船閘設計要點分析

摘 要：我國近年來航道整治工程規劃規模龐大，航道向著網絡化方向發展，配套的船閘建設項目也日益增多，船閘設計在項目建設中起著至關重要的作用。文內結合湖北省漢江崔家營航電樞紐工程船閘設計工作對設計過程中幾個方面的要點進行了分析。

關鍵詞：船閘 航電樞紐 施工圖 有限元

船閘一般由閘首、閘室、導航靠船建筑物及運行管理輔助生產生活建筑物組成。在設計過程中上述各組成部分相互依存，不應偏倚。在設計過程中需要重點研究的主要是以下幾個方面：船閘規模、船閘閘位選擇、船閘總體布置、船閘水工建筑物設計、船閘輔助生產及生活設施設計、船閘施工組織設計。下面結合湖北省漢江崔家營航電樞紐工程船閘設計工作對上述幾個方面進行簡要論述。

工程概述

崔家營航電樞紐位于漢江中游丹江口－鐘祥河段、湖北省襄樊市下游17km處，是湖北省內漢江干流9級梯級開發中的第5級，上距丹江口水利樞紐142km，下距河口515km，是一個以航運為主，兼發電、灌溉、供水、旅游等綜合開發功能的項目。其建設項目有：船閘、泄水閘、電站及擋水壩。

樞紐總布置自右至左分別為：右岸連接壩段（長89.5m）、船閘（44.0m）、泄水閘（長474.5m）、廠房（長167.55m）、門機檢修平臺（長40m）、土壩（長1358.85m），壩軸線總長2174.4m。

船閘：船閘布置在漢江主河道右側，船閘軸線與壩軸線正交，船閘等級為Ⅲ級，按通航雙排雙列一頂四駁船隊設計，閘室有效尺：180×23×3.5m（長×寬×門檻水深），引航道底寬75 m。設計水頭8.82 m，采用閘墻長廊道短支管分散輸水系統。船閘設計年通過能力：768萬噸。上游最高通航水位為62.73m，最低通航水位為62.23m。下游最高通航水位為61.21m，最低通航水位為53.91m。

泄水閘：布置于船閘和電站廠房之間，閘址位于主河床上，前緣總寬474.5m。泄水閘采用平底閘型式，由閘室段、上游防沖板、閘下護坦、下游海漫和下游防沖槽等組成，閘底板頂高程48.23m。泄水閘共布置20孔20×14.5m（寬×高）的泄水孔口，消能形式采用9孔底流消能護坦消能，閘頂高程70.5m。壩頂門機采用大門機方案。

電站廠房：為河床式，布置于主河道左側，右連泄水閘，左接土石壩。電站廠房安裝6×15MW燈泡貫流式水輪發電機組，廠房分縫采用一機一縫。安裝場位于主廠房左側，門機檢修平臺緊臨安裝場布置。開關站布置于廠房左側門機檢修平臺下游。魚道緊靠電站廠房左側布置，進出口各設兩平板閘門。

左岸土石壩：建在河心洲、左河汊和左岸Ⅰ級階地、漫灘上，地面高程53.0～63.0m，左接漢江防洪大堤，右接電站廠房。土壩采用塑性混凝土防滲墻砂礫石壩，壩頂高程為67.2m，壩頂寬度為7.0m。

在溢流閘壩下游與副廠房頂設一寬度為7.0m的交通橋與兩岸非溢流土壩連接，通過兩岸公路與外溝通、廠房進廠采用平面進廠方式。

船閘建設規模

船閘建設規模除滿足所在航道過閘運量要求外，還需與所在航道及相通航道網的通行船舶相適應。因此在確定船閘建設規模時必須進行相應航道上營運船舶調查并對船舶營運組織方案進行分析，以確定航道及航道網上設計船舶類型。通過對航道影響區的運量分析和經濟分析，準確預測設計水平年的過閘運量。在完成運量預測和船型確定后才能最終確定船閘建設規模。

漢江為長江支流，現狀由于航道條件較差，運量較小，規劃漢江丹江口以下段為1000t級航道，運量預測結果為2010年、2020年和2030年通過崔家營樞紐船閘的貨運量分別為344萬t、521萬t和599萬t。根據對營運組織方案進行分析，推薦的設計船型為1頂4×1000t雙排雙列頂推船隊。

按照船閘總體設計規范的計算方法計算船閘過閘貨運量，最終確定船閘建設規模如下：

設計年通過能力768萬t，船閘有效尺度為23×180×3.5m（閘室寬度×閘室有效長度×檻上水深）。

船閘閘位選擇

船閘閘位選擇主要應考慮以下幾個方面：航道整治總體布置需要；地方規劃；地形、地質條件；船閘安全運行要求；經濟、技術方面合理性。

崔家營航電樞紐工程在進行閘址比較后確定了最終的推薦閘址，在推薦閘址，船閘閘位分別擬訂了布置在河道左側、右側等幾個方案進行技術經濟比較，最終確定船閘布置在河道右側（現狀河道的主河槽位置）。該閘位的主要優點是：船閘所在位置為現狀河道的主河槽，上下游航道穩定；船閘所在位置基巖埋深較淺，有利于船閘建設；將基礎挖深較大的電站布置在河道左側可有效減少整個項目的基礎處理工程量。同時也可減少發電對船閘通航水流條件的影響；船閘距離樞紐管理區較近，有利于船閘運行管理；樞紐造價較低。

船閘總體布置

船閘總體布置的內容是：船閘的平、縱、橫方向的布置，其目的是為船閘安全順暢運行提供必要的條件。

船閘總體布置是最能反映一個設計師風格的部分，它考驗著一個設計師的設計、施工、船閘運行管理等綜合素質。同時也是對船閘造價影響最大的。

船閘總體布置需要考慮與相鄰建筑物的關系、與上下游航道的連接、管理與維修、船舶進出閘效率等。

船閘平面方面的布置主要是綜合考慮地形及其它建筑物影響后，確定引航道的布置方式。引航道的布置方式主要有以下幾種型式：單線船閘分為反對稱型、對稱型和不對稱型。雙線船閘則主要為對稱式布置。

不同的引航道布置對應不同的船舶過閘方式，目前主要采用的過閘方式有兩種：曲線進閘直線出閘和直線進閘曲線出閘。考慮到船舶過閘的航行方式，一般以“曲進直出”的過閘效率較高。

崔家營航電樞紐的船閘引航道綜合考慮船閘運行及二線船閘的布置后采用的是不對稱型布置，船舶過閘采用“直進曲出”方式。

船閘縱向方面的布置主要是根據確定的特征設計水位和船舶過閘的要求確定船閘各部位的高程。主要方法是依據船閘總體設計規范中關于船閘各部位高程確定的有關規定，適當考慮各地運行管理的經驗。

船閘橫向方面的布置主要是考慮輔助生產及生活方面的需要。這方面除考慮生產生活功能需要外，還應重視場地景觀及環保需求。

船閘水工建筑物設計

水工建筑物設計是根據總體布置的需要，以保證船閘安全運行為目的進行的研究工作。不同的設計師針對不同的項目所采用的結構會有一定差別，國家和行業組織也沒有對這方面進行強制選型規定，只是對結構的安全提出了強制要求。

1.結構選型

船閘水工建筑物設計的基礎是輸水系統布置，不同的輸水系統對應不同的水工結構選型。輸水系統的選擇應按船閘輸水系統設計規范進行。在該規范中，輸水系統與船閘過閘運量要求是息息相關的，如果過閘運量要求較高，則相應的輸水時間就要短，同樣的水頭差，輸水時間不同，采用的輸水系統也不一樣。同時還要考慮對結構造價的影響。

隨著國家實力的不斷加強，對輸水系統水力條件的要求越來越高，對造價的影響則擺在次要的位置，這種趨勢越來越明顯。事實上，船閘整體造價中，閘首、閘室的造價只占三分之一左右，而輸水系統的影響更小，所以淡化這方面因素也是合理的。

在確定了輸水系統后，結構設計則可以在滿足其基本要求的條件下，根據地質情況和閘閥門的選型進行靈活設計。目的是選擇一種安全、經濟的結構，為建設資源節約、環境友好的工程項目貢獻一份力量。

施工圖階段對崔家營航電樞紐船閘工程地質勘察顯示，船閘閘首、閘室建基面位于硅質白云巖上，基巖完整，局部有裂隙，建基面所在高程以上為覆蓋層。覆蓋層以砂壤土及砂礫石為主。

崔家營航電樞紐船閘工程設計水頭為8.82m，采用分散輸水系統。考慮閘室基底為硅質白云巖，且裂隙較少，設計過程中對閘室結構進行了優化，采用了分離式閘室結構，透水底板，對底板基巖裂隙進行化學灌漿處理；閘首則采用整體性好的鋼筋砼塢式結構，有利于閘門運行。

2.結構計算

船閘水工結構計算，目前主要依據的規范是船閘水工建筑物設計規范和78版的水工砼設計規范，沒有采用現在普遍采用的分項系數法。隨著建閘實踐經驗的豐富，也有采用新版水工砼設計規范的。對比較復雜的大型船閘閘首進行了有限元分析比較，有限元分析主要用于觀察閘首結構的應力分布，確保鋼筋配置位置準確，結構安全。

對于有限元計算在船閘結構設計中的應用目前沒有統一的規定，在實際使用中各設計單位根據自己的經驗進行了一些有益的探索，尚需要根據大量的實踐數據進行專題研究后推廣使用并進行規范。

崔家營船閘閘首采用的是整體式鋼筋砼結構，閘室采用分離式重力式結構，導航、靠船建筑物也是重力式結構，因此其主要計算內容是閘首結構。設計中采用以規范規定的手算法結果為依據，參考有限元分析成果，對局部應力集中位置進行結構加強，最終完成了施工圖設計。

船閘輔助生產及生活設施設計

船閘輔助生產及生活設施設計的目的是為船閘的管理和使用者提供完善的配套。

這方面的設計沒有定式，也沒有統一的約定，需要根據不同地區、不同管理單位的要求，在充分尊重使用者的使用習慣的基礎上，引導使用者逐步淘汰落后的管理習慣，把傳統和進步很好的融合。同時在設計上要考慮如何能夠避免使用者不良習慣造成船閘設施的損壞，從設計的源頭解決配套設施耐久性問題，做到船閘管理與過閘船舶的和諧統一。

設計師在完成這部分設計前做好類似船閘使用的調查研究工作是十分必要的，同時應與船閘使用人員進行充分交流。

船閘施工組織設計

船閘的施工組織設計是保證設計成果能轉化為產品的關鍵，也是節約項目造價的手段。

船閘施工組織設計與地質和地形地貌有很大的關系，主要需要考慮的有：施工導流、基坑降水、主體工程施工、施工交通運輸、施工工廠設施及布置及施工進度控制。

總體來講船閘工程施工可以概括為6個字：降水、保溫、變形，就是控制地下水、控制砼溫度、控制安裝誤差和變形。

（第一作者單位：中交第二航務工程勘察設計院有限公司）