临淮岗洪水控制工程设计关键技术及应用

杨 中

（中水淮河规划设计研究有限公司，233001蚌埠）

临淮岗洪水控制工程为淮河中游防洪控制关键骨干工程，当淮河上中游遭遇50年一遇以上洪水时，临淮岗工程的启用可使淮河中下游防洪保护区内的防洪标准提高到100年一遇，为京沪铁路和京九铁路、多条高速公路、煤矿、电厂、城市及1000多万人口提供安全保障。该工程在淮河流域防洪保安、水资源利用及促进流域经济社会稳定发展方面的作用均非常重要，堪称“治淮新丰碑”。

一、工程规模

临淮岗工程工程规模为Ⅰ等大（1）型，设计洪水标准100年一遇，相应的坝上设计水位28.41 m，滞洪库容85.6亿m3，下泄流量7362m3/s；校核洪水标准为1000年一遇，坝上校核水位29.49m，滞洪库容121.3亿m3，下泄流量17965m3/s。该工程是国家“十五”计划重点项目和治淮十九项骨干工程之一，工程搬迁人口2.56万人、永久性占地1270 m2，临时性占地1130 hm2，工程静态总投资22.7亿元。

二、工程总体布置

临淮岗洪水控制工程从右岸至左岸布置南副坝、临淮岗船闸、城西湖船闸下闸首、12孔深孔闸、上下游引河、49孔浅孔闸、主坝、14孔姜唐湖进洪闸以及北副坝等建筑物。

1.主坝

主坝位于霍邱县和颍上县境内，全长8.55km，净长7.02km，其中加固部分净长3.90km，新建部分净长3.12 km，其上由南向北依次布置有城西湖船闸及临淮岗船闸两座通航建筑物，深孔闸、浅孔闸及姜唐湖进洪闸三座泄水建筑物。主坝坝型为碾压式均质土坝，坝顶高程31.60 m，最大坝高21.0 m，坡比 1∶2.5～1∶3.0，上、下游在 27.60 m高程各设2.0 m宽马道；坝顶宽度10.0 m，上设1.2 m高混凝土防浪墙及7.6 m宽混凝土路面；上、下游坡面采用150 mm、220 mm及240 mm的开孔垂直联锁式混凝土预制块护面。

2.副坝

副坝分为南、北副坝，采用碾压式均质土坝坝型，南副坝全长8.41 km，北副坝全长60.56 km，坝顶高程32.11～32.85 m， 坝顶宽度 6.0～8.0 m，坝顶设混凝土防汛道路，最大坝高分别为11.0 m及12.0 m。南、北副坝沿线共重建、新建、加固建筑物52座。

3.浅孔闸

49孔浅孔闸为临淮岗工程的浅孔泄水建筑物，100年一遇设计洪水过流能力17827m3/s，加固后的闸底板顶高程为20.5m，闸墩为1.8m，闸孔孔径为9.8m，开敞式闸室结构，底板分缝，闸室总宽566.6m，设双扉平面钢闸门及QPZ×160kN-12.5m （两台） 启闭机。

4.姜唐湖进洪闸

姜唐湖进洪闸布置在主坝姜唐湖段中部，设计进洪流量2400m3/s。闸室采用两孔一联山字形开敞式钢筋混凝土结构，整体式平底板，两孔一联，底板厚 2.0 m，顶高程 19.70 m，共14孔，每孔净宽12.0m，中墩厚1.5 m，缝边墩厚1.3 m。闸室顶部布置有人行便桥、启闭机房、公路桥等，闸室两侧布置桥头堡。工作闸门采用弧形钢闸门，尺寸 12.0 m×7.92 m，弧门半径10.0 m， 配 QHJ-2×225kN-12 m弧门卷扬式启闭机。

5.深孔闸

深孔闸是临淮岗工程的深孔泄水建筑物，连通临淮岗上下游引河，承担临淮岗工程各种水位条件下的泄水与控制任务，滩槽以下河道来水主要由其下泄，设计平槽泄量1090m3/s。深孔闸共12孔，单孔净宽8 m，顺水流向长度为17 m，闸底板高程14.90 m，胸墙式闸室结构，钢筋混凝土筏式底板，在闸室中部设横隔梁。闸室左右侧布置岸墙并兼作桥头堡基础，钢筋混凝土空箱结构，桥头堡为4层框架结构。深孔闸每孔设一扇平面钢闸门，配QPQ-2×200kN卷扬式启闭机。

6.上、下游引河

引河开挖全长14.39 m，上引河长3.71 km，下引河长 10.68 km，上引河河底高程14.90 m，下引河河底高程14.90～14.10 m，底宽 160 m，河道比降0.7/10000，边坡 1∶4。

7.临淮岗船闸

按临淮岗枢纽工程总体布置，在原深孔闸位置新建临淮岗船闸，通航标准为500 t级，闸室尺寸为130 m×12 m×2.6 m（长×宽×门槛水深），上下闸首为钢筋混凝土整体式结构，筏式底板，两侧空箱边墙。人字钢闸门，短输水廊道。

8.城西湖船闸

城西湖船闸为Ⅳ（4）级，100 t级，1967年由原临淮岗船闸改建而成，参与主坝防洪，是沟通淮河与城西湖的航运通道。加固改建保留了老闸室长度109 m，新建上闸首，改建下闸首。下闸首为钢筋混凝土整体式结构，两侧空箱边墙。改建需拆除部分老结构，形成门墩，通航净宽扩大为8 m。主闸门为双扉平面滑动直升式钢闸门。

三、工程设计关键技术及应用

1.工程总体布置

临淮岗工程主河道内建筑物相对集中，是工程总体布置的难点与核心。临淮岗主坝上下游河道宽约2.5 km，在20世纪60年代按临淮岗水库的设计标准开工建设了涵洞式深孔闸、49孔浅孔闸、船闸、引河及主坝等，河道宽度大，建筑物数量多，总体布置既要考虑各建筑物彼此协调与相互影响，又需考虑老建筑物的利用方式，其复杂程度属国内宽阔平原河道之最。经过水工模型试验论证及多方案比选，优化了总体布置。新建了深孔闸、船闸，拆除老深孔闸，保留了老船闸原有使用功能，调整了引河河线。优化布置，取得了良好的工程效果：

①老涵洞式深孔闸出流阻水严重，导致水流偏向左侧，产生横向流，闸前壅水，出现大范围回流区，过流落差增大，影响泄流。优化布置改变了深孔闸布置形式，消除了上游壅水及横向流现象，水流条件大大改善。

②引河河线顺直，水流平顺，降低了坝前淤积与坝后冲刷的风险，改善了航道条件。

③在深、浅孔闸之间及深孔闸与船闸上引航道之间分别设分流岛，消除了深、浅孔闸之间回流区，并保证了上游引航道水流平顺。

④保留了老船闸原有使用功能，方便了城西湖对外航运。

“临淮岗洪水控制工程总体布置研究”获得 2006年度“安徽省科学技术一等奖”，根据研究成果优化主河道内建筑物布置，节省工程投资约1900万元。

2.无绳索开孔垂直联锁混凝土砌块新技术

主坝在设计和校核工况时，上、下游水域开阔（吹程8～21 km不等），因此主坝上、下游坝坡均需采取防护措施。主坝护坡量大面广，坝基下有软弱下卧层，坝体沉降量较大，不宜采用混凝土护坡。如若采用砌石护坡，单块砌石重量不小于60 kg，块石总量约需11万m3，工程护砌量大、工期紧，而且料石采购困难、施工难度很大、质量难以控制。如若采用普通的实体混凝土砌块，砌块厚达35 cm，单块重量100 kg以上，砌块制作及人工铺砌施工均有一定的难度，工程投资也较大。

将单个护坡砌块连接成整体，可以大大提高砌块护坡的抗风浪效果，减薄护坡厚度，节省工程投资。根据调研，国外人力资源成本较高，砌块铺砌一般采用机械化施工，因此国外砌块护坡的连接一般是采用砌块侧面开孔，通过缆绳将一组砌块连接在一起，在施工前装配，通过机械吊装施工。国内劳动力成本较低，加之尚未开发出高效的砌块护坡施工机械，因此设计适用人力施工的开孔垂直联锁砌块，减小护砌厚度，节约工程成本是可行的。

为解决长吹程、高风浪条件下主坝护坡存在的上述难题，设计大胆采用开孔垂直联锁砌块这一先进的技术，通过定量研究砌块开孔和垂直联锁结构的抗波浪作用效果，并比较不同开孔率、不同咬合方式及咬合深度对砌块稳定性的影响，确定了砌块的开孔率、联锁榫长和块体的厚度。最终试验研究证明，特别设计的开孔，有利减小波浪作用产生的浮托力，相同波要素条件下，可减小护砌厚度；垂直联锁设计可实现砌块间的相互咬合，增强整体性，提高抗波浪作用效果；在相同坝坡和波要素条件下，开孔和垂直联锁两种措施较水平联锁砌块可减少30%～50%护砌厚度。据统计，临淮岗主坝采用开孔垂直联锁砌块可节约混凝土3万m3左右，节省工程投资约1000万元。

临淮岗主坝开孔垂直联锁混凝土砌块护坡技术参数如下：①砌块尺寸：平面尺寸40～50 cm，单体重量50～70 kg；②开孔孔径：砌块开孔孔径15 mm；③开孔率：砌块开孔率7.5%；④联锁榫长：联锁榫长3～4 cm；⑤强度、密度：强度等级不小于C20，密度不小于2.20 g/cm3。

开孔垂直联锁砌块技术已通过水利部国际合作与科技司组织的鉴定，鉴定结论为达到了国际领先水平。

临淮岗主坝首次将开孔垂直联锁砌块成功应用于水利护坡工程中，并解决了设计过程中一系列的技术难题，为该砌块的推广应用开了先河。该成果获得2005年度大禹水利科学技术奖三等奖及2005年度淮委科技进步奖特等奖，被水利部列为重点科技推广项目。

3.薄层混凝土温控防裂技术

在设计过程中，针对49孔浅孔闸加固改造工程施工期混凝土温控防裂的难题，通过研究墩墙结构混凝土应力分布状况，对墩墙结构混凝土的裂缝机理进行了系统分析，正确及时地提出避免类似结构裂缝产生的工程措施 （采用减小钢筋直径和间距的配筋方式、常态混凝土、改善混凝土配合比、浇筑前两天对老混凝土面进行洒水浸润养护、降低混凝土浇筑温度、加强养护和保温，通过观测内外温差来控制拆模时间等）。通过理论上和实践上较为系统深入的研究，一些关键性技术问题得到了有效解决，确保工程没有出现裂缝。截至目前，经过近5年的运行，未发现闸墩外包薄壁混凝土表面有明显裂缝产生。“临淮岗洪水控制工程原49孔浅孔闸加固改造工程外包混凝土防裂限裂研究”获2004年度安徽省科学技术三等奖。

4.软基上深孔口大型水闸中隔板布置技术

深孔闸闸室总高32 m，按7度抗震设防，建在软基上，为增加闸室横向刚度，采用整体式加设水平中隔板闸室结构。通过水工模型试验，研究并改进了中隔板布置形式。隔板改为中隔梁，并将中隔梁抬高布置。闸室布置形式改进后，完全消除了存在于中隔板下的气泡，闸室水流流态平顺，也降低了闸室泄流阻力，增加了5%的闸孔过流能力。对闸室新结构建立整体结构与弹性地基、截渗墙联合作用模型，运用三维有限元方法，对结构在施工阶段、各种运行工况及地震情况下应力进行综合分析，确定了适当的闸墩施工顺序，为闸室结构、防振动和抗震设计提供了依据。

《软基上深孔口大型水闸设计施工新技术研究（临淮岗深孔闸工程新技术应用）》获2005年度安徽省科学技术三等奖。

5.软土地基电解质式位移监测新技术

主坝淮北段坝基下有一层厚2～4m的淤泥质软土，此软弱下卧层分布较广、厚度较大，且强度低、含水率高。在此软基上修筑土坝，施工过程中如坝体填筑过快，极易导致坝体及坝基的剪切破坏，为避免出现这种情况而拖延工期，该项目在国内首次设计采用了电解质式位移监测系统，进行施工期坝体内部位移监测，与传统的振弦式垂直位移和水平应变监测方法相比，能绘制出垂直位移和水平应变的连续曲线，具有稳定性好且精度高的特点。

采用了电解质式位移监测系统后，坝体内部变形情况能及时得到监测，科学合理地控制施工强度，这样就能相对连续填筑坝体土方，减少间歇工期，加块坝体土方填筑进度，据测算采用该项技术后，至少能缩短主坝填筑工期5～8个月，节省工程投资近800万元。

电解质式位移监测系统在临淮岗主坝淮北段的率先应用，对国内大坝内部位移监测的技术是一个促进，它的电解液式传感器原理打破了垄断国内监测行业多年的弦式仪器生产工艺，它所包含的“一条连续的变形曲线”一改国内传统的“点”式监测内部位移的技术手段，它的“高精度”（精度可达0.01 mm/m）“自动采集”优势符合水利工程现代化的要求，为工程安全监测技术发展积累了宝贵的经验。

该项研究成果是水利部的科技创新项目，对于类似软基上土石坝及大堤施工期安全监测方面具有较大的推广价值，科技成果“临淮岗洪水控制工程主坝施工安全监测技术研究”荣获2005年度淮委科学技术奖一等奖。

6.膨胀性土料筑坝处理技术

临淮岗原主坝坝坝体、坝基、料场部分土料具有膨胀性，如不采取处理措施，将对以后工程的运行安全造成极大隐患，主坝设计过程中，重点分析了膨胀性土料筑坝易产生破坏的主要原因，设计采用在坝壳外包2.5m厚非膨胀性土料的具体措施，并在坝体稳定分析时对膨胀性土料力学指标进行折减，处理措施施工方便、经济合理，减少了料场征地，节约了大量土地资源。

7.定位沉船截流技术

淮河主河槽截流是淮河干流上的首次，如何合理选择截流时机及截流方案，对工程影响较大，也是设计中的一个难点。2003年11月23日淮河提前一年实施截流，截流施工时淮河水位居高不下，实际流量大于设计流量的21%，经测算，截流时最大流速超过6 m/s，截流后水位落差高达3.7 m。针对上述情况，设计单位和各参建单位一起，共同研究制定了“单向进占、单戗堤、定位沉船、双向合龙”的截流方案，确保了截流戗堤的稳定、安全，成功实现了淮河截流。

8.蓄（行）洪区进洪闸综合消能技术

姜唐湖进洪闸闸下为姜唐湖蓄（行）洪区，初始进洪时，闸下为无水状态，因闸下姜唐湖蓄（行）洪区库容大，尾水上升较缓，大流量小水深的运行时间长，是进洪闸设计中无法回避的难题。针对如此恶劣的消能工况，设计采用了多种消能措施：①在闸室后水平段设0.5m高的平台小坎，使水流挑起后抛入消力池，形成第一次消能；②水流在消力池内形成水跃，完成底流式消能，能量再次消散；③出池水流在尾坎后跌落旋滚，进一步消杀能头。水工模型试验表明，进洪闸消耗总能头为4.60 m，其中，消力池消能率91%左右，消能效果较好。

四、结 语

临淮岗工程设计通过采用新型的总体布置形式、结构形式和新材料、新技术新工艺，成功解决了废旧水工建筑物加固改造和各新建水工建筑物设计、施工、运行中的一系列复杂关键性技术问题，其中无绳索开孔垂直联锁混凝土砌块新技术达到同期国际领先水平，宽阔平原河道总体布置、薄层混凝土温控防裂、深孔闸闸室中隔板等技术，其主要设计水平及技术成果达到同期国际先进水平，共获国家及省部级以上奖励十余项，在技术创新方面有公认的突出成就，对推动水利工程建设行业技术发展具有重大影响，取得了良好的社会经济效益。工程于2007年6月通过竣工验收，总体投入运行以来，工程已经历多个汛期的考验，各方面运行正常，操作方便，满足工程使用要求。

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