界牌樞紐船閘引航道優化設計

穆 森，吳志龍

(中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

1 工程概況

界牌航電樞紐位于鷹潭市城區下游12.5 km處的信江干流，是一座以航運為主，結合發電、灌溉等綜合利用工程。原樞紐自右岸至左岸依次布置Ⅲ級船閘1座、右支12孔泄水閘1座、溢流壩及擋水壩各1座、左支8孔泄水閘1座、左岸水電站1座以及過壩公路等建筑物[1]，見圖1。

圖1 界牌樞紐布置

信江為國家規劃的內河高等級航道，界牌航電樞紐所屬航段規劃為三級航道。自2002年運營以來，由于庫區淹沒損失等因素，樞紐正常蓄水位比設計正常蓄水位低2 m，導致樞紐船閘達不到三級通航的要求，且電站無法按照設計工況運行，效率低下。因此，界牌航電樞紐亟需進行改造。

2 船閘平面布置與優化

2.1 船閘平面布置

界牌樞紐改建工程包括改建1座Ⅲ級船閘、增設1座電站和1條魚道，對原電站、泄水閘金屬結構、啟閉機械及大壩安全監測改造等。改建后的樞紐能夠滿足航運、發電及灌溉等要求。其中，船閘在原有閘址上改建，其中心線較原船閘軸線向河側偏移22.7 m，上閘首與原船閘上閘首齊平，為樞紐擋水建筑物的組成部分。船閘等級為Ⅲ級，有效尺度為180 m×23 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)，采用曲線進閘、直線出閘的過閘方式。船閘上、下游導航調順段長162 m(水平投影長度)，是斜率為1/6的直線。停泊段長240 m，布置在河側。口門段設180 m長分水墻，保證引航道內流速滿足船舶航行要求。壩頂交通橋從上閘首上游跨過，連接壩頂與右岸交通(圖2)。

圖2 改建船閘布置初步方案(單位：m)

由于樞紐船閘改造工程引航道口門區及連接段與主流存在一定夾角，因此其通航水流條件應加以重點研究。為了解決通航建筑物在樞紐中的平面布置，確保船舶在引航道口門區連接段的航運安全，確保工程設計的經濟、結構的安全合理，需要通過模型試驗驗證船閘改造工程整體布置方案的合理性，并通過比較提供優化的樞紐建筑物布置方案。

考慮到界牌船閘靠河道右岸布置，下游引航道與界牌洲右側河道順接，整體較為平順，因此在試驗中開展了自停泊段至口門區不設置混凝土掛板的初步方案研究[2]。上下游導航墻、停泊段及分水墻布置同圖2。

根據實際調度情況，確定的試驗研究工況見表1。

表1 船閘引航道口門區通航水流條件試驗工況

初步方案試驗結果顯示，在船閘引航道停泊段和口門區不設混凝土掛板時，河道水流可直接流過靠船墩與分水墻，在上游下泄小流量工況(T1-S～T5-S)下，船閘上下游引航道口門區水流條件均較好，各流速指標均能夠滿足規范要求；在大流量工況(T6-S～T8-S)下，水流在引航道停泊段出現明顯流向偏轉，在靠近河道側的一定范圍內區域出現橫流超標現象(橫向流速限值0.3 m/s，縱向流速限值2 m/s)[3]，對船舶停靠帶來不利影響。初步方案的船閘上、下游引航道口門區典型水流流速分布見圖3、4。

圖3 初步方案大流量工況下船閘上游引航道口門區典型水流流速分布(流速：ms)

圖4 初步方案大流量工況下船閘下游引航道口門區典型水流流速分布(流速：ms)

2.2 引航道布置優化

為改善引航道口門區水流條件，并考慮降低分水墻端部以外航道內斜向水流強度，在引航道停泊段及分水墻段采用掛板封閉引航道，其中停泊段完全封閉，分水段半封閉(即掛板底部透空)。經過多種方案比選，最終采用的優化方案為：上游分水墻總長140 m，掛板底高程均為20.5 m；下游分水墻總長140 m，分水墻上游前3個掛板底高程為13.3 m，第4、5個掛板底高程均為14.3 m，第6、7個掛板底高程均為15 m。推薦船閘布置方案見圖5，分水墻掛板形式見圖6。

圖5 推薦船閘布置方案(單位：m)

圖6 分水墻掛板布置形式(單位：m)

根據試驗結果，優化后船閘上游引航道口門區水流流態相對較好，各工況下引航道停泊段水流平穩；當來流量達到或超過5 a一遇洪水時，上游引航道口門區存在局部橫向流速超標區域，但超標范圍小于1/4航道寬度，基本能夠滿足船舶航行要求；下游引航道口門區水流流速指標基本能夠滿足規范要求，但在下游航道連接段(距口門區分水墻末端150 m以下部分航道)存在局部橫向流速較大區域，占1/5～1/4航道寬度，須提醒船舶盡量靠岸邊行駛，確保航行安全。改善方案的船閘上、下游引航道口門區典型水流流速分布見圖7、8。

圖7 改善方案大流量工況下船閘上游引航道口門區典型水流流速分布(流速：ms)

圖8 改善方案大流量工況下船閘下游引航道口門區典型水流流速分布(流速：ms)

3 引航道結構優化

3.1 問題

根據原地質勘查報告，下游主導航墻建基面位于弱風化基巖上，巖體的容許承載力為0.8～1.0 MPa，抗剪摩擦系數為0.3～0.4。鉆孔揭示靠船墩側約140 m(即4#～17#主導航墻)導航墻的巖面高程為19.0～24.9 m，巖面較下游引航道底高程13.3 m高很多。原設計中此段主導航墻采用混合式結構(上部重力式+下部襯砌式)，上部重力式結構采用梯形斷面，頂高程31.3 m，底高程19.0～24.9 m，頂寬2.0 m，底寬7.9～9.5 m；下部襯砌式結構頂高程19.0～24.9 m，底高程11.8 m，前趾埋入引航道底高程下1.5 m，前趾寬度2.0 m。通過計算，下游主導航墻最大基底應力為0.7 MPa，在基巖的允許承載力范圍內，同時整體穩定性驗算也滿足《船閘水工建筑物設計規范》[4]的要求。原下游4#～17#導航墻典型斷面見圖9。

圖9 原下游4#～17#導航墻典型斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

在工程實施過程中，待下游主導航墻基坑開挖后，發現4#～11#結構段巖石存在發育裂隙，原設計中采用的錨桿在施工中會進一步破壞巖石完整性；12#～17#結構段原建基面位置存在較大的人工采石區及淤泥區。因此原混合式結構不再適用。

3.2 優化方案比選

3.2.1重力式結構(方案1)

墻身為梯形重力式結構，頂高程31.3 m，底板底高程11.8 m，擋墻頂寬2.0 m，底板寬度12.0 m，底板厚度1.5 m。結構形式見圖10。通過計算得知，該整體式結構方案的整體穩定性驗算滿足《船閘水工建筑物設計規范》要求，該方案投資增加約277萬元。

圖10 方案1斷面

3.2.2重力墩+掛板結構(方案2)

導航(靠船)墩中心間距20.0 m，兩墩之間采用預制混凝土掛板連接。導航墩頂尺寸為4 m×3.5 m(長×寬)，底板尺寸為17 m×8 m×3 m(長×寬×厚)；掛板厚2.0 m。結構形式見圖11。

圖11 方案2斷面

通過計算得知，該整體式結構方案的整體穩定性驗算滿足《船閘水工建筑物設計規范》要求，該方案投資增加約181萬元。

3.3 方案對比及推薦方案

方案1的抗船舶撞擊能力強，且施工簡單，增加投資較高。方案2投資比方案1少96萬元，但對原方案改動較大，且抗船舶撞擊力較弱，安全性稍差；同時墩身、掛板的鋼筋用量遠大于方案1，施工復雜，所需工期較長，不能滿足緊迫的工期要求。因此，推薦界牌樞紐船閘改建工程下游4#～17#主導航墻結構由混合式結構調整為重力式結構。

4 結語

1)通過在靠船段增設掛板，引航道形成封閉區域，有效解決了引航道導航調順段橫流超標的問題，在此基礎上通過試驗調整優化了分水墻長度及分水墻段掛板高程。

2)通過對兩套方案的綜合比選，解決了由于地質條件突變引起的引航道原設計方案不適用的問題，確定突變影響范圍內的導航墻采用重力式結構代替原設計的混合式結構。