孫 勇 陳高義 成 銀

一、工程概況

蚌埠閘樞紐興建于上世紀(jì)50年代末，位于安徽省蚌埠市西郊許莊，淮河干流渦河口以下約5.5km處，是千里淮河干流上第一座節(jié)制閘，具有蓄水灌溉，兼有航運(yùn)、發(fā)電和供水等功能，是一座綜合利用型水利工程。

原樞紐由節(jié)制閘、船閘、電站和分洪道組成。節(jié)制閘共28孔，每孔凈寬10m，位于淮河主槽內(nèi)，軸線(xiàn)與河槽垂直。閘底板高程9.868m（1956年黃海高程系，下同），上設(shè)溢流堰，堰高2.0m，堰頂高程11.868m。

蚌埠閘擴(kuò)建工程是淮河干流正陽(yáng)關(guān)～蚌埠近期河道整治的一部分，整個(gè)工程實(shí)施以后，使得此段河道能夠達(dá)到1955年淮北大堤加高加固時(shí)確定的規(guī)劃水平（即閘上游水位23.088m，下游22.968m，設(shè)計(jì)過(guò)閘落差0.12m的工況下，整個(gè)樞紐的泄洪能力為13000m3/s。）。蚌埠閘擴(kuò)建工程為大（1）型工程，主體建筑物級(jí)別為I級(jí)。新閘位于老閘與淮北大堤之間的灘地內(nèi)，與老閘軸線(xiàn)一致，新老閘中心線(xiàn)相距396.8m。新閘采用開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，共12孔，每孔凈寬10m，寬頂堰型，閘底板高程9.00m。閘室采用整體式結(jié)構(gòu)，兩孔一聯(lián)，中墩厚1.6m，縫墩厚1.2m。

蚌埠閘樞紐近期蓄水位17.37m，遠(yuǎn)景蓄水位18.37m。

蚌埠閘擴(kuò)建工程工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜。場(chǎng)區(qū)地形起伏較大，整個(gè)灘面高程10～19m，大體為兩邊高中間低，低洼處為修建老閘時(shí)遺留的導(dǎo)流渠。閘基為第（3）、（4）層粉質(zhì)粘土，強(qiáng)度較高，層頂高程8.4m～6.1m，平均厚度約4m，是較好的持力層，下臥第（5）層為1.5～2m厚軟粘土。第（6）和（7）層為細(xì)砂～中砂層，為承壓水層，砂層頂面平均高程-4.1～1.2m，承壓水位為15.0～18.0m，汛期較高，非汛期較低，補(bǔ)給主要來(lái)自西北方向淮北地下水，水量豐富，與淮河無(wú)水力聯(lián)系。

2000年11月23日蚌埠閘擴(kuò)建工程主體工程開(kāi)工；2002年4月工程通過(guò)水下工程驗(yàn)收，隨即開(kāi)始下閘擋水；2002年12月主體工程完工；2003年11月工程通過(guò)竣工驗(yàn)收。

工程自投入運(yùn)行后，已歷經(jīng)8個(gè)汛期的考驗(yàn)，特別是經(jīng)受了2003年和2007年兩次大洪水的考驗(yàn)，樞紐最大泄量8470m3/s。運(yùn)用期間各方面表現(xiàn)正常，操作方便，滿(mǎn)足工程使用要求，發(fā)揮了巨大的防洪減災(zāi)效益。

二、主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

新閘位于老閘北側(cè)灘地，其水流條件、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及施工條件都非常復(fù)雜，且又相互關(guān)聯(lián)。新閘的泄流能力和規(guī)模主要取決于新閘軸線(xiàn)位置、上游引渠喇叭口的形狀和大小、下游出水渠的布置。若要取得較好的水流條件，新閘應(yīng)盡量靠近老閘，但新老閘相距較近會(huì)給工程的施工造成很大的影響。由于工程場(chǎng)區(qū)存在高承壓水層，施工需降低承壓水位保證基坑安全，顯然新老閘距離過(guò)近可能造成施工期老閘較大的沉降，進(jìn)而影響老閘的安全。工程場(chǎng)區(qū)承壓水主要來(lái)自淮北地下水，非汛期與閘下水位有較大差值，因此設(shè)計(jì)閘下消能設(shè)施時(shí)除滿(mǎn)足水力條件外，應(yīng)充分考慮承壓水的影響。因此，積極探索并掌握承壓水的特性，減少和避免對(duì)原有建筑物的影響，合理解決施工期和運(yùn)用期承壓水的問(wèn)題，關(guān)系到工程的總體布置、規(guī)模和投資。在具體設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)層層分析研究和反復(fù)的方案論證，抽絲剝繭著重解決主要矛盾，使設(shè)計(jì)方案越來(lái)越完善，形成了較為鮮明的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1.統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，合理確定工程總體布置方案

設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮水流、地質(zhì)和地形因素的影響，進(jìn)行了多方案的比較。限于篇幅，下面僅對(duì)初始方案和最終方案做論述。

初始方案考慮到方便新閘施工和減小新閘基坑降水對(duì)老閘的影響，確定新老閘中心線(xiàn)相距420.8m，新閘共13孔，每孔凈寬10m，閘底板頂高程9.0m，新老閘之間導(dǎo)流堤長(zhǎng)300m。模型試驗(yàn)顯示：樞紐總泄流能力13000m3/s，其中老閘 8700 m3/s、新閘3200 m3/s、南岸分洪道 1100 m3/s，老閘上下游落差11.7cm。新閘進(jìn)流由彎道引渠導(dǎo)入，水流明顯偏向右側(cè)，閘上150m斷面處左側(cè)垂線(xiàn)平均流速0.85m/s，右側(cè) 1.55m/s，右側(cè)進(jìn)流遠(yuǎn)大于左側(cè)。新閘上游右側(cè)導(dǎo)流堤附近有一較大回流區(qū)，回流有壓縮主流趨勢(shì)，對(duì)新閘進(jìn)流有一定的影響。綜合分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）新閘上游口門(mén)（喇叭口）不夠大，影響主槽水流進(jìn)入引渠，來(lái)水不暢；（2）新老閘相距較遠(yuǎn)，新閘偏離河道主槽，使得左側(cè)的閘孔過(guò)流能力很低；（3）新、老閘之間導(dǎo)堤過(guò)長(zhǎng)，影響主槽水流進(jìn)入引渠，從而導(dǎo)致新閘右側(cè)回流嚴(yán)重。

設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮水流條件和施工難度，通過(guò)多次修正整體布置和水工模型試驗(yàn)確定的最終布置方案如下：新老閘中心線(xiàn)相距396.8m，新閘共12孔，每孔凈寬10m，閘底板頂高程9.0m，新老閘之間導(dǎo)流堤長(zhǎng)110m，適當(dāng)擴(kuò)大上游喇叭口。模型試驗(yàn)顯示：樞紐總泄流能力13080m3/s，其中老閘8610 m3/s、新閘 3410 m3/s、南岸分洪道1060 m3/s，老閘上下游落差12cm。新閘上游100m處左側(cè)垂線(xiàn)平均流速1.1m/s，右側(cè)1.53m/s。新閘閘上中心線(xiàn)南移并適當(dāng)擴(kuò)大進(jìn)口喇叭口后，進(jìn)閘水流流線(xiàn)彎曲減小，水流較為順暢，閘前行進(jìn)流速增大，新閘進(jìn)口水流趨于均勻。新閘上游導(dǎo)堤縮短后，回流范圍明顯減小，基本對(duì)新閘進(jìn)流沒(méi)有影響。

從模型試驗(yàn)看出，新閘南移并適當(dāng)擴(kuò)大上游喇叭口后，新閘過(guò)流能力在減少1孔的情況下仍增加210m3/s，可見(jiàn)軸線(xiàn)位置和喇叭口布置對(duì)過(guò)流能力的影響之大。但新閘南移給工程施工帶來(lái)了很大的影響。由于蚌埠閘地區(qū)承壓水水位較高（施工期約18.0m）,而閘基坑開(kāi)挖較低（閘基處6.9m，消力池處6.4m左右），因此新閘愈靠近老閘，則施工期間對(duì)老閘產(chǎn)生的影響就有可能越大，增大了施工期的風(fēng)險(xiǎn)。另外，新閘施工期間利用老閘北側(cè)封閉堤作為施工圍堰，新閘南移后施工場(chǎng)地變得狹窄，使得施工新閘南岸岸墻和翼墻時(shí)必須采取支護(hù)措施方能確保圍堰的穩(wěn)定。

工程設(shè)計(jì)中綜合考慮了上述因素，分析了新閘軸線(xiàn)南移后基坑降承壓水對(duì)老閘的影響，對(duì)新閘南岸岸墻和翼墻施工采取了鋼筋混凝土灌注樁支護(hù)，確保施工期新老閘的安全。

2.采用非封閉降水方案，成功解決降承壓水難題

該工程的技術(shù)難點(diǎn)是平面布置設(shè)計(jì)，受眾多因素限制，它們既互相聯(lián)系，又彼此制約。其中承壓水問(wèn)題是主要矛盾，能否妥善處理好施工降水，成為工程設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

根據(jù)老閘28年（1960～1988）觀(guān)測(cè)資料顯示，該層承壓水位為15.0～18.0m，汛期較高，非汛期較低，補(bǔ)給主要來(lái)自淮北地下水，水量豐富，與淮河無(wú)水力聯(lián)系。設(shè)計(jì)時(shí)承壓水位汛期取18.0m，非汛期16.5m。經(jīng)計(jì)算，施工期閘室、消力池和防沖槽段基坑在汛期與非汛期均不穩(wěn)定，須采取降壓處理。根據(jù)計(jì)算成果，承壓水位降至9.00m高程（基坑抗沖潰穩(wěn)定安全系數(shù)1.33），降水深井?dāng)?shù)量為30口。由于承壓水位未降至砂層頂面，且砂層處于封閉狀態(tài)，故排水固結(jié)條件較差，不會(huì)產(chǎn)生明顯的固結(jié)沉降。因此，老閘北側(cè)岸墻和閘室的沉降量?jī)H由于降水而導(dǎo)致的附加應(yīng)力所致。根據(jù)分析，老閘北側(cè)岸墻最終沉降量約50mm，老閘相鄰底板沉降差為5mm。上述計(jì)算沉降值為最終沉降量，而實(shí)際上粘土沉降過(guò)程緩慢，而基坑降水歷時(shí)僅1年左右，因此可以認(rèn)為總沉降量和不均勻沉降量均較小，可以認(rèn)為深井降水對(duì)老閘不會(huì)產(chǎn)生明顯的不利影響。

工程施工期間設(shè)計(jì)與科研、施工單位一起，根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)承壓水主要從西北方向補(bǔ)給的特點(diǎn)，采用直線(xiàn)補(bǔ)給邊界的井點(diǎn)降水分析方法分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，采用非封閉降水布置的方案，即以基坑北側(cè)抽排為主，輔以?xún)蓚?cè)適量抽排，南側(cè)（老閘側(cè)）少抽甚至不抽的方案，將原設(shè)計(jì)降低承壓水水位由9.0m高程調(diào)整為11.0m，基坑抗沖潰穩(wěn)定安全系數(shù)調(diào)整為1.10，既保證了基坑安全，減少了老閘沉降（實(shí)測(cè)僅個(gè)別點(diǎn)最大值為17 mm，一般不超過(guò)10 mm），確保了老閘的安全，同時(shí)也使新閘盡量靠近老閘得以實(shí)現(xiàn)，改善新閘進(jìn)流條件的同時(shí)，減小了閘孔規(guī)模，節(jié)約了工程投資。

工程實(shí)踐證明，對(duì)于閘基基坑底為隔水層且層底有承壓水作用時(shí)，施工期間不一定要將承壓水降至建基面以下，但應(yīng)進(jìn)行坑底的抗沖潰穩(wěn)定分析和滲流分析，確?？拥淄翆釉谑┕て诘陌踩?。對(duì)于非對(duì)稱(chēng)補(bǔ)給的情況，特別是單向補(bǔ)給為主，周?chē)欣辖ㄖ锏那闆r，建議可采用直線(xiàn)邊界井點(diǎn)降水計(jì)算方法進(jìn)行分析。

3.優(yōu)化消能防沖設(shè)計(jì)，解決消力池抗承壓水沖潰和滲流穩(wěn)定難題

消力池是基坑開(kāi)挖最深的部位之一，消力池的設(shè)計(jì)不僅僅是一個(gè)水力學(xué)問(wèn)題，其深度和長(zhǎng)度直接影響下游翼墻的長(zhǎng)度和高度，另外對(duì)蚌埠閘擴(kuò)建工程而言，更直接影響施工期和運(yùn)用期該部位抗承壓水沖潰和滲流穩(wěn)定。根據(jù)地質(zhì)資料，閘軸線(xiàn)處砂層頂面高程平均為-1.1m，最高處1.2m，最低處為-4.1m。根據(jù)老閘28年觀(guān)測(cè)資料，并經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，非汛期承壓水位與閘下水位最大差值為4.1m，發(fā)生在1979年1月1日，相應(yīng)閘下水位10.80m，承壓水位14.90m?？箾_潰穩(wěn)定安全系數(shù)允許值取1.1。粉質(zhì)粘土出口段允許出逸坡降為0.7，考慮到消力池下部設(shè)有反濾層，增大30%，取0.91。

初始設(shè)計(jì)方案為挖深式消力池，池長(zhǎng)30m，池深1.2m，池底高程6.3m，消力池底板厚1.0m，下設(shè)0.6m厚反濾層，相應(yīng)粘土層開(kāi)挖頂高程4.7m，尾檻高程7.5m，后接海漫和防沖槽，其中海漫長(zhǎng)30m，頂高程7.5m。根據(jù)計(jì)算和水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，該方案能夠滿(mǎn)足消能要求。但由于消力池開(kāi)挖較深，減小了粘土覆蓋層厚度，對(duì)于施工期和運(yùn)用期該部位抗沖潰穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定不利。根據(jù)計(jì)算（偏于安全考慮，砂層頂面高程取1.2m），采用該種方案在工程運(yùn)用期抗承壓水沖潰穩(wěn)定安全系數(shù)為k=1.08，滲流出逸坡降i=1.17，均不滿(mǎn)足要求，須采用永久減壓措施。

最終方案將下游消能設(shè)施調(diào)整為綜合式消力池，抬高消力池底高程至8.0m，相應(yīng)池底粘土層開(kāi)挖頂高程6.4m，池長(zhǎng)20m，尾檻高程8.5m，后接海漫和防沖槽，其中海漫長(zhǎng)30m，頂高程8.0m，在海漫中布置垂直于水流方向的高0.5m混凝土檻，共4道，作為輔助效能設(shè)施。根據(jù)斷面模型和整體水工模型試驗(yàn)，該方案能夠滿(mǎn)足消能要求。根據(jù)計(jì)算（條件同初始方案），采用該種方案在工程運(yùn)用期抗承壓水沖潰穩(wěn)定安全系數(shù)為k=1.20，滲流出逸坡降i=0.79，均滿(mǎn)足規(guī)范要求，無(wú)須采用永久減壓措施。

由于采用了綜合消力池，抬高了消力池底板高程，使得粘土覆蓋層厚度較初始方案增加，有利于粘土層在承壓水作用下的穩(wěn)定，從而無(wú)須采取永久減壓措施，另外消力池的抬高也有效降低了兩側(cè)翼墻的高度，節(jié)省了工程投資。

三、結(jié)語(yǔ)

蚌埠閘擴(kuò)建工程水流條件、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及施工條件都非常復(fù)雜，且又相互關(guān)聯(lián)。工程設(shè)計(jì)中通過(guò)模型試驗(yàn)和計(jì)算分析，以解決施工期的承壓水問(wèn)題為突破口，成功地克服了眾多限制條件，使得新閘盡量靠近老閘能夠得以實(shí)現(xiàn)，合理選定了工程布置方案，改善新閘進(jìn)流條件的同時(shí)，降低了閘孔規(guī)模，節(jié)約了工程投資。

蚌埠閘擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)中根據(jù)承壓水補(bǔ)給不對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，采用非封閉降水的方案，并突破了常規(guī)降承壓水須降至建基面以下0.5～1.0m的做法，成功地解決了新閘施工期間自身基坑安全和老閘運(yùn)行安全的矛盾。

設(shè)計(jì)針對(duì)工程場(chǎng)區(qū)承壓水位與閘下水位差值較大的特點(diǎn)，采用綜合式消力池，在消力池尾端設(shè)置消力檻，在海漫中設(shè)置糙條的方式提高消能效果，抬高消力池底高程，縮短消力池長(zhǎng)度，不僅降低了翼墻高度，減少消力池土方開(kāi)挖量，節(jié)約了工程投資，而且也有利于運(yùn)用期和施工期的地基抗承壓水穩(wěn)定，為今后類(lèi)似工程的消能工設(shè)計(jì)提供了借鑒