南水北調(diào)中線穿越方案比選

□安 靜（平頂山市水利局河道管理處）

1.概述

根據(jù)南水北調(diào)總干渠總體設(shè)計技術(shù)規(guī)定，輸水管道穿越總干渠，其穿越建筑物不占用總干渠水頭，根據(jù)輸水管道管底高程、總干渠渠底高程及設(shè)計水位的相互關(guān)系，穿越建筑物型式可選用渠上管道橋和渠底倒虹吸，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工等方案論證后，選用合理的穿越方案。穿越處總干渠設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 輸水管道穿越總干渠設(shè)計參數(shù)表

2.穿越方案

2.1 渠上管道橋

輸水管道跨越總干渠可采用的結(jié)構(gòu)型式很多，結(jié)合總干渠總體設(shè)計技術(shù)規(guī)定及跨越處總干渠設(shè)計斷面，選擇受力簡單、適應(yīng)跨度大、投資小的自承式鋼管和下承式桁架拱2種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分析。

自承式鋼管跨越結(jié)構(gòu)在給排水工程的輸水管道和管網(wǎng)設(shè)計中應(yīng)用廣泛，特別是在給水管道中更是常用的優(yōu)選結(jié)構(gòu)型式。它具有跨越跨度大、避免水下開挖施工、充分利用鋼管強(qiáng)度高的力學(xué)性能、節(jié)省投資、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。但管道穿越總干渠受渠道水頭限制，跨越結(jié)構(gòu)在渠內(nèi)不得布置橋墩；為不影響總干渠管理維護(hù)交通通道，邊墩應(yīng)置于一級馬道外側(cè)，且梁底應(yīng)高于路面4 m以上?；谝陨显?，輸水管道跨越總干渠，其單跨跨度一般在80 m左右，而根據(jù)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)，管徑DN2000以下的自承式平直形架空鋼管，其最大單跨不超過30 m，圓弧形架空鋼管最大單跨可達(dá)到80 m，但適用管徑均在DN1000以下，因此自承式架空鋼管不能完全滿足設(shè)計要求。

下承式預(yù)應(yīng)力桁架拱結(jié)構(gòu)是由兩榀桁架和上、下橫系梁組成復(fù)合剛架，管身支承于剛架上，其特點(diǎn)是剛架本身為高次超靜定空間結(jié)構(gòu)，但每跨仍為簡支梁式結(jié)構(gòu)；復(fù)合剛架的整體剛度比較大，其主要組成部分桁架拱又具有拱的特性，能充分發(fā)揮上弦桿混凝土的抗壓特點(diǎn)，從而以較小的構(gòu)件尺寸承受較大的荷載，增大跨度，滿足設(shè)計要求；整體結(jié)構(gòu)自重輕，能適用于承載力較差的地基；可預(yù)制拼裝，逐步完成，施工方便，外形美觀。因此渠上跨越型式選用下承式桁架拱結(jié)構(gòu)。

2.2 渠底倒虹吸

輸水管道穿越總干渠，管身承受的水壓力和土壓力都比較大，為保證管道運(yùn)行安全，考慮鋼管外直接包封混凝土和鋼管外加防護(hù)結(jié)構(gòu)2種工程措施。

鋼管外直接包封混凝土，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，投資省，但從總干渠安全運(yùn)行考慮，因小流量時管內(nèi)水流挾氣會導(dǎo)致管身震動較大，影響總干渠渠道襯砌的穩(wěn)定性，而且管道一旦出現(xiàn)問題，維護(hù)或更換管道都將影響到總干渠的正常輸水；鋼管外加防護(hù)結(jié)構(gòu)，由于鋼管與防護(hù)結(jié)構(gòu)之間留有空間，可避免倒虹吸管身震動對總干渠渠道襯砌的影響，同時也便于管道運(yùn)行維護(hù)與管理，因此渠底穿越選用鋼管外加防護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.方案比選

3.1 管道橋工程

管橋上部為預(yù)應(yīng)力混凝土下承式桁架拱結(jié)構(gòu)，桁架拱軸線為二次拋物線，拱軸線矢高16 m，跨徑80 m，節(jié)間距4.0 m，矢跨比1/5。拱肋及系梁為C50預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，肋拱截面（寬×高）為1.2 m×1.6 m，系梁截面為1.2 m×1.3 m。肋拱與系梁間的豎桿采用帶PSE保護(hù)層的平行鋼絲成品索。兩榀桁架間上、下橫梁為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為0.6 m×0.8 m。桁架與橋臺之間設(shè)盆式橡膠支座，共設(shè)2套4個支座，一套固定，一套活動。輸水管道采用鋼管，管徑為DN800，通過管托固定于管橋下橫梁上。為平衡溫度應(yīng)力，兩端布置為斜管，并在管橋跨中布置限位伸縮節(jié)。為了便于管道檢修和維護(hù)，在管道兩側(cè)布置人行橋。橋臺下部為實體墩支承、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋臺為C30鋼筋混凝土，實體墩和灌注樁均采用C25鋼筋混凝土。墩下布置2排鉆孔灌注樁，共4根，樁徑1.6 m，樁長21 m。

3.2 倒虹吸工程

倒虹吸軸線與總干渠中心線成正交，進(jìn)出口分別位于總干渠防護(hù)圍欄以外。管身由進(jìn)口斜管段、水平管段、出口斜管段3部分組成，其水平投影長度分別為44 m、27 m和40 m，總長111 m；進(jìn)、出口斜管段坡度均為1:6，與水平管相交處采用圓弧彎道相接，圓弧半徑為12.0 m，圓心角均為6°，水平段涵頂埋深1.5 m，斜管段管節(jié)間及斜管和水平管銜接端設(shè)齒槽和沉陷縫。倒虹吸鋼管外加箱涵防護(hù)結(jié)構(gòu)，箱涵進(jìn)口底板高程121.778 m，水平段涵底高程114.761 m，出口底板高程121.226m，進(jìn)出口分別與閥門井銜接，便于管理維修。鋼管外箱涵防護(hù)結(jié)構(gòu)采用C25鋼筋混凝土，箱涵孔口尺寸（寬×高）為3.0 m×2.5 m。為了便于施工，在管身開挖基面上鋪設(shè)C10混凝土，兩側(cè)外延洞身底板0.1 m，以改善地基應(yīng)力分布。

3.3 方案投資比較

根據(jù)以上工程布置，經(jīng)投資預(yù)算，方案一總投資280.40萬元，每延米投資2.29萬元；方案二總投資178.94萬元，每延米投資1.61萬元；方案一比方案二投資多101.46萬元，每延米投資多0.68萬元。方案投資比較詳見表2。

表2 方案投資比較表

4.結(jié)語

綜合分析方案一和方案二，兩方案在技術(shù)上均可行，都能滿足供水要求，方案二比方案一節(jié)省投資36.2%。考慮到方案一桁架拱跨度大、矢高大，須現(xiàn)場預(yù)制拼裝，施工吊裝難度大、投資大，方案二鋼管外加防護(hù)箱涵，混凝土可現(xiàn)場澆筑，施工簡單，便于管理，在節(jié)省投資上也占優(yōu)勢，因此輸水管道穿南水北調(diào)總干渠，穿越建筑物型式選用方案二，即渠底倒虹吸，倒虹吸管身外加防護(hù)箱涵。