許道龍

淺談新汴河治理工程唐河地下涵的設(shè)計(jì)優(yōu)化

許道龍

一、工程概況

安徽省宿州市新汴河是20世紀(jì)70年代開(kāi)挖的人工河流，新北沱河、唐河和石梁河等3條天然河流被其截?cái)嗪缶捎玫购缥降睾麓┬裸旰舆M(jìn)行了連通，其中唐河地下涵規(guī)模最大，設(shè)計(jì)流量為348m3/s，校核流量554m3/s。該涵原設(shè)計(jì)采用漿砌石墩墻結(jié)合混凝土頂拱結(jié)構(gòu)，共15孔，單孔凈寬4m，高4.5m，洞長(zhǎng)287.4m，進(jìn)口段設(shè)控制閘。由于唐河地下涵存在過(guò)流能力不足、拱頂?shù)K航、結(jié)構(gòu)老化損壞、設(shè)施簡(jiǎn)陋等諸多問(wèn)題，在新汴河治理工程項(xiàng)目中被鑒定為四類閘，須對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

二、可研階段方案設(shè)計(jì)和施工安排

唐河地下涵樞紐工程在可研階段比選了原址加固擴(kuò)建和拆除重建兩種方案。加固擴(kuò)建方案由于原倒虹吸涵底高程較高，為滿足新汴河通航以及抗浮穩(wěn)定需要，現(xiàn)有老涵結(jié)構(gòu)利用的空間很小，老涵加固后有效過(guò)流孔徑只有3.5m×3.0m，需另外擴(kuò)建8孔5.0m× 4.5m洞身，涵孔數(shù)量達(dá)23孔，總布置寬度達(dá)108m。拆除重建方案為原址新建15孔5.0m×4.5m，總布置寬度86.6m。無(wú)論是工程總體布置的協(xié)調(diào)性、工程投資、建筑物安全可靠性、施工難易程度、工程運(yùn)行管理等方面，拆除重建方案都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可研階段推薦拆除重建方案是必然的。

推薦方案地下涵3孔一聯(lián)共5聯(lián)布置，順?biāo)飨蚍譃?0節(jié)，節(jié)長(zhǎng)16～14m，總布置長(zhǎng)度318m。由于涵洞孔節(jié)數(shù)量多，施工工序多，混凝土澆筑量大，水下工程施工工期長(zhǎng)，難以在一個(gè)枯水期內(nèi)完成，因此施工導(dǎo)流采用了2個(gè)枯水期并跨1個(gè)主汛期施工。在主汛期，利用已建好的9孔新涵和6孔老涵對(duì)唐河進(jìn)行導(dǎo)流，按照防洪要求恢復(fù)原河道和堤防斷面對(duì)新汴河進(jìn)行導(dǎo)流，汛后重新開(kāi)工完成剩余6孔涵的建設(shè)。

三、初設(shè)階段的方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題

隨著調(diào)查和設(shè)計(jì)的深入，發(fā)現(xiàn)唐河地下涵原批復(fù)的設(shè)計(jì)和施工方案存在如下問(wèn)題：

（1）施工導(dǎo)流方式存在風(fēng)險(xiǎn)。老涵為素混凝土分縫底板和預(yù)制頂拱結(jié)構(gòu)，中孔不能承受拱圈水平推力，老涵拆除和新涵施工對(duì)已存在隱患的老結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，因此利用6孔老涵導(dǎo)流不確定因素多，存在結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)老涵與新涵之間銜接困難，存在滲流安全隱患。

（2）影響后續(xù)工程施工。第二個(gè)枯水期將唐河上游來(lái)水導(dǎo)入石梁河，造成擬在該時(shí)段施工的石梁河地下涵導(dǎo)流度汛壓力大。

（3）臨時(shí)工程成本大增。汛期唐河與新汴河同時(shí)度汛，必須回填新汴河以及兩側(cè)堤防并進(jìn)行抗沖安全防護(hù)，拆除全部圍堰，水下施工設(shè)備全部撤離。汛后二次進(jìn)場(chǎng)、排水、開(kāi)挖基坑和填筑圍堰。因此主體工程跨汛期施工造成臨時(shí)工程投資大幅增加。

（4）總體布置不協(xié)調(diào)。15孔老涵總布置寬度71.2m，推薦設(shè)計(jì)方案總布置寬度86.6m，與現(xiàn)狀河道的平面布置不相適應(yīng)。

為使方案度汛安全，布置協(xié)調(diào)，投資合理，有必要在兼顧施工方案的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2.涵址方案優(yōu)化的可行性

為解決跨汛期施工帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和臨時(shí)工程成本增加的問(wèn)題，根據(jù)涵址地形條件，將上述原址拆除重建方案與移址重建方案進(jìn)行了深入比選，比選的孔徑規(guī)模仍為 15孔 5.0m× 4.5m。移址重建方案在涵址上游唐河老河道一側(cè)布置新的地下涵，涵洞中心線與新汴河河道中心線呈83°交角，地下涵總布置長(zhǎng)度384m。兩方案總平布置見(jiàn)示意圖1（2016年8月份衛(wèi)星照片，唐河地下涵已原址建成）。

兩方案主要存在以下區(qū)別：（1）因工程量大，均需在兩個(gè)枯水期內(nèi)分兩期實(shí)施。對(duì)于唐河汛期導(dǎo)流，移址方案可利用現(xiàn)狀地下涵度汛，安全可靠性大。對(duì)于新汴河汛期導(dǎo)流，原址方案需二次開(kāi)工，增加投資540萬(wàn)元，而移址方案可以先完成河道內(nèi)全部主體建筑的施工，汛期能夠正常度汛，因此移址方案易于實(shí)施且節(jié)省臨時(shí)工程投資。（2）移址方案較原址方案主體建筑投資增加約2330萬(wàn)元，且存在拆遷占地問(wèn)題需增加費(fèi)用450萬(wàn)元。

因此從施工導(dǎo)流來(lái)看，移址方案具有較大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)工程本身和防洪度汛安全均十分有利。但從工程總體投資優(yōu)化的角度，該方案增加投資過(guò)多，顯然是不可取的。

3.原址重建方案的優(yōu)化

為力求一個(gè)枯水期能夠完成主體工程，原址重建方案總體布置在滿足水工設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡可能減小水下工程施工強(qiáng)度，減少施工工序，減短流水作業(yè)時(shí)間間隔，以達(dá)到有效壓縮工期的目的。

（1）適當(dāng)減少涵孔數(shù)量是方案優(yōu)化首選。在滿足過(guò)流要求和結(jié)構(gòu)合理情況下，增加了12孔（5.0m×5.6m）方案和9孔（6.0m×6.2m）方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選。各孔徑方案的優(yōu)劣主要表現(xiàn)為：①12孔方案與現(xiàn)狀唐河銜接最平順，工程量相對(duì)較小，投資最省。②孔徑越大，為滿足抗浮需要的埋置深度大，則基坑開(kāi)挖深度大，倒虹吸坡度長(zhǎng)，涵洞易淤積。③施工導(dǎo)流度汛方面，與15孔方案相比，12孔和9孔方案施工工序大為減少，混凝土澆筑強(qiáng)度相對(duì)較小，起吊運(yùn)輸跨度適中，通過(guò)合理的施工組織完全可以在一個(gè)枯水期內(nèi)完成。設(shè)計(jì)推薦工作量和投資最省的12孔方案。

（2）優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)：①汛末即完成施工前準(zhǔn)備，如臨時(shí)圍堰、老涵水上拆除工作，為主體工程施工創(chuàng)造時(shí)間。②原址重建施工強(qiáng)度大，如土方挖填43萬(wàn)m3，混凝土澆筑7.8萬(wàn)m3，應(yīng)利用場(chǎng)地較為開(kāi)闊的優(yōu)勢(shì)，拆除、土方挖填、混凝土澆筑應(yīng)搭接平行作業(yè)，上下游左右岸分6段同步施工。③優(yōu)化流水作業(yè)時(shí)間間隔。如洞身混凝土作業(yè)先施工中間兩聯(lián)，再兩邊聯(lián)；每聯(lián)分底板和墻體頂板兩期完成；推薦采用澆筑強(qiáng)度大、現(xiàn)場(chǎng)干擾小的商品混凝土；洞身內(nèi)外側(cè)模板采用可移動(dòng)式鋼模臺(tái)車支立。

經(jīng)過(guò)上述工程布置和施工措施的優(yōu)化，唐河地下涵在一個(gè)枯水期即第一年10月至第二年5月是可以完成主體工程施工的，該設(shè)計(jì)方案在水利部和發(fā)改委兩級(jí)審查階段專家組均予以認(rèn)可。唐河地下涵工程縱橫剖面圖見(jiàn)圖2。

四、施工圖階段的設(shè)計(jì)優(yōu)化

建設(shè)單位考慮到施工階段雨雪天氣、主汛期提前等不確定因素的影響，為確保安全度汛萬(wàn)無(wú)一失，要求進(jìn)一步優(yōu)化施工圖階段的設(shè)計(jì)方案，為加快施工創(chuàng)造條件。為此施工圖設(shè)計(jì)主要從減少流水作業(yè)頻次和施工工序，提高工作效率，增加機(jī)械化作業(yè)強(qiáng)度等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化：①結(jié)合詳細(xì)的地質(zhì)資料，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，涵洞單節(jié)長(zhǎng)度由16m增加到25m，洞身由原設(shè)計(jì)19節(jié)減至14節(jié)。②取消與滲流無(wú)關(guān)的倒虹吸水平段洞外混凝土包箍。③洞身結(jié)構(gòu)盡量對(duì)稱統(tǒng)一，鋼筋配置盡量單一，避免彎筋和斜筋，交叉止水工廠化生產(chǎn)。④擋墻人工砌石結(jié)構(gòu)改為混凝土結(jié)構(gòu)，人工砌石防護(hù)改為拋石防護(hù)。

五、優(yōu)化效果和設(shè)計(jì)體會(huì)

該項(xiàng)目于2013年10月初正式開(kāi)工，2014年5月下旬水下工程成功通水驗(yàn)收，標(biāo)志著一系列設(shè)計(jì)優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期的效果，大大節(jié)省了工期，節(jié)約了投資，為新汴河治理后續(xù)工程的正常建設(shè)提供了有利條件。

通過(guò)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，主要有以下幾點(diǎn)體會(huì)：①設(shè)計(jì)方案的最終選定是一個(gè)不斷深化和優(yōu)化的方案比選過(guò)程，不能一味拘泥于上階段成果。②不同專業(yè)在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分銜接和會(huì)審，使設(shè)計(jì)方案總體最優(yōu)。③設(shè)計(jì)要體現(xiàn)建設(shè)施工等相關(guān)方的需求，盡可能使施工圖設(shè)計(jì)最優(yōu)

（作者單位：安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 230088）

圖2 唐河地下涵工程縱橫剖面圖