技术创新在三洋港挡潮闸枢纽工程的应用

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概况

新沭河是沂沭泗河洪水东调南下工程的重要组成部分，西起大官庄枢纽新沭河泄洪闸，东至临洪口入海，全长约80km，其中太平庄闸以下河道长约13km。新沭河治理工程根据其现状采取上段复堤、中段消险、下段疏浚并在入海口处新建三洋港挡潮闸枢纽的工程措施来满足50年一遇设计防洪标准。三洋港枢纽工程主要任务为挡潮防淤，保护河道扩挖成果；降低滩地糙率，提高河道行洪能力；拦蓄淡水、促进当地经济发展；改善排涝条件，节约运行费用；改善交通条件，促进港口发展。

三洋港枢纽工程位于江苏省连云港市郊新沭河临海口，距新浦市区与海港均约25km，根据总体规划，三洋港枢纽按新沭河50年一遇洪水标准设计，闸上设计泄洪水位3.88m，相应闸下水位3.70m，设计流量6400m3/s；河道强迫泄洪水位（上游石梁河水库100年一遇泄洪）作为校核洪水工况，校核流量7000m3/s；设计挡潮标准为100年一遇高潮位，设计挡潮水位3.90m，历史调查最高潮位作为校核挡潮标准，校核挡潮水位4.08m。三洋港枢纽为Ⅰ等大（1）型工程，主要建筑物为1 级，工程总投资55216 万元。

三洋港枢纽的主要建筑物包括：挡潮闸、排水闸、上下游引河及管理区等。（1）挡潮闸轴线布置于新沭河桩号11+680 处。挡潮闸闸室每孔净宽15m，共33 孔，总净宽495m，闸底板顶高程-2.0m。闸室采用钢筋混凝土开敞式结构，二孔一联整体式底板（其中第17 孔为单孔一联），挡潮闸由闸室、岸翼墙、铺盖、上游护底、下游消力池、海漫、上下游钢筋混凝土防冲排桩、上下游抛石防冲槽、左右侧上下游导堤等部分组成。从上游防冲槽始端至下游防冲槽末端，顺水流方向总长为145.00m，垂直水流方闸室总宽度为576.92m。（2）排水闸布置在挡潮闸与现状泓道之间，设计排水标准为非汛期5年一遇，排水流量67m3/s，共3 孔，单孔净宽6.00m，闸底板顶高程-2.0m，排水闸闸轴线与挡潮闸轴线一致，排水闸中心线距挡潮闸中心线437.26m，闸室采用钢筋混凝土涵洞式结构。（3）管理区布置在水闸上游新沭河右堤堤内弃土平台上。

2 工程技术创新

（1）提出了一种新型灌注桩-粉喷桩混合式桩基技术，应用于海淤土地基基础处理，采用水泥土粉喷桩加固海淤土显著提高了灌注桩水平承载力，解决了在高潮差、深厚海淤土建造大型挡潮闸水平位移大的难题。

三洋港挡潮闸距新沭河入海口仅1.5km，闸址区地质条件差，淤泥和淤泥质土层厚度10～12m，基础处理问题非常复杂。尤其是岸翼墙（最大墙高12m）的设计，存在墙后地下水位高、墙后回填淤质土土压力大、墙前潮差大、地基水平与竖向承载能力均不足等多种不利因素，设计条件非常恶劣，最难解决的是海淤土地基的水平承载力问题。经多方案比较，首次提出了一种新型的灌注桩—粉喷桩混合式桩基础方案，即采用粉喷桩加固灌注桩周围海淤土，提高桩周土抗力，通过水泥土粉喷桩复合地基与灌注桩相结合，达到优势互补，从而提高灌注桩水平承载能力。该方案在桩群及其两侧5m 范围内采用粉喷桩处理，通过现场单桩、群桩及对比试验、三维仿真分析等手段对水平荷载条件下灌注桩在淤土地基中的承载性能进行了深入研究，海淤土经粉喷桩处理后，灌注桩水平承载能力显著提高，提高幅度在20%～30%。该成果已成功应用于岸翼墙基础设计中，节约工程投资900 余万元，通过近8年的现场监测，岸、翼墙各部位水平、垂直位移均较小，成功解决了高潮差河口、深厚海淤土建闸水平位移大等地基处理关键技术难题。

目前水利工程上主要采用粉喷桩提高软土地基的竖向承载力，利用粉喷桩提高软土地基灌注桩水平承载力，该工程尚属首次。

（2）首次应用整体串联、半封底超大沉井群基础处理技术，通过沉井内不对称填土控制，调整地基应力，解决了大孔口软基水闸地基承载力、防渗及变形协调等难题。

挡潮闸共33 孔，单孔净宽15m，闸基下海淤土承载力约为40kPa，闸室基础型式需满足软土基础承载力、抗滑稳定、防渗、沉降、地基变形协调及防冲等诸多要求。根据工程地质与结构受力条件，经多方案技术经济比选，挡潮闸采用两孔一联整体串联式沉井基础方案，共17 联，单联最大尺寸34.5m（长）×17.9m（宽）×7.5m（高），沉井群规模为目前国内最大。相邻沉井间留有间隙1.05m，其上下游采用旋喷桩封闭，间隙上部填充微膨胀混凝土，满足地基防渗要求。沉井被上、下游隔墙分隔成18 个井隔，采用半封底型式，上、下游各6 个井隔封底，中间6 个井隔不封底，既满足基础承载要求，又节省了工程投资、减小了沉井封底难度。根据各运行工况的荷载计算，沉井上、下游井隔内采用不对称填土，调整地基应力，较好地控制了海淤土地基闸室的不均匀沉降，解决了大孔口软基水闸地基承载力、防渗及变形协调等问题。

（3）提出快速制定温度控制措施，应用于闸墩大体积混凝土泵送施工，有效解决了沉井基础强约束条件下大流态高性能混凝土防裂；研制了多功能型聚羧酸系减水剂，结合大掺量磨细水淬高炉矿渣取代水泥，提高了沿海建闸混凝土耐久性。

基于大流态高性能混凝土施工初期的温升阶段内部温升高、外部温升低，而随后的温降阶段内部温降大、外部温降小的特点，提出了一种快速制定温度控制措施的方法：分别在温升阶段和温降阶段指定不同的混凝土内外温差，计算两个阶段的混凝土温度场分布；根据得到的温度场分布，再以相应阶段混凝土龄期的模量计算得到两个阶段的混凝土应力场，并进行叠加得到最终的应力场；通过调整上述温升和温降阶段的温差值，确保混凝土最终应力状态不超过相应龄期的抗拉强度，从而确定施工期温度控制措施，准确及时地指导了工程施工。该方法无需计算温度场和温度应力场的变化过程，只需要计算不同内外温差条件下的稳定温度场和温度应力场。三洋港枢纽中墩厚达2.2m，缝墩厚1.45m，采取快速制定的温控措施浇筑的50 个闸墩未出现一条温度裂缝，取得了很好的防裂效果，有效解决了沉井基础强约束条件下大流态高性能混凝土防裂技术难题。

三洋港挡潮闸地处海口，处于海洋强侵蚀性环境，其海水及地下水中的硫酸盐对混凝土具有结晶类强腐蚀性，海水中的氯盐对钢筋也具有很强的腐蚀性，因此如何提高混凝土耐久性能，进而提高工程使用寿命，充分发挥其经济效益、社会效益和环境效益，是挡潮闸建设中需要重点研究的又一关键技术问题。

项目研制了同时具有抑制钢筋锈蚀、早强、低碱和高减水功效的多功能型聚羧酸系减水剂：以大分子量改性聚醚单体（MPEG2000）与不饱和酸（甲基丙烯酸和/或丙烯酸）在水介质中通过自由基引发聚合得到的减水剂为基础，优选对钢筋具有缓蚀功能的醇胺类有机单体对上述减水剂进行pH 值调节，在此基础上再复配具有缓蚀功能的非亚硝酸盐类水泥水化促进剂，以及优选的保坍、缓蚀特殊功能组分，应用无溶剂法制备而成。简化了多重影响因素作用下混凝土力学、耐久性等综合性能的改善方案。通过试验证实了该减水剂具有优异的减水性能、明显的早强效果、良好的抑制钢筋腐蚀能力。

为解决该工程混凝土耐久性问题，本项目在总结以往类似工程常态高性能混凝土运用经验的基础上，通过室内试验及现场拌制，研制了适合该工程泵送施工的大掺量磨细水淬高炉矿渣水工高性能混凝土，磨细矿渣掺入量为胶凝材料的60%，该混凝土工作性能良好，主要力学性能指标普遍优于同强度等级的普通混凝土；具有优良的抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀能力，明显的抑制碱-骨料反应能力，以及良好的护筋性。根据研究，大掺量磨细矿渣取代水泥后，能提高混凝土致密性能，其耐久性能是普通混凝土的10 倍以上，大大延长了工程的使用寿命，既解决了沿海建闸混凝土耐久性问题，又满足了工程施工的需求，同时，由于大量采用了价格低廉的工业矿渣，与常规采用抗硫酸盐水泥、环氧钢筋的防腐蚀方案相比，节约了工程投资，经济效益显著，做到了质量、经济、环保、节能的完美结合。

（4）研制了低速同步闭式启闭机，提高了设备运行安全性和可维护性。

研制了一种低速同步闭式传动启闭机，启门力为2×630kN，获国家实用新型专利，该新型启闭机利用大速比减速器替代传统开式齿轮及普通低速比减速器，低速同步，具有安全可靠、承载能力大、抗过载能力强、荷重比大、结构紧凑、重量轻、传动效率高、使用寿命长、维修方便、外形美观等优点，体积减小约30%，同时由于该型启闭机取消了传统启闭机的开式齿轮，从涂抹黄油到闭式齿轮油润滑，大幅减了环境污染，减少了维护人员的工作强度。

（5）研制了耐海水腐蚀的稀土合金铸铁材料，解决了海水环境下闸门埋件防腐蚀问题，提高了材料的机械加工性能。

研制了一种耐海水腐蚀的镍铬稀土合金铸铁材料，用于制造挡潮闸工作闸门门槽，成功解决了闸门埋件防海水腐蚀问题。该材料适用于制造水利水电工程的闸门埋件及零部件、水轮机叶轮、叶片等设备，在海水中的使用性能超过普通不锈钢（普通不锈钢在海水中存在晶间腐蚀，即点蚀），其强度、硬度、韧性和机械加工性能均能满足水工设备的使用要求，采用本稀土合金铸铁材料制造的水工闸门埋件及闸门零部件，经检测、试验和实际运用符合GB/T 14173-2008 及相关规范的要求，具有较好的耐蚀性能、抗拉强度和机械加工性能，可以替代不锈钢，市场需求量大，具有较好的推广应用价值。该稀土合金铸铁材料已获国家发明专利。

3 结语

三洋港枢纽各项技术创新成果均在工程建设中得到应用。工程从2004年开始前期论证，2008年11月开工建设，2010年7月水下土建工程验收下闸挡潮，到2013年12月投入使用验收，经过10 余年的反复论证、比较、综合研究，精心规划设计与施工，在黄海之滨耸立起一座具有现代美感的水工建筑物，三洋港挡潮闸已成为连云港新城区的新地标。工程自投入使用以来，启闭频繁，期间经历多次高潮位考验，工程运行良好，闸室及岸翼墙等主体结构水平及垂直位移较小且趋于稳定，混凝土及金属结构防腐蚀效果良好，启闭机运行平稳，操作方便，闸下冲淤稳定，满足工程使用要求，充分说明三洋港挡潮闸枢纽各项技术创新是成功的。2020年8月中旬，淮河沂沭泗流域发生特大洪水，三洋港挡潮闸及时开闸泄洪，最大流量约4000m3/s，工程运行正常，洪水安然入海。工程荣获2017年度安徽省优秀勘察设计一等奖、2018年度淮委科技进步特等奖及2019年度江苏省优质工程奖“扬子杯”■