南水北调天津干线输水箱涵概述

摘　要：南水北调做为一项利国利民的工程，在缓解北方水资源短缺，优化全国水资源配置方面作用巨大，其设计方案的制定经历多次的论证和优化，有必要对即将完建的天津干线的总体情况做一简要介绍，以为类似工程提供借鉴。

关键词：线路布置 基础处理 箱涵结构 变形缝 回填
南水北调天津干线为全箱涵无压接有压全自流输水管线，全长155.352km。其中，调节池以上以无压流为主，为无压输水段，调节池以下均为有压流，为地下有压输水箱涵。工程以现浇钢筋混凝土箱涵为主，主要建筑物共有268座，分别为西黑山进口闸枢纽（含排冰闸）1座，陡坡1座，调节池1座，检修闸4座，保水堰井8座，王庆坨连接井1座，分流井1座，外环河出口闸1座，通气孔69座（1#通气孔含在东黑山村东检修闸内），分水口门9处，西黑山左岸排水涵洞1座，倒虹吸61座，铁路涵4座，公路涵107座。
　　1 线路布置
　　在满足输水功能的前提下，线路布置考虑的基本原则一是尽可能顺直，以缩短线路长度，降低工程投资；二是尽量避免穿越较大的居民点、重要埋地管线、人防军事设施和重点文物等，尽量减少拆迁，减少对当地生产、生活影响；三是尽量沿公路（包括规划道路）一侧布置，以减少占用农田耕地，并利于工程的施工、管理及维修；四是符合沿线城镇总体规划的要求，减少与地方建设的矛盾。除此之外，管线下穿河渠和铁路、公路时，尽量采取正交的布置型式，受条件限制，其最小交叉角度大于30°。天津干线共与62条河渠交叉，其布置原则均采用立体交叉型式。除西黑山沟采用左岸排水涵洞即天津干线在排水沟之上穿越外，其余均为从交叉的河渠下面穿过，即采用倒虹吸方式，并按不妨碍河道整治和保证管线安全的原则确定穿越长度和埋设深度。天津干线与4条铁路交叉，全部采用输水箱涵主体外保护涵结构，箱涵底板与保护涵之间设减振层，以防保护涵动荷载影响输水箱涵，箱涵主体与保护涵之间留有间隙，端部封闭，以满足工程维护和施工的需要，同时按控制红线确定穿越长度,埋深满足相应要求。天津干线共与107条（次）乡村及以上公路交叉，其中，高速公路5条，国省干道7条，采用增加钢筋含量和增大箱涵壁厚等加强方式，确保箱涵结构安全。管线与其它管线和建（构）筑物的最小水平净距根据受力情况、施工和相关规范要求，最小水平净距不小于3m，与其它管线间的最小水平净距不小于1.5m。
　　2 基础处理
　　箱涵工程为线状工程，涵顶埋深一般为2～4m，箱涵自重与涵内水重之和小于所替换土体的重量，箱涵建成后基底应力均小于未开挖前作用在基底面上土的自重应力，因此一般段箱涵沉降量及沉降差满足规范要求，不需要进行地基处理。只是箱涵途径的几个取土坑箱涵沉降量及与周边箱涵沉降差均较大，超过规范要求，需采用碎石土+双向土工格栅的方法地基进行处理。即碎石土从坑底分层碾压回填至箱涵底板，每隔一定间距铺设一层双向土工格栅形成加筋垫层的处理方法，其效果不仅能使上部的荷载均匀分布在地层中，提高地基的承载力，还可以增强垫层抵抗不均匀沉降和限制水平位移的能力，使基础形成稳定的整体并减少工程量。在施工过程中，对取土坑预埋一定时间，再进行基础垫层及箱涵的浇筑，以减小箱涵的沉降量，在与上下游箱涵连接段在箱涵下部设置枕梁以减小与上下游箱涵的沉降差。
　　3 箱涵结构
　　输水箱涵长期处于地下，根据沿线地下水水样分析成果和环境类别判别标准，箱涵环境条件类别为二类，对应混凝土最低强度等级为C20，考虑到南水北调工程的重要性并根据《工程建设标准强制性条文》的有关规定，确定输水箱涵混凝土强度等级为C30。根据《水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）》(SDJ 20-78)中关于混凝土最低抗渗等级的有关规定，结合水力梯度值，确定箱涵混凝土抗渗等级为W6。根据天津干线沿线的气候特征，最低月平均气温为-4.8～-5.4°C，属寒冷地区，输水箱涵最小埋深2.0m，大于本地区冻土深度，没有抗冻要求，但为保证工程耐久性，确定抗冻等级为F50。根据《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-96)中关于混凝土保护层最小厚度的规定，二类环境保护层最小厚度25mm。因箱涵表面直接与基土接触，外层保护层厚度应适当增大，另外，考虑到保护层厚度是影响钢筋砼构件耐久性的主要因素，因此输水箱涵保护层厚度取为50mm。结构配筋尽量采用细而密的钢筋，有利于控制受力裂缝的宽度，一般每延米分布8根受力钢筋。根据《压力管道工程初步设计技术规定》（长江水利委员会长江勘测规划设计研究院）“一般情况下，管道裂缝控制标准按三类环境确定；管线在通过具有腐蚀的土壤环境时，裂缝控制标准按四类环境确定”的有关规定，并根据《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191-96）中表4.3.2的规定，确定钢筋混凝土结构构件最大裂缝宽度的允许值δfmax：长期组合时为0.20mm；短期组合时为0.25mm。
　　4 箱涵变形缝
　　天津干线主要建筑物为现浇钢筋砼箱涵，约占总长度的90％。线路较长，且沿线箱涵覆土厚度、内水压力、地质条件又不相同，为适应地基不均匀沉陷、温度和湿度的变化及地震作用对箱涵的影响，箱涵每隔15米设一道变形缝，对地形地质条件变化较大和复杂地段及与其它建筑物连接部位，箱涵分段间距可根据实际情况适当减小。变形缝由止水带、填缝材料和嵌缝密封材料三部分组成。止水带采用复合型遇水膨胀天然橡胶止水带，填缝板统一选择聚乙烯闭孔泡沫塑料板，嵌缝密封料采用双组份聚硫密封胶。
　　5 覆土回填
　　土方回填均采用就近开挖土的混合料进行回填，淤泥质土不做回填处理。箱涵两侧及上部回填土的压实度不低于0.90，路基下的回填土压实度为0.94。由于箱涵线路局部地段的涵管切断砂层，使由北向南流的地下水在天然条件下受到涵管的阻隔，涵管左侧地下水位抬高。为避免地下水受阻壅高而产生浸没，引起相应的土壤盐渍化、沼泽化等工程环境地质问题，在施工开挖时将开挖的砂单独存放，箱涵回填时将砂回填于箱涵两侧和顶部，顶部砂层的回填厚度不小于0.2m，以尽量修复地下水在天然条件下的径流排泄途径。
　　总之，天津干线输水箱涵在设计阶段进行了充分的论证和繁复的演算，以确保设计方案最优，投资最省。在施工阶段，建管、监理、施工等参建各方，按照施工图纸和技术要求严格管理，精心组织，保证工程质量。相信在接下来的通水运行阶段，天津干线也必将经受得起各种考验，在造福沿线人民的同时，为后续的类似工程建设提供借鉴和参考。
　　作者简介：吴广聚（1974-），男，河北晋州人，高级工程师，主要从事水利工程运行管理和建设管理工作。