钱塘江取水口头部的桩群防撞工程技术

杭州高新（滨江）水务有限公司 杭州 310053

1 工程概况

钱塘江是浙江省最大的河流，干流全长约605 km。杭州某水厂的取水口位置即设在钱塘江、富春江与浦阳江交汇而成的三江口弯道凹岸处，水流条件较为复杂，既受上游富春江与浦阳江来流的影响，又受下游潮水的影响，但又以径流作用为主，落潮流大于涨潮流，小潮时甚至无涨潮流。

取水工程主要由取水口头部、取水管道、取水泵站及附属建（构）筑物组成。取水口头部100 m范围内为－2.24 m，外江水通过取水管自流入标准海塘内侧的集水井（泵池）。取水口头部喇叭口开口朝上，顶高程为0.90 m，水平设置拦污栅。

取水口头部采用桩群保护方式防撞，桩群防撞设施围绕取水头部2 个取水口布置。

2 取水口前防撞标准及设计船撞力[1-3]

根据取水口工程通航尺度及技术要求论证，取水口头部防撞功能可满足自航货船1 000 t级，兼顾内河驳船（一列式拖带）500 t级船队通行要求。

2.1 设计船撞力公式

经综合分析和比较，采用美国AASHTO规范公式的计算结果作为本取水口的设计船撞力。即：

式中：Ps——轮船撞击力（N）；

DWT——撞击桥梁的船舶的载质量吨位（t）；

V——设计撞击速度，即船舶撞击防撞墩时的行驶速度（m/s）。

美国《公路桥梁船舶撞击设计指导规范和评述》建议的确定船舶设计撞击速度的方法为：在航道范围内，船舶以正常速度行驶；在航道中心线至3 倍船长以外处，船舶以水流速度漂流，水流速度可按航道所在处的多年平均流速确定；此两者之间的区域，设计船速按直线内插确定。

2.2 取水口头部区流速的确定

三江航运繁忙，船舶在上游径流及下游涌潮作用下，可能会发生逃锚而危及防撞墩。

本取水口头部区位于钱塘江河口区上游起始端，以受径流作用为主，即使在大潮期间，工程水域在潮水期间流速仍明显小于洪水，边滩位置涨落潮流速更小，为1.0 m/s以下。为实地验证涌潮过后的取水口头部处的流速，2010年12月8日（农历十一月初三）浙江省河海测绘院在工程实地位置进行了潮流观测，观测了涌潮过后10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min六个时间点断面垂线流速分布，观测到的最大面层流速为0.68 m/s，最大底流速为0.48 m/s，最大垂线平均流速为0.59 m/s。

富春江与浦阳江不同洪水频率遭遇的情况下取水口位置的洪水位及流速从表1可以看出，富春江5%与浦阳江1%洪水组合后得到取水口头部最大流速1.12 m/s。

表1 不同洪水频率遭遇的情况下取水口位置的洪水位和流速

根据以上资料，取用船舶撞击防撞墩的最大撞击速度为1.12 m/s，防撞墩的设计船撞力见表2。

表2 设计船撞力

3 工程主要建筑物及布置

本工程取水口头部应用桩群保护方式防撞，是因为采用防撞桩群保护方式布设方便，对取水口过流断面影响轻微，且施工工艺成熟。其主体结构为环梁及桩基，附属结构为防撞警戒桩。

3.1 主体防撞设施

主体防撞设施为环梁及支承环梁的15 根钢管灌注桩，见图1。

图1 主体防撞设施

环梁平面尺寸为19.6 m×17.8 m，头部呈半圆形，尾部呈矩形，中部设置支撑梁。环梁采用C30钢筋混凝土结构，截面宽1 800 mm，高1 600 mm，顶高程为4.2 m。环梁顶部设置有3 个航标灯座，航标灯采用太阳能供电，灯杆采用Φ351 mm厚11 mm的无缝钢管，钢管顶高程10.0 m，管顶安装航标灯。钢结构外表面防腐采用725L-H52-9环氧防腐隔离层涂料，涂膜总厚度为1 100 μm。

支承环梁的钢管桩采用Q235Φ1 000 mm，壁厚12 mm，底高程为－25.0 m，长度为27.7 m。管内为Φ1 000 mm混凝土灌注桩，长度亦为27.7 m。钢管桩兼作管内混凝土灌注桩施工的套筒，混凝土灌注桩在钢管桩打设完毕后，在钢管桩内采用回旋钻机成孔后浇筑灌注桩混凝土作业。

3.2 附属防撞设施

附属防撞设施为警戒桩。

警戒桩承担船舶航行警戒和船舶失控碰撞防撞设施时消去其部分动能的作用。船舶航行警戒的功能由航标灯担当，对失控船舶碰撞主要考虑2 种工况：一为上游船队下行时船队甩尾碰撞，二为下游锚地小型船舶在涌潮作用下失锚碰撞。

上游侧警戒桩主要顺沿取水口头部与孔家埠围堤的转角连线布置，共4 根，桩间距为12.0 m。桩体外设置圆环体钢浮筒，当上游船队下行、船队甩尾碰撞桩体时，加以侧偏导向消能。下游侧警戒桩则平行于取水口管轴线布置，以防备下游锚地小型船舶在涌潮作用下失锚，碰撞取水头部。下游侧警戒桩共3 根，桩间距为12.0 m。

为防备小型船舶的闯入而碰撞取水头部，在警戒桩桩体间采用锚链相接。

警戒桩结构采用Q235Φ1 000 mm、壁厚12 mm的钢管桩，桩顶高程10.0 m，底高程为－25.0 m，单桩长度为35.0 m，桩顶上部设航标灯。钢管桩外表面防腐采用725LH52-9环氧防腐隔离层涂料，涂膜总厚度为1 100 μm。上游侧警戒桩内浇筑混凝土灌注桩，外设钢浮筒导向消能。

4 结语

本工程取水口头部防撞功能满足自航货船1 000 t级，兼顾内河驳船（一列式拖带）500 t级船队通行要求。因为通航代表船型以1 000 t级内河船舶为主，同时考虑通往钱塘江上游海轮的通航要求，故防撞墩的设计船撞力为4.23 MN。

防撞主要采用桩群保护方式，桩群防撞设施装置由15根钢管灌注桩和环梁组成。同时在其外围再设置警戒桩；警戒桩分别布置在取水口头部上下游内侧，共7 根。经过近两年的运行观测，本工程桩群防撞设施的防撞保护效果良好，达到了设计要求。

根据实践，我们认为防撞设施不能影响航道通航，占用航道范围应尽量小。对可能碰撞的船舶能量要进行消能缓冲，使船舶不能直接撞击取水口，或使船舶撞击力控制在安全范围内，减少船舶与防撞结构的损坏。本本程的桩群防撞设施的防撞结构简单实用，平时维修养护的费用小，被撞坏后较易修复。