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三洋港挡潮闸枢纽工程
发布时间:[2017-08-22]   浏览人数:173  来源:安徽省勘察设计信息网

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项目名称:三洋港挡潮闸枢纽工程

项目地址:江苏连云港

设计单位:中水淮河规划设计研究有限公司

所获奖项:2017年安徽省优秀工程勘察设计行业奖水利水电工程”一等奖

项目简介:新沭河治理工程西起大官庄枢纽新沭河泄洪闸,东至临洪口入海,全长约80km,是十九项治淮骨干工程沂沭泗河洪水东调南下续建工程的重要组成部分,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,在入海口新建三洋港挡潮闸枢纽的工程措施,将沂沭河洪水就近东调入海,腾出骆马湖、新沂河的部分蓄泄洪能力,接纳南四湖南下洪水,将该地区防洪标准由20年一遇提高到50年一遇,为经济社会可持续发展提供防洪除涝保障。

项目特点

1、通过科学合理的工程选址和总体布置,成功解决了复式宽阔河口大型挡潮闸施工导流、水流流态、生态蓄水与排涝、溯源冲刷等诸多技术难题

新沭河为复式河道,闸址处平均河道宽度1.5km左右,中泓宽约180m,走向在河口摆动,呈大的“S” 形弯,冲淤变化强烈,总体布置既要考虑地形、地质、泄流能力、水流流态、闸下冲刷及淤积等因素,还必须满足闸上蓄水、排涝及施工导流的要求。经过整体、河工模型试验、数值模拟及多方案技术经济比选,挡潮闸布置在现状中泓左侧,采用主槽集中布置的全深孔方案,排水通道跨原中泓布置,排水闸布置在挡潮闸与原中泓之间,与挡潮闸实现清污分流。

1)设计过程中比选了上、中、下三个闸地址方案,其中上闸址距海口约4.1km、中闸址距海口约2.0km、下闸址距海口约0.9km。从地形、地质、水流流态、施工条件、周围环境、管理、投资等方面,结合排涝、排水、施工期导流、闸上蓄水、闸下冲淤等因素进行了详细的技术经济比较,推荐距海口距离适中的中闸址方案,该闸址具有以下优点:闸址距海口距离适中,建闸后上游河槽蓄水量相对较大,下游可淤积河段相对较小;利用现有中弘导流,无需另行开挖导流泓道,施工布置较为方便;对下游三洋港口无影响,移民拆迁工程量小;上游引河与上游中弘连接基本平顺,上、下游导流堤基本对称,进出水流较平顺。

2)针对挡潮闸的型式,设计选择全深孔一闸方案、左浅孔右深孔的两闸方案、中深孔两侧浅孔的三闸方案进行比选,从工程投资、河势演变、调度运行、泥沙淤积及冲淤难度、水流流态等方面进行技术经济比较,河工模型试验表明,全深孔一闸方案泄流能力满足设计要求,沿程各控制点水位也均满足设计要求。深浅孔闸方案河道流态较紊乱,中间隔流堤附近有较强的竖轴回流产生,深孔闸流速分布严重左偏,隔流堤左右侧分流比不稳定,方案不能满足设计要求,因此挡潮闸采用主槽集中布置的全深孔一闸方案。

3)排水通道跨原中泓布置, 挡潮闸与排水闸分开布置在现状中泓右侧滩地上,两闸轴线一致,两闸中心线相距459m,清污分流,既满足了排涝要求,又保证了中泓蓄水的水质,同时该方案还具有两闸布置紧凑,两侧导流堤对称、进出水流条件较好的优点。

通过近4年的运行实践证明,设计确定的挡潮闸枢纽总体布置方案合理,既满足了泄洪时的水流流态要求,又满足了闸上生态蓄水的要求,同时彻底解决了河口深浅孔挡潮闸存在的分流比不确定、易造成闸下溯源冲刷的技术难题。

2、首次提出了一种新型的灌注桩-粉喷桩混合桩基础设计方案,采用水泥粉喷桩加固海淤土提高灌注桩水平承载力,成功解决了高潮差河口、深厚海淤土地基建高挡土墙的技术难题

三洋港挡潮闸位于黄海之滨,距新沭河入海口仅2.0km,闸址区普遍分布全新统海淤土地层,该层土厚约10~12m,呈流塑状态,标贯击数小于1击,压缩性高、强度低,水平及竖向承载力均较小,且在Ⅶ度地震时具有震陷可能性,因此本工程建闸的地质条件极差,工程设计过程中需要考虑的基础处理问题非常复杂,尤其是岸翼墙的设计,存在墙后地下水位高、墙后回填淤质土土压力大、下游墙前潮差大(一日两潮,最大涨潮潮差6.11m,最大落潮潮差5.93m)、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,由于下游墙前涨落潮时水位变化快,落潮时墙后淤泥土中地下水不能及时排出,导致设计中需要考虑的墙前、墙后最大水头差达5.35m,因此如何提高海淤土地基的水平承载能力,解决海淤土地基上高挡土墙(最大墙高12m)抗滑稳定问题是本工程的关键性技术难题之一。

经多方案比较,本工程首次提出了一种新型的灌柱桩-粉喷桩混合桩基础类型,突破了以往粉喷桩主要用于提高地基竖向承载的传统,考虑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工程建设中,与常规方案相比,节约工程直接投资300余万元,另外在海淤土中使用复合地基使基坑硬化,为后续施工创造了良好的施工条件,间接节省工程投资200余万元,累计节省工程投资500余万元。通过近五年的现场监测,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、深厚海淤土上建高挡土墙的技术难题,在国内同类工程中尚属首次。三洋港挡潮闸淤土地基上的灌注桩-粉喷桩混合桩基础设计方案为相似工程的建设提供了很好的借鉴,已在山东威海香水河挡潮闸等工程中得到推广应用。

3、挡潮闸闸室采用整体串联、半封底超大沉井基础,沉井内采用不对称填土,调整地基应力,设计理念先进,成功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

挡潮闸共33孔,单孔净宽15m,闸基下为厚约10~12m的海淤土,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),沉井群总长576m,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,成功解决了大孔口软基水闸的地基变形协调问题。

4、泵送水工高性能混凝土及其温控防裂技术

1)首次在沿海大型挡潮闸设计采用泵送水工高性能混凝土,大掺量磨细矿渣取代水泥,提高了混凝土致密性能,既成功解决了工程耐久性问题,又满足了工程施工的需求,同时也减少了工程投资

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,是挡潮闸设计中需要重点研究的又一关键技术问题。

为解决本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,结合本工程混凝土需泵送入仓的要求,首次在沿海大型挡潮闸工程中设计采用泵送水工高性能混凝土,大掺量磨细矿渣取代水泥,提高混凝土致密性能,根据研究,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,既解决了工程的耐久性问题,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,节约工程投资700余万元,经济效益显著,做到了质量、经济、环保、节能的完美结合。

工程设计及建设过程中,为解决本工程泵送水工高性能混凝土实际运用过程中的一些关键问题,建设单位、设计单位、科研单位和施工单位共同合作,完成了《沿海水利工程高性能混凝土关键技术研究》,通过理论上和实践上较为系统深入的研究,高性能混凝土运用过程中的一些关键性技术问题得到了有效解决,具体主要工作如下:

1)通过室内试验及现场拌制,研制了适合本工程泵送施工的大掺量磨细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。

2)研制了适合高性能混凝土、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:当母液掺量为0.4%时,减水率达29.5%,且钢筋耐盐水浸渍、耐锈蚀。

3)提出了基于等效时间的混凝土硫酸盐侵蚀寿命预测模型:采用提高侵蚀溶液温度和浓度的加速试验方法测得混凝土加速失效时间,根据建立的混凝土加速失效时间与耐久年限之间的关系,预测大掺量磨细矿渣混凝土的工程寿命在100年以上。

2)根据高性能混凝土早期温度变化规律,采用施工期三维仿真分析技术,提出了闸墩等大体积结构的综合温控防裂措施,成功解决了泵送水工高性能混凝土水灰比大、早期强度偏低,易产生早期温度裂缝的技术难题

水工高性能混凝土虽然其力学性能和耐久性能满足沿海水利工程的技术要求,但由于高性能混凝土的早期强度偏低,早期干缩变形及自收缩变形均相对较大,因此产生早期裂缝的风险随之增加。三洋港枢纽由于工期较紧,采用大惨量磨细矿渣、小粒径骨料和大流动性为特征的泵送水工高性能混凝土,同时三洋港闸存在混凝土结构尺寸大、结构复杂,以及施工气温高、风速大、昼夜温差大等诸多不利的因素影响,因此对高性能混凝土的温控防裂提出了更高的要求,施工中如控制不当,极易产生温度裂缝。

在工程设计、施工过程中,针对泵送高性能混凝土闸墩施工期混凝土温控防裂的难题,设计单位与其他参建单位一起,开展了《三洋港挡潮闸闸底板及闸墩高性能大体积混凝土温控措施研究》,对高性能混凝土的裂缝机理进行了系统分析,采用较为先进的仿真技术,利用混凝土结构温度场及徐变应力场三维仿真分析计算,实现了对完全模拟实际混凝土施工全过程的温度及应力的仿真计算。根据研究结果,提出了闸墩采取内通冷却水管降温、外表面加强保温、增设温度分布钢筋、降低泵送混凝土坍落度及掺加聚丙烯纤维的综合温控防裂措施;基于高性能混凝土施工初期内外温度变化规律,提出了一种快速制定温度控制措施的方法,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,从而准确及时地指导了工程施工。三洋港枢纽中墩厚达2.2m,缝墩厚1.45m,采取上述综合温控防裂措施浇筑的50个闸墩未出现一条温度裂缝,取得了很好的防裂效果,突破了水工高性能混凝土的应用瓶颈。

5、淤泥质河口挡潮闸闸下泥沙冲淤调控及消能防冲技术

1)采用多种研究手段相互印证,预测了各种洪枯组合条件下闸下河床的淤积量及淤积面貌,提出了合理的调度减淤措施

新沭河入海口为典型的淤泥质河口,潮水泥沙含量大,根据实测资料,大潮最大平均含沙量达45.07 kg/m3,最大涨潮流速达2.18m/s,最大落潮流速为1.67m/s,该段河床水动力及泥沙条件复杂,河道地形冲淤变化受制于潮汐动力、上游径流等诸多条件,特别是建闸后闸下河段的潮流由推进波变为驻波,进一步改变了水力条件,且建闸后必将减小河流径流量及改变径流分配过程,极易造成闸下河口淤积,影响挡潮闸的正常运行。因此,对建闸后闸下泥沙冲淤情况的预测及对行洪影响的研究分析,并提出合理的冲淤调度措施,成为挡潮闸设计过程中无法回避的又一关键性技术难题。

为了研究三洋港建闸后的泥沙淤积问题,设计采用物理模型、数学模型等多种研究手段相互印证,预测了各种洪枯组合条件下闸下河床的年淤积量、累计总淤积量及淤积面貌,根据1977~2005年实际来水过程情况下的泥沙淤积计算,年平均淤积量为7.19万m3,前3年平均淤积量为17.97万m3,如不采取合理的减淤措施,闸下平衡淤积量为208.6万m3,成果揭示的闸下淤积规律已被工程运行后实测资料所证实。

根据对闸下泥沙淤积预测及对行洪的影响分析,提出了从整个流域洪水调度的角度考虑,增加新沭河行洪水量、利用洪水资源冲淤及利用闸上河槽蓄水带水头差冲淤等减淤措施,为避免带水头差冲淤时毁坏闸下消能防冲设施,根据消能防冲计算结果,提出了具体的闸门冲淤调度管理办法,根据近4年的工程运行实践,设计提出的冲淤调度措施合理。

2)下游采用短海漫加垂直防冲排桩的综合防冲措施,成功解决了感潮河段复杂水位流量条件下挡潮闸普遍存在的低潮位、大流量行洪时闸下易产生冲刷的消能防冲设计难题

三洋港挡潮闸闸下为感潮河道,闸下水位受潮位控制,不受过闸流量的增大而很快抬高,闸下水位流量关系复杂,挡潮闸低潮位行洪时,闸下水流不上滩,集中在深泓通过,单宽流量大,另外挡潮闸上、下游河床土质为新近沉积的海淤土,抗冲能力极差,因此挡潮闸的消能防冲条件恶劣,极易产生溯源冲刷。针对如此恶劣的消能工况,设计通过数学模型按非恒定流进行泄流过程演算,计算在落潮过程中最大泄量及最大闸上、下游水位差,并按此水位及流量进行消能防冲设计,推荐采用一级挖深式降低护坦高程的消能方案,并采用下游短海漫加垂直防冲排桩的综合防冲措施,经模型试验验证,消能防冲效果良好,成功解决了感潮河段闸下复杂水位流量条件下挡潮闸普遍存在的低潮位、大流量行洪时闸下易产生冲刷的消能防冲设计难题,同时由于缩短了海漫长度,相应也节省了工程投资。近4年的运行实践表明,设计提出的消能防冲方案安全合理,闸上、下游消能防冲设施运行正常,闸上、下游未产生溯源冲刷。

6、首次研制了一种大型闭式传动启闭机系统,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,获得了国家发明专利

本工程单孔净宽15m,采用卷扬式启闭机,根据调研,常规卷扬启闭机存在体积大、安全度低、使用期维护工作量大的缺点。为解决上述问题,本工程设计了一种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的新型卷扬式启闭机,取消传统的开式齿轮,采用闭式传动,通过大速比减速器(四级),由低速轴直接驱动转轮转动,同步轴置于减速器低速轴、低速同步,同步轴转速由普通启闭机的750r/min降为4.5r/min,同时取消转动轴的中间支撑,克服了多点支撑同轴度低、轴抖动大的缺点。为解决挡潮闸启闭机数量多以及启闭机到配电房之间距离较远,启动电流较大的问题,在电动机接线中增加串联频敏变阻器,启动电流降低43%,大大提高了用电的可靠性。

三洋港挡潮闸设计的新型闭式传动启闭机具有承载能力大、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、安全可靠、外形美观等诸多优点。启门力为2×630kN,启门速度1.4m/min,卷筒直径650mm,启闭扬程10m,单层缠绕,滑轮组倍率为6,吊点间距10.4m,电机为YZR200L-8,减速器选用大速比减速器,型号为TE790-180(V),制动器YWZ5-315/50,电源为380V、50Hz。

经过近4年的运行实践,新型闭式传动启闭机运行正常、操作维修方便,确保了工程的安全运行。目前该新型启闭机已获得了国家实用新型专利,具有广泛的推广应用价值,已在江苏等多个水利工程项目中得到成功运用。

7、闸门及埋件采用复合防腐技术,成功解决了强腐蚀环境挡潮闸金属结构防腐蚀的难题

三洋港挡潮闸距离黄海入海口约2km,处于海洋侵蚀性环境,其海水是相当均匀的含盐溶液,主要成分是NaCl,其次是MgCl2及极少的其他可溶性矿物质,因此金属结构设备防腐蚀问题是工程的难点和重点之一。

1)门叶防腐采用复合防腐

设计采用在闸门门叶喷锌后涂刷新型海洋轮船等设备用的防腐油漆佐敦油漆,其底漆为环氧底漆Penguard Primer Sea,中间漆为改性耐磨环氧漆Jotamastic 87,面漆为聚氨脂面漆(Hardtop As),此方法大大增强闸门的抗海水腐蚀性。

2)埋件防腐采用STNiCr耐蚀合金铸铁

为了进一步提高闸门埋件铸铁的力学性能或耐蚀性能,三洋港闸门主轨、反轨及底槛等埋件材料均采用STNiCr耐蚀合金铸铁,合金铸铁主要合金成分为:Ni、Cr、Mn、Si、Cu、Sb。在铸铁中加入少量合金元素,使铸件表面形成牢固的、致密而又完整的保护膜,阻止腐蚀继续进行,并提高铸铁基体的电极电位,提高铸铁的耐蚀性,同时又改善了铸铁力学性能和机械加工性能。

工程近4年的运行实践表明,设计采用的闸门及埋件防腐效果良好,极大地减少了工程的维护保养费用,也为相似工程的建设提供了很好的借鉴。

8、提出采用“块石坝截流、袋装土闭气、水中平抛护底、两岸双向进占”的中泓截流方案,成功解决了高潮差、双向水流条件下的潮汐河道截流技术难题

新沭河老中泓位于枢纽的右侧,河口宽约180m,河底约▽-6.5m,底宽约80~100m。中泓为潮汐河道,最低潮水位约为▽-3.0m、最高潮水位约为▽3.0m 。根据2010.9.28实测潮型,涨落潮时河水最大流量约1210m3/s、流速约2.1m/s。中泓截流具有如下特点:中泓为潮汐河道,潮差大、双向水流,且涨落潮流速非常大 ;截流时既要考虑潮水的影响,又要考虑上游洪水的影响;河底为厚约6m的淤泥 ,抗冲能力差,对截流坝的稳定非常不利。因此,如何合理选择中泓截流时机及截流方案,对工程影响较大,也是设计中的又一难点。

针对本工程的截流特点,设计单位和各参建单位一起,共同研究制定了“块石坝截流、袋装土闭气、水中平抛护底、两岸双向进占”的中泓截流方案,龙口合龙时实测最大流速达6m/s,累计填筑块石量达11万吨。针对块石坝闭气时下游潮位高、渗透量大、土方冲失严重的问题,采取高潮位集土,灌装袋土,低潮位进占等施工方法,完成了块石坝闭气,确保了截流戗堤的稳定、安全,成功实现了中泓截流。

9、采用不抽干基坑积水,水中填土筑堤,堤防出水面后再对已筑堤身及淤土地基采用粉喷桩处理的设计方案,成功解决了海淤土地基、跨河道堤防施工困难及工后沉降大的技术难题

挡潮闸及排水闸均布置于泓道左侧滩地,施工期利用原中泓河道导流,挡潮闸具备导流条件后封堵原中泓,填筑右岸跨中泓连接路堤,连接堤长约168m,顶宽9.5m,堤高约14m,上、下游边坡坡比均为1:6,堤基下海淤土厚约3.5m~6.0m,强度低、压缩性大。因施工期三洋港闸址处原中泓河道冲刷加深,向已施工完成的排水闸下游排水通道靠近,如按正常施工方案抽干基坑集水、清基后干地施工存在以下问题:①排水通道与原中泓之间的隔堤挡潮水头差达10.4m,对隔堤的稳定及已建建筑物的安全带来不利影响;②基坑水抽干后影响上、下游围堰的安全;③由于截流坝为块石坝,抛石护底长度为36.8m,下游围堰存在渗流,积水难以抽干;④干地方案基坑降水、清基均需一定的时间,堤身需从堤基逐层碾压至堤顶,且软基筑堤需控制填筑速率,加之场区土层含水率均达50%以上,需长时间翻晒后方可上堤,制约施工进度。鉴于干地筑堤存在的诸多问题,设计在理论分析计算的基础上,提出了不抽干基坑积水,水中填土筑堤,堤防出水面后再对已筑堤身及淤土地基采用粉喷桩处理的设计方案,确保了已建工程安全,加快了工程施工进度。

根据近4年的工程观测资料,已建跨中泓路堤水平及垂直位移较小,满足相关规范及堤顶道路的正常使用要求。海淤土地基水中填土筑堤在本工程的成功应用,为以后解决类似工程问题积累了宝贵的经验。

10、采用新型防腐型铅包扁钢构建防雷接地系统,同时对裸露在空气中的电气设备加强物理隔离和除湿,成功解决了海水对接地网的电化学腐蚀问题

海水对金属材料表面的腐蚀是由于海水中含有的氯离子穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生原电池电化学反应引起的,同时,氯离子含有一定的水合能,易被吸附在金属表面的孔隙、裂缝中排挤并取代氧化层中的氧,把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物,使钝化态表面变成活泼表面,造成对产品极坏的不良反应。

为规避常用的接地镀锌扁钢在海水环境下容易被电化学腐蚀的缺陷,保证用电安全,设计采用铅包扁钢作为接地网材料,并采用覆盖铅层的各类型专用连接器搭接接地网,避免采用熔焊产生的铅蒸汽对施工人员造成损害。

 


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