已建樞紐深水庫區(qū)浮式導航設施設計關鍵技術

張公略，金國強，張善亮，孫國洪

（1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

1 問題的提出

依據(jù)船閘總體設計規(guī)范，船閘布置應避開泄水建筑物泄水時對船閘引航道進出口水流條件的干擾。當船閘與溢流壩、泄水閘、電站、泵站等建筑物旁靠時，其間必須有足夠長度的導航隔流堤隔開，保證船舶能順利進出船閘引航道。而我國早期建設的多數(shù)樞紐船閘，特別是一些中高水頭船閘，從當時的投資及樞紐綜合效益考慮，一般規(guī)模相對比較小，且在船閘與大壩泄水孔之間的導航隔流設施過短甚至沒有，隨著內河水運事業(yè)的高速發(fā)展，對該類船閘提出迫切的改造擴建要求。考慮在船閘改造后，庫區(qū)內上行、下行船舶將大大增加，為避免船舶在橫流作用下偏航誤入船閘臨近的溢洪道水域，威脅大壩及船舶安全，同時也可引導船舶能夠安全通暢地從水域寬闊的庫區(qū)引航道進入相對較窄的船閘[1]，因此，在船閘擴建改造時對于上游庫區(qū)導航隔流設施進行同步改造擴建也是必要的，其中增設浮式導航結構是最常見的做法。本文依托富春江船閘擴建改造工程，分析總結上游深水庫區(qū)增設浮式導航設施關鍵技術，提出一種基于多向限位連接機構的深水庫區(qū)浮式導航設施，為相關工程實踐提供參考。

2 工程概況

富春江水電站于1958年動工興建，1968年底發(fā)電，電站裝機6臺，大壩為混凝土重力式溢流壩，壩頂全長約600 m，壩頂高程為32.16 m，最大壩高為47.70 m，從左岸往右岸依次布置河床式廠房、河床式擋水及溢流設施、船閘等建筑物。富春江水庫正常蓄水位按23.00 m運行，汛期按照浙江省防汛指揮部的統(tǒng)一調度，采用預報預泄的方式調蓄洪水，蓄水位一般不超23.50 m，富春江水庫設計最低運行水位（死水位）為21.50 m[2-4]。正常發(fā)電時，水庫消落深度為0.50 ～ 1.00 m，建設區(qū)域水深為25.00 ～ 26.00 m。庫區(qū)內地質條件為上層為淤泥層，厚度約0.50 m，下層為中風化凝灰?guī)r。

3 設計方案比選

富春江樞紐原有船閘庫區(qū)引航道，在船閘與左側泄洪孔之間僅建設有35.00 m導航隔流墻，右側則為直立式岸壁墻導航靠船結構，在對船閘擴建改造工程中，考慮對庫區(qū)上游引航道進行改造，上游引航道平面布置基本采用原有引航道布置形式，對引航道右側現(xiàn)有導航靠船設施進行適當改造，以滿足1 000 t級船舶導航靠船要求，同時考慮到左側導航隔流墻偏短，擬對左側設置一定長度的導航設施，考慮到本工程為擴建改造項目，庫區(qū)水深大，防洪要求高，受限條件多，無法在船閘與溢洪道之間設置連續(xù)墻式的導航隔流結構，為此，對于上游引航道左側，保留原有隔流墻（35.00 m），并在其上游延伸加設長度約230.00 m浮式導航設施[2-3]。根據(jù)固定浮式鋼躉船的不同方式，共準備2個方案。

3.1 方案 1

方案1為大直徑鋼管嵌巖樁固定鋼躉船形式。該方案浮式鋼躉船采用鋼管嵌巖樁固定方式，鋼管樁布置在鋼躉船端部。鋼躉船與鋼管樁采用限位行走機構進行連接，同時，相臨躉船之間用錨鏈相互連接，鋼躉船可隨著水位進行升降。具體設計方案為:浮式鋼躉船導航設施長度227.60 m，布置6條鋼躉船，每條尺寸為35.00 m（長）×3.50 m（寬）×1.20 m（高），躉船吃水深約0.40 m。鋼躉船由嵌巖鋼管樁固定:鋼管樁布置在鋼躉船端部，樁與樁之間中心距為38.50 m，共7根。鋼管樁直徑2.50 m，壁厚25 mm，鋼管樁全斷面嵌入中風化巖深8.00 m。鋼管樁內部澆注C20混凝土，樁頂高程為30.40 m。鋼躉船與鋼管樁采用導軌進行連接，鋼躉船通過限位行走機構限位在2根鋼管樁之間；另外，相臨躉船之間用錨鏈相互連接以確保在校核高水位進躉船不脫離錨固定樁。平面布置見圖1。

圖1 浮式鋼躉船樁基方案示意圖

3.2 方案2

方案2為錨鏈固定鋼躉船結構形式。該方案浮式鋼躉船采用錨鏈固定方式，中間每艘躉船采用船首、船尾共4根錨鏈固定，錨鏈配套單個重15.9 t的鋼筋混凝土蛙錨。靠近隔流墩的鋼躉船一端采用錨鏈與隔流墩連接，一端采用錨鏈配套單個重15.9 t的鋼筋混凝土蛙錨進行固定。最上游端部的鋼躉船采用船首、船尾共5根錨鏈固定，錨鏈配套單個重17.5 t的鋼筋混凝土蛙錨。在20 a一遇洪水頻率以上，船閘停止使用的情況下，通過直徑32 mm的高分子強力纜將端部的鋼躉船與岸側的350 kN系船柱進行固定，平面布置見圖2。

圖2 浮式鋼躉船錨鏈方案示意圖

2個方案的優(yōu)缺點比較見表1[2-4]。

表1 深水庫區(qū)浮式導航設施方案比選表

綜合比較，最終方案1為推薦方案，即鋼管嵌巖樁固定鋼躉船結構形式方案。

4 數(shù)值模擬計算分析

對浮式導航設施，其結構主要承受的作用荷載為水平荷載，作用于設施上的主要外部荷載包括水流力、通航船舶擠靠力，其中重點計算分析的內容為浮式導航設施區(qū)各頻率洪水情況的水流流速。

4.1 水動力分析

本文根據(jù)富春江船閘擴建改造工程所在河段概況和現(xiàn)有資料情況，利用二維水動力模型分析庫區(qū)大范圍水動力條件和三維水動力模型分析局部水動力條件，結合浮式導航設施浮躉船結構特點采用冰蓋模型概化分析躉船區(qū)域的水流流速。冰蓋模型中，水面受到浮冰阻力類似與風力作用體現(xiàn)在表面應力上，滿足摩擦定律。

式中:cf是摩擦系數(shù)，us是水流平均速度（m/s）。摩擦速度與表面應力的關系可表示為:

摩擦系數(shù)可以用大曼寧系數(shù)和水深（浮冰范圍內水深是正常水深減去浮冰厚度）表示:

根據(jù)新建浮式躉船，冰蓋概化浮式躉船，冰蓋厚度（躉船吃水深）設為0.40 m，表面粗糙度為0.01 m。計算結果見表2。

表2 各頻率洪水引航道區(qū)域流速表 m/s

4.2 結構計算分析

對于作用浮躉船和樁基上的水平荷載，按照相關規(guī)范分別進行船舶擠靠力和水流力計算分析。經(jīng)計算，其中控制性荷載為水流作用，為此本文僅列出特征洪水頻率下作用在浮躉船的荷載和樁基的內力值成果（見表3 ～ 5）[4]。

表3 計算工況組合表

表4 不同頻率洪水鋼躉船上水流作用力計算結果表

表5 鋼管嵌巖樁計算結果表

5 浮式鋼躉船限位行走機構設計研究

在樞紐船閘中，庫區(qū)中建設的浮式導航結構一般均由墩體或樁基+浮躉船構成，其中躉船與兩側樁、墩的連接結構對于設施正常運行起著至關重要的作用。首先，在樁墩及躉船均按照結構承受荷載設計之后，其連接環(huán)節(jié)成為一個承載的薄弱環(huán)節(jié)；其次，根據(jù)目前我國水庫庫區(qū)調查，其漂浮物及垃圾還是存在很大比例，特別是汛期，兩岸垃圾隨著洪水匯集在大壩前沿，其中一部分由泄洪孔隨著洪水泄到下游，但是在船閘前沿，因汛期多為關閘停運，漂浮物匯集較多，很容易造成浮式結構在連接部位造成卡阻；另外，因在庫區(qū)浮躉船尺度較大，受到水流作用極易產(chǎn)生不平衡的浮動及搖擺，若連接機構設置不當，也容易造成卡阻，甚至躉船沉沒及損壞樁墩結構等事故。

經(jīng)調查研究表明，目前常規(guī)連接方式及問題有:①采用軌道槽與躉船上的滑塊或滾輪榫接，該方式引起庫區(qū)漂浮物等垃圾填塞軌道槽，經(jīng)常卡死軌道槽與躉船上的滑塊或滾輪，出現(xiàn)躉船無法浮動，或單側卡死現(xiàn)象；②采用錨鏈與樁墩連接，該方式同樣會引起庫區(qū)漂浮物等垃圾卡阻浮動結構，出現(xiàn)躉船無法浮動，還會出現(xiàn)遇到洪水時躉船漂移縱搖和橫搖幅度大，影響結構安全；③采用環(huán)形抱樁器與樁連接，該結構一般用于游艇碼頭浮橋設施的錨固，而對于受大洪水及船舶沖擊荷載較大，庫區(qū)垃圾較多的導航結構，同樣會出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

針對上述情況，提出一種連接樁基和鋼躉船的限位行走機構，實現(xiàn)鋼躉船限位和上下浮動。該限位行走機構安裝在鋼躉船兩端，同時在鋼管樁兩側焊接有軌道踏面結構，行走機構利用滾輪與軌道踏面結構接觸配合使得鋼躉船隨著水位的高低變化在豎直方向自由浮降且在相鄰鋼管樁之間實現(xiàn)水平橫向和縱向的限位及繞水平軸的搖擺。該結構的主要特點是:①限位行走機構采用上舉式設計安裝在鋼躉船上表面，使得滾輪離開水面一定距離，能夠有效避免庫區(qū)垃圾、漂浮物等對結構卡阻；②在每側行走結構支架上設置8個滾輪組件，通過在豎向布置2個滾輪，可以確保鋼躉船浮動過程中不產(chǎn)生大的搖擺，避免滾輪卡死現(xiàn)象；③在鋼管樁上設置的軌道踏面結構采樣截面為三角形的鋼結構支撐塊，具有2個相互垂直的踏面，可供限位行走機構的滾輪在其表面上下行走；④限位行走機構中的滾輪采用半包圍方式布置，即安裝在外側端柱上的滾輪橫向架設在軌道踏面結構的其中一個踏面上，安裝在內側端柱上的滾輪縱向架設在軌道踏面結構的另一個踏面上；⑤通過該踏面能將鋼躉船在2根鋼管樁之間實現(xiàn)水平橫向和縱向限位，也滿足滾輪的行走要求，能夠在豎向上隨著船體浮降在踏面上自由上下行走；⑥軌道踏面結構采取后期焊接即在鋼躉船及限位行走機構布置安裝完成后再焊接，按照限位行走機構設置部位，布置在鋼管樁外側，可以實現(xiàn)多個鋼躉船體與鋼管樁按照折線形布置（見圖3 ～ 4）。

圖3 鋼躉船體與鋼管樁連接平面圖

圖4 鋼躉船體與鋼管樁連接剖面圖

6 結 語

目前富春江船閘擴建改造工程已將本文提出的深水庫區(qū)浮式導航設施設計中關鍵技術進行全面應用，并且經(jīng)歷富春江樞紐建成50 a以來最大洪水的考驗，設施運行安全可靠。本文所提出的主要技術為:

（1）對于已建樞紐深水庫區(qū)增減導航結構提出技術可行、安全可靠的技術方案，即一種深水庫區(qū)大直徑鋼管植巖樁及浮躉船結構方案。

（2）針對該結構技術方案，提供一種三維數(shù)值模擬的計算分析方法，即采用冰蓋模型概化分析浮式導航設施區(qū)域的水流條件。

（3）研究設計一種多向限位連接機構，實現(xiàn)浮躉船與樁基之間的有效安全的連接，有效避免庫區(qū)垃圾、漂浮物等對于結構卡阻等問題，降低運行期障礙清除成本。

本文提出的深水庫區(qū)浮式導航設施設計關鍵技術具有一定理論性和創(chuàng)新性，并通過實際工程驗證，該關鍵技術可為類似工程提供參考。