西江航运干线桂平二线船闸设计关键技术

吴 信

(广西交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530011)

1 工程概况

桂平二线船闸工程是西江航运干线扩能关键节点之一，位于广西桂平市郁江、黔江、浔江三江汇合口郁江上游约2.5km处，桂平航运枢纽一线船闸右侧.西江航运干线西起南宁、东达广州，全长854km，由郁江、浔江、西江、珠江组成，是桂、滇、黔地区水运物资运输的重要通道.目前南宁至广州航道整体为Ⅲ级航道，其中贵港至界首段为Ⅱ级航道，界首至广东肇庆段Ⅱ级航道正在施工.

根据广西内河航运发展规划，贵港以下航道远期将提升至Ⅰ级航道，通航3000 t级船舶.桂平航运枢纽已运行的一线船闸，标准为Ⅲ级，船闸的有效尺度为190m×23m×3.5m(有效长度×有效宽度×槛上水深)，设计通过能力为1100万t/a(下行).桂平二线船闸按Ⅰ级船闸标准建设，船闸有效尺度为280m×34 m×5.6m;设计代表船型为3000 t级货船、2×2000 t级顶推船队、2000 t级货船、2000 t级港澳航线多用途集装箱船;设计通过能力为3100万t/a(下行).

2 工程地质

桂平二线船闸工程处在郁江Ⅰ级阶地上，地形较平坦，地面高程一般在38～43m，大部分为农田、旱地，局部为相对低洼的平坦地块，地面高程一般约36m，无深大冲沟切割，宏观地貌属岩溶准平原.

工程开展了详细的地质勘察，除了采用常规钻孔勘察及现场试验外，还采用跨孔电磁波透视(CT透视)的方法对上、下闸首及闸室区域岩石进行探测，为较好确定船闸本体段的位置，避开不良地质区提供可靠依据.

工程场地内的上覆地层为路基填筑土和第四系冲积的黏土，下伏基岩为泥盆系中统东岗岭阶灰岩.泥盆系中统东岗岭阶灰岩(D2d)为硬质岩类碳酸盐岩石，岩层较平缓.岩溶作用沿各种构造裂隙面、节理裂隙面发育，形成以浅部垂直发育为主的岩溶特点.场地发育的岩溶类型主要有溶沟、溶槽、溶洞、溶蚀裂隙、溶孔等.

上闸首岩溶发育强烈，岩溶发育底面标高约为0～16.50m，溶洞最高达10.90m，剖面间最宽达20m，溶洞分布高程以25～5m居多.下闸首岩溶发育相对较弱，岩溶发育底面标高为19～9 m，建基面以下岩石完整性较好.闸室段靠近上闸首区域溶洞较为发育，最低溶洞底面标高可达5.00m，剖面间溶洞最宽达7.80m，垂向溶洞最高达3.30m，溶洞分布高程以15.00～5.00m占多数;其余孔对间的岩溶发育较弱，岩石完整性较好.

根据两阶段勘察资料分析，施工图设计阶段将船闸本体段下移9 m，以避开上闸首上端岩溶强发育区.

3 设计关键技术

3.1 船闸总体布置

桂平航运枢纽坝址位于宽口“Ω”弯曲形河段上，溢流坝、发电厂房与船闸分离布置，溢流坝和发电厂房布置于主河道，船闸布置于右岸Ⅰ级阶地上，实施裁弯取值.二线船闸布置于一线船闸的右侧，在Ⅰ级阶地上开挖建设而成.

桂平二线船闸工程的特点是建设标准高、土石方量大、征地拆迁安置规模大、处于岩溶区，因此在船闸总体布置上要求统筹兼顾，尽可能减少占用耕地，减少拆迁，使施工能顺利开展，保证现有一线船闸结构和通航安全，合理利用开挖的土石方资源.

3.1.1 合理确定船闸中心线 一线船闸自通航以来，运行平稳，上下游引航道口门区水流条件能满足船舶航行要求，航线与主流交角在12°～17°，实践证明一线船闸确定的船闸轴线，口门区航线是合适的，由此确定二线船闸中心线与一线船闸中心线平行布置，距离通过以下条件综合确定:(1)以尽量减少征地拆迁为原则;(2)引航道直线段长度不小于导航、调顺、停泊要求的520m;(3)口门区转弯半径不小于5倍设计代表船长910m;(4)施工不影响一线船闸的结构安全和正常通航;⑸基坑干地施工围堰布置要求.最终确定两线船闸中心线间距为120m，对应船闸本体段长359 m.

3.1.2 合理布置引航道 上下游引航道总长约2.7km，最小直线段长度581 m，直线段设计底宽73m，口门区设计底宽120m，口门区转弯半径1000m，上游引航道设计底高程23.0m，下游引航道设计底高程14.4 m.

上下游引航道岸侧民房密集，为减少征地拆迁量，上下游引航道均布置向一线船闸侧拓宽，两线船闸引航道中心线间距为89.5m，分隔堤底宽在23～30.5m之间.

为缩短船舶进出闸时间，提高船闸通过能力，按船舶“曲进直出”过闸方式布置引航道导航调顺段和停泊段，按能停泊一闸次船舶要求布置停泊段水域.导航调顺段长240m，停泊段长280m，靠船墩前沿线至船闸中心线间水域宽为56m.

主导航墙长200m，线型采用x2+y2=2624.32，弧线拟合y=x2/1250二次抛物线，误差小，便于施工.

3.1.3 合理确定过境公路改线路线 工程处有2条过境二级公路交汇，一条横跨一线船闸上游引航道穿越工程区，一条沿一线船闸引航道右侧坡顶穿过工程区，交通流量大.二线船闸的建设需要对这2条过境公路闸区段进行改线.改线建设遵循主要原则有:(1)按原标准原功能改建;(2)施工期原有交通保持畅通;(3)通航净空满足要求;(4)适应未来船闸扩建的需要.根据上述原则，横跨一线船闸上游引航道的公路路线选在原线位上游30m，横跨上游引航道段设交通桥，其下对应3线船闸布置3跨通航孔，二线、三线船闸通航孔净宽73，75m，10年一遇设计最高通航水位时通航净高不小于10m，在库区正常蓄水位时通航净高不小于18 m，保证率在96%以上.

沿一线船闸引航道右侧坡顶穿过的公路路线改至预留的三线船闸建设区之外，沿村庄边缘布置.船闸总平面布置图见图1.

3.2 改善下游引航道口门区水流条件的技术

下游引航道口门区位于主河道凹岸一侧弯顶上游，原有导流堤布置在凹岸上段伸入河槽，将主流挑向下游，对一线船闸口门区起到掩护作用，中枯水期船舶进出闸平稳，但口门区附近产生回流，大流量时回流强度大，存在淤积问题.模型试验表明，二线船闸口门区开挖扩大后，回流范围随着扩大，部分流量级横向流速超标范围大，船模上行控制困难.

图1 船闸总平面布置Fig.1 General layout of the shiplock

为改善上述问题，在原有导流堤延伸方向设置顺向导流墩，通过导流墩的导流及分流作用将部分主流导入回流区，导入的水流有效地压制和破坏了回流，在破坏回流的同时沿设计航槽运动，一定程度减小了主流与设计航槽的交角，从而有效改善口门区水流条件.导流墩布置图见图2.

图2 导流墩布置Fig.2 Layout of diversion piers

天津水利科学研究所对导流墩的布置方案做了大量深入细致试验，得到优化的布置方案为:将原导流堤缩短60m，开挖至21.00m高程，顺堤延伸方向布置5个顺向菱形导流墩，相邻墩间轴线交角4°～8.2°不等，导流墩中心距23.5～35.9 m，长20m，厚5m，墩顶高程41.0m.第1个墩布置于原导流堤头附近.

3.3 输水系统和闸室墙结构

3.3.1 输水系统 桂平二线船闸处于郁江口的关键节点，输水系统又是船闸工程的关键技术，因此要求设计的输水系统消能好、工作可靠、充泄水效率高.本工程最大设计水头10.5m，采用闸底长廊道侧支孔双明沟消能的分散输水系统，各部位主要布置尺寸见表1，布置图见图3，闸底典型断面见图4.ystem

表1 输水系统各部位主要布置尺寸Tab.1 Main sizes of the filling and emptying s

图3 桂平二线船闸输水系统布置Fig.3 Layout of the filling and emptying system of Guiping 2ndlane lock

图4 典型闸室结构断面Fig.4 Typical cross-section of the lock chamber

南京水利科学研究院对桂平二线船闸输水系统做了大量水力学模型试验研究工作，优化并确定了输水系统各部位细部尺寸.试验成果表明:闸室内纵向与横向水流分布较均匀，无明显水面壅高，充水阀门开启时间tv=4 min，双边阀门开启充水时，对设计起控制作用的3000 t级单船的最大纵向系缆力为24.34 kN，最大横向力为13.36 kN;单边阀门开启充水时，3000 t级单船的最大纵向系缆力为10.40 kN，最大横向力为10.91 kN，系缆力均满足规范要求，且有较大富裕;对应的闸室充、泄水时间分别为8.99和9.75min;充、泄水阀门双边和单边开启过程中，输水系统各部位均未出现负压，检修门井内也无进气现象;进水口水流条件良好，试验未见漩涡及回流;泄水水流在引航道内基本均匀分布，水流条件满足要求.

试验成果说明采用闸底长廊道侧支孔双明沟消能的分散输水系统能较好适应本工程的要求，对闸底长廊道输水系统是一种创新发展，在国内属首次应用.

3.3.2 闸室墙结构 针对桂平二线船闸闸室段岩面高程较高，岩石完整性相对较好，岩体质量大多为Ⅱ级的工程地质特点，设计闸室墙结构采用混合衬砌式结构，岩面以上为重力式，岩面以下为衬砌式，闸墙总高32.7m，重力墙底宽10～11 m，衬砌墙底宽3.5m(前趾长2.0m)，岩石临时开挖边坡1∶0.1.墙后回填开挖渣石，高程36.50m以下要求内摩擦角φ≥36°，以上要求内摩擦角φ≥34°.典型闸室结构断面见图4.

衬砌墙的锚固是闸室墙结构设计的关键.本工程衬砌墙通过设置锚筋锚固于岩体，锚孔直径为10cm，锚筋间距1.2～1.4 m，上部锚筋采用Φ32，下部锚筋采用Φ28，锚孔内采用M15微膨胀水泥砂浆压力充填.鉴于闸室墙结构的重要性，设计要求开展现场锚筋抗拔试验，以获得锚筋与砂浆、砂浆体与岩石间的极限黏结力参数，确定锚筋锚固长度.根据试验确定锚筋Φ32锚固长度5.6m，锚筋Φ28锚固长度4.5m.

3.4 降低反向水头对一线船闸下闸首人字门影响的技术

南京水利科学研究院对桂平航运枢纽船闸下游引航道非恒定流的计算分析表明，二线船闸泄水产生的长波运动会导致一线船闸下闸首附近水体产生一定壅高，人字门处于关闭状态时，会影响启闭设备的安全.为此，设计采取了针对性工程措施:

(1)缩短一、二线船闸间分隔堤长度.拆除二线船闸第7个靠船墩以下分隔堤长度，开挖至与一线船闸下游引航道底齐平，增加两线船闸共用引航道长度至400m左右，并利用二线船闸下游5个靠船墩兼作导流墩分流，通过墩间分流削弱非恒定流长波运动能量，从而降低反向水头.

(2)缩短下游引航道导流堤60m左右，扩大过水面积，并通过下游口门区设置的导流墩从主河槽引入的水流，压迫和削弱二线船闸泄水引起的非恒定流，使长波运动较快衰减.

自二线船闸试运行以来，运行水头已达10m以上，现场观察未发现一线船闸下闸首附近水域有壅水现象，水面平稳.

3.5 保证大基坑干地施工的技术

保证大基坑干地施工是实现设计方案的关键.由于上闸首、上下游引航道区域岩溶均较为发育，而引航道基坑到一线船闸引航道底边距离仅约30.5m，为防止基坑开挖后出现大的漏水，设计采取了开挖前先做防渗帷幕、设置挡水围堤、分段降低开挖面高程、分时段施工降低挡水水头等综合措施.

(1)沿预留堤一线船闸侧岸坡布置防渗帷幕线，从上游至下游防渗帷幕线总长度1.65km，孔距1.5～1.8 m，孔深灌浆至5 Lu(吕荣)线以下，灌浆压力设计值采用0.2～0.6mPa.防渗帷幕要求在基坑开挖前实施，此时岸坡内外水位差不大，实施防渗灌浆效果较好.要求防渗帷幕体内单位吸水量值不大于5Lu(吕荣).

(2)预留围堤挡水兼作施工通道，船闸本体段预留堤按5年一遇挡水标准设计，挡水水位为39.5m，保证基坑能全年干地施工，堤顶宽8 m，两侧边坡1∶2;上下游引航道预留堤按枯水期5年一遇挡水标准设计，挡水水位为31.2m，使基坑在9月下旬至次年5月上旬8.5个月的时间内能干地施工.上下游横向预留堤及围堰分期设置，第一期为预留堤，在改建排水设施建成前，利用原有排水涵排水，预留堤布置在原有排水涵处;第二期为围堰，布置在上下游导墙范围，并采取防渗帷幕灌浆措施.

(3)在基坑开挖过程发现有漏水的部位，及时诊断分析，采取堵漏、局部加密防渗灌浆等措施.

4 工程实施效果

桂平二线船闸工程自2008年9月开工，至2011年6月竣工，实现试通航，施工过程基本顺利.从基坑开挖展现的工程地质条件看，与地勘报告结论基本相符，闸室及下闸首位置岩体完整性较好，设计确定的船闸本体段位置合适，避开了强岩溶发育区.枯水期基坑渗漏量不大，汛期基坑渗漏主要来自下游水位抬高后，水沿一线船闸墙后排水涵通过岩溶通道进入基坑，封堵进水口后，通过常规维持抽水实现基坑干地施工，设计采取的防渗漏措施是有效的.从船闸试运行情况看，船闸充、泄水时间在9 min左右，充、泄水过程闸室水面上升平稳，消能效果较好，泄水时一线船闸下闸首附近水面平稳，没发现壅水现象.从通航能力看，按现状船型，二线船闸一次过闸船舶数量是一线船闸的2.5倍左右，原来船舶过闸拥堵的问题得到解决，船舶过闸畅通.

5 结语

桂平二线船闸的成功建设，对西江航运干线扩能建设将起到积极的促进作用.采用的输水系统方案、混合衬砌式闸墙结构、采用导流墩来改善口门区水流条件等技术对西江航运干线船闸扩建工程建设有着重要的参考价值.混合衬砌式闸墙结构及闸底廊道结构受水压力、扬压力作用影响大，对衬砌墙水压力折减系数、廊道底渗压折减系数的取值缺少类似工程经验参考值，参考《混凝土重力坝设计规范》中有关扬压力的折减系数取值，但边界情况与本工程有一定差别.设计中增设了扬压力观测内容，通过长期观测获取扬压力分布数据，进行分析总结.

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［3］吴信.西江航运干线桂平二线船闸工程初步设计报告［R］.南宁:广西交通规划勘察设计研究院，2007.(WU Xin.Preliminary design report of the Guiping 2ndlane lock［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，2007.(in Chinesse))

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［7］吴信.西江航运干线桂平二线船闸工程可行性研究报告［R］.南宁:广西交通规划勘察设计研究院，2006.(WU Xin.Feasibility study report of the Guiping 2ndlane lock［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，2006.(in Chinesse))

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［9］黄伟军西江航运干线贵港至梧州航道工程(桂平～梧州段)施工图设计报告［R］.南宁:广西交通规划勘察设计研究院，2006.(HUANG Wei-jun.Construction documents design report of the waterway project from Guigang to Wuzhou(Guiping to Wuzhou section)on Xijiang River［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，2006.(in Chinesse))

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