浅谈新汴河治理工程唐河地下涵的设计优化

GXF360 2017-11-11

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许道龙

一、工程概况

安徽省宿州市新汴河是20世纪70年代开挖的人工河流，新北沱河、唐河和石梁河等3条天然河流被其截断后均采用倒虹吸式地涵下穿新汴河进行了连通，其中唐河地下涵规模最大，设计流量为348m3/s，校核流量554m3/s。该涵原设计采用浆砌石墩墙结合混凝土顶拱结构，共15孔，单孔净宽4m，高4.5m，洞长287.4m，进口段设控制闸。由于唐河地下涵存在过流能力不足、拱顶碍航、结构老化损坏、设施简陋等诸多问题，在新汴河治理工程项目中被鉴定为四类闸，须对其进行除险加固。

二、可研阶段方案设计和施工安排

唐河地下涵枢纽工程在可研阶段比选了原址加固扩建和拆除重建两种方案。加固扩建方案由于原倒虹吸涵底高程较高，为满足新汴河通航以及抗浮稳定需要，现有老涵结构利用的空间很小，老涵加固后有效过流孔径只有3.5m×3.0m，需另外扩建8孔5.0m× 4.5m洞身，涵孔数量达23孔，总布置宽度达108m。拆除重建方案为原址新建15孔5.0m×4.5m，总布置宽度86.6m。无论是工程总体布置的协调性、工程投资、建筑物安全可靠性、施工难易程度、工程运行管理等方面，拆除重建方案都具有明显的优势，可研阶段推荐拆除重建方案是必然的。

推荐方案地下涵3孔一联共5联布置，顺水流向分为20节，节长16～14m，总布置长度318m。由于涵洞孔节数量多，施工工序多，混凝土浇筑量大，水下工程施工工期长，难以在一个枯水期内完成，因此施工导流采用了2个枯水期并跨1个主汛期施工。在主汛期，利用已建好的9孔新涵和6孔老涵对唐河进行导流，按照防洪要求恢复原河道和堤防断面对新汴河进行导流，汛后重新开工完成剩余6孔涵的建设。

三、初设阶段的方案设计优化

1.原设计方案存在的问题

随着调查和设计的深入，发现唐河地下涵原批复的设计和施工方案存在如下问题：

（1）施工导流方式存在风险。老涵为素混凝土分缝底板和预制顶拱结构，中孔不能承受拱圈水平推力，老涵拆除和新涵施工对已存在隐患的老结构产生不利影响，因此利用6孔老涵导流不确定因素多，存在结构安全风险。同时老涵与新涵之间衔接困难，存在渗流安全隐患。

（2）影响后续工程施工。第二个枯水期将唐河上游来水导入石梁河，造成拟在该时段施工的石梁河地下涵导流度汛压力大。

（3）临时工程成本大增。汛期唐河与新汴河同时度汛，必须回填新汴河以及两侧堤防并进行抗冲安全防护，拆除全部围堰，水下施工设备全部撤离。汛后二次进场、排水、开挖基坑和填筑围堰。因此主体工程跨汛期施工造成临时工程投资大幅增加。

（4）总体布置不协调。15孔老涵总布置宽度71.2m，推荐设计方案总布置宽度86.6m，与现状河道的平面布置不相适应。

为使方案度汛安全，布置协调，投资合理，有必要在兼顾施工方案的基础上对设计方案进行优化。

2.涵址方案优化的可行性

为解决跨汛期施工带来的风险和临时工程成本增加的问题，根据涵址地形条件，将上述原址拆除重建方案与移址重建方案进行了深入比选，比选的孔径规模仍为 15孔 5.0m× 4.5m。移址重建方案在涵址上游唐河老河道一侧布置新的地下涵，涵洞中心线与新汴河河道中心线呈83°交角，地下涵总布置长度384m。两方案总平布置见示意图1（2016年8月份卫星照片，唐河地下涵已原址建成）。

两方案主要存在以下区别：（1）因工程量大，均需在两个枯水期内分两期实施。对于唐河汛期导流，移址方案可利用现状地下涵度汛，安全可靠性大。对于新汴河汛期导流，原址方案需二次开工，增加投资540万元，而移址方案可以先完成河道内全部主体建筑的施工，汛期能够正常度汛，因此移址方案易于实施且节省临时工程投资。（2）移址方案较原址方案主体建筑投资增加约2330万元，且存在拆迁占地问题需增加费用450万元。

因此从施工导流来看，移址方案具有较大的优势，对工程本身和防洪度汛安全均十分有利。但从工程总体投资优化的角度，该方案增加投资过多，显然是不可取的。

3.原址重建方案的优化

为力求一个枯水期能够完成主体工程，原址重建方案总体布置在满足水工设计要求的前提下，应尽可能减小水下工程施工强度，减少施工工序，减短流水作业时间间隔，以达到有效压缩工期的目的。

图1 移址和原址方案布置示意图

（1）适当减少涵孔数量是方案优化首选。在满足过流要求和结构合理情况下，增加了12孔（5.0m×5.6m）方案和9孔（6.0m×6.2m）方案进行经济技术比选。各孔径方案的优劣主要表现为：①12孔方案与现状唐河衔接最平顺，工程量相对较小，投资最省。②孔径越大，为满足抗浮需要的埋置深度大，则基坑开挖深度大，倒虹吸坡度长，涵洞易淤积。③施工导流度汛方面，与15孔方案相比，12孔和9孔方案施工工序大为减少，混凝土浇筑强度相对较小，起吊运输跨度适中，通过合理的施工组织完全可以在一个枯水期内完成。设计推荐工作量和投资最省的12孔方案。

（2）优化施工组织设计：①汛末即完成施工前准备，如临时围堰、老涵水上拆除工作，为主体工程施工创造时间。②原址重建施工强度大，如土方挖填43万m3，混凝土浇筑7.8万m3，应利用场地较为开阔的优势，拆除、土方挖填、混凝土浇筑应搭接平行作业，上下游左右岸分6段同步施工。③优化流水作业时间间隔。如洞身混凝土作业先施工中间两联，再两边联；每联分底板和墙体顶板两期完成；推荐采用浇筑强度大、现场干扰小的商品混凝土；洞身内外侧模板采用可移动式钢模台车支立。

经过上述工程布置和施工措施的优化，唐河地下涵在一个枯水期即第一年10月至第二年5月是可以完成主体工程施工的，该设计方案在水利部和发改委两级审查阶段专家组均予以认可。唐河地下涵工程纵横剖面图见图2。

四、施工图阶段的设计优化

建设单位考虑到施工阶段雨雪天气、主汛期提前等不确定因素的影响，为确保安全度汛万无一失，要求进一步优化施工图阶段的设计方案，为加快施工创造条件。为此施工图设计主要从减少流水作业频次和施工工序，提高工作效率，增加机械化作业强度等方面进行了设计优化：①结合详细的地质资料，经过分析计算，涵洞单节长度由16m增加到25m，洞身由原设计19节减至14节。②取消与渗流无关的倒虹吸水平段洞外混凝土包箍。③洞身结构尽量对称统一，钢筋配置尽量单一，避免弯筋和斜筋，交叉止水工厂化生产。④挡墙人工砌石结构改为混凝土结构，人工砌石防护改为抛石防护。