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1、1 8 4 塑婆塞!用科学的方法进行l 临淮岗洪水控制工程设计孙业文( 中水淮河工程有限责任公司蚌埠2 3 3 0 0 1 )摘要针对国家重点木利工程临淮岗洪水控制工程设计时需要解决的多项关键技术难题t 设计人员通过广泛调研认真研究，采用科学的方法，详细分析比较了多种方案，使得临淮瞄洪水控制工程初步设计顺利通过了水利部规划设计总院的技术审查，井得到了有关专家的充分肯定，美谰临淮瑚浅孔闸进洪闸主坝设计方法一、工程概况临淮岗洪水控制工程位于淮河干流中游，工程主体地处安徽省霍邱、额上两县交界处，下游距正阳关2 8 k i n 。临淮岗洪水控制工程为淮河大洪水控制工程，它与上游山区水库、中游行蓄洪区、
2、淮北大堤以及茨淮新河、怀洪新河等共同构成淮河中游多层次综合防洪体系，主要任务是调蓄洪水，削减洪峰，使滩河中游防洪标准由不足5 0 年一遇提高到1 0 0 年一遇。该工程为I 等大( 1 ) 型工程，设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为千年一遇。临淮岗洪水控制工程由主坝( 土坝) 、南、北副坝( 沿岗堤) 、4 9 孔浅孔闸、1 2 孔深孔闸、姜席湖进洪闸、临淮岗船闸、城西湖船闸下闸首以及上、下游引河等组成，主要建筑物均为1 级建筑物。原l | 缶淮岗工程按综合利用水库兴建主要任务是灌溉和防洪于1 9 5 8 年开工，1 9 6 2 年因经济困难而停建。停工时已建成1 0 孔深孔闸、4 9 孔
3、浅孔闸、5 0 0 t 级船闸及淮河主槽以南主坝、部分副坝和上、下游引河等工程。4 9 孔浅孔闸为f 临淮岗洪水控制工程主要建筑物之一。位于引河北侧滩地上。原浅孔闸为开敞式钢筋混凝土闸室，单孔净宽1 0 m ，共4 9 孔，设计流量9 5 0 0 m 3 s 。建成以后未经挡水设计条件考验工程老化破损严重，闸门等设备被移作他用仅起到连接两岸交通的作用，急需加固改造。姜唐湖进洪闸位于老淮河主槽与4 9 孔浅孔闸问的主坝段中部，闸中心线桩号为3 + 5 7 0 o o 。姜唐潮进洪闸为新建闸其主要作用是当截流水位超过2 8 m ，或正阳关水位超过2 6 4 m ；或者当临准岗下泄流量大于7 0 0
4、 0 m 3 s 时开闸进洪，利用姜唐湖蓄( 行) 洪区和其他工程一起提高淮河中游淮北大堤防洪标准。按照淮河河道治理规姓要求，在河道设计水位情况下( 设计流量为7 0 0 0 甜s ，上游水位为2 6 ，9 m ，过闸落差0 2 m ) ，姜唐湖进洪闸进洪流量为2 4 0 0 m s s 。主坝为该工程的主要挡永建筑物，采用碾压式均质土坝，总长8 5 4 5 m ，坝顶高程3 1 6 m 坝顶宽度 O m ，坝高约1 2 1 3 m ，最大坝高1 8 5 m ( 淮河主槽段) 。主坝纵向沿坝轴线被4 9 孔浅孔闸、姜唐湖进洪闸以及淮河主槽由南向北分割成5 个坝段t 连接段、姜南段、姜北段、主槽
5、段和淮北段。其中连接段、姜南段和姜北段为老坝加固段，主槽段和淮北段为新填筑坝段。临淮岗洪水控制工程点多面广建筑物类型多、种类多。在工程设计中遇到了多项关键技术难* 孙业文，中水淮河工程有限责任公司，高级工程师虽登堂塑直鎏鲨鱼I 堕塞凼进坐鳖趔王塞亟进18 5题，限于篇幅，本文只介绍设计人员利用科学的方法，精心论证刻苦攻关。圆满解决了的技术难题。二、4 9 孔浅孔闸底板加固问题1 工程存在的问题由于4 9 孔浅孔闸工程中途停工，无竣工资料，给工程加固设计带来了很大的困难。根据原部分设计图纸及现场调查，本闸为在底板上隔跨分缝的开敞式闸室结构，共4 9 孔，每孔净宽I O t a ，中墩厚1 6 m
6、 ，闸身总宽5 6 6 8 m ；闸底板厚1 4 m ，顺水流方向长17 m ；闸底板上设有高0 8 m 的低堰。根据原设计图纸分析，原闸室底板设计采用倒置粱法计算配筋，导致底板底层配筋较少，配筋率仅为0 0 5 且闸墩底部附加钢筋( 垂直水流方向) 长度仅为3 4 m ，每侧伸出墩边仅0 9 m 。底板的配比和锚固长度均不满足现行规范要求。2 闸底板加固方案根据S I ，2 6 5 - - 2 0 0 1 水闸设计规范，采用弹性地基梁法对原底板抗弯强度进行复核计算，结果表明，底板原低堰部位结构断面配筋不满足现行规范要求，必须进行加固处理。针对底板抵抗正弯矩强度安全系数不足和底层钢筋配置较少且
7、又无法增加的实际情况，通过分析计算，设计采用增加底板断面尺寸和调整上部荷载的综合措施。( 1 ) 增加底板断面尺寸。拆除原底板上的低堰及分水槛之后，将整块底板加厚0 4 m ，以提高底板整体抗弯强度。同时因原墩底附加钢筋较短，在距墩边0 5 l m 范围内底板抗弯安全系数小，故考虑在闸墩两侧增设宽1 m 、高1 5 m 的贴脚，以提高距墩边0 5 1 m 范围内底板的抗弯安全度。在底板加厚0 4 m 及墩边加做贴脚情况下，若将闸墩3 1 m 高程以上实体墩墙改为排架结构，保留3 l m 高程以下原有结构不变并在闸墩每侧增浇l O c m 混凝土护面。经采用弹性地基梁法计算，正常工况下底板距墩边
8、0 5 m 处的底板下部抗弯安全系数为1 2 7 ，距墩边l m 处的底板下部抗弯安全系数1 4 ，抗弯安全系数较规范规定值1 6 5 差距较大。为确保加固后的工程安全，仍需采取其他措施以提高底板抗弯安全系数。( 2 ) 调整上部荷载。为提高底板抗弯安全系数，单纯依靠加厚底板显然不够经济。因此，对底板进行结构补强的同 时，再采取调整上部荷载的措施。根据闸墩及闸室上部结构的现状，加固设计考虑将3 1 m 高程以上墩墙改为排架结构的同时，新建启闭房采用轻型钢结构，将重建的工作桥和公路桥中心线往上游移，以减小不平衡剪力；由于原下游弧门支座及闸墩外悬部分已失去作用，故将其拆除，既改善了闸身整体外观，又
9、减轻了上部荷载，另外将闸墩下游2 7 5 m 高程以上部分实体闸墩拆除改用桥柱与帽粱结构以支撑公路桥。在采取上述综合措旌后，采用弹性地基梁法对底板进行抗弯强度验算，距墩边0 5 m 、1 m 处抗弯安全系数分别为1 5 、1 6 3 ，其余部位抗弯安全系数均满足要求。采用弹性地基粱法进行软基上闸底板内力分析，由于进行了诸多假定，与实际情况很难十分吻合，只能认为是一种比较实用的近似方法。结合本闸建成已有4 0 多年。基底反力调整已经完成其分布也要比新建闸初始反力均匀得多，因此目前闸底板强度控制截面的实际内力要比计算值小。弹性地基粱法不能完全考虑闸室结构的整体作用，理论计算值较实际值偏大。原底板上
10、下游布置的齿墙刚度大其对底板内力分布的有利作用在平面结构计算中未予计人，而且采用弹性地基粱法计算抗弯安全系数偏小部位( 宽约0 5r n ，长约4 m ) 仅是整块底板的局部。参考三维有限元分析计算结果，距墩边0 5 m 处抗弯安全系数达2 2 。综上分析，对原闸室采用底板补强和上部卸载措1 8 6 选逭塞!施加固后的闸室结构满足规范要求的强度标准。为保证新加混凝土与原混凝土的紧密结合，在新老混凝土间设锚筋( 16 7 5 0 ) 。通过上述处理，既满足了结构强度要求，同时也解决了原底板混凝土碳化等问题。三、姜唐湖进洪闸的消能防冲问题1 工程存在的问题姜唐湖蓄( 行) 洪区面积1 2 1 k
11、m 2 ，库容7洪闸消能防冲问题突出，必须很好地解决。6 1 亿m 3 ，库容大尾水上升缓慢，造成姜唐湖进闸下消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下都能满足消散动能与均匀扩散承流的要求，且应与下游蓄( 行) 洪区水流有良好的衔接，不致引起危害性冲刷，其具体形式应根据水位流量情况、地质条件、消能效果等进行技术经济比较综合选用。对于重要的水闸工程一般都需进行水工模型试验，对水力计算成果进行验证。设计人员根据水力计算结果，提出模型试验技术要求，根据试验成果，再对设计方案进行优化。姜唐湖进洪闸闸址区勘察深度内地层主要分为8 层。自上而下分别是( O ) 层人工填土( 粉质牯土和重粉质壤土) 、(
12、2 1 ) 层中重粉质壤土、( 3 ) 层粉质粘士、( 4 ) 层轻粉质壤土夹砂壤土、( 5 ) 层细砂、( 7 2 ) 层轻粉质壤土、( 8 ) 层粉质粘土及( 9 ) 层中、轻粉质壤土。闸室底板位于第( 3 ) 层粉质粘土上，该层厚2 2 5 3 m ，承载力标准值1 9 0 2 0 0 k P a 。其下卧层第( 4 ) 层轻粉质壤土夹砂壤土和第( 5 ) 层细砂( 稍密中密) 厚度分别为0 3 4 1 m 和1 5 6 3 m ，属更新世( Q 3 ) 沉积，承载力分别为1 4 0 1 5 0 k P a 和1 6 0 1 7 0 k P a ，在7 度地震条件下不会液化。2 消能防冲
13、设计方案( 1 ) 消能方案比选。根据工程规划，姜唐湖进洪闸消能设计控制工况为：闸上水位2 6 9 m ，闸下无水，开闸泄流2 4 h 要求达到设计流量2 4 0 0 m 3 s 。为满足上述条件，经计算其消能防冲最佳效果的闸门开度与相应的持续时间见表l 。表1闸门开度、藏、库窖裹闸门开度上游水位下游水深( m )开启时间累计时间流量库容下游水位( m )( m )始柬( h )( h )( m 3 s )( 亿m 2 )( m )O 52 6 91 52 22 27 4 01 8 0 01O2 6 91 524 l1 921 4 0 10 9 1 61 9 5 01 2 52 692 4 1
14、2 3 21 7 0 51 1 6 22 0 4 118 92 6 80 82 0 6 8根据闸址地形与工程地质条件，消能工采用底流消能方式，并初拟海漫顶高程为1 8 m 、1 6 m和1 5 3 m 时，对如下几种消力池方案进行比选。1 ) 挖深式消力池。当海漫高程为1 8 m 时，经计算，消力池深2 3 m ，底板顶高程1 5 7 m ，池长4 0 5 m ，F 。= 4 5 3 ，消能效果较好。海漫长1 0 1 5 m ，海漫末端冲刷深度1 0 6 m ，位于地质第( 5 ) 层细砂层，防冲处理困难。可比投资3 1 6 3 万元。当海漫高程为1 6 m 时，经计算，消力池深1 3 m ，
15、底板顶高程1 4 7 m ，池长4 5 m ，F 。一4 8 3 消能效果好，海漫长8 0 m 。可比投资3 0 5 8 万元。2 ) 尾坎式消力池。当海漫高程为1 6 m 时，采用尾坎式消力池，计算得坎高2 5 4 m ，池底高程1 6 m ，池长3 9 6 m ，海漫长8 0 m R = 4 4 6 ，产生波状水跃，消能效果不佳，不予采用。! 里型堂笪亘羹堂鱼堕蕉崮邀壅蕉趔王矍遮进118 7当海漫高程为1 5 3 m 时，采用尾坎式消力池，计算得坎高2 4 1 m ，池底高程1 5 3 m ，池长4 2 8 m ，F 。一4 5 9 ，消能效果好海漫长7 2 m 。可比投资1 2 9 6
16、万元。3 ) 综合式消力池。在上述方案的基础上，拟定海漫高程为1 6 m 时，计算得坎高0 5 m ，消力池挖深0 4 m ，池长4 0 r n 海漫长8 3 m 。可比投资1 4 6 9 万元。拟定的三种消力池方案均能满足消能要求，并且三方案的消能效果基本相同。但尾坎式消力池方案投资最省故推荐采用尾坎式消力池，消力池底板高程为1 5 3 m ，经水工模型试验验证，消力池底板还可抬高1 m ，设计时采用消力池底板高程为1 6 3 m 。( 2 ) 防冲方案比选。结合水闸消能布置，经对各种运用工况防冲计算确定海漫长度为7 2 m 。海漫中后部及防冲槽位 于第( 5 ) 层细砂层( 高程1 3 9 m ) ，需采取防冲措施以免细砂被淘刷。设计时考虑两种防冲方案海漫末端设地下连续墙方案和降低海漫末端高程方案进行
