双层立交结构连接井在引水、调水工程中的应用

韩月波

（天津市水务规划勘测设计有限公司 天津 300204）

1 技术背景

近年来，随着经济社会的高速发展和人民生活水平的不断提高，人们对水的要求越来越高，对环保的关注度日益增强。但我国水资源本就匮乏，且分布不均，因此，各种因生产、生活、环境等需求而建的引、调水工程逐年增加，用以满足各地区经济发展和人民的生活。

对于引调水工程，输水管涵、渠道等有多种方式，其中对有封闭要求且内压不大的输水管涵来说，现浇钢筋混凝土箱涵具有结构整体刚度大的特点，对软土地基和地基不均匀沉陷适应性好，断面型式的调节较为方便，施工工艺简单，施工质量容易保证，造价较低，因此，应用较为广泛。部分引调水工程由于有多个水源或有多个受水用户等，需要在干线箱涵上设置连接井与引出支线箱涵连接。独流减河倒虹吸工程就是此类工程的典型案例，该工程任务是使海河通过洪泥河及独流减河倒虹吸箱涵与北大港水库相互连通，实现向北大港水库调引外来水，同时也可满足北大港水库向中心城区供水和向海河补水。鉴于该工程目标，且要输送饮用水原水，因此，还需输水箱涵有单孔检修的功能，除各输水箱涵端部有控制性建筑物外，还需要如连接井、控制闸等较多的控制性建筑物来实现上述功能。

连接井是分流/汇流水工建筑物［1］，国内外对于交汇和分流流动的研究工作开展较多。Weber等［2］在2000年将多普勒三维流速仪（ADV）应用于90°等宽明渠交汇水流模型试验，得到了详细的明渠交汇口三维水流的流速数据，并在此基础上研究了交汇口的汇流结构和紊流强度等，为应用CFD软件对交汇口流动进行数值模拟提供了试验资料。Huang等［3］为交汇口水流建立了三维数学模型，应用该模型对不同交汇角交汇水流的水力特性进行了研究，并将数值计算结果与试验结果对比，结果吻合较好。王协康等［4］通过水槽试验， 应用ADV观测了交汇角为30°时交汇口河道的三维水流结构。曹继文等［5-6］在试验水槽中对横向直角取水口的水力特效进行了研究， 重点测取了干线主槽表底层分流宽度、进水口门流速场、紊动能和雷诺应力分布， 并进行了三维数值模拟。

现常规多孔箱涵控连接井多为平交结构，存在结构复杂、建设成本较高、永久占地面积大、运行管理不方便等缺点。在建设用地紧张的地区，用地问题已经成为制约工程建设的主要因素。为此，笔者及设计团队在独流减河倒虹吸工程设计过程中引用了立体交通概念，针对多孔箱涵控制性构筑物结构形式进行了创新和改进，设计了一种更为经济适用的双层立交结构连接井。本文就该连接井的设计思路进行详细介绍。

2 独流减河倒虹吸工程概况

北大港水库是引黄济津和南水北调引江东线的调蓄水库，是天津市供水水源地。独流减河倒虹吸工程的建设实现了海河与北大港水库相互连通，同时向双城中间生态屏障区提供生态环境用水，实现了区域内多水源保障。

本工程位于天津市滨海新区北大港水库北围堤与万家码头泵站之间，设计流量30.0 m3/s，年引水量约3.0亿m3。工程主要建设内容包括3 152 m干线及551 m联络线输水箱（断面型式为3孔3.5 m×3.5 m）、北大港水库入库闸。

工程的调度运用主要包括调水入库、出库补水、向城市供水3种设计工况，如图1所示，也包含箱涵检修、充水与放空、变孔数运行等内容。

图1 独流减河倒虹吸工程运行工况示意图Fig.1 Schematic diagram of operation condition of Duliujian River inverted siphon project

①调水入库工况：倒虹吸设计流量为30 m3/s，水流方向线路为海河水经洪泥河自流至万家码头泵站前池，经万家码头泵站提升水位后经泵站出水池、洪泥河穿堤闸、独流减河倒虹吸干线箱涵及入库闸自流至北大港水库。

②出库补水工况：倒虹吸设计流量为30 m3/s，水流方向线路为北大港水库→独流减河倒虹吸干线箱涵→洪泥河→海河，全程自流由北大港水库向海河补水。

③向城市供水工况：倒虹吸设计流量为24 m3/s，水流方向线路为北大港水库经独流减河倒虹吸干线箱涵、独流减河倒虹吸联络线箱涵自流至规划加压泵站前池，通过泵站加压经泵站下游管道向主城区和滨海新区供水。

3 常规平交结构连接井

为满足独流减河倒虹吸工程3种运行工况，需在独流减河中滩、干线箱涵及供水联络线箱涵交汇处设置连接井，以连通干线和供水联络线箱涵，并可实现干线和供水联络线任一单孔检修。

常规平交结构连接井需在干线及供水联络线交汇处设置集流分流井，每个流向均设检修闸门，如图2所示。

图2 常规平交结构连接井平面图Fig.2 Plan diagram of connecting wells with conventional horizontal interchange structure

上述结构连接井可通过各闸门控制实现独流减河倒虹吸工程各运行工况之间的切换及各孔箱涵的单孔检修，即控制闸1和控制闸2开启、控制闸3关闭，通过调度可实现干线箱涵内水流的双向流动，即实现调水入库或出库补水工况；控制闸2和控制闸3开启、控制闸1关闭，干线水库侧箱涵与供水联络线箱涵连通，北大港水库水可自流至规划加压泵站，通过调度实现向城市供水；当需单孔检修时，仅需在各工况正常运行情况下将需要检修的某孔箱涵对应所在闸门关闭即可实现。

此方案可满足独流减河倒虹吸工程各运行工况要求，但存在如下几点缺陷。

①工程投资较大：独流减河倒虹吸工程主要构筑物级别为2级，所在位置河道设计行洪水位为6.74 m，地面高程为3.0 m左右，考虑超高及波浪爬高后闸墩顶高程约为8.0 m。因此，此方案除需建设地下连接空箱外，还需建设3座闸墩顶高程8.0 m、3孔3.5 m×3.5 m的控制闸，并需修建进场路及配备相应金结、电气等配套设施，工程投资较大。

②永久占地较多：3座高耸的控制闸及进场路均需增加永久占地。

③运行管理不便：3座控制闸的运行及维护需占用部分运行管理单位人员和资金，给后期运行管理造成了不便。

4 双层立交结构连接井

为解决常规平交结构连接井投资大、永久占地多、后期运行管理不便等问题，独流减河倒虹吸工程设计项目组在设计连接井时引用了道路立体交通思路，将连接井结构改进为双层，采用立体分流方案，使每孔立体分流，且不设控制闸，以实现独流减河倒虹吸工程各运行工况及检修工况。多孔箱涵双层立交结构连接井如图3、4所示。

图3 多孔箱涵双层立交结构连接井结构图Fig.3 Structure diagram of connecting well with doublelayer interchange structure of multi-pore box culvert

图4 多孔箱涵双层立交结构连接井结构分解图Fig.4 Structural decomposition diagram of connecting well with double-layer interchange structure of multi-pore box culvert

多孔箱涵双层立交结构连接井全部处于地下，采用双层立交结构，包括上层的一字型过流箱涵和下层的L型过流箱涵：一字型过流箱涵与L型过流箱涵共用中隔板；中隔板上设有对应上下层孔涵的连通孔，将一字型过流箱涵与L型过流箱涵上下对应的孔涵连通； L型过流箱涵的一端封闭。此结构型式的设计把连接井分为上下2层，单孔连通，实现了空间立交布置。上层一字型过流箱涵两端分别连接干线万家码头侧箱涵及干线水库侧箱涵；下层L型过流箱涵未封闭端连接供水联络线箱涵。

结合运行调度，连接井及其所连接的干线输水箱涵和联络线输水箱涵可完成如下功能（以北大港水库为高水位端为例，其余同理）。

①干线箱涵两端及联络线末端三处控制闸全开，水体可由北大港水库通过水库侧干线输水箱涵、连接井、万家码头侧干线输水箱涵和联络线输水箱涵流至万家码头侧洪泥河及规划加压泵站前池处，同时，由北大港水库向海河补水及向城市供水。

②干线两端控制闸均开启，联络线末端控制闸全关闭，水体可由北大港水库通过干线输水箱涵及连接井自流至万家码头侧洪泥河，再经洪泥河自流至海河，以实现出库补水工况；或开启万家码头泵站，提升万家码头侧干线箱涵起点处水头，使水体由万家码头泵站侧洪泥河通过干线输水箱涵及连接井自流至北大港水库，以实现调水入库。

③干线水库侧控制闸、联络线末端控制闸全开，干线万家码头侧控制闸全关闭，水体可由北大港水库通过水库侧干线输水箱涵、连接井、联络线输水箱涵自流至规划加压泵站前池，再经过泵站加压及泵站下游管道向城市供水。

上述3种工况中，如需对某一孔或某几个孔检修，其余孔继续输水，则只需将检修的输水箱涵对应的干线箱涵两端及联络线末端三处控制闸的孔闸门关闭，并将该孔箱涵内水抽干即可实现，不影响其他孔正常输水。

可以看出，双层立交结构连接井完全埋置在地下，通过各箱涵端部控制闸的调度，可实现控制水体既可在干线箱涵内双向流动，也可在干线起点与支线终点间双向流动，还可在干线终点与支线终点间双向流动。另外，还可实现任意孔箱涵的全线单孔检修，使连接井在保障单层平交布置连接井所具备功能的基础上减少控制闸的设置，省去了由于要设控制闸及进场路而需要的永久占地，节省了投资，布置合理，施工便利，管理方便，完美弥补了常规平交结构连接井存在的缺陷。

5 结 语

本文所述的双层立交结构连接井是基于独流减河倒虹吸工程具体运行工况和工程特点设计的，建成后运行效果良好。笔者认为，此种结构及设计思路对其他类似引调水工程连接井设计具备一定参考意义和推广价值。其他引调水工程设计时，可根据水源及用户数量确定连接井数量，根据工程规模计算确定干线及支线输水箱涵孔径及孔数，再结合工程自身特点对本文所述双层立交结构连接井结构型式加以改进和润饰。此法必将给工程建设节省大量的永久占地和工程投资，以及后期管理运行成本。