北溪引水主干渠改造平面方案比选及水力计算

2022-11-24许励耕王璐璐

城市道桥与防洪 2022年10期

许励耕，王璐璐

[1.厦门市市政建设开发有限公司，福建厦门 361008；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

1 工程概况

马銮湾地理坐标在东经117°52'53＂—118°01'41＂、北纬24°30'11＂—24°37'06＂之间。马銮湾地区基本地形特征是背山面水，东邻厦门西海域，南、西、北三侧都是陆域，形成典型的海湾地形特征。本次北溪引水主干渠改造工程属于主干渠厦门段（全长22.084 km），由下尾村至陈井村，沿途经过后头村、贞岱村等村庄，现状箱涵全程采用暗涵形式[1]。

本工程为供水工程，工程等别为I 等，主要建筑物为1 级，次要建筑物为3 级，临时性建筑物为4级。主体部分箱涵、虹吸管为主要建筑物，建筑物等级为1 级；其他建筑如有利于维护的节制闸、分水渠和分水闸等为本工程次要建筑物，建筑物等级为3级；基坑、临时围堰等级为4 级。洪水标准：设计选取30 a，校核选取100 a。

基于北溪引水主干渠现状产生的问题，改造工程的建设，将改善城市供水情况，推动优化片区规划，促进周边地块的开发，提供更好的休闲场所，对提高居民生活质量、改善投资环境均十分有利[2]。

2 工程设计

2.1 渠线设计

改造工程位于厦门市马銮湾新城北侧临湾地段，项目起于规划过芸溪湿地公园西侧（即轨道2 号线东侧），沿孚莲东二路与环湾大道向东延伸，途径下尾村、贞岱村、陈井村、地铁4 号线、灌新路、浦林，终于深青溪东侧，全长约5.746 km。跨越海沧、集美两个区域，改造原左干渠桩号K5+223～K11+066，新建主干渠桩号K0+000～K5+739。

本次改造工程西侧为已建成地铁2 号线，本工程处于马銮湾北与马銮中心站之间。工程起点建设于老箱涵过芸溪倒虹吸西边，距离地铁2 号线约为50 m。

由于过芸溪湿地公园正在方案阶段，根据规划过芸溪河道宽度和深度，设计箱涵倒虹段，起点施工与过芸溪湿地公园施工工序统筹协调，保证过芸溪行洪功能。

根据地形、地貌、城市用地布局，经过多方面综合比较，最终选择综合效益最佳的方案。走线方案见图1。工程范围总体布置图见图2。

图1 工程初步总体选线方案

图2 北溪引水主干渠改造工程（马銮湾新城段）工程范围

2.2 水力计算

2.2.1 明渠均匀流水力计算公式[3]

式中：C 为谢才系数，对于平方摩阻区宜按曼宁公式确定；R 为水力半径，m；i 为渠道纵坡，本项目初步拟定i =0.1‰；A 为过水断面面积，m2；n 为曼宁粗糙系数，其值按《渠道防渗工程技术规范》（SL 18—2004）确定，按混凝土材料n=0.012～0.015 计取。

2.2.2 虹吸管水力计算公式

依据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—2018）附录N 倒虹吸水力计算。

式中：Q引为引用流量，m3/s，计算值为0.4 m3/s；A 为虹吸管断面积，m2；Z 为上下游水位差，m，计算值为0.5 m；D 为虹吸管管径，m；L 为管长，m；λ 为沿程损失系数；ξ1为局部损失系数。

3 工程选线平面方案

3.1 灌新路节点方案拟定

基于上述渠线设计进行细化，整体思路为新建主干渠建于原左干渠与孚莲东二路、环湾大道中间。灌新路附近环境较为复杂，灌新路隧道与新、老干渠均有交叉，此处灌新路隧道结构为U 型槽结构，断面示意图见图3。拟定3 个方案进行比选，具体内容如下：

图3 U 型槽断面图

方案一：利用现状箱涵+ 联通管过灌新路U 型槽。新建箱涵沿孚莲东二路北侧铺设，与灌新路相交时，向北折与现状箱涵连通，利用现状箱涵通过灌新路。下游过灌新路后，向南转折继续沿新建环湾大道敷设。考虑到远期供水规模需达到16 m3/s，如仅采用现状旧箱涵，难以满足，故在现状箱涵南侧新建3 m直径联通管一根，总长约80 m，待远期供水规模提升后，联通管使用，保证灌新路节点过流能力。方案一平面图见图4。

图4 方案一平面图

方案二：顶管下穿灌新路U 型槽。为减少新老箱涵切割存在的断水风险，减少割接次数，拟新建2 孔钢管DN3 000 倒虹下穿灌新路隧道，采用顶管方式施工。新建2 孔钢管分别从U 型槽两个排架中间穿越，钢管外壁与桩基外边线最小净距1.2 m。顶管两侧分别设置工作井与接收井。方案二平面图见图5。

图5 方案二平面图

方案三：拆除U 型槽新建箱涵。为减少新建箱涵埋深，新建箱涵沿孚莲东二路北侧铺设，与灌新路相交时向北折，建于现状箱涵南侧。下游过灌新路后，向南转折继续沿新建环湾大道敷设。修建时需拆除部分U 型槽底板和侧板，新箱涵建设后，恢复U 型槽。方案三平面图见图6。

图6 方案三平面图

3.2 灌新路节点方案比选

灌新路节点3 种方案优劣见表1。

由图4 及表1 可知，方案一虽然平面线形图突起，局部转折，直观感受欠佳，但仍布置于两侧绿地，并不占用地块。由于利用了老箱涵，施工期对灌新路隧道影响较小。箱涵底标高为-1.48 m 左右、联通管底标高为-5.36 m 左右，地铁4 号线基本位于-6.5 m 以下，箱涵和联通管皆不影响未来地铁4 号线建设。近期阶段，联通管暂不开启，从箱涵纵向标高上考虑，箱涵整体标高顺接，并无突变点。经水力计算，方案一水头损失为0.029 m。远期供水规模达到16 m3/s 后，开启联通管保证灌新路节点过流能力。灌新路局部区域新建主干渠+联通管造价较高，约1 317 万元。

表1 灌新路节点方案比选

由图5 及表1 可知，方案二平面线形顺滑，顶管方案需建设工作井和接收井，东侧由于顶管井和管线最小转弯半径等要求，局部超出绿地，占用少量地块。顶管净距距离桩基1.2 m，施工过程对灌新路隧道影响较大，施工风险较大。顶管底标高为-6.5 m左右，虽然地铁4 号线基本位于-6.5 m 以下，但两者纵向距离较近，影响未来地铁4 号线建设。从箱涵纵向标高上考虑，纵向增加一处倒虹。经水力计算，方案二水头损失稍大，为0.059 m。灌新路局部区域新建主干渠造价较高，约913 万元。

由图6 及表1 可知，方案三虽然平面线形突起，局部转折，直观感受欠佳，但仍布置于两侧绿地，并不占用地块。本方案需拆除重建U 型槽，破坏结构整体性，且施工期间对灌新路影响较大、协调方较多，施工期间，影响交通，需协调区域交通和临时通道。箱涵底标高为-3.93 m 左右，地铁4 号线基本位于-6.5 m 以下，箱涵不影响未来地铁4 号线建设。经水力计算，方案三水头损失为0.021 m。灌新路局部区域新建主干渠造价较高，约879 万元。

综上所述，本次北溪引水主干渠改造工程选择水头损失较小、不占用地块、对4 号线影响较小的方案一——利用现状箱涵过灌新路隧道。