五缘湾水域整治工程护岸箱涵导流结构分析

黄毅峰

（厦门合诚工程设计院有限公司，福建 厦门 361015）

1 工程概况及特点

1.1 工程概况

五缘湾是厦门惟一集湿地公园、海湾内湾等自然资源于一身的生态海湾，这里坐拥海岸线、五缘内湾、环湾步行道、85hm 湿地公园，还有国际帆船港，经过多年的开发建设五缘湾已成为厦门岛内城市“新客厅”。

随着五缘湾上游村庄城镇化的发展原因及现有污水管的截污能力有限，城中村的市政管道未进行改造，上游村庄雨污未分流，汛期为了防止上游内涝，各管涵开闸放水，导致上游的污水进入五缘湾，使得内湾水质恶化水体发臭，水体富营养化导致护岸比其他海岸更黑、臭。另外原水闸由于常年关闭长满海生物，启闭困难，在污水进入湾内而闸门没有开启增大内外湾水体交换，导致五缘湾出现现在的水体恶化情况。

针对上述问题策划五缘湾水域整治工程项目进行水域范围整治，工程主要内容包括闸坝修复工程、护岸工程、清淤工程、道路桥梁工程等内容。护岸工程主要是内湾护岸进行修复及提升改造，其中整治提升典型的护岸为处于内湾湾顶的袋装碎石护岸。护岸整治前该段护岸为斜坡式袋装碎石护岸，护岸范围内有三个排水箱涵，为5、6 号箱涵及湖边水库箱涵，箱涵上游由于雨污分流未改造完全，平时箱涵上游闸门关闭避免污水进入五缘湾，雨季汛期时为了满足上游片区排涝泄洪需要打开闸门，此时雨污混流进入五缘湾，箱涵口门及附近的护岸大量沉积污水中的杂质，整段护岸发黑发臭，景观效果极差。

随着复旦中山医院项目的落地，对周边的环境提出了更高的要求，工程项目对该段护岸进行整治提升，在护岸的坡脚处建造直立式挡墙后方回填成为沙滩给附近的居民提供休闲娱乐场所，范围内的箱涵相应的进行延伸至新建的护岸位置。箱涵延伸需创造干地施工条件，同时施工期间需满足湖边水库箱涵的上游排水要求，故需对箱涵接长范围进行施工围堰挡住潮水（五缘湾内外海高水位时联通）创造干地条件，同时应对雨季汛期箱涵上游来水进行导流避免基坑范围被水淹没影响施工。

5 号箱涵为双孔钢筋混凝土箱涵，其单孔净尺寸为宽×高=3.60m×1.60m，护岸定位线内箱涵纵坡为1.61%，护岸定位线外箱涵纵坡为0.3%。箱涵于护岸定位线处涵内底标高为-1.34m。

6 号箱涵为双孔钢筋混凝土箱涵，其单孔净尺寸为宽×高=3.00m×2.00m，护岸定位线内箱涵纵坡为1.02%，护岸定位线外箱涵纵坡为0.25%。箱涵于护岸定位线处涵内底标高为-1.73m。

湖边水库箱涵为三孔钢筋混凝土箱涵，其单孔净尺寸为宽×高=4.00m×2.50m。

护岸、围堰及箱涵接长平面位置关系示意图如图1 所示。

1.2 工程特点

工程实施前五缘湾内外湾由音乐岛两侧的地水坝和水闸分隔，低水坝顶标高1.0m（黄海高程，下同），设计高水位3.30m，设计低水位-2.48m（见图2）。高水位时内外湾与外海相联通，低水位时由低水坝保持内湾景观水位，这就决定着箱涵接长需要施工围堰创造干地施工条件，同时由于箱涵承担上游水库的排洪功能，又需要对箱涵进行必要的封堵和导流，否则上游来水会造成基坑淹没导致箱涵基础施工困难。

图2 五缘湾内外湾闸坝修复效果图

根据调查及现场踏勘，5 号箱涵及6 号箱涵上游来水量较小直接进行口门封堵，对渗流水量进行抽排。湖边水库由于承担上游排洪功能，不能直接进行封堵而不进行导流，同时导流结构不能占据箱涵接长范围的施工空间。

2 设计思路

2.1 基本设计思路

首先，对三孔箱涵的口门进行封堵，雍水。

其次，箱涵顶部进行开孔，使得封堵的雍水由顶部开孔溢出。

再次，在箱涵顶部开口位置外围施工临时钢筋混凝土导流明渠。临时导流明渠方向与箱涵接长方向大致垂直，避免与接长方向的作业面交叉创造箱涵接长施工空间，并根据现场围堰和护岸位置最终确定线位，将开孔外溢的水流由临时明渠导流出基坑外进入五缘湾内湾水域。

最后，导流明渠末端设置一块挡板，箱涵未排洪时高水位关闭，防止潮水倒灌。

2.2 现场实施方案

根据三孔箱涵尺寸，预制好三块厚250mm 钢筋混凝土封堵板块，在预制板上预埋钢筋连接拉环。在距离箱涵口边缘700mm 位置进行开口，开口宽度为2.5m。在开口上游侧边缘设置拉环。安放封堵预制板，预制板上部支撑为箱涵开口处顶板，底部支撑为点支撑，由布设的钢筋拉条提供，预制板左右两侧约束为箱涵边墙，预制板四边均有约束条件可以有效防止预制板在水流的冲击下移动。开口及封口板施工安放完毕后，在箱涵范围内的开口边缘顶板进行植筋，并在植筋位置施工钢筋混凝土导流明渠翼墙厚400mm，保证导流明渠与箱涵形成整体，提高结构的安全稳定系数。护岸范围外的导流明渠，先进行场地整平碾压，并在施工C15 素混凝土垫层150mm 后，施工明渠C30 钢筋混凝土底板和翼墙（厚400mm）。翼墙顶高程为3.55m，渠底标高1.05m 至0.45m。方案平面及断面图见图3～图5。

图3 导流结构平面图

图4 导流结构立面图及预制封堵板

图5 导流明渠断面图

3 有关参数的选取及计算

3.1 导流明渠翼墙顶高程确定

翼墙高程确定既跟明渠底高程有关又与外围潮位有关，要求明渠有足够的水深以达到排水能力，避免由于翼墙高程过低水深不足导致沿程水面超出翼墙高程外溢至基坑范围，同时也能避免外围高水位时海水倒灌进入明渠和箱涵。根据以上两个原则确定施工期的导流翼墙高程为3.55m。

3.2 明渠排水能力计算

水力计算按明渠均匀流公式计算低潮时导流渠的理论最大排水量，根据箱涵顶高程与导流翼墙高程结合现场空间明渠箱涵外的标高由1.05m 降至0.45m，长度15m，平均坡降4%，根据箱涵的坡降和明渠的坡降拟定明渠宽5.2m,水深按2m，计算明渠在低水位时的排水能力如下：

式（1）中：Q——流量(m3/s);

A——过水断面积（m2），计算得10.4m2；

C——谢齐系数(m0.5/s)，计算得60.3m0.5/s；

χ——湿周（m），计算得9.2m；

R——水力半径（m），计算得1.13m;

i——渠道底坡，取0.04；

n——糙率，取0.017.

以上公式代入参数得:Q=132.7m3/s。

计算得到明渠排水能力大于同等条件下箱涵的排水能力，故拟定的导流明渠断面尺寸满足排水要求。

3.3 钢筋拉条计算

单块封堵板受到的水流冲击力按《港口工程荷载规范》(JTS 144-1—2010）13.0.1 条计算，排洪时箱涵的出口水流流速根据资料结合现场调查按3m/s 计。

作用于港口工程结构上的水流力标准值应按式（2）计算。

Fw——水流力标准值（kN);

Cw——水流阻力系统；

ρ——水密度（t/m3），淡水取1.0，海水取1.025；

V——水流设计流速(m/s)

A——计算构件在与流向垂直平面上的投影面积（m2)

式（2）中，水流阻力系数按《港口工程荷载规范》(JTS 144-1—2010）13.0.3 条的水流阻力系数表（ 表13.0.3-1）选用矩形梁进行计算。

公式带入参数计算得到封堵板块受到的水流力：

水流力分项系数取1.4 则水流力设计值为128.41×1.4=180kN,拉筋用二级钢，fy=300N/mm2，拉筋的力臂长度经计算为1.5m。假设不考虑预制板与箱涵底部摩擦力提供的稳定作用。

则拉筋所需提供的拉力F=Fw×（3/2）/1.5=180kN。

一个孔封堵板所需的钢筋面积为：

A=180×1000/300=600mm2；若采用钢筋直径为20mm，则需2 根。

3.4 配筋计算

根据导流明渠确定的标高，验算导流明渠的配筋，由于导流明渠为项目工程的临时结构，结构使用时间较短，在工程完成后须给予拆除，故结构的受力计算仅按承载力极限状态而不用考虑正常使用极限中的裂缝要求，同时导流明确无特殊的抗渗要求，用普通类型的混凝土施工即可满足使用要求。结构受力按明渠在使用过程出现的极端工况进行验算，即导流明渠满流情况下底板和侧墙的配筋。有关参数如下：

槽身净高(底板顶面至侧墙顶)H=3.1m；

槽身净宽B=5.2m；

设计水深h=3.1m；

侧墙底宽t1=0.4m；

底板厚t2=0.4m。

经计算，侧墙墙底弯矩设计值为54.62kN·m；底板端部弯矩设计值为41.64kN·m；底板跨中弯矩设计值为-109.64kN·m（弯矩符号以使内侧受拉为正）。最终根据弯矩设计值和最小配筋率要求确定配筋。

4 施工工艺及工程效果

4.1 施工工艺流程

施工准备—预制封堵板—箱涵开口—安装封堵板—箱涵顶板植筋—明渠基础整平—施工混凝土垫层—模板安装钢筋绑扎—混凝土浇筑及养护。

4.2 施工效果

原设计箱涵施工选择在冬季枯水期进行抢工期施工，因为各种客观因素影响导致箱涵接长无法完全在枯水季节施工完成，导致5-6 号箱涵封堵造成上游小范围内涝，经参建单位研究增加临时抽水台班等措施得到有效控制，施工期间箱涵的接长未出现突发安全事件，明渠导流运行良好获得预期效果。项目的导流措施施工费用比起工程及临时围堰占比小，经济效果显著。

施工过程现场照片如图6 所示。

图6 导流明渠现场照片

5 结语

首先，箱涵接长是目前很多工程会碰到的问题，如何以技术可行经济合理的工程措施达到工程目的需要多方面的结合，尤其是箱涵在接长时尚需承担原有的排洪功能。在施工作业空间有限的情况下，就需要在充分掌握基础资料和周边情况的基础上，把握每一个细节方可达到预期效果。其次，该工程的导流结构为临时措施，箱涵接长完成后须进行拆除，设计过程中把握结构整体受力不变形过大导致结构失效即可，钢筋混凝土的裂缝不是主控条件。最后，该工程给同等规模的箱涵接长同时需要设计导流结构的项目，提供一定的参考价值。