3.4　主要建筑物型式選擇

3.4.1　出湖閘型式選擇

出湖閘位于斑鳩店鎮魏河村北東平湖玉斑堤上，對閘后穿過玉斑堤，做了兩種型式的比較。一種為開敞式渠槽，通過交通橋與玉斑堤相接;另一種為無壓涵洞穿過玉斑堤。

3.4.1.1　開敞式渠槽

開敞式渠槽具有施工簡單、檢修方便等優點，但存在以下缺點。

(1)東平湖為黃河蓄滯洪區，玉斑堤擔負著擋洪的任務，滯洪水位最高為44.80m，穿堤建筑物結構除滿足輸水要求外，還要滿足防洪的要求。金屬結構工程量較大，增加了啟閉難度。

(2)閘底板頂高程34.54m，玉斑堤頂高程47.30m，擋土墻高度接近13m，結構復雜，工程量較大。

(3)由于開敞渠槽切斷了玉斑堤交通，采用架設交通橋連接，額外的增加了建橋工程量。

(4)分期建設拆除工程量大，不利于工程的分期建設。

綜上所述，以開敞型式穿過玉斑堤工程量大，投資高，運行管理不方便，安全性差，不利于分期實施。

3.4.1.2　無壓涵洞

無壓涵洞主要缺點是施工難度大，檢修不方便。其優點為:

(1)金屬結構工程量小。

(2)投資省，運行管理方便，安全性高。

(3)有利于分期實施及減少擴建拆除工程量。

經兩種型式比較，出湖閘采用無壓涵洞型式。在湖內一側設閘，以控制輸水流量，同時擋東平湖洪水。

3.4.2　南岸行洪灘地方式選擇

3.4.2.1　穿越方式選擇

穿越黃河南岸行洪灘地的方式，選擇了明渠和埋管兩種方案進行比選。采用明渠方案，存在以下幾個問題。

(1)工程運行與黃河灘地行洪矛盾較大。

(2)占壓農田多，而當地人多地少，農田產量高，征地賠償難度大。

(3)渠道的建設勢必影響當地引黃壓淤造田工程的繼續實施，而且此線路穿越當地的道路及排灌體系，需架設橋梁和泵站解決交通與排灌問題。

(4)運行費用高，供水保證率低。

經綜合比較，為了避免與黃河灘地行洪、地方產生矛盾，以及有利于工程建設與管理，黃河子路堤至解山生產堤之間的黃河灘地采用埋管方案。

3.4.2.2　埋管型式選擇

對于埋管方案，進行了有壓和無壓兩種型式的比較。

無壓埋管斷面型式為(寬×高)6.5m×6.0m兩孔方涵，壁厚1.1m，中間隔墻厚1.2m，縱坡1/5000，進口底高程33.83m，出口底高程33.03m;有壓埋管采用內圓外城門洞，內徑7.5m，進口底高程28.80m，出口底高程27.30m。

無壓埋管和有壓埋管工程量及投資對比見表3-5。

無壓埋管進口水位為38.83m，需保留1.0m(20%)的凈空，則埋管頂高程為(38.83+1.0+1.1)40.93m，而灘地地面高程為40.00～43.00m。一部分埋管高于灘地地面1.0m左右，一部分埋深很淺，在黃河灘地上的建筑物，要求不能高于地面0.5m。

鑒于以上幾方面的考慮，灘地埋管選擇采用壓力埋管型式。

3.4.2.3　埋管斷面型式選擇

在選定以壓力埋管方式穿越黃河灘地的基礎上，對埋管的斷面型式又進行了兩種方案的技術比較。一種為內圓外城門洞，內徑7.5m，進口底高程28.80m;另一種為孔口5.2m×5.2m(寬×高)兩孔一聯的方涵，進口底高程30.50m。埋管斷面型式及尺寸見圖3-1。

黃河行洪灘地地面高程平均在41.50m左右，最高洪水位50.40m，對埋管的兩種斷面型式進行了比較:

(1)從地質條件分析看，內圓外城門洞型斷面開挖較深，所經過的砂層及地基液化層全部被挖除掉，不存在地基液化問題，可不進行地基處理。方涵由于底板高程抬高了1.9m，基礎大部分處于可液化層，須考慮對地基進行處理。

(2)土方開挖:內圓外城門洞型斷面平均挖深16m左右，方涵平均挖深13m左右，經比較，方涵比內圓外城門洞型土方開挖量少。

(3)兩種型式的混凝土量基本持平，而方涵的鋼筋用量多。

(4)內圓外城門洞型只需設置一孔7.5m×7.5m的檢修閘，而方涵需設置兩孔5.2×5.2m的檢修閘。

(5)兩孔方涵與一條直徑7.5m的隧洞相接，結構比較復雜，水流條件較差。

灘地埋管工程量及估列投資對比見表3-6。

經以上綜合比較，灘地埋管采用一孔內圓外城門洞型斷面。

3.4.3　穿黃隧洞布置與型式選擇

南水北調東線工程采用在黃河主河槽以下基巖中開挖隧洞的方式穿越黃河。本階段從北岸黃河大堤的安全、施工條件、水利條件等方面對隧洞的布置做進一步的比選。

3.4.3.1　南岸豎井與斜井方案選擇

南岸隧洞進行了豎井、20°斜井、45°斜井三種型式的方案比較，南岸豎井和斜井方案比較見圖3-2。

(1)南岸豎井方案。

1)豎井井位布置考慮三點因素:①盡可能縮短洞身長度;②避開已勘明的f4、f7斷層;③使豎井軸線處的基巖面較高，覆蓋層較薄。

經綜合比較，確定豎井軸線設在探洞終端處介于f4、f7斷層之間。

2)豎井方案優點:①從鉆孔資料分析解山側巖層接近于水平，巖石風化程度比位山側嚴重，斷層、裂隙較多，采用豎井井筒穿過風化的崮山組灰頁巖互層的高度約14m，且與巖層層面近于正交，對施工安全有利，井口處理相對容易;②豎井方案最大限度利用了探洞已有的阻水帷幕，井身的預注漿可在地面上進行，并可一次性完成，沒有重復工作量，預注漿工程量最小，鉆孔工藝簡單;③豎井采用先挖通導井，再進行擴挖的施工方法，所以豎井施工通風條件好，擴挖時可自由落渣，開挖速度快;④豎井井口明挖工程量小，地面注漿可穿插進行施工，導井開挖不占總工期，因此豎井方案比20°斜井方案可縮短3個月工期。

3)豎井方案的主要缺點是穿黃隧洞總長度最長，水利條件差。

(2)南岸20°斜井方案:

1)20°斜井方案的主要優點:穿黃隧洞總長度最短，水利條件好，水頭損失比豎井省0.09m。

2)20°斜井方案的缺點:①斜井井位需考慮斜井頂部巖層有一定厚度并盡可能設在基巖上。斜井下部起坡點在探洞終斷面以北約100余m處，有近100m的探洞及阻水帷幕，但不能利用;②在接近水平的巖層內開挖20°斜井，井身穿過崮山組灰頁巖互層的洞段長約45m，由于解山基巖面低，洞頂巖層厚度不足3倍洞徑的洞段長(約30m)，因此，洞身圍巖穩定性比豎井差，對施工安全不利。洞臉處理工程量大，20°斜井預注漿需分三段進行，預注漿工程量最大;③仰角開挖通風條件差;④在20°斜井斜坡上裝碴，需另設卷揚機通過轉向輪上坡，轉向輪還需隨洞身增加而移位、固定，不僅增加施工困難，也易發生危險;⑤本方案井口明挖量大，施工條件差，預注漿需分三次進行，因此，總工期比豎井方案增加約3個月。

(3)南岸45°斜井方案:

1)45°斜井方案的主要優點:在穿黃隧洞總長度、水利條件及洞身圍巖穩定性等方面，45°斜井方案均介于上述兩方案之間。

2)45°斜井方案的缺點:①在45°斜井工作面上進行鉆孔，灌漿十分困難，需分別在平洞和地面各進行一段鉆孔注漿，由于上下對打，鉆孔方向、角度不易控制，帷幕質量不易保證;②在45°斜坡上，尚不能自由落碴，需要采取落碴措施;③在45°仰坡上，施工人員上下、各種工序的進行都很困難。

(4)南岸豎井和斜井方案工程量對比見表3-7。

從表3-7可以看出，三個方案的工程量相差不多。在綜合考慮地質條件、施工條件和安全、總工期等方面因素，經分析比較，豎井方案比較合理。因此，穿黃隧洞南岸采用豎井方案。

3.4.3.2　過黃河平洞段的軸線選擇

過黃河平洞段的軸線高程，將通過探洞作為穿黃隧洞的施工下導洞和上導洞兩種方案進行比較來確定。

將探洞作為下導洞，則穿黃隧洞底高程將抬高為-27.40m左右，隧洞頂高程在-16.70m左右。此方案洞長較短，可充分利用現有的水倉水泵房。從該線的地質情況看，河床段基巖強風化下限約在高程5.00m左右，地質段基巖裂隙開度一般上大下小，隧洞軸線高程抬高后，洞頂以上的新鮮巖層厚度減為22m左右，約為開挖洞徑的兩倍，且探洞頂部加固的圍巖不能利用，施工安全性差;由于平洞軸線高程的抬高，隧洞距離黃河大堤的距離更近，對黃河大堤的安全帶來不利。因此，以探洞開挖頂作為穿黃河隧洞洞頂，確定穿黃隧洞平洞軸線的高程。穿黃隧洞平洞的南岸底板頂高程為-32.17m，按3‰底坡，推得北端底板頂高程為-33.09m。

3.4.3.3　北岸斜井

黃河北岸隧洞出口進行了豎井和20°斜井兩種方案的比較。

(1)北岸采用豎井方案，存在以下問題:

1)井下萬一發生突然涌水，施工人員及機械不能及時撤離。

2)施工棄碴需由吊籃吊出，施工出渣困難，降低了工作效率。

3)不能充分利用已有的探洞，地面及部分需重新進行預注漿施工。

(2)20°斜井方案具有如下特點:

1)分析穿黃探洞斜井開挖后的圍巖條件，除灰巖、頁巖互層中的頁巖大部分呈強風化外，其他巖石風化較輕，斷層裂隙較少，進洞條件好，具備開挖斜井的條件。

2)斜井洞線短，水利條件好，故北岸采用20°斜井方案，與南岸豎井呼應，可以彌補各自的不足。

3)考慮到不破壞探洞施工中已加固的洞頂，且保持崮山層圍巖的穩定，穿黃隧洞斜井段的中心線的確定，以探洞開挖的洞頂作為穿黃隧洞的洞頂。

2000年，位山穿黃探洞應急加固工程實施期間，已將探洞作為穿黃隧洞斜井和平洞段的上導洞，并完成了穿黃隧洞斷面的阻水帷幕。因此，穿黃隧洞的布置方案已無太多的選擇余地。

3.4.4　穿黃隧洞出口及穿引黃渠埋涵布置、型式選擇

穿黃隧洞出口布置選取了兩種型式進行了比較。

一種型式是:隧洞出口接出口閘，閘孔尺寸(寬×高)8.2m×8.2m，閘后接兩級消力池，再接穿引黃渠埋涵。該布置型式所接埋涵為無壓箱涵，孔口尺寸(寬×高)5.0m×5.2m，箱涵進口高程31.19m。

另一種型式是:隧洞出口做一連接段，由連接段接穿引黃渠埋涵，該布置型式埋涵為壓力埋涵，孔口尺寸(寬×高)5.0m×5.0m，埋涵進口高程29.0m，埋涵后接出口閘。

主要對以下幾個方面進行比較:

(1)為保證黃河大堤安全，每年黃河河務部門對黃河大堤險工段進行淤背加高。穿黃隧洞出口位于位山險工段，距離黃河大堤100多米，距離較遠，但出口處建閘和消力池將會對黃河大堤淤背加高產生影響，因此，做成地下連接段加蓋，就不再對淤背產生影響。

(2)從適應性方面考慮，無壓涵洞須保持一定的凈空，水位產生較大變幅對無壓涵洞很不利，并且無壓埋涵頂板接近引黃渠底，存在一定干擾;而壓力埋涵能夠適應水位的變化，而且對第二、第三期工程黃河以北輸水干線的建設亦非常有利。

(3)從地質條件來看，采用無壓涵洞布置時，存在地基液化問題，須進行基礎處理:壓力埋涵進口高程低于無壓埋涵進口2.19m，并且隨著高程的降低，僅有在引黃東西渠交界段及西渠處存在地基液化段需要處理。

(4)從工程量方面來看，無壓埋涵僅從混凝土工程量及開挖回填量比壓力埋涵有所節省。穿引黃渠無壓、有壓埋涵工程量對比見表3-8。

針對黃河大堤淤背、水位變幅、地基液化等問題，綜合分析比較，采用第二種型式即隧洞出口為連接段，后接壓力埋涵的方案。為了分別滿足對隧洞和穿引黃埋涵工程的有效控制及檢修，在隧洞出口和埋涵出口均進行了建閘控制。

3.4.5　穿黃樞紐段

南水北調東線工程過黃河的方式，先后進行了平交和立交兩種方式的比較。

平交方案北調江水直接進入黃河，再由黃河北岸引水北送，每年要處理1億多噸泥沙，沉沙問題成為魯北的沉重負擔，難以解決，不宜采用。

立交方案有渡槽方案和在黃河底下埋管或開挖隧洞兩種方案。采用在黃河上架設渡槽北送江水的立交方案，需在黃河南岸再增設一級揚程20m的泵站，造價高，運行費用大，同時需縮窄黃河河道過流寬度，不利于黃河行洪，不宜采用。因此，在黃河河床中埋管或在河床以下基巖中開挖隧洞，這種立交方式是可行的方案。

位山線隧洞方案不改變黃河現狀，不影響黃河行洪、排凌，運行管理方便，與黃河有關的總體規劃布局矛盾少;且該處黃河河床窄，基巖面較高，圍巖成洞條件好。1985年成功開挖的勘探試驗洞，證明了位山線河底開挖隧洞方案是可行的，為穿黃工程最終選定位山線隧洞方案提供了有力的依據。