姜唐湖蓄（行）洪区退水闸工程设计创新

丁 宁 韩福涛

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

姜唐湖蓄（行）洪区退水闸工程设计创新

丁 宁 韩福涛

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

姜唐湖蓄（行）洪区退水闸工程规模较大，总体布置复杂，施工难度大，在工程设计中采用了多项创新技术及国内先进技术，解决了复杂的工程设计及施工难题。本文通过对总体布置设计情况、设计难点及创新点的介绍和分析，阐述了姜唐湖蓄（行）洪区退水闸设计及施工过程中重点关注的问题，以及解决的主要技术难题，为其他类似蓄洪区水闸的设计提供借鉴。

姜唐湖 退水闸 设计 创新

1 工程概况

姜唐湖蓄（行）洪区退水闸工程是国务院批准的19项治淮骨干工程——淮河干流上中游河道整治及堤防加固工程的重要组成部分，为国家重点工程。该闸是姜唐联圩工程的重要组成部分，具有挡洪、蓄洪、行洪、退洪及反向进洪的功能。工程建成后，可减少蓄洪区的进洪年份，增加正阳关以上河道7.6亿m3的有效蓄洪库容，对保证淮北大堤安全、降低正阳关的水位起到重要作用。

2 工程布置及主要建筑物设计

姜唐湖退水闸位于姜唐湖蓄（行）洪区下口门处，颍河与淠河入淮河河口之间的淮河左岸，2003年汛期唐垛湖行洪区爆破行洪口门附近。为避开冲坑影响并考虑水流、地形及地质条件，将建闸处局部堤防改线，有效减小原冲坑影响的同时，改善了行洪、退水及反向进洪的水流条件。退水闸布置在圈堤上游湖内侧，闸轴线与圈堤中心线夹角54.4°。闸上游为姜唐湖蓄（行）洪区，下游为淮河滩地。姜唐湖退水闸由闸室、防渗排水设施、消能防冲设施及两岸连接建筑物组成，其顺水流方向总长250.0m，垂直水流方向总宽520.0m。由于水闸上下游水面开阔，为使水流平顺过闸，在闸室上下游布置导流堤，其中下游左岸导流堤结合圈堤改线段布置。

退水闸共16孔，每孔净宽10.0m，闸室采用钢筋混凝土开敞式结构，分离式底板。闸室顺水流方向长19.0m，底板顶高程19.0m，大底板厚1.5m，宽5.3m，小底板厚1.0m，宽5.96m，闸墩顶高程28.025m，中墩厚1.30m。闸室顶部布置公路桥、工作桥和人行便桥，闸室两侧分设桥头堡。工作闸门采用平面钢闸门，卷扬式启闭机启闭，因闸室经常处于无水状态，未设置检修闸门。

闸室及岸墙采用钻孔灌注桩基础，大部分翼墙地基采用水泥土搅拌桩处理。在淮河侧闸室底板齿槽下设水泥土搅拌桩截渗墙防渗，以防闸底板脱空造成的渗径短路，确保工程的渗透稳定。

闸室两侧的岸墙采用钢筋混凝土空箱式结构并兼作闸室边墩，为兼顾双向过洪的水流条件，上、下游翼墙均采用八字形与圆弧相结合的布置方式，其中首段八字形扩散角为9.46°，翼墙采用钢筋混凝土空箱悬臂式结构。湖内侧翼墙墙后采用粉煤灰回填，其余岸翼墙墙后采用壤土回填。

姜唐湖退水闸具有挡洪、蓄洪、行洪、退洪及反向进洪的功能，因承受双向水头，因此在上下游侧均设消能设施。在反向进洪情况下，湖内无水，消能工况恶劣，湖内侧采用挖深式消力池，池长30.0m，池深3.0m，淮河侧消力池长22.0m，池深1.0m。

上游导流堤以半径102.5m的圆弧与两岸翼墙相接。下游左岸导流堤以半径380.3m的圆弧与翼墙相接，该段导流堤同时为圈堤改线段，连接闸上公路桥与原有圈堤。下游右岸导水堤以半径76.76m的圆弧与翼墙相接，其末端通过圆弧及椭圆与蓄洪堤平顺相接，形成一个面积约20000m2的平台。

3 设计创新及关键技术

3.1 总体布置

采用科学的选址及总体布置方案，成功解决了原行洪口门冲坑附近建设多功能蓄洪区水闸的设计难题。

姜唐湖退水闸总体布置要求为：①正向行洪及退洪时上游来流基本对称，进出水流平顺；②尽可能建于蓄洪区尾部地势低洼处，以利于蓄洪区排涝及洪水后期退水；③反向进洪时对湖内的冲刷影响小，并不得对两侧的堤防及建筑物造成冲刷。为此，研究的重点在于退水闸的闸址位置、总体布局以及退水闸与堤防、原行洪口门冲坑之间的相对关系，这也是本工程能否安全运行、正常发挥工程效益的关键所在。

姜唐湖蓄（行）洪区下口门处地形复杂。2003年汛期，淮河发生特大洪水，唐垛湖行洪区炸堤行洪，堤防被炸出长约300m的行洪口门，并形成大小不等的两个冲坑，冲坑最深处距地面达19m左右。且下口门处堤防轴线与行洪方向成45°斜交，亦对退水闸的总体布置不利。

在最初的方案布置中，选择避开冲坑建闸。比选了冲坑以北2.0km处和冲坑以南2.5km处两个总体布置方案，这两个方案的优点是远离冲坑且堤防轴线与行洪水流方向基本垂直，便于闸室布置。但冲坑以北2.0km方案闸址位于整个蓄洪区的东北角，堤内外地面高程相对较高，不利于排洪退洪及汛后排涝。另外，模型试验的结果表明，闸址位于行洪主流的侧向，水闸运行时有横向流速，水流条件不好。冲坑以南2.5km闸址方案距现有管家沟排涝站及防汛公路较近，防汛公路需局部改线，且行洪及反向进洪时水流会对排涝站产生冲刷。

鉴于以上两个总体布置方案存在的问题，闸址位置选择在下口门冲坑附近处，该方案的优点是退水闸布置在退水口门处，上游来流基本对称，进出水流较平顺，当反向进洪时，对湖内的冲刷影响较小，且该处堤内外地面高程相对较低，有利于排洪、退洪和湖地的排涝。缺点是距离2003年行洪冲坑较近，为此将闸室、岸翼墙等主体工程布置在冲坑以北，为避开冲坑的影响，将闸轴线调整为与圈堤堤顶中心线夹角54.4°，水闸布置在圈堤上游（湖内侧），不仅使主体工程避开大冲坑，而且闸轴线与上游来水方向正交，仅下游左岸导水堤部分位于冲坑边。调整后水闸正对行洪区来流方向，利于行洪和反向进洪。模型试验显示，水闸运行时来流对称，水流过闸平顺，对两侧堤防和建筑物均无影响。

2007年淮河流域发生1954年以来最大洪水，为使姜唐湖蓄（行）洪区快速蓄水，同时启用了退水闸与进洪闸进洪，退水闸进洪流量达到1000m3/s的设计流量，水闸过流平顺，对两侧堤防及建筑物未造成影响，一个月后退水闸又提闸退水，期间工程运行正常，无异常情况发生，达到预期目的。

本工程的选址及总体布置成果可推广至其他类似蓄洪区退水闸的总体布置设计中。

3.2 双向消能防冲设计

通过合理的消能防冲布置，成功解决了双向消能防冲尤其是反向进洪时蓄洪区无水条件下泄水建筑物的消能防冲难题。

姜唐湖退水闸反向进洪时，闸上水位26.43m，闸下无水，开闸泄流24h要求达到设计流量1000m3/s，因闸下姜唐湖蓄（行）洪区库容大，尾水上升缓慢，大流量小水深的运行时间长，且该闸地基土上部主要为淮河河漫滩第四系冲洪积土层，强度低，抗冲能力差。针对如此恶劣的消能工况，设计采用了以下消能防冲措施：①采用挖深式消力池消去能头。设计消力池池深3.0m，长30.0m，对于本工程而言，由于反向进洪时蓄洪区无水，综合式消力池在坎后易形成二次水跃，消能效果不理想，故设计采用挖深式消力池。②加强海漫的抗冲设计。为消除过闸水流余能和确保闸室安全，在湖内侧消力池后布设长15.0m的混凝土海漫和长30.0m长的毛石混凝土海漫，海漫坡比为1∶20。③防冲槽与导流堤防冲槽结合布置。由于水流至海漫末端处水深小，流速大，并迅速向两侧扩散，闸下河床将会受冲刷，故在海漫尾端设深2.5m的抛石防冲槽和坡比1∶4的反坡段。为减小水流对导流堤的冲刷、有效扩散水流和节约导流堤投资，在导流堤坡脚处沿导流堤布置防冲槽，且与闸室的防冲槽连接成整体。

上述消能防冲措施经水工模型试验表明，水跃发生在消力池内，池后不出现二次水跃，消力池消去能量90%左右，消能效果良好。防冲槽末端部位最大垂线平均流速均小于其相应河床不冲流速。

本工程所采用的双向消能防冲尤其是反向进洪时蓄洪区无水条件下泄水建筑物的消能防冲技术已通过2007年淮河流域特大洪水的考验，工程运行正常，并在淮河流域其他行蓄洪区口门如邱家湖进（退）洪闸、南润段进（退）洪闸中成功推广运用，效果良好，改变了以往蓄洪区水闸启用后下游受严重冲刷的情况。

3.3 防渗设计

采用水泥土搅拌桩截渗墙防渗，成功解决了高水头作用下灌注桩基础闸室底板与地基土脱开带来的渗流问题。

本工程闸室及岸墙地基下的中粉质壤土、淤泥质重粉质壤土的强度均较低，地基承载力及地基沉降不能满足要求，需进行地基处理。设计根据软弱土层的深度、特性及水闸工程的运用特点，确定闸室及岸墙采用钻孔灌注桩基础。

以往的工程实例表明，灌注桩承台（即闸底板）与地基相脱离的情况时有发生，施工期降水以及运用中水位变幅较大等均可能导致桩间土层变形并与底板脱开，后期灌浆处理困难。因此为防止桩基承台与地基土脱开形成闸底板下渗径短路，在闸底板下设厚0.2m的水泥土搅拌桩防渗墙，防渗墙桩顶与闸底板采用可靠的柔性连接方式，以确保闸基的渗透稳定。

2007年淮河流域发生特大洪水，退水闸在反向进洪前淮河侧水位达26.4m，且挡洪时间超过一周，工程运行正常，无异常情况发生。

3.4 高挡土墙设计

通过湖内侧翼墙墙后回填粉煤灰，大幅降低了墙后土压力，减小了翼墙断面结构尺寸，成功解决了土基上高挡土墙的设计难题。

为满足反向进洪要求，湖内侧需设置较深的消力池，导致翼墙高度较大。由于工程场区地基土较软，为满足地基承载力和抗滑稳定的要求，采用常规的设计势必导致翼墙断面尺寸较大。

针对这一情况，设计决定采用墙后回填粉煤灰的方案，粉煤灰湿容重为10kN/m3，经计算墙后回填的粉煤灰对前墙的土压力仅为回填土的一半左右，大大降低了墙后土压力，因此湖内侧翼墙采用了空箱悬臂式结构，从而减小了翼墙断面结构尺寸，较好地解决了土基上高挡土墙的设计难题。该方案比采用常规空箱式挡土墙节省投资约180万元，经济效益明显。

粉煤灰回填施工时及结束后持续对翼墙进行水平位移观测，经测量，至翼墙墙后回填完成后5个月，总水平位移仅为7.5mm，说明粉煤灰对前墙产生的土压力非常小，观测结果印证了设计的可靠性。

3.5 冬季施工防裂研究

通过对闸室混凝土结构施工期的非稳定温度场和应力场的三维仿真计算和温度场计算的混凝土热学参数的反演计算分析，提出多种相应的工程防裂措施，解决了泵送混凝土水闸冬季施工期防裂的难题。

水闸存在裂缝是个普遍的现象，产生这些裂缝的主要原因是混凝土的温度变形、干缩变形等受到自身和外部的约束，混凝土的变形超过了容许的极限变形所致。本工程主体结构闸墩和闸底板在寒冬季节施工，为提高施工效率，选择了泵送混凝土，这为大体积混凝土施工期防裂问题提出了更高要求。

姜唐湖退水闸结合以往工程实例，对泵送混凝土结构冬季施工的裂缝成因进行了深入的分析和研究，运用非稳定温度和应力三维仿真计算程序对水闸混凝土结构进行了温度场和应力场的仿真计算，并应用改进加速遗传算法对温度场计算的混凝土热学参数进行了反演计算分析。针对以上混凝土结构的裂缝成因机理的理论分析，为有效减小混凝土早期内外温差和温升幅度，防止裂缝产生，提出表面保温和内部冷却相结合的温控防裂方案，采用相应的具体工程防裂措施，如选用低热水泥、选用四级配和三级配混凝土、闸墩和闸底板外设挡风设施封闭、闸墩周围架设火炉保温、采用竹胶模板、设置后浇带和内部埋设冷却水管等，并运用有限元计算程序对各种防裂措施进行了具体的对比计算分析，比较了采用和不采用这些工程措施的不同结果，为温控防裂措施提供了科学依据。

通过上述综合措施，有效控制了混凝土温度应力裂缝的产生，经3年施工期的观测，严寒季节施工的所有泵送混凝土闸墩和闸底板都没有开裂。以上研究成果及工程实践，解决了泵送混凝土水闸冬季施工期防裂的难题，并可推广至其他工程。

4 结语

姜唐湖蓄（行）洪区退水闸设计通过采用科学的选址和总体布置方案、合理的消能防冲布置、三维仿真计算、新材料和填筑方法，成功解决了退水闸设计、施工中一系列复杂技术问题，取得了良好的社会经济效益。工程于2007年投入运行，2007年淮河发生特大洪水，退水闸反向进洪流量达到1000m3/s的设计流量，工程运行正常，未发生任何险情，经受了洪水的考验，发挥了巨大的防洪减灾效益。目前工程运行情况正常■