南寧五化灌區(qū)馬蘭渡槽設(shè)計(jì)方案變更分析

劉惠娟

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

1 工程概況

南寧市五化灌區(qū)于位于南寧市賓陽(yáng)縣和上林縣境內(nèi)，灌溉范圍涉及19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。灌區(qū)以水庫(kù)水自流灌溉為主，主要水源有大龍洞水庫(kù)、東敢水庫(kù)、清平水庫(kù)、桃源水庫(kù)、六佑水庫(kù)5座大中型水庫(kù)。灌區(qū)內(nèi)建有骨干輸水渠道72條，其中大龍洞總干渠全長(zhǎng)149.23 km，最大設(shè)計(jì)引水流量為15.00 m3/s，附屬建筑物有渡槽、倒虹吸、涵洞、分水閘、節(jié)制閘、泄洪閘、取水口、斗閘、跨渠渡槽、穿渠涵、橋、斗閘等。灌區(qū)總干渠灌溉渠道及其渠系建筑物的級(jí)別為4級(jí)，渠系建筑物合理使用年限為30年。渠道及渠系建筑物按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，采用20年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，30年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)。

大龍洞總干渠在樁號(hào)95+820處與馬蘭河交叉。原渠道采用倒虹吸方案穿越馬蘭河，倒虹吸為2 根直徑2.40 m 的圓涵，長(zhǎng)度為20.00 m。由于地陷、基巖巖溶發(fā)育等原因[1-2]，近年來馬蘭倒虹吸進(jìn)口段坍塌，倒虹吸管下沉拉裂，管身部分已出現(xiàn)裂痕，呈現(xiàn)漏水，已無法再繼續(xù)承擔(dān)五化灌區(qū)總干渠的輸水任務(wù)，且臨近附屬保護(hù)設(shè)施老化，原倒虹吸進(jìn)口明渠已被淤泥、雜物、垃圾等堵塞，造成總干渠斷流。因此，需對(duì)原倒虹吸進(jìn)行改建。

2 原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案為拆除馬蘭倒虹吸，原址改建馬蘭渡槽。渡槽設(shè)計(jì)流量為11.50 m3/s，采用箱式矩形槽結(jié)構(gòu)，槽身外形寬5.00 m，高3.18 m，其中斷面凈寬4.00 m，高2.40 m，底板和側(cè)墻厚0.50 m，頂板厚0.28 m，頂板兩側(cè)各懸挑0.60 m；槽身內(nèi)壁下邊角導(dǎo)圓，上邊角設(shè)置貼角，以改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。渡槽基礎(chǔ)巖溶發(fā)育，設(shè)計(jì)按單跨布置，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)，渡槽全長(zhǎng)118.10 m，主要包括10.79 m漸變段、1跨42.00 m預(yù)應(yīng)力混凝土槽身段、10.00 m漸變段和55.31 m連接段。簡(jiǎn)支梁式渡槽箱梁頂部寬6.20 m，底寬5.00 m，箱室凈寬4.00 m，凈高2.40 m，除頂板厚0.28 m，其余邊壁厚0.50 m，支座處邊壁加厚至0.60 m。同時(shí)，由于馬蘭渡槽的槽墩基礎(chǔ)依次為粉土質(zhì)砂、粉質(zhì)黏土、洞穴堆積物等軟弱地基，經(jīng)計(jì)算，不能滿足承載力或沉降變形要求，又因土層厚度太大無法挖除或挖除不經(jīng)濟(jì)，因此考慮采用鉆孔灌注樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理[3]。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)擬采用沖孔灌注樁，單樁樁徑為1.20 m，在上、下游渡槽的槽墩各布置2孔（共4孔），樁底部深至弱風(fēng)化灰?guī)r，樁基頂部通過C30 鋼筋混凝土承臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)連接。

3 設(shè)計(jì)變更

3.1 變更原因

原方案布置涉及到渠道、河道及道路的改線，工程永久征收范圍為渡槽用地及新建管理道路用地，不涉及基本農(nóng)田，已于2021 年獲得廣西壯族自治區(qū)水利廳批復(fù)。2022年，全國(guó)開展了“三區(qū)三線”調(diào)整和劃定工作[4-5]。根據(jù)最新“三區(qū)三線”劃定成果，原設(shè)計(jì)方案永久占地用地面積7.28 畝，其中涉及1.61 畝永久基本農(nóng)田。為嚴(yán)格落實(shí)耕地和永久基本農(nóng)田的保護(hù)制度、嚴(yán)守耕地保護(hù)紅線和永久基本農(nóng)田控制線，也為了解決永久基本農(nóng)田無法征地、征地協(xié)調(diào)難度大等問題，故需對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行變更。

3.2 設(shè)計(jì)變更方案

本次設(shè)計(jì)變更共提出兩個(gè)方案，分別為原址倒虹吸方案和原址渡槽方案。

（1）原址倒虹吸方案。本方案的倒虹吸位置與現(xiàn)狀舊倒虹吸位置基本一致，倒虹吸軸線與原渠道軸線一致。倒虹吸布置總長(zhǎng)度為86.00 m，包括上游連接段18.00 m，上游漸變段12.50 m，進(jìn)口沉沙池段8.00 m，倒虹吸箱涵段21.00 m，下游漸變段12.50 m，下游連接段14.00 m。其中，倒虹吸采用鋼筋混凝土雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，倒虹吸進(jìn)口設(shè)沉沙池，為鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，上下游漸變段兩側(cè)為重力式擋土墻，上下游連接段為仰斜式擋土墻，上游連接段渠道縱坡為1∶2500，下游連接段渠道縱坡為1∶3000，進(jìn)出口漸變段底板縱坡均為1∶3。此外，由于倒虹吸箱涵段開挖會(huì)破壞現(xiàn)有馬蘭河路涵，因此擬拆除重建現(xiàn)有馬蘭河路涵。新的路涵設(shè)置6 根直徑為2.00 m 的鋼筋混凝土預(yù)制管，路涵段設(shè)U 型混凝土擋墻。同時(shí)，對(duì)馬蘭倒虹吸施工開挖影響到的河道進(jìn)行防護(hù)，保留馬蘭倒虹吸下游的雙咪壩。原址倒虹吸方案布置見圖1。

圖1 原址倒虹吸方案布置圖

（2）原址渡槽方案。本方案的渡槽位置位于原倒虹吸位置，渡槽軸線與原渠道軸線一致，渡槽軸線總長(zhǎng)度為124.70 m，包括上游連接段25.00 m，上游漸變段20.00 m，上游箱涵段5.00 m，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土渡槽段42.00 m，下游箱涵段5.00 m，下游漸變段22.40 m，下游連接段5.30 m。渡槽采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁槽身，單跨42.00 m，渡槽進(jìn)出口各設(shè)5.00 m 長(zhǎng)的鋼筋混凝土箱涵與上下游渠道銜接，上下游漸變段兩側(cè)為重力式混凝土擋墻，上下游連接段為仰斜式混凝土擋墻，上游連接段渠道縱坡為1∶2500，下游連接段渠道縱坡為1∶3000，上下游漸變段底板縱坡均為1∶250。渡槽輸水能力按明槽均勻流計(jì)算，馬蘭渡槽設(shè)計(jì)流量為11.50 m3/s，加大流量為13.80 m3/s，渡槽縱坡為1/1000，渡槽設(shè)計(jì)水面線高程為118.47 ～118.43 m，設(shè)計(jì)流速為1.62 m/s，設(shè)計(jì)水深為1.80 m，加大水深為2.00 m。渡槽槽身底部高程為116.67～116.63 m，渡槽設(shè)計(jì)縱坡1/1000。本方案涉及到原倒虹吸位置的河道改建，原倒虹吸頂部的馬蘭河河床高程約為116.50 m，需要拆除原倒虹吸和雙咪壩，將河床高程降低至112.50 m；馬蘭河改建長(zhǎng)度為88.00 m，分別為上游連接段6.00 m，寬頂堰段10.00 m，跌水段12.00 m，消力池段19.00 m，海漫段41.00 m。同時(shí)，為了保證鄉(xiāng)村道路的交通功能，在跌水段設(shè)置交通橋1座，交通橋橋面寬度為6.00 m，跨度為31.00 m，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)復(fù)核，改造后馬蘭河與總干渠交叉斷面處30 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)的洪水位為114.45 m，渡槽槽身底板底部距洪水位凈高1.72 m，滿足規(guī)范要求。原址渡槽方案布置見圖2。

圖2 原址渡槽方案布置圖

3.3 設(shè)計(jì)變更方案的比選

3.3.1 工程占地分析

（1）原址倒虹吸方案。本方案倒虹吸位置與現(xiàn)狀舊倒虹吸位置基本一致，倒虹吸軸線與原渠道軸線一致，但由于倒虹吸箱涵段開挖會(huì)破壞現(xiàn)有馬蘭河路涵，因此需要對(duì)現(xiàn)有的馬蘭河路涵拆除重建。對(duì)倒虹吸施工開挖到的鄉(xiāng)村道路，后期按原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行恢復(fù)。本方案建筑物建設(shè)用地基本在原渠道用地范圍內(nèi)，只有拆除重建舊路涵時(shí)需要修建一段臨時(shí)交通道路，因此本方案不涉及永久用地征收，僅需對(duì)馬蘭倒虹吸施工期的臨時(shí)交通道路、臨時(shí)堆料場(chǎng)和鋼筋加工場(chǎng)進(jìn)行臨時(shí)征用占地，臨時(shí)用地為1.95畝，協(xié)調(diào)難度不大，僅需做好復(fù)墾方案即可，有利于工程正常推進(jìn)。此外，本方案的用地投資為2.03萬(wàn)元，屬較低水平，不會(huì)給當(dāng)?shù)刎?cái)政帶來壓力。

（2）原址渡槽方案。本方案涉及對(duì)原倒虹吸位置的河道的改建，由于河道改建會(huì)破壞現(xiàn)有馬蘭河路涵，因此同樣需對(duì)路涵進(jìn)行改建。改建路涵軸線與現(xiàn)狀路涵一致，在改建的馬蘭河跌水段設(shè)置交通橋1座，交通橋基礎(chǔ)采用灌注樁基礎(chǔ)，每端設(shè)置2個(gè)灌注樁，樁間距約4.20 m，樁直徑為1.20 m。交通橋前后采用U 型混凝土擋墻和混凝土路面與原混凝土路面銜接。本方案需產(chǎn)生新的永久占地面積為4.68 畝，未涉及基本農(nóng)田；用地總投資為17.92 萬(wàn)元，征地投資屬于居中水平。

因此，從征地工作和征地投資方面看，原址倒虹吸方案具有顯著優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 地質(zhì)條件分析

（1）原址倒虹吸方案?？偢汕c馬蘭河交叉處場(chǎng)地巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，存在溶洞、溶蝕凹槽、石芽及巖溶塌陷等巖溶地質(zhì)現(xiàn)象。本方案的建筑物在巖溶塌陷影響范圍內(nèi)，場(chǎng)地覆蓋層存在軟弱土層，下伏基巖存在溶洞、溶蝕凹槽等巖溶地質(zhì)問題，但溶洞、溶蝕凹槽基本全充填，連通性較差、影響范圍有限，且上部覆蓋層較厚大，未發(fā)現(xiàn)明顯土洞現(xiàn)象。經(jīng)過補(bǔ)充勘察和深入分析，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地實(shí)際塌陷范圍比前期預(yù)測(cè)的小，因此設(shè)計(jì)對(duì)溶洞換填和設(shè)置鋼筋混凝土筏板處理[6-7]，鋼筋混凝土筏板的長(zhǎng)度及寬度均大于溶洞孔。通過采用換填、充填灌漿和設(shè)置鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)等措施進(jìn)行處理，地質(zhì)條件可滿足承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

（2）原址渡槽方案。本方案的建筑物同樣在巖溶塌陷影響范圍內(nèi)，由于受巖溶問題及軟弱土層影響，上部覆蓋層不宜做天然地基。根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)充調(diào)查和分析結(jié)果顯示，原鉆孔時(shí)出現(xiàn)塌陷的孔位距離本方案灌注樁均大于10.00 m，渡槽槽墩基礎(chǔ)采用沖孔灌注嵌巖樁能滿足設(shè)計(jì)要求。

通過上述分析可看出，在地質(zhì)情況方面，原址倒虹吸和原址渡槽兩個(gè)設(shè)計(jì)變更方案采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┨幚砗?，地質(zhì)條件均能滿足建筑物布置要求，兩個(gè)方案的地質(zhì)條件相差不大，均可考慮實(shí)施。

3.3.3 結(jié)構(gòu)布置分析

（1）原址倒虹吸方案。本方案的建筑物受溶洞影響較大，倒虹吸箱涵及沉沙池基礎(chǔ)坐落在馬蘭河河床下的粉土質(zhì)砂層及洞穴堆積土含砂礫粉質(zhì)黏土上，經(jīng)過換填、充填灌漿、設(shè)置鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)后可滿足承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。沉沙池和倒虹吸箱涵筏板基礎(chǔ)由于可能存在溶洞或空腔，需要采用換填和充填灌漿進(jìn)行基礎(chǔ)處理。本方案總體布置軸線與原渠道一致，水流條件與原倒虹吸基本一致，不改變馬蘭河的流態(tài)，對(duì)河流生態(tài)環(huán)境影響較小，結(jié)構(gòu)布置相對(duì)簡(jiǎn)單，但倒虹吸建筑物從馬蘭河底下穿過，渠道的縱坡變化大，對(duì)總干渠的水流具有一定的影響，且容易產(chǎn)生淤積等問題。

（2）原址渡槽方案。本方案的跨河渡槽同樣受溶洞影響，渡槽槽墩需采用樁基礎(chǔ)支撐，樁基礎(chǔ)需滿足入巖條件，以避免溶洞的不利影響。本方案的渡槽軸線與原渠道軸線一致，渠道的縱坡較原來倒虹吸發(fā)生了改變，可使總干渠的水流更為順暢，減少后期的淤積問題，但渡槽槽墩灌注樁基礎(chǔ)距離原初設(shè)鉆孔發(fā)生塌孔的孔位較近，且下游側(cè)灌注樁樁端正好落在上伏的基巖處，實(shí)施過程中下游側(cè)樁身有可能調(diào)整。此外，本方案需要對(duì)馬蘭河進(jìn)行改造，需拆除現(xiàn)有鄉(xiāng)村道路路涵和渡槽下游的雙咪壩，改變河道縱坡及深度，對(duì)河道水流條件的影響較大。

從上述分析可知，原址倒虹吸和原址渡槽兩個(gè)設(shè)計(jì)變更方案的基礎(chǔ)經(jīng)處理后均能滿足建筑物布置的要求，但兩個(gè)方案對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響各不相同。其中：原址倒虹吸方案的干渠和馬蘭河軸線均可維持原狀，但倒虹吸結(jié)構(gòu)渠道縱坡變化較大，容易產(chǎn)生淤積等問題；原址渡槽方案的總干渠水流條件順暢，但需要改建馬蘭河，對(duì)河道的水流存在一定的不利影響。

3.3.4 施工、運(yùn)維分析

（1）原址倒虹吸方案。在施工導(dǎo)流方面，本方案采用全段圍堰+明渠導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，在馬蘭河上游布置圍堰，利用現(xiàn)成的渠道引河水入總干渠；在主體工程施工方面，本方案建筑物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)因不需改建河道，雙咪壩可以被保留，且無需修建下游圍堰，施工工作面受外部干擾少，施工工序簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量容易控制；在運(yùn)行維護(hù)方面，本方案為倒虹吸結(jié)構(gòu)，倒虹吸箱涵沉在馬蘭河之下，容易淤積，但可通過在倒虹吸上游設(shè)置沉沙池，在沉沙池上游設(shè)斜坡道，并沉沙池左側(cè)設(shè)置可兼做的沖沙閘的泄洪閘減少倒虹吸的淤積。

（2）原址渡槽方案。在施工導(dǎo)流方面，本方案采用全段圍堰+明渠導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，在馬蘭河上游布置圍堰，利用現(xiàn)成的渠道引河水入總干渠，但本方案涉及對(duì)河道進(jìn)行改建，因此還需在雙咪壩下游布置擋水圍堰；在主體工程施工方面，本方案為預(yù)應(yīng)力渡槽方案，需跨過溶洞，槽墩基礎(chǔ)為灌注樁基礎(chǔ)，施工難度較大[8]；在運(yùn)行維護(hù)方面，本方案為渡槽結(jié)構(gòu)，水深小，后期檢修維護(hù)工作開展較為方便。

從上述分析可知，在施工組織和后期運(yùn)行維護(hù)方面，兩個(gè)設(shè)計(jì)變更方案各有優(yōu)勢(shì)。在施工組織方面，原址倒虹吸方案具有明顯優(yōu)勢(shì)；在后期運(yùn)行維護(hù)方面，原址渡槽方案維護(hù)工作難度明顯低于原址倒虹吸方案。

3.3.5 投資分析

投資可分為工程部分投資和征地費(fèi)用兩部分進(jìn)行比較，各設(shè)計(jì)變更方案的投資比較見表1。由表1 可看出，原址倒虹吸方案的工程部分投資和征地費(fèi)用均遠(yuǎn)小于原址渡槽方案。

表1 投資比較表 萬(wàn)元

3.3.6 比選結(jié)果

綜上，在工程占地、地質(zhì)條件、工程投資等方面，原址倒虹吸方案均為最優(yōu)；在結(jié)構(gòu)布置方面和施工、運(yùn)維方面，原址倒虹吸方案雖略次于原址渡槽方案，但原址渡槽方案需拆除現(xiàn)有鄉(xiāng)村道路路涵和渡槽下游的雙咪壩，改變河道縱坡及深度，對(duì)河道水流條件的影響較大，而原址倒虹吸方案可以通過設(shè)置沉沙池、斜坡道以及在沉沙池左側(cè)設(shè)置泄洪閘兼沖沙閘來解決淤積問題。因此，綜合考慮多方面因素，推薦原址倒虹吸方案作為最終的設(shè)計(jì)變更方案。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家“三區(qū)三線”調(diào)整和劃定工作的不斷落實(shí)，全國(guó)各地的工程設(shè)計(jì)方案均需根據(jù)最新“三區(qū)三線”劃定成果進(jìn)行復(fù)核和調(diào)整。本文以南寧市五化灌區(qū)馬蘭渡槽的設(shè)計(jì)變更為例，簡(jiǎn)要介紹了原馬蘭渡槽設(shè)計(jì)方案的具體情況，并將其與最新“三區(qū)三線”劃定成果進(jìn)行了比較；根據(jù)比較結(jié)果，提出了原址倒虹吸、原址渡槽兩個(gè)設(shè)計(jì)變更方案；最后從工程占地、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)布置、施工條件、運(yùn)行維護(hù)、工程投資等方面分析各設(shè)計(jì)變更方案的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合比選得出原址倒虹吸方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)變更方案。本文提出的設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理，方案比選過程清晰，可以為類似工程提供參考。