南水北調中線穿越方案比選

□安 靜（平頂山市水利局河道管理處）

1.概述

根據南水北調總干渠總體設計技術規定，輸水管道穿越總干渠，其穿越建筑物不占用總干渠水頭，根據輸水管道管底高程、總干渠渠底高程及設計水位的相互關系，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、經濟、施工等方案論證后，選用合理的穿越方案。穿越處總干渠設計參數見表1。

表1 輸水管道穿越總干渠設計參數表

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構型式很多，結合總干渠總體設計技術規定及跨越處總干渠設計斷面，選擇受力簡單、適應跨度大、投資小的自承式鋼管和下承式桁架拱2種結構型式進行分析。

自承式鋼管跨越結構在給排水工程的輸水管道和管網設計中應用廣泛，特別是在給水管道中更是常用的優選結構型式。它具有跨越跨度大、避免水下開挖施工、充分利用鋼管強度高的力學性能、節省投資、維修方便等優點。但管道穿越總干渠受渠道水頭限制，跨越結構在渠內不得布置橋墩；為不影響總干渠管理維護交通通道，邊墩應置于一級馬道外側，且梁底應高于路面4 m以上。基于以上原因，輸水管道跨越總干渠，其單跨跨度一般在80 m左右，而根據國家建筑標準，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計要求。

下承式預應力桁架拱結構是由兩榀桁架和上、下橫系梁組成復合剛架，管身支承于剛架上，其特點是剛架本身為高次超靜定空間結構，但每跨仍為簡支梁式結構；復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，能充分發揮上弦桿混凝土的抗壓特點，從而以較小的構件尺寸承受較大的荷載，增大跨度，滿足設計要求；整體結構自重輕，能適用于承載力較差的地基；可預制拼裝，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構。

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，為保證管道運行安全，考慮鋼管外直接包封混凝土和鋼管外加防護結構2種工程措施。

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

3.方案比選

3.1 管道橋工程

管橋上部為預應力混凝土下承式桁架拱結構，桁架拱軸線為二次拋物線，拱軸線矢高16 m，跨徑80 m，節間距4.0 m，矢跨比1/5。拱肋及系梁為C50預應力混凝土結構，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鋼筋混凝土結構，截面尺寸為0.6 m×0.8 m。桁架與橋臺之間設盆式橡膠支座，共設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。為平衡溫度應力，兩端布置為斜管，并在管橋跨中布置限位伸縮節。為了便于管道檢修和維護，在管道兩側布置人行橋。橋臺下部為實體墩支承、鉆孔灌注樁基礎。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，進出口分別位于總干渠防護圍欄以外。管身由進口斜管段、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、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，斜管段管節間及斜管和水平管銜接端設齒槽和沉陷縫。倒虹吸鋼管外加箱涵防護結構，箱涵進口底板高程121.778 m，水平段涵底高程114.761 m，出口底板高程121.226m，進出口分別與閥門井銜接，便于管理維修。鋼管外箱涵防護結構采用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C10混凝土，兩側外延洞身底板0.1 m，以改善地基應力分布。

3.3 方案投資比較

根據以上工程布置，經投資預算，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.結語

綜合分析方案一和方案二，兩方案在技術上均可行，都能滿足供水要求，方案二比方案一節省投資36.2%。考慮到方案一桁架拱跨度大、矢高大，須現場預制拼裝，施工吊裝難度大、投資大，方案二鋼管外加防護箱涵，混凝土可現場澆筑，施工簡單，便于管理，在節省投資上也占優勢，因此輸水管道穿南水北調總干渠，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箱涵。