入江水道東偏泓閘攔船設施安全穩定與影響分析

沈芝瑩，陳 猛，陳潔茹，王亞妮

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005）

0 引言

淮河入江水道是淮河洪水的主要通道，兼有排澇、灌溉、航運等綜合功能，是保障淮河下游人民生命財產安全和經濟發展的重要水利設施?；窗彩芯硟热虢雷匀娱l至金湖施尖，全長56 km，途經盱眙、洪澤、金湖三縣，堤防總長147.5 km。沿線主要建筑物有三河閘、東偏泓閘、西偏泓閘、石港船閘、大汕子閘等。

東偏泓閘位于入江水道東堤41+500 樁號處，始建于1969年，于2012 年進行了拆除重建。水閘共10 孔，每孔凈寬10 m，閘身總寬113.98 m，設計流量800 m3/s，設計水位7.80 m，在入江水道行洪12000 m3/s 時，最高水位達12.05 m。

東偏泓閘上游河道來往船只較多，在入江水道行洪時，若船舶誤入水閘上游引河，在水流沖擊作用下易發生撞擊水閘事故，對水閘的運行管理及人員生命財產均帶來較大安全隱患。因此，需在上游引河適當位置設置攔船設施，起到安全警示作用。

1 工程概況

東偏泓閘攔船設施位于東偏泓閘上游引河段護坡外側，距離水閘閘墩前端80 m 處，為“一”字型直線布置，具體情況見圖1、圖2。采用直徑Φ20 mm 鋼絲繩將浮標與浮筒相互串聯，左右岸各設1 根Φ80 cm 鋼筋混凝土系纜柱，將鋼絲繩固定于兩岸。浮標直徑1.5 m，間距15 m，每兩個浮標之間布設3 只高分子聚乙烯浮筒，浮筒規格直徑為80 cm×110 cm。工程共設置浮標11 個，浮筒36 只。浮標采用沉石錨固方法，下方配置1.5 m×1.5 m×1.5 m（長×寬×高）混凝土預制塊地錨，地錨頂面預埋吊鉤，通過馬鞍鏈與浮標相連，地錨底面四角預埋鐵鉤，以增大與河床之間的摩擦力，保證浮標穩定。為防止鋼絲繩、馬鞍鏈及預埋鐵件日久銹蝕，對所有金屬構件表面均進行鍍鋅防腐處理，以延長攔船設施的使用壽命。

攔船設施的工作原理是：當船舶撞擊攔船設施時對浮標、浮筒、錨鏈以及地錨所構成的體系做功，消耗船舶動能使其速度降低，最終達到攔截船舶的目的[1]。

圖1 東偏泓閘攔船設施平面布置圖

圖2 東偏泓閘攔船設施縱剖面圖

2 穩定分析

2.1 鋼絲繩內力計算

攔船設施布置于水平面上，在正常運行情況下，浮標、浮筒及混凝土地錨等系統所受到的水流力與鋼絲繩所受到的牽引力達到平衡，攔船設施保持穩定狀態。根據受力分析，鋼絲繩在逆水流方向所受的合力為[2]：

式中：F 為鋼絲繩在逆水流方向所受的合力，kN；Fω總為作用于浮標、浮筒及地錨上的總水流力，kN；F鋼為鋼絲繩的內力，kN；α 為鋼絲繩與河道橫斷面的夾角。

根據《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010），水流力的計算公式如下[3]：

式中：Fω為作用于結構上的水流力，kN；Cω為水流阻力系數；ρ為水密度，t/m3；v 為水流設計流速，m/s；A 為計算構件在與流向垂直平面上的投影面積，m2。

2.2 地錨穩定計算

為防止鋼絲繩在極限失效情況下，攔船設施在水流力作用下沿河床面產生滑動，進而危及水閘安全，需對混凝土地錨的抗滑穩定進行復核。計算公式如下：

式中：f 為地錨與河床之間的滑動摩擦力，kN；Fω總為作用于地錨及浮標浮筒上的總水流力，kN。

根據物理學理論，滑動摩擦力的計算公式如下：

式中：f 為地錨與河床之間的滑動摩擦力，kN；μ 為滑動摩擦力系數；FN為地錨對河床的正壓力，kN，由受力分析得：FN=G-F浮。

2.3 結果分析

選取東偏泓閘設計流量800 m3/s、入江水道行洪流量12000 m3/s 兩種工況進行分析計算，得到兩種工況下的平均水流速度，計算成果見表1。

表1 各工況下斷面平均流速對比表

由表1 可知，設計工況下的平均流速為0.97m/s，最大行洪工況下的平均流速為0.44 m/s，相應設計工況下的水流力最大，對攔船設施的安全穩定最不利。因此，選取設計工況進行穩定復核計算，計算成果見表2。

表2 設計工況下攔船設施各受力情況計算成果表

由以上計算結果得出：

①設計工況下，鋼絲繩所受內力為125.2 kN，小于Φ20 mm鋼絲繩破斷力200 kN，鋼絲繩設計滿足要求；

②在極限狀態下，若鋼絲繩意外失效，系統所受的水流力為84.6kN，小于地錨與河床之間的滑動摩擦力167.3 kN，表明水流力不足以使地錨產生滑動現象，不會對水閘安全構成威脅。

3 阻水分析

單個混凝土預制塊地錨尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m（長×寬×高），地錨共計11 個，累計占用河道過流面積24.75 m2，分別計算東偏泓閘在設計工況及最大行洪工況下地錨產生的阻水情況，計算結果見表3。

表3 攔船地錨阻水計算成果表

由以上計算結果得出，在流量800 m3/s、12000 m3/s 兩種工況下，混凝土預制塊地錨的阻水率最大僅為3%，比率很小，因此，地錨的設置對河道行洪基本沒有影響。

4 沖刷分析

項目建成后，由于地錨阻水，改變了水流流態，減少了河道有效過水面積，增大了斷面流速，對河床可能產生沖刷。因此，需將阻水情況下的斷面平均流速與河道的允許不沖流速進行比較，論證產生沖刷的可能性。

根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018）附錄C，當黏性土河道水力半徑R≠1.0 時，其允許不沖流速按下式計算[4]：

式中：v允為河道允許不沖流速，m/s；K 為水力半徑R=1.0 時的允許不沖流速，K=0.75～1.00，本計算取K=0.90；R 為水力半徑；α為指數系數，對于疏松的壤土、黏土，α=1/3～1/4，對于中等密實和密實的壤土、黏土，α=1/4～1/5，本計算取α=1/4。

表4 阻水情況下平均流速與允許不沖流速比較表

由表4 知：在流量800 m3/s、12000 m3/s 兩種工況下，扣除地錨的阻水面積之后，斷面平均流速V' 分別為1.000 m/s、0.438 m/s，均小于相應工況下河道的允許不沖流速V允，因此，綜合分析認為產生沖刷的可能性很小。

5 結語

本文基于力學原理及規范公式，采用受力分析方法，對新建攔船設施的安全穩定、地錨阻水以及由此帶來的沖刷等問題進行了計算分析，論證了設計方案的合理性，所采用的計算方法可供類似項目參考與借鑒。但由于東偏泓閘位于入江水道非通航區域，攔船設施主要起到警示漁民漁船的作用，因此，在計算中并未考慮船舶撞擊的影響。今后，還可引入撞擊力進行進一步的計算與分析，指導優化設計方案，使攔船設施攔截能力得到進一步提高，保證水利工程的安全運行。