浍河固镇复线船闸设计综述

2016-06-12王善春

工程与建设 2016年1期

关键词：设计

王善春

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥　230011)

浍河固镇复线船闸设计综述

王善春

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥230011)

摘要：沱浍河航道是沟通豫皖两省的重要省际航道，固镇复线船闸是该航道上重要节点工程，也是该航道第一个大尺度的通航建筑物，该船闸建设具有一定的示范性作用。文章通过选址、总平面布置、输水系统、水工建筑物及主要施工措施等，从设计角度进行分析与总结，以期为类似工程设计、施工、建设提供参考依据。

关键词：沱浍河航道；固镇复线船闸；设计

浍河固镇复线船闸工程是沱浍河航道梯级开发重要节点工程，是该航道上第一座大尺度通航建筑物。沱浍河航道为沟通豫皖两省的重要省际航道，是豫皖两省及中部地区重要的水运通道之一和淮河水系航道网的重要组成部分，对推动区域经济发展有着十分重要的作用，航道规划等级为Ⅳ级[1]。

随着水运开发的加速和航道沿线地区经济社会的发展，豫、皖两省大量物资将转入沱浍河航道运往江浙各地。目前，豫皖两省正在加快沱浍河复航工程建设步伐。

1建设规模与标准

固镇复线船闸设计代表船型为500 t级货船，兼顾船型为1 000 t级货船。按1 000 t级Ⅲ级通航建筑物设计,主体工程标准为二级水工建筑物,船闸尺度为200 m×23 m×4 m(闸室长×口门宽×槛上水深)。船闸设计年通过能力为1 332万t。

2工程水文、地质

浍河航道标准为Ⅳ级,设计最高通航水位的洪水重现期为10年，设计最低通航水位保证率取95%[1]。对有调节能力的综合利用枢纽，上游设计最高通航水位取正常蓄水位和同标准天然河流航道设计洪水位的高值，上游设计最低通航水位取枢纽死水位和最低运行水位中的低值。下游设计最高水位取下一梯级的上游设计最高水位加动库容的水位抬高值，或取实测水位计算值，下游最低通航水位取下一梯级的上游设计最低通航水位(即下游回水位)。

本项目闸上最低通航水位采用闸上设计最低蓄水位为14.37 m，且与上一级枢纽闸下最低通航水位等值衔接；闸下最低通航水位采用怀洪新河最低蓄水位为13 m。闸上、闸下最高通航水位采用10年一遇设计洪水位，分别为18.54 m和18.42 m。

校核洪水位采用20年一遇水位，闸上19.02 m，闸下18.87 m。检修水位采用正常蓄水位，闸上17 m，闸下14.67 m。

水位组合见表1所列。

表1　水位组合　　　　　　　　　　m

注：①为反向水头。

闸首、闸室等主体部分的底板位于第⑤3层粉质黏土、⑥1层粉土、⑥2层黏土、⑥4层粉土以及⑦层粉质黏土之中。地基承载力较高，能够满足闸首、闸室基础设计要求，但是其中有粉土地层，具有中等透水性，基坑开挖过程中需要采取降排水措施，以防止地基流砂和管涌，保证工程具备干地施工条件。

3闸位选择

固镇枢纽位于固镇县城南侧，枢纽由节制闸和老船闸组成，节制闸在左侧，老船闸在右侧。

复线船闸选取节制闸左、右两侧2个位置进行比选，需要考虑场地地形、地质条件、新建船闸与已有节制闸、船闸以及上游的京沪铁路浍河大桥、下游省道S101浍河大桥相互关系、上、下游引航道与航道的衔接、工程实际实施难度以及船闸及枢纽的管理等方面因素。

(1) 右岸方案。复线船闸与老船闸在河道同侧，闸位布置在老船闸右侧的河滩地上，新建船闸主体中心线基本平行于浍河右堤布置，其中心线与节制闸右侧边墩相距187 m左右，与老船闸轴线夹角为10°。上游引航道与航道之间呈“S”弯状相接，交角较大。距城市建成区较远，基本没有房屋拆迁，实施难度较小，与老船闸布置在同一侧，便于管理，但上游引航道与航道之间的衔接不够顺畅，地质条件较好。

(2) 左岸方案。复线船闸布置在堤内河滩地上，与老船闸分别位于节制闸两侧。闸位所在位置大堤需向左堤后方退建，后退最大距离为140 m，处在城市建成区域内，拆迁量大，实施难度较大。上游引航道设微弯段过铁路桥与上游航道衔接，下游引航道设弯道跨河槽与下游航道相连，上、下游连接较为顺畅，地质条件较好。

对于右岸方案，上游引航道与航道之间的衔接不顺畅及交角较大问题，经水工模型试验研究[2]，通过拓宽口门区水域宽度、弯道内侧加宽等措施，可明显改善口门区水流流态，引航道与口门区水流条件可以满足船舶安全航行[3-6]，为推荐闸位。

4总平面布置

上闸首为防洪闸首，顺挡水建筑物延线布置，闸室布置在下游。上闸首前缘中心线距老船闸中心线115.3 m，两中心线呈10°交角。引航道采用不对称型布置[3,5,7]，引航道内布置导航建筑物和靠船建筑物，上、下游主导航墙与靠船建筑物均布置在右岸。上游引航道退建大堤布置，引航道以外采取拓宽航槽等措施与通过铁路桥的航道直线段衔接，下游引航道顺滩地布置与下游航道衔接。上、下引航道外布置停泊区，过闸桥从上游导航墙上跨越，与现有道路顺接。下游浍河公路大桥跨越下游引航道，与现有桥头接线顺接。

4.1输水系统设计

本船闸上下游最大水头差为4.13 m，多年平均水位差为2.5 m。根据规范[5,8]，输水系统类型采用集中输水系统方案。

船闸承受双向水头，通航期间一般为正向水头，洪水期会出现反向水头，但已不通航，闸门关闭度汛。通过比选，输水系统采用短廊道输水或短廊道与三角闸门缝联合输水,即先由短廊道输水，待水位差减小流速指标降低后再开启三角闸门进行输水。

根据Bernoulli方程，可以列出单级船闸输水时的非恒定流方程组[5]。用迭代和差分法求解方程组，可得到船闸联合输水过程的水力特征值，如流量过程线、水位过程线等。

通过计算，最大水头4.13 m的充水水力特性曲线如图1～图4所示。

当最大水头为4.13 m时，充水阀门开启时间为300 s，闸室输水过程中最大充水流量为72.9 m3/s，闸室断面最大平均流速为0.214 m3/s，廊道进口流速最大平均流速为3.47 m/s，充水时间为445 s。以上指标满足设计和规范要求。设计采用短廊道和三角闸门缝相结合的输水系统，输水时间缩短，船舶过闸效率提高，有利于提高船闸通过能力。

图1　联合输水流量过程线

图2　水头差变化过程线

图3　闸室断面平均流速变化过程线

图4　廊道进口平均流速变化过程线

4.2水工建筑物

上、下闸首为钢筋混凝土整体式结构，平底板空箱式边墩，三角门型。采用环形短廊道集中输水，环形输水短廊道布置于闸首两侧边墩内。闸首结构设计可以采用沿底板纵向分段简化为平面问题计算，也可以按三维结构采用有限元法分析[9]。闸首底板按半无限大弹性地基梁计算时，沿纵向分为门前、门库及支持墙3个计算特征段，在各计算特征段截面处计入不平衡剪力，按平面问题计算内力后再进行整体化调整。边荷载分布长度取1倍闸底板半宽，回填土产生的弯矩，当使底板弯矩增加时取70%，使底板弯矩减少时取30%。闸首边墩计算，假定三角闸门支持墙段与边墩其他部分设缝分开，独立承受全部闸门推力，按双向弯曲受压公式计算，边墩中的廊道按平面框架计算。边墩空箱侧壁，距底板1.5L(L为箱内隔墙跨度)高度范围内，按三边固定一边简支板计算，距底板1.5L以上部分按多跨连续梁计算。

闸室为整体钢筋混凝土坞式结构，顺水流向分段，每段长度为18 m与20 m。闸室底板简化为平面形变问题按半无限大弹性地基梁计算；闸室闸墙按固定于底板上的悬臂梁计算，按偏心受压公式计算内力。边荷载分布长度取1倍闸底板半宽，回填土产生的弯矩，当使底板弯矩增加时取70%，使底板弯矩减少时取30%。

上、下游导航墙采用钢筋混凝土扶壁式结构，上、下游靠船建筑物采用墩式结构。

4.3深基坑支护、防渗帷幕及降排水

复线船闸基坑采用干地大开挖施工方案，开挖深度在12 m左右。根据实际地形条件、新建复线船闸与老船闸相距较近、基坑土质状况、水文水位等因素，为了确保主体工程基坑开挖所需的边坡整体稳定、施工期堤防和隔堤安全以及深基坑防渗，在复线船闸下闸首、下游导航墙及部分闸室靠近老船闸下游引航道侧，距下闸首边墩外缘约26 m处，顺水流方向布置钢筋混凝土排桩支护工程。支护工程[10]采用钻孔灌注桩基础，单排布置，桩径为1 m，桩间距为1.3 m，桩长为10 m，上部为现浇钢筋混凝土挡墙，墙高为3 m。该支护在主体工程施工期间发挥深基坑开挖支护作用，施工结束后作为老船闸下游引航道右侧护岸结构物，在基坑侧支护排桩后约7 m处设置垂直防渗墙。垂直防渗墙采用密排水泥搅拌桩帷幕墙，墙身有效厚度不小于0.3 m，有效桩长为14 m，采用双头或多头搅拌机施工，水泥掺量为18%，水灰比控制在1，成型后帷幕渗透系数不超过1×10-7cm/s。

场地范围地层由素填土、黏土、粉质黏土和粉土组成，闸底板位于粘性土与粉质土层。粘性土渗透系数在1×10-5～4×10-5cm/s，具有弱透水性；粉土地层渗透系数在3×10-4～6×10-4cm/s之间，中等透水性。考虑基坑邻近河道，受河水位影响大，为提供干地施工条件，在基坑与老船闸下游引航道之间设置防渗帷幕进行封水、阻水处理基础上，采用深井降水结合明沟排水。深井沿主体工程基坑四周布置，井距为40～50 m。具体降水方案包括井深、井距、井数等,通过现场抽水试验合理确定。

5结论

(1) 船闸总体布置设计时，需要充分考虑到上下游、左右岸、空中与地下及各方面规划等各种边界条件影响，进行多方案比选论证，当总体布置受到某些因素制约有可能影响到过闸船舶通行安全时，必须通过模型试验研究确定。

(2) 船闸结构复杂，采用有限元法进行设计，可以直观地反映结构构件在各种荷载组合下的应力应变趋势，据此进行结构设计，既能保证设计质量，做到配筋合理，又可以节省工程造价。

(3) 船闸闸首、闸室都属于大体积或构件较厚的混凝土结构，在施工期受外界与自身温度变化等因素影响易于形成各种形式裂缝。本工程从设计、施工两方面采取措施对裂缝开展进行控制。设计中在结构截面突变位置设置后浇带，在预期的变形较大位置设置施工宽缝，在拉应力集中部位设置抗拉构造钢筋等。施工时选择抗拉性能较强的混凝土级配，选用影响水化热和收缩性较小的外加剂和掺合料，在构件内

布设循环冷却水管，加强保湿保温养护等，对控制混凝土裂缝起到良好作用。

(4) 在透水性较大的粉土地层上进行船闸工程施工，采取稳妥的施工降排水措施，使船闸基坑整体稳定，基坑具有持续干地施工的保障。本工程采用深井降水措施，方法得当，布置合理，有效降低地下水位，取得预期效果。

(5) 本工程采用水泥搅拌桩防渗帷幕，方便施工，成桩后通过开挖检查，搅拌桩之间咬合紧密，桩身固结良好，防渗阻水效果明显。

固镇复线船闸目前主体工程已按预期标准与要求建成并交工验收，该船闸的建成将大大提高固镇枢纽通过能力，有利于发挥沱浍河航道整体航运效益，对区域经济发展起着重要作用。

〔参考文献〕

[1]GB 50139-2014，内河通航标准[S].

[2]王昆.固镇复线船闸水工模型试验研究[J].中国港湾建设,2011(1):52-54.

[3]JTJ 305-2001，船闸总体设计规范[S].

[4]JTJ 182-1-2009，渠化工程枢纽总体设计规范[S].

[5]王作高.船闸设计[M].北京：水利水电出版社，1992.

[6]周华兴.船闸通航水力学研究[M].哈尔滨：东北林业大学出版社,2007.

[7]涂启明.船闸总体设计与图例[M].北京：人民交通出版社，1992.