特大型水上水厂船在三峡工程中的应用

彭伟光 武春燕 阳月恒
(长江水利委员会勘测设计院)

　　摘要：将特大型水上水厂船应用于水电工程，三峡工程是个创举，它能比较好地解决因分期导流带来的重复兴建大规模固定式水厂所造成投资浪费问题，且能降低运行成本，因而是一种优化的工程供水方式。在浪小流缓，流态稳定的水域或有好的停泊位置的大江上，有其应用的价值。
　　关键词：水上水厂；船岸连接；应用研究

1 问题的提出

　　水利水电枢纽工程施工的特点是：周期长，规模大，采用分期施工，均在大江大河上兴建。在工程兴建过程中，大坝混凝土浇筑和施工企业生产需要大量的施工用水和生活用水。如葛洲坝工程一、二期施工高峰用水量达76万t/d，隔河岩工程达18万t/d，三峡工程一、二、二期施工高峰生产用水量总和达201.51万t/d，为此，需建设大规模的供水设施。

　　长江三峡工程分三期施工：一期工程主要在长江的右岸，施工导流明渠、混凝土纵向围堰；二期工程主要在左岸，兴建泄洪闸、左厂房坝段、左电站厂房等；三期又回到右岸，施工右厂房坝段、右电站厂房、右非溢流坝段，此时坝已蓄水发电，水库水位高程达135m，比一、二期提高了69m。一、二期兴建的水处理构筑物都不适宜二期使用，但各期分别兴建固定式水厂，不仅投资规模大，占地多，而且运行费用高。因此，拥有一个移动式的水厂，随着用水点的变化而移动，既可节省投资，又能降低运行费，是一个非常经济合理的设计方案。80年代早期，一种新型净化水系统问世，它将取水、净水构筑物、加压等集中放在船舱内，江(湖)水经净化处理，符合国家卫生标准后，加压送给用水户。这就是水上水厂(或称水厂船)。

　　由于水上水厂将取水、混合、反应、沉淀、过滤、消毒、二级泵站及附属设施(化验、抢修、仓库、办公室、值班宿舍)均置于船体内，做到泥沙不上岸，从而获得较显著的经济效益。

　　水上水厂的特点是：技术先进、布置紧凑、不占或少占土地、可移动、便于集中管理、制造投资省、制水成本低等。这些特点符合水利工程、特别是三峡工程分三期施工的要求。在此以前，我国水上水厂船规模都比较小，一般在1.0～2.0万t/d以下，最大的也不过3.5万t/d，且从工艺到结构都存在一些缺陷。在三峡工程中应用更大型的水上水厂是经过深入研究的。

2 水上水厂的应用研究

　　三峡工程水上水厂应用研究主要包括：水上水厂规模和数量，水上水厂的停泊条件，水上水厂如何适应水利工程用水量的变化以及水上水厂的船岸连接等四个方面。

2.1 水上水厂的规模和数量

　　三峡工程施工期大型的用水户有大坝施工用水、大坝混凝土冷却用水、制冷系统用水、砂石骨料冲洗用水、生活水、空压站用水等，总用水量二期高达127.91万t/d。这些用户对水质的要求各异，用后排放的废水质量相差很大。为减少从河中取水量及二期基坑抽排水量及相应的工程投资，必须根据不同废水水质特点，分别对用水户排出的废水进行回收处理，循环使用。对大坝混凝土施工用水采用供水；制冷系统、大坝混凝土冷却系统，设降温循环水系统；混凝土骨料加工系统、二次筛分系统分别设废水回收及处理系统。因此，供水系统只补充损耗水量，从而把从河中取水的规模压低到最大限度，二期施工用水量和配水量见表1。

表1 三峡二期施工用水量和配水量表 (万t/d)

　　根据以上用水规模，考虑经济、技术、灵活移动适应工程分期施工，停泊区域等多种因素，三峡工程需要三座水上水厂，每座规模为9万t/d。

　　三峡工程9万t/d水厂船为钢质船体，型长82m，型宽22m，型深3.8m，吃水2.7m，干舷1.1m。总排水量4600t。除底舱外，上部结构共两层，分别布置制水设施及船员生活设施。全船共四个基本制水单元，首尾对称布置。每制水单元包括网格式反应池，斜管沉砂池。取水部分为6台轴流泵，两组预沉池，布置于甲板层船体中部外旋侧。排泥为机械排泥。

　　送水系统布置于底舱中部，设两种型号共四台清水泵，流量分别为1100m3/k和2400m3/h，清水泵配6kV高压电机。甲板层中部设全船供配电设施，分别设有变压器室，6kV高压电器室、400V低压配电室及计算机控制室。全船制水系统可实现计算机控制。

　　根据计算，采用水上水厂比采用陆上水厂减少水厂规模40万t/d，可节省投资约8000万元。

2.2 停泊条件

　　自然状态下的长江西陵峡区三斗坪江段，是一个近90℃的大转弯。由于三峡工程一、二、三期施工围堰对河势的影响，使该江段在施工期的流速流态发生很大变化，完全改变了长江两岸的天然状况。右岸从茅坪溪镇至高家冲，一期围堰占据了右河床，围堰上下游形成了新的淤积区；二期拆除右岸上下游围堰，明渠导流，长江水流从明渠通过，主流靠右岸，高家冲以下近岸流速很大，左岸淤积严重。左岸一期从覃家沦至坝河口，施工船闸引航道与长江之间的隔流堤。二期时，苏家坳至覃家沱被二期围堰占据，这就要求三峡给水工程的水上水厂分期布置在左右岸不同部位，并能随之搬迁。使之既能避洪又能防淤积。为此提出停泊区的水工泥沙模型试验。为了选择合适的水上水厂的停泊点，须进行泥沙模型试验研究，在三个施工期阶段以72300、66000、45000、25000、10000、5000m³/s六种流量级别，以1964～1968年的5年作为典型输沙年(包括1966年中水丰沙年，1968年丰水丰沙年和1967年小水小沙年)模拟施工准备期、施工导流一期和二期水上水厂停泊区的来水来沙条件，用正态全沙模型试验方法，对上起太平溪下至黄陵庙河段进行淤积地形研究。停泊区的合理选择是保证水上水厂和整个给水工程安全的首要条件，根据三峡工程所在江段的条件，停泊区必须满足两个基本条件，即在5%洪水频率条件下，江水表面流速≤3m/s，枯季水深>3m。

　　根据工程布置、河势条件，我们曾研究了多个停泊区方案。其中右岸有朱家屋场、高家冲、白庙子、纵向围堰等四个停泊区；左岸有刘家河、覃家沦、隔流堤等三个停泊区。

　　右岸土石纵向围堰靠大江侧，在5%洪水频率条件下，满足流速≤3m/s、枯季水深>3m停泊条件，但是纵向围堰形成晚，拆除早，不能满足一期工程的用水需要；高家冲位于右岸下游围堰的下游，由于受围堰的影响，一期时淤积严重，二期时又处于导演明渠的出口，洪水期流速很大，不宜停船，为此停泊区只能选择在白庙子和朱家屋场一带。根据模型试验，白庙子、朱家屋场两个停泊点离岸80m以内，流速<3m/s和淤积高程在63m以下，满足停泊的要求。左岸苏家坳至覃家沱，一期工程前期从江水流速和水深都有很好的停泊点，但是，这一带要开挖左厂房基础，施工干扰大，后期上下游围堰要进占。二期时是泄洪闸和左厂房的施工区，一、二期均不能停泊船只。陈家冲至坝河口江段一期是修建隔流堤的高峰期，施工干扰极大，没有停船位置。覃家沱至陈家冲江岸一带，一期变化不大，从模型资料看，水深和流速可满足停泊要求，而且紧靠用水区，输水距离短。故一期只能选在覃家沱。

　　二期右岸明渠导流，主流靠右，覃家沱停泊区受下游围堰的影响，属于淤积区，必须移动泊位。上游苏家坳至上横向围堰江段受上游横向围堰的影响，离岸100m内，枯季属于淤积区，只能在刘家河以上；但此处距坝轴线达3km以上。输水管线要横向跨过临时船闸的进口段，施工困难，岸线边坡复杂，整治工程量大，施工干扰大，没有施工道路，交通运输不便。陈家冲至坝河口江段，隔流堤将要施工完毕，堤顶高程70m，陈家冲江段的隔流堤有高程76m、宽8m的子堤，略低于20年一遇(72300m3/s)洪水位(76.2m)，为布置水上水厂提供了选择条件。根据有关模型试验资料分析，隔流堤在许家冲桩号(1+700)靠江一侧，流速在3m/s左右，小流量时近岸有部分淤积，适当调整船位是可以选择到有利的停泊位置。根据以上试验，选取左岸覃家沱、隔流堤，右岸朱家屋场、白庙子等四个停泊区作为一、二期水上水厂的停靠点。

2.3 如何适应水利工程用水量变化

　　水利工程的用水大户都是不连续生产的，一般每日生产一班、二班或三班，每班工作日制为6～7k，生产水用户工作日制对水厂的出水水量产生很大影响。众所周知，水厂运行产水量变化愈小，水厂出水水质愈稳定。以前的大多数水上水厂由于直接向管网供水，为了使高峰时水厂出水水质符合标准，只能压产量，或增加投药量来保证出水水质。但是这种运行方式对突然增荷的水利工程水厂是无法满足工程之需的。为了解决这个问题，我们从以下两个方面入手。

　　(1)从水厂本身工艺设计人手，改变进水条件，使用变频调速泵，当出水量减少时，进水就相应减少，达到节省能源和药耗。

　　(2)增加调节构筑物。水利水电工程生产水的规模大，集中用水的大用水户多，不可能按生活水要求设调节构筑物，也不像城市工业用水时变化系数低，一般可不设或少设调节构筑物。根据多年对大型水利水电给水工程设计和运行综合比较研究，按日产水量的4%设调节构筑物，起到了在用水户突增突减水量情况下，达到稳定水厂出流，平稳过渡，保证出水水质，降低药耗的目的。

2.4 水上水厂适应河势变化的研究

　　首先，根据停泊区模型试验选择停泊点，停泊点条件：①停泊点在大洪水(20年一遇)时，水流表面流速≤³m/s；②枯水期水深≥3m；③靠近用水区，输水距离短。按上述三个条件分期在长江左右两岸选取五处停泊点。第二，要适应三峡江段11m水位变幅。

　　要适应水位及河势变化，就要有一套灵活的连接船岸之间联络管。设计人员研究了多处取水囤船的船岸之间不同型式的联络管，这些联络管无论那种型式都因受力不均，漏水严重，避洪困难，联络管长度短，适应水位变幅小，移位操作十分困难。针对这个问题，研究出一种能适应三维方向变化，运行自如，不漏不渗的双向活络接头，长度达30m，直径为900mm的曲臂式联络管，又兼作人行桥，桥上设有可随意调节坡度的步行踏步。操作人员可自岸上直接从管桥到船上，或自船上到岸上。岸端设置钢筋混凝土平台和支承桩，这种接头的内部结构及运行性能为国内首创。

　　为了解决矾上船搬运的困难，矾库设在岸上，矾溶解后，矾液管由岸上顺管桥输矾液上船。加强船体安全设计，使该船在江中流速达3至4m/s、八级大风情况下能安全运行。参见照片。

3 三峡工程水上水厂的建设和运行

　　三峡工程9万t/d水厂船由长江委设计院负责设计，1993年5月提交设计方案，经总公司组织专家进行评审，并一致通过了设计方案和所实用的工艺、新技术。经公开招标，宜昌船厂和葛洲坝自来水公司中标联合制造其中的一艘(1^#)水厂船，湖北船厂和武汉自来水公司联合制造另外一艘(2^#)。两艘水上水厂船同时于1994年1月开始建造，工期10个月，于1994年11月建成投产。经中国三峡总公司组织设计、监理、运行单位进行全面验收，整体质量优良。

　　按照原设计，还需建造第三艘水上水厂船。中国三峡总公司经测算工程用水量，认为两艘水厂船即可满足工程需要，遂决定不建第三艘，从而节约投资2000万元。

　　水厂船建成后，1#船停泊于左岸覃家沱，为左岸永久船闸、临时船闸和左岸厂坝段提供施工用水，2^#船停在右岸朱家屋场，为右岸茅坪溪防护坝、右岸一期工程等提供施工用水。1998年，因一期工程结束，原停泊在右岸的朱家屋场的2^#水厂船和停在覃家沱的1^#水厂船均移到左岸下游隔流堤外侧，一并向左岸工程供水。

　　在长江上停泊大型水厂船在我国尚属首次，由于长江水位涨落幅度比较大，相差11米，汛期浪大流急，流态变化无常，这些都对水厂船的运行带来很大困难。特别是1998年大洪水，八次洪峰接踵而来，一度威胁到水厂船的安全。但通过科学调度，拖轮保护移位等措施，使水厂船安全地渡过大洪水。

　　水厂船投产5年多以来，共向三峡工程供水1.5亿t，供水水质完全满足工程要求，水厂船的运行也是安全可靠的。这表明水厂船在三峡工程上的应用是成功的。

4 几个问题的分析

4.1 经济比较分析

　　经济比较分析水上水厂有许多优点，其建造费用少、制水成本低，是比较显著的，这是它和陆上水厂相比较明显的优势。在设计阶段，根据用水量测算的需建水厂规模，认为建陆上水厂比建水上水厂多投资8000多万元。但在施工期转换、水厂船左右岸移动过程中，需要多次建造码头和船岸连接设施，也需大量投入。据统计，三峡工程两条水厂船自1994年11月投产以来，用于建设码头和船岸连接设施的费用达2500万元之多。预计三期工程水厂船转移至右岸尚需投入800万元。另外，由于长江浪大流急，流态变化莫测，几年来用于水厂船防汛和清淤的费用超过600万元。在进行经济比较时，也应该综合考虑这些影响因素。

4.2 水上水厂停泊位置的选择

　　水上水厂停泊位置条件好坏决定了水上水厂能否安全运行，可靠供水，因此十分重要。正是基于这个原因，为了选择合适的水上水厂的停泊点，长委设计院进行了泥沙模型试验研究，根据在5%洪水频率时，江水表面流速≤3m/s，枯季水深>3m两个条件，选择了比较好的停泊地点。但在二期工程期间，两条9万t/d水上水厂船停泊地点，还是出现了比较严重的淤积，淤积一般发生在汛初和汛末，有时淤积速度非常之快，如不及时清淤或移船，水厂船就会搁浅。为了保证水厂船的安全生产，每年都不得不几次清淤、移船，投入大量经费。经分析，选成这种情况的原因有几个方面：

　　一是停泊的船位选择不好，根据试验，发现小流量时近岸部分有淤积，需适当调整船位以选择有利的停泊位置，但在实际工作中，最佳位置的选择还是有偏差。

　　二是在停靠点下游，有一临时围堰，该围堰减缓了停泊点江水流速并改变了流态，造成泊位淤积。

　　三是上游施工造成流态的变化。

　　因此，在选择停泊的位置时，应该全面考虑各种影响因素和施工过程中可能出现引起江水流态变化的条件。有时甚至要做方案比较，宁可多铺管道，也要把泊位选好。

4.3 水上水厂船与岸边的连接

　　水上水厂的船岸连接是一个十分重要的问题。船岸连接要解决三个问题：把水上水厂生产出来的水送到岸上，再输送到各用水点；人员能方便地上下船；矾液能输送上船。还要满足三个条件，在大风浪的作用下，船岸连接设施要安全；供水不能中断或出现漏水；能适应水位变化。

　　三峡工程的水上水厂船岸连接采用嵌岩钢管桩栈桥式、管桥加跳船连接和浮墩加跳船连接等三种形式。

　　从三峡工程的应用情况看，三种连接方式各有优缺点。一期工程时，用的是嵌岩钢管桩桥式连接，应该说，该种形式的连接设计是比较先进的，能比较好适用水位变化，受岸边干扰少，比较安全可靠。但其缺点是造价高。一期工程2个水上水厂船岸连接总投资1500万元之多，其中护坡占一半左右，主要原因是在长江中上游河床覆盖层厚度不均匀的条件下桩基施工困难。加之有效利用时间只有3～4年，从经济上看更不合理。因此在二期工程时，改用管桥加跳船连接和浮墩加跳船连接。该两型船岸连接的优点为，不需做嵌岩钢管桩，护坡要求也相对低一些，因而可大大节约投资，约为嵌岩钢管桩栈桥式连接投资的1/4～1/3，且施工简单方便，对于使用年限较短的情况优势十分明显。其缺点是靠岸边较近，易受淤积的影响，浮墩加跳船式连接还要经常调整位置，对运行的要求高。