余姚市陶家路江三期整治工程設(shè)計(jì)綜述

柏寶忠

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

1 概述

余姚市陶家路江三期整治工程是浙江省重點(diǎn)工程，為余姚市防洪排澇“擴(kuò)大北排工程”中的重要建設(shè)項(xiàng)目，是余姚向北排澇“北排二通道”中最重要一環(huán)。除了排除區(qū)域澇水外，尚承擔(dān)姚江干流西分一部分澇水，又是“西分”工程的出海通道。工程的任務(wù)是行洪、治澇為主，兼顧蓄水、生態(tài)、環(huán)境和景觀建設(shè)等要求。

本工程南起大河門江，北至泗門泵站和后海舍閘，河道全長5.2km，工程建設(shè)內(nèi)容包括河道拓浚，新建堤防護(hù)岸，新建改建橋梁、新建道路、景觀綠化和拆除重建后海舍閘等。工程將與其他規(guī)劃實(shí)施的工程一起，提高本地區(qū)防洪排澇能力，使余姚市泗門鎮(zhèn)達(dá)到20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)和20年一遇24h暴雨24h排出的排澇標(biāo)準(zhǔn)。

2 工程實(shí)施的重點(diǎn)、難點(diǎn)

(1)本工程現(xiàn)狀河道僅為30m左右寬，且處于繁華的集鎮(zhèn)段，河道拓寬的征地拆遷工作量和投資很大，因此工程規(guī)模論證的依據(jù)、模型建立、計(jì)算方法、邊界條件等必須充分可靠，論證的結(jié)果至關(guān)重要。

(2)工程沿線現(xiàn)狀有15座跨河橋梁，橋梁密度大。由于橋梁墩柱對(duì)河道阻水，產(chǎn)生水頭損失，將會(huì)對(duì)過流能力、河道規(guī)模產(chǎn)生直接影響[1-2]，因此沿線跨河橋梁的橋位選擇、橋梁的數(shù)量、橋梁的結(jié)構(gòu)型式需結(jié)合河道規(guī)模論證、市政路網(wǎng)規(guī)劃等進(jìn)行重點(diǎn)研究。

(3)由于有盡量減少用地的要求，河道基本采用矩形斷面，因此堤岸斷面、護(hù)岸擋墻的結(jié)構(gòu)形式非常重要，河道工程必須考慮斷面多樣性和生態(tài)景觀要求[3-4]。同時(shí)河道護(hù)岸擋墻的高度超過6.0m，在開挖放坡受限的河段需結(jié)合考慮施工期的深基坑支護(hù)要求。

(4)河道水力計(jì)算中，糙率作為重要參數(shù)其取值非常關(guān)鍵，取值的合理對(duì)河道規(guī)模的論證結(jié)果有直接影響[5-7]。 河道規(guī)模論證中對(duì)河床的綜合糙率大小提出了要求，因此需要考慮護(hù)岸擋墻的結(jié)構(gòu)材料或者護(hù)面材料的糙率盡量小。

(5)根據(jù)地質(zhì)資料，本工程大部分河段底部土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，少部分河段底部土層為粉土或粉土夾粉質(zhì)粘土，允許不沖流速低，因此河底護(hù)砌需采用合適的護(hù)砌材料和結(jié)構(gòu)，以滿足抗沖刷、生態(tài)和河床綜合糙率的要求。

(6)本工程土方開挖量達(dá)230萬m3，外棄土量達(dá)170萬m3，工程量巨大，因此必須采用合適的土方開挖、運(yùn)輸?shù)姆绞剑詼p少對(duì)周邊交通、環(huán)境的影響，降低工程投資。

3 工程規(guī)模論證

3.1 泵站抽排、水閘閘排下河道過流能力計(jì)算

本工程的下游終點(diǎn)處為泗門泵站和后海舍閘，泗門泵站規(guī)劃排澇流量200m3/s，后海舍閘最大排澇流量302m3/s。因此河道規(guī)模的論證需分別考慮排澇由泵站抽排、水閘閘排兩種工況。

規(guī)模論證通過建立的整個(gè)流域的平原一維河網(wǎng)非恒定流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，求出流域內(nèi)不同工況下各河道特征斷面的水位及流量變化過程。并在一維河網(wǎng)非恒定流數(shù)學(xué)模型計(jì)算提供的水位、流量等邊界條件下，結(jié)合本工程沿線各節(jié)點(diǎn)的水文條件，采用荷蘭DELFT3D FLOW軟件對(duì)河道在泗門泵站抽排、后海舍閘閘排下對(duì)河道過流能力進(jìn)行分析計(jì)算。

在多方案比選的基礎(chǔ)上，在滿足過流能力、各河段地質(zhì)情況及用地限制條件下，盡可能優(yōu)化河床斷面形式及河床糙率。通過計(jì)算分析，大河門江-四海大道段河底進(jìn)行生態(tài)護(hù)砌(河床綜合糙率取0.020)，四海大道-泗門泵站河底不護(hù)砌(河床綜合糙率取0.022)，河道中共有10座橋梁阻水的情況下，河道規(guī)?？蓾M足泵站抽排及水閘閘排下的過流能力。泵站抽排、水閘閘排兩工況下河道縱剖面流速分布及水面線示意圖分別如圖1—2所示。

圖1 泵站抽排工況河道縱剖面流速分布及水面線示意圖

推薦的河道規(guī)模為大河門江至汝虹橋段河道主槽60m，面寬66～74.5m；汝虹橋至四海大道段河道面寬63m，兩側(cè)直立；四海大道至泗門泵站段河道面寬70m，兩側(cè)直立。河道的規(guī)模既滿足了工程終點(diǎn)泗門泵站抽排、水閘閘排來水量的要求，最大限度的減少了用地，又能與工程的下游河段進(jìn)行銜接。

圖2 水閘閘排工況河道縱剖面流速分布及水面線示意圖

3.2 橋梁水頭損失計(jì)算及河道過流能力復(fù)核

根據(jù)水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)《建設(shè)項(xiàng)目對(duì)流域骨干工程防洪累積影響及對(duì)策研究項(xiàng)目》[8](以下簡稱《對(duì)策研究項(xiàng)目》)研究成果，采用適用于平原河網(wǎng)地區(qū)的橋梁阻水水頭損失計(jì)算方法來計(jì)算本工程橋梁的水頭損失。橋梁的數(shù)量及布置型式不同，泵站抽排和水閘閘排條件下橋梁阻水的水頭損失也不同。本工程沿線橋梁密度很大，將會(huì)對(duì)河道過流能力產(chǎn)生一定的影響，因此除了應(yīng)盡可能減少阻水橋梁的數(shù)量外，合理、準(zhǔn)確計(jì)算橋梁群的阻水損失也非常重要。本工程橋梁水頭損失計(jì)算結(jié)果為：

(1)河道沿線若規(guī)劃設(shè)計(jì)11座跨河橋梁，均3跨過河(2排墩柱)，橋梁橋墩采用排柱式，則泵站抽排下，11座橋梁累積水頭損失約為0.06m；水閘閘排下，11座橋梁累積水頭損失為0.04m。

(2)河道沿線若規(guī)劃設(shè)計(jì)7座橋梁，3跨過河，橋梁橋墩采用圓端薄壁墩。同時(shí)考慮有4座大橋均1跨過河，則泵站抽排條件下，7座橋梁累積水頭損失約為0.02m；水閘閘排條件下，7座橋梁累積水頭損失約為0.015m。

(3)在滿足河道功能需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)狀交通、市政路網(wǎng)規(guī)劃，根據(jù)景觀、工程投資要求，進(jìn)一步優(yōu)化、完善了跨河橋梁設(shè)計(jì)，最終方案為1座大橋1跨過河，其他10座跨河橋梁均為3跨過河(2排墩柱)。為減小橋梁的阻水水頭損失，跨河橋梁橋墩均為圓端薄壁墩柱(此結(jié)構(gòu)型式水頭損失最小)。泵站抽排條件下，10座橋梁阻水情況下(10座橋梁均采用圓端薄壁墩柱)，累積水頭損失約為0.028m。水閘閘排條件10座橋梁累積水頭損失為0.022m。

在以上橋梁設(shè)計(jì)方案及水頭損失成果下，采用DELFT3D FLOW對(duì)河道在泵站抽排、水閘閘排下河道過流能力進(jìn)行了河道規(guī)模(補(bǔ)償橋梁損失)復(fù)核計(jì)算。科研成果與工程實(shí)踐結(jié)合，《對(duì)策研究項(xiàng)目》研究成果在本工程的具體應(yīng)用，是河道規(guī)模論證中沒有過的，是一個(gè)創(chuàng)新和突破。

4 河道工程設(shè)計(jì)

4.1 堤岸斷面和護(hù)岸擋墻

河道規(guī)模論證中推薦河道斷面基本為矩形斷面形式，同時(shí)對(duì)河床綜合糙率也有明確要求，大河門江-四海大道河段不大于0.020，四海大道-泗門泵站河段不大于0.022。同時(shí)由于環(huán)保要求，限制爆破山體，天然石料難以取得，因此本工程的護(hù)岸擋墻主要采用鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)。

根據(jù)周圍環(huán)境、生態(tài)景觀要求及施工條件、用地情況，河道沿線設(shè)計(jì)采用了多種形式的堤岸斷面和護(hù)岸擋墻結(jié)構(gòu)，既滿足了功能要求，生態(tài)景觀性又好，有創(chuàng)新。

工程起點(diǎn)的非集鎮(zhèn)段，采用了斜坡加扶壁擋墻復(fù)式護(hù)岸。在需設(shè)置游步道的河段，采用了多級(jí)復(fù)合式擋墻結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在集鎮(zhèn)段的西側(cè)，由于現(xiàn)狀市政路和房屋的存在，采用了非大開挖施工的兩級(jí)樁式復(fù)合擋墻，如圖4所示，施工時(shí)可以兼作基坑支護(hù)，永臨結(jié)合，也滿足景觀要求。

圖3 多級(jí)復(fù)合式擋墻結(jié)構(gòu)

圖4 兩級(jí)雙排樁式擋墻

樁式擋墻可分為單排樁擋墻或雙排樁擋墻，單排樁擋墻為懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，整體剛度小，頂部位移大，內(nèi)力分布不理想，雙排樁結(jié)構(gòu)是一種剛架結(jié)構(gòu)形式，側(cè)向剛度大，其內(nèi)力分布特性明顯優(yōu)于懸臂式單排樁結(jié)構(gòu)，水平變形也比單排樁結(jié)構(gòu)小得多，適用的基坑深度比單排樁結(jié)構(gòu)大[9-11]。相同擋土高度下，通常單排樁擋墻比雙排樁的工程投資大，但雙排樁比單排樁占地略大，因此，在空間條件允許的情況下，結(jié)合現(xiàn)狀和投資要求，本工程的樁式護(hù)岸采用雙排樁結(jié)構(gòu)護(hù)岸。

在河道生態(tài)景觀段，采用了生態(tài)空箱擋墻頂部設(shè)置預(yù)制混凝土塊即復(fù)合式生態(tài)景觀擋墻護(hù)岸，如圖5所示。下部的生態(tài)空箱擋墻可以適應(yīng)河道水深較深和擋土高度較高的要求，適用范圍廣，而上部的生態(tài)景觀擋墻由預(yù)制組件層疊而成，體現(xiàn)了柔性化。層疊擋墻在臨水側(cè)形成階梯狀，不但景觀好，親水性好，而且給兩棲動(dòng)物岸上、水下活動(dòng)提供了方便。在河道常水位附近，上下采用不同結(jié)構(gòu)的擋墻相結(jié)合，可以適用各種水深、擋土高度的要求，整個(gè)擋墻具有非常好的生態(tài)性，且景觀效果好，工程占地少。同時(shí)也能滿足河道規(guī)模論證中提出的河道斷面綜合糙率盡量小的要求，此復(fù)合式生態(tài)景觀擋墻同時(shí)獲得了多項(xiàng)專利[12-14]。

圖5 復(fù)合式生態(tài)景觀擋墻

4.2 河道護(hù)底淤泥原位固化

大河門江至四海大道河段河底為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，由于河底流速大，需要護(hù)砌。河道護(hù)砌材料通常有漿砌塊石、干砌塊石、素混凝土、混凝土預(yù)制連鎖塊等。本工程采用兩側(cè)護(hù)岸擋墻前5m寬范圍采用素混凝土護(hù)底，素混凝土護(hù)底外側(cè)14m寬范圍采用淤泥固化護(hù)底(海綿土)，河底中間部分留約20～25m寬不處理。這樣既具有抗沖性，確保護(hù)岸擋墻的安全，又具有生態(tài)性，降低工程投資，同時(shí)也滿足河道規(guī)模論證中要求的綜合糙率盡量小的要求，也給河道日后運(yùn)行管理清淤提供了必要條件。

河底淤泥原位固化技術(shù)(海綿土)[15-16]是一種近年來逐漸發(fā)展的新技術(shù)、新方法，利用原位淤泥與固化劑混勻攪拌而成，整體穩(wěn)定性強(qiáng)。原位固化后，表層平整致密，強(qiáng)度高，滿足不沖流速及整體綜合糙率要求；底層增加發(fā)泡劑固結(jié)孔隙率高，水體交換能力強(qiáng)，確保固化土層中微生物恢復(fù)的多孔條件。固化后河底結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度、比重和孔隙率的過渡，具備環(huán)境兼容性與生態(tài)性。此新技術(shù)在本工程中應(yīng)用得到專家和業(yè)主的認(rèn)可。

4.3 跨河橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大部分橋梁位于集鎮(zhèn)段，房屋密集且緊鄰河岸兩側(cè)各有一條鎮(zhèn)區(qū)主要道路與主河道橋梁平面交叉；沿線橋梁密集且橋梁阻水影響大，根據(jù)河道規(guī)模論證的水力計(jì)算要求所有跨河橋梁最多為3跨過河(2排墩柱)，跨河橋墩需為圓端薄壁墩柱。1座橋?qū)?6m的大橋需1跨過河。

結(jié)合工程特點(diǎn)和河道拓寬后的寬度，對(duì)現(xiàn)澆連續(xù)整體箱梁、鋼-混凝土面板組合梁、后張法預(yù)應(yīng)力砼簡支T梁、后張法預(yù)應(yīng)力簡支空心板梁、先簡支后連續(xù)小箱梁、先簡支后連續(xù)型鋼混凝土梁等，從工程投資、景觀效果、施工工期等方面進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選擇橋梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)圓端薄壁式橋墩和塊石砼一字橋臺(tái)等細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使橋梁結(jié)構(gòu)既滿足河道規(guī)模、功能要求又能與周邊路網(wǎng)進(jìn)行銜接。對(duì)1跨要求的大橋采用系桿拱橋結(jié)構(gòu)，建筑高度適中，方便接線，造型美觀、造價(jià)低，施工難度小，能很好適應(yīng)行車斷面。拱橋結(jié)構(gòu)也與周邊的公園環(huán)境相協(xié)調(diào)。

4.4 土方開挖和外運(yùn)

結(jié)合施工導(dǎo)流方案，土方開挖采用反鏟挖掘機(jī)干地開挖、水力沖挖和抓斗式挖泥船開挖相結(jié)合方案。本工程土方開挖和外運(yùn)工程量巨大，土方開挖方式直接關(guān)系到工程投資和施工進(jìn)度。土方開挖包括老河道疏浚、拓寬段開挖和預(yù)留土埂開挖。結(jié)合本工程施工條件及施工重點(diǎn)、難點(diǎn)，選取反鏟干地開挖、水力沖挖和挖泥船疏挖等施工方案進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。經(jīng)綜合分析后，土方開挖推薦采用三種方法相結(jié)合的方案。具體為：結(jié)合施工導(dǎo)流方案，先期開挖拓寬段靠近邊坡部分采用挖掘機(jī)干地開挖，陸路運(yùn)輸，開挖斷面與老河道斷面基本相同；中間預(yù)留一部分擋水土體，最后對(duì)擋水土體再采用挖泥船疏浚完成，采用泥駁運(yùn)輸；原河道土方開挖主要考慮采用水力沖挖機(jī)組施工，采用排泥管線輸泥。這樣，既可以加快施工進(jìn)度，又能降低土方開挖、棄土運(yùn)輸對(duì)周邊交通、環(huán)境的影響，節(jié)約工程投資。土方開挖方式根據(jù)本工程特點(diǎn)而確定。

5 結(jié)語

余姚市陶家路江三期整治工程位于城鎮(zhèn)地區(qū)且工程設(shè)計(jì)內(nèi)容多，包括水利工程、市政橋梁工程、道路工程和生態(tài)景觀工程等。在確保堤岸工程的防洪安全和滿足河道過流的要求下，通過河道整治結(jié)合生態(tài)景觀和道路橋梁建設(shè)，突破了傳統(tǒng)水利工程建設(shè)中重功能、輕生態(tài)的做法。本工程的設(shè)計(jì)有多方面的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)理念和方法適用于城鎮(zhèn)地區(qū)用地緊張、跨河橋梁較多的河道工程。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似水利工程特別是對(duì)生態(tài)景觀要求較高的城鎮(zhèn)水利工程，具有較高的參考、借鑒作用。