南寧五化灌區馬蘭渡槽設計方案變更分析

劉惠娟

（廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

1 工程概況

南寧市五化灌區于位于南寧市賓陽縣和上林縣境內，灌溉范圍涉及19個鄉鎮。灌區以水庫水自流灌溉為主，主要水源有大龍洞水庫、東敢水庫、清平水庫、桃源水庫、六佑水庫5座大中型水庫。灌區內建有骨干輸水渠道72條，其中大龍洞總干渠全長149.23 km，最大設計引水流量為15.00 m3/s，附屬建筑物有渡槽、倒虹吸、涵洞、分水閘、節制閘、泄洪閘、取水口、斗閘、跨渠渡槽、穿渠涵、橋、斗閘等。灌區總干渠灌溉渠道及其渠系建筑物的級別為4級，渠系建筑物合理使用年限為30年。渠道及渠系建筑物按4級建筑物設計，采用20年一遇設計洪水標準，30年一遇校核洪水標準。

大龍洞總干渠在樁號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，長度為20.00 m。由于地陷、基巖巖溶發育等原因[1-2]，近年來馬蘭倒虹吸進口段坍塌，倒虹吸管下沉拉裂，管身部分已出現裂痕，呈現漏水，已無法再繼續承擔五化灌區總干渠的輸水任務，且臨近附屬保護設施老化，原倒虹吸進口明渠已被淤泥、雜物、垃圾等堵塞，造成總干渠斷流。因此，需對原倒虹吸進行改建。

2 原設計方案

原設計方案為拆除馬蘭倒虹吸，原址改建馬蘭渡槽。渡槽設計流量為11.50 m3/s，采用箱式矩形槽結構，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，底板和側墻厚0.50 m，頂板厚0.28 m，頂板兩側各懸挑0.60 m；槽身內壁下邊角導圓，上邊角設置貼角，以改善應力集中現象。渡槽基礎巖溶發育，設計按單跨布置，采用預應力鋼筋混凝土簡支箱梁結構，渡槽全長118.10 m，主要包括10.79 m漸變段、1跨42.00 m預應力混凝土槽身段、10.00 m漸變段和55.31 m連接段。簡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，由于馬蘭渡槽的槽墩基礎依次為粉土質砂、粉質黏土、洞穴堆積物等軟弱地基，經計算，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濟，因此考慮采用鉆孔灌注樁進行基礎處理[3]。鉆孔灌注樁基礎擬采用沖孔灌注樁，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），樁底部深至弱風化灰巖，樁基頂部通過C30 鋼筋混凝土承臺與上部結構連接。

3 設計變更

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，不涉及基本農田，已于2021 年獲得廣西壯族自治區水利廳批復。2022年，全國開展了“三區三線”調整和劃定工作[4-5]。根據最新“三區三線”劃定成果，原設計方案永久占地用地面積7.28 畝，其中涉及1.61 畝永久基本農田。為嚴格落實耕地和永久基本農田的保護制度、嚴守耕地保護紅線和永久基本農田控制線，也為了解決永久基本農田無法征地、征地協調難度大等問題，故需對原設計方案進行變更。

3.2 設計變更方案

本次設計變更共提出兩個方案，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。倒虹吸布置總長度為86.00 m，包括上游連接段18.00 m，上游漸變段12.50 m，進口沉沙池段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構，倒虹吸進口設沉沙池，為鋼筋混凝土箱涵結構，上下游漸變段兩側為重力式擋土墻，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破壞現有馬蘭河路涵，因此擬拆除重建現有馬蘭河路涵。新的路涵設置6 根直徑為2.00 m 的鋼筋混凝土預制管，路涵段設U 型混凝土擋墻。同時，對馬蘭倒虹吸施工開挖影響到的河道進行防護，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，預應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。渡槽采用預應力鋼筋混凝土簡支箱梁槽身，單跨42.00 m，渡槽進出口各設5.00 m 長的鋼筋混凝土箱涵與上下游渠道銜接，上下游漸變段兩側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算，馬蘭渡槽設計流量為11.50 m3/s，加大流量為13.80 m3/s，渡槽縱坡為1/1000，渡槽設計水面線高程為118.47 ～118.43 m，設計流速為1.62 m/s，設計水深為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，渡槽設計縱坡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，為了保證鄉村道路的交通功能，在跌水段設置交通橋1座，交通橋橋面寬度為6.00 m，跨度為31.00 m，采用預應力鋼筋混凝土結構。經復核，改造后馬蘭河與總干渠交叉斷面處30 年一遇洪水標準的洪水位為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 設計變更方案的比選

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破壞現有馬蘭河路涵，因此需要對現有的馬蘭河路涵拆除重建。對倒虹吸施工開挖到的鄉村道路，后期按原標準進行恢復。本方案建筑物建設用地基本在原渠道用地范圍內，只有拆除重建舊路涵時需要修建一段臨時交通道路，因此本方案不涉及永久用地征收，僅需對馬蘭倒虹吸施工期的臨時交通道路、臨時堆料場和鋼筋加工場進行臨時征用占地，臨時用地為1.95畝，協調難度不大，僅需做好復墾方案即可，有利于工程正常推進。此外，本方案的用地投資為2.03萬元，屬較低水平，不會給當地財政帶來壓力。

（2）原址渡槽方案。本方案涉及對原倒虹吸位置的河道的改建，由于河道改建會破壞現有馬蘭河路涵，因此同樣需對路涵進行改建。改建路涵軸線與現狀路涵一致，在改建的馬蘭河跌水段設置交通橋1座，交通橋基礎采用灌注樁基礎，每端設置2個灌注樁，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。本方案需產生新的永久占地面積為4.68 畝，未涉及基本農田；用地總投資為17.92 萬元，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勢。

3.3.2 地質條件分析

（1）原址倒虹吸方案。總干渠與馬蘭河交叉處場地巖溶強烈發育，存在溶洞、溶蝕凹槽、石芽及巖溶塌陷等巖溶地質現象。本方案的建筑物在巖溶塌陷影響范圍內，場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，未發現明顯土洞現象。經過補充勘察和深入分析，發現場地實際塌陷范圍比前期預測的小，因此設計對溶洞換填和設置鋼筋混凝土筏板處理[6-7]，鋼筋混凝土筏板的長度及寬度均大于溶洞孔。通過采用換填、充填灌漿和設置鋼筋混凝土筏板基礎等措施進行處理，地質條件可滿足承載力和結構穩定性要求。

（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，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。根據地質補充調查和分析結果顯示，原鉆孔時出現塌陷的孔位距離本方案灌注樁均大于10.00 m，渡槽槽墩基礎采用沖孔灌注嵌巖樁能滿足設計要求。

通過上述分析可看出，在地質情況方面，原址倒虹吸和原址渡槽兩個設計變更方案采用適當的工程措施處理后，地質條件均能滿足建筑物布置要求，兩個方案的地質條件相差不大，均可考慮實施。

3.3.3 結構布置分析

（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坐落在馬蘭河河床下的粉土質砂層及洞穴堆積土含砂礫粉質黏土上，經過換填、充填灌漿、設置鋼筋混凝土筏板基礎后可滿足承載力和結構穩定性要求。沉沙池和倒虹吸箱涵筏板基礎由于可能存在溶洞或空腔，需要采用換填和充填灌漿進行基礎處理。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，對河流生態環境影響較小，結構布置相對簡單，但倒虹吸建筑物從馬蘭河底下穿過，渠道的縱坡變化大，對總干渠的水流具有一定的影響，且容易產生淤積等問題。

（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支撐，樁基礎需滿足入巖條件，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距離原初設鉆孔發生塌孔的孔位較近，且下游側灌注樁樁端正好落在上伏的基巖處，實施過程中下游側樁身有可能調整。此外，本方案需要對馬蘭河進行改造，需拆除現有鄉村道路路涵和渡槽下游的雙咪壩，改變河道縱坡及深度，對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設計變更方案的基礎經處理后均能滿足建筑物布置的要求，但兩個方案對周圍生態環境產生的影響各不相同。其中：原址倒虹吸方案的干渠和馬蘭河軸線均可維持原狀，但倒虹吸結構渠道縱坡變化較大，容易產生淤積等問題；原址渡槽方案的總干渠水流條件順暢，但需要改建馬蘭河，對河道的水流存在一定的不利影響。

3.3.4 施工、運維分析

（1）原址倒虹吸方案。在施工導流方面，本方案采用全段圍堰+明渠導流的導流方式，在馬蘭河上游布置圍堰，利用現成的渠道引河水入總干渠；在主體工程施工方面，本方案建筑物結構簡單，同時因不需改建河道，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，施工工序簡單，施工質量容易控制；在運行維護方面，本方案為倒虹吸結構，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置沉沙池，在沉沙池上游設斜坡道，并沉沙池左側設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。在施工導流方面，本方案采用全段圍堰+明渠導流的導流方式，在馬蘭河上游布置圍堰，利用現成的渠道引河水入總干渠，但本方案涉及對河道進行改建，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，本方案為預應力渡槽方案，需跨過溶洞，槽墩基礎為灌注樁基礎，施工難度較大[8]；在運行維護方面，本方案為渡槽結構，水深小，后期檢修維護工作開展較為方便。

從上述分析可知，在施工組織和后期運行維護方面，兩個設計變更方案各有優勢。在施工組織方面，原址倒虹吸方案具有明顯優勢；在后期運行維護方面，原址渡槽方案維護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用兩部分進行比較，各設計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用均遠小于原址渡槽方案。

表1 投資比較表 萬元

3.3.6 比選結果

綜上，在工程占地、地質條件、工程投資等方面，原址倒虹吸方案均為最優；在結構布置方面和施工、運維方面，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有鄉村道路路涵和渡槽下游的雙咪壩，改變河道縱坡及深度，對河道水流條件的影響較大，而原址倒虹吸方案可以通過設置沉沙池、斜坡道以及在沉沙池左側設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計變更方案。

4 結語

隨著國家“三區三線”調整和劃定工作的不斷落實，全國各地的工程設計方案均需根據最新“三區三線”劃定成果進行復核和調整。本文以南寧市五化灌區馬蘭渡槽的設計變更為例，簡要介紹了原馬蘭渡槽設計方案的具體情況，并將其與最新“三區三線”劃定成果進行了比較；根據比較結果，提出了原址倒虹吸、原址渡槽兩個設計變更方案；最后從工程占地、地質條件、結構布置、施工條件、運行維護、工程投資等方面分析各設計變更方案的優缺點，綜合比選得出原址倒虹吸方案為最優設計變更方案。本文提出的設計方案科學合理，方案比選過程清晰，可以為類似工程提供參考。