南水北调中线穿越方案比选

□安 静（平顶山市水利局河道管理处）

1.概述

根据南水北调总干渠总体设计技术规定，输水管道穿越总干渠，其穿越建筑物不占用总干渠水头，根据输水管道管底高程、总干渠渠底高程及设计水位的相互关系，穿越建筑物型式可选用渠上管道桥和渠底倒虹吸，通过技术、经济、施工等方案论证后，选用合理的穿越方案。穿越处总干渠设计参数见表1。

表1 输水管道穿越总干渠设计参数表

2.穿越方案

2.1 渠上管道桥

输水管道跨越总干渠可采用的结构型式很多，结合总干渠总体设计技术规定及跨越处总干渠设计断面，选择受力简单、适应跨度大、投资小的自承式钢管和下承式桁架拱2种结构型式进行分析。

自承式钢管跨越结构在给排水工程的输水管道和管网设计中应用广泛，特别是在给水管道中更是常用的优选结构型式。它具有跨越跨度大、避免水下开挖施工、充分利用钢管强度高的力学性能、节省投资、维修方便等优点。但管道穿越总干渠受渠道水头限制，跨越结构在渠内不得布置桥墩；为不影响总干渠管理维护交通通道，边墩应置于一级马道外侧，且梁底应高于路面4 m以上。基于以上原因，输水管道跨越总干渠，其单跨跨度一般在80 m左右，而根据国家建筑标准，管径DN2000以下的自承式平直形架空钢管，其最大单跨不超过30 m，圆弧形架空钢管最大单跨可达到80 m，但适用管径均在DN1000以下，因此自承式架空钢管不能完全满足设计要求。

下承式预应力桁架拱结构是由两榀桁架和上、下横系梁组成复合刚架，管身支承于刚架上，其特点是刚架本身为高次超静定空间结构，但每跨仍为简支梁式结构；复合刚架的整体刚度比较大，其主要组成部分桁架拱又具有拱的特性，能充分发挥上弦杆混凝土的抗压特点，从而以较小的构件尺寸承受较大的荷载，增大跨度，满足设计要求；整体结构自重轻，能适用于承载力较差的地基；可预制拼装，逐步完成，施工方便，外形美观。因此渠上跨越型式选用下承式桁架拱结构。

2.2 渠底倒虹吸

输水管道穿越总干渠，管身承受的水压力和土压力都比较大，为保证管道运行安全，考虑钢管外直接包封混凝土和钢管外加防护结构2种工程措施。

钢管外直接包封混凝土，结构简单，施工方便，投资省，但从总干渠安全运行考虑，因小流量时管内水流挟气会导致管身震动较大，影响总干渠渠道衬砌的稳定性，而且管道一旦出现问题，维护或更换管道都将影响到总干渠的正常输水；钢管外加防护结构，由于钢管与防护结构之间留有空间，可避免倒虹吸管身震动对总干渠渠道衬砌的影响，同时也便于管道运行维护与管理，因此渠底穿越选用钢管外加防护结构。

3.方案比选

3.1 管道桥工程

管桥上部为预应力混凝土下承式桁架拱结构，桁架拱轴线为二次抛物线，拱轴线矢高16 m，跨径80 m，节间距4.0 m，矢跨比1/5。拱肋及系梁为C50预应力混凝土结构，肋拱截面（宽×高）为1.2 m×1.6 m，系梁截面为1.2 m×1.3 m。肋拱与系梁间的竖杆采用带PSE保护层的平行钢丝成品索。两榀桁架间上、下横梁为C40钢筋混凝土结构，截面尺寸为0.6 m×0.8 m。桁架与桥台之间设盆式橡胶支座，共设2套4个支座，一套固定，一套活动。输水管道采用钢管，管径为DN800，通过管托固定于管桥下横梁上。为平衡温度应力，两端布置为斜管，并在管桥跨中布置限位伸缩节。为了便于管道检修和维护，在管道两侧布置人行桥。桥台下部为实体墩支承、钻孔灌注桩基础。桥台为C30钢筋混凝土，实体墩和灌注桩均采用C25钢筋混凝土。墩下布置2排钻孔灌注桩，共4根，桩径1.6 m，桩长21 m。

3.2 倒虹吸工程

倒虹吸轴线与总干渠中心线成正交，进出口分别位于总干渠防护围栏以外。管身由进口斜管段、水平管段、出口斜管段3部分组成，其水平投影长度分别为44 m、27 m和40 m，总长111 m；进、出口斜管段坡度均为1:6，与水平管相交处采用圆弧弯道相接，圆弧半径为12.0 m，圆心角均为6°，水平段涵顶埋深1.5 m，斜管段管节间及斜管和水平管衔接端设齿槽和沉陷缝。倒虹吸钢管外加箱涵防护结构，箱涵进口底板高程121.778 m，水平段涵底高程114.761 m，出口底板高程121.226m，进出口分别与阀门井衔接，便于管理维修。钢管外箱涵防护结构采用C25钢筋混凝土，箱涵孔口尺寸（宽×高）为3.0 m×2.5 m。为了便于施工，在管身开挖基面上铺设C10混凝土，两侧外延洞身底板0.1 m，以改善地基应力分布。

3.3 方案投资比较

根据以上工程布置，经投资预算，方案一总投资280.40万元，每延米投资2.29万元；方案二总投资178.94万元，每延米投资1.61万元；方案一比方案二投资多101.46万元，每延米投资多0.68万元。方案投资比较详见表2。

表2 方案投资比较表

4.结语

综合分析方案一和方案二，两方案在技术上均可行，都能满足供水要求，方案二比方案一节省投资36.2%。考虑到方案一桁架拱跨度大、矢高大，须现场预制拼装，施工吊装难度大、投资大，方案二钢管外加防护箱涵，混凝土可现场浇筑，施工简单，便于管理，在节省投资上也占优势，因此输水管道穿南水北调总干渠，穿越建筑物型式选用方案二，即渠底倒虹吸，倒虹吸管身外加防护箱涵。