澮河固鎮復線船閘設計綜述

王善春

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥　230011)

?

澮河固鎮復線船閘設計綜述

王善春

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥230011)

摘要：沱澮河航道是溝通豫皖兩省的重要省際航道，固鎮復線船閘是該航道上重要節點工程，也是該航道第一個大尺度的通航建筑物，該船閘建設具有一定的示范性作用。文章通過選址、總平面布置、輸水系統、水工建筑物及主要施工措施等，從設計角度進行分析與總結，以期為類似工程設計、施工、建設提供參考依據。

關鍵詞：沱澮河航道；固鎮復線船閘；設計

澮河固鎮復線船閘工程是沱澮河航道梯級開發重要節點工程，是該航道上第一座大尺度通航建筑物。沱澮河航道為溝通豫皖兩省的重要省際航道，是豫皖兩省及中部地區重要的水運通道之一和淮河水系航道網的重要組成部分，對推動區域經濟發展有著十分重要的作用，航道規劃等級為Ⅳ級[1]。

隨著水運開發的加速和航道沿線地區經濟社會的發展，豫、皖兩省大量物資將轉入沱澮河航道運往江浙各地。目前，豫皖兩省正在加快沱澮河復航工程建設步伐。

1建設規模與標準

固鎮復線船閘設計代表船型為500 t級貨船，兼顧船型為1 000 t級貨船。按1 000 t級Ⅲ級通航建筑物設計,主體工程標準為二級水工建筑物,船閘尺度為200 m×23 m×4 m(閘室長×口門寬×檻上水深)。船閘設計年通過能力為1 332萬t。

2工程水文、地質

澮河航道標準為Ⅳ級,設計最高通航水位的洪水重現期為10年，設計最低通航水位保證率取95%[1]。對有調節能力的綜合利用樞紐，上游設計最高通航水位取正常蓄水位和同標準天然河流航道設計洪水位的高值，上游設計最低通航水位取樞紐死水位和最低運行水位中的低值。下游設計最高水位取下一梯級的上游設計最高水位加動庫容的水位抬高值，或取實測水位計算值，下游最低通航水位取下一梯級的上游設計最低通航水位(即下游回水位)。

本項目閘上最低通航水位采用閘上設計最低蓄水位為14.37 m，且與上一級樞紐閘下最低通航水位等值銜接；閘下最低通航水位采用懷洪新河最低蓄水位為13 m。閘上、閘下最高通航水位采用10年一遇設計洪水位，分別為18.54 m和18.42 m。

校核洪水位采用20年一遇水位，閘上19.02 m，閘下18.87 m。檢修水位采用正常蓄水位，閘上17 m，閘下14.67 m。

水位組合見表1所列。

表1　水位組合　　　　　　　　　　m

注：①為反向水頭。

閘首、閘室等主體部分的底板位于第⑤3層粉質黏土、⑥1層粉土、⑥2層黏土、⑥4層粉土以及⑦層粉質黏土之中。地基承載力較高，能夠滿足閘首、閘室基礎設計要求，但是其中有粉土地層，具有中等透水性，基坑開挖過程中需要采取降排水措施，以防止地基流砂和管涌，保證工程具備干地施工條件。

3閘位選擇

固鎮樞紐位于固鎮縣城南側，樞紐由節制閘和老船閘組成，節制閘在左側，老船閘在右側。

復線船閘選取節制閘左、右兩側2個位置進行比選，需要考慮場地地形、地質條件、新建船閘與已有節制閘、船閘以及上游的京滬鐵路澮河大橋、下游省道S101澮河大橋相互關系、上、下游引航道與航道的銜接、工程實際實施難度以及船閘及樞紐的管理等方面因素。

(1) 右岸方案。復線船閘與老船閘在河道同側，閘位布置在老船閘右側的河灘地上，新建船閘主體中心線基本平行于澮河右堤布置，其中心線與節制閘右側邊墩相距187 m左右，與老船閘軸線夾角為10°。上游引航道與航道之間呈“S”彎狀相接，交角較大。距城市建成區較遠，基本沒有房屋拆遷，實施難度較小，與老船閘布置在同一側，便于管理，但上游引航道與航道之間的銜接不夠順暢，地質條件較好。

(2) 左岸方案。復線船閘布置在堤內河灘地上，與老船閘分別位于節制閘兩側。閘位所在位置大堤需向左堤后方退建，后退最大距離為140 m，處在城市建成區域內，拆遷量大，實施難度較大。上游引航道設微彎段過鐵路橋與上游航道銜接，下游引航道設彎道跨河槽與下游航道相連，上、下游連接較為順暢，地質條件較好。

對于右岸方案，上游引航道與航道之間的銜接不順暢及交角較大問題，經水工模型試驗研究[2]，通過拓寬口門區水域寬度、彎道內側加寬等措施，可明顯改善口門區水流流態，引航道與口門區水流條件可以滿足船舶安全航行[3-6]，為推薦閘位。

4總平面布置

上閘首為防洪閘首，順擋水建筑物延線布置，閘室布置在下游。上閘首前緣中心線距老船閘中心線115.3 m，兩中心線呈10°交角。引航道采用不對稱型布置[3,5,7]，引航道內布置導航建筑物和靠船建筑物，上、下游主導航墻與靠船建筑物均布置在右岸。上游引航道退建大堤布置，引航道以外采取拓寬航槽等措施與通過鐵路橋的航道直線段銜接，下游引航道順灘地布置與下游航道銜接。上、下引航道外布置停泊區，過閘橋從上游導航墻上跨越，與現有道路順接。下游澮河公路大橋跨越下游引航道，與現有橋頭接線順接。

4.1輸水系統設計

本船閘上下游最大水頭差為4.13 m，多年平均水位差為2.5 m。根據規范[5,8]，輸水系統類型采用集中輸水系統方案。

船閘承受雙向水頭，通航期間一般為正向水頭，洪水期會出現反向水頭，但已不通航，閘門關閉度汛。通過比選，輸水系統采用短廊道輸水或短廊道與三角閘門縫聯合輸水,即先由短廊道輸水，待水位差減小流速指標降低后再開啟三角閘門進行輸水。

根據Bernoulli方程，可以列出單級船閘輸水時的非恒定流方程組[5]。用迭代和差分法求解方程組，可得到船閘聯合輸水過程的水力特征值，如流量過程線、水位過程線等。

通過計算，最大水頭4.13 m的充水水力特性曲線如圖1～圖4所示。

當最大水頭為4.13 m時，充水閥門開啟時間為300 s，閘室輸水過程中最大充水流量為72.9 m3/s，閘室斷面最大平均流速為0.214 m3/s，廊道進口流速最大平均流速為3.47 m/s，充水時間為445 s。以上指標滿足設計和規范要求。設計采用短廊道和三角閘門縫相結合的輸水系統，輸水時間縮短，船舶過閘效率提高，有利于提高船閘通過能力。

圖1　聯合輸水流量過程線

圖2　水頭差變化過程線

圖3　閘室斷面平均流速變化過程線

圖4　廊道進口平均流速變化過程線

4.2水工建筑物

上、下閘首為鋼筋混凝土整體式結構，平底板空箱式邊墩，三角門型。采用環形短廊道集中輸水，環形輸水短廊道布置于閘首兩側邊墩內。閘首結構設計可以采用沿底板縱向分段簡化為平面問題計算，也可以按三維結構采用有限元法分析[9]。閘首底板按半無限大彈性地基梁計算時，沿縱向分為門前、門庫及支持墻3個計算特征段，在各計算特征段截面處計入不平衡剪力，按平面問題計算內力后再進行整體化調整。邊荷載分布長度取1倍閘底板半寬，回填土產生的彎矩，當使底板彎矩增加時取70%，使底板彎矩減少時取30%。閘首邊墩計算，假定三角閘門支持墻段與邊墩其他部分設縫分開，獨立承受全部閘門推力，按雙向彎曲受壓公式計算，邊墩中的廊道按平面框架計算。邊墩空箱側壁，距底板1.5L(L為箱內隔墻跨度)高度范圍內，按三邊固定一邊簡支板計算，距底板1.5L以上部分按多跨連續梁計算。

閘室為整體鋼筋混凝土塢式結構，順水流向分段，每段長度為18 m與20 m。閘室底板簡化為平面形變問題按半無限大彈性地基梁計算；閘室閘墻按固定于底板上的懸臂梁計算，按偏心受壓公式計算內力。邊荷載分布長度取1倍閘底板半寬，回填土產生的彎矩，當使底板彎矩增加時取70%，使底板彎矩減少時取30%。

上、下游導航墻采用鋼筋混凝土扶壁式結構，上、下游靠船建筑物采用墩式結構。

4.3深基坑支護、防滲帷幕及降排水

復線船閘基坑采用干地大開挖施工方案，開挖深度在12 m左右。根據實際地形條件、新建復線船閘與老船閘相距較近、基坑土質狀況、水文水位等因素，為了確保主體工程基坑開挖所需的邊坡整體穩定、施工期堤防和隔堤安全以及深基坑防滲，在復線船閘下閘首、下游導航墻及部分閘室靠近老船閘下游引航道側，距下閘首邊墩外緣約26 m處，順水流方向布置鋼筋混凝土排樁支護工程。支護工程[10]采用鉆孔灌注樁基礎，單排布置，樁徑為1 m，樁間距為1.3 m，樁長為10 m，上部為現澆鋼筋混凝土擋墻，墻高為3 m。該支護在主體工程施工期間發揮深基坑開挖支護作用，施工結束后作為老船閘下游引航道右側護岸結構物，在基坑側支護排樁后約7 m處設置垂直防滲墻。垂直防滲墻采用密排水泥攪拌樁帷幕墻，墻身有效厚度不小于0.3 m，有效樁長為14 m，采用雙頭或多頭攪拌機施工，水泥摻量為18%，水灰比控制在1，成型后帷幕滲透系數不超過1×10-7cm/s。

場地范圍地層由素填土、黏土、粉質黏土和粉土組成，閘底板位于粘性土與粉質土層。粘性土滲透系數在1×10-5～4×10-5cm/s，具有弱透水性；粉土地層滲透系數在3×10-4～6×10-4cm/s之間，中等透水性。考慮基坑鄰近河道，受河水位影響大，為提供干地施工條件，在基坑與老船閘下游引航道之間設置防滲帷幕進行封水、阻水處理基礎上，采用深井降水結合明溝排水。深井沿主體工程基坑四周布置，井距為40～50 m。具體降水方案包括井深、井距、井數等,通過現場抽水試驗合理確定。

5結論

(1) 船閘總體布置設計時，需要充分考慮到上下游、左右岸、空中與地下及各方面規劃等各種邊界條件影響，進行多方案比選論證，當總體布置受到某些因素制約有可能影響到過閘船舶通行安全時，必須通過模型試驗研究確定。

(2) 船閘結構復雜，采用有限元法進行設計，可以直觀地反映結構構件在各種荷載組合下的應力應變趨勢，據此進行結構設計，既能保證設計質量，做到配筋合理，又可以節省工程造價。

(3) 船閘閘首、閘室都屬于大體積或構件較厚的混凝土結構，在施工期受外界與自身溫度變化等因素影響易于形成各種形式裂縫。本工程從設計、施工兩方面采取措施對裂縫開展進行控制。設計中在結構截面突變位置設置后澆帶，在預期的變形較大位置設置施工寬縫，在拉應力集中部位設置抗拉構造鋼筋等。施工時選擇抗拉性能較強的混凝土級配，選用影響水化熱和收縮性較小的外加劑和摻合料，在構件內

布設循環冷卻水管，加強保濕保溫養護等，對控制混凝土裂縫起到良好作用。

(4) 在透水性較大的粉土地層上進行船閘工程施工，采取穩妥的施工降排水措施，使船閘基坑整體穩定，基坑具有持續干地施工的保障。本工程采用深井降水措施，方法得當，布置合理，有效降低地下水位，取得預期效果。

(5) 本工程采用水泥攪拌樁防滲帷幕，方便施工，成樁后通過開挖檢查，攪拌樁之間咬合緊密，樁身固結良好，防滲阻水效果明顯。

固鎮復線船閘目前主體工程已按預期標準與要求建成并交工驗收，該船閘的建成將大大提高固鎮樞紐通過能力，有利于發揮沱澮河航道整體航運效益，對區域經濟發展起著重要作用。

〔參考文獻〕

[1]GB 50139-2014，內河通航標準[S].

[2]王昆.固鎮復線船閘水工模型試驗研究[J].中國港灣建設,2011(1):52-54.

[3]JTJ 305-2001，船閘總體設計規范[S].

[4]JTJ 182-1-2009，渠化工程樞紐總體設計規范[S].

[5]王作高.船閘設計[M].北京：水利水電出版社，1992.

[6]周華興.船閘通航水力學研究[M].哈爾濱：東北林業大學出版社,2007.

[7]涂啟明.船閘總體設計與圖例[M].北京：人民交通出版社，1992.

[8]JTJ 306-2001，船閘輸水系統設計規范[S].

[9]JTJ 307-2001，船閘水工建筑物設計規范[S].

[10]中國土木工程學會土力學及巖土工程分會.深基坑支護技術指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

收稿日期：2016-01-15;修改日期：2016-02-04

作者簡介：王善春(1963-)，男，安徽廬江人，安徽省交通勘察設計院有限公司高級工程師．

中圖分類號：U641.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0053-04