北溪引水主干渠改造平面方案比選及水力計算

許勵耕，王璐璐

[1.廈門市市政建設開發(fā)有限公司，福建 廈門 361008；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

馬鑾灣地理坐標在東經(jīng)117°52'53＂—118°01'41＂、北緯24°30'11＂—24°37'06＂之間。馬鑾灣地區(qū)基本地形特征是背山面水，東鄰廈門西海域，南、西、北三側都是陸域，形成典型的海灣地形特征。本次北溪引水主干渠改造工程屬于主干渠廈門段（全長22.084 km），由下尾村至陳井村，沿途經(jīng)過后頭村、貞岱村等村莊，現(xiàn)狀箱涵全程采用暗涵形式[1]。

本工程為供水工程，工程等別為I 等，主要建筑物為1 級，次要建筑物為3 級，臨時性建筑物為4級。主體部分箱涵、虹吸管為主要建筑物，建筑物等級為1 級；其他建筑如有利于維護的節(jié)制閘、分水渠和分水閘等為本工程次要建筑物，建筑物等級為3級；基坑、臨時圍堰等級為4 級。洪水標準：設計選取30 a，校核選取100 a。

基于北溪引水主干渠現(xiàn)狀產生的問題，改造工程的建設，將改善城市供水情況，推動優(yōu)化片區(qū)規(guī)劃，促進周邊地塊的開發(fā)，提供更好的休閑場所，對提高居民生活質量、改善投資環(huán)境均十分有利[2]。

2 工程設計

2.1 渠線設計

改造工程位于廈門市馬鑾灣新城北側臨灣地段，項目起于規(guī)劃過蕓溪濕地公園西側（即軌道2 號線東側），沿孚蓮東二路與環(huán)灣大道向東延伸，途徑下尾村、貞岱村、陳井村、地鐵4 號線、灌新路、浦林，終于深青溪東側，全長約5.746 km。跨越海滄、集美兩個區(qū)域，改造原左干渠樁號K5+223～K11+066，新建主干渠樁號K0+000～K5+739。

本次改造工程西側為已建成地鐵2 號線，本工程處于馬鑾灣北與馬鑾中心站之間。工程起點建設于老箱涵過蕓溪倒虹吸西邊，距離地鐵2 號線約為50 m。

由于過蕓溪濕地公園正在方案階段，根據(jù)規(guī)劃過蕓溪河道寬度和深度，設計箱涵倒虹段，起點施工與過蕓溪濕地公園施工工序統(tǒng)籌協(xié)調，保證過蕓溪行洪功能。

根據(jù)地形、地貌、城市用地布局，經(jīng)過多方面綜合比較，最終選擇綜合效益最佳的方案。走線方案見圖1。工程范圍總體布置圖見圖2。

圖1 工程初步總體選線方案

圖2 北溪引水主干渠改造工程（馬鑾灣新城段）工程范圍

2.2 水力計算

2.2.1 明渠均勻流水力計算公式[3]

式中：C 為謝才系數(shù)，對于平方摩阻區(qū)宜按曼寧公式確定；R 為水力半徑，m；i 為渠道縱坡，本項目初步擬定i =0.1‰；A 為過水斷面面積，m2；n 為曼寧粗糙系數(shù)，其值按《渠道防滲工程技術規(guī)范》（SL 18—2004）確定，按混凝土材料n=0.012～0.015 計取。

2.2.2 虹吸管水力計算公式

依據(jù)《灌溉與排水工程設計規(guī)范》（GB 50288—2018）附錄N 倒虹吸水力計算。

式中：Q引為引用流量，m3/s，計算值為0.4 m3/s；A 為虹吸管斷面積，m2；Z 為上下游水位差，m，計算值為0.5 m；D 為虹吸管管徑，m；L 為管長，m；λ 為沿程損失系數(shù)；ξ1為局部損失系數(shù)。

3 工程選線平面方案

3.1 灌新路節(jié)點方案擬定

基于上述渠線設計進行細化，整體思路為新建主干渠建于原左干渠與孚蓮東二路、環(huán)灣大道中間。灌新路附近環(huán)境較為復雜，灌新路隧道與新、老干渠均有交叉，此處灌新路隧道結構為U 型槽結構，斷面示意圖見圖3。擬定3 個方案進行比選，具體內容如下：

圖3 U 型槽斷面圖

方案一：利用現(xiàn)狀箱涵+ 聯(lián)通管過灌新路U 型槽。新建箱涵沿孚蓮東二路北側鋪設，與灌新路相交時，向北折與現(xiàn)狀箱涵連通，利用現(xiàn)狀箱涵通過灌新路。下游過灌新路后，向南轉折繼續(xù)沿新建環(huán)灣大道敷設。考慮到遠期供水規(guī)模需達到16 m3/s，如僅采用現(xiàn)狀舊箱涵，難以滿足，故在現(xiàn)狀箱涵南側新建3 m直徑聯(lián)通管一根，總長約80 m，待遠期供水規(guī)模提升后，聯(lián)通管使用，保證灌新路節(jié)點過流能力。方案一平面圖見圖4。

圖4 方案一平面圖

方案二：頂管下穿灌新路U 型槽。為減少新老箱涵切割存在的斷水風險，減少割接次數(shù)，擬新建2 孔鋼管DN3 000 倒虹下穿灌新路隧道，采用頂管方式施工。新建2 孔鋼管分別從U 型槽兩個排架中間穿越，鋼管外壁與樁基外邊線最小凈距1.2 m。頂管兩側分別設置工作井與接收井。方案二平面圖見圖5。

圖5 方案二平面圖

方案三：拆除U 型槽新建箱涵。為減少新建箱涵埋深，新建箱涵沿孚蓮東二路北側鋪設，與灌新路相交時向北折，建于現(xiàn)狀箱涵南側。下游過灌新路后，向南轉折繼續(xù)沿新建環(huán)灣大道敷設。修建時需拆除部分U 型槽底板和側板，新箱涵建設后，恢復U 型槽。方案三平面圖見圖6。

圖6 方案三平面圖

3.2 灌新路節(jié)點方案比選

灌新路節(jié)點3 種方案優(yōu)劣見表1。

由圖4 及表1 可知，方案一雖然平面線形圖突起，局部轉折，直觀感受欠佳，但仍布置于兩側綠地，并不占用地塊。由于利用了老箱涵，施工期對灌新路隧道影響較小。箱涵底標高為-1.48 m 左右、聯(lián)通管底標高為-5.36 m 左右，地鐵4 號線基本位于-6.5 m 以下，箱涵和聯(lián)通管皆不影響未來地鐵4 號線建設。近期階段，聯(lián)通管暫不開啟，從箱涵縱向標高上考慮，箱涵整體標高順接，并無突變點。經(jīng)水力計算，方案一水頭損失為0.029 m。遠期供水規(guī)模達到16 m3/s 后，開啟聯(lián)通管保證灌新路節(jié)點過流能力。灌新路局部區(qū)域新建主干渠+聯(lián)通管造價較高，約1 317 萬元。

表1 灌新路節(jié)點方案比選

由圖5 及表1 可知，方案二平面線形順滑，頂管方案需建設工作井和接收井，東側由于頂管井和管線最小轉彎半徑等要求，局部超出綠地，占用少量地塊。頂管凈距距離樁基1.2 m，施工過程對灌新路隧道影響較大，施工風險較大。頂管底標高為-6.5 m左右，雖然地鐵4 號線基本位于-6.5 m 以下，但兩者縱向距離較近，影響未來地鐵4 號線建設。從箱涵縱向標高上考慮，縱向增加一處倒虹。經(jīng)水力計算，方案二水頭損失稍大，為0.059 m。灌新路局部區(qū)域新建主干渠造價較高，約913 萬元。

由圖6 及表1 可知，方案三雖然平面線形突起，局部轉折，直觀感受欠佳，但仍布置于兩側綠地，并不占用地塊。本方案需拆除重建U 型槽，破壞結構整體性，且施工期間對灌新路影響較大、協(xié)調方較多，施工期間，影響交通，需協(xié)調區(qū)域交通和臨時通道。箱涵底標高為-3.93 m 左右，地鐵4 號線基本位于-6.5 m 以下，箱涵不影響未來地鐵4 號線建設。經(jīng)水力計算，方案三水頭損失為0.021 m。灌新路局部區(qū)域新建主干渠造價較高，約879 萬元。

綜上所述，本次北溪引水主干渠改造工程選擇水頭損失較小、不占用地塊、對4 號線影響較小的方案一——利用現(xiàn)狀箱涵過灌新路隧道。

3.3 其他因素

道路和綜合管廊及綠地的規(guī)劃也對北溪引水主干渠改造工程選線有較大影響。

孚蓮東二路與環(huán)灣大道下方均有綜合管廊。綜合管廊位于道路紅線以內，主干渠與綜合管廊關系見圖7。主干渠平面布置時，需考慮與綜合管廊的關系，在與老箱涵和道路較近區(qū)域采用基坑形式進行開挖。

圖7 主干渠與綜合管廊關系圖

北溪引水主干渠改造工程中，主干渠布置于規(guī)劃綠地中。規(guī)劃綠地平面布置見圖8。

圖8 主干渠與綜合管廊關系圖

3.4 選線方案確定

本次渠道改造工程盡量少占耕地、不毀或少毀林帶，同時避免渠道在改造過程中出現(xiàn)過大的填挖方量，渠道縱坡在實地測量的基礎上稍作調整。

灌新路段利用現(xiàn)狀箱涵過U 型槽，箱涵線路在灌新路段呈“幾”字形。主干渠結構形式為雙孔鋼筋混凝土箱涵，矩形暗涵內口斷面尺寸為：2 m×4.3 m×4.5 m（孔×寬×高），設計過流16 m3/s。

4 渠道水力計算

結合各渠道的實際情況，考慮施工方便，首先確定底寬，再根據(jù)明渠均勻流計算公式計算渠道水深、渠深等渠道參數(shù)，復核渠道過流能力。通過渠道水力要素計算表，使其滿足渠道不沖不淤流速，以達到設計要求[4]。

4.1 水力參數(shù)

改造段采用自流輸水方式，設計輸水量為16 m3/s，工程起終點與原箱涵接順，滿足箱涵供水能力，保證進口水位不變，保持底板高程和斷面形式與現(xiàn)狀箱涵接順。工程控制點各設計斷面、水位和高程見表2和表3。

表2 已建箱涵斷面水力參數(shù)

表3 已建箱涵控制斷面水力參數(shù)

4.2 原箱涵復核

現(xiàn)狀箱涵總長度約5 860 m，線位多處彎折，沿程有過蕓溪過河、后浦溪過河、潮瑤倒虹段，共3 處倒虹。現(xiàn)狀箱涵設計坡降1/30 000，總水頭損失0.274 m。本工程改建箱涵在起終點與老箱涵接順，新建箱涵水頭損失不影響供水能力。

4.3 新建箱涵水力計算

本工程采用重力自流輸水方式，設計輸水量為16 m3/s，工程起終點與原箱涵接順，滿足箱涵供水能力，保證進口水位不變，保持底板高程和斷面形式與現(xiàn)狀箱涵接順。與現(xiàn)狀箱涵相比，新建箱涵沿線水力條件變化如下：

（1）新建箱涵取消了現(xiàn)狀多處彎折，線形順暢，箱涵總長度減少130 m，標準段損失大大降低。

（2）新建箱涵糙率采用0.015，設計坡降1/30 000，斷面設計流速0.48 m/s，設計水深3.891 m。

（3）沿線4 處過河倒虹段：a. 過蕓溪倒虹，規(guī)劃河底高程1.30 m。b. 后浦溪倒虹，規(guī)劃河底高程0.50 m。c. 貞岱渠倒虹，規(guī)劃河底高程0.00 m。d. 深青溪倒虹，規(guī)劃河底高程1.10 m。

新建箱涵倒虹過河，倒虹段為滿管壓力流[5]。經(jīng)水力計算，采用坡降1/30 000，設計流速0.41 m/s，糙率0.015，利用現(xiàn)狀灌新路過路、倒虹斷面與現(xiàn)狀一致的方案，總水頭損失可節(jié)省0.019 m。

因此，利用現(xiàn)狀箱涵過灌新路，設計倒虹段與現(xiàn)狀倒虹斷面一致，通過設置倒虹入口段沉砂池，沉砂池設計流速0.22 m/s，可沉積大于0.35 mm 以上顆粒，滿足規(guī)范要求。閘室內建有閘門，可滿足清通要求。清通設備采取可用吸泥機配合潛水員作業(yè)清淤。

設計箱涵總水頭損失較現(xiàn)狀箱涵低0.019 m。其中，標準段水頭損失降低0.053 m，倒虹段總水頭損失增加0.034 m。

5 結 語

以北溪引水主干渠改造工程為實例，通過對改造選線中灌新路節(jié)點方案的比選及其他因素的分析確定最終選線方案，并進行了新老箱涵水力計算。結果表明，新建箱涵水頭損失大大降低。北溪引水主干渠改造工程的實施可為今后類似工程提供依據(jù)和參考。