禹門口輸水一干渠與鐵路交叉段設計方案簡述

許志超

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

禹門口提水工程灌區是山西省主要糧棉生產基地，工程擔負著灌區所在地的農業灌溉和工業供水任務。灌區西起河津縣黃河灘地，東至新絳縣南社鄉店頭莊，涉及新絳、稷山、河津3個縣（市）、13個鄉（鎮）、299個自然村，總人口46.23萬人，總灌溉面積3.321 萬 hm2。

新建的黃韓侯鐵路工程與已建的禹門口一級輸水干渠交叉，為滿足現有工程運行，需對部分原有渠道進行改線。本次改線段渠道設計共考慮了兩個方案，方案一為高填方渠道方案，方案二為渡槽方案。高填方渠道方案中渠道斷面型式對漿砌石內襯混凝土結構和鋼筋混凝土結構渠道進行比較，渡槽方案對渡槽基礎處理方式灌注樁和振沖碎石樁進行比較分析。下文主要從工程運行管理、施工、占地補償、投資等方面對兩個方案進行綜合比較，確定最優方案。

2 工程地質

工程交叉處大地構造處于臨汾運城新裂陷—河津曲沃凹陷中，地貌單元為汾澮谷地低階地，河流沖積地形。改線段地勢起伏較大，交通便利。一干渠改線段地基土的地質年代為第四系全新統，巖性以低液限粉土、級配不良砂為主，下部含級配不良礫。改線段第二層低液限粉土、第三層級配不良砂存在液化。

3 方案比選

改線段一級干渠原渠道設計流量16 m3/s，設計底寬4.0 m，渠深3.0 m，改線段原一級干渠長 527 m，改線后長516 m。

3.1 高填方渠方案

由于改線段渠道僅占一級干渠的一小部分，考慮到改線段前后渠道與改線后渠道的銜接，本次渠道設計底寬仍采用原渠道設計底寬4.0 m。設計時考慮兩種渠道橫斷面結構型式，第一種為漿砌石內襯混凝土結構，第二種為鋼筋混凝土結構。

3.1.1 漿砌石內襯混凝土渠道斷面設計

改線段一級干渠橫斷面為矩形，渠道底寬4.0 m，水深2.23 m，渠深3.0 m。渠道采用漿砌石內襯混凝土結構，漿砌石擋墻頂寬50 cm，底寬1.55 m，擴大基礎部分底寬2.5 m，墻高3.85 m，漿砌石底板厚0.7 m，內襯15 cm的C25素混凝土，混凝土抗凍等級要求不低于F200，抗滲等級要求不低于W6。漿砌石擋土墻底部采用石碴分層回填夯實，擋土墻背后采用黏性土分層回填夯實，回填堤頂比渠頂低0.8 m，墻后回填土外邊坡為1∶1.5。一級干渠左、右堤頂均設寬2.0 m的巡渠路，渠堤回填土坡面采用30 cm厚的干砌石護坡。漿砌石內襯混凝土高填方渠道，每5 m設一道沉降縫，渠道左、右堤擋土墻與渠道底板間設兩道縱縫，沉降縫采用橡膠止水帶止水，止水帶外部填PE低發泡沫板，內部填雙組份聚硫密封膏。

3.1.2 鋼筋混凝土渠道斷面設計

改線段一級干渠橫斷面為矩形，渠道底寬4.0 m，水深2.23 m，渠深3.0 m。渠道采用C25鋼筋混凝土結構，鋼筋混凝土墻頂寬50 cm，底寬70 cm，墻高3.5 m，底板厚50 cm，渠道混凝土抗凍等級要求不低于F200，抗滲等級要求不低于W6。其余結構尺寸同漿砌石斷面。

3.1.3 渠道斷面比選

從技術方面來看，漿砌石內襯混凝土結構斷面和鋼筋混凝土結構斷面均能滿足渠道過水要求。從投資方面來看，漿砌石內襯混凝土結構高填方渠道每延米工程直接投資18 512元，鋼筋混凝土高填方渠道每延米工程直接投資22 816元，是漿砌石渠道每延米投資的1.23倍。綜合考慮，原一級干渠渠道為漿砌石結構，混凝土渠道投資大于漿砌石渠道，本次推薦采用漿砌石渠道。

3.2 渡槽方案

渡槽方案樁號0+000—0+028段為原渠道與渡槽銜接段，渡槽槽身段長460 m，設計縱坡0.7‰。

渡槽由進口矩形渠道段、進口漸變段、槽身段、出口漸變段和出口矩形渠銜接段組成。進口矩形渠道長18 m，進口、出口漸變段長均為10 m，出口矩形銜接段渠長18 m，均采用C25鋼筋混凝土結構，通過扭面與槽身相連接，接縫處設置止水加強防滲。另外，為防止山洪水對樁基礎周圍填土的沖刷破壞，本次設計對每座鐵路排洪涵洞出水方向對應的3跨渡槽基礎采用厚0.3 m的M7.5漿砌石結構進行防護，上、下游設齒墻，深1 m，寬0.5 m。

渡槽槽身段長460 m，采用U型斷面，跨度10 m，壁厚18 cm，底部加厚至40 cm，圓弧半徑1.95 m，口寬3.9 m，槽深3.0 m，采用C30現澆鋼筋混凝土結構，沿槽身每1.5 m設一根拉桿，槽身中間設1.7 m寬人行道便橋；渡槽排架高4.5 m，排架柱斷面尺寸50 cm×60 cm，采用C30現澆鋼筋混凝土結構。基礎處理采用C30鋼筋混凝土灌注樁，樁頂設承臺支承排架渡槽，承臺寬2.4 m，長5.8 m，高1.2 m。槽身混凝土抗凍等級F200，抗滲等級W6，排架混凝土抗凍等級F200。

本次渡槽方案設計考慮兩種渡槽基礎處理方案，第一種為灌注樁基礎，第二種為振沖碎石樁基礎。

3.2.1 灌注樁基礎設計

根據地質勘察成果，改線段渡槽地基下部第一層和第二層地基承載力分別采用100 kPa，120 kPa，如果排架基礎擴大，承載力不能滿足要求；且地表下2.75～3.05 m探見地下水，第二層和第三層土層存在液化，等級為中等，厚度變化較大，變形無法滿足設計要求，故必須對渡槽基礎進行處理。

根據改線段渠線地質條件，考慮到地下水埋深較淺，設計采用混凝土灌注樁，按端承摩擦樁設計，根據承載力計算結果，每個排架承臺下設兩根灌注樁，樁徑1.2 m。樁柱通過承臺支撐上部排架結構，承臺尺寸根據《建筑樁基技術規范》確定。樁與承臺、承臺與排架間采用剛性連接。根據《水工混凝土結構設計規范》中水工混凝土結構所處的環境類別劃分，樁基所處環境類別為三類，規范要求混凝土最低強度等級C25，結合《建筑樁基設計規范》，本次設計灌注樁混凝土強度等級采用C30，樁身裂縫控制等級為三級，最大裂縫寬度限值為0.2 mm。根據地質勘察資料，改線段渠線地下水埋深3 m左右，地下水具有弱侵蝕性，因此，要求灌注樁混凝土采用抗侵蝕性水泥，樁端伸入第四層級配不良礫不液化土層2 m左右。

3.2.2 碎石樁基礎設計

渡槽采用碎石樁進行地基處理時，排架基礎采用整體擴大C25鋼筋混凝土基礎，經沖切計算，排架擴大基礎最小厚度1.2 m，寬3.4 m，長6.7 m。碎石樁基礎處理深度參考緊臨108國道南邊樞紐一級站沉沙池、工業供水機加池、清水池和加壓泵站的碎石樁處理深度均為10 m，本次設計渡槽基礎碎石樁處理深度采用10 m，根據《建筑地基處理技術規范》，振沖樁處理范圍當用于消除地基液化時，在基礎外緣擴大寬度不應小于基礎下可液化土層的1/2，故排架鋼筋混凝土擴大基礎下碎石樁的處理寬度為10 m，長度16.7 m，根據振沖樁復合地基承載力計算，碎石樁樁徑為800 mm，樁心距2 m，樁位采用等邊三角形布置，這樣每個排架基礎下共布置碎石樁112根，樁總長1120m。3.2.3 混凝土灌注樁與碎石樁基礎比較

混凝土灌注樁：每個排架承臺下設兩根直徑1 200 mm的混凝土灌注樁，灌注樁最長19 m，每延米灌注樁綜合單價為2 265元，每個渡槽排架下灌注樁基礎投資約8.61萬元。

振沖碎石樁：每延米振沖碎石樁單價212元，每個排架基礎下碎石樁總價23.74萬元。

考慮到灌注樁對渡槽基礎下液化土層已全部處理，而碎石樁對渡槽基礎液化只進行了部分處理，故本次設計綜合考慮渡槽基礎處理投資和對地基液化處理的程度，推薦采用混凝土灌注樁對渡槽基礎進行液化處理。

3.3 方案比選

從以下幾方面對高填方渠道方案和渡槽方案進行比較：

第一，投資方面。高填方渠道工程總投資1819.7萬元，渡槽方案工程總投資1 808.39萬元。渡槽方案考慮了全部地基液化處理，高填方渠道方案僅考慮了部分地基液化處理。

第二，工程運行管理。渡槽方案不需要修建過渠建筑物，道路和山洪可直接從渡槽槽身下通過，輸水安全性較高；高填方渠道投資未包括地基液化處理，由于地基液化處理投資太大，而且渠道須修建過渠建筑物，運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塊石料可以就地取材，工程施工較容易，“渡槽+灌注樁”方案施工需進行地基處理，施工工藝較漿砌石方案復雜，但技術上完全可以實現。

第四，占地補償。高填方渠道左右岸坡腳線占地平均寬度31 m，永久占地按坡腳線向外延伸3 m計算，渠道方案永久占地1.867 hm2；“渡槽+灌注樁”方案基礎最寬處6 m，永久占地按建筑物外邊緣向外延伸3 m計算，渡槽方案永久占地0.767 hm2。相應地渠道方案破壞的地面和地下附著物也就多，渠道方案比渡槽方案占地補償投資多102萬元。

經綜合比較分析，改線段一干渠采用渡槽方案優于高填方渠道方案。

4 結語

通過對該改線段從不同方案進行比較，詳細考慮工程建設所帶來的影響，從實際出發，深入研究，最終確定了最優方案為“渡槽+灌注樁”方案，這樣不僅節省了投資，同時也給工程的實際運行帶來方便，可為類似工程提供參考。