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        深圳碧道水安全、水生態(tài)設(shè)計(jì)方法及實(shí)踐

        2023-11-25 07:27:34王一嵐王建強(qiáng)
        廣東水利水電 2023年11期
        關(guān)鍵詞:碧道排口橋涵

        肖 江,胡 斌,王一嵐,王 偉,秦 祎,王建強(qiáng)

        (1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,北京 100045;2.北京市園林古建設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100081)

        2018年12月20日,廣東省河長辦《關(guān)于開展萬里碧道建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》,要求各地試點(diǎn)先行,迅速開展萬里碧道建設(shè)試點(diǎn)工作。深圳市率先“認(rèn)領(lǐng)”了1 000 km的碧道建設(shè)任務(wù),到2022年,全市將完成500 km碧道建設(shè),到2025年完成1 000 km,率先在全省高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)碧道建設(shè)目標(biāo),讓市民全面享受治水成果[1]。

        深圳市寶安區(qū)下涌碧道建設(shè)項(xiàng)目起點(diǎn)東起黨建公園附近,西至下涌匯入截流河河口處,碧道建設(shè)長度約2.7 km,現(xiàn)狀河底縱坡為0.35‰~0.48‰,河寬在10~20 m之間,流域面積為5.56 km2。碧道建設(shè)的水專項(xiàng)分析占據(jù)十分重要的地位,李漢川認(rèn)為下涌碧道建設(shè)應(yīng)以水體治理、駁岸整治和智慧系統(tǒng)作為重點(diǎn)項(xiàng)目[2];王賀飛[3]認(rèn)為水資源保障、水安全提升、水環(huán)境治理和水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)是中山市西江碧道的總體建設(shè)任務(wù);唐雅雯等[4]以行洪安全、水質(zhì)提升和水生動(dòng)物保護(hù)作為深圳市龍崗區(qū)杶梓河碧道修復(fù)的核心任務(wù);吳世輝[5]從水系連通、水質(zhì)凈化、水源涵養(yǎng)、防洪整治方面對(duì)仁化縣錦江碧道進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì);賴晶[6]認(rèn)為大鵬新區(qū)碧道的水系治理方向包括防洪安全、生態(tài)基流、水生動(dòng)植物、水質(zhì)改善;《深圳市碧道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(試行)[7]水專項(xiàng)主要包括安全系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。按照流域面積劃分,下涌應(yīng)屬于中小河道,則可參考中小河道生態(tài)水利的治理框架和實(shí)踐進(jìn)行水專項(xiàng)的設(shè)計(jì)分析[8-11]。

        1 工程概況

        在符合下涌碧道相關(guān)規(guī)劃的要求下,下涌碧道的水系設(shè)計(jì)平面分布圖和設(shè)計(jì)俯瞰效果圖分別見圖1和圖2。

        圖1 下涌碧道建設(shè)水系設(shè)計(jì)平面分布示意

        因下涌于2018年經(jīng)歷綜合整治工程,故碧道設(shè)計(jì)時(shí)盡可能利用現(xiàn)狀設(shè)施,并且在設(shè)計(jì)后分析對(duì)現(xiàn)狀設(shè)施的影響。整個(gè)下涌碧道建設(shè)基于現(xiàn)狀河道,秉持“不大拆大建”的原則,實(shí)現(xiàn)“清川展綠、下涌織新”的總體目標(biāo),其中涉水設(shè)施主要包括碧道建設(shè)起點(diǎn)(XC2+702.70)處的現(xiàn)狀沙井再生水廠補(bǔ)水點(diǎn)、碧道建設(shè)終點(diǎn)(XC0+000.00)下涌匯入截流河河口現(xiàn)狀截污擋潮閘處,在現(xiàn)狀松福大道橋涵東側(cè)有一座塘下溝排澇泵站,在現(xiàn)狀錦程路橋涵西側(cè)附近有一座民主三間仔排澇泵站、下涌兩岸沿線堤腰路下方存在現(xiàn)狀截污管線等。

        下涌河寬較為筆直、順直段長度較長,初步按照明渠均勻流公式[12]估算常水深不足20 cm,結(jié)合多次現(xiàn)場調(diào)研驗(yàn)證,基本符合估算結(jié)果??紤]水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)需要一定深度的水深,故通過在錦程路橋涵以東100 m處新建生態(tài)溢流堰和汀步結(jié)合(XC0+892.37),滿足景觀設(shè)計(jì)水深0.5 m和連通兩岸居民親水的需求,并在靠近下涌匯入截流河河口處新建一座一體化泵站(XC0+000.00),排水流量按照沙井再生水廠補(bǔ)水量確定(Q=1 350 m3/h)。在截污閘擋潮關(guān)閉后(截流河水位受潮水位影響時(shí)、下涌兩岸面源污染流入時(shí))、周邊地下工程施工降排水匯入時(shí)(例如地鐵12號(hào)線海上田園東站)啟動(dòng)一體化泵站,以此控制常水位的穩(wěn)定。

        下涌碧道建設(shè)中的水專項(xiàng)主要圍繞實(shí)現(xiàn)水安全和水生態(tài)兩個(gè)子目標(biāo)出發(fā),其中水安全主要分析防洪安全和水質(zhì)安全兩個(gè)專業(yè)目標(biāo),水生態(tài)主要分析生態(tài)補(bǔ)水和水生動(dòng)植物兩個(gè)專業(yè)目標(biāo)。

        2 水安全、水生態(tài)分析計(jì)算

        2.1 防洪安全

        2.1.1防洪標(biāo)準(zhǔn)及斷面劃分

        依據(jù)《深圳市防洪(潮)排澇規(guī)劃(2021—2035)說明書》[13],確定下涌碧道建設(shè)為50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),Q50=86.8 m3/s。

        依據(jù)《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.3條:“計(jì)算斷面間距宜在1~4倍河槽寬范圍內(nèi)取值。計(jì)算斷面間距在比降較大河段宜取小值,比降較小河段宜取大值?!盵14]下涌河道比降較小,河寬約10~20 m,故按照每100 m劃分一個(gè)斷面。由《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]表3.1.3和表3.2.1可知:下涌碧道建設(shè)的建筑物級(jí)別為2級(jí),按照允許越浪考慮的安全加高值為0.4 m。

        2.1.2相關(guān)參數(shù)確定及水流模型建立

        以100 m為一個(gè)斷面間距,對(duì)于新建生態(tài)溢流堰、人行景觀橋、現(xiàn)狀橋涵和部分轉(zhuǎn)彎河段增加斷面,下涌全段共劃分為55處設(shè)計(jì)斷面,提取相關(guān)斷面參數(shù),使用HEC-RAS對(duì)設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行行洪安全復(fù)核,同時(shí)考慮了新建生態(tài)溢流堰(樁號(hào)XC0+892.37處)和現(xiàn)狀6座橋梁的壅水影響。

        1)糙率選取

        以《水工設(shè)計(jì)手冊(第2版)第9卷》[16]及《下涌整治工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》[17]中糙率選擇為參考,因碧道建設(shè)后河槽內(nèi)水生植物增多導(dǎo)致糙率會(huì)適當(dāng)增加,取值0.03,堤腰路以上部分按照砌磚護(hù)面取值0.017。

        2)現(xiàn)狀橋涵壅水

        新建人行景觀橋A、B均一跨過河,不在河道內(nèi)設(shè)置橋墩,且橋梁梁底高程高于洪水位0.5 m以上。

        現(xiàn)狀橋梁共有6座,自下游向上游依次為現(xiàn)狀錦程路橋涵(XC0+744.09-XC0+795.26)、現(xiàn)狀松福大道橋涵(XC1+528.74-XC1+667.08)、現(xiàn)狀沙一工業(yè)1#橋(XC1+850.39)、現(xiàn)狀沙一工業(yè)2#橋(XC2+016.61)、現(xiàn)狀西環(huán)路橋涵(XC2+301.39-XC2+451.30)、黨建公園處現(xiàn)狀橋涵(XC2+572.38)。因鐵科院的曹瑞章公式考慮因素多,適應(yīng)性較強(qiáng),成果相對(duì)較為合理[18-20],故采用鐵科院曹瑞章公式計(jì)算現(xiàn)狀橋梁壅水值,公式如下(結(jié)果見表1):

        表1 現(xiàn)狀6座橋梁壅水計(jì)算結(jié)果

        (1)

        式中:

        Vm——橋下平均流速,Vm=KpQp/Aj;

        Qp——設(shè)計(jì)流量;

        Aj——橋下凈過水面積;

        Kp——考慮沖刷引起的流速折減系數(shù);Kp=1/[1+A(p-1)];

        P——沖刷系數(shù),取1.0;

        d50——橋下河床中值粒徑,mm;

        V0m——天然狀態(tài)下平均流速,V0m=Q0m/A0m;

        Q0m——天然狀態(tài)下通過的設(shè)計(jì)流量;

        A0m——橋下過水面積;

        K——壅水系數(shù),K=2/(Vm/V0m-1)^ 0.5;

        g——重力加速度。

        3)水面線計(jì)算成果

        HEC—RAS模型運(yùn)用伯努利能量方程原理,根據(jù)模型要求輸入幾何數(shù)據(jù)和恒定流數(shù)據(jù),下涌起推水位為1.73 m,為下涌匯入截流河河口處。結(jié)果顯示下涌碧道建設(shè)后50年一遇洪水位介于1.73~3.88 m(見表2)。

        表2 下涌全段水面線計(jì)算成果

        2.1.3行洪安全綜合評(píng)價(jià)

        1)防洪安全

        通過對(duì)現(xiàn)狀左岸部分花池?fù)鯄痈?0 cm、右岸部分空心欄桿改造為實(shí)體擋墻、或是兩岸部分綠地地形調(diào)整等手段,使下涌碧道建設(shè)后原本堤頂欠高的河段滿足防洪要求。對(duì)于西環(huán)路橋涵以及東側(cè)現(xiàn)狀人行橋經(jīng)過行洪分析,現(xiàn)狀橋梁梁底高程略低于50年一遇洪水位,在發(fā)生設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),可能會(huì)存在水位漫過部分橋面的情況,故需在汛期組織防汛搶險(xiǎn)工作。

        改造后河道駁岸生態(tài)性、親水性大大增強(qiáng),同時(shí)兩岸植入了較多的海綿措施,例如雨水花園、透水路面、下凹式綠地等等,在一定程度上減少了徑流系數(shù),緩解了下涌暴雨期的行洪壓力。

        2)行洪沖刷安全

        下涌碧道建設(shè)后的行洪期間,斷面平均流速、水深等數(shù)值基本與下涌綜合整治工程中設(shè)計(jì)值一致,加之本項(xiàng)目河床改造時(shí)避讓河底現(xiàn)有管線、距離兩岸護(hù)坡坡腳一定距離,對(duì)現(xiàn)狀堤腰路結(jié)構(gòu)不進(jìn)行調(diào)整,不改變現(xiàn)狀駁岸及堤腰路基礎(chǔ)埋深[21]。

        行洪時(shí)下涌全段弗勞德數(shù)均小于1,水流流態(tài)為緩流,除現(xiàn)狀橋梁行洪處斷面平均流速較高,最高為錦程路橋涵處,斷面平均流速達(dá)2.88 m/s,其余斷面平均流速介于0.5~2.0 m/s,可滿足河槽內(nèi)鋼筋混凝土構(gòu)筑物表面抗沖刷要求(4 m/s),其中中段和東段行洪期間斷面平均流速小于1.5 m/s。故碧道建設(shè)后,仍舊滿足水工建筑物的沖刷埋深要求和表面抗沖要求。

        在水流沖刷作用下,防護(hù)工程護(hù)坡、護(hù)腳塊石保持穩(wěn)定的抗沖折算粒徑d按下式計(jì)算[15]:

        (2)

        式中:

        d——抗沖粒徑,m;

        V——水流流速,m/s;

        rs——石塊容重,取值25 kN/m3;

        r——水容重,取值10 kN/m3;

        g——重力加速度,9.8 m/s2;

        C——穩(wěn)定系數(shù),按水平底坡取值1.2。

        計(jì)算結(jié)果見表3。經(jīng)分析,新建生態(tài)河床所用石子粒徑≥2 cm即可滿足抗沖要求。

        表3 抗沖粒徑計(jì)算結(jié)果

        3)橋梁過流安全

        按照滿管流公式[22]對(duì)下涌沿線3座主要現(xiàn)狀橋梁進(jìn)行最大過流能力分析,公式如下:

        (3)

        (4)

        式中:

        Q——過流流量,m3/s;

        A——過流斷面面積,m2;

        R——水力半徑,矩形管道時(shí),R為過流斷面面積A與濕周的比值,圓管滿流時(shí),R為管道內(nèi)徑的1/4,m;

        i——管底縱坡,%;

        n——管道內(nèi)壁糙率;

        C——謝才系數(shù)。

        自下游向上游依次為現(xiàn)狀錦程路橋涵(XC0+744.09-XC0+795.26)、現(xiàn)狀松福大道橋涵(XC1+528.74-XC1+667.08)、現(xiàn)狀西環(huán)路橋涵(XC2+301.39-XC2+451.30,3孔進(jìn),單孔出),結(jié)果顯示3座現(xiàn)狀橋涵均滿足過流要求,即最大過流量滿足設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下的洪峰流量,斷面平均流速均小于現(xiàn)狀橋涵表面混凝土材質(zhì)的抗沖流速(4 m/s)(見表4)。

        表4 現(xiàn)狀橋梁過流能力及斷面平均流速計(jì)算結(jié)果

        4)行洪對(duì)植物影響

        下涌在行洪期間,水流流態(tài)為緩流,斷面平均流速介于0.5~2.0 m/s,水生植物可承受短暫沖刷。計(jì)算結(jié)果可對(duì)后期植物選擇作為依據(jù),盡可能挑選抗沖、抗淹性能強(qiáng)的水生植物。

        5)行洪對(duì)沿河排口影響

        下涌碧道建設(shè)不包含新建雨水排口。

        結(jié)合實(shí)測管線圖,下涌沿河共有83處現(xiàn)狀雨水口,其中上游段(寶安區(qū)段)24處,下游段(前海區(qū)段)59處。現(xiàn)狀雨水排口內(nèi)頂高程與常水位、50年一遇洪水位的關(guān)系見圖3。

        圖3 沿河現(xiàn)狀雨水排口內(nèi)頂高程與常水位關(guān)系(左)、與50年一遇洪水位關(guān)系(右)

        依據(jù)《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》第3.5.6條及條文說明[23],“排水管渠出水口內(nèi)頂高程宜高于收納水體的多年平均水位。有條件時(shí)宜高于設(shè)計(jì)防洪(潮)水位?!薄俺鏊诟叱痰脑O(shè)計(jì)要兼顧南北方城市的不同特點(diǎn),對(duì)于高差較小的城市允許淹沒出流”。按照設(shè)計(jì)常水位水深為0.3~0.5 m考慮,下涌沿線現(xiàn)狀雨水排口內(nèi)頂高程高于常水位的排口共有82處,占99%;現(xiàn)狀雨水排口內(nèi)頂高程高于50年洪水位的排口共有18處,占22%。

        經(jīng)過多方考量,改造雨水排口的實(shí)施性較差,故不對(duì)沿河雨水排口高程進(jìn)行調(diào)整。收集堤頂路面雨水的排口數(shù)量共有37處,占比為45%,行洪時(shí)河道能滿足50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),超此標(biāo)準(zhǔn)時(shí),現(xiàn)狀排水管道臨時(shí)起到調(diào)蓄功能,能減緩一定程度行洪壓力,此時(shí)現(xiàn)狀雨水排口為淹沒出流。

        2.2 水質(zhì)安全

        下涌規(guī)劃水質(zhì)為Ⅳ類,2021年3—4月份部分日采集的氨氮指標(biāo)檢測結(jié)果如下,判斷出下涌目前水質(zhì)基本穩(wěn)定于Ⅳ~Ⅴ類(見圖4)。

        圖4 下涌實(shí)測水質(zhì)情況(氨氮指標(biāo)檢測結(jié)果)

        下涌兩岸目前通過綜合整治的截污工程、全面消黑、正本清源、重點(diǎn)面源污染治理等項(xiàng)目,逐漸實(shí)現(xiàn)雨污分流,確保下涌水質(zhì)狀況的良好轉(zhuǎn)變,故碧道建設(shè)不再采取工程措施,僅通過水生植物等非工程措施進(jìn)行水質(zhì)提升。

        2.3 補(bǔ)水流量復(fù)核

        下涌目前補(bǔ)水量來自沙井再生水廠出水、通過沙井補(bǔ)水泵站供給。補(bǔ)水點(diǎn)位于下涌上游段黨建公園南側(cè)附近,補(bǔ)水水質(zhì)為一級(jí)A,下涌日補(bǔ)水量為3.05萬t。2021年沙井補(bǔ)水泵站供水量月份變化情況見圖5。

        圖5 沙井補(bǔ)水泵站年運(yùn)行天數(shù)及供水水量情況

        目前沙井補(bǔ)水泵站日均供水量約35萬t,達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模(50萬t)的70%。同時(shí),年運(yùn)行天數(shù)約318 d,全年運(yùn)行天數(shù)占比達(dá)到87%。基本可保障下涌補(bǔ)水量穩(wěn)定和補(bǔ)水時(shí)間連續(xù)的需求,后期隨著沙井補(bǔ)水泵站達(dá)產(chǎn)后的穩(wěn)健運(yùn)行,下涌需水量基本可以得到保障,故碧道建設(shè)不再采取補(bǔ)水工程措施。

        2.4 生態(tài)河床

        在河底建設(shè)相應(yīng)的礫石群落,用于改善河床基質(zhì),形成水下異質(zhì)空間,為魚類提供部分庇護(hù)、產(chǎn)卵和索餌的場地,礫石群頂高程盡量不高于現(xiàn)狀河底高程,做好與現(xiàn)狀橋涵底板、河底現(xiàn)狀埋設(shè)管道的高程銜接關(guān)系,礫石群直徑不小于2 cm,滿足抗沖要求。結(jié)合行洪分析中水流流速的特點(diǎn),優(yōu)先選擇抗沖、耐淹、耐鹽堿、根系發(fā)達(dá)、自凈效果強(qiáng)、美觀性好且便于后期運(yùn)維管理的水生植物布置在坡腳處,在一定程度上能夠?qū)ο掠克|(zhì)進(jìn)行提升。

        3 結(jié)語

        1)通過分析計(jì)算,深圳市下涌碧道建設(shè)后滿足50年一遇防洪要求;行洪時(shí)對(duì)既有橋梁、堤岸沖刷影響較??;根據(jù)行洪流速對(duì)水生植物選擇提供了參考意見;沿河雨水排口改造困難,在行洪期間為淹沒出流;水質(zhì)狀況正常,不再采取工程措施;補(bǔ)水水量穩(wěn)定、連續(xù)性較好,基本滿足景觀需求;提供生態(tài)河床構(gòu)建的礫石群直徑參考數(shù)值等。為碧道水安全、水生態(tài)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐,系統(tǒng)完整地提出了相關(guān)設(shè)計(jì)過程,為其他碧道建設(shè)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

        2)因下涌碧道流域范圍小,水生態(tài)資料較為匱乏,故缺乏對(duì)水生動(dòng)物的設(shè)計(jì)考慮。隨著業(yè)界對(duì)河道內(nèi)水生動(dòng)物的關(guān)注度越來越高,例如魚類“三場一道”的專項(xiàng)設(shè)計(jì),地方主管部門應(yīng)建立完善的水生動(dòng)物檔案,在設(shè)計(jì)中進(jìn)一步考慮對(duì)水生動(dòng)物的保護(hù)。

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