姜唐湖蓄（行）洪區退水閘工程設計創新

丁 寧 韓福濤

（中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

姜唐湖蓄（行）洪區退水閘工程設計創新

丁 寧 韓福濤

（中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

姜唐湖蓄（行）洪區退水閘工程規模較大，總體布置復雜，施工難度大，在工程設計中采用了多項創新技術及國內先進技術，解決了復雜的工程設計及施工難題。本文通過對總體布置設計情況、設計難點及創新點的介紹和分析，闡述了姜唐湖蓄（行）洪區退水閘設計及施工過程中重點關注的問題，以及解決的主要技術難題，為其他類似蓄洪區水閘的設計提供借鑒。

姜唐湖 退水閘 設計 創新

1 工程概況

姜唐湖蓄（行）洪區退水閘工程是國務院批準的19項治淮骨干工程——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，為國家重點工程。該閘是姜唐聯圩工程的重要組成部分，具有擋洪、蓄洪、行洪、退洪及反向進洪的功能。工程建成后，可減少蓄洪區的進洪年份，增加正陽關以上河道7.6億m3的有效蓄洪庫容，對保證淮北大堤安全、降低正陽關的水位起到重要作用。

2 工程布置及主要建筑物設計

姜唐湖退水閘位于姜唐湖蓄（行）洪區下口門處，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爆破行洪口門附近。為避開沖坑影響并考慮水流、地形及地質條件，將建閘處局部堤防改線，有效減小原沖坑影響的同時，改善了行洪、退水及反向進洪的水流條件。退水閘布置在圈堤上游湖內側，閘軸線與圈堤中心線夾角54.4°。閘上游為姜唐湖蓄（行）洪區，下游為淮河灘地。姜唐湖退水閘由閘室、防滲排水設施、消能防沖設施及兩岸連接建筑物組成，其順水流方向總長250.0m，垂直水流方向總寬520.0m。由于水閘上下游水面開闊，為使水流平順過閘，在閘室上下游布置導流堤，其中下游左岸導流堤結合圈堤改線段布置。

退水閘共16孔，每孔凈寬10.0m，閘室采用鋼筋混凝土開敞式結構，分離式底板。閘室順水流方向長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，閘室兩側分設橋頭堡。工作閘門采用平面鋼閘門，卷揚式啟閉機啟閉，因閘室經常處于無水狀態，未設置檢修閘門。

閘室及岸墻采用鉆孔灌注樁基礎，大部分翼墻地基采用水泥土攪拌樁處理。在淮河側閘室底板齒槽下設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，確保工程的滲透穩定。

閘室兩側的岸墻采用鋼筋混凝土空箱式結構并兼作閘室邊墩，為兼顧雙向過洪的水流條件，上、下游翼墻均采用八字形與圓弧相結合的布置方式，其中首段八字形擴散角為9.46°，翼墻采用鋼筋混凝土空箱懸臂式結構。湖內側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、退洪及反向進洪的功能，因承受雙向水頭，因此在上下游側均設消能設施。在反向進洪情況下，湖內無水，消能工況惡劣，湖內側采用挖深式消力池，池長30.0m，池深3.0m，淮河側消力池長22.0m，池深1.0m。

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

3 設計創新及關鍵技術

3.1 總體布置

采用科學的選址及總體布置方案，成功解決了原行洪口門沖坑附近建設多功能蓄洪區水閘的設計難題。

姜唐湖退水閘總體布置要求為：①正向行洪及退洪時上游來流基本對稱，進出水流平順；②盡可能建于蓄洪區尾部地勢低洼處，以利于蓄洪區排澇及洪水后期退水；③反向進洪時對湖內的沖刷影響小，并不得對兩側的堤防及建筑物造成沖刷。為此，研究的重點在于退水閘的閘址位置、總體布局以及退水閘與堤防、原行洪口門沖坑之間的相對關系，這也是本工程能否安全運行、正常發揮工程效益的關鍵所在。

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

在最初的方案布置中，選擇避開沖坑建閘。比選了沖坑以北2.0km處和沖坑以南2.5km處兩個總體布置方案，這兩個方案的優點是遠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方案閘址位于整個蓄洪區的東北角，堤內外地面高程相對較高，不利于排洪退洪及汛后排澇。另外，模型試驗的結果表明，閘址位于行洪主流的側向，水閘運行時有橫向流速，水流條件不好。沖坑以南2.5km閘址方案距現有管家溝排澇站及防汛公路較近，防汛公路需局部改線，且行洪及反向進洪時水流會對排澇站產生沖刷。

鑒于以上兩個總體布置方案存在的問題，閘址位置選擇在下口門沖坑附近處，該方案的優點是退水閘布置在退水口門處，上游來流基本對稱，進出水流較平順，當反向進洪時，對湖內的沖刷影響較小，且該處堤內外地面高程相對較低，有利于排洪、退洪和湖地的排澇。缺點是距離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，為避開沖坑的影響，將閘軸線調整為與圈堤堤頂中心線夾角54.4°，水閘布置在圈堤上游（湖內側），不僅使主體工程避開大沖坑，而且閘軸線與上游來水方向正交，僅下游左岸導水堤部分位于沖坑邊。調整后水閘正對行洪區來流方向，利于行洪和反向進洪。模型試驗顯示，水閘運行時來流對稱，水流過閘平順，對兩側堤防和建筑物均無影響。

2007年淮河流域發生1954年以來最大洪水，為使姜唐湖蓄（行）洪區快速蓄水，同時啟用了退水閘與進洪閘進洪，退水閘進洪流量達到1000m3/s的設計流量，水閘過流平順，對兩側堤防及建筑物未造成影響，一個月后退水閘又提閘退水，期間工程運行正常，無異常情況發生，達到預期目的。

本工程的選址及總體布置成果可推廣至其他類似蓄洪區退水閘的總體布置設計中。

3.2 雙向消能防沖設計

通過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洪時蓄洪區無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洪時，閘上水位26.43m，閘下無水，開閘泄流24h要求達到設計流量1000m3/s，因閘下姜唐湖蓄（行）洪區庫容大，尾水上升緩慢，大流量小水深的運行時間長，且該閘地基土上部主要為淮河河漫灘第四系沖洪積土層，強度低，抗沖能力差。針對如此惡劣的消能工況，設計采用了以下消能防沖措施：①采用挖深式消力池消去能頭。設計消力池池深3.0m，長30.0m，對于本工程而言，由于反向進洪時蓄洪區無水，綜合式消力池在坎后易形成二次水躍，消能效果不理想，故設計采用挖深式消力池。②加強海漫的抗沖設計。為消除過閘水流余能和確保閘室安全，在湖內側消力池后布設長15.0m的混凝土海漫和長30.0m長的毛石混凝土海漫，海漫坡比為1∶20。③防沖槽與導流堤防沖槽結合布置。由于水流至海漫末端處水深小，流速大，并迅速向兩側擴散，閘下河床將會受沖刷，故在海漫尾端設深2.5m的拋石防沖槽和坡比1∶4的反坡段。為減小水流對導流堤的沖刷、有效擴散水流和節約導流堤投資，在導流堤坡腳處沿導流堤布置防沖槽，且與閘室的防沖槽連接成整體。

上述消能防沖措施經水工模型試驗表明，水躍發生在消力池內，池后不出現二次水躍，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洪時蓄洪區無水條件下泄水建筑物的消能防沖技術已通過2007年淮河流域特大洪水的考驗，工程運行正常，并在淮河流域其他行蓄洪區口門如邱家湖進（退）洪閘、南潤段進（退）洪閘中成功推廣運用，效果良好，改變了以往蓄洪區水閘啟用后下游受嚴重沖刷的情況。

3.3 防滲設計

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閘室底板與地基土脫開帶來的滲流問題。

本工程閘室及岸墻地基下的中粉質壤土、淤泥質重粉質壤土的強度均較低，地基承載力及地基沉降不能滿足要求，需進行地基處理。設計根據軟弱土層的深度、特性及水閘工程的運用特點，確定閘室及岸墻采用鉆孔灌注樁基礎。

以往的工程實例表明，灌注樁承臺（即閘底板）與地基相脫離的情況時有發生，施工期降水以及運用中水位變幅較大等均可能導致樁間土層變形并與底板脫開，后期灌漿處理困難。因此為防止樁基承臺與地基土脫開形成閘底板下滲徑短路，在閘底板下設厚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定。

2007年淮河流域發生特大洪水，退水閘在反向進洪前淮河側水位達26.4m，且擋洪時間超過一周，工程運行正常，無異常情況發生。

3.4 高擋土墻設計

通過湖內側翼墻墻后回填粉煤灰，大幅降低了墻后土壓力，減小了翼墻斷面結構尺寸，成功解決了土基上高擋土墻的設計難題。

為滿足反向進洪要求，湖內側需設置較深的消力池，導致翼墻高度較大。由于工程場區地基土較軟，為滿足地基承載力和抗滑穩定的要求，采用常規的設計勢必導致翼墻斷面尺寸較大。

針對這一情況，設計決定采用墻后回填粉煤灰的方案，粉煤灰濕容重為10kN/m3，經計算墻后回填的粉煤灰對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，因此湖內側翼墻采用了空箱懸臂式結構，從而減小了翼墻斷面結構尺寸，較好地解決了土基上高擋土墻的設計難題。該方案比采用常規空箱式擋土墻節省投資約180萬元，經濟效益明顯。

粉煤灰回填施工時及結束后持續對翼墻進行水平位移觀測，經測量，至翼墻墻后回填完成后5個月，總水平位移僅為7.5mm，說明粉煤灰對前墻產生的土壓力非常小，觀測結果印證了設計的可靠性。

3.5 冬季施工防裂研究

通過對閘室混凝土結構施工期的非穩定溫度場和應力場的三維仿真計算和溫度場計算的混凝土熱學參數的反演計算分析，提出多種相應的工程防裂措施，解決了泵送混凝土水閘冬季施工期防裂的難題。

水閘存在裂縫是個普遍的現象，產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，混凝土的變形超過了容許的極限變形所致。本工程主體結構閘墩和閘底板在寒冬季節施工，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題提出了更高要求。

姜唐湖退水閘結合以往工程實例，對泵送混凝土結構冬季施工的裂縫成因進行了深入的分析和研究，運用非穩定溫度和應力三維仿真計算程序對水閘混凝土結構進行了溫度場和應力場的仿真計算，并應用改進加速遺傳算法對溫度場計算的混凝土熱學參數進行了反演計算分析。針對以上混凝土結構的裂縫成因機理的理論分析，為有效減小混凝土早期內外溫差和溫升幅度，防止裂縫產生，提出表面保溫和內部冷卻相結合的溫控防裂方案，采用相應的具體工程防裂措施，如選用低熱水泥、選用四級配和三級配混凝土、閘墩和閘底板外設擋風設施封閉、閘墩周圍架設火爐保溫、采用竹膠模板、設置后澆帶和內部埋設冷卻水管等，并運用有限元計算程序對各種防裂措施進行了具體的對比計算分析，比較了采用和不采用這些工程措施的不同結果，為溫控防裂措施提供了科學依據。

通過上述綜合措施，有效控制了混凝土溫度應力裂縫的產生，經3年施工期的觀測，嚴寒季節施工的所有泵送混凝土閘墩和閘底板都沒有開裂。以上研究成果及工程實踐，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 結語

姜唐湖蓄（行）洪區退水閘設計通過采用科學的選址和總體布置方案、合理的消能防沖布置、三維仿真計算、新材料和填筑方法，成功解決了退水閘設計、施工中一系列復雜技術問題，取得了良好的社會經濟效益。工程于2007年投入運行，2007年淮河發生特大洪水，退水閘反向進洪流量達到1000m3/s的設計流量，工程運行正常，未發生任何險情，經受了洪水的考驗，發揮了巨大的防洪減災效益。目前工程運行情況正常■