淺談新汴河治理工程唐河地下涵的設(shè)計優(yōu)化

許道龍

淺談新汴河治理工程唐河地下涵的設(shè)計優(yōu)化

許道龍

一、工程概況

安徽省宿州市新汴河是20世紀70年代開挖的人工河流，新北沱河、唐河和石梁河等3條天然河流被其截斷后均采用倒虹吸式地涵下穿新汴河進行了連通，其中唐河地下涵規(guī)模最大，設(shè)計流量為348m3/s，校核流量554m3/s。該涵原設(shè)計采用漿砌石墩墻結(jié)合混凝土頂拱結(jié)構(gòu)，共15孔，單孔凈寬4m，高4.5m，洞長287.4m，進口段設(shè)控制閘。由于唐河地下涵存在過流能力不足、拱頂?shù)K航、結(jié)構(gòu)老化損壞、設(shè)施簡陋等諸多問題，在新汴河治理工程項目中被鑒定為四類閘，須對其進行除險加固。

二、可研階段方案設(shè)計和施工安排

唐河地下涵樞紐工程在可研階段比選了原址加固擴建和拆除重建兩種方案。加固擴建方案由于原倒虹吸涵底高程較高，為滿足新汴河通航以及抗浮穩(wěn)定需要，現(xiàn)有老涵結(jié)構(gòu)利用的空間很小，老涵加固后有效過流孔徑只有3.5m×3.0m，需另外擴建8孔5.0m× 4.5m洞身，涵孔數(shù)量達23孔，總布置寬度達108m。拆除重建方案為原址新建15孔5.0m×4.5m，總布置寬度86.6m。無論是工程總體布置的協(xié)調(diào)性、工程投資、建筑物安全可靠性、施工難易程度、工程運行管理等方面，拆除重建方案都具有明顯的優(yōu)勢，可研階段推薦拆除重建方案是必然的。

推薦方案地下涵3孔一聯(lián)共5聯(lián)布置，順水流向分為20節(jié)，節(jié)長16～14m，總布置長度318m。由于涵洞孔節(jié)數(shù)量多，施工工序多，混凝土澆筑量大，水下工程施工工期長，難以在一個枯水期內(nèi)完成，因此施工導流采用了2個枯水期并跨1個主汛期施工。在主汛期，利用已建好的9孔新涵和6孔老涵對唐河進行導流，按照防洪要求恢復原河道和堤防斷面對新汴河進行導流，汛后重新開工完成剩余6孔涵的建設(shè)。

三、初設(shè)階段的方案設(shè)計優(yōu)化

1.原設(shè)計方案存在的問題

隨著調(diào)查和設(shè)計的深入，發(fā)現(xiàn)唐河地下涵原批復的設(shè)計和施工方案存在如下問題：

（1）施工導流方式存在風險。老涵為素混凝土分縫底板和預制頂拱結(jié)構(gòu)，中孔不能承受拱圈水平推力，老涵拆除和新涵施工對已存在隱患的老結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，因此利用6孔老涵導流不確定因素多，存在結(jié)構(gòu)安全風險。同時老涵與新涵之間銜接困難，存在滲流安全隱患。

（2）影響后續(xù)工程施工。第二個枯水期將唐河上游來水導入石梁河，造成擬在該時段施工的石梁河地下涵導流度汛壓力大。

（3）臨時工程成本大增。汛期唐河與新汴河同時度汛，必須回填新汴河以及兩側(cè)堤防并進行抗沖安全防護，拆除全部圍堰，水下施工設(shè)備全部撤離。汛后二次進場、排水、開挖基坑和填筑圍堰。因此主體工程跨汛期施工造成臨時工程投資大幅增加。

（4）總體布置不協(xié)調(diào)。15孔老涵總布置寬度71.2m，推薦設(shè)計方案總布置寬度86.6m，與現(xiàn)狀河道的平面布置不相適應。

為使方案度汛安全，布置協(xié)調(diào)，投資合理，有必要在兼顧施工方案的基礎(chǔ)上對設(shè)計方案進行優(yōu)化。

2.涵址方案優(yōu)化的可行性

為解決跨汛期施工帶來的風險和臨時工程成本增加的問題，根據(jù)涵址地形條件，將上述原址拆除重建方案與移址重建方案進行了深入比選，比選的孔徑規(guī)模仍為 15孔 5.0m× 4.5m。移址重建方案在涵址上游唐河老河道一側(cè)布置新的地下涵，涵洞中心線與新汴河河道中心線呈83°交角，地下涵總布置長度384m。兩方案總平布置見示意圖1（2016年8月份衛(wèi)星照片，唐河地下涵已原址建成）。

兩方案主要存在以下區(qū)別：（1）因工程量大，均需在兩個枯水期內(nèi)分兩期實施。對于唐河汛期導流，移址方案可利用現(xiàn)狀地下涵度汛，安全可靠性大。對于新汴河汛期導流，原址方案需二次開工，增加投資540萬元，而移址方案可以先完成河道內(nèi)全部主體建筑的施工，汛期能夠正常度汛，因此移址方案易于實施且節(jié)省臨時工程投資。（2）移址方案較原址方案主體建筑投資增加約2330萬元，且存在拆遷占地問題需增加費用450萬元。

因此從施工導流來看，移址方案具有較大的優(yōu)勢，對工程本身和防洪度汛安全均十分有利。但從工程總體投資優(yōu)化的角度，該方案增加投資過多，顯然是不可取的。

3.原址重建方案的優(yōu)化

為力求一個枯水期能夠完成主體工程，原址重建方案總體布置在滿足水工設(shè)計要求的前提下，應盡可能減小水下工程施工強度，減少施工工序，減短流水作業(yè)時間間隔，以達到有效壓縮工期的目的。

（1）適當減少涵孔數(shù)量是方案優(yōu)化首選。在滿足過流要求和結(jié)構(gòu)合理情況下，增加了12孔（5.0m×5.6m）方案和9孔（6.0m×6.2m）方案進行經(jīng)濟技術(shù)比選。各孔徑方案的優(yōu)劣主要表現(xiàn)為：①12孔方案與現(xiàn)狀唐河銜接最平順，工程量相對較小，投資最省。②孔徑越大，為滿足抗浮需要的埋置深度大，則基坑開挖深度大，倒虹吸坡度長，涵洞易淤積。③施工導流度汛方面，與15孔方案相比，12孔和9孔方案施工工序大為減少，混凝土澆筑強度相對較小，起吊運輸跨度適中，通過合理的施工組織完全可以在一個枯水期內(nèi)完成。設(shè)計推薦工作量和投資最省的12孔方案。

（2）優(yōu)化施工組織設(shè)計：①汛末即完成施工前準備，如臨時圍堰、老涵水上拆除工作，為主體工程施工創(chuàng)造時間。②原址重建施工強度大，如土方挖填43萬m3，混凝土澆筑7.8萬m3，應利用場地較為開闊的優(yōu)勢，拆除、土方挖填、混凝土澆筑應搭接平行作業(yè)，上下游左右岸分6段同步施工。③優(yōu)化流水作業(yè)時間間隔。如洞身混凝土作業(yè)先施工中間兩聯(lián)，再兩邊聯(lián)；每聯(lián)分底板和墻體頂板兩期完成；推薦采用澆筑強度大、現(xiàn)場干擾小的商品混凝土；洞身內(nèi)外側(cè)模板采用可移動式鋼模臺車支立。

經(jīng)過上述工程布置和施工措施的優(yōu)化，唐河地下涵在一個枯水期即第一年10月至第二年5月是可以完成主體工程施工的，該設(shè)計方案在水利部和發(fā)改委兩級審查階段專家組均予以認可。唐河地下涵工程縱橫剖面圖見圖2。

四、施工圖階段的設(shè)計優(yōu)化

建設(shè)單位考慮到施工階段雨雪天氣、主汛期提前等不確定因素的影響，為確保安全度汛萬無一失，要求進一步優(yōu)化施工圖階段的設(shè)計方案，為加快施工創(chuàng)造條件。為此施工圖設(shè)計主要從減少流水作業(yè)頻次和施工工序，提高工作效率，增加機械化作業(yè)強度等方面進行了設(shè)計優(yōu)化：①結(jié)合詳細的地質(zhì)資料，經(jīng)過分析計算，涵洞單節(jié)長度由16m增加到25m，洞身由原設(shè)計19節(jié)減至14節(jié)。②取消與滲流無關(guān)的倒虹吸水平段洞外混凝土包箍。③洞身結(jié)構(gòu)盡量對稱統(tǒng)一，鋼筋配置盡量單一，避免彎筋和斜筋，交叉止水工廠化生產(chǎn)。④擋墻人工砌石結(jié)構(gòu)改為混凝土結(jié)構(gòu)，人工砌石防護改為拋石防護。

五、優(yōu)化效果和設(shè)計體會

該項目于2013年10月初正式開工，2014年5月下旬水下工程成功通水驗收，標志著一系列設(shè)計優(yōu)化達到了預期的效果，大大節(jié)省了工期，節(jié)約了投資，為新汴河治理后續(xù)工程的正常建設(shè)提供了有利條件。

通過該項目的設(shè)計，主要有以下幾點體會：①設(shè)計方案的最終選定是一個不斷深化和優(yōu)化的方案比選過程，不能一味拘泥于上階段成果。②不同專業(yè)在設(shè)計過程中要充分銜接和會審，使設(shè)計方案總體最優(yōu)。③設(shè)計要體現(xiàn)建設(shè)施工等相關(guān)方的需求，盡可能使施工圖設(shè)計最優(yōu)

（作者單位：安徽省水利水電勘測設(shè)計院 230088）

圖2 唐河地下涵工程縱橫剖面圖