黃毅峰

（廈門合誠(chéng)工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361015）

1 工程概況及特點(diǎn)

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(guó)際帆船港，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)建設(shè)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(jìn)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(kāi)閘放水，導(dǎo)致上游的污水進(jìn)入五緣灣，使得內(nèi)灣水質(zhì)惡化水體發(fā)臭，水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致護(hù)岸比其他海岸更黑、臭。另外原水閘由于常年關(guān)閉長(zhǎng)滿海生物，啟閉困難，在污水進(jìn)入灣內(nèi)而閘門沒(méi)有開(kāi)啟增大內(nèi)外灣水體交換，導(dǎo)致五緣灣出現(xiàn)現(xiàn)在的水體惡化情況。

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

隨著復(fù)旦中山醫(yī)院項(xiàng)目的落地，對(duì)周邊的環(huán)境提出了更高的要求，工程項(xiàng)目對(duì)該段護(hù)岸進(jìn)行整治提升，在護(hù)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(lè)場(chǎng)所，范圍內(nèi)的箱涵相應(yīng)的進(jìn)行延伸至新建的護(hù)岸位置。箱涵延伸需創(chuàng)造干地施工條件，同時(shí)施工期間需滿足湖邊水庫(kù)箱涵的上游排水要求，故需對(duì)箱涵接長(zhǎng)范圍進(jìn)行施工圍堰擋住潮水（五緣灣內(nèi)外海高水位時(shí)聯(lián)通）創(chuàng)造干地條件，同時(shí)應(yīng)對(duì)雨季汛期箱涵上游來(lái)水進(jìn)行導(dǎo)流避免基坑范圍被水淹沒(méi)影響施工。

5 號(hào)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(hù)岸定位線內(nèi)箱涵縱坡為1.61%，護(hù)岸定位線外箱涵縱坡為0.3%。箱涵于護(hù)岸定位線處涵內(nèi)底標(biāo)高為-1.34m。

6 號(hào)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(hù)岸定位線內(nèi)箱涵縱坡為1.02%，護(hù)岸定位線外箱涵縱坡為0.25%。箱涵于護(hù)岸定位線處涵內(nèi)底標(biāo)高為-1.73m。

湖邊水庫(kù)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(hù)岸、圍堰及箱涵接長(zhǎng)平面位置關(guān)系示意圖如圖1 所示。

1.2 工程特點(diǎn)

工程實(shí)施前五緣灣內(nèi)外灣由音樂(lè)島兩側(cè)的地水壩和水閘分隔，低水壩頂標(biāo)高1.0m（黃海高程，下同），設(shè)計(jì)高水位3.30m，設(shè)計(jì)低水位-2.48m（見(jiàn)圖2）。高水位時(shí)內(nèi)外灣與外海相聯(lián)通，低水位時(shí)由低水壩保持內(nèi)灣景觀水位，這就決定著箱涵接長(zhǎng)需要施工圍堰創(chuàng)造干地施工條件，同時(shí)由于箱涵承擔(dān)上游水庫(kù)的排洪功能，又需要對(duì)箱涵進(jìn)行必要的封堵和導(dǎo)流，否則上游來(lái)水會(huì)造成基坑淹沒(méi)導(dǎo)致箱涵基礎(chǔ)施工困難。

圖2 五緣灣內(nèi)外灣閘壩修復(fù)效果圖

根據(jù)調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，5 號(hào)箱涵及6 號(hào)箱涵上游來(lái)水量較小直接進(jìn)行口門封堵，對(duì)滲流水量進(jìn)行抽排。湖邊水庫(kù)由于承擔(dān)上游排洪功能，不能直接進(jìn)行封堵而不進(jìn)行導(dǎo)流，同時(shí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)不能占據(jù)箱涵接長(zhǎng)范圍的施工空間。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 基本設(shè)計(jì)思路

首先，對(duì)三孔箱涵的口門進(jìn)行封堵，雍水。

其次，箱涵頂部進(jìn)行開(kāi)孔，使得封堵的雍水由頂部開(kāi)孔溢出。

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

最后，導(dǎo)流明渠末端設(shè)置一塊擋板，箱涵未排洪時(shí)高水位關(guān)閉，防止潮水倒灌。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

根據(jù)三孔箱涵尺寸，預(yù)制好三塊厚250mm 鋼筋混凝土封堵板塊，在預(yù)制板上預(yù)埋鋼筋連接拉環(huán)。在距離箱涵口邊緣700mm 位置進(jìn)行開(kāi)口，開(kāi)口寬度為2.5m。在開(kāi)口上游側(cè)邊緣設(shè)置拉環(huán)。安放封堵預(yù)制板，預(yù)制板上部支撐為箱涵開(kāi)口處頂板，底部支撐為點(diǎn)支撐，由布設(shè)的鋼筋拉條提供，預(yù)制板左右兩側(cè)約束為箱涵邊墻，預(yù)制板四邊均有約束條件可以有效防止預(yù)制板在水流的沖擊下移動(dòng)。開(kāi)口及封口板施工安放完畢后，在箱涵范圍內(nèi)的開(kāi)口邊緣頂板進(jìn)行植筋，并在植筋位置施工鋼筋混凝土導(dǎo)流明渠翼墻厚400mm，保證導(dǎo)流明渠與箱涵形成整體，提高結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定系數(shù)。護(hù)岸范圍外的導(dǎo)流明渠，先進(jìn)行場(chǎng)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(biāo)高1.05m 至0.45m。方案平面及斷面圖見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)立面圖及預(yù)制封堵板

圖5 導(dǎo)流明渠斷面圖

3 有關(guān)參數(shù)的選取及計(jì)算

3.1 導(dǎo)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(guān)又與外圍潮位有關(guān)，要求明渠有足夠的水深以達(dá)到排水能力，避免由于翼墻高程過(guò)低水深不足導(dǎo)致沿程水面超出翼墻高程外溢至基坑范圍，同時(shí)也能避免外圍高水位時(shí)海水倒灌進(jìn)入明渠和箱涵。根據(jù)以上兩個(gè)原則確定施工期的導(dǎo)流翼墻高程為3.55m。

3.2 明渠排水能力計(jì)算

水力計(jì)算按明渠均勻流公式計(jì)算低潮時(shí)導(dǎo)流渠的理論最大排水量，根據(jù)箱涵頂高程與導(dǎo)流翼墻高程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)空間明渠箱涵外的標(biāo)高由1.05m 降至0.45m，長(zhǎng)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(jì)算明渠在低水位時(shí)的排水能力如下：

式（1）中：Q——流量(m3/s);

A——過(guò)水?dāng)嗝娣e（m2），計(jì)算得10.4m2；

C——謝齊系數(shù)(m0.5/s)，計(jì)算得60.3m0.5/s；

χ——濕周（m），計(jì)算得9.2m；

R——水力半徑（m），計(jì)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(jì)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(dǎo)流明渠斷面尺寸滿足排水要求。

3.3 鋼筋拉條計(jì)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(jì)算，排洪時(shí)箱涵的出口水流流速根據(jù)資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查按3m/s 計(jì)。

作用于港口工程結(jié)構(gòu)上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按式（2）計(jì)算。

Fw——水流力標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)流速(m/s)

A——計(jì)算構(gòu)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(jìn)行計(jì)算。

公式帶入?yún)?shù)計(jì)算得到封堵板塊受到的水流力：

水流力分項(xiàng)系數(shù)取1.4 則水流力設(shè)計(jì)值為128.41×1.4=180kN,拉筋用二級(jí)鋼，fy=300N/mm2，拉筋的力臂長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算為1.5m。假設(shè)不考慮預(yù)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(gè)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(jì)算

根據(jù)導(dǎo)流明渠確定的標(biāo)高，驗(yàn)算導(dǎo)流明渠的配筋，由于導(dǎo)流明渠為項(xiàng)目工程的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)使用時(shí)間較短，在工程完成后須給予拆除，故結(jié)構(gòu)的受力計(jì)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(shí)導(dǎo)流明確無(wú)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(jié)構(gòu)受力按明渠在使用過(guò)程出現(xiàn)的極端工況進(jìn)行驗(yàn)算，即導(dǎo)流明渠滿流情況下底板和側(cè)墻的配筋。有關(guān)參數(shù)如下：

槽身凈高(底板頂面至側(cè)墻頂)H=3.1m；

槽身凈寬B=5.2m；

設(shè)計(jì)水深h=3.1m；

側(cè)墻底寬t1=0.4m；

底板厚t2=0.4m。

經(jīng)計(jì)算，側(cè)墻墻底彎矩設(shè)計(jì)值為54.62kN·m；底板端部彎矩設(shè)計(jì)值為41.64kN·m；底板跨中彎矩設(shè)計(jì)值為-109.64kN·m（彎矩符號(hào)以使內(nèi)側(cè)受拉為正）。最終根據(jù)彎矩設(shè)計(jì)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(zhǔn)備—預(yù)制封堵板—箱涵開(kāi)口—安裝封堵板—箱涵頂板植筋—明渠基礎(chǔ)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(hù)。

4.2 施工效果

原設(shè)計(jì)箱涵施工選擇在冬季枯水期進(jìn)行搶工期施工，因?yàn)楦鞣N客觀因素影響導(dǎo)致箱涵接長(zhǎng)無(wú)法完全在枯水季節(jié)施工完成，導(dǎo)致5-6 號(hào)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(shí)抽水臺(tái)班等措施得到有效控制，施工期間箱涵的接長(zhǎng)未出現(xiàn)突發(fā)安全事件，明渠導(dǎo)流運(yùn)行良好獲得預(yù)期效果。項(xiàng)目的導(dǎo)流措施施工費(fèi)用比起工程及臨時(shí)圍堰占比小，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

施工過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6 所示。

圖6 導(dǎo)流明渠現(xiàn)場(chǎng)照片

5 結(jié)語(yǔ)

首先，箱涵接長(zhǎng)是目前很多工程會(huì)碰到的問(wèn)題，如何以技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理的工程措施達(dá)到工程目的需要多方面的結(jié)合，尤其是箱涵在接長(zhǎng)時(shí)尚需承擔(dān)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(chǔ)資料和周邊情況的基礎(chǔ)上，把握每一個(gè)細(xì)節(jié)方可達(dá)到預(yù)期效果。其次，該工程的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)為臨時(shí)措施，箱涵接長(zhǎng)完成后須進(jìn)行拆除，設(shè)計(jì)過(guò)程中把握結(jié)構(gòu)整體受力不變形過(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(zhǎng)同時(shí)需要設(shè)計(jì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目，提供一定的參考價(jià)值。