高鐵深路塹段農(nóng)田水利系統(tǒng)復(fù)舊的創(chuàng)新與應(yīng)用

朱學(xué)輝，劉葉行

（1.寧夏城際鐵路有限責(zé)任公司，寧夏?銀川???750001；2.中鐵十六局集團(tuán)?第二工程有限公司，天津???300162）

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目概述

新建吳忠—中衛(wèi)高速鐵路（簡(jiǎn)稱(chēng)吳中城鐵）位于寧夏回族自治區(qū)沿黃經(jīng)濟(jì)區(qū)的吳忠和中衛(wèi)2市，項(xiàng)目北起吳忠市，向南沿京藏高速經(jīng)關(guān)馬湖和滾泉，穿越牛首山丘陵區(qū)至中寧東設(shè)站，向西沿黃河南岸經(jīng)宣和至中衛(wèi)市。按照寧夏回族自治區(qū)“同城化規(guī)劃建設(shè)”的思路、寧夏城際軌道交通發(fā)展規(guī)劃，吳中城鐵于2016年6月開(kāi)工建設(shè)。正線全長(zhǎng)135?km，投資估算總額136.15億元，設(shè)計(jì)時(shí)速250?km，全線新建紅寺堡北站、中寧東站、中衛(wèi)南站3座車(chē)站，遠(yuǎn)景年輸送能力單向可達(dá)2?000萬(wàn)人次。

新建吳中城鐵DK110+911—DK124+670路塹段交叉51道獨(dú)立水利灌溉系統(tǒng)，線路土方開(kāi)挖施工，將原有51道水利灌溉系統(tǒng)被截?cái)?。同時(shí)由于灌溉系統(tǒng)水利要求、地形地質(zhì)、空間布局等條件各不相同，被線路截?cái)嗪髲?fù)建難度較大[1]。

1.2 區(qū)段地形及氣候條件

DK110+911—DK124+670段穿越地形為典型的高階臺(tái)地段落，該段位于中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)，屬于南山臺(tái)子臺(tái)地，南山臺(tái)子系古老的黃河高山臺(tái)地。西起香山羊圈溝，東至衛(wèi)寧分界的清水河，南以1350等高線、北以山臺(tái)1240等高線為界。東西長(zhǎng)約35?km，南北寬約8?km，260?km2（約39萬(wàn)畝），屬香山洪積扇區(qū)，地勢(shì)南高北低，西高東低，地面起伏，沖溝發(fā)育，溝壑縱橫，地表部分開(kāi)發(fā)為耕地。耕地引用黃河水灌溉，渠道縱橫交錯(cuò)，交織成網(wǎng)，已開(kāi)發(fā)灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)為果樹(shù)、春小麥、糜子、谷子、油料、豆類(lèi)等。

項(xiàng)目區(qū)屬中溫帶干旱氣候區(qū)，大陸性沙漠氣候顯著，日照充足，熱量豐富，晝夜溫差大，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)沙大而多。地區(qū)氣候干旱，農(nóng)作物所需水量完全依靠渠道輸水灌溉，水利灌溉設(shè)施完善。

1.3 地方影響

DK110+911—DK124+670切斷水渠段落涉及2鎮(zhèn)9村，范圍廣，影響面大，影響大片農(nóng)田、經(jīng)濟(jì)林木收成，直接影響地方村民家庭收入，因此地方政府及村民反應(yīng)強(qiáng)烈，鐵路建設(shè)施工僵持無(wú)法推進(jìn)。

2 問(wèn)題的提出

新建吳中城鐵DK110+911—DK124+670路基為路塹段，其施工停滯，無(wú)法推進(jìn)，主要面臨問(wèn)題如下：

（1）路基開(kāi)挖將與其交叉的原51道灌溉渠截?cái)?，?huì)造成線路右側(cè)2.33?km2（約3?500畝）農(nóng)田、果林無(wú)法灌溉。

（2）此區(qū)段主要有2次集中灌溉期，春灌、冬灌，分別為每年3月、12月。2次灌溉期如無(wú)法保證正常通水，將造成農(nóng)田、果林減產(chǎn)，易發(fā)生村民群體性阻工事件和大額賠償金。

（3）根據(jù)工期安排，2016年6月份開(kāi)始進(jìn)場(chǎng)施工，2016年11月底路基開(kāi)挖施工完畢。2016年11月20日—12月10日為此渠段農(nóng)田冬季灌溉期，灌溉系統(tǒng)恢復(fù)工程需在11月20日前全部完成。

（4）此區(qū)段深路塹較多，土方開(kāi)挖斷面較大，開(kāi)挖深度為10 ～ 19?m，同時(shí)灌溉渠全部位于高地勢(shì)斷面穿越線路。灌溉系統(tǒng)恢復(fù)工程將面臨高路塹邊坡作業(yè)，存在作業(yè)面小、設(shè)備進(jìn)入困難、鐵路正線交叉影響大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。

（5）原水利灌溉系統(tǒng)主要為U形槽灌溉渠，無(wú)需專(zhuān)人負(fù)責(zé)維護(hù)。灌溉系統(tǒng)恢復(fù)工程完善后，將無(wú)接收單位接管，運(yùn)營(yíng)管理難度大。

3 傳統(tǒng)解決方案

根據(jù)傳統(tǒng)解決方案，原設(shè)計(jì)提出豎井式倒虹吸方案、征地補(bǔ)償方案及泵站揚(yáng)水方案，3種方案均可解決灌溉系統(tǒng)阻斷問(wèn)題，但是同樣存在缺陷[2-4]。

3.1 豎井式倒虹吸方案

高速鐵路路塹段交叉水利設(shè)施需恢復(fù)建設(shè)時(shí)，一般采用豎井式倒虹吸。所謂豎井式倒虹吸，即從高鐵路基下垂直穿過(guò)，從而解決高鐵兩側(cè)渠道聯(lián)通問(wèn)題，主體結(jié)構(gòu)為：在路塹邊坡兩側(cè)設(shè)置豎井，基床底設(shè)置豎向橫穿矩形涵洞（2×1.5?m），豎井涵洞內(nèi)穿過(guò)直徑0.6?m的鑄鐵倒虹吸管；涵洞兩側(cè)各增加25?m長(zhǎng)過(guò)渡段（見(jiàn)圖1）。

這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案雖可解決灌溉問(wèn)題，但本工程中存在的弊端是深路塹、橫截面大（50～60?m），豎井、涵洞開(kāi)挖施工難度大；倒虹吸管的淤積及排水問(wèn)題無(wú)法解決，當(dāng)?shù)毓喔纫命S河水，泥沙含量大，倒虹吸管易造成淤堵，且管道較小無(wú)法采取人工清淤，通常的做法是在倒虹吸管最低處設(shè)置排水閥，通過(guò)排水沖淤的方式排除管道內(nèi)淤泥，但這種排淤方式會(huì)造成大量水排入矩形護(hù)涵內(nèi)，由于地形條件限制，護(hù)涵排水困難，對(duì)路基存在水泡的隱患[5-6]；附加工作量大，此方案需要在鐵路正線內(nèi)開(kāi)挖施工涵洞，影響鐵路架梁關(guān)鍵線路，造成鐵路工期不能滿(mǎn)足要求。增加過(guò)渡段與段路基，進(jìn)而增加了路基不均勻沉降的概率，對(duì)高鐵運(yùn)行安全影響大（見(jiàn)圖2）。

圖1 豎井式倒虹吸剖面、平面

3.2 征地補(bǔ)償方案

對(duì)DK110+911—DK124+670內(nèi)51道水利灌溉系統(tǒng)覆蓋的2.33?km2（約3?500畝）農(nóng)田、果林進(jìn)行一次性征收補(bǔ)償。此方案簡(jiǎn)單快捷，而且一次性根治后期對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的不利影響。

此方案弊端較大：征收費(fèi)用巨大，按現(xiàn)行文件征地標(biāo)準(zhǔn)2.69萬(wàn)元/畝，共需花費(fèi)9?415萬(wàn)元的高額費(fèi)用，嚴(yán)重超出鐵路總投資預(yù)算；對(duì)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成不利影響，且影響深遠(yuǎn)，嚴(yán)重破壞了地方村民長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)收入來(lái)源，增加地方財(cái)政困難；造成巨大的資源浪費(fèi)，破壞良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)，同時(shí)與國(guó)家提倡的環(huán)保及生態(tài)原則相悖。

3.3 泵站揚(yáng)水方案

揚(yáng)水泵站可沖破地形地勢(shì)限制，可在線路右側(cè)的干渠邊新建揚(yáng)水泵站1座，沿鐵路路基從大里程向小里程布設(shè)輸水壓力管道，通過(guò)泵站揚(yáng)水為鐵路阻斷的下游渠道供水，沿線布置各類(lèi)閥井及穿溝建筑物。該方案不僅可解決灌溉問(wèn)題，還可考慮灌區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃增加灌溉面積的水量。管線可以遠(yuǎn)離鐵路路基布設(shè)，對(duì)鐵路安全運(yùn)行保障率高。

該方案弊端是管路較長(zhǎng)，沿程水頭損失大，沿線大小山洪溝多，穿越難度大；前期投資后，后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用大，建設(shè)投資每處約1?200萬(wàn)元，后期運(yùn)行管理費(fèi)用非常高，涉及問(wèn)題也非常多，如配套電力線路及運(yùn)營(yíng)管理的人工費(fèi)、設(shè)施費(fèi)和設(shè)備費(fèi)用等，建管雙方很難協(xié)商一致，當(dāng)?shù)厮畡?wù)部門(mén)和村民根本無(wú)法接管，抵觸情緒極大。沒(méi)有政府的配套規(guī)劃，該方案基本無(wú)法實(shí)施。

經(jīng)過(guò)利弊對(duì)比，權(quán)衡各種因素，設(shè)計(jì)初步采取了豎井式倒虹吸方案。

4 創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 管道式倒虹吸方案設(shè)計(jì)

豎井式倒虹吸管弊端是非常顯著的，由于存在淤積和排水的問(wèn)題，會(huì)產(chǎn)生水泡路基和排水不暢導(dǎo)致冬季管道凍脹，村民反應(yīng)強(qiáng)烈。同時(shí)位于高路塹邊坡，豎井施工難度大；涵洞過(guò)渡段等附加工程量大，對(duì)鐵路工期造成的影響，后期無(wú)法彌補(bǔ)。經(jīng)過(guò)多次調(diào)研和多方研究，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際提出了一種全新的解決方案，即管道式倒虹吸方案（見(jiàn)圖3）。

管道式倒虹吸方案：利用現(xiàn)有交通涵或橋下凈空，沿山坡地形鋪設(shè)承壓式鋼管；線路左側(cè)根據(jù)現(xiàn)有渠道的布置情況選擇最高點(diǎn)位置布置進(jìn)水池，水池前設(shè)沉砂池和攔污柵；線路右側(cè)合適位置布置出水池，出水池位置選擇在右側(cè)農(nóng)田灌溉的地勢(shì)高點(diǎn)，出水池內(nèi)的出水管設(shè)置拍門(mén)，防止雜物倒灌；在倒虹吸鋼管最低點(diǎn)設(shè)置防水井，井內(nèi)設(shè)置防水閥，用以二次沖砂、排水，利用現(xiàn)有河道或通道進(jìn)行排水沖砂，不再新建排水渠道；人為加大進(jìn)出池與出水池的高程差，提高水流速度，滿(mǎn)足灌溉流量要求，同時(shí)防止泥沙淤積；倒虹吸出水池后沿鐵路路基方向新建輸水斗渠與現(xiàn)有的農(nóng)渠溝通，覆蓋原有灌溉農(nóng)田。

圖2 路塹開(kāi)挖斷面

圖3 管道式倒虹吸方案設(shè)計(jì)

4.2 方案實(shí)施應(yīng)用

新建吳忠至中衛(wèi)鐵路DK110+911—DK124+670段農(nóng)渠恢復(fù)工程，采用12座管道式倒虹吸設(shè)計(jì)，其中主要以高水頭倒虹吸為主。高水頭倒虹吸指進(jìn)出口水頭差大于或等于運(yùn)行水力要求的倒虹吸，該類(lèi)倒虹吸完全依照地形常規(guī)布置即可。例如DK123+653倒虹吸，此處鐵路路基兩側(cè)地形高差大，進(jìn)水池處田面高程1?301.5?m，出水池處田面高程 1?297.5?m，進(jìn)出水池依地形而建后水頭差可達(dá)到4?m，管路沿程及局部損失需1.5?m，水力條件好滿(mǎn)足倒虹吸運(yùn)行水頭，可直接布設(shè)倒虹吸以保證下游農(nóng)田灌溉需水量。

因灌溉渠水頭和地形條件不同，面臨3種地形灌溉水流無(wú)法到達(dá)農(nóng)田。3種地形為水頭高差不足、水頭高差低、孤島地，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形探勘和會(huì)議研究，分別采用以下措施進(jìn)行解決。

4.2.1 低水頭倒虹吸

對(duì)于水頭高差不足、水頭高差低問(wèn)題，即進(jìn)出口水頭差小于運(yùn)行水力要求的倒虹吸，可采取2種方案解決：

（1）抬升進(jìn)水池高程，前提是進(jìn)水池上游灌溉渠高程滿(mǎn)足要求，重新抬高修筑上游符合要求的高程點(diǎn)到進(jìn)水池間的灌溉渠。例如DK123+100處倒虹吸，進(jìn)水池地面高程 1?309.00?m，出水池高 1?309.60?m，進(jìn)水池抬升 2.55?m 至 1?311.55?m，水頭差 1.95?m，滿(mǎn)足灌溉需求（見(jiàn)圖4）。

圖4 DK123+100倒虹吸平面

（2）降低出口高程以增加運(yùn)行水頭差。例如DK110+692處倒虹吸，此處鐵路路基兩側(cè)地形高差較小，進(jìn)水池處田面高程1?232.0?m，出水池處田面高程1?231.8?m，進(jìn)出水池依地形而建后水頭差僅有0.2?m 左右，管路沿程及局部損失需0.8?m，不滿(mǎn)足倒虹吸運(yùn)行水頭，因此必須先解決水頭不足問(wèn)題?？紤]該區(qū)域農(nóng)田均為山坡梯田，階梯狀布置，上下級(jí)田塊有1～2?m高差，且每級(jí)田塊面積不大，可采取將出水池處田面整體降低至下一級(jí)田面的措施，出水池高程即可隨之降低1～2?m，以解決水頭差不足問(wèn)題（見(jiàn)圖5）。

4.2.2 渡槽跨溝方案

圖5 DK110+692倒虹吸平面

對(duì)于孤島地即線路右側(cè)存在溝道橫穿，分散水渠無(wú)法到達(dá)的獨(dú)立農(nóng)田地，采用渡槽方案跨越溝道，實(shí)現(xiàn)灌溉渠的連貫性。例如DK111+820處倒虹吸，此處鐵路路基為高架橋，進(jìn)水池處田面高程1?236.3?m，出水池處田面高程1?233.2?m，進(jìn)出水池依地形而建后水頭差為3.1?m，管路沿程及局部損失需2.1?m，水力條件好滿(mǎn)足倒虹吸運(yùn)行水頭，但沿線有1處較大的溝道。因此，該倒虹吸增設(shè)2座跨溝渡槽于上下游，以完成倒虹吸的布置，保證下游農(nóng)田的灌溉（見(jiàn)圖6）。

5 應(yīng)用效果

豎井式倒虹吸較管道式倒虹吸，其豎井位于高路塹邊坡，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高；主體工程量和附加工程量較大，對(duì)關(guān)鍵線路工期影響極大，甚至?xí)?dǎo)致總工期的延長(zhǎng)；由于新增了多處灌溉涵洞，既增加了路涵過(guò)渡段工程，又增加了短路基工程，費(fèi)用增加的同時(shí)，對(duì)高鐵運(yùn)行安全存在隱患；高含泥沙的灌溉用水的管道淤積及排水、凍脹等老大難問(wèn)題，一直為高鐵運(yùn)管單位所詬病。管道式倒虹吸利用了現(xiàn)有的橋涵通道，不需新增涵洞工程和排水渠道工程，施工獨(dú)立不影響路基主體施工，管道敷設(shè)簡(jiǎn)便、靈活，基本無(wú)風(fēng)險(xiǎn)；單設(shè)的排水閥井可以有效解決管道泥沙淤積和存水排放難題。

單個(gè)豎井式倒虹吸主體及附屬、過(guò)渡段施工工期3個(gè)月，12處倒虹吸全部施工完畢約6個(gè)月，倒虹吸最早開(kāi)始施工時(shí)間為2016年10月，原計(jì)劃鐵路架梁開(kāi)始時(shí)間為2016年12月下旬，造成架梁施工至少延后4個(gè)月，無(wú)法滿(mǎn)足箱梁架涉及后期鋪軌總工期要求。管道式倒虹吸利用橋涵通道施工，對(duì)主體線路施工無(wú)干擾，對(duì)架梁、鋪軌總工期無(wú)影響。

投資費(fèi)用方面，豎井式倒虹吸投資費(fèi)用大，每處豎井式倒虹吸及配套渠道投資費(fèi)用約500萬(wàn)元。管道式倒虹吸投資較小，每處倒虹吸及配套渠道投資費(fèi)用約100萬(wàn)元，項(xiàng)目建設(shè)的12道管道式倒虹吸共減少投資約3?800萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

全線12座管道式倒虹吸經(jīng)過(guò)2年試運(yùn)行，未出現(xiàn)過(guò)凍脹、淤堵、水力條件差等問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期效果，并受到當(dāng)?shù)厮畡?wù)部門(mén)和村民的高度肯定，現(xiàn)已正式投入使用。

圖6 DK111+820倒虹吸平面

深路塹段管道式倒虹吸的創(chuàng)新應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)豎井式倒虹吸存在的泥沙淤積、管道積水和凍脹問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為今后類(lèi)似工程提供了一種全新的解決方案和運(yùn)行參考。新建銀川—吳忠鐵路施工時(shí)，遇到同類(lèi)路塹截?cái)喙喔惹?wèn)題，通過(guò)增設(shè)2座管道式倒虹吸，使地方灌溉問(wèn)題得到有效解決，成為一次成功的推廣借鑒案例。