已建枢纽深水库区浮式导航设施设计关键技术

2019-10-14张公略金国强张善亮孙国洪

浙江水利科技 2019年5期

张公略，金国强，张善亮，孙国洪

（1.浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江杭州 310012；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310000）

1 问题的提出

依据船闸总体设计规范，船闸布置应避开泄水建筑物泄水时对船闸引航道进出口水流条件的干扰。当船闸与溢流坝、泄水闸、电站、泵站等建筑物旁靠时，其间必须有足够长度的导航隔流堤隔开，保证船舶能顺利进出船闸引航道。而我国早期建设的多数枢纽船闸，特别是一些中高水头船闸，从当时的投资及枢纽综合效益考虑，一般规模相对比较小，且在船闸与大坝泄水孔之间的导航隔流设施过短甚至没有，随着内河水运事业的高速发展，对该类船闸提出迫切的改造扩建要求。考虑在船闸改造后，库区内上行、下行船舶将大大增加，为避免船舶在横流作用下偏航误入船闸临近的溢洪道水域，威胁大坝及船舶安全，同时也可引导船舶能够安全通畅地从水域宽阔的库区引航道进入相对较窄的船闸[1]，因此，在船闸扩建改造时对于上游库区导航隔流设施进行同步改造扩建也是必要的，其中增设浮式导航结构是最常见的做法。本文依托富春江船闸扩建改造工程，分析总结上游深水库区增设浮式导航设施关键技术，提出一种基于多向限位连接机构的深水库区浮式导航设施，为相关工程实践提供参考。

2 工程概况

富春江水电站于1958年动工兴建，1968年底发电，电站装机6台，大坝为混凝土重力式溢流坝，坝顶全长约600 m，坝顶高程为32.16 m，最大坝高为47.70 m，从左岸往右岸依次布置河床式厂房、河床式挡水及溢流设施、船闸等建筑物。富春江水库正常蓄水位按23.00 m运行，汛期按照浙江省防汛指挥部的统一调度，采用预报预泄的方式调蓄洪水，蓄水位一般不超23.50 m，富春江水库设计最低运行水位（死水位）为21.50 m[2-4]。正常发电时，水库消落深度为0.50 ～ 1.00 m，建设区域水深为25.00 ～ 26.00 m。库区内地质条件为上层为淤泥层，厚度约0.50 m，下层为中风化凝灰岩。

3 设计方案比选

富春江枢纽原有船闸库区引航道，在船闸与左侧泄洪孔之间仅建设有35.00 m导航隔流墙，右侧则为直立式岸壁墙导航靠船结构，在对船闸扩建改造工程中，考虑对库区上游引航道进行改造，上游引航道平面布置基本采用原有引航道布置形式，对引航道右侧现有导航靠船设施进行适当改造，以满足1 000 t级船舶导航靠船要求，同时考虑到左侧导航隔流墙偏短，拟对左侧设置一定长度的导航设施，考虑到本工程为扩建改造项目，库区水深大，防洪要求高，受限条件多，无法在船闸与溢洪道之间设置连续墙式的导航隔流结构，为此，对于上游引航道左侧，保留原有隔流墙（35.00 m），并在其上游延伸加设长度约230.00 m浮式导航设施[2-3]。根据固定浮式钢趸船的不同方式，共准备2个方案。

3.1 方案 1

方案1为大直径钢管嵌岩桩固定钢趸船形式。该方案浮式钢趸船采用钢管嵌岩桩固定方式，钢管桩布置在钢趸船端部。钢趸船与钢管桩采用限位行走机构进行连接，同时，相临趸船之间用锚链相互连接，钢趸船可随着水位进行升降。具体设计方案为:浮式钢趸船导航设施长度227.60 m，布置6条钢趸船，每条尺寸为35.00 m（长）×3.50 m（宽）×1.20 m（高），趸船吃水深约0.40 m。钢趸船由嵌岩钢管桩固定:钢管桩布置在钢趸船端部，桩与桩之间中心距为38.50 m，共7根。钢管桩直径2.50 m，壁厚25 mm，钢管桩全断面嵌入中风化岩深8.00 m。钢管桩内部浇注C20混凝土，桩顶高程为30.40 m。钢趸船与钢管桩采用导轨进行连接，钢趸船通过限位行走机构限位在2根钢管桩之间；另外，相临趸船之间用锚链相互连接以确保在校核高水位进趸船不脱离锚固定桩。平面布置见图1。

图1 浮式钢趸船桩基方案示意图

3.2 方案2

方案2为锚链固定钢趸船结构形式。该方案浮式钢趸船采用锚链固定方式，中间每艘趸船采用船首、船尾共4根锚链固定，锚链配套单个重15.9 t的钢筋混凝土蛙锚。靠近隔流墩的钢趸船一端采用锚链与隔流墩连接，一端采用锚链配套单个重15.9 t的钢筋混凝土蛙锚进行固定。最上游端部的钢趸船采用船首、船尾共5根锚链固定，锚链配套单个重17.5 t的钢筋混凝土蛙锚。在20 a一遇洪水频率以上，船闸停止使用的情况下，通过直径32 mm的高分子强力缆将端部的钢趸船与岸侧的350 kN系船柱进行固定，平面布置见图2。

图2 浮式钢趸船锚链方案示意图

2个方案的优缺点比较见表1[2-4]。

表1 深水库区浮式导航设施方案比选表

综合比较，最终方案1为推荐方案，即钢管嵌岩桩固定钢趸船结构形式方案。

4 数值模拟计算分析

对浮式导航设施，其结构主要承受的作用荷载为水平荷载，作用于设施上的主要外部荷载包括水流力、通航船舶挤靠力，其中重点计算分析的内容为浮式导航设施区各频率洪水情况的水流流速。

4.1 水动力分析

本文根据富春江船闸扩建改造工程所在河段概况和现有资料情况，利用二维水动力模型分析库区大范围水动力条件和三维水动力模型分析局部水动力条件，结合浮式导航设施浮趸船结构特点采用冰盖模型概化分析趸船区域的水流流速。冰盖模型中，水面受到浮冰阻力类似与风力作用体现在表面应力上，满足摩擦定律。

式中:cf是摩擦系数，us是水流平均速度（m/s）。摩擦速度与表面应力的关系可表示为:

摩擦系数可以用大曼宁系数和水深（浮冰范围内水深是正常水深减去浮冰厚度）表示:

根据新建浮式趸船，冰盖概化浮式趸船，冰盖厚度（趸船吃水深）设为0.40 m，表面粗糙度为0.01 m。计算结果见表2。

表2 各频率洪水引航道区域流速表 m/s

4.2 结构计算分析

对于作用浮趸船和桩基上的水平荷载，按照相关规范分别进行船舶挤靠力和水流力计算分析。经计算，其中控制性荷载为水流作用，为此本文仅列出特征洪水频率下作用在浮趸船的荷载和桩基的内力值成果（见表3 ～ 5）[4]。

表3 计算工况组合表

表4 不同频率洪水钢趸船上水流作用力计算结果表

表5 钢管嵌岩桩计算结果表

5 浮式钢趸船限位行走机构设计研究

在枢纽船闸中，库区中建设的浮式导航结构一般均由墩体或桩基+浮趸船构成，其中趸船与两侧桩、墩的连接结构对于设施正常运行起着至关重要的作用。首先，在桩墩及趸船均按照结构承受荷载设计之后，其连接环节成为一个承载的薄弱环节；其次，根据目前我国水库库区调查，其漂浮物及垃圾还是存在很大比例，特别是汛期，两岸垃圾随着洪水汇集在大坝前沿，其中一部分由泄洪孔随着洪水泄到下游，但是在船闸前沿，因汛期多为关闸停运，漂浮物汇集较多，很容易造成浮式结构在连接部位造成卡阻；另外，因在库区浮趸船尺度较大，受到水流作用极易产生不平衡的浮动及摇摆，若连接机构设置不当，也容易造成卡阻，甚至趸船沉没及损坏桩墩结构等事故。

经调查研究表明，目前常规连接方式及问题有:①采用轨道槽与趸船上的滑块或滚轮榫接，该方式引起库区漂浮物等垃圾填塞轨道槽，经常卡死轨道槽与趸船上的滑块或滚轮，出现趸船无法浮动，或单侧卡死现象；②采用锚链与桩墩连接，该方式同样会引起库区漂浮物等垃圾卡阻浮动结构，出现趸船无法浮动，还会出现遇到洪水时趸船漂移纵摇和横摇幅度大，影响结构安全；③采用环形抱桩器与桩连接，该结构一般用于游艇码头浮桥设施的锚固，而对于受大洪水及船舶冲击荷载较大，库区垃圾较多的导航结构，同样会出现卡阻现象。

针对上述情况，提出一种连接桩基和钢趸船的限位行走机构，实现钢趸船限位和上下浮动。该限位行走机构安装在钢趸船两端，同时在钢管桩两侧焊接有轨道踏面结构，行走机构利用滚轮与轨道踏面结构接触配合使得钢趸船随着水位的高低变化在竖直方向自由浮降且在相邻钢管桩之间实现水平横向和纵向的限位及绕水平轴的摇摆。该结构的主要特点是:①限位行走机构采用上举式设计安装在钢趸船上表面，使得滚轮离开水面一定距离，能够有效避免库区垃圾、漂浮物等对结构卡阻；②在每侧行走结构支架上设置8个滚轮组件，通过在竖向布置2个滚轮，可以确保钢趸船浮动过程中不产生大的摇摆，避免滚轮卡死现象；③在钢管桩上设置的轨道踏面结构采样截面为三角形的钢结构支撑块，具有2个相互垂直的踏面，可供限位行走机构的滚轮在其表面上下行走；④限位行走机构中的滚轮采用半包围方式布置，即安装在外侧端柱上的滚轮横向架设在轨道踏面结构的其中一个踏面上，安装在内侧端柱上的滚轮纵向架设在轨道踏面结构的另一个踏面上；⑤通过该踏面能将钢趸船在2根钢管桩之间实现水平横向和纵向限位，也满足滚轮的行走要求，能够在竖向上随着船体浮降在踏面上自由上下行走；⑥轨道踏面结构采取后期焊接即在钢趸船及限位行走机构布置安装完成后再焊接，按照限位行走机构设置部位，布置在钢管桩外侧，可以实现多个钢趸船体与钢管桩按照折线形布置（见图3 ～ 4）。