姜唐湖蓄（行）洪區(qū)退水閘工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新

丁 寧 韓福濤

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

姜唐湖蓄（行）洪區(qū)退水閘工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新

丁 寧 韓福濤

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

姜唐湖蓄（行）洪區(qū)退水閘工程規(guī)模較大，總體布置復(fù)雜，施工難度大，在工程設(shè)計(jì)中采用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)及國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，解決了復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)及施工難題。本文通過(guò)對(duì)總體布置設(shè)計(jì)情況、設(shè)計(jì)難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)的介紹和分析，闡述了姜唐湖蓄（行）洪區(qū)退水閘設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，以及解決的主要技術(shù)難題，為其他類(lèi)似蓄洪區(qū)水閘的設(shè)計(jì)提供借鑒。

姜唐湖 退水閘 設(shè)計(jì) 創(chuàng)新

1 工程概況

姜唐湖蓄（行）洪區(qū)退水閘工程是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的19項(xiàng)治淮骨干工程——淮河干流上中游河道整治及堤防加固工程的重要組成部分，為國(guó)家重點(diǎn)工程。該閘是姜唐聯(lián)圩工程的重要組成部分，具有擋洪、蓄洪、行洪、退洪及反向進(jìn)洪的功能。工程建成后，可減少蓄洪區(qū)的進(jìn)洪年份，增加正陽(yáng)關(guān)以上河道7.6億m3的有效蓄洪庫(kù)容，對(duì)保證淮北大堤安全、降低正陽(yáng)關(guān)的水位起到重要作用。

2 工程布置及主要建筑物設(shè)計(jì)

姜唐湖退水閘位于姜唐湖蓄（行）洪區(qū)下口門(mén)處，潁河與淠河入淮河河口之間的淮河左岸，2003年汛期唐垛湖行洪區(qū)爆破行洪口門(mén)附近。為避開(kāi)沖坑影響并考慮水流、地形及地質(zhì)條件，將建閘處局部堤防改線，有效減小原沖坑影響的同時(shí)，改善了行洪、退水及反向進(jìn)洪的水流條件。退水閘布置在圈堤上游湖內(nèi)側(cè)，閘軸線與圈堤中心線夾角54.4°。閘上游為姜唐湖蓄（行）洪區(qū)，下游為淮河灘地。姜唐湖退水閘由閘室、防滲排水設(shè)施、消能防沖設(shè)施及兩岸連接建筑物組成，其順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)250.0m，垂直水流方向總寬520.0m。由于水閘上下游水面開(kāi)闊，為使水流平順過(guò)閘，在閘室上下游布置導(dǎo)流堤，其中下游左岸導(dǎo)流堤結(jié)合圈堤改線段布置。

退水閘共16孔，每孔凈寬10.0m，閘室采用鋼筋混凝土開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，分離式底板。閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)19.0m，底板頂高程19.0m，大底板厚1.5m，寬5.3m，小底板厚1.0m，寬5.96m，閘墩頂高程28.025m，中墩厚1.30m。閘室頂部布置公路橋、工作橋和人行便橋，閘室兩側(cè)分設(shè)橋頭堡。工作閘門(mén)采用平面鋼閘門(mén)，卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，因閘室經(jīng)常處于無(wú)水狀態(tài)，未設(shè)置檢修閘門(mén)。

閘室及岸墻采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，大部分翼墻地基采用水泥土攪拌樁處理。在淮河側(cè)閘室底板齒槽下設(shè)水泥土攪拌樁截滲墻防滲，以防閘底板脫空造成的滲徑短路，確保工程的滲透穩(wěn)定。

閘室兩側(cè)的岸墻采用鋼筋混凝土空箱式結(jié)構(gòu)并兼作閘室邊墩，為兼顧雙向過(guò)洪的水流條件，上、下游翼墻均采用八字形與圓弧相結(jié)合的布置方式，其中首段八字形擴(kuò)散角為9.46°，翼墻采用鋼筋混凝土空箱懸臂式結(jié)構(gòu)。湖內(nèi)側(cè)翼墻墻后采用粉煤灰回填，其余岸翼墻墻后采用壤土回填。

姜唐湖退水閘具有擋洪、蓄洪、行洪、退洪及反向進(jìn)洪的功能，因承受雙向水頭，因此在上下游側(cè)均設(shè)消能設(shè)施。在反向進(jìn)洪情況下，湖內(nèi)無(wú)水，消能工況惡劣，湖內(nèi)側(cè)采用挖深式消力池，池長(zhǎng)30.0m，池深3.0m，淮河側(cè)消力池長(zhǎng)22.0m，池深1.0m。

上游導(dǎo)流堤以半徑102.5m的圓弧與兩岸翼墻相接。下游左岸導(dǎo)流堤以半徑380.3m的圓弧與翼墻相接，該段導(dǎo)流堤同時(shí)為圈堤改線段，連接閘上公路橋與原有圈堤。下游右岸導(dǎo)水堤以半徑76.76m的圓弧與翼墻相接，其末端通過(guò)圓弧及橢圓與蓄洪堤平順相接，形成一個(gè)面積約20000m2的平臺(tái)。

3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體布置

采用科學(xué)的選址及總體布置方案，成功解決了原行洪口門(mén)沖坑附近建設(shè)多功能蓄洪區(qū)水閘的設(shè)計(jì)難題。

姜唐湖退水閘總體布置要求為：①正向行洪及退洪時(shí)上游來(lái)流基本對(duì)稱(chēng)，進(jìn)出水流平順；②盡可能建于蓄洪區(qū)尾部地勢(shì)低洼處，以利于蓄洪區(qū)排澇及洪水后期退水；③反向進(jìn)洪時(shí)對(duì)湖內(nèi)的沖刷影響小，并不得對(duì)兩側(cè)的堤防及建筑物造成沖刷。為此，研究的重點(diǎn)在于退水閘的閘址位置、總體布局以及退水閘與堤防、原行洪口門(mén)沖坑之間的相對(duì)關(guān)系，這也是本工程能否安全運(yùn)行、正常發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵所在。

姜唐湖蓄（行）洪區(qū)下口門(mén)處地形復(fù)雜。2003年汛期，淮河發(fā)生特大洪水，唐垛湖行洪區(qū)炸堤行洪，堤防被炸出長(zhǎng)約300m的行洪口門(mén)，并形成大小不等的兩個(gè)沖坑，沖坑最深處距地面達(dá)19m左右。且下口門(mén)處堤防軸線與行洪方向成45°斜交，亦對(duì)退水閘的總體布置不利。

在最初的方案布置中，選擇避開(kāi)沖坑建閘。比選了沖坑以北2.0km處和沖坑以南2.5km處兩個(gè)總體布置方案，這兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是遠(yuǎn)離沖坑且堤防軸線與行洪水流方向基本垂直，便于閘室布置。但沖坑以北2.0km方案閘址位于整個(gè)蓄洪區(qū)的東北角，堤內(nèi)外地面高程相對(duì)較高，不利于排洪退洪及汛后排澇。另外，模型試驗(yàn)的結(jié)果表明，閘址位于行洪主流的側(cè)向，水閘運(yùn)行時(shí)有橫向流速，水流條件不好。沖坑以南2.5km閘址方案距現(xiàn)有管家溝排澇站及防汛公路較近，防汛公路需局部改線，且行洪及反向進(jìn)洪時(shí)水流會(huì)對(duì)排澇站產(chǎn)生沖刷。

鑒于以上兩個(gè)總體布置方案存在的問(wèn)題，閘址位置選擇在下口門(mén)沖坑附近處，該方案的優(yōu)點(diǎn)是退水閘布置在退水口門(mén)處，上游來(lái)流基本對(duì)稱(chēng)，進(jìn)出水流較平順，當(dāng)反向進(jìn)洪時(shí)，對(duì)湖內(nèi)的沖刷影響較小，且該處堤內(nèi)外地面高程相對(duì)較低，有利于排洪、退洪和湖地的排澇。缺點(diǎn)是距離2003年行洪沖坑較近，為此將閘室、岸翼墻等主體工程布置在沖坑以北，為避開(kāi)沖坑的影響，將閘軸線調(diào)整為與圈堤堤頂中心線夾角54.4°，水閘布置在圈堤上游（湖內(nèi)側(cè)），不僅使主體工程避開(kāi)大沖坑，而且閘軸線與上游來(lái)水方向正交，僅下游左岸導(dǎo)水堤部分位于沖坑邊。調(diào)整后水閘正對(duì)行洪區(qū)來(lái)流方向，利于行洪和反向進(jìn)洪。模型試驗(yàn)顯示，水閘運(yùn)行時(shí)來(lái)流對(duì)稱(chēng)，水流過(guò)閘平順，對(duì)兩側(cè)堤防和建筑物均無(wú)影響。

2007年淮河流域發(fā)生1954年以來(lái)最大洪水，為使姜唐湖蓄（行）洪區(qū)快速蓄水，同時(shí)啟用了退水閘與進(jìn)洪閘進(jìn)洪，退水閘進(jìn)洪流量達(dá)到1000m3/s的設(shè)計(jì)流量，水閘過(guò)流平順，對(duì)兩側(cè)堤防及建筑物未造成影響，一個(gè)月后退水閘又提閘退水，期間工程運(yùn)行正常，無(wú)異常情況發(fā)生，達(dá)到預(yù)期目的。

本工程的選址及總體布置成果可推廣至其他類(lèi)似蓄洪區(qū)退水閘的總體布置設(shè)計(jì)中。

3.2 雙向消能防沖設(shè)計(jì)

通過(guò)合理的消能防沖布置，成功解決了雙向消能防沖尤其是反向進(jìn)洪時(shí)蓄洪區(qū)無(wú)水條件下泄水建筑物的消能防沖難題。

姜唐湖退水閘反向進(jìn)洪時(shí)，閘上水位26.43m，閘下無(wú)水，開(kāi)閘泄流24h要求達(dá)到設(shè)計(jì)流量1000m3/s，因閘下姜唐湖蓄（行）洪區(qū)庫(kù)容大，尾水上升緩慢，大流量小水深的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，且該閘地基土上部主要為淮河河漫灘第四系沖洪積土層，強(qiáng)度低，抗沖能力差。針對(duì)如此惡劣的消能工況，設(shè)計(jì)采用了以下消能防沖措施：①采用挖深式消力池消去能頭。設(shè)計(jì)消力池池深3.0m，長(zhǎng)30.0m，對(duì)于本工程而言，由于反向進(jìn)洪時(shí)蓄洪區(qū)無(wú)水，綜合式消力池在坎后易形成二次水躍，消能效果不理想，故設(shè)計(jì)采用挖深式消力池。②加強(qiáng)海漫的抗沖設(shè)計(jì)。為消除過(guò)閘水流余能和確保閘室安全，在湖內(nèi)側(cè)消力池后布設(shè)長(zhǎng)15.0m的混凝土海漫和長(zhǎng)30.0m長(zhǎng)的毛石混凝土海漫，海漫坡比為1∶20。③防沖槽與導(dǎo)流堤防沖槽結(jié)合布置。由于水流至海漫末端處水深小，流速大，并迅速向兩側(cè)擴(kuò)散，閘下河床將會(huì)受沖刷，故在海漫尾端設(shè)深2.5m的拋石防沖槽和坡比1∶4的反坡段。為減小水流對(duì)導(dǎo)流堤的沖刷、有效擴(kuò)散水流和節(jié)約導(dǎo)流堤投資，在導(dǎo)流堤坡腳處沿導(dǎo)流堤布置防沖槽，且與閘室的防沖槽連接成整體。

上述消能防沖措施經(jīng)水工模型試驗(yàn)表明，水躍發(fā)生在消力池內(nèi)，池后不出現(xiàn)二次水躍，消力池消去能量90%左右，消能效果良好。防沖槽末端部位最大垂線平均流速均小于其相應(yīng)河床不沖流速。

本工程所采用的雙向消能防沖尤其是反向進(jìn)洪時(shí)蓄洪區(qū)無(wú)水條件下泄水建筑物的消能防沖技術(shù)已通過(guò)2007年淮河流域特大洪水的考驗(yàn)，工程運(yùn)行正常，并在淮河流域其他行蓄洪區(qū)口門(mén)如邱家湖進(jìn)（退）洪閘、南潤(rùn)段進(jìn)（退）洪閘中成功推廣運(yùn)用，效果良好，改變了以往蓄洪區(qū)水閘啟用后下游受?chē)?yán)重沖刷的情況。

3.3 防滲設(shè)計(jì)

采用水泥土攪拌樁截滲墻防滲，成功解決了高水頭作用下灌注樁基礎(chǔ)閘室底板與地基土脫開(kāi)帶來(lái)的滲流問(wèn)題。

本工程閘室及岸墻地基下的中粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土的強(qiáng)度均較低，地基承載力及地基沉降不能滿足要求，需進(jìn)行地基處理。設(shè)計(jì)根據(jù)軟弱土層的深度、特性及水閘工程的運(yùn)用特點(diǎn)，確定閘室及岸墻采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

以往的工程實(shí)例表明，灌注樁承臺(tái)（即閘底板）與地基相脫離的情況時(shí)有發(fā)生，施工期降水以及運(yùn)用中水位變幅較大等均可能導(dǎo)致樁間土層變形并與底板脫開(kāi)，后期灌漿處理困難。因此為防止樁基承臺(tái)與地基土脫開(kāi)形成閘底板下滲徑短路，在閘底板下設(shè)厚0.2m的水泥土攪拌樁防滲墻，防滲墻樁頂與閘底板采用可靠的柔性連接方式，以確保閘基的滲透穩(wěn)定。

2007年淮河流域發(fā)生特大洪水，退水閘在反向進(jìn)洪前淮河側(cè)水位達(dá)26.4m，且擋洪時(shí)間超過(guò)一周，工程運(yùn)行正常，無(wú)異常情況發(fā)生。

3.4 高擋土墻設(shè)計(jì)

通過(guò)湖內(nèi)側(cè)翼墻墻后回填粉煤灰，大幅降低了墻后土壓力，減小了翼墻斷面結(jié)構(gòu)尺寸，成功解決了土基上高擋土墻的設(shè)計(jì)難題。

為滿足反向進(jìn)洪要求，湖內(nèi)側(cè)需設(shè)置較深的消力池，導(dǎo)致翼墻高度較大。由于工程場(chǎng)區(qū)地基土較軟，為滿足地基承載力和抗滑穩(wěn)定的要求，采用常規(guī)的設(shè)計(jì)勢(shì)必導(dǎo)致翼墻斷面尺寸較大。

針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)決定采用墻后回填粉煤灰的方案，粉煤灰濕容重為10kN/m3，經(jīng)計(jì)算墻后回填的粉煤灰對(duì)前墻的土壓力僅為回填土的一半左右，大大降低了墻后土壓力，因此湖內(nèi)側(cè)翼墻采用了空箱懸臂式結(jié)構(gòu)，從而減小了翼墻斷面結(jié)構(gòu)尺寸，較好地解決了土基上高擋土墻的設(shè)計(jì)難題。該方案比采用常規(guī)空箱式擋土墻節(jié)省投資約180萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

粉煤灰回填施工時(shí)及結(jié)束后持續(xù)對(duì)翼墻進(jìn)行水平位移觀測(cè)，經(jīng)測(cè)量，至翼墻墻后回填完成后5個(gè)月，總水平位移僅為7.5mm，說(shuō)明粉煤灰對(duì)前墻產(chǎn)生的土壓力非常小，觀測(cè)結(jié)果印證了設(shè)計(jì)的可靠性。

3.5 冬季施工防裂研究

通過(guò)對(duì)閘室混凝土結(jié)構(gòu)施工期的非穩(wěn)定溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的三維仿真計(jì)算和溫度場(chǎng)計(jì)算的混凝土熱學(xué)參數(shù)的反演計(jì)算分析，提出多種相應(yīng)的工程防裂措施，解決了泵送混凝土水閘冬季施工期防裂的難題。

水閘存在裂縫是個(gè)普遍的現(xiàn)象，產(chǎn)生這些裂縫的主要原因是混凝土的溫度變形、干縮變形等受到自身和外部的約束，混凝土的變形超過(guò)了容許的極限變形所致。本工程主體結(jié)構(gòu)閘墩和閘底板在寒冬季節(jié)施工，為提高施工效率，選擇了泵送混凝土，這為大體積混凝土施工期防裂問(wèn)題提出了更高要求。

姜唐湖退水閘結(jié)合以往工程實(shí)例，對(duì)泵送混凝土結(jié)構(gòu)冬季施工的裂縫成因進(jìn)行了深入的分析和研究，運(yùn)用非穩(wěn)定溫度和應(yīng)力三維仿真計(jì)算程序?qū)λl混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真計(jì)算，并應(yīng)用改進(jìn)加速遺傳算法對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算的混凝土熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演計(jì)算分析。針對(duì)以上混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫成因機(jī)理的理論分析，為有效減小混凝土早期內(nèi)外溫差和溫升幅度，防止裂縫產(chǎn)生，提出表面保溫和內(nèi)部冷卻相結(jié)合的溫控防裂方案，采用相應(yīng)的具體工程防裂措施，如選用低熱水泥、選用四級(jí)配和三級(jí)配混凝土、閘墩和閘底板外設(shè)擋風(fēng)設(shè)施封閉、閘墩周?chē)茉O(shè)火爐保溫、采用竹膠模板、設(shè)置后澆帶和內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管等，并運(yùn)用有限元計(jì)算程序?qū)Ω鞣N防裂措施進(jìn)行了具體的對(duì)比計(jì)算分析，比較了采用和不采用這些工程措施的不同結(jié)果，為溫控防裂措施提供了科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)上述綜合措施，有效控制了混凝土溫度應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生，經(jīng)3年施工期的觀測(cè)，嚴(yán)寒季節(jié)施工的所有泵送混凝土閘墩和閘底板都沒(méi)有開(kāi)裂。以上研究成果及工程實(shí)踐，解決了泵送混凝土水閘冬季施工期防裂的難題，并可推廣至其他工程。

4 結(jié)語(yǔ)

姜唐湖蓄（行）洪區(qū)退水閘設(shè)計(jì)通過(guò)采用科學(xué)的選址和總體布置方案、合理的消能防沖布置、三維仿真計(jì)算、新材料和填筑方法，成功解決了退水閘設(shè)計(jì)、施工中一系列復(fù)雜技術(shù)問(wèn)題，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。工程于2007年投入運(yùn)行，2007年淮河發(fā)生特大洪水，退水閘反向進(jìn)洪流量達(dá)到1000m3/s的設(shè)計(jì)流量，工程運(yùn)行正常，未發(fā)生任何險(xiǎn)情，經(jīng)受了洪水的考驗(yàn)，發(fā)揮了巨大的防洪減災(zāi)效益。目前工程運(yùn)行情況正常■