入江水道东偏泓闸拦船设施安全稳定与影响分析

沈芝莹，陈 猛，陈洁茹，王亚妮

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005）

0 引言

淮河入江水道是淮河洪水的主要通道，兼有排涝、灌溉、航运等综合功能，是保障淮河下游人民生命财产安全和经济发展的重要水利设施。淮安市境内入江水道自三河闸至金湖施尖，全长56 km，途经盱眙、洪泽、金湖三县，堤防总长147.5 km。沿线主要建筑物有三河闸、东偏泓闸、西偏泓闸、石港船闸、大汕子闸等。

东偏泓闸位于入江水道东堤41+500 桩号处，始建于1969年，于2012 年进行了拆除重建。水闸共10 孔，每孔净宽10 m，闸身总宽113.98 m，设计流量800 m3/s，设计水位7.80 m，在入江水道行洪12000 m3/s 时，最高水位达12.05 m。

东偏泓闸上游河道来往船只较多，在入江水道行洪时，若船舶误入水闸上游引河，在水流冲击作用下易发生撞击水闸事故，对水闸的运行管理及人员生命财产均带来较大安全隐患。因此，需在上游引河适当位置设置拦船设施，起到安全警示作用。

1 工程概况

东偏泓闸拦船设施位于东偏泓闸上游引河段护坡外侧，距离水闸闸墩前端80 m 处，为“一”字型直线布置，具体情况见图1、图2。采用直径Φ20 mm 钢丝绳将浮标与浮筒相互串联，左右岸各设1 根Φ80 cm 钢筋混凝土系缆柱，将钢丝绳固定于两岸。浮标直径1.5 m，间距15 m，每两个浮标之间布设3 只高分子聚乙烯浮筒，浮筒规格直径为80 cm×110 cm。工程共设置浮标11 个，浮筒36 只。浮标采用沉石锚固方法，下方配置1.5 m×1.5 m×1.5 m（长×宽×高）混凝土预制块地锚，地锚顶面预埋吊钩，通过马鞍链与浮标相连，地锚底面四角预埋铁钩，以增大与河床之间的摩擦力，保证浮标稳定。为防止钢丝绳、马鞍链及预埋铁件日久锈蚀，对所有金属构件表面均进行镀锌防腐处理，以延长拦船设施的使用寿命。

拦船设施的工作原理是：当船舶撞击拦船设施时对浮标、浮筒、锚链以及地锚所构成的体系做功，消耗船舶动能使其速度降低，最终达到拦截船舶的目的[1]。

图1 东偏泓闸拦船设施平面布置图

图2 东偏泓闸拦船设施纵剖面图

2 稳定分析

2.1 钢丝绳内力计算

拦船设施布置于水平面上，在正常运行情况下，浮标、浮筒及混凝土地锚等系统所受到的水流力与钢丝绳所受到的牵引力达到平衡，拦船设施保持稳定状态。根据受力分析，钢丝绳在逆水流方向所受的合力为[2]：

式中：F 为钢丝绳在逆水流方向所受的合力，kN；Fω总为作用于浮标、浮筒及地锚上的总水流力，kN；F钢为钢丝绳的内力，kN；α 为钢丝绳与河道横断面的夹角。

根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010），水流力的计算公式如下[3]：

式中：Fω为作用于结构上的水流力，kN；Cω为水流阻力系数；ρ为水密度，t/m3；v 为水流设计流速，m/s；A 为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积，m2。

2.2 地锚稳定计算

为防止钢丝绳在极限失效情况下，拦船设施在水流力作用下沿河床面产生滑动，进而危及水闸安全，需对混凝土地锚的抗滑稳定进行复核。计算公式如下：

式中：f 为地锚与河床之间的滑动摩擦力，kN；Fω总为作用于地锚及浮标浮筒上的总水流力，kN。

根据物理学理论，滑动摩擦力的计算公式如下：

式中：f 为地锚与河床之间的滑动摩擦力，kN；μ 为滑动摩擦力系数；FN为地锚对河床的正压力，kN，由受力分析得：FN=G-F浮。

2.3 结果分析

选取东偏泓闸设计流量800 m3/s、入江水道行洪流量12000 m3/s 两种工况进行分析计算，得到两种工况下的平均水流速度，计算成果见表1。

表1 各工况下断面平均流速对比表

由表1 可知，设计工况下的平均流速为0.97m/s，最大行洪工况下的平均流速为0.44 m/s，相应设计工况下的水流力最大，对拦船设施的安全稳定最不利。因此，选取设计工况进行稳定复核计算，计算成果见表2。

表2 设计工况下拦船设施各受力情况计算成果表

由以上计算结果得出：

①设计工况下，钢丝绳所受内力为125.2 kN，小于Φ20 mm钢丝绳破断力200 kN，钢丝绳设计满足要求；

②在极限状态下，若钢丝绳意外失效，系统所受的水流力为84.6kN，小于地锚与河床之间的滑动摩擦力167.3 kN，表明水流力不足以使地锚产生滑动现象，不会对水闸安全构成威胁。

3 阻水分析

单个混凝土预制块地锚尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m（长×宽×高），地锚共计11 个，累计占用河道过流面积24.75 m2，分别计算东偏泓闸在设计工况及最大行洪工况下地锚产生的阻水情况，计算结果见表3。

表3 拦船地锚阻水计算成果表

由以上计算结果得出，在流量800 m3/s、12000 m3/s 两种工况下，混凝土预制块地锚的阻水率最大仅为3%，比率很小，因此，地锚的设置对河道行洪基本没有影响。

4 冲刷分析

项目建成后，由于地锚阻水，改变了水流流态，减少了河道有效过水面积，增大了断面流速，对河床可能产生冲刷。因此，需将阻水情况下的断面平均流速与河道的允许不冲流速进行比较，论证产生冲刷的可能性。

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018）附录C，当黏性土河道水力半径R≠1.0 时，其允许不冲流速按下式计算[4]：

式中：v允为河道允许不冲流速，m/s；K 为水力半径R=1.0 时的允许不冲流速，K=0.75～1.00，本计算取K=0.90；R 为水力半径；α为指数系数，对于疏松的壤土、黏土，α=1/3～1/4，对于中等密实和密实的壤土、黏土，α=1/4～1/5，本计算取α=1/4。

表4 阻水情况下平均流速与允许不冲流速比较表

由表4 知：在流量800 m3/s、12000 m3/s 两种工况下，扣除地锚的阻水面积之后，断面平均流速V' 分别为1.000 m/s、0.438 m/s，均小于相应工况下河道的允许不冲流速V允，因此，综合分析认为产生冲刷的可能性很小。

5 结语

本文基于力学原理及规范公式，采用受力分析方法，对新建拦船设施的安全稳定、地锚阻水以及由此带来的冲刷等问题进行了计算分析，论证了设计方案的合理性，所采用的计算方法可供类似项目参考与借鉴。但由于东偏泓闸位于入江水道非通航区域，拦船设施主要起到警示渔民渔船的作用，因此，在计算中并未考虑船舶撞击的影响。今后，还可引入撞击力进行进一步的计算与分析，指导优化设计方案，使拦船设施拦截能力得到进一步提高，保证水利工程的安全运行。