蚌埠闸扩建工程的设计特点

孙 勇 陈高义 成 银

一、工程概况

蚌埠闸枢纽兴建于上世纪50年代末，位于安徽省蚌埠市西郊许庄，淮河干流涡河口以下约5.5km处，是千里淮河干流上第一座节制闸，具有蓄水灌溉，兼有航运、发电和供水等功能，是一座综合利用型水利工程。

原枢纽由节制闸、船闸、电站和分洪道组成。节制闸共28孔，每孔净宽10m，位于淮河主槽内，轴线与河槽垂直。闸底板高程9.868m（1956年黄海高程系，下同），上设溢流堰，堰高2.0m，堰顶高程11.868m。

蚌埠闸扩建工程是淮河干流正阳关～蚌埠近期河道整治的一部分，整个工程实施以后，使得此段河道能够达到1955年淮北大堤加高加固时确定的规划水平（即闸上游水位23.088m，下游22.968m，设计过闸落差0.12m的工况下，整个枢纽的泄洪能力为13000m3/s。）。蚌埠闸扩建工程为大（1）型工程，主体建筑物级别为I级。新闸位于老闸与淮北大堤之间的滩地内，与老闸轴线一致，新老闸中心线相距396.8m。新闸采用开敞式结构，共12孔，每孔净宽10m，宽顶堰型，闸底板高程9.00m。闸室采用整体式结构，两孔一联，中墩厚1.6m，缝墩厚1.2m。

蚌埠闸枢纽近期蓄水位17.37m，远景蓄水位18.37m。

蚌埠闸扩建工程工程地质和水文地质条件复杂。场区地形起伏较大，整个滩面高程10～19m，大体为两边高中间低，低洼处为修建老闸时遗留的导流渠。闸基为第（3）、（4）层粉质粘土，强度较高，层顶高程8.4m～6.1m，平均厚度约4m，是较好的持力层，下卧第（5）层为1.5～2m厚软粘土。第（6）和（7）层为细砂～中砂层，为承压水层，砂层顶面平均高程-4.1～1.2m，承压水位为15.0～18.0m，汛期较高，非汛期较低，补给主要来自西北方向淮北地下水，水量丰富，与淮河无水力联系。

2000年11月23日蚌埠闸扩建工程主体工程开工；2002年4月工程通过水下工程验收，随即开始下闸挡水；2002年12月主体工程完工；2003年11月工程通过竣工验收。

工程自投入运行后，已历经8个汛期的考验，特别是经受了2003年和2007年两次大洪水的考验，枢纽最大泄量8470m3/s。运用期间各方面表现正常，操作方便，满足工程使用要求，发挥了巨大的防洪减灾效益。

二、主要设计特点

新闸位于老闸北侧滩地，其水流条件、工程地质和水文地质条件及施工条件都非常复杂，且又相互关联。新闸的泄流能力和规模主要取决于新闸轴线位置、上游引渠喇叭口的形状和大小、下游出水渠的布置。若要取得较好的水流条件，新闸应尽量靠近老闸，但新老闸相距较近会给工程的施工造成很大的影响。由于工程场区存在高承压水层，施工需降低承压水位保证基坑安全，显然新老闸距离过近可能造成施工期老闸较大的沉降，进而影响老闸的安全。工程场区承压水主要来自淮北地下水，非汛期与闸下水位有较大差值，因此设计闸下消能设施时除满足水力条件外，应充分考虑承压水的影响。因此，积极探索并掌握承压水的特性，减少和避免对原有建筑物的影响，合理解决施工期和运用期承压水的问题，关系到工程的总体布置、规模和投资。在具体设计中，经过层层分析研究和反复的方案论证，抽丝剥茧着重解决主要矛盾，使设计方案越来越完善，形成了较为鲜明的设计特点。

1.统筹协调，合理确定工程总体布置方案

设计时综合考虑水流、地质和地形因素的影响，进行了多方案的比较。限于篇幅，下面仅对初始方案和最终方案做论述。

初始方案考虑到方便新闸施工和减小新闸基坑降水对老闸的影响，确定新老闸中心线相距420.8m，新闸共13孔，每孔净宽10m，闸底板顶高程9.0m，新老闸之间导流堤长300m。模型试验显示：枢纽总泄流能力13000m3/s，其中老闸 8700 m3/s、新闸3200 m3/s、南岸分洪道 1100 m3/s，老闸上下游落差11.7cm。新闸进流由弯道引渠导入，水流明显偏向右侧，闸上150m断面处左侧垂线平均流速0.85m/s，右侧 1.55m/s，右侧进流远大于左侧。新闸上游右侧导流堤附近有一较大回流区，回流有压缩主流趋势，对新闸进流有一定的影响。综合分析产生上述现象的主要原因有以下几点：（1）新闸上游口门（喇叭口）不够大，影响主槽水流进入引渠，来水不畅；（2）新老闸相距较远，新闸偏离河道主槽，使得左侧的闸孔过流能力很低；（3）新、老闸之间导堤过长，影响主槽水流进入引渠，从而导致新闸右侧回流严重。

设计过程中综合考虑水流条件和施工难度，通过多次修正整体布置和水工模型试验确定的最终布置方案如下：新老闸中心线相距396.8m，新闸共12孔，每孔净宽10m，闸底板顶高程9.0m，新老闸之间导流堤长110m，适当扩大上游喇叭口。模型试验显示：枢纽总泄流能力13080m3/s，其中老闸8610 m3/s、新闸 3410 m3/s、南岸分洪道1060 m3/s，老闸上下游落差12cm。新闸上游100m处左侧垂线平均流速1.1m/s，右侧1.53m/s。新闸闸上中心线南移并适当扩大进口喇叭口后，进闸水流流线弯曲减小，水流较为顺畅，闸前行进流速增大，新闸进口水流趋于均匀。新闸上游导堤缩短后，回流范围明显减小，基本对新闸进流没有影响。

从模型试验看出，新闸南移并适当扩大上游喇叭口后，新闸过流能力在减少1孔的情况下仍增加210m3/s，可见轴线位置和喇叭口布置对过流能力的影响之大。但新闸南移给工程施工带来了很大的影响。由于蚌埠闸地区承压水水位较高（施工期约18.0m）,而闸基坑开挖较低（闸基处6.9m，消力池处6.4m左右），因此新闸愈靠近老闸，则施工期间对老闸产生的影响就有可能越大，增大了施工期的风险。另外，新闸施工期间利用老闸北侧封闭堤作为施工围堰，新闸南移后施工场地变得狭窄，使得施工新闸南岸岸墙和翼墙时必须采取支护措施方能确保围堰的稳定。

工程设计中综合考虑了上述因素，分析了新闸轴线南移后基坑降承压水对老闸的影响，对新闸南岸岸墙和翼墙施工采取了钢筋混凝土灌注桩支护，确保施工期新老闸的安全。

2.采用非封闭降水方案，成功解决降承压水难题

该工程的技术难点是平面布置设计，受众多因素限制，它们既互相联系，又彼此制约。其中承压水问题是主要矛盾，能否妥善处理好施工降水，成为工程设计成败的关键。

根据老闸28年（1960～1988）观测资料显示，该层承压水位为15.0～18.0m，汛期较高，非汛期较低，补给主要来自淮北地下水，水量丰富，与淮河无水力联系。设计时承压水位汛期取18.0m，非汛期16.5m。经计算，施工期闸室、消力池和防冲槽段基坑在汛期与非汛期均不稳定，须采取降压处理。根据计算成果，承压水位降至9.00m高程（基坑抗冲溃稳定安全系数1.33），降水深井数量为30口。由于承压水位未降至砂层顶面，且砂层处于封闭状态，故排水固结条件较差，不会产生明显的固结沉降。因此，老闸北侧岸墙和闸室的沉降量仅由于降水而导致的附加应力所致。根据分析，老闸北侧岸墙最终沉降量约50mm，老闸相邻底板沉降差为5mm。上述计算沉降值为最终沉降量，而实际上粘土沉降过程缓慢，而基坑降水历时仅1年左右，因此可以认为总沉降量和不均匀沉降量均较小，可以认为深井降水对老闸不会产生明显的不利影响。

工程施工期间设计与科研、施工单位一起，根据工程场区承压水主要从西北方向补给的特点，采用直线补给边界的井点降水分析方法分析，并通过现场抽水试验，采用非封闭降水布置的方案，即以基坑北侧抽排为主，辅以两侧适量抽排，南侧（老闸侧）少抽甚至不抽的方案，将原设计降低承压水水位由9.0m高程调整为11.0m，基坑抗冲溃稳定安全系数调整为1.10，既保证了基坑安全，减少了老闸沉降（实测仅个别点最大值为17 mm，一般不超过10 mm），确保了老闸的安全，同时也使新闸尽量靠近老闸得以实现，改善新闸进流条件的同时，减小了闸孔规模，节约了工程投资。

工程实践证明，对于闸基基坑底为隔水层且层底有承压水作用时，施工期间不一定要将承压水降至建基面以下，但应进行坑底的抗冲溃稳定分析和渗流分析，确保坑底土层在施工期的安全。对于非对称补给的情况，特别是单向补给为主，周围有老建筑物的情况，建议可采用直线边界井点降水计算方法进行分析。

3.优化消能防冲设计，解决消力池抗承压水冲溃和渗流稳定难题

消力池是基坑开挖最深的部位之一，消力池的设计不仅仅是一个水力学问题，其深度和长度直接影响下游翼墙的长度和高度，另外对蚌埠闸扩建工程而言，更直接影响施工期和运用期该部位抗承压水冲溃和渗流稳定。根据地质资料，闸轴线处砂层顶面高程平均为-1.1m，最高处1.2m，最低处为-4.1m。根据老闸28年观测资料，并经统计分析，非汛期承压水位与闸下水位最大差值为4.1m，发生在1979年1月1日，相应闸下水位10.80m，承压水位14.90m。抗冲溃稳定安全系数允许值取1.1。粉质粘土出口段允许出逸坡降为0.7，考虑到消力池下部设有反滤层，增大30%，取0.91。

初始设计方案为挖深式消力池，池长30m，池深1.2m，池底高程6.3m，消力池底板厚1.0m，下设0.6m厚反滤层，相应粘土层开挖顶高程4.7m，尾槛高程7.5m，后接海漫和防冲槽，其中海漫长30m，顶高程7.5m。根据计算和水工模型试验验证，该方案能够满足消能要求。但由于消力池开挖较深，减小了粘土覆盖层厚度，对于施工期和运用期该部位抗冲溃稳定和渗流稳定不利。根据计算（偏于安全考虑，砂层顶面高程取1.2m），采用该种方案在工程运用期抗承压水冲溃稳定安全系数为k=1.08，渗流出逸坡降i=1.17，均不满足要求，须采用永久减压措施。

最终方案将下游消能设施调整为综合式消力池，抬高消力池底高程至8.0m，相应池底粘土层开挖顶高程6.4m，池长20m，尾槛高程8.5m，后接海漫和防冲槽，其中海漫长30m，顶高程8.0m，在海漫中布置垂直于水流方向的高0.5m混凝土槛，共4道，作为辅助效能设施。根据断面模型和整体水工模型试验，该方案能够满足消能要求。根据计算（条件同初始方案），采用该种方案在工程运用期抗承压水冲溃稳定安全系数为k=1.20，渗流出逸坡降i=0.79，均满足规范要求，无须采用永久减压措施。

由于采用了综合消力池，抬高了消力池底板高程，使得粘土覆盖层厚度较初始方案增加，有利于粘土层在承压水作用下的稳定，从而无须采取永久减压措施，另外消力池的抬高也有效降低了两侧翼墙的高度，节省了工程投资。

三、结语

蚌埠闸扩建工程水流条件、工程地质和水文地质条件及施工条件都非常复杂，且又相互关联。工程设计中通过模型试验和计算分析，以解决施工期的承压水问题为突破口，成功地克服了众多限制条件，使得新闸尽量靠近老闸能够得以实现，合理选定了工程布置方案，改善新闸进流条件的同时，降低了闸孔规模，节约了工程投资。

蚌埠闸扩建工程设计中根据承压水补给不对称的特点，采用非封闭降水的方案，并突破了常规降承压水须降至建基面以下0.5～1.0m的做法，成功地解决了新闸施工期间自身基坑安全和老闸运行安全的矛盾。

设计针对工程场区承压水位与闸下水位差值较大的特点，采用综合式消力池，在消力池尾端设置消力槛，在海漫中设置糙条的方式提高消能效果，抬高消力池底高程，缩短消力池长度，不仅降低了翼墙高度，减少消力池土方开挖量，节约了工程投资，而且也有利于运用期和施工期的地基抗承压水稳定，为今后类似工程的消能工设计提供了借鉴