南宁五化灌区马兰渡槽设计方案变更分析

刘惠娟

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

1 工程概况

南宁市五化灌区于位于南宁市宾阳县和上林县境内，灌溉范围涉及19个乡镇。灌区以水库水自流灌溉为主，主要水源有大龙洞水库、东敢水库、清平水库、桃源水库、六佑水库5座大中型水库。灌区内建有骨干输水渠道72条，其中大龙洞总干渠全长149.23 km，最大设计引水流量为15.00 m3/s，附属建筑物有渡槽、倒虹吸、涵洞、分水闸、节制闸、泄洪闸、取水口、斗闸、跨渠渡槽、穿渠涵、桥、斗闸等。灌区总干渠灌溉渠道及其渠系建筑物的级别为4级，渠系建筑物合理使用年限为30年。渠道及渠系建筑物按4级建筑物设计，采用20年一遇设计洪水标准，30年一遇校核洪水标准。

大龙洞总干渠在桩号95+820处与马兰河交叉。原渠道采用倒虹吸方案穿越马兰河，倒虹吸为2 根直径2.40 m 的圆涵，长度为20.00 m。由于地陷、基岩岩溶发育等原因[1-2]，近年来马兰倒虹吸进口段坍塌，倒虹吸管下沉拉裂，管身部分已出现裂痕，呈现漏水，已无法再继续承担五化灌区总干渠的输水任务，且临近附属保护设施老化，原倒虹吸进口明渠已被淤泥、杂物、垃圾等堵塞，造成总干渠断流。因此，需对原倒虹吸进行改建。

2 原设计方案

原设计方案为拆除马兰倒虹吸，原址改建马兰渡槽。渡槽设计流量为11.50 m3/s，采用箱式矩形槽结构，槽身外形宽5.00 m，高3.18 m，其中断面净宽4.00 m，高2.40 m，底板和侧墙厚0.50 m，顶板厚0.28 m，顶板两侧各悬挑0.60 m；槽身内壁下边角导圆，上边角设置贴角，以改善应力集中现象。渡槽基础岩溶发育，设计按单跨布置，采用预应力钢筋混凝土简支箱梁结构，渡槽全长118.10 m，主要包括10.79 m渐变段、1跨42.00 m预应力混凝土槽身段、10.00 m渐变段和55.31 m连接段。简支梁式渡槽箱梁顶部宽6.20 m，底宽5.00 m，箱室净宽4.00 m，净高2.40 m，除顶板厚0.28 m，其余边壁厚0.50 m，支座处边壁加厚至0.60 m。同时，由于马兰渡槽的槽墩基础依次为粉土质砂、粉质黏土、洞穴堆积物等软弱地基，经计算，不能满足承载力或沉降变形要求，又因土层厚度太大无法挖除或挖除不经济，因此考虑采用钻孔灌注桩进行基础处理[3]。钻孔灌注桩基础拟采用冲孔灌注桩，单桩桩径为1.20 m，在上、下游渡槽的槽墩各布置2孔（共4孔），桩底部深至弱风化灰岩，桩基顶部通过C30 钢筋混凝土承台与上部结构连接。

3 设计变更

3.1 变更原因

原方案布置涉及到渠道、河道及道路的改线，工程永久征收范围为渡槽用地及新建管理道路用地，不涉及基本农田，已于2021 年获得广西壮族自治区水利厅批复。2022年，全国开展了“三区三线”调整和划定工作[4-5]。根据最新“三区三线”划定成果，原设计方案永久占地用地面积7.28 亩，其中涉及1.61 亩永久基本农田。为严格落实耕地和永久基本农田的保护制度、严守耕地保护红线和永久基本农田控制线，也为了解决永久基本农田无法征地、征地协调难度大等问题，故需对原设计方案进行变更。

3.2 设计变更方案

本次设计变更共提出两个方案，分别为原址倒虹吸方案和原址渡槽方案。

（1）原址倒虹吸方案。本方案的倒虹吸位置与现状旧倒虹吸位置基本一致，倒虹吸轴线与原渠道轴线一致。倒虹吸布置总长度为86.00 m，包括上游连接段18.00 m，上游渐变段12.50 m，进口沉沙池段8.00 m，倒虹吸箱涵段21.00 m，下游渐变段12.50 m，下游连接段14.00 m。其中，倒虹吸采用钢筋混凝土双孔箱涵结构，倒虹吸进口设沉沙池，为钢筋混凝土箱涵结构，上下游渐变段两侧为重力式挡土墙，上下游连接段为仰斜式挡土墙，上游连接段渠道纵坡为1∶2500，下游连接段渠道纵坡为1∶3000，进出口渐变段底板纵坡均为1∶3。此外，由于倒虹吸箱涵段开挖会破坏现有马兰河路涵，因此拟拆除重建现有马兰河路涵。新的路涵设置6 根直径为2.00 m 的钢筋混凝土预制管，路涵段设U 型混凝土挡墙。同时，对马兰倒虹吸施工开挖影响到的河道进行防护，保留马兰倒虹吸下游的双咪坝。原址倒虹吸方案布置见图1。

图1 原址倒虹吸方案布置图

（2）原址渡槽方案。本方案的渡槽位置位于原倒虹吸位置，渡槽轴线与原渠道轴线一致，渡槽轴线总长度为124.70 m，包括上游连接段25.00 m，上游渐变段20.00 m，上游箱涵段5.00 m，预应力钢筋混凝土渡槽段42.00 m，下游箱涵段5.00 m，下游渐变段22.40 m，下游连接段5.30 m。渡槽采用预应力钢筋混凝土简支箱梁槽身，单跨42.00 m，渡槽进出口各设5.00 m 长的钢筋混凝土箱涵与上下游渠道衔接，上下游渐变段两侧为重力式混凝土挡墙，上下游连接段为仰斜式混凝土挡墙，上游连接段渠道纵坡为1∶2500，下游连接段渠道纵坡为1∶3000，上下游渐变段底板纵坡均为1∶250。渡槽输水能力按明槽均匀流计算，马兰渡槽设计流量为11.50 m3/s，加大流量为13.80 m3/s，渡槽纵坡为1/1000，渡槽设计水面线高程为118.47 ～118.43 m，设计流速为1.62 m/s，设计水深为1.80 m，加大水深为2.00 m。渡槽槽身底部高程为116.67～116.63 m，渡槽设计纵坡1/1000。本方案涉及到原倒虹吸位置的河道改建，原倒虹吸顶部的马兰河河床高程约为116.50 m，需要拆除原倒虹吸和双咪坝，将河床高程降低至112.50 m；马兰河改建长度为88.00 m，分别为上游连接段6.00 m，宽顶堰段10.00 m，跌水段12.00 m，消力池段19.00 m，海漫段41.00 m。同时，为了保证乡村道路的交通功能，在跌水段设置交通桥1座，交通桥桥面宽度为6.00 m，跨度为31.00 m，采用预应力钢筋混凝土结构。经复核，改造后马兰河与总干渠交叉断面处30 年一遇洪水标准的洪水位为114.45 m，渡槽槽身底板底部距洪水位净高1.72 m，满足规范要求。原址渡槽方案布置见图2。

图2 原址渡槽方案布置图

3.3 设计变更方案的比选

3.3.1 工程占地分析

（1）原址倒虹吸方案。本方案倒虹吸位置与现状旧倒虹吸位置基本一致，倒虹吸轴线与原渠道轴线一致，但由于倒虹吸箱涵段开挖会破坏现有马兰河路涵，因此需要对现有的马兰河路涵拆除重建。对倒虹吸施工开挖到的乡村道路，后期按原标准进行恢复。本方案建筑物建设用地基本在原渠道用地范围内，只有拆除重建旧路涵时需要修建一段临时交通道路，因此本方案不涉及永久用地征收，仅需对马兰倒虹吸施工期的临时交通道路、临时堆料场和钢筋加工场进行临时征用占地，临时用地为1.95亩，协调难度不大，仅需做好复垦方案即可，有利于工程正常推进。此外，本方案的用地投资为2.03万元，属较低水平，不会给当地财政带来压力。

（2）原址渡槽方案。本方案涉及对原倒虹吸位置的河道的改建，由于河道改建会破坏现有马兰河路涵，因此同样需对路涵进行改建。改建路涵轴线与现状路涵一致，在改建的马兰河跌水段设置交通桥1座，交通桥基础采用灌注桩基础，每端设置2个灌注桩，桩间距约4.20 m，桩直径为1.20 m。交通桥前后采用U 型混凝土挡墙和混凝土路面与原混凝土路面衔接。本方案需产生新的永久占地面积为4.68 亩，未涉及基本农田；用地总投资为17.92 万元，征地投资属于居中水平。

因此，从征地工作和征地投资方面看，原址倒虹吸方案具有显著优势。

3.3.2 地质条件分析

（1）原址倒虹吸方案。总干渠与马兰河交叉处场地岩溶强烈发育，存在溶洞、溶蚀凹槽、石芽及岩溶塌陷等岩溶地质现象。本方案的建筑物在岩溶塌陷影响范围内，场地覆盖层存在软弱土层，下伏基岩存在溶洞、溶蚀凹槽等岩溶地质问题，但溶洞、溶蚀凹槽基本全充填，连通性较差、影响范围有限，且上部覆盖层较厚大，未发现明显土洞现象。经过补充勘察和深入分析，发现场地实际塌陷范围比前期预测的小，因此设计对溶洞换填和设置钢筋混凝土筏板处理[6-7]，钢筋混凝土筏板的长度及宽度均大于溶洞孔。通过采用换填、充填灌浆和设置钢筋混凝土筏板基础等措施进行处理，地质条件可满足承载力和结构稳定性要求。

（2）原址渡槽方案。本方案的建筑物同样在岩溶塌陷影响范围内，由于受岩溶问题及软弱土层影响，上部覆盖层不宜做天然地基。根据地质补充调查和分析结果显示，原钻孔时出现塌陷的孔位距离本方案灌注桩均大于10.00 m，渡槽槽墩基础采用冲孔灌注嵌岩桩能满足设计要求。

通过上述分析可看出，在地质情况方面，原址倒虹吸和原址渡槽两个设计变更方案采用适当的工程措施处理后，地质条件均能满足建筑物布置要求，两个方案的地质条件相差不大，均可考虑实施。

3.3.3 结构布置分析

（1）原址倒虹吸方案。本方案的建筑物受溶洞影响较大，倒虹吸箱涵及沉沙池基础坐落在马兰河河床下的粉土质砂层及洞穴堆积土含砂砾粉质黏土上，经过换填、充填灌浆、设置钢筋混凝土筏板基础后可满足承载力和结构稳定性要求。沉沙池和倒虹吸箱涵筏板基础由于可能存在溶洞或空腔，需要采用换填和充填灌浆进行基础处理。本方案总体布置轴线与原渠道一致，水流条件与原倒虹吸基本一致，不改变马兰河的流态，对河流生态环境影响较小，结构布置相对简单，但倒虹吸建筑物从马兰河底下穿过，渠道的纵坡变化大，对总干渠的水流具有一定的影响，且容易产生淤积等问题。

（2）原址渡槽方案。本方案的跨河渡槽同样受溶洞影响，渡槽槽墩需采用桩基础支撑，桩基础需满足入岩条件，以避免溶洞的不利影响。本方案的渡槽轴线与原渠道轴线一致，渠道的纵坡较原来倒虹吸发生了改变，可使总干渠的水流更为顺畅，减少后期的淤积问题，但渡槽槽墩灌注桩基础距离原初设钻孔发生塌孔的孔位较近，且下游侧灌注桩桩端正好落在上伏的基岩处，实施过程中下游侧桩身有可能调整。此外，本方案需要对马兰河进行改造，需拆除现有乡村道路路涵和渡槽下游的双咪坝，改变河道纵坡及深度，对河道水流条件的影响较大。

从上述分析可知，原址倒虹吸和原址渡槽两个设计变更方案的基础经处理后均能满足建筑物布置的要求，但两个方案对周围生态环境产生的影响各不相同。其中：原址倒虹吸方案的干渠和马兰河轴线均可维持原状，但倒虹吸结构渠道纵坡变化较大，容易产生淤积等问题；原址渡槽方案的总干渠水流条件顺畅，但需要改建马兰河，对河道的水流存在一定的不利影响。

3.3.4 施工、运维分析

（1）原址倒虹吸方案。在施工导流方面，本方案采用全段围堰+明渠导流的导流方式，在马兰河上游布置围堰，利用现成的渠道引河水入总干渠；在主体工程施工方面，本方案建筑物结构简单，同时因不需改建河道，双咪坝可以被保留，且无需修建下游围堰，施工工作面受外部干扰少，施工工序简单，施工质量容易控制；在运行维护方面，本方案为倒虹吸结构，倒虹吸箱涵沉在马兰河之下，容易淤积，但可通过在倒虹吸上游设置沉沙池，在沉沙池上游设斜坡道，并沉沙池左侧设置可兼做的冲沙闸的泄洪闸减少倒虹吸的淤积。

（2）原址渡槽方案。在施工导流方面，本方案采用全段围堰+明渠导流的导流方式，在马兰河上游布置围堰，利用现成的渠道引河水入总干渠，但本方案涉及对河道进行改建，因此还需在双咪坝下游布置挡水围堰；在主体工程施工方面，本方案为预应力渡槽方案，需跨过溶洞，槽墩基础为灌注桩基础，施工难度较大[8]；在运行维护方面，本方案为渡槽结构，水深小，后期检修维护工作开展较为方便。

从上述分析可知，在施工组织和后期运行维护方面，两个设计变更方案各有优势。在施工组织方面，原址倒虹吸方案具有明显优势；在后期运行维护方面，原址渡槽方案维护工作难度明显低于原址倒虹吸方案。

3.3.5 投资分析

投资可分为工程部分投资和征地费用两部分进行比较，各设计变更方案的投资比较见表1。由表1 可看出，原址倒虹吸方案的工程部分投资和征地费用均远小于原址渡槽方案。

表1 投资比较表 万元

3.3.6 比选结果

综上，在工程占地、地质条件、工程投资等方面，原址倒虹吸方案均为最优；在结构布置方面和施工、运维方面，原址倒虹吸方案虽略次于原址渡槽方案，但原址渡槽方案需拆除现有乡村道路路涵和渡槽下游的双咪坝，改变河道纵坡及深度，对河道水流条件的影响较大，而原址倒虹吸方案可以通过设置沉沙池、斜坡道以及在沉沙池左侧设置泄洪闸兼冲沙闸来解决淤积问题。因此，综合考虑多方面因素，推荐原址倒虹吸方案作为最终的设计变更方案。

4 结语

随着国家“三区三线”调整和划定工作的不断落实，全国各地的工程设计方案均需根据最新“三区三线”划定成果进行复核和调整。本文以南宁市五化灌区马兰渡槽的设计变更为例，简要介绍了原马兰渡槽设计方案的具体情况，并将其与最新“三区三线”划定成果进行了比较；根据比较结果，提出了原址倒虹吸、原址渡槽两个设计变更方案；最后从工程占地、地质条件、结构布置、施工条件、运行维护、工程投资等方面分析各设计变更方案的优缺点，综合比选得出原址倒虹吸方案为最优设计变更方案。本文提出的设计方案科学合理，方案比选过程清晰，可以为类似工程提供参考。