五緣灣水域整治工程護岸箱涵導流結構分析

黃毅峰

（廈門合誠工程設計院有限公司，福建 廈門 361015）

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

五緣灣是廈門惟一集濕地公園、海灣內(nèi)灣等自然資源于一身的生態(tài)海灣，這里坐擁海岸線、五緣內(nèi)灣、環(huán)灣步行道、85hm 濕地公園，還有國際帆船港，經(jīng)過多年的開發(fā)建設五緣灣已成為廈門島內(nèi)城市“新客廳”。

隨著五緣灣上游村莊城鎮(zhèn)化的發(fā)展原因及現(xiàn)有污水管的截污能力有限，城中村的市政管道未進行改造，上游村莊雨污未分流，汛期為了防止上游內(nèi)澇，各管涵開閘放水，導致上游的污水進入五緣灣，使得內(nèi)灣水質惡化水體發(fā)臭，水體富營養(yǎng)化導致護岸比其他海岸更黑、臭。另外原水閘由于常年關閉長滿海生物，啟閉困難，在污水進入灣內(nèi)而閘門沒有開啟增大內(nèi)外灣水體交換，導致五緣灣出現(xiàn)現(xiàn)在的水體惡化情況。

針對上述問題策劃五緣灣水域整治工程項目進行水域范圍整治，工程主要內(nèi)容包括閘壩修復工程、護岸工程、清淤工程、道路橋梁工程等內(nèi)容。護岸工程主要是內(nèi)灣護岸進行修復及提升改造，其中整治提升典型的護岸為處于內(nèi)灣灣頂?shù)拇b碎石護岸。護岸整治前該段護岸為斜坡式袋裝碎石護岸，護岸范圍內(nèi)有三個排水箱涵，為5、6 號箱涵及湖邊水庫箱涵，箱涵上游由于雨污分流未改造完全，平時箱涵上游閘門關閉避免污水進入五緣灣，雨季汛期時為了滿足上游片區(qū)排澇泄洪需要打開閘門，此時雨污混流進入五緣灣，箱涵口門及附近的護岸大量沉積污水中的雜質，整段護岸發(fā)黑發(fā)臭，景觀效果極差。

隨著復旦中山醫(yī)院項目的落地，對周邊的環(huán)境提出了更高的要求，工程項目對該段護岸進行整治提升，在護岸的坡腳處建造直立式擋墻后方回填成為沙灘給附近的居民提供休閑娛樂場所，范圍內(nèi)的箱涵相應的進行延伸至新建的護岸位置。箱涵延伸需創(chuàng)造干地施工條件，同時施工期間需滿足湖邊水庫箱涵的上游排水要求，故需對箱涵接長范圍進行施工圍堰擋住潮水（五緣灣內(nèi)外海高水位時聯(lián)通）創(chuàng)造干地條件，同時應對雨季汛期箱涵上游來水進行導流避免基坑范圍被水淹沒影響施工。

5 號箱涵為雙孔鋼筋混凝土箱涵，其單孔凈尺寸為寬×高=3.60m×1.60m，護岸定位線內(nèi)箱涵縱坡為1.61%，護岸定位線外箱涵縱坡為0.3%。箱涵于護岸定位線處涵內(nèi)底標高為-1.34m。

6 號箱涵為雙孔鋼筋混凝土箱涵，其單孔凈尺寸為寬×高=3.00m×2.00m，護岸定位線內(nèi)箱涵縱坡為1.02%，護岸定位線外箱涵縱坡為0.25%。箱涵于護岸定位線處涵內(nèi)底標高為-1.73m。

湖邊水庫箱涵為三孔鋼筋混凝土箱涵，其單孔凈尺寸為寬×高=4.00m×2.50m。

護岸、圍堰及箱涵接長平面位置關系示意圖如圖1 所示。

1.2 工程特點

工程實施前五緣灣內(nèi)外灣由音樂島兩側的地水壩和水閘分隔，低水壩頂標高1.0m（黃海高程，下同），設計高水位3.30m，設計低水位-2.48m（見圖2）。高水位時內(nèi)外灣與外海相聯(lián)通，低水位時由低水壩保持內(nèi)灣景觀水位，這就決定著箱涵接長需要施工圍堰創(chuàng)造干地施工條件，同時由于箱涵承擔上游水庫的排洪功能，又需要對箱涵進行必要的封堵和導流，否則上游來水會造成基坑淹沒導致箱涵基礎施工困難。

圖2 五緣灣內(nèi)外灣閘壩修復效果圖

根據(jù)調(diào)查及現(xiàn)場踏勘，5 號箱涵及6 號箱涵上游來水量較小直接進行口門封堵，對滲流水量進行抽排。湖邊水庫由于承擔上游排洪功能，不能直接進行封堵而不進行導流，同時導流結構不能占據(jù)箱涵接長范圍的施工空間。

2 設計思路

2.1 基本設計思路

首先，對三孔箱涵的口門進行封堵，雍水。

其次，箱涵頂部進行開孔，使得封堵的雍水由頂部開孔溢出。

再次，在箱涵頂部開口位置外圍施工臨時鋼筋混凝土導流明渠。臨時導流明渠方向與箱涵接長方向大致垂直，避免與接長方向的作業(yè)面交叉創(chuàng)造箱涵接長施工空間，并根據(jù)現(xiàn)場圍堰和護岸位置最終確定線位，將開孔外溢的水流由臨時明渠導流出基坑外進入五緣灣內(nèi)灣水域。

最后，導流明渠末端設置一塊擋板，箱涵未排洪時高水位關閉，防止潮水倒灌。

2.2 現(xiàn)場實施方案

根據(jù)三孔箱涵尺寸，預制好三塊厚250mm 鋼筋混凝土封堵板塊，在預制板上預埋鋼筋連接拉環(huán)。在距離箱涵口邊緣700mm 位置進行開口，開口寬度為2.5m。在開口上游側邊緣設置拉環(huán)。安放封堵預制板，預制板上部支撐為箱涵開口處頂板，底部支撐為點支撐，由布設的鋼筋拉條提供，預制板左右兩側約束為箱涵邊墻，預制板四邊均有約束條件可以有效防止預制板在水流的沖擊下移動。開口及封口板施工安放完畢后，在箱涵范圍內(nèi)的開口邊緣頂板進行植筋，并在植筋位置施工鋼筋混凝土導流明渠翼墻厚400mm，保證導流明渠與箱涵形成整體，提高結構的安全穩(wěn)定系數(shù)。護岸范圍外的導流明渠，先進行場地整平碾壓，并在施工C15 素混凝土墊層150mm 后，施工明渠C30 鋼筋混凝土底板和翼墻（厚400mm）。翼墻頂高程為3.55m，渠底標高1.05m 至0.45m。方案平面及斷面圖見圖3～圖5。

圖3 導流結構平面圖

圖4 導流結構立面圖及預制封堵板

圖5 導流明渠斷面圖

3 有關參數(shù)的選取及計算

3.1 導流明渠翼墻頂高程確定

翼墻高程確定既跟明渠底高程有關又與外圍潮位有關，要求明渠有足夠的水深以達到排水能力，避免由于翼墻高程過低水深不足導致沿程水面超出翼墻高程外溢至基坑范圍，同時也能避免外圍高水位時海水倒灌進入明渠和箱涵。根據(jù)以上兩個原則確定施工期的導流翼墻高程為3.55m。

3.2 明渠排水能力計算

水力計算按明渠均勻流公式計算低潮時導流渠的理論最大排水量，根據(jù)箱涵頂高程與導流翼墻高程結合現(xiàn)場空間明渠箱涵外的標高由1.05m 降至0.45m，長度15m，平均坡降4%，根據(jù)箱涵的坡降和明渠的坡降擬定明渠寬5.2m,水深按2m，計算明渠在低水位時的排水能力如下：

式（1）中：Q——流量(m3/s);

A——過水斷面積（m2），計算得10.4m2；

C——謝齊系數(shù)(m0.5/s)，計算得60.3m0.5/s；

χ——濕周（m），計算得9.2m；

R——水力半徑（m），計算得1.13m;

i——渠道底坡，取0.04；

n——糙率，取0.017.

以上公式代入?yún)?shù)得:Q=132.7m3/s。

計算得到明渠排水能力大于同等條件下箱涵的排水能力，故擬定的導流明渠斷面尺寸滿足排水要求。

3.3 鋼筋拉條計算

單塊封堵板受到的水流沖擊力按《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010）13.0.1 條計算，排洪時箱涵的出口水流流速根據(jù)資料結合現(xiàn)場調(diào)查按3m/s 計。

作用于港口工程結構上的水流力標準值應按式（2）計算。

Fw——水流力標準值（kN);

Cw——水流阻力系統(tǒng)；

ρ——水密度（t/m3），淡水取1.0，海水取1.025；

V——水流設計流速(m/s)

A——計算構件在與流向垂直平面上的投影面積（m2)

式（2）中，水流阻力系數(shù)按《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010）13.0.3 條的水流阻力系數(shù)表（ 表13.0.3-1）選用矩形梁進行計算。

公式帶入?yún)?shù)計算得到封堵板塊受到的水流力：

水流力分項系數(shù)取1.4 則水流力設計值為128.41×1.4=180kN,拉筋用二級鋼，fy=300N/mm2，拉筋的力臂長度經(jīng)計算為1.5m。假設不考慮預制板與箱涵底部摩擦力提供的穩(wěn)定作用。

則拉筋所需提供的拉力F=Fw×（3/2）/1.5=180kN。

一個孔封堵板所需的鋼筋面積為：

A=180×1000/300=600mm2；若采用鋼筋直徑為20mm，則需2 根。

3.4 配筋計算

根據(jù)導流明渠確定的標高，驗算導流明渠的配筋，由于導流明渠為項目工程的臨時結構，結構使用時間較短，在工程完成后須給予拆除，故結構的受力計算僅按承載力極限狀態(tài)而不用考慮正常使用極限中的裂縫要求，同時導流明確無特殊的抗?jié)B要求，用普通類型的混凝土施工即可滿足使用要求。結構受力按明渠在使用過程出現(xiàn)的極端工況進行驗算，即導流明渠滿流情況下底板和側墻的配筋。有關參數(shù)如下：

槽身凈高(底板頂面至側墻頂)H=3.1m；

槽身凈寬B=5.2m；

設計水深h=3.1m；

側墻底寬t1=0.4m；

底板厚t2=0.4m。

經(jīng)計算，側墻墻底彎矩設計值為54.62kN·m；底板端部彎矩設計值為41.64kN·m；底板跨中彎矩設計值為-109.64kN·m（彎矩符號以使內(nèi)側受拉為正）。最終根據(jù)彎矩設計值和最小配筋率要求確定配筋。

4 施工工藝及工程效果

4.1 施工工藝流程

施工準備—預制封堵板—箱涵開口—安裝封堵板—箱涵頂板植筋—明渠基礎整平—施工混凝土墊層—模板安裝鋼筋綁扎—混凝土澆筑及養(yǎng)護。

4.2 施工效果

原設計箱涵施工選擇在冬季枯水期進行搶工期施工，因為各種客觀因素影響導致箱涵接長無法完全在枯水季節(jié)施工完成，導致5-6 號箱涵封堵造成上游小范圍內(nèi)澇，經(jīng)參建單位研究增加臨時抽水臺班等措施得到有效控制，施工期間箱涵的接長未出現(xiàn)突發(fā)安全事件，明渠導流運行良好獲得預期效果。項目的導流措施施工費用比起工程及臨時圍堰占比小，經(jīng)濟效果顯著。

施工過程現(xiàn)場照片如圖6 所示。

圖6 導流明渠現(xiàn)場照片

5 結語

首先，箱涵接長是目前很多工程會碰到的問題，如何以技術可行經(jīng)濟合理的工程措施達到工程目的需要多方面的結合，尤其是箱涵在接長時尚需承擔原有的排洪功能。在施工作業(yè)空間有限的情況下，就需要在充分掌握基礎資料和周邊情況的基礎上，把握每一個細節(jié)方可達到預期效果。其次，該工程的導流結構為臨時措施，箱涵接長完成后須進行拆除，設計過程中把握結構整體受力不變形過大導致結構失效即可，鋼筋混凝土的裂縫不是主控條件。最后，該工程給同等規(guī)模的箱涵接長同時需要設計導流結構的項目，提供一定的參考價值。