臨淮崗洪水控制工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

楊 中

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，233001蚌埠）

臨淮崗洪水控制工程為淮河中游防洪控制關(guān)鍵骨干工程，當(dāng)淮河上中游遭遇50年一遇以上洪水時，臨淮崗工程的啟用可使淮河中下游防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到100年一遇，為京滬鐵路和京九鐵路、多條高速公路、煤礦、電廠、城市及1000多萬人口提供安全保障。該工程在淮河流域防洪保安、水資源利用及促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定發(fā)展方面的作用均非常重要，堪稱“治淮新豐碑”。

一、工程規(guī)模

臨淮崗工程工程規(guī)模為Ⅰ等大（1）型，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，相應(yīng)的壩上設(shè)計水位28.41 m，滯洪庫容85.6億m3，下泄流量7362m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，壩上校核水位29.49m，滯洪庫容121.3億m3，下泄流量17965m3/s。該工程是國家“十五”計劃重點(diǎn)項(xiàng)目和治淮十九項(xiàng)骨干工程之一，工程搬遷人口2.56萬人、永久性占地1270 m2，臨時性占地1130 hm2，工程靜態(tài)總投資22.7億元。

二、工程總體布置

臨淮崗洪水控制工程從右岸至左岸布置南副壩、臨淮崗船閘、城西湖船閘下閘首、12孔深孔閘、上下游引河、49孔淺孔閘、主壩、14孔姜唐湖進(jìn)洪閘以及北副壩等建筑物。

1.主壩

主壩位于霍邱縣和潁上縣境內(nèi)，全長8.55km，凈長7.02km，其中加固部分凈長3.90km，新建部分凈長3.12 km，其上由南向北依次布置有城西湖船閘及臨淮崗船閘兩座通航建筑物，深孔閘、淺孔閘及姜唐湖進(jìn)洪閘三座泄水建筑物。主壩壩型為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂高程31.60 m，最大壩高21.0 m，坡比 1∶2.5～1∶3.0，上、下游在 27.60 m高程各設(shè)2.0 m寬馬道；壩頂寬度10.0 m，上設(shè)1.2 m高混凝土防浪墻及7.6 m寬混凝土路面；上、下游坡面采用150 mm、220 mm及240 mm的開孔垂直聯(lián)鎖式混凝土預(yù)制塊護(hù)面。

2.副壩

副壩分為南、北副壩，采用碾壓式均質(zhì)土壩壩型，南副壩全長8.41 km，北副壩全長60.56 km，壩頂高程32.11～32.85 m， 壩頂寬度 6.0～8.0 m，壩頂設(shè)混凝土防汛道路，最大壩高分別為11.0 m及12.0 m。南、北副壩沿線共重建、新建、加固建筑物52座。

3.淺孔閘

49孔淺孔閘為臨淮崗工程的淺孔泄水建筑物，100年一遇設(shè)計洪水過流能力17827m3/s，加固后的閘底板頂高程為20.5m，閘墩為1.8m，閘孔孔徑為9.8m，開敞式閘室結(jié)構(gòu)，底板分縫，閘室總寬566.6m，設(shè)雙扉平面鋼閘門及QPZ×160kN-12.5m （兩臺） 啟閉機(jī)。

4.姜唐湖進(jìn)洪閘

姜唐湖進(jìn)洪閘布置在主壩姜唐湖段中部，設(shè)計進(jìn)洪流量2400m3/s。閘室采用兩孔一聯(lián)山字形開敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，整體式平底板，兩孔一聯(lián)，底板厚 2.0 m，頂高程 19.70 m，共14孔，每孔凈寬12.0m，中墩厚1.5 m，縫邊墩厚1.3 m。閘室頂部布置有人行便橋、啟閉機(jī)房、公路橋等，閘室兩側(cè)布置橋頭堡。工作閘門采用弧形鋼閘門，尺寸 12.0 m×7.92 m，弧門半徑10.0 m， 配 QHJ-2×225kN-12 m弧門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

5.深孔閘

深孔閘是臨淮崗工程的深孔泄水建筑物，連通臨淮崗上下游引河，承擔(dān)臨淮崗工程各種水位條件下的泄水與控制任務(wù)，灘槽以下河道來水主要由其下泄，設(shè)計平槽泄量1090m3/s。深孔閘共12孔，單孔凈寬8 m，順?biāo)飨蜷L度為17 m，閘底板高程14.90 m，胸墻式閘室結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土筏式底板，在閘室中部設(shè)橫隔梁。閘室左右側(cè)布置岸墻并兼作橋頭堡基礎(chǔ)，鋼筋混凝土空箱結(jié)構(gòu)，橋頭堡為4層框架結(jié)構(gòu)。深孔閘每孔設(shè)一扇平面鋼閘門，配QPQ-2×200kN卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

6.上、下游引河

引河開挖全長14.39 m，上引河長3.71 km，下引河長 10.68 km，上引河河底高程14.90 m，下引河河底高程14.90～14.10 m，底寬 160 m，河道比降0.7/10000，邊坡 1∶4。

7.臨淮崗船閘

按臨淮崗樞紐工程總體布置，在原深孔閘位置新建臨淮崗船閘，通航標(biāo)準(zhǔn)為500 t級，閘室尺寸為130 m×12 m×2.6 m（長×寬×門檻水深），上下閘首為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，筏式底板，兩側(cè)空箱邊墻。人字鋼閘門，短輸水廊道。

8.城西湖船閘

城西湖船閘為Ⅳ（4）級，100 t級，1967年由原臨淮崗船閘改建而成，參與主壩防洪，是溝通淮河與城西湖的航運(yùn)通道。加固改建保留了老閘室長度109 m，新建上閘首，改建下閘首。下閘首為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)空箱邊墻。改建需拆除部分老結(jié)構(gòu)，形成門墩，通航凈寬擴(kuò)大為8 m。主閘門為雙扉平面滑動直升式鋼閘門。

三、工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

1.工程總體布置

臨淮崗工程主河道內(nèi)建筑物相對集中，是工程總體布置的難點(diǎn)與核心。臨淮崗主壩上下游河道寬約2.5 km，在20世紀(jì)60年代按臨淮崗水庫的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)開工建設(shè)了涵洞式深孔閘、49孔淺孔閘、船閘、引河及主壩等，河道寬度大，建筑物數(shù)量多，總體布置既要考慮各建筑物彼此協(xié)調(diào)與相互影響，又需考慮老建筑物的利用方式，其復(fù)雜程度屬國內(nèi)寬闊平原河道之最。經(jīng)過水工模型試驗(yàn)論證及多方案比選，優(yōu)化了總體布置。新建了深孔閘、船閘，拆除老深孔閘，保留了老船閘原有使用功能，調(diào)整了引河河線。優(yōu)化布置，取得了良好的工程效果：

①老涵洞式深孔閘出流阻水嚴(yán)重，導(dǎo)致水流偏向左側(cè)，產(chǎn)生橫向流，閘前壅水，出現(xiàn)大范圍回流區(qū)，過流落差增大，影響泄流。優(yōu)化布置改變了深孔閘布置形式，消除了上游壅水及橫向流現(xiàn)象，水流條件大大改善。

②引河河線順直，水流平順，降低了壩前淤積與壩后沖刷的風(fēng)險，改善了航道條件。

③在深、淺孔閘之間及深孔閘與船閘上引航道之間分別設(shè)分流島，消除了深、淺孔閘之間回流區(qū)，并保證了上游引航道水流平順。

④保留了老船閘原有使用功能，方便了城西湖對外航運(yùn)。

“臨淮崗洪水控制工程總體布置研究”獲得 2006年度“安徽省科學(xué)技術(shù)一等獎”，根據(jù)研究成果優(yōu)化主河道內(nèi)建筑物布置，節(jié)省工程投資約1900萬元。

2.無繩索開孔垂直聯(lián)鎖混凝土砌塊新技術(shù)

主壩在設(shè)計和校核工況時，上、下游水域開闊（吹程8～21 km不等），因此主壩上、下游壩坡均需采取防護(hù)措施。主壩護(hù)坡量大面廣，壩基下有軟弱下臥層，壩體沉降量較大，不宜采用混凝土護(hù)坡。如若采用砌石護(hù)坡，單塊砌石重量不小于60 kg，塊石總量約需11萬m3，工程護(hù)砌量大、工期緊，而且料石采購困難、施工難度很大、質(zhì)量難以控制。如若采用普通的實(shí)體混凝土砌塊，砌塊厚達(dá)35 cm，單塊重量100 kg以上，砌塊制作及人工鋪砌施工均有一定的難度，工程投資也較大。

將單個護(hù)坡砌塊連接成整體，可以大大提高砌塊護(hù)坡的抗風(fēng)浪效果，減薄護(hù)坡厚度，節(jié)省工程投資。根據(jù)調(diào)研，國外人力資源成本較高，砌塊鋪砌一般采用機(jī)械化施工，因此國外砌塊護(hù)坡的連接一般是采用砌塊側(cè)面開孔，通過纜繩將一組砌塊連接在一起，在施工前裝配，通過機(jī)械吊裝施工。國內(nèi)勞動力成本較低，加之尚未開發(fā)出高效的砌塊護(hù)坡施工機(jī)械，因此設(shè)計適用人力施工的開孔垂直聯(lián)鎖砌塊，減小護(hù)砌厚度，節(jié)約工程成本是可行的。

為解決長吹程、高風(fēng)浪條件下主壩護(hù)坡存在的上述難題，設(shè)計大膽采用開孔垂直聯(lián)鎖砌塊這一先進(jìn)的技術(shù)，通過定量研究砌塊開孔和垂直聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的抗波浪作用效果，并比較不同開孔率、不同咬合方式及咬合深度對砌塊穩(wěn)定性的影響，確定了砌塊的開孔率、聯(lián)鎖榫長和塊體的厚度。最終試驗(yàn)研究證明，特別設(shè)計的開孔，有利減小波浪作用產(chǎn)生的浮托力，相同波要素條件下，可減小護(hù)砌厚度；垂直聯(lián)鎖設(shè)計可實(shí)現(xiàn)砌塊間的相互咬合，增強(qiáng)整體性，提高抗波浪作用效果；在相同壩坡和波要素條件下，開孔和垂直聯(lián)鎖兩種措施較水平聯(lián)鎖砌塊可減少30%～50%護(hù)砌厚度。據(jù)統(tǒng)計，臨淮崗主壩采用開孔垂直聯(lián)鎖砌塊可節(jié)約混凝土3萬m3左右，節(jié)省工程投資約1000萬元。

臨淮崗主壩開孔垂直聯(lián)鎖混凝土砌塊護(hù)坡技術(shù)參數(shù)如下：①砌塊尺寸：平面尺寸40～50 cm，單體重量50～70 kg；②開孔孔徑：砌塊開孔孔徑15 mm；③開孔率：砌塊開孔率7.5%；④聯(lián)鎖榫長：聯(lián)鎖榫長3～4 cm；⑤強(qiáng)度、密度：強(qiáng)度等級不小于C20，密度不小于2.20 g/cm3。

開孔垂直聯(lián)鎖砌塊技術(shù)已通過水利部國際合作與科技司組織的鑒定，鑒定結(jié)論為達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

臨淮崗主壩首次將開孔垂直聯(lián)鎖砌塊成功應(yīng)用于水利護(hù)坡工程中，并解決了設(shè)計過程中一系列的技術(shù)難題，為該砌塊的推廣應(yīng)用開了先河。該成果獲得2005年度大禹水利科學(xué)技術(shù)獎三等獎及2005年度淮委科技進(jìn)步獎特等獎，被水利部列為重點(diǎn)科技推廣項(xiàng)目。

3.薄層混凝土溫控防裂技術(shù)

在設(shè)計過程中，針對49孔淺孔閘加固改造工程施工期混凝土溫控防裂的難題，通過研究墩墻結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力分布狀況，對墩墻結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，正確及時地提出避免類似結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的工程措施 （采用減小鋼筋直徑和間距的配筋方式、常態(tài)混凝土、改善混凝土配合比、澆筑前兩天對老混凝土面進(jìn)行灑水浸潤養(yǎng)護(hù)、降低混凝土澆筑溫度、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)和保溫，通過觀測內(nèi)外溫差來控制拆模時間等）。通過理論上和實(shí)踐上較為系統(tǒng)深入的研究，一些關(guān)鍵性技術(shù)問題得到了有效解決，確保工程沒有出現(xiàn)裂縫。截至目前，經(jīng)過近5年的運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)閘墩外包薄壁混凝土表面有明顯裂縫產(chǎn)生?！芭R淮崗洪水控制工程原49孔淺孔閘加固改造工程外包混凝土防裂限裂研究”獲2004年度安徽省科學(xué)技術(shù)三等獎。

4.軟基上深孔口大型水閘中隔板布置技術(shù)

深孔閘閘室總高32 m，按7度抗震設(shè)防，建在軟基上，為增加閘室橫向剛度，采用整體式加設(shè)水平中隔板閘室結(jié)構(gòu)。通過水工模型試驗(yàn)，研究并改進(jìn)了中隔板布置形式。隔板改為中隔梁，并將中隔梁抬高布置。閘室布置形式改進(jìn)后，完全消除了存在于中隔板下的氣泡，閘室水流流態(tài)平順，也降低了閘室泄流阻力，增加了5%的閘孔過流能力。對閘室新結(jié)構(gòu)建立整體結(jié)構(gòu)與彈性地基、截滲墻聯(lián)合作用模型，運(yùn)用三維有限元方法，對結(jié)構(gòu)在施工階段、各種運(yùn)行工況及地震情況下應(yīng)力進(jìn)行綜合分析，確定了適當(dāng)?shù)拈l墩施工順序，為閘室結(jié)構(gòu)、防振動和抗震設(shè)計提供了依據(jù)。

《軟基上深孔口大型水閘設(shè)計施工新技術(shù)研究（臨淮崗深孔閘工程新技術(shù)應(yīng)用）》獲2005年度安徽省科學(xué)技術(shù)三等獎。

5.軟土地基電解質(zhì)式位移監(jiān)測新技術(shù)

主壩淮北段壩基下有一層厚2～4m的淤泥質(zhì)軟土，此軟弱下臥層分布較廣、厚度較大，且強(qiáng)度低、含水率高。在此軟基上修筑土壩，施工過程中如壩體填筑過快，極易導(dǎo)致壩體及壩基的剪切破壞，為避免出現(xiàn)這種情況而拖延工期，該項(xiàng)目在國內(nèi)首次設(shè)計采用了電解質(zhì)式位移監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行施工期壩體內(nèi)部位移監(jiān)測，與傳統(tǒng)的振弦式垂直位移和水平應(yīng)變監(jiān)測方法相比，能繪制出垂直位移和水平應(yīng)變的連續(xù)曲線，具有穩(wěn)定性好且精度高的特點(diǎn)。

采用了電解質(zhì)式位移監(jiān)測系統(tǒng)后，壩體內(nèi)部變形情況能及時得到監(jiān)測，科學(xué)合理地控制施工強(qiáng)度，這樣就能相對連續(xù)填筑壩體土方，減少間歇工期，加塊壩體土方填筑進(jìn)度，據(jù)測算采用該項(xiàng)技術(shù)后，至少能縮短主壩填筑工期5～8個月，節(jié)省工程投資近800萬元。

電解質(zhì)式位移監(jiān)測系統(tǒng)在臨淮崗主壩淮北段的率先應(yīng)用，對國內(nèi)大壩內(nèi)部位移監(jiān)測的技術(shù)是一個促進(jìn)，它的電解液式傳感器原理打破了壟斷國內(nèi)監(jiān)測行業(yè)多年的弦式儀器生產(chǎn)工藝，它所包含的“一條連續(xù)的變形曲線”一改國內(nèi)傳統(tǒng)的“點(diǎn)”式監(jiān)測內(nèi)部位移的技術(shù)手段，它的“高精度”（精度可達(dá)0.01 mm/m）“自動采集”優(yōu)勢符合水利工程現(xiàn)代化的要求，為工程安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

該項(xiàng)研究成果是水利部的科技創(chuàng)新項(xiàng)目，對于類似軟基上土石壩及大堤施工期安全監(jiān)測方面具有較大的推廣價值，科技成果“臨淮崗洪水控制工程主壩施工安全監(jiān)測技術(shù)研究”榮獲2005年度淮委科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

6.膨脹性土料筑壩處理技術(shù)

臨淮崗原主壩壩壩體、壩基、料場部分土料具有膨脹性，如不采取處理措施，將對以后工程的運(yùn)行安全造成極大隱患，主壩設(shè)計過程中，重點(diǎn)分析了膨脹性土料筑壩易產(chǎn)生破壞的主要原因，設(shè)計采用在壩殼外包2.5m厚非膨脹性土料的具體措施，并在壩體穩(wěn)定分析時對膨脹性土料力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行折減，處理措施施工方便、經(jīng)濟(jì)合理，減少了料場征地，節(jié)約了大量土地資源。

7.定位沉船截流技術(shù)

淮河主河槽截流是淮河干流上的首次，如何合理選擇截流時機(jī)及截流方案，對工程影響較大，也是設(shè)計中的一個難點(diǎn)。2003年11月23日淮河提前一年實(shí)施截流，截流施工時淮河水位居高不下，實(shí)際流量大于設(shè)計流量的21%，經(jīng)測算，截流時最大流速超過6 m/s，截流后水位落差高達(dá)3.7 m。針對上述情況，設(shè)計單位和各參建單位一起，共同研究制定了“單向進(jìn)占、單戧堤、定位沉船、雙向合龍”的截流方案，確保了截流戧堤的穩(wěn)定、安全，成功實(shí)現(xiàn)了淮河截流。

8.蓄（行）洪區(qū)進(jìn)洪閘綜合消能技術(shù)

姜唐湖進(jìn)洪閘閘下為姜唐湖蓄（行）洪區(qū)，初始進(jìn)洪時，閘下為無水狀態(tài)，因閘下姜唐湖蓄（行）洪區(qū)庫容大，尾水上升較緩，大流量小水深的運(yùn)行時間長，是進(jìn)洪閘設(shè)計中無法回避的難題。針對如此惡劣的消能工況，設(shè)計采用了多種消能措施：①在閘室后水平段設(shè)0.5m高的平臺小坎，使水流挑起后拋入消力池，形成第一次消能；②水流在消力池內(nèi)形成水躍，完成底流式消能，能量再次消散；③出池水流在尾坎后跌落旋滾，進(jìn)一步消殺能頭。水工模型試驗(yàn)表明，進(jìn)洪閘消耗總能頭為4.60 m，其中，消力池消能率91%左右，消能效果較好。

四、結(jié) 語

臨淮崗工程設(shè)計通過采用新型的總體布置形式、結(jié)構(gòu)形式和新材料、新技術(shù)新工藝，成功解決了廢舊水工建筑物加固改造和各新建水工建筑物設(shè)計、施工、運(yùn)行中的一系列復(fù)雜關(guān)鍵性技術(shù)問題，其中無繩索開孔垂直聯(lián)鎖混凝土砌塊新技術(shù)達(dá)到同期國際領(lǐng)先水平，寬闊平原河道總體布置、薄層混凝土溫控防裂、深孔閘閘室中隔板等技術(shù)，其主要設(shè)計水平及技術(shù)成果達(dá)到同期國際先進(jìn)水平，共獲國家及省部級以上獎勵十余項(xiàng)，在技術(shù)創(chuàng)新方面有公認(rèn)的突出成就，對推動水利工程建設(shè)行業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重大影響，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。工程于2007年6月通過竣工驗(yàn)收，總體投入運(yùn)行以來，工程已經(jīng)歷多個汛期的考驗(yàn)，各方面運(yùn)行正常，操作方便，滿足工程使用要求。

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