王善春

(安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥　230011)

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澮河固鎮(zhèn)復線船閘設(shè)計綜述

王善春

(安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥230011)

摘要：沱澮河航道是溝通豫皖兩省的重要省際航道，固鎮(zhèn)復線船閘是該航道上重要節(jié)點工程，也是該航道第一個大尺度的通航建筑物，該船閘建設(shè)具有一定的示范性作用。文章通過選址、總平面布置、輸水系統(tǒng)、水工建筑物及主要施工措施等，從設(shè)計角度進行分析與總結(jié)，以期為類似工程設(shè)計、施工、建設(shè)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沱澮河航道；固鎮(zhèn)復線船閘；設(shè)計

澮河固鎮(zhèn)復線船閘工程是沱澮河航道梯級開發(fā)重要節(jié)點工程，是該航道上第一座大尺度通航建筑物。沱澮河航道為溝通豫皖兩省的重要省際航道，是豫皖兩省及中部地區(qū)重要的水運通道之一和淮河水系航道網(wǎng)的重要組成部分，對推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展有著十分重要的作用，航道規(guī)劃等級為Ⅳ級[1]。

隨著水運開發(fā)的加速和航道沿線地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展，豫、皖兩省大量物資將轉(zhuǎn)入沱澮河航道運往江浙各地。目前，豫皖兩省正在加快沱澮河復航工程建設(shè)步伐。

1建設(shè)規(guī)模與標準

固鎮(zhèn)復線船閘設(shè)計代表船型為500 t級貨船，兼顧船型為1 000 t級貨船。按1 000 t級Ⅲ級通航建筑物設(shè)計,主體工程標準為二級水工建筑物,船閘尺度為200 m×23 m×4 m(閘室長×口門寬×檻上水深)。船閘設(shè)計年通過能力為1 332萬t。

2工程水文、地質(zhì)

澮河航道標準為Ⅳ級,設(shè)計最高通航水位的洪水重現(xiàn)期為10年，設(shè)計最低通航水位保證率取95%[1]。對有調(diào)節(jié)能力的綜合利用樞紐，上游設(shè)計最高通航水位取正常蓄水位和同標準天然河流航道設(shè)計洪水位的高值，上游設(shè)計最低通航水位取樞紐死水位和最低運行水位中的低值。下游設(shè)計最高水位取下一梯級的上游設(shè)計最高水位加動庫容的水位抬高值，或取實測水位計算值，下游最低通航水位取下一梯級的上游設(shè)計最低通航水位(即下游回水位)。

本項目閘上最低通航水位采用閘上設(shè)計最低蓄水位為14.37 m，且與上一級樞紐閘下最低通航水位等值銜接；閘下最低通航水位采用懷洪新河最低蓄水位為13 m。閘上、閘下最高通航水位采用10年一遇設(shè)計洪水位，分別為18.54 m和18.42 m。

校核洪水位采用20年一遇水位，閘上19.02 m，閘下18.87 m。檢修水位采用正常蓄水位，閘上17 m，閘下14.67 m。

水位組合見表1所列。

表1　水位組合　　　　　　　　　　m

注：①為反向水頭。

閘首、閘室等主體部分的底板位于第⑤3層粉質(zhì)黏土、⑥1層粉土、⑥2層黏土、⑥4層粉土以及⑦層粉質(zhì)黏土之中。地基承載力較高，能夠滿足閘首、閘室基礎(chǔ)設(shè)計要求，但是其中有粉土地層，具有中等透水性，基坑開挖過程中需要采取降排水措施，以防止地基流砂和管涌，保證工程具備干地施工條件。

3閘位選擇

固鎮(zhèn)樞紐位于固鎮(zhèn)縣城南側(cè)，樞紐由節(jié)制閘和老船閘組成，節(jié)制閘在左側(cè)，老船閘在右側(cè)。

復線船閘選取節(jié)制閘左、右兩側(cè)2個位置進行比選，需要考慮場地地形、地質(zhì)條件、新建船閘與已有節(jié)制閘、船閘以及上游的京滬鐵路澮河大橋、下游省道S101澮河大橋相互關(guān)系、上、下游引航道與航道的銜接、工程實際實施難度以及船閘及樞紐的管理等方面因素。

(1) 右岸方案。復線船閘與老船閘在河道同側(cè)，閘位布置在老船閘右側(cè)的河灘地上，新建船閘主體中心線基本平行于澮河右堤布置，其中心線與節(jié)制閘右側(cè)邊墩相距187 m左右，與老船閘軸線夾角為10°。上游引航道與航道之間呈“S”彎狀相接，交角較大。距城市建成區(qū)較遠，基本沒有房屋拆遷，實施難度較小，與老船閘布置在同一側(cè)，便于管理，但上游引航道與航道之間的銜接不夠順暢，地質(zhì)條件較好。

(2) 左岸方案。復線船閘布置在堤內(nèi)河灘地上，與老船閘分別位于節(jié)制閘兩側(cè)。閘位所在位置大堤需向左堤后方退建，后退最大距離為140 m，處在城市建成區(qū)域內(nèi)，拆遷量大，實施難度較大。上游引航道設(shè)微彎段過鐵路橋與上游航道銜接，下游引航道設(shè)彎道跨河槽與下游航道相連，上、下游連接較為順暢，地質(zhì)條件較好。

對于右岸方案，上游引航道與航道之間的銜接不順暢及交角較大問題，經(jīng)水工模型試驗研究[2]，通過拓寬口門區(qū)水域?qū)挾?、彎道?nèi)側(cè)加寬等措施，可明顯改善口門區(qū)水流流態(tài)，引航道與口門區(qū)水流條件可以滿足船舶安全航行[3-6]，為推薦閘位。

4總平面布置

上閘首為防洪閘首，順擋水建筑物延線布置，閘室布置在下游。上閘首前緣中心線距老船閘中心線115.3 m，兩中心線呈10°交角。引航道采用不對稱型布置[3,5,7]，引航道內(nèi)布置導航建筑物和靠船建筑物，上、下游主導航墻與靠船建筑物均布置在右岸。上游引航道退建大堤布置，引航道以外采取拓寬航槽等措施與通過鐵路橋的航道直線段銜接，下游引航道順灘地布置與下游航道銜接。上、下引航道外布置停泊區(qū)，過閘橋從上游導航墻上跨越，與現(xiàn)有道路順接。下游澮河公路大橋跨越下游引航道，與現(xiàn)有橋頭接線順接。

4.1輸水系統(tǒng)設(shè)計

本船閘上下游最大水頭差為4.13 m，多年平均水位差為2.5 m。根據(jù)規(guī)范[5,8]，輸水系統(tǒng)類型采用集中輸水系統(tǒng)方案。

船閘承受雙向水頭，通航期間一般為正向水頭，洪水期會出現(xiàn)反向水頭，但已不通航，閘門關(guān)閉度汛。通過比選，輸水系統(tǒng)采用短廊道輸水或短廊道與三角閘門縫聯(lián)合輸水,即先由短廊道輸水，待水位差減小流速指標降低后再開啟三角閘門進行輸水。

根據(jù)Bernoulli方程，可以列出單級船閘輸水時的非恒定流方程組[5]。用迭代和差分法求解方程組，可得到船閘聯(lián)合輸水過程的水力特征值，如流量過程線、水位過程線等。

通過計算，最大水頭4.13 m的充水水力特性曲線如圖1～圖4所示。

當最大水頭為4.13 m時，充水閥門開啟時間為300 s，閘室輸水過程中最大充水流量為72.9 m3/s，閘室斷面最大平均流速為0.214 m3/s，廊道進口流速最大平均流速為3.47 m/s，充水時間為445 s。以上指標滿足設(shè)計和規(guī)范要求。設(shè)計采用短廊道和三角閘門縫相結(jié)合的輸水系統(tǒng)，輸水時間縮短，船舶過閘效率提高，有利于提高船閘通過能力。

圖1　聯(lián)合輸水流量過程線

圖2　水頭差變化過程線

圖3　閘室斷面平均流速變化過程線

圖4　廊道進口平均流速變化過程線

4.2水工建筑物

上、下閘首為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，平底板空箱式邊墩，三角門型。采用環(huán)形短廊道集中輸水，環(huán)形輸水短廊道布置于閘首兩側(cè)邊墩內(nèi)。閘首結(jié)構(gòu)設(shè)計可以采用沿底板縱向分段簡化為平面問題計算，也可以按三維結(jié)構(gòu)采用有限元法分析[9]。閘首底板按半無限大彈性地基梁計算時，沿縱向分為門前、門庫及支持墻3個計算特征段，在各計算特征段截面處計入不平衡剪力，按平面問題計算內(nèi)力后再進行整體化調(diào)整。邊荷載分布長度取1倍閘底板半寬，回填土產(chǎn)生的彎矩，當使底板彎矩增加時取70%，使底板彎矩減少時取30%。閘首邊墩計算，假定三角閘門支持墻段與邊墩其他部分設(shè)縫分開，獨立承受全部閘門推力，按雙向彎曲受壓公式計算，邊墩中的廊道按平面框架計算。邊墩空箱側(cè)壁，距底板1.5L(L為箱內(nèi)隔墻跨度)高度范圍內(nèi)，按三邊固定一邊簡支板計算，距底板1.5L以上部分按多跨連續(xù)梁計算。

閘室為整體鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，順水流向分段，每段長度為18 m與20 m。閘室底板簡化為平面形變問題按半無限大彈性地基梁計算；閘室閘墻按固定于底板上的懸臂梁計算，按偏心受壓公式計算內(nèi)力。邊荷載分布長度取1倍閘底板半寬，回填土產(chǎn)生的彎矩，當使底板彎矩增加時取70%，使底板彎矩減少時取30%。

上、下游導航墻采用鋼筋混凝土扶壁式結(jié)構(gòu)，上、下游靠船建筑物采用墩式結(jié)構(gòu)。

4.3深基坑支護、防滲帷幕及降排水

復線船閘基坑采用干地大開挖施工方案，開挖深度在12 m左右。根據(jù)實際地形條件、新建復線船閘與老船閘相距較近、基坑土質(zhì)狀況、水文水位等因素，為了確保主體工程基坑開挖所需的邊坡整體穩(wěn)定、施工期堤防和隔堤安全以及深基坑防滲，在復線船閘下閘首、下游導航墻及部分閘室靠近老船閘下游引航道側(cè)，距下閘首邊墩外緣約26 m處，順水流方向布置鋼筋混凝土排樁支護工程。支護工程[10]采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，單排布置，樁徑為1 m，樁間距為1.3 m，樁長為10 m，上部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋墻，墻高為3 m。該支護在主體工程施工期間發(fā)揮深基坑開挖支護作用，施工結(jié)束后作為老船閘下游引航道右側(cè)護岸結(jié)構(gòu)物，在基坑側(cè)支護排樁后約7 m處設(shè)置垂直防滲墻。垂直防滲墻采用密排水泥攪拌樁帷幕墻，墻身有效厚度不小于0.3 m，有效樁長為14 m，采用雙頭或多頭攪拌機施工，水泥摻量為18%，水灰比控制在1，成型后帷幕滲透系數(shù)不超過1×10-7cm/s。

場地范圍地層由素填土、黏土、粉質(zhì)黏土和粉土組成，閘底板位于粘性土與粉質(zhì)土層。粘性土滲透系數(shù)在1×10-5～4×10-5cm/s，具有弱透水性；粉土地層滲透系數(shù)在3×10-4～6×10-4cm/s之間，中等透水性?？紤]基坑鄰近河道，受河水位影響大，為提供干地施工條件，在基坑與老船閘下游引航道之間設(shè)置防滲帷幕進行封水、阻水處理基礎(chǔ)上，采用深井降水結(jié)合明溝排水。深井沿主體工程基坑四周布置，井距為40～50 m。具體降水方案包括井深、井距、井數(shù)等,通過現(xiàn)場抽水試驗合理確定。

5結(jié)論

(1) 船閘總體布置設(shè)計時，需要充分考慮到上下游、左右岸、空中與地下及各方面規(guī)劃等各種邊界條件影響，進行多方案比選論證，當總體布置受到某些因素制約有可能影響到過閘船舶通行安全時，必須通過模型試驗研究確定。

(2) 船閘結(jié)構(gòu)復雜，采用有限元法進行設(shè)計，可以直觀地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種荷載組合下的應(yīng)力應(yīng)變趨勢，據(jù)此進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能保證設(shè)計質(zhì)量，做到配筋合理，又可以節(jié)省工程造價。

(3) 船閘閘首、閘室都屬于大體積或構(gòu)件較厚的混凝土結(jié)構(gòu)，在施工期受外界與自身溫度變化等因素影響易于形成各種形式裂縫。本工程從設(shè)計、施工兩方面采取措施對裂縫開展進行控制。設(shè)計中在結(jié)構(gòu)截面突變位置設(shè)置后澆帶，在預期的變形較大位置設(shè)置施工寬縫，在拉應(yīng)力集中部位設(shè)置抗拉構(gòu)造鋼筋等。施工時選擇抗拉性能較強的混凝土級配，選用影響水化熱和收縮性較小的外加劑和摻合料，在構(gòu)件內(nèi)

布設(shè)循環(huán)冷卻水管，加強保濕保溫養(yǎng)護等，對控制混凝土裂縫起到良好作用。

(4) 在透水性較大的粉土地層上進行船閘工程施工，采取穩(wěn)妥的施工降排水措施，使船閘基坑整體穩(wěn)定，基坑具有持續(xù)干地施工的保障。本工程采用深井降水措施，方法得當，布置合理，有效降低地下水位，取得預期效果。

(5) 本工程采用水泥攪拌樁防滲帷幕，方便施工，成樁后通過開挖檢查，攪拌樁之間咬合緊密，樁身固結(jié)良好，防滲阻水效果明顯。

固鎮(zhèn)復線船閘目前主體工程已按預期標準與要求建成并交工驗收，該船閘的建成將大大提高固鎮(zhèn)樞紐通過能力，有利于發(fā)揮沱澮河航道整體航運效益，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用。

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收稿日期：2016-01-15;修改日期：2016-02-04

作者簡介：王善春(1963-)，男，安徽廬江人，安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司高級工程師．

中圖分類號：U641.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0053-04