，以保证爆破质量。

(3)水下爆破出渣

当一次爆破结束后，随即进行清渣施工。挖渣船舶采用现场制作的驳船，在驳船上固定挖渣机械，依次挖掘，运至制定地点。