南水北调中线总干渠京石段交通恢复及桥型方案设计优化(图)

　　摘要：南水北调中线总干渠两岸的交通恢复，对沿线人民群众的生产生活及地方经济发展有着重大影响。交通恢复原则研究分析，主要包括公路桥、生产桥布置原则、恢复方案、生产桥桥型方案设计及优化等内容。通过分析研究，在跨越总干渠设置桥梁时，应充分考虑道路交通的现状、当地居民的生产生活及当地的发展规划等各个方面的影响因素，尽最大可能减少南水北调总干渠穿越给当地居民带来的影响，避免由于交通恢复等原因影响工程进展。为南水北调京石段工程的总体投资控制和顺利实施创造条件，同时为后序开工渠段项目提供了经验。

　　关键词：总干渠京石段；交通恢复；设计方案

　　中图分类号：TV68 文献标识码：B 文章编号：1672-9900（2009）04-0013-04

　　1 工程概况

　　南水北调中线工程南起湖北省丹江口水库，北至北京市颐和园的团城湖，输水总干渠全长1275km；总调水量95亿m3。京石段应急供水工程总干渠是南水北调中线工程的一部分，起点是河北省石家庄的古运河枢纽，终点为北京团城湖，长306km。起点设计流量220m3/s，加大流量240m3/s。通过石津渠、沙河总干渠、唐河总干渠，将河北省岗南水库、黄壁庄水库、王块水库、西大洋水库的水输送到北京。

　　京石段总干渠河北段全长227km。在主体工程中布设交通桥梁131座，其中一级公路桥6座、二级公路桥19座、三级公路桥17座、四级公路桥89座。

　　从恢复沿线交通的角度出发，增设了110座生产桥。为减少桥墩柱阻水影响，设计过程中将原占用总干渠水头的生产桥全部改为墩柱不侵占过水断面的结构型式。另外，应急段拟新建的高速公路桥共有7座，其中桥墩柱阻水6座。

　　研究南水北调中线交通恢复的原则，在切实方便人民群众生产生活的前提下，优化交通恢复设计方案，不仅政策性强，且对于化解总干渠设计水头和交通恢复的矛盾，确保沿线的社会、经济等方面健康发展有着极为重要的意义。

　　2 交通桥恢复设计

　　2.1 交通桥恢复设计原则

　　初步设计阶段对于交通主干网恢复按照《南水北调中线工程总干渠跨渠公路桥初步设计技术规定》的要求，工程复建原则为：

　　（1）根据国家有关政策、法规及各专业部门的行业规范的要求，结合交通道路现状、移民安置规划、当地政府有关部门的意见，对总干渠穿越的现有公路，按三原（即原规模、原等级、原标准）原则修建跨渠公路桥，恢复原有交通功能。如果要提高复（改）建公路的等级、标准，必须进行专门的论证，并取得相应主管部门的批准。

　　（2）根据《南水北调中线工程一期工程可行性研究总报告》（以下简称《总体可研》），为保证沿线公路的畅通，方便当地居民生产、生活，原则上在总干渠穿越的已建或在建的四级及四级以上公路设置跨渠桥梁，村与村之间的交通，视具体情况适当设置。

　　（3）跨渠公路桥数量应按照《总体可研》及单项可研批复的数量进行控制。

　　2.2 交通公路桥恢复设计方案

　　1995～2003年，根据《南水北调中线一期工程总干渠跨渠交通桥初步设计大纲》的复建原则，对被总干渠截断的国道、省级公路、县级公路、乡级公路等重要的交通公路进行了反复调查，在初步设计阶段计列了131座公路交叉建筑物。公路与左、右岸截洪排水沟交叉附属建筑物（称为副桥（涵））共计166座，其中副桥3座，副涵163座。

　　1995年至今，已陆续进行过设计桥型、桥梁建材、桥梁设计计算软件调查。桥梁设计基本资料搜集、桥梁设计方案比选等方面的工作，积累了丰富的成果。其中最主要的成果是1997年6月河北院完成的《河北省北段桥梁典型工程设计说明书》（以下简称典型设计）。典型设计选取了邢石界至冀京界渠段上的13座桥梁进行设计，重点研究了桥梁的总体布置原则、桥梁的类型选取和结构型式的设计，并通过典型设计，提出适合本渠段的桥型结构及其布置原则。

　　2.3 交通公路桥恢复典型设计

　　典型设计主要内容包括：典型桥梁的遴选、桥型的选择、典型桥梁设计等。

　　2.3.1典型桥梁的遴选

　　由于总干渠公路桥类型较多，典型设计针对不同荷载标准、不同桥面宽度及长度，选择13座桥梁进行典型设计。13座桥梁的桥面行车道宽4.5，7.0，9.0m3种，桥长大部分在60～100m之间，最大桥长达134m，最小桥长为42m，桥梁建筑高度6～13m。

　　2.3.2桥型选择

　　选择桥型既要保证技术上可行、安全可靠，还要考虑经济合理、投资节省、造型美观、方便施工等方面。

　　本工程初步选择了简支板梁结构、超静定板梁结构和拱式结构等桥型进行了设计比选。

　　（1）简支板梁结构。简支板梁结构具有结构简单、施工方便、适合工厂化施工等优点，尤其是能够“平地建桥”，适合本渠段大量桥梁的施工，应作为首选桥型。

　　（2）大跨径悬臂梁、连续梁及T构。悬臂梁、连续梁和T构3种桥型，造型美观，适合于大跨径桥梁。其工程技术较为先进，但施工工艺复杂，工期较长，需要高水平的施工队伍。对于本渠段的桥梁，中孔跨度较小，一般为30～40m，此3种桥型大跨径的优点不能充分发挥，且投资较高，可在靠近城市的地方、考虑美观时采用。

　　（3）拱式桥。拱式桥主要选择了上承式桁架拱桥、上承式双曲拱桥、钢架拱桥、下承式系杆拱桥4种型式。其中上承式桁架拱桥造型轻，投资较低，但施工相对复杂，适合土基建桥；上承式双曲拱桥自重大，要求基础条件较高，但施工简单，桥型美观；钢架拱桥桥型简洁流畅，构建较少，施工方便；下承式系杆拱桥造型美观，适合于较繁华地区，但其维护较为困难。

　　2.3.3典型桥梁设计

　　典型设计包括调查公路状况、确定桥位渠道断面指标、设计依据及标准的确定、明确桥位工程地质条件、结构计算、雍水计算、桥梁设计方案比选等方面的内容。

　　（1）公路现状调查及渠道指标确定。根据1996年4月编制的《南水北调中线工程河北省北段邢石界至冀京界总体布置报告》及南水北调工程测量资料，确定公路现状及渠道指标。

　　（2）设计依据及标准。设计依据采用现行的公路桥梁设计规范。并根据规范要求确定设计标准，包括工程等级、控制水位、地震设防烈度、荷载安全系数等内容。

　　（3）桥位工程地质条件。根据南水北调中线工程总干渠建筑物地质勘探成果，确定桥位处的地质情况及物理力学指标。地质条件包括桥位处的地形条件、地面高程、地下水位、地层分布情况等内容，物理力学指标包括地基承载力、土层的内摩擦角、粘聚力和侧摩阻力等内容。

　　（4）结构计算。桥梁计算以有限元法为主，不同的结构型式其计算方法也有所区别。典型设计采用了桥梁结构计算软件并辅以手工进行结构分析计算。

　　3 生产桥方案设计及优化

　　在总体规划设计中水面线的分析过程中没有考虑生产桥。为此，增设生产桥后，根据水面线的推算成果，为了减少水头损失，桥梁结构只能采用不占用渠道过水断面的型式。

　　生产桥均为正桥设计，两岸采用弯道与原路连接。结构主要以简支梁板桥为主，部分断面采用连续箱梁桥，桥梁中跨跨度为30～50m。生产桥桥宽主要为净宽4.5，3.5，2.5m，设计汽车荷载等级为公路-Ⅱ级。生产桥两岸引道接线参照四级公路最低标准设计，引道坡度多采用3%，少量高填方渠道坡度达到8%。引道路面设计标准按照原路标准恢复，即原路为土路时，桥头接线按照泥结碎石路面恢复，原路为水泥路面或是沥青路面时，按照水泥路面结构恢复。

　　由于部分道路截断后没有恢复，因此需要修建连接路恢复原有道路交通。连接路分两类，一类是恢复部分标准较高的路面，按照水泥路面设计，长4100m；一类是恢复机耕路，按照泥结碎石路面设计，长50977m，总计55077m。高标准连接路参照四级公路标准进行设计，机耕路紧贴着总干渠征地红线外侧布置，路线随征地线走向布置。

　　3.1 桥型方案设计

　　3.1.1桥型方案的确定原则

　　从满足总干渠水头要求、通行要求及经济合理的角度出发，生产桥桥型方案的确定原则如下：

　　（1）应满足现行公路、桥梁设计规程、规范；

　　（2）跨渠桥梁在满足正常运营功能的前提下，桥型设计应遵循安全、适用、经济、美观和有利环保的原则，并考虑因地制宜，便于施工、就地取材和养护等因素；

　　（3）桥型方案应与总干渠周边自然景观和人文景观相协调，并满足总干渠建筑规划的要求；

　　（4）桥梁结构选型应尽量采用新技术、新工艺、新材料，加快施工进度，缩短工期，降低造价；

　　（5）梁底高程不低于设计一级马道高程；

　　（6）生产桥的桥墩不得侵占渠道过水断面；

　　（7）桥梁结构布置应充分利用防洪堤与地面的高差，适当抬高桥面高程，调整管理检修路的布置，使其满足立交布置的条件，便于总干渠封闭管理；

　　（8）渠底、渠底坡脚和维修管理道路范围内不得布置桥墩；

　　（9）桥面排水严禁进入总干渠，桥面外侧在跨渠处应设置隔离栅或防护网；

　　（10）桥上人行道面应比行车道面高40cm；

　　（11）桥梁基础尽量采用桩基础。

　　3.1.2生产桥桥型选择

　　3.1.2.1 深挖方渠道桥型选择

　　（1）跨度40m以下可采用的普通桥梁结构有简支梁和简支梁拱组合结构，跨度40m以上可采用的普通桥梁结构有简支梁拱组合结构。由于生产桥桥面较窄，下部结构采用柱式墩台。生产桥开工时，大部分桥位处渠道已经成型，如果进行基础开挖会破坏渠道，因此设计为桩基础为宜。

　　（2）经方案比选，连续箱梁比简支T梁投资要高。考虑目前南水北调工程的特殊性，生产桥桥面比较窄，一座桥T梁片数较少，桥型相同的每座桥之间距离较远，T梁吊装困难；且目前工期紧张，T梁模板重复利用率低，形不成规模效应。

　　（3）连续箱梁采用满堂支架现浇施工方法，施工难度小，造型美观，耐久性好，且相同跨径连续箱梁梁高低于简支梁，利于结构布置。因此深挖方断面设计采用等截面预应力连续箱梁方案。

　　3.1.2.2 小填方渠道桥型选择

　　对于一些小填方渠道，渠道开口宽度小，堤顶比地面高出不多，可布置为一跨简支梁跨越。这种桥同样有两种结构形式可供选择，即预制预应力T梁和现浇预应力箱梁。由于预应力T梁片数较少，桥型相同的每座桥之间距离较远，运输和吊装困难，模板重复利用率低，施工难度大，不作为选择方案；箱梁采用满堂支架现浇施工方法，施工难度小，整体性好。因此这种渠道断面采用简支预应力箱梁方案。

　　3.1.2.3 半挖半填和全填方渠道桥型选择

　　京石段半挖半填断面和全填方断面占的比例较大，且生产桥初步设计阶段考虑桥墩不得布置在填方渠道有效设计断面内，须跨越总干渠，因此对于大部分半挖半填和全填方断面布置的跨度较大，多数桥跨度均超过50m。这样简支梁桥已不能满足要求，且简支梁较高，桥面抬高多，给两岸居民生产带来不便。因此，初步设计采用下承式系杆拱桥。

　　下承式系杆拱桥对渠道影响小，可以一跨跨越防洪堤，梁高小，可以有效降低桥面高程，造型美观。但是这种桥型存在以下几个问题:

　　（1）造价高。85m跨系杆拱桥平米总投资7414元，55m跨系杆拱桥平米总投资5661元，远高于一般梁桥。

　　（2）施工工艺复杂，施工难度大。系杆拱桥起拱高度高，拱肋断面顶、底板、腹板较薄，浇筑难度大，施工过程中要及时观测，需要有经验的专业施工队伍才能完成。

　　（3）耐久性差，维护困难。系杆拱这种桥型多用于城市中，且拱肋多采用造价高，耐久性好的钢管混凝土，而南水北调生产桥采用的是钢筋混凝土拱肋，容易产生裂缝。吊杆约20a需要更换一次，更换难度大，费用高。

　　3.3 桥型方案设计优化

　　采用系杆拱桥的主要原因是渠道填方断面有效设计断面内不得布置桥墩致使跨度增大。桥墩布置在填方渠道渠堤有效断面主要与堤防规范相冲突。

　　专家认为，渠道不同于天然河道，渠道内没有洪水发生，水位稳定；渠道有混凝土板衬砌，还有3道防渗措施，比较稳定。因此堤防规范在此并不完全适用，在处理好防渗的情况下，渠坡可以布置桥墩。这样，桥梁跨度缩小到50m以内，可采用简支梁桥。为防止桥面抬高太多，一些马道检修路绕行堤外从桥下穿过，因此两边采用小边跨作为配跨。

　　设计投资如表1所示，主跨考虑了现浇箱梁和预制T梁进行方案比较。

表1 50m跨设计方案投资分析表

50m箱梁方案主跨采用50m简支箱梁桥，箱梁采用直腹板箱型断面，单箱单室布置。顶板宽5.5m，厚30cm，腹板由35cm渐变至25cm，底板由38cm渐变至20cm，箱梁两端设端横梁，厚1.5m，箱梁跨中设一道中横隔板，厚20cm。下部结构采用桩接盖梁，桩基直径1.4m，盖梁宽1.7m，高1.4m。计算软件采用桥梁博士V3.1和桥梁通7.55。计算结果满足国家相关规范的要求。

50mT梁方案主跨采用50m预应力T梁，分两片预制。单片梁高3.0m，梁宽2.75m，顶板厚25cm，腹板厚25cm，马蹄高30cm，宽54cm，横隔板厚20cm，梁端局部加厚段厚64cm，高1.0m。下部结构采用桩接盖梁，桩基直径1.4m，盖梁宽1.7m，高1.4m。计算软件采用桥梁博士V3.1和桥梁通7.55。计算结果满足国家相关规范的要求。

从表2看出，两方案投资基本相当，箱梁较为经济。

4 结语

（1）南水北调工程不但桥梁数量多，而且所处地区、桥梁标准、施工队伍水平都有一定的差异，情况复杂，因此，应本着因地制宜的原则选择桥型。

（2）根据典型桥梁设计经济指标分析，提出几个桥型布置原则公路Ⅱ级及公路Ⅰ级，在不影响干渠输水能力的前提下，宜尽量采取增长桥台的方法减小桥长，节省投资。汽车-10级桥梁宜选用施工简单、造价低的桥型，宜优先选用板梁结构。公路Ⅰ级桥梁建筑高度在10m以下的，应优先选用简支板梁结构的桥型，其具有造价低、大规模预制的工厂化生产条件、施工简便的优点；对高于10m的桥梁，应优先选用大跨度预应力混凝土简支梁结构，为造型美观，部分桥梁可选用中、上承式拱式桥。

经过改线修正桥方案与不改线修斜桥方案比较后得出结论：一般路渠中心线斜交角度在45°以上时，保持原路线方向修斜桥方案的投资少，公路线性通畅；路渠中心线斜交角度在45°以下时，修建斜桥难度较大，投资高，适当改线可降低工程投资，但增加了路线弯道。对深挖方渠段，可适当修建单孔大跨径拱桥，较3孔小跨度桥经济。

（3）典型设计同时进行了桥梁防冰、桥墩阻水及防腐抗冻问题的计算分析。关于桥梁防冰，经过计算，由风、水流作用引起的冰压力、温升引起的上拔力对桥梁稳定影响较小，不需进行特别防护，而由于流冰撞击问题，应按照规范要求进行设计，桥墩冻融问题应按照水工方面规范确定。关于桥墩阻水问题，建议尽量加大桥梁跨度，减少桥墩阻水面积。

（4）针对本渠段路渠交叉公路桥梁数量大、渠道断面具有相似性的特点，确定本次桥型设计方案比选的目的，即对于本渠段所有桥梁，寻求技术可行、总体经济节省、兼顾美观及社会效益极大化的总体最优方案，不进行单座桥梁方案比选。

（5）桥梁设计应采用标准跨径，力求做到结构标准化，以满足大规模预制的工厂化生产条件，优化施工工序，提高施工质量。

（6）根据本渠段设计断面浅、上口宽度小的特点，桥型设计应首选简支板梁结构，其具有结构简单、工程投资少、施工简便、适合大规模预制生产等优点。

（7）对局部挖深大、上口宽度较大、地质条件较好的桥位，适当考虑采用双曲拱、连续梁等结构型式。

（8）对三级及以上公路，当路渠交角大于等于45°时，宜保持原路线不变修建斜桥，当路渠交角小于45°时，宜适当改线修建45°或以上的斜桥。

（9）对四级及以下公路，为节省工程投资，全部修建为正桥。

（10）下部结构的设计应充分考虑“平地建桥”的优势，尽量采用桩柱式基础。

（11）根据生产道路的使用情况，对承担中心村对外主要交通任务、现状车流量较大、现状路面等级较高且距离公路桥桥位较远的生产道路，修建净宽4.5m生产桥，保证现状的对外交通功能。

（12）对具有承担村庄主要生产任务、且距离公路桥较远或难以修建连接路绕行的生产道路，修建净宽3.5m生产桥，保证现状的生产使用功能。

（13）对于距离公路桥相对较近，能通过修建连接路满足大型农业机械生产要求时，修建能通过小型农用车的净宽2.5m生产桥。

（14）连接路的布置应根据能过车的桥梁桥位综合考虑，对于连接高标准的路面，应适当提高连接路的建设标准。

参考文献：

［1］河北省水利水电设计研究院.南水北调中线京石段工程征迁安置方案优化研究［R］.2009.

［2］范立础.桥梁工程［M］. 北京：人民交通出版社，1996.

［3］项海帆.高等桥梁结构理论［M］. 北京：人民交通出版社，2001.

［作者简介］陈卫国（1971-），男（满族），河北青龙人，高级工程师，主要从事水利水电设计及管理工作。