复杂山区市政水厂设计中关键问题处理探讨

刘耀龙

（中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林 长春 130021）

复杂山区水厂地形高低起伏，场地条件复杂，部分施工工艺需要采取特殊措施，从而导致复杂山区水厂设计过程中需要考虑的因素众多，使得复杂山区水厂建设在某种程度受到一定阻碍。因此，需对复杂山区水厂设计过程中的特殊问题进行针对处理，推进复杂山区水厂的建设顺利开展。文章针对复杂山区水厂设计特点进行研究分析，对山区水厂设计关键问题进行具体讨论，探讨复杂山区水厂设计中关键问题的处理措施。

1 复杂山区水厂设计特点

与传统的平原场地相比，复杂山区水厂对设计的要求更高，在复杂山区中进行水厂设计时，相关设计人员应强化水厂结构与复杂山区特点之间契合度，避免复杂山区水厂设计过程中出现问题。复杂山区水厂的设计特点如下：（1）山区水厂普遍地形高低起伏较大，大范围挖填土方的现象不可避免，场区总平面多数涉及高边坡、高挡墙、土方平衡计算准确性不足等问题。（2）厂区地基土特性一般为岩性土，对深基坑、沉井等施工工艺，需要考虑有其特殊措施，采用传统的施工方案将不可取。（3）山区水厂水源地与用水城区存在一定高差，地形陡坡地段较多，作业空间有限，导致长距离输水管道施工安装困难。

2 复杂山区水厂设计关键问题及处理措施

针对复杂山区的特殊情况，文章列举水厂总平面、土方平衡、沉井、顶管设计关键问题及相应的问题处理措施。

2.1 总平面

由于山区场地地形高低起伏较大，总平面设计方案确定过程需要考虑如何充分结合场地的自然条件，进行场区建（构）筑物布置，以达到节约用地，提高土地利用率，减少土方工程量等目的[1]。对于在山区建设的水厂而言，传统的总平面平坡式布置方案平整场地的土方开挖量较大、不经济，且如果设计场地坡度较大，不仅场区建（构）筑物布置的难度会增加，还可能会增加工艺流程的布置复杂程度，从而进一步增加工程造价。

针对上述问题，在实际总平面设计过程中设计人员需要考虑如下因素的影响：地形坡度、工艺流程以及场区道路运输、占地面积大小、土石方工程量。在保证满足生产工艺流程的前提下，综合考虑厂区的总平面图布置和竖向布置，复杂山区水厂总平面布置可以考虑设置成台阶式方案，也可以结合实际情况设置成多级形式，从而保证总平面布置的统一性、一致性。总平面的台阶长边方向宜沿场地等高线布置，同时台阶的布置方向应与工艺生产流程有效衔接，以便形成自上而下阶梯顺序，场区总平面台阶的数量不宜过多.布置过多不利于场地生产运输，运行维护的难度增加，应以创造良好的生产运输条件为宜。

场地台阶的设置方式可以根据实际情况设置为边坡或者挡土墙。两种方案可以根据实际情况考虑采用，采用边坡时，节约投资，但占地面积较大。对于工程地质条件比较好的场地，可以设置为挡土墙,常用的形式为主要形式是重力式浆砌片石挡土墙，此方案具有取材容易、便于砌筑等特点，此时施工工程量较大、成本高，但可以节约用地面积。实际设计过程中可以进行边坡与挡土墙经济对比分析，选择最优的台阶方案。

2.2 土方平衡

土方平衡计算作为复杂山区水厂设计中一项重要项目，土方开挖量不仅涉及场地布置，还会涉及造价、经济等问题。目前，方格网法是场地土方平衡计算的方法中最常用的方法。该方法具有计算简便、成果直观清晰等优点。但是由于山区场地地形高低起伏和其他方面因素干扰，在此条件下此方法计算出来的土方挖填方量容易出现较大误差[2]。

针对复杂山区水厂建设场地土方平衡设计问题，为保证相应问题可以得到有效改善，就要求借助标准化软件平台对场地地形进行数字地面模型模拟，从而进行精确计算，可以考虑采用如下步骤进行计算：首先基于专业的土方计算软件（FastTFT、Civil3D、鸿叶）平台，依据已测场地地形等高线和高程点布设方格网，根据场地设计标高，坡度坡向控制，进行方格网的土方计算。其次在原始地形中将高程点离散，作数据采集；再根据离散点高程生成三角网，对生成的三角网依据实际地形进行调整，如增加、裁剪、合并等，从而保证建立的数字地面模型与实际地形一致。数字地面模型建立的准确与否，关系到能否获取的精确的的土方工程量。最后再将方格网与三角网计算的结果进行相互比较，当这两者计算结果之差是在经验值＜5%时，此时可以认为方格网计算出来的土石方量准确性可靠；否则，认为准确度不足，则需要重新检查场地的坡度、设计标高是否确定合理，再重新检查方格网的布置是否需要增加或裁剪，将方格网进行优化调整之后再次进行土方计算。

整个过程需要多次重复以上步骤，直到采用两种网格计算出的场区土方结果的差值＜5%，此时，总结得出数据结果。整个土方平衡计算过程如图1 所示。

图1 土方平衡优化计算

2.3 岩层沉井下沉

在市政水厂工程中，沉井结构具有整体性好、稳定性强、刚度大等优点，应用比较普遍。但也因沉井结构较深，导致其结构内力过大发生破坏，从而直接影响着市政结构工程的质量。目前，沉井的主要下沉施工方法有排水下沉和不排水下沉两种方法。在一般土层施工过程中主要靠减少井壁与周围土层的摩阻力、井端阻力的方法来进行沉井的下沉，而在复杂山区地质情况多为岩土层，由于开挖困难，采用传统的方法不可取。在复杂山区水厂建设现场进行岩层沉井施工时，下沉稳定验算需满足式（1）要求[3]。

式中：Ks为下沉系数，G1k为沉井自重标准值（包括外加配重的重量的标准值），Fw为下沉的浮托力标准值，Ff为井壁摩阻力标准值。

（1）增加沉井自重。施工过程中可以在沉井顶部增加配重，可以利用钢铁块或者土沙袋迫使沉井下沉，也可以考虑在沉井上提前浇筑一节来增加自重。对于不排水下沉的沉井，可以考虑将沉井内的水事先抽出一部分，减小浮托力。

（2）减小沉井外壁的摩阻力。为减小沉井的与周围土层的摩阻力，可以将沉井的井壁设计成阶梯形，如图2 所示。同时在沉井内灌砂助沉，或在井壁注射高压水流软化井壁附近的硬土，当水流沿井壁上升时可以将井壁润滑。如果刃脚下岩石层的阻力过大，难以下沉，可以考虑采用爆破方案，首先对刃脚下部直角部位岩石进行爆破，随后人工清理部分爆落岩石，再刃脚其他部位进行爆破，岩石施暴方法考虑采用静态爆破，以减小对周围场地的扰动。

图2 沉井断面构造图

2.4 长距离输水管道顶管

山区水厂与用水地往往距离较远，为满足功能需求，通常都需要长距离输送。与平原场地相比，长距离输水管道在山区特殊地貌条件下施工，受地形陡坡地段较多，作业空间有限等因素的影响，常常会导致管道施工过程中不仅安装困难，而且还会影响建设周期。特别是当管道沿半山斜坡敷设时，管线需要顺坡开挖成沟。当斜坡较大时，此时很可能会破坏斜坡的平衡状态，在后期降雨作用下，容易引发山体滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。

因此，针对场地地形陡坡，局部斜坡坡度较大可以考虑采用顶管施工穿越。采用顶管法穿越，常规操作方案如下：首先在一侧进行工作坑的开挖，之后在工作坑内根据管道的设计位置和套管的外形尺寸大小，进行内部顶进设备和套管安装。接着，将套管端部的刃脚部分用顶紧设备顶入土层中，然后作业人员在套管内部边挖土边用顶进设备把套管逐节顶入土层中，重复操作以上步骤，直到顶到目标长度为止。顶管法穿越示意图如图3 所示。

图3 顶管法示意图

当施工过程中遇见山区岩石时，可以考虑先采用风钻先击碎套管前端的石方，然后人工将碎石从管道内清理出。人工将管道内部碎石清理后，方可启动管后端的液压顶进设备向前推进套管。不断重复上述步骤，直到将套管全部顶进。通常一次清进工作长度建议设置为200 ～300mm 比较合理。

3 结论

在复杂山区进行水厂建设，因为受到地质、场地、环境等特殊因素的制约，对设计的要求更高，设计各方面都需要考虑仔细与相关问题处理，合理的设计方案一定程度直接影响山区水厂结构的稳定性和综合建设效果。

文章针对复杂山区水厂的设计特点进行分析，然后从总平面设计、土方平衡、沉井以及顶管方面进行了相关问题的分析及探讨，最后提出一些建议性处理措施，为今后复杂山区的水厂设计提供一些借鉴。