禹门口输水一干渠与铁路交叉段设计方案简述

许志超

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

禹门口提水工程灌区是山西省主要粮棉生产基地，工程担负着灌区所在地的农业灌溉和工业供水任务。灌区西起河津县黄河滩地，东至新绛县南社乡店头庄，涉及新绛、稷山、河津3个县（市）、13个乡（镇）、299个自然村，总人口46.23万人，总灌溉面积3.321 万 hm2。

新建的黄韩侯铁路工程与已建的禹门口一级输水干渠交叉，为满足现有工程运行，需对部分原有渠道进行改线。本次改线段渠道设计共考虑了两个方案，方案一为高填方渠道方案，方案二为渡槽方案。高填方渠道方案中渠道断面型式对浆砌石内衬混凝土结构和钢筋混凝土结构渠道进行比较，渡槽方案对渡槽基础处理方式灌注桩和振冲碎石桩进行比较分析。下文主要从工程运行管理、施工、占地补偿、投资等方面对两个方案进行综合比较，确定最优方案。

2 工程地质

工程交叉处大地构造处于临汾运城新裂陷—河津曲沃凹陷中，地貌单元为汾浍谷地低阶地，河流冲积地形。改线段地势起伏较大，交通便利。一干渠改线段地基土的地质年代为第四系全新统，岩性以低液限粉土、级配不良砂为主，下部含级配不良砾。改线段第二层低液限粉土、第三层级配不良砂存在液化。

3 方案比选

改线段一级干渠原渠道设计流量16 m3/s，设计底宽4.0 m，渠深3.0 m，改线段原一级干渠长 527 m，改线后长516 m。

3.1 高填方渠方案

由于改线段渠道仅占一级干渠的一小部分，考虑到改线段前后渠道与改线后渠道的衔接，本次渠道设计底宽仍采用原渠道设计底宽4.0 m。设计时考虑两种渠道横断面结构型式，第一种为浆砌石内衬混凝土结构，第二种为钢筋混凝土结构。

3.1.1 浆砌石内衬混凝土渠道断面设计

改线段一级干渠横断面为矩形，渠道底宽4.0 m，水深2.23 m，渠深3.0 m。渠道采用浆砌石内衬混凝土结构，浆砌石挡墙顶宽50 cm，底宽1.55 m，扩大基础部分底宽2.5 m，墙高3.85 m，浆砌石底板厚0.7 m，内衬15 cm的C25素混凝土，混凝土抗冻等级要求不低于F200，抗渗等级要求不低于W6。浆砌石挡土墙底部采用石碴分层回填夯实，挡土墙背后采用黏性土分层回填夯实，回填堤顶比渠顶低0.8 m，墙后回填土外边坡为1∶1.5。一级干渠左、右堤顶均设宽2.0 m的巡渠路，渠堤回填土坡面采用30 cm厚的干砌石护坡。浆砌石内衬混凝土高填方渠道，每5 m设一道沉降缝，渠道左、右堤挡土墙与渠道底板间设两道纵缝，沉降缝采用橡胶止水带止水，止水带外部填PE低发泡沫板，内部填双组份聚硫密封膏。

3.1.2 钢筋混凝土渠道断面设计

改线段一级干渠横断面为矩形，渠道底宽4.0 m，水深2.23 m，渠深3.0 m。渠道采用C25钢筋混凝土结构，钢筋混凝土墙顶宽50 cm，底宽70 cm，墙高3.5 m，底板厚50 cm，渠道混凝土抗冻等级要求不低于F200，抗渗等级要求不低于W6。其余结构尺寸同浆砌石断面。

3.1.3 渠道断面比选

从技术方面来看，浆砌石内衬混凝土结构断面和钢筋混凝土结构断面均能满足渠道过水要求。从投资方面来看，浆砌石内衬混凝土结构高填方渠道每延米工程直接投资18 512元，钢筋混凝土高填方渠道每延米工程直接投资22 816元，是浆砌石渠道每延米投资的1.23倍。综合考虑，原一级干渠渠道为浆砌石结构，混凝土渠道投资大于浆砌石渠道，本次推荐采用浆砌石渠道。

3.2 渡槽方案

渡槽方案桩号0+000—0+028段为原渠道与渡槽衔接段，渡槽槽身段长460 m，设计纵坡0.7‰。

渡槽由进口矩形渠道段、进口渐变段、槽身段、出口渐变段和出口矩形渠衔接段组成。进口矩形渠道长18 m，进口、出口渐变段长均为10 m，出口矩形衔接段渠长18 m，均采用C25钢筋混凝土结构，通过扭面与槽身相连接，接缝处设置止水加强防渗。另外，为防止山洪水对桩基础周围填土的冲刷破坏，本次设计对每座铁路排洪涵洞出水方向对应的3跨渡槽基础采用厚0.3 m的M7.5浆砌石结构进行防护，上、下游设齿墙，深1 m，宽0.5 m。

渡槽槽身段长460 m，采用U型断面，跨度10 m，壁厚18 cm，底部加厚至40 cm，圆弧半径1.95 m，口宽3.9 m，槽深3.0 m，采用C30现浇钢筋混凝土结构，沿槽身每1.5 m设一根拉杆，槽身中间设1.7 m宽人行道便桥；渡槽排架高4.5 m，排架柱断面尺寸50 cm×60 cm，采用C30现浇钢筋混凝土结构。基础处理采用C30钢筋混凝土灌注桩，桩顶设承台支承排架渡槽，承台宽2.4 m，长5.8 m，高1.2 m。槽身混凝土抗冻等级F200，抗渗等级W6，排架混凝土抗冻等级F200。

本次渡槽方案设计考虑两种渡槽基础处理方案，第一种为灌注桩基础，第二种为振冲碎石桩基础。

3.2.1 灌注桩基础设计

根据地质勘察成果，改线段渡槽地基下部第一层和第二层地基承载力分别采用100 kPa，120 kPa，如果排架基础扩大，承载力不能满足要求；且地表下2.75～3.05 m探见地下水，第二层和第三层土层存在液化，等级为中等，厚度变化较大，变形无法满足设计要求，故必须对渡槽基础进行处理。

根据改线段渠线地质条件，考虑到地下水埋深较浅，设计采用混凝土灌注桩，按端承摩擦桩设计，根据承载力计算结果，每个排架承台下设两根灌注桩，桩径1.2 m。桩柱通过承台支撑上部排架结构，承台尺寸根据《建筑桩基技术规范》确定。桩与承台、承台与排架间采用刚性连接。根据《水工混凝土结构设计规范》中水工混凝土结构所处的环境类别划分，桩基所处环境类别为三类，规范要求混凝土最低强度等级C25，结合《建筑桩基设计规范》，本次设计灌注桩混凝土强度等级采用C30，桩身裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度限值为0.2 mm。根据地质勘察资料，改线段渠线地下水埋深3 m左右，地下水具有弱侵蚀性，因此，要求灌注桩混凝土采用抗侵蚀性水泥，桩端伸入第四层级配不良砾不液化土层2 m左右。

3.2.2 碎石桩基础设计

渡槽采用碎石桩进行地基处理时，排架基础采用整体扩大C25钢筋混凝土基础，经冲切计算，排架扩大基础最小厚度1.2 m，宽3.4 m，长6.7 m。碎石桩基础处理深度参考紧临108国道南边枢纽一级站沉沙池、工业供水机加池、清水池和加压泵站的碎石桩处理深度均为10 m，本次设计渡槽基础碎石桩处理深度采用10 m，根据《建筑地基处理技术规范》，振冲桩处理范围当用于消除地基液化时，在基础外缘扩大宽度不应小于基础下可液化土层的1/2，故排架钢筋混凝土扩大基础下碎石桩的处理宽度为10 m，长度16.7 m，根据振冲桩复合地基承载力计算，碎石桩桩径为800 mm，桩心距2 m，桩位采用等边三角形布置，这样每个排架基础下共布置碎石桩112根，桩总长1120m。3.2.3 混凝土灌注桩与碎石桩基础比较

混凝土灌注桩：每个排架承台下设两根直径1 200 mm的混凝土灌注桩，灌注桩最长19 m，每延米灌注桩综合单价为2 265元，每个渡槽排架下灌注桩基础投资约8.61万元。

振冲碎石桩：每延米振冲碎石桩单价212元，每个排架基础下碎石桩总价23.74万元。

考虑到灌注桩对渡槽基础下液化土层已全部处理，而碎石桩对渡槽基础液化只进行了部分处理，故本次设计综合考虑渡槽基础处理投资和对地基液化处理的程度，推荐采用混凝土灌注桩对渡槽基础进行液化处理。

3.3 方案比选

从以下几方面对高填方渠道方案和渡槽方案进行比较：

第一，投资方面。高填方渠道工程总投资1819.7万元，渡槽方案工程总投资1 808.39万元。渡槽方案考虑了全部地基液化处理，高填方渠道方案仅考虑了部分地基液化处理。

第二，工程运行管理。渡槽方案不需要修建过渠建筑物，道路和山洪可直接从渡槽槽身下通过，输水安全性较高；高填方渠道投资未包括地基液化处理，由于地基液化处理投资太大，而且渠道须修建过渠建筑物，运行管理不如渡槽方案安全可靠。

第三，施工。高填方渠道方案所需土料及块石料可以就地取材，工程施工较容易，“渡槽+灌注桩”方案施工需进行地基处理，施工工艺较浆砌石方案复杂，但技术上完全可以实现。

第四，占地补偿。高填方渠道左右岸坡脚线占地平均宽度31 m，永久占地按坡脚线向外延伸3 m计算，渠道方案永久占地1.867 hm2；“渡槽+灌注桩”方案基础最宽处6 m，永久占地按建筑物外边缘向外延伸3 m计算，渡槽方案永久占地0.767 hm2。相应地渠道方案破坏的地面和地下附着物也就多，渠道方案比渡槽方案占地补偿投资多102万元。

经综合比较分析，改线段一干渠采用渡槽方案优于高填方渠道方案。

4 结语

通过对该改线段从不同方案进行比较，详细考虑工程建设所带来的影响，从实际出发，深入研究，最终确定了最优方案为“渡槽+灌注桩”方案，这样不仅节省了投资，同时也给工程的实际运行带来方便，可为类似工程提供参考。