孫 勇 陳高義 成 銀

一、工程概況

蚌埠閘樞紐興建于上世紀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、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。

蚌埠閘擴建工程是淮河干流正陽關(guān)～蚌埠近期河道整治的一部分，整個工程實施以后，使得此段河道能夠達到1955年淮北大堤加高加固時確定的規(guī)劃水平（即閘上游水位23.088m，下游22.968m，設(shè)計過閘落差0.12m的工況下，整個樞紐的泄洪能力為13000m3/s。）。蚌埠閘擴建工程為大（1）型工程，主體建筑物級別為I級。新閘位于老閘與淮北大堤之間的灘地內(nèi)，與老閘軸線一致，新老閘中心線相距396.8m。新閘采用開敞式結(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，遠景蓄水位18.37m。

蚌埠閘擴建工程工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜。場區(qū)地形起伏較大，整個灘面高程10～19m，大體為兩邊高中間低，低洼處為修建老閘時遺留的導(dǎo)流渠。閘基為第（3）、（4）層粉質(zhì)粘土，強度較高，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，補給主要來自西北方向淮北地下水，水量豐富，與淮河無水力聯(lián)系。

2000年11月23日蚌埠閘擴建工程主體工程開工；2002年4月工程通過水下工程驗收，隨即開始下閘擋水；2002年12月主體工程完工；2003年11月工程通過竣工驗收。

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

二、主要設(shè)計特點

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給工程的施工造成很大的影響。由于工程場區(qū)存在高承壓水層，施工需降低承壓水位保證基坑安全，顯然新老閘距離過近可能造成施工期老閘較大的沉降，進而影響老閘的安全。工程場區(qū)承壓水主要來自淮北地下水，非汛期與閘下水位有較大差值，因此設(shè)計閘下消能設(shè)施時除滿足水力條件外，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，減少和避免對原有建筑物的影響，合理解決施工期和運用期承壓水的問題，關(guān)系到工程的總體布置、規(guī)模和投資。在具體設(shè)計中，經(jīng)過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)計方案越來越完善，形成了較為鮮明的設(shè)計特點。

1.統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，合理確定工程總體布置方案

設(shè)計時綜合考慮水流、地質(zhì)和地形因素的影響，進行了多方案的比較。限于篇幅，下面僅對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老閘的影響，確定新老閘中心線相距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300m。模型試驗顯示：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)垂線平均流速0.85m/s，右側(cè) 1.55m/s，右側(cè)進流遠大于左側(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，對新閘進流有一定的影響。綜合分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因有以下幾點：（1）新閘上游口門（喇叭口）不夠大，影響主槽水流進入引渠，來水不暢；（2）新老閘相距較遠，新閘偏離河道主槽，使得左側(cè)的閘孔過流能力很低；（3）新、老閘之間導(dǎo)堤過長，影響主槽水流進入引渠，從而導(dǎo)致新閘右側(cè)回流嚴重。

設(shè)計過程中綜合考慮水流條件和施工難度，通過多次修正整體布置和水工模型試驗確定的最終布置方案如下：新老閘中心線相距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110m，適當(dāng)擴大上游喇叭口。模型試驗顯示：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)垂線平均流速1.1m/s，右側(cè)1.53m/s。新閘閘上中心線南移并適當(dāng)擴大進口喇叭口后，進閘水流流線彎曲減小，水流較為順暢，閘前行進流速增大，新閘進口水流趨于均勻。新閘上游導(dǎo)堤縮短后，回流范圍明顯減小，基本對新閘進流沒有影響。

從模型試驗看出，新閘南移并適當(dāng)擴大上游喇叭口后，新閘過流能力在減少1孔的情況下仍增加210m3/s，可見軸線位置和喇叭口布置對過流能力的影響之大。但新閘南移給工程施工帶來了很大的影響。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，則施工期間對老閘產(chǎn)生的影響就有可能越大，增大了施工期的風(fēng)險。另外，新閘施工期間利用老閘北側(cè)封閉堤作為施工圍堰，新閘南移后施工場地變得狹窄，使得施工新閘南岸岸墻和翼墻時必須采取支護措施方能確保圍堰的穩(wěn)定。

工程設(shè)計中綜合考慮了上述因素，分析了新閘軸線南移后基坑降承壓水對老閘的影響，對新閘南岸岸墻和翼墻施工采取了鋼筋混凝土灌注樁支護，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)難點是平面布置設(shè)計，受眾多因素限制，它們既互相聯(lián)系，又彼此制約。其中承壓水問題是主要矛盾，能否妥善處理好施工降水，成為工程設(shè)計成敗的關(guān)鍵。

根據(jù)老閘28年（1960～1988）觀測資料顯示，該層承壓水位為15.0～18.0m，汛期較高，非汛期較低，補給主要來自淮北地下水，水量豐富，與淮河無水力聯(lián)系。設(shè)計時承壓水位汛期取18.0m，非汛期16.5m。經(jīng)計算，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僅由于降水而導(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。上述計算沉降值為最終沉降量，而實際上粘土沉降過程緩慢，而基坑降水歷時僅1年左右，因此可以認為總沉降量和不均勻沉降量均較小，可以認為深井降水對老閘不會產(chǎn)生明顯的不利影響。

工程施工期間設(shè)計與科研、施工單位一起，根據(jù)工程場區(qū)承壓水主要從西北方向補給的特點，采用直線補給邊界的井點降水分析方法分析，并通過現(xiàn)場抽水試驗，采用非封閉降水布置的方案，即以基坑北側(cè)抽排為主，輔以兩側(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（實測僅個別點最大值為17 mm，一般不超過10 mm），確保了老閘的安全，同時也使新閘盡量靠近老閘得以實現(xiàn)，改善新閘進流條件的同時，減小了閘孔規(guī)模，節(jié)約了工程投資。

工程實踐證明，對于閘基基坑底為隔水層且層底有承壓水作用時，施工期間不一定要將承壓水降至建基面以下，但應(yīng)進行坑底的抗沖潰穩(wěn)定分析和滲流分析，確?？拥淄翆釉谑┕て诘陌踩?。對于非對稱補給的情況，特別是單向補給為主，周圍有老建筑物的情況，建議可采用直線邊界井點降水計算方法進行分析。

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

消力池是基坑開挖最深的部位之一，消力池的設(shè)計不僅僅是一個水力學(xué)問題，其深度和長度直接影響下游翼墻的長度和高度，另外對蚌埠閘擴建工程而言，更直接影響施工期和運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年觀測資料，并經(jīng)統(tǒng)計分析，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)計方案為挖深式消力池，池長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30m，頂高程7.5m。根據(jù)計算和水工模型試驗驗證，該方案能夠滿足消能要求。但由于消力池開挖較深，減小了粘土覆蓋層厚度，對于施工期和運用期該部位抗沖潰穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定不利。根據(jù)計算（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)池底粘土層開挖頂高程6.4m，池長20m，尾檻高程8.5m，后接海漫和防沖槽，其中海漫長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，該方案能夠滿足消能要求。根據(jù)計算（條件同初始方案），采用該種方案在工程運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，均滿足規(guī)范要求，無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

蚌埠閘擴建工程水流條件、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)計中通過模型試驗和計算分析，以解決施工期的承壓水問題為突破口，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現(xiàn)，合理選定了工程布置方案，改善新閘進流條件的同時，降低了閘孔規(guī)模，節(jié)約了工程投資。

蚌埠閘擴建工程設(shè)計中根據(jù)承壓水補給不對稱的特點，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行安全的矛盾。

設(shè)計針對工程場區(qū)承壓水位與閘下水位差值較大的特點，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，縮短消力池長度，不僅降低了翼墻高度，減少消力池土方開挖量，節(jié)約了工程投資，而且也有利于運用期和施工期的地基抗承壓水穩(wěn)定，為今后類似工程的消能工設(shè)計提供了借鑒