3.4　主要建筑物型式选择

3.4.1　出湖闸型式选择

出湖闸位于斑鸠店镇魏河村北东平湖玉斑堤上，对闸后穿过玉斑堤，做了两种型式的比较。一种为开敞式渠槽，通过交通桥与玉斑堤相接;另一种为无压涵洞穿过玉斑堤。

3.4.1.1　开敞式渠槽

开敞式渠槽具有施工简单、检修方便等优点，但存在以下缺点。

(1)东平湖为黄河蓄滞洪区，玉斑堤担负着挡洪的任务，滞洪水位最高为44.80m，穿堤建筑物结构除满足输水要求外，还要满足防洪的要求。金属结构工程量较大，增加了启闭难度。

(2)闸底板顶高程34.54m，玉斑堤顶高程47.30m，挡土墙高度接近13m，结构复杂，工程量较大。

(3)由于开敞渠槽切断了玉斑堤交通，采用架设交通桥连接，额外的增加了建桥工程量。

(4)分期建设拆除工程量大，不利于工程的分期建设。

综上所述，以开敞型式穿过玉斑堤工程量大，投资高，运行管理不方便，安全性差，不利于分期实施。

3.4.1.2　无压涵洞

无压涵洞主要缺点是施工难度大，检修不方便。其优点为:

(1)金属结构工程量小。

(2)投资省，运行管理方便，安全性高。

(3)有利于分期实施及减少扩建拆除工程量。

经两种型式比较，出湖闸采用无压涵洞型式。在湖内一侧设闸，以控制输水流量，同时挡东平湖洪水。

3.4.2　南岸行洪滩地方式选择

3.4.2.1　穿越方式选择

穿越黄河南岸行洪滩地的方式，选择了明渠和埋管两种方案进行比选。采用明渠方案，存在以下几个问题。

(1)工程运行与黄河滩地行洪矛盾较大。

(2)占压农田多，而当地人多地少，农田产量高，征地赔偿难度大。

(3)渠道的建设势必影响当地引黄压淤造田工程的继续实施，而且此线路穿越当地的道路及排灌体系，需架设桥梁和泵站解决交通与排灌问题。

(4)运行费用高，供水保证率低。

经综合比较，为了避免与黄河滩地行洪、地方产生矛盾，以及有利于工程建设与管理，黄河子路堤至解山生产堤之间的黄河滩地采用埋管方案。

3.4.2.2　埋管型式选择

对于埋管方案，进行了有压和无压两种型式的比较。

无压埋管断面型式为(宽×高)6.5m×6.0m两孔方涵，壁厚1.1m，中间隔墙厚1.2m，纵坡1/5000，进口底高程33.83m，出口底高程33.03m;有压埋管采用内圆外城门洞，内径7.5m，进口底高程28.80m，出口底高程27.30m。

无压埋管和有压埋管工程量及投资对比见表3-5。

无压埋管进口水位为38.83m，需保留1.0m(20%)的净空，则埋管顶高程为(38.83+1.0+1.1)40.93m，而滩地地面高程为40.00～43.00m。一部分埋管高于滩地地面1.0m左右，一部分埋深很浅，在黄河滩地上的建筑物，要求不能高于地面0.5m。

鉴于以上几方面的考虑，滩地埋管选择采用压力埋管型式。

3.4.2.3　埋管断面型式选择

在选定以压力埋管方式穿越黄河滩地的基础上，对埋管的断面型式又进行了两种方案的技术比较。一种为内圆外城门洞，内径7.5m，进口底高程28.80m;另一种为孔口5.2m×5.2m(宽×高)两孔一联的方涵，进口底高程30.50m。埋管断面型式及尺寸见图3-1。

黄河行洪滩地地面高程平均在41.50m左右，最高洪水位50.40m，对埋管的两种断面型式进行了比较:

(1)从地质条件分析看，内圆外城门洞型断面开挖较深，所经过的砂层及地基液化层全部被挖除掉，不存在地基液化问题，可不进行地基处理。方涵由于底板高程抬高了1.9m，基础大部分处于可液化层，须考虑对地基进行处理。

(2)土方开挖:内圆外城门洞型断面平均挖深16m左右，方涵平均挖深13m左右，经比较，方涵比内圆外城门洞型土方开挖量少。

(3)两种型式的混凝土量基本持平，而方涵的钢筋用量多。

(4)内圆外城门洞型只需设置一孔7.5m×7.5m的检修闸，而方涵需设置两孔5.2×5.2m的检修闸。

(5)两孔方涵与一条直径7.5m的隧洞相接，结构比较复杂，水流条件较差。

滩地埋管工程量及估列投资对比见表3-6。

经以上综合比较，滩地埋管采用一孔内圆外城门洞型断面。

3.4.3　穿黄隧洞布置与型式选择

南水北调东线工程采用在黄河主河槽以下基岩中开挖隧洞的方式穿越黄河。本阶段从北岸黄河大堤的安全、施工条件、水利条件等方面对隧洞的布置做进一步的比选。

3.4.3.1　南岸竖井与斜井方案选择

南岸隧洞进行了竖井、20°斜井、45°斜井三种型式的方案比较，南岸竖井和斜井方案比较见图3-2。

(1)南岸竖井方案。

1)竖井井位布置考虑三点因素:①尽可能缩短洞身长度;②避开已勘明的f4、f7断层;③使竖井轴线处的基岩面较高，覆盖层较薄。

经综合比较，确定竖井轴线设在探洞终端处介于f4、f7断层之间。

2)竖井方案优点:①从钻孔资料分析解山侧岩层接近于水平，岩石风化程度比位山侧严重，断层、裂隙较多，采用竖井井筒穿过风化的崮山组灰页岩互层的高度约14m，且与岩层层面近于正交，对施工安全有利，井口处理相对容易;②竖井方案最大限度利用了探洞已有的阻水帷幕，井身的预注浆可在地面上进行，并可一次性完成，没有重复工作量，预注浆工程量最小，钻孔工艺简单;③竖井采用先挖通导井，再进行扩挖的施工方法，所以竖井施工通风条件好，扩挖时可自由落渣，开挖速度快;④竖井井口明挖工程量小，地面注浆可穿插进行施工，导井开挖不占总工期，因此竖井方案比20°斜井方案可缩短3个月工期。

3)竖井方案的主要缺点是穿黄隧洞总长度最长，水利条件差。

(2)南岸20°斜井方案:

1)20°斜井方案的主要优点:穿黄隧洞总长度最短，水利条件好，水头损失比竖井省0.09m。

2)20°斜井方案的缺点:①斜井井位需考虑斜井顶部岩层有一定厚度并尽可能设在基岩上。斜井下部起坡点在探洞终断面以北约100余m处，有近100m的探洞及阻水帷幕，但不能利用;②在接近水平的岩层内开挖20°斜井，井身穿过崮山组灰页岩互层的洞段长约45m，由于解山基岩面低，洞顶岩层厚度不足3倍洞径的洞段长(约30m)，因此，洞身围岩稳定性比竖井差，对施工安全不利。洞脸处理工程量大，20°斜井预注浆需分三段进行，预注浆工程量最大;③仰角开挖通风条件差;④在20°斜井斜坡上装碴，需另设卷扬机通过转向轮上坡，转向轮还需随洞身增加而移位、固定，不仅增加施工困难，也易发生危险;⑤本方案井口明挖量大，施工条件差，预注浆需分三次进行，因此，总工期比竖井方案增加约3个月。

(3)南岸45°斜井方案:

1)45°斜井方案的主要优点:在穿黄隧洞总长度、水利条件及洞身围岩稳定性等方面，45°斜井方案均介于上述两方案之间。

2)45°斜井方案的缺点:①在45°斜井工作面上进行钻孔，灌浆十分困难，需分别在平洞和地面各进行一段钻孔注浆，由于上下对打，钻孔方向、角度不易控制，帷幕质量不易保证;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，施工人员上下、各种工序的进行都很困难。

(4)南岸竖井和斜井方案工程量对比见表3-7。

从表3-7可以看出，三个方案的工程量相差不多。在综合考虑地质条件、施工条件和安全、总工期等方面因素，经分析比较，竖井方案比较合理。因此，穿黄隧洞南岸采用竖井方案。

3.4.3.2　过黄河平洞段的轴线选择

过黄河平洞段的轴线高程，将通过探洞作为穿黄隧洞的施工下导洞和上导洞两种方案进行比较来确定。

将探洞作为下导洞，则穿黄隧洞底高程将抬高为-27.40m左右，隧洞顶高程在-16.70m左右。此方案洞长较短，可充分利用现有的水仓水泵房。从该线的地质情况看，河床段基岩强风化下限约在高程5.00m左右，地质段基岩裂隙开度一般上大下小，隧洞轴线高程抬高后，洞顶以上的新鲜岩层厚度减为22m左右，约为开挖洞径的两倍，且探洞顶部加固的围岩不能利用，施工安全性差;由于平洞轴线高程的抬高，隧洞距离黄河大堤的距离更近，对黄河大堤的安全带来不利。因此，以探洞开挖顶作为穿黄河隧洞洞顶，确定穿黄隧洞平洞轴线的高程。穿黄隧洞平洞的南岸底板顶高程为-32.17m，按3‰底坡，推得北端底板顶高程为-33.09m。

3.4.3.3　北岸斜井

黄河北岸隧洞出口进行了竖井和20°斜井两种方案的比较。

(1)北岸采用竖井方案，存在以下问题:

1)井下万一发生突然涌水，施工人员及机械不能及时撤离。

2)施工弃碴需由吊篮吊出，施工出渣困难，降低了工作效率。

3)不能充分利用已有的探洞，地面及部分需重新进行预注浆施工。

(2)20°斜井方案具有如下特点:

1)分析穿黄探洞斜井开挖后的围岩条件，除灰岩、页岩互层中的页岩大部分呈强风化外，其他岩石风化较轻，断层裂隙较少，进洞条件好，具备开挖斜井的条件。

2)斜井洞线短，水利条件好，故北岸采用20°斜井方案，与南岸竖井呼应，可以弥补各自的不足。

3)考虑到不破坏探洞施工中已加固的洞顶，且保持崮山层围岩的稳定，穿黄隧洞斜井段的中心线的确定，以探洞开挖的洞顶作为穿黄隧洞的洞顶。

2000年，位山穿黄探洞应急加固工程实施期间，已将探洞作为穿黄隧洞斜井和平洞段的上导洞，并完成了穿黄隧洞断面的阻水帷幕。因此，穿黄隧洞的布置方案已无太多的选择余地。

3.4.4　穿黄隧洞出口及穿引黄渠埋涵布置、型式选择

穿黄隧洞出口布置选取了两种型式进行了比较。

一种型式是:隧洞出口接出口闸，闸孔尺寸(宽×高)8.2m×8.2m，闸后接两级消力池，再接穿引黄渠埋涵。该布置型式所接埋涵为无压箱涵，孔口尺寸(宽×高)5.0m×5.2m，箱涵进口高程31.19m。

另一种型式是:隧洞出口做一连接段，由连接段接穿引黄渠埋涵，该布置型式埋涵为压力埋涵，孔口尺寸(宽×高)5.0m×5.0m，埋涵进口高程29.0m，埋涵后接出口闸。

主要对以下几个方面进行比较:

(1)为保证黄河大堤安全，每年黄河河务部门对黄河大堤险工段进行淤背加高。穿黄隧洞出口位于位山险工段，距离黄河大堤100多米，距离较远，但出口处建闸和消力池将会对黄河大堤淤背加高产生影响，因此，做成地下连接段加盖，就不再对淤背产生影响。

(2)从适应性方面考虑，无压涵洞须保持一定的净空，水位产生较大变幅对无压涵洞很不利，并且无压埋涵顶板接近引黄渠底，存在一定干扰;而压力埋涵能够适应水位的变化，而且对第二、第三期工程黄河以北输水干线的建设亦非常有利。

(3)从地质条件来看，采用无压涵洞布置时，存在地基液化问题，须进行基础处理:压力埋涵进口高程低于无压埋涵进口2.19m，并且随着高程的降低，仅有在引黄东西渠交界段及西渠处存在地基液化段需要处理。

(4)从工程量方面来看，无压埋涵仅从混凝土工程量及开挖回填量比压力埋涵有所节省。穿引黄渠无压、有压埋涵工程量对比见表3-8。

针对黄河大堤淤背、水位变幅、地基液化等问题，综合分析比较，采用第二种型式即隧洞出口为连接段，后接压力埋涵的方案。为了分别满足对隧洞和穿引黄埋涵工程的有效控制及检修，在隧洞出口和埋涵出口均进行了建闸控制。

3.4.5　穿黄枢纽段

南水北调东线工程过黄河的方式，先后进行了平交和立交两种方式的比较。

平交方案北调江水直接进入黄河，再由黄河北岸引水北送，每年要处理1亿多吨泥沙，沉沙问题成为鲁北的沉重负担，难以解决，不宜采用。

立交方案有渡槽方案和在黄河底下埋管或开挖隧洞两种方案。采用在黄河上架设渡槽北送江水的立交方案，需在黄河南岸再增设一级扬程20m的泵站，造价高，运行费用大，同时需缩窄黄河河道过流宽度，不利于黄河行洪，不宜采用。因此，在黄河河床中埋管或在河床以下基岩中开挖隧洞，这种立交方式是可行的方案。

位山线隧洞方案不改变黄河现状，不影响黄河行洪、排凌，运行管理方便，与黄河有关的总体规划布局矛盾少;且该处黄河河床窄，基岩面较高，围岩成洞条件好。1985年成功开挖的勘探试验洞，证明了位山线河底开挖隧洞方案是可行的，为穿黄工程最终选定位山线隧洞方案提供了有力的依据。