雙層立交結(jié)構(gòu)連接井在引水、調(diào)水工程中的應(yīng)用

韓月波

（天津市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司 天津 300204）

1 技術(shù)背景

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對水的要求越來越高，對環(huán)保的關(guān)注度日益增強(qiáng)。但我國水資源本就匱乏，且分布不均，因此，各種因生產(chǎn)、生活、環(huán)境等需求而建的引、調(diào)水工程逐年增加，用以滿足各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的生活。

對于引調(diào)水工程，輸水管涵、渠道等有多種方式，其中對有封閉要求且內(nèi)壓不大的輸水管涵來說，現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵具有結(jié)構(gòu)整體剛度大的特點(diǎn)，對軟土地基和地基不均勻沉陷適應(yīng)性好，斷面型式的調(diào)節(jié)較為方便，施工工藝簡單，施工質(zhì)量容易保證，造價較低，因此，應(yīng)用較為廣泛。部分引調(diào)水工程由于有多個水源或有多個受水用戶等，需要在干線箱涵上設(shè)置連接井與引出支線箱涵連接。獨(dú)流減河倒虹吸工程就是此類工程的典型案例，該工程任務(wù)是使海河通過洪泥河及獨(dú)流減河倒虹吸箱涵與北大港水庫相互連通，實(shí)現(xiàn)向北大港水庫調(diào)引外來水，同時也可滿足北大港水庫向中心城區(qū)供水和向海河補(bǔ)水。鑒于該工程目標(biāo)，且要輸送飲用水原水，因此，還需輸水箱涵有單孔檢修的功能，除各輸水箱涵端部有控制性建筑物外，還需要如連接井、控制閘等較多的控制性建筑物來實(shí)現(xiàn)上述功能。

連接井是分流/匯流水工建筑物［1］，國內(nèi)外對于交匯和分流流動的研究工作開展較多。Weber等［2］在2000年將多普勒三維流速儀（ADV）應(yīng)用于90°等寬明渠交匯水流模型試驗(yàn)，得到了詳細(xì)的明渠交匯口三維水流的流速數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上研究了交匯口的匯流結(jié)構(gòu)和紊流強(qiáng)度等，為應(yīng)用CFD軟件對交匯口流動進(jìn)行數(shù)值模擬提供了試驗(yàn)資料。Huang等［3］為交匯口水流建立了三維數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用該模型對不同交匯角交匯水流的水力特性進(jìn)行了研究，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，結(jié)果吻合較好。王協(xié)康等［4］通過水槽試驗(yàn)， 應(yīng)用ADV觀測了交匯角為30°時交匯口河道的三維水流結(jié)構(gòu)。曹繼文等［5-6］在試驗(yàn)水槽中對橫向直角取水口的水力特效進(jìn)行了研究， 重點(diǎn)測取了干線主槽表底層分流寬度、進(jìn)水口門流速場、紊動能和雷諾應(yīng)力分布， 并進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

現(xiàn)常規(guī)多孔箱涵控連接井多為平交結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)成本較高、永久占地面積大、運(yùn)行管理不方便等缺點(diǎn)。在建設(shè)用地緊張的地區(qū)，用地問題已經(jīng)成為制約工程建設(shè)的主要因素。為此，筆者及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在獨(dú)流減河倒虹吸工程設(shè)計(jì)過程中引用了立體交通概念，針對多孔箱涵控制性構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種更為經(jīng)濟(jì)適用的雙層立交結(jié)構(gòu)連接井。本文就該連接井的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 獨(dú)流減河倒虹吸工程概況

北大港水庫是引黃濟(jì)津和南水北調(diào)引江東線的調(diào)蓄水庫，是天津市供水水源地。獨(dú)流減河倒虹吸工程的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了海河與北大港水庫相互連通，同時向雙城中間生態(tài)屏障區(qū)提供生態(tài)環(huán)境用水，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)多水源保障。

本工程位于天津市濱海新區(qū)北大港水庫北圍堤與萬家碼頭泵站之間，設(shè)計(jì)流量30.0 m3/s，年引水量約3.0億m3。工程主要建設(shè)內(nèi)容包括3 152 m干線及551 m聯(lián)絡(luò)線輸水箱（斷面型式為3孔3.5 m×3.5 m）、北大港水庫入庫閘。

工程的調(diào)度運(yùn)用主要包括調(diào)水入庫、出庫補(bǔ)水、向城市供水3種設(shè)計(jì)工況，如圖1所示，也包含箱涵檢修、充水與放空、變孔數(shù)運(yùn)行等內(nèi)容。

圖1 獨(dú)流減河倒虹吸工程運(yùn)行工況示意圖Fig.1 Schematic diagram of operation condition of Duliujian River inverted siphon project

①調(diào)水入庫工況：倒虹吸設(shè)計(jì)流量為30 m3/s，水流方向線路為海河水經(jīng)洪泥河自流至萬家碼頭泵站前池，經(jīng)萬家碼頭泵站提升水位后經(jīng)泵站出水池、洪泥河穿堤閘、獨(dú)流減河倒虹吸干線箱涵及入庫閘自流至北大港水庫。

②出庫補(bǔ)水工況：倒虹吸設(shè)計(jì)流量為30 m3/s，水流方向線路為北大港水庫→獨(dú)流減河倒虹吸干線箱涵→洪泥河→海河，全程自流由北大港水庫向海河補(bǔ)水。

③向城市供水工況：倒虹吸設(shè)計(jì)流量為24 m3/s，水流方向線路為北大港水庫經(jīng)獨(dú)流減河倒虹吸干線箱涵、獨(dú)流減河倒虹吸聯(lián)絡(luò)線箱涵自流至規(guī)劃加壓泵站前池，通過泵站加壓經(jīng)泵站下游管道向主城區(qū)和濱海新區(qū)供水。

3 常規(guī)平交結(jié)構(gòu)連接井

為滿足獨(dú)流減河倒虹吸工程3種運(yùn)行工況，需在獨(dú)流減河中灘、干線箱涵及供水聯(lián)絡(luò)線箱涵交匯處設(shè)置連接井，以連通干線和供水聯(lián)絡(luò)線箱涵，并可實(shí)現(xiàn)干線和供水聯(lián)絡(luò)線任一單孔檢修。

常規(guī)平交結(jié)構(gòu)連接井需在干線及供水聯(lián)絡(luò)線交匯處設(shè)置集流分流井，每個流向均設(shè)檢修閘門，如圖2所示。

圖2 常規(guī)平交結(jié)構(gòu)連接井平面圖Fig.2 Plan diagram of connecting wells with conventional horizontal interchange structure

上述結(jié)構(gòu)連接井可通過各閘門控制實(shí)現(xiàn)獨(dú)流減河倒虹吸工程各運(yùn)行工況之間的切換及各孔箱涵的單孔檢修，即控制閘1和控制閘2開啟、控制閘3關(guān)閉，通過調(diào)度可實(shí)現(xiàn)干線箱涵內(nèi)水流的雙向流動，即實(shí)現(xiàn)調(diào)水入庫或出庫補(bǔ)水工況；控制閘2和控制閘3開啟、控制閘1關(guān)閉，干線水庫側(cè)箱涵與供水聯(lián)絡(luò)線箱涵連通，北大港水庫水可自流至規(guī)劃加壓泵站，通過調(diào)度實(shí)現(xiàn)向城市供水；當(dāng)需單孔檢修時，僅需在各工況正常運(yùn)行情況下將需要檢修的某孔箱涵對應(yīng)所在閘門關(guān)閉即可實(shí)現(xiàn)。

此方案可滿足獨(dú)流減河倒虹吸工程各運(yùn)行工況要求，但存在如下幾點(diǎn)缺陷。

①工程投資較大：獨(dú)流減河倒虹吸工程主要構(gòu)筑物級別為2級，所在位置河道設(shè)計(jì)行洪水位為6.74 m，地面高程為3.0 m左右，考慮超高及波浪爬高后閘墩頂高程約為8.0 m。因此，此方案除需建設(shè)地下連接空箱外，還需建設(shè)3座閘墩頂高程8.0 m、3孔3.5 m×3.5 m的控制閘，并需修建進(jìn)場路及配備相應(yīng)金結(jié)、電氣等配套設(shè)施，工程投資較大。

②永久占地較多：3座高聳的控制閘及進(jìn)場路均需增加永久占地。

③運(yùn)行管理不便：3座控制閘的運(yùn)行及維護(hù)需占用部分運(yùn)行管理單位人員和資金，給后期運(yùn)行管理造成了不便。

4 雙層立交結(jié)構(gòu)連接井

為解決常規(guī)平交結(jié)構(gòu)連接井投資大、永久占地多、后期運(yùn)行管理不便等問題，獨(dú)流減河倒虹吸工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目組在設(shè)計(jì)連接井時引用了道路立體交通思路，將連接井結(jié)構(gòu)改進(jìn)為雙層，采用立體分流方案，使每孔立體分流，且不設(shè)控制閘，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)流減河倒虹吸工程各運(yùn)行工況及檢修工況。多孔箱涵雙層立交結(jié)構(gòu)連接井如圖3、4所示。

圖3 多孔箱涵雙層立交結(jié)構(gòu)連接井結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of connecting well with doublelayer interchange structure of multi-pore box culvert

圖4 多孔箱涵雙層立交結(jié)構(gòu)連接井結(jié)構(gòu)分解圖Fig.4 Structural decomposition diagram of connecting well with double-layer interchange structure of multi-pore box culvert

多孔箱涵雙層立交結(jié)構(gòu)連接井全部處于地下，采用雙層立交結(jié)構(gòu)，包括上層的一字型過流箱涵和下層的L型過流箱涵：一字型過流箱涵與L型過流箱涵共用中隔板；中隔板上設(shè)有對應(yīng)上下層孔涵的連通孔，將一字型過流箱涵與L型過流箱涵上下對應(yīng)的孔涵連通； L型過流箱涵的一端封閉。此結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)把連接井分為上下2層，單孔連通，實(shí)現(xiàn)了空間立交布置。上層一字型過流箱涵兩端分別連接干線萬家碼頭側(cè)箱涵及干線水庫側(cè)箱涵；下層L型過流箱涵未封閉端連接供水聯(lián)絡(luò)線箱涵。

結(jié)合運(yùn)行調(diào)度，連接井及其所連接的干線輸水箱涵和聯(lián)絡(luò)線輸水箱涵可完成如下功能（以北大港水庫為高水位端為例，其余同理）。

①干線箱涵兩端及聯(lián)絡(luò)線末端三處控制閘全開，水體可由北大港水庫通過水庫側(cè)干線輸水箱涵、連接井、萬家碼頭側(cè)干線輸水箱涵和聯(lián)絡(luò)線輸水箱涵流至萬家碼頭側(cè)洪泥河及規(guī)劃加壓泵站前池處，同時，由北大港水庫向海河補(bǔ)水及向城市供水。

②干線兩端控制閘均開啟，聯(lián)絡(luò)線末端控制閘全關(guān)閉，水體可由北大港水庫通過干線輸水箱涵及連接井自流至萬家碼頭側(cè)洪泥河，再經(jīng)洪泥河自流至海河，以實(shí)現(xiàn)出庫補(bǔ)水工況；或開啟萬家碼頭泵站，提升萬家碼頭側(cè)干線箱涵起點(diǎn)處水頭，使水體由萬家碼頭泵站側(cè)洪泥河通過干線輸水箱涵及連接井自流至北大港水庫，以實(shí)現(xiàn)調(diào)水入庫。

③干線水庫側(cè)控制閘、聯(lián)絡(luò)線末端控制閘全開，干線萬家碼頭側(cè)控制閘全關(guān)閉，水體可由北大港水庫通過水庫側(cè)干線輸水箱涵、連接井、聯(lián)絡(luò)線輸水箱涵自流至規(guī)劃加壓泵站前池，再經(jīng)過泵站加壓及泵站下游管道向城市供水。

上述3種工況中，如需對某一孔或某幾個孔檢修，其余孔繼續(xù)輸水，則只需將檢修的輸水箱涵對應(yīng)的干線箱涵兩端及聯(lián)絡(luò)線末端三處控制閘的孔閘門關(guān)閉，并將該孔箱涵內(nèi)水抽干即可實(shí)現(xiàn)，不影響其他孔正常輸水。

可以看出，雙層立交結(jié)構(gòu)連接井完全埋置在地下，通過各箱涵端部控制閘的調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)控制水體既可在干線箱涵內(nèi)雙向流動，也可在干線起點(diǎn)與支線終點(diǎn)間雙向流動，還可在干線終點(diǎn)與支線終點(diǎn)間雙向流動。另外，還可實(shí)現(xiàn)任意孔箱涵的全線單孔檢修，使連接井在保障單層平交布置連接井所具備功能的基礎(chǔ)上減少控制閘的設(shè)置，省去了由于要設(shè)控制閘及進(jìn)場路而需要的永久占地，節(jié)省了投資，布置合理，施工便利，管理方便，完美彌補(bǔ)了常規(guī)平交結(jié)構(gòu)連接井存在的缺陷。

5 結(jié) 語

本文所述的雙層立交結(jié)構(gòu)連接井是基于獨(dú)流減河倒虹吸工程具體運(yùn)行工況和工程特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，建成后運(yùn)行效果良好。筆者認(rèn)為，此種結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)思路對其他類似引調(diào)水工程連接井設(shè)計(jì)具備一定參考意義和推廣價值。其他引調(diào)水工程設(shè)計(jì)時，可根據(jù)水源及用戶數(shù)量確定連接井?dāng)?shù)量，根據(jù)工程規(guī)模計(jì)算確定干線及支線輸水箱涵孔徑及孔數(shù)，再結(jié)合工程自身特點(diǎn)對本文所述雙層立交結(jié)構(gòu)連接井結(jié)構(gòu)型式加以改進(jìn)和潤飾。此法必將給工程建設(shè)節(jié)省大量的永久占地和工程投資，以及后期管理運(yùn)行成本。