郭紅亮 蔣筱民

漢江興隆水利樞紐船閘設(shè)計(jì)

郭紅亮 蔣筱民

興隆船閘規(guī)模是按遠(yuǎn)期規(guī)劃一次建成，閘室有效尺寸180 m×23 m×3.5 m，上下游引航道有效寬度76 m。船閘作為興隆水利樞紐的主要建筑之一，船閘線(xiàn)路是樞紐總體布置方案比選的重要內(nèi)容，經(jīng)比較，選擇了將船閘布置于右側(cè)灘地的方案，上閘首與電站廠房?jī)艟?0 m。船閘主體段為整體式結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)268 m,其中上閘首長(zhǎng)40 m，閘室長(zhǎng)186 m，下閘首長(zhǎng)30 m，下游消能段長(zhǎng)12 m，航槽凈寬23 m。船閘采用集中輸水系統(tǒng)，上閘首充水廊道出水口采用短廊道輸水格柵式帷墻消能室，下閘首泄水廊道出水口采用設(shè)消力檻的簡(jiǎn)單消能工型式。主要設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)有：上下閘首先預(yù)留寬槽后并縫為整體式結(jié)構(gòu)型式、船閘采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理以及下游引航道隔流堤吹填形成等。

船閘 攪拌樁 寬槽 隔流堤 粉細(xì)砂 吹填

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門(mén)市境內(nèi)，上距丹江口樞紐378.3 km，下距河口273.7 km，是南水北調(diào)中線(xiàn)漢江中下游四項(xiàng)治理工程之一，同時(shí)也是漢江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最下一級(jí)。通過(guò)興隆水利樞紐壅高水位，實(shí)現(xiàn)漢江梯級(jí)渠化，提高漢江通航等級(jí)，改善航道條件，同時(shí)也可有效增加南水北調(diào)中線(xiàn)工程的可調(diào)水量。

興隆樞紐由泄水閘、船閘、電站廠房及連接交通橋等主要建筑物組成。興隆船閘的主要技術(shù)特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 興隆船閘的主要技術(shù)特征參數(shù)

船閘規(guī)模依據(jù)航道等級(jí)、航運(yùn)規(guī)劃及預(yù)測(cè)貨運(yùn)量等，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。考慮了2種方案，一是船閘按通航標(biāo)準(zhǔn)1 000 t級(jí)船舶（隊(duì)）一次建成，閘室有效尺寸180 m×23 m×3.5 m（長(zhǎng)×寬×最小檻上水深，下同）；二是近期先按通航標(biāo)準(zhǔn)500 t級(jí)船舶（隊(duì)）建設(shè)單級(jí)船閘，閘室有效尺寸120 m×23 m× 3.0 m，待航道經(jīng)梯級(jí)渠化、航道整治工程及貨運(yùn)需求增長(zhǎng)到一定程度后，再興建另一線(xiàn)船閘，閘室有效尺寸180 m×12 m×3.5 m。船閘一次建成方案經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也為航運(yùn)發(fā)展留有余地，因此，采用一次建成方案，閘室有效尺寸180 m× 23 m×3.5 m。

興隆樞紐建成后，能渠化庫(kù)區(qū)76 km航道，使該河段通航等級(jí)達(dá)到1 000 t級(jí)航道，提前達(dá)到交通部?jī)?nèi)河水運(yùn)主通道規(guī)劃目標(biāo)。

興隆樞紐船閘已于2013年初建成，2013年4月中旬開(kāi)始通航，至今已經(jīng)安全過(guò)閘10 000多艘次，運(yùn)行情況良好。

1 船閘總體布置

1.1 船閘線(xiàn)路選擇

船閘作為興隆樞紐主要組成部分之一，船閘線(xiàn)路位置也是樞紐總體布置方案比選的主要內(nèi)容。比選了2個(gè)方案：一是左岸船閘方案，即將船閘布置在左岸低漫灘上緊鄰泄水閘左側(cè)門(mén)庫(kù)，上下游引航道可大部利用前期開(kāi)挖形成的導(dǎo)流明渠，隔流堤則需人工形成；二是右岸船閘方案，將船閘布置在右岸高漫灘上電站右側(cè)，與電站廠房間凈距80 m，上下游引航道需開(kāi)挖高漫灘形成，保留的灘地經(jīng)防護(hù)后形成隔流堤。經(jīng)比較，在船閘上下游接線(xiàn)、船舶航行條件、引航道維護(hù)等方面右船閘方案明顯占優(yōu)，施工難度右船閘方案也較小，兩方案工程量大體相當(dāng)，船閘線(xiàn)路位置采用右船閘方案。

1.2 船閘總體布置

船閘位于右岸高漫灘上，船閘軸線(xiàn)與壩軸線(xiàn)正交，上閘首與電站廠房、泄水閘等一起構(gòu)成擋水前沿。上閘首左側(cè)與電站廠房之間凈距80 m，兩者之間為空箱擋水段，頂部設(shè)有公路相連接，上閘首右側(cè)為灘地過(guò)流段，設(shè)有交通橋連接漢江右岸大堤及對(duì)外交通。

船閘主體段由上、下閘首，閘室以及下游消能段組成，主體段結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)結(jié)構(gòu)布置需要確定，總長(zhǎng)268 m，其中上閘首長(zhǎng)40 m，閘室長(zhǎng)186 m，下閘首長(zhǎng)30 m，下游消能段長(zhǎng)12 m，航槽凈寬23 m。船閘工作門(mén)采用人字閘門(mén)，上游檢修門(mén)采用疊梁門(mén)，輸水廊道工作門(mén)和檢修門(mén)均采用平板閥門(mén)，人字門(mén)和輸水廊道工作閥門(mén)采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，檢修疊梁門(mén)和輸水廊道檢修閥門(mén)利用閘頂1臺(tái)可沿船閘軸線(xiàn)方向行走的L形門(mén)機(jī)操作，L形門(mén)機(jī)可兼作船閘的起吊設(shè)備。為貫通壩頂公路，同時(shí)滿(mǎn)足通航凈空要求，在上閘首下游端與樞紐交通橋?yàn)橥惠S線(xiàn)設(shè)有頂升式活動(dòng)鋼橋。

船閘閘頂高程綜合考慮了通航水位、通航凈空、壩頂交通、結(jié)構(gòu)布置和工程量等因素，同時(shí)還考慮了閘面美觀、閘頂L形門(mén)機(jī)運(yùn)用等要求。船閘運(yùn)用的常態(tài)上游通航水位為水庫(kù)正常蓄水位36.2 m，按近期航道等級(jí)（Ⅳ級(jí)）的通航凈空8 m確定橋面高程為46.5 m，遇不超過(guò)最大通航流量洪水和大型船隊(duì)（1+4×1 000 t級(jí)船隊(duì)）通行時(shí)可頂升活動(dòng)橋，但頻率較低。

船閘的上、下閘首和閘室，全部采用整體式，頂部高程46.5 m。

上閘首長(zhǎng)40 m，總寬度47 m，兩側(cè)邊墩寬度由布置要求確定為12 m，閘底檻高程32.4 m，建基面高程18.0 m，上閘首建筑物總高度28.5 m。上閘首布置有檢修門(mén)、人字門(mén)及其啟閉機(jī)房、輸水系統(tǒng)及其工作閥門(mén)井、活動(dòng)交通橋、集控室、變電房等。

閘室結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)186 m，其中上游端6 m長(zhǎng)為鎮(zhèn)靜段，其余為有效長(zhǎng)度180 m，共分為9個(gè)結(jié)構(gòu)段，靠上、下游的2段各長(zhǎng)23 m，中間段長(zhǎng)度均為20 m。閘室底板頂面高程24.6 m，建基面高程20.6 m，建筑物總高度25.9 m。閘室邊墻頂寬2.0 m，頂部外挑1.5 m寬連續(xù)牛腿，以滿(mǎn)足閘面交通和閘頂L形門(mén)機(jī)軌道布置要求，邊墻底寬4 m，底板總寬度31 m。閘室底板厚度4 m，閘室段布置有浮式系船柱和救生爬梯等。

下閘首長(zhǎng)30 m，底部總寬度51 m，邊墩上部寬度由布置要求確定為12 m，下部寬度由建基面應(yīng)力計(jì)算確定為14 m，其間以1∶1坡度銜接，閘底檻高程24.6 m，建基面高程17.5 m，建筑物總高度29 m。下閘首布置有人字門(mén)及其啟閉機(jī)房、下游檢修門(mén)、輸水廊道及其工作和檢修閥門(mén)井、水泵井等。

船閘下游消能段上接下閘首，下接下游引航道，由左右邊墩和底板形成消力池。消能段長(zhǎng)12 m，底部總寬47 m，其中消力池寬23 m，兩側(cè)邊墩底寬12 m。消能段建基面高程18.0 m，底板頂高程19.5 m，墩頂高程39.2 m，建筑物總高度21.2 m。

上、下游引航道采用不對(duì)稱(chēng)型布置，過(guò)閘方式為曲線(xiàn)進(jìn)閘、直線(xiàn)出閘。上、下游引航道閘前直線(xiàn)段長(zhǎng)度均為450 m，以外分別接778 m和559 m的制動(dòng)段。航道左側(cè)底邊在導(dǎo)航墻末端以3.44°偏角呈“外八字”分別向上下游延伸，引航道有效寬度76 m。上游引航道口門(mén)寬度202 m，航道底高程32.7 m；下游引航道口門(mén)寬度139 m，航道底高程26.5 m，并預(yù)留清淤條件。

船閘上下游引航道左側(cè)為滿(mǎn)足通航水流條件均布置有隔流堤。上游引航道隔流堤由開(kāi)挖保留的灘地防護(hù)形成。堤身全長(zhǎng)約1 230 m，堤頂高程38.0 m。下游引航道隔流堤圍堰內(nèi)部分由開(kāi)挖保留的灘地防護(hù)形成，圍堰外部分由吹填和開(kāi)挖料填筑形成，堤身全長(zhǎng)約820 m，堤頂高程38.0 m。上、下游引航道均采用墩板式混凝土導(dǎo)航墻，墩柱間距15.0 m，航道左側(cè)布置主導(dǎo)航墻，長(zhǎng)165 m，右側(cè)布置輔導(dǎo)航墻，長(zhǎng)60 m，其與航道中心線(xiàn)夾角為20°。上、下游引航道?？慷尉砷g隔21 m直線(xiàn)排列的9個(gè)靠船墩組成，為鋼筋混凝土獨(dú)立墩式結(jié)構(gòu)。

2 輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)JTJ 306—2001《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，經(jīng)計(jì)算和同類(lèi)工程類(lèi)比，確定采用集中輸水系統(tǒng)。船閘上閘首充水廊道出水口采用復(fù)雜消能工型式，即短廊道輸水格柵式帷墻消能室，下閘首泄水廊道出水口采用設(shè)消力檻的簡(jiǎn)單消能工型式。

上閘首充水廊道進(jìn)水口布置在上閘首邊墩的人字門(mén)門(mén)龕內(nèi)，進(jìn)水口底高程22.0 m，與輸水廊道底板同高程，每側(cè)廊道進(jìn)水口斷面尺寸為4.5 m× 3.6 m（寬×高，下同），廊道及閥門(mén)處孔口尺寸均為3.2 m×3.6 m，閥門(mén)后廊道出口處斷面擴(kuò)大為2個(gè)2.5 m×3.6 m的孔口，其間以分流墩相隔。廊道直線(xiàn)段平均長(zhǎng)度13.75 m，輸水工作閥門(mén)采用平板門(mén)，變速開(kāi)啟。

上閘首充水廊道出水口采用格柵式帷墻消能室消能，消能室設(shè)頂部出水孔。頂部出水孔分2列，每列12孔，共24孔。

下閘首泄水廊道進(jìn)水口采用格柵式進(jìn)水型式，進(jìn)水廊道設(shè)在人字門(mén)門(mén)龕段，廊道底板高程19.5 m，斷面尺寸3.2 m×3.6 m（寬×高）。進(jìn)水孔共12孔，采用變間距、變孔寬布置。

泄水廊道出口段在閘室寬度范圍內(nèi)設(shè)消力池，池頂面高程19.5 m，內(nèi)設(shè)4道檻高0.7 m的消力檻，其中左側(cè)2道相距3.7 m的消力檻斜向航道擴(kuò)大側(cè)，與船閘中心線(xiàn)夾角20°，右側(cè)2道相距3.0 m的消力檻與船閘中心線(xiàn)平行。

充水閥門(mén)以變速開(kāi)啟，泄水閥門(mén)以勻速開(kāi)啟，設(shè)計(jì)開(kāi)啟時(shí)間分別為9 min和8.5 min。設(shè)計(jì)輸水時(shí)間10～11 min。

3 主要設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)

3.1 上下閘首先預(yù)留寬槽后并縫為整體式結(jié)構(gòu)

主體建筑物地基為深厚第四系覆蓋層，從上至下依次為深厚粉細(xì)砂層和砂礫石層，具有典型成層結(jié)構(gòu)。建基面以下各層分布厚度為：上閘首部位粉細(xì)砂層厚約10 m、砂礫石層厚約33 m，閘室段粉細(xì)砂層厚約12 m、砂礫石層厚約32 m，下閘首部位粉細(xì)砂層厚約11 m、砂礫石層厚約32 m。根據(jù)地質(zhì)條件的特點(diǎn)，為避免不均勻沉降影響船閘人字門(mén)正常工作、降低建筑物基底應(yīng)力水平，船閘主體段結(jié)構(gòu)均采用整體式U形結(jié)構(gòu)。

由于上、下閘首底部的澆筑倉(cāng)面比較大，設(shè)計(jì)上采用了“左右分開(kāi)澆筑、中間預(yù)留寬槽、中期適時(shí)并縫”的施工程序，即沿閘首底板中心線(xiàn)設(shè)1條寬1.5 m的寬槽，將閘首分為左右2塊；待左右邊墩對(duì)稱(chēng)上升到40 m高程且邊墩墻后回填至設(shè)計(jì)高程38 m后，于低溫季節(jié)進(jìn)行寬槽過(guò)縫鋼筋連接和混凝土回填，從而將底板連成整體，之后繼續(xù)澆筑閘墩直到墩頂。采用這種方式后，閘首底板的結(jié)構(gòu)受力和配筋量大幅減小，同時(shí)降低了混凝土溫控要求，減小了施工難度。為保證并縫的可靠性，寬槽兩側(cè)預(yù)留鍵槽。

同時(shí)，由于上閘首邊墩長(zhǎng)度達(dá)40 m，上閘首即使設(shè)寬槽后每塊底板尺寸也達(dá)到40 m×22 m×4 m (順流向長(zhǎng)×橫流向?qū)挕梁穸?，因此，在每塊底板正中間位置再設(shè)1條垂直水流向的臨時(shí)施工縫，使其一分為二。為減小施工難度，底板分為上下2層澆筑，每層厚度2 m，上下層施工縫采用錯(cuò)縫型式，錯(cuò)縫間距0.8 m。下閘首順流向底板長(zhǎng)度為30 m，底板也分層澆筑，但不設(shè)臨時(shí)施工縫。

寬槽回填必需的條件為：閘墩混凝土應(yīng)滿(mǎn)足自身齡期不少于2個(gè)月且溫度須降至不高于10℃。

施工過(guò)程中，由于上、下閘首邊墩澆筑時(shí)間滯后，錯(cuò)過(guò)了寬槽并縫必需的條件，為不影響工程進(jìn)度，采取在左右邊墩26.0～40.0 m高程的對(duì)稱(chēng)部位，上閘首每側(cè)邊墩設(shè)有5個(gè)、下閘首每側(cè)邊墩設(shè)有3個(gè)空腔，將實(shí)體邊墩改為空箱體邊墩，以減輕邊墩自重控制的基底應(yīng)力和調(diào)整基底應(yīng)力不均勻程度，使得邊墩可以繼續(xù)澆上升，不至于影響后續(xù)施工，待滿(mǎn)足寬槽并縫必需條件時(shí)再擇機(jī)并縫。

3.2 主體段采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理

船閘上閘首、閘室和下閘首建基面高程分別為18.0、20.6、15.5 m，建基面主要位于粉細(xì)砂和含泥粉細(xì)砂層上，平均標(biāo)貫擊數(shù)約為8擊。

由于船閘主體各部位計(jì)算沉降量和沉降差較大，同時(shí)其下飽和粉細(xì)砂在地震條件下存在液化可能，可能液化深度為8～10 m，因此，應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行必要處理。經(jīng)比較，選擇封閉格柵式布置的水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理，攪拌樁的直徑采用80 cm。通過(guò)分析上、下閘首及閘室建基面與下伏砂礫石層頂面相對(duì)距離大小，同時(shí)結(jié)合上、下閘首、閘室以及下游消能段的地基應(yīng)力大小，閘室段樁長(zhǎng)按滿(mǎn)足液化處理深度、控制沉降量和沉降差，以及地基承載能力確定為10 m，上、下閘首攪拌樁則深入砂礫石層0.5 m，樁長(zhǎng)分別約為9.7 m和8.6 m。下游消能段攪拌樁長(zhǎng)11.5 m。

上閘首格柵式攪拌樁垂直水流向格柵間距為中間3排樁間距3.25 m，其余左右各6排樁間距3.9 m；順?biāo)飨蚋駯砰g距3.9 m。樁間搭接為15 cm。為改善均勻性，柵格內(nèi)均布4根單樁。上閘首部位地基置換率為50%。同時(shí)上閘首還采用雙排格柵樁形成防滲墻，中心線(xiàn)距上閘首上游端0.65 m，樁長(zhǎng)12 m。

閘室段格柵式攪拌樁順?biāo)鞣较蚋駯砰g距除靠上閘首的2排樁為3.9 m、靠下閘首的3排樁為4.55 m外，其余為5.2 m。垂直水流向格柵間距與閘室結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，在兩側(cè)閘墻底部各布置3排樁，間距1.95 m；中間底板部位也布置3排樁，但間距5.85 m。閘室攪拌樁地基置換率為30%。樁端至砂礫石層頂面間留存有4～5 m厚粉細(xì)砂層。在閘室左側(cè)臨水泵井區(qū)域，局部增加了攪拌樁密度，以滿(mǎn)足水泵井垂直開(kāi)挖要求，攪拌樁也起到了擋土墻的作用。

下閘首部位格柵式攪拌樁順?biāo)飨蜷g距除靠閘首上下游端各2排樁為2.6 m外，其余間距3.9 m；垂直水流向間距也與上部閘墩相對(duì)應(yīng)，兩側(cè)邊墩底部各布置4排樁，間距3.25 m，中間7排樁間距3.9 m。柵格內(nèi)也均布4根單樁。下閘首地基置換率為40%。

消能段部位格柵式攪拌樁順?biāo)飨虿贾?排間距依次為5.2 m和5.85 m格柵樁；兩側(cè)邊墩底部各布置3排間距5.2 m格柵樁，中間布置2排間距7.8 m格柵樁。下游消能段置換率為25%。

攪拌樁樁頂需要挖除40 cm，回填30 cm厚摻量6%的水泥砂墊層，結(jié)構(gòu)混凝土澆筑前再澆筑10 cm厚的C10混凝土墊層，以保證底板混凝土與復(fù)合地基的有效接觸。

3.3 下游隔流堤吹填形成

下游隔流堤原設(shè)計(jì)為開(kāi)挖下游引航道后保留的左側(cè)高漫灘進(jìn)行必要的護(hù)坡后形成，后在明渠導(dǎo)流期間，隔流堤所在高漫灘向江內(nèi)崩坍20～30 m，順流向長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百米。為滿(mǎn)足下游引航道通航水流條件，必須人工形成隔流堤。為減小水下施工難度，隔流堤布置位置進(jìn)行了優(yōu)化，隔流堤堤頭位置較原設(shè)計(jì)方案向?yàn)┑匾粋?cè)移動(dòng)了23.5 m，向下游延伸12 m，但人工隔流堤仍大部需在水下形成。隔流堤頂寬8 m，兩側(cè)邊坡均為1∶3。

興隆樞紐附近適于水下施工的砂礫石、石料等常用筑堤材料奇缺，都需外購(gòu)，其中外購(gòu)石料的運(yùn)距在70 km以上，砂礫石料運(yùn)距則更遠(yuǎn)，采用常規(guī)筑堤材料工程投資均很高，工期也較長(zhǎng)。為降低工程投資，加快工程進(jìn)度，設(shè)計(jì)大膽突破常規(guī)，結(jié)合本江段粉細(xì)砂洲多、含泥量較少、距離近、易于水下開(kāi)挖和管道輸送等特點(diǎn)，經(jīng)論證決定采用水下開(kāi)挖粉細(xì)砂洲吹填修筑隔流堤。根據(jù)崩塌后殘存的灘地情況，對(duì)于31.5 m高程以下的水下部分，為便于粉細(xì)砂在水下成形，隔流堤斷面采用了雙棱體和單棱體兩種堤腳形式，即在堤腳部位用管道將水砂吹入水下水平鋪設(shè)的復(fù)合土工袋，復(fù)合土工袋既透水又能讓充填的粉細(xì)砂留存，同時(shí)將留存的粉細(xì)砂與外界水體隔離開(kāi)來(lái)，起到成形和保護(hù)作用，每層充填完成后的復(fù)合土工袋厚度不超過(guò)0.5 m，形成的堤腳棱體內(nèi)坡坡比為1∶1.5，外坡坡比為1∶3，棱體頂寬約10 m。雙棱體之間和單棱體與殘留原灘地之間的部分在棱體的保護(hù)下則直接吹填。高程31.5 m以上的水上部分采用引航道開(kāi)挖料填筑，主要為粉質(zhì)黏土和壤土，因此，隔流堤護(hù)頂及高程31.5 m水上護(hù)坡采用適應(yīng)變形能力強(qiáng)的雷諾護(hù)墊。隔流堤水下部分靠江一側(cè)采用拋石進(jìn)行護(hù)坡和護(hù)底，航道一側(cè)采用模袋混凝土護(hù)坡。

4 結(jié)語(yǔ)

興隆樞紐船閘設(shè)計(jì)過(guò)程中，在地基處理、閘首底板澆筑、隔流堤形成等方面緊密結(jié)合工程特點(diǎn)，有針對(duì)性地提出切合工程實(shí)際的技術(shù)解決方案，促進(jìn)了施工進(jìn)度，降低了施工難度，工程建成后運(yùn)用情況良好，取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，可供同類(lèi)工程在設(shè)計(jì)時(shí)參考。

U641

B

1007-6980（2015）02-0013-04

2015-03-20）

郭紅亮 男 高級(jí)工程師長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院湖北武漢 430010

蔣筱民 女 教授級(jí)高級(jí)工程師長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院湖北武漢 430010