裕溪一線船閘擴容改造工程總平面布置分析

李 艷，張躍東,高 柱

(1.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014； 2.南通大學交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019)

近年來，中央作出了加強我國內河航運建設，促進內河航運快速發展、協調發展、綠色發展的重大發展戰略決策[1]，首次將內河航運發展擺在社會經濟發展的重要位置，不僅充分肯定了內河水運為國民經濟發展作出的貢獻，也為內河航運的發展指明了新的發展方向。2014年國務院出臺了“依托黃金水道推動長江經濟帶發展的指導意見”，內河水運被提升至新的高度，將迎來黃金發展的10年[2]。水運具有運能大、污染小、效能高、占地少等優勢，在綜合運輸體系中屬資源節約型、環境友好型的運輸方式，在煤炭、礦建材料、水泥、礦石、油品等大宗貨物運輸中起著不可替代的作用。為適應運輸需求的快速增長，船閘及航道的能力必須適時增長。船閘是航道的“咽喉”，船閘通過能力的提高仍是關鍵[3]。

合裕線航道是合肥經濟圈通往長江的唯一水上通道，是全國內河高等級航道布局“兩橫一縱兩網十八線”中的一線，是安徽省高等級航道發展規劃中“一縱兩橫五干二十一線”中“一縱”，也是江淮運河的重要組成部分[4]。合裕線航道由南淝河、巢湖、裕溪河3段組成，全長約138 km。裕溪河航道長62.1 km，采用限制性航道Ⅱ級標準整治。合裕線航道沿線設置巢湖閘和裕溪閘兩處樞紐。裕溪閘樞紐位于合裕線航道裕溪口，裕溪河入長江口門處，距離長江約3 km，是控制巢湖流域防洪、排澇及引水灌溉的綜合性樞紐。裕溪一線船閘規模為195 m×14.4 m×2.5 m(閘室有效長度×口門寬度×門檻水深，下同)，1969年建成；裕溪復線船閘規模為200 m×23 m×4.5 m，2012年底建成。

隨著江淮運河、合裕線航道整治工程的全線啟動，以及腹地經濟的發展，作為主要入江通道，合裕線承擔的貨運量逐年增加。經過貨運量預測，2020年、2030年、2040年和2050年裕溪船閘過閘貨運量將分別達到4 500萬t、7 800萬t、8 800萬t和9 600萬t。現有裕溪復線船閘最大單向貨物通過能力約為1 682萬t，目前已接近飽和，不能滿足未來運量的增長需求[5]。現有裕溪一線船閘已運行40余年，船閘閘室墻為簡易墩式結構，閘墻抗撞性能差，損傷較嚴重，橫拉門設備陳舊，運轉件維修率高，船閘結構已不堪重負[6]。

為滿足江淮運河打通后新增過境貨運量以及未來合裕線航道沿線生成貨運量的需求，解決航運瓶頸，盡早發揮航運效益，同時為確保安全通航，適應船舶大型化的發展，裕溪一線船閘亟需擴容改造。本文擬結合合裕線航道航運現狀與規劃，綜合考慮工程周邊建設環境狀況，分析裕溪一線船閘擴容改造工程總體布置要求及相關限制條件，并在此基礎上研究船閘建設規模及工程總平面布置方案，以滿足船閘發揮航運效益、保證船舶通航安全需求、實現節約用地與減少施工對周邊構筑物影響的目標。

1 建設規模分析

1.1 運量預測

根據航道功能定位、沿線產業布局、資源分布開發、區域交通運輸體系發展規劃等，合裕線航道未來將承擔其輻射區域內外交換貨運量和江淮運河過境貨運量。

本次預測采用多種方法預測合裕線的運輸需求。其中，對合裕線沿線區域內外交換貨運量預測采用區域航道貨運需求與社會經濟指標的回歸分析法，同時對沿線港口規劃成果進行綜合分析，兩種方法進行互相校核；對江淮運河過境貨運量采用“4階段”法，并與腹地主要貨類的運輸需求(產銷運平衡)進行互相校核。航道貨種分析采用產銷運平衡法，集裝箱預測采用生成系數法。裕溪船閘的過閘貨運量預測在合裕線航道運量預測的基礎上，通過對流量、流向的分析得到，主要為江淮運河過境運量及合肥地區、合裕線沿線與長江沿線的物資交換量(表1)。

2020年及之前，過閘船舶的上下行裝載率延續目前的發展趨勢，上下行裝載率分別為80%和60%；考慮到隨著江淮運河的開通，皖北淮河沿線及河南地區的礦產資源、糧食等大宗物資南運至長三角地區，合裕線航道貨流主流向將會發生扭轉，下行運量將超過上行運量，成為航道貨流主流向；相應其船舶裝載率也會有所變化。預計2030年以后，下行船舶裝載率達到72%，上行船舶裝載率達到66%，上下行船舶的平均裝載率為69%，超過現有的發展水平。裕溪船閘船舶通過量預測見表2。

表1 裕溪船閘過閘貨運量預測 萬t

表2 裕溪船閘船舶通過量預測 萬t

1.2 設計船型

根據通達性和適應性原則以及未來發展，考慮發展大噸位船舶以及運輸船型中頂推船隊發展的特點，結合營運組織分析，根據JTS 180-2—2011《運河通航標準》、2012年第69號公告的《長江水系過閘運輸船舶標準化船型主尺度系列》和GB 38030-2—2019《京杭運河、淮河水系過閘運輸船舶標準化船型主尺度系列》確定設計船型(表3)。

表3 設計船型

1.3 閘室有效寬度選擇

根據不同船型尺寸，縱向分為2列和3列不同組合工況計算閘室有效寬度(表4)。

表4 不同船型組合的閘室有效寬度

根據JTJ 305—2001《船閘總體設計規范》[7]第3.1.8條，閘室有效寬度在23 m、34 m這2種可能中選擇。

1.4 閘室有效長度與門檻水深

閘室有效長度越長，一次過閘平均噸位越大，船閘的通過能力也越大，根據船舶排列列數的不同，選擇230 m、280 m這2種不同長度的進行分析。

按照2 000 t級貨船最大吃水T=(3.3～3.5)m，計算得門檻水深H≥5.6 m。本船閘門檻水深取為5.6 m。

圖2 280 m×34 m×5.6 m船閘總平面布置

圖3 230 m×23 m×5.6 m雙線船閘總平面布置

1.5 船閘建設規模

根據裕溪船閘預測運量和滿足設計船型組合一次過閘的需求，并考慮作為沿江口門要兼顧大噸位船舶進出的要求，參照內河船閘的設計經驗[8]，擬定2種建設規模，分別為280 m×34 m×5.6 m和230 m×23 m×5.6 m雙線。根據通過能力計算(表5)，這2種規模的通過能力均滿足裕溪一線船閘設計水平年2040年通航需求[9]。

表5 不同規模船閘的一次過閘平均噸位 t

2 平面布置的制約因素

平面布置的主要制約因素有：①裕溪一線船閘左岸為無為長江1級大堤(圖1)，緊鄰船閘，右岸為水利節制閘及節制閘管理區，二者之間的最近距離僅為75 m，隔流灘地區域狹小。應充分考慮工程建設對大堤和節制閘的影響[10]；②受上、下游鐵路橋及裕溪節制閘的影響，裕溪一線船閘擴容改造工程航道中心線無法做大的調整，可以布置閘位的最長直線段長度約為1 250 m，船閘建設場地的局限極大制約了船閘的布置[11]；③船閘上、下游分別存在鳩江區雍鎮一水廠、二水廠及其取水口，根據環保規定，各取水口上下游1 km水域范圍為一級水源保護區，1～2 km的水域范圍為二級水源保護區；④裕溪一線船閘擴容改造工程作為樞紐防洪封閉圈的組成部分，閘位布置時需要考慮對現有防洪設施的影響以及工程建成后防洪體系的恢復與封閉。

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圖1 裕溪閘樞紐及周邊相鄰設施

3 平面布置方案

3.1 建設規模確定

從可行性來說，建設一座280 m×34 m×5.6 m船閘與230 m×23 m×5.6 m雙線船閘均是可行的，總平面布置分別見圖2和圖3。

經比較，兩種布置方案中，同時建設雙線規模為230 m×23 m×5.6 m的船閘造價大于建設單線規模為280 m×34 m×5.6 m的船閘。從征地拆遷、工程建設、運行調度的難易程度以及船舶大型化發展的趨勢等方面綜合考慮，推薦裕溪一線船閘擴容改造工程船閘規模為280 m×34 m×5.6 m。

3.2 閘位布置方案

裕溪閘水利樞紐位于長江左岸，裕溪河入長江口上游3 km處，兩側為無為大堤。現有裕溪一、復線船閘分別位于裕溪節制閘的左側和右側，兩線船閘中心距約400 m，順流向中心線交角約6°。跨閘公路橋(X016)在一線閘處從閘室頂部跨越，經節制閘頂部道路，從復線船閘上游導航墻頂部跨越。

圖4 裕溪一線船閘擴容改造工程最終總平面布置

根據前面對平面布置制約影響因素的分析，結合現場實際情況，從征地拆遷、通航水流條件、施工難度、工程投資及對周邊水利設施的影響[12]等多方面對閘位進行比選，最終擬定方案為：拆除上、下游取水口，并在原位拆除老閘改建新閘，改建裕溪一線船閘中心線與裕溪復線船閘中心線平行，中心距425.3 m，與裕溪節制閘中心線夾角5°45′，節制閘中心線處閘墩中點距離裕溪一線船閘225.5 m，改建船閘上閘首上游面距離老閘上閘首下游面約93.8 m。上下游均采用“曲線進閘、直線出閘”的方式[13]，上、下游靠船段布置在船閘右岸。

3.3 總體布置

3.3.1引航道直線段設計底寬

裕溪一線船閘進出閘方式均為“曲線進閘、直線出閘”的不對稱式[14]，根據《船閘總體設計規范》第5.5.2.1條[7]，單線船閘不對稱型引航道寬度B0按下式計算：

B0≥bc+bc1+b1+b2

(1)

式中：bc為設計最大船舶、船隊的寬度，取2 000 t貨船寬13.8 m；bc1為一側等候過閘船舶、船隊的總寬度，取3艘1 000 t貨船總寬度33.0 m；b1為船舶、船隊之間的富裕寬度，取2 000 t貨船寬13.8 m；b2為船舶、船隊與岸之間的富裕寬度，取0.5×13.8 m=6.9 m。

經計算，引航道寬度B0=67.5 m，最終取70 m。

根據JTJ 305—2001《船閘總體設計規范》5.5.1.2條[7]，當曲線導航墻具備導航調順功能時，可采用“曲線進閘、直線出閘”方式過閘，引航道直線段長度L應大于等于導航段長度與停泊段長度之和，即：

L≥l1+l3

(2)

其中l1=1.5Lc

式中：l1為導航段長度；Lc為最大設計船型長度，取76 m；l3為停泊段長度。經計算，導航段長度不應小于114 m，這里取120 m；l3應滿足一次過閘所有船舶的停靠，l3不可小于閘室有效長度，這里取l3=290 m。故引航道直線段長度L=120 m+290 m=410 m。

3.3.3口門區彎道最小彎曲半徑

彎道最小彎曲半徑R須滿足R≥4Lc，在引航道口門區和連接段考慮到水流、風浪等的影響，其最小彎曲半徑應加大一個Lc，最終確定R=5Lc=380 m。

3.3.4引航道平面布置

上、下游引航道平面布置采用不對稱式，上、下游引航道寬均為70 m，直線段長度均為410 m，其中靠船段長度均為290 m。靠船墩前沿線距離船閘中心線35 m，船舶進出閘方式上、下游均為“曲進直出”。

上、下游主導航墻均布置在右岸，船閘中心線方向投影長度均為120 m，由斜率為1∶6的直線段和半徑為500 m的圓弧段組成，直線段靠近閘首側長度為40 m；輔導航墻平行于船閘中心線布置，在左岸長度為120 m，在端部以25 m的半徑轉向防洪大堤側與大堤銜接。

縣道X016跨擬建裕溪一線船閘，擬建X016跨閘公路橋在原線位附近一孔跨越上游引航道，橋梁縱軸線與船閘中心線交點距離上閘首上游面87.8 m，與船閘中心線夾角為83°28′，工程總體布置見圖4。

3.4 數值模擬分析及布置優化

3.4.1水動力數值模擬

上游引航道口門區位于彎道段，距離裕溪節制閘較近，行洪期間口門處存在橫流和回流區，特別當行洪流量較大時，口門段水流流態較紊亂，易對船舶航行安全造成影響。因此，通過建立二維水流數學模型，模擬計算裕溪節制閘各運行工況下船閘上游引航道及口門區通航水流條件。

基于裕溪一線船閘擴容改造工程布置以及工程河段地形，二維水動力數學模型計算范圍選取為淮南線鐵路橋—裕溪節制閘河段，全長約1.4 km。模型基于非結構化三角形網格建立，網格節點數為24 811，三角單元數為48 503，相鄰網格節點最大間距為5 m，最小間距為3 m。模型計算域地形見圖5。水流模型上游邊界為上游航道進口斷面，采用流量邊界；水流模型下游邊界分別為裕溪一線擴建船閘、裕溪節制閘、裕溪復線船閘，采用水位邊界。

表6 上游引航道及口門區數學模型計算工況

圖5 上游引航道及口門區地形

共選取裕溪節制閘4種典型設計水位組合作為計算工況，見表6。

計算結果表明：①各工況下口門區航道內縱向流速最大值為0.94 m/s，滿足《船閘總體設計規范》中口門區水面縱向流速不大于2.0 m/s的要求；②各工況下口門區回流最大強度為0.27 m/s，均滿足《船閘總體設計規范》中口門區回流流速不大于0.4 m/s的要求；③工況4口門區航道內橫向流速最大值為0.34 m/s(圖6)，不滿足規范要求，需要進行方案優化，采取一定的工程措施以改善口門區通航水流條件；④計算所得水流流向與航道走向夾角相對較大，最大夾角可達36°。

圖6 優化前工況4流場分布

3.4.2布置優化

根據該計算結果，基于原始方案，節制閘設計20年一遇泄流工況、節制閘惡劣放水以及裕溪復線船閘灌水共同作用工況、節制閘引水工況下船閘上游口門區航道內局部水域橫向流速不滿足《船閘總體設計規范》要求。擬通過對裕溪一線船閘上游口門區及連接段航道進行局部調整，使航道走向盡量順河道水流主方向，減小航道內水流流向與航道走向的夾角，使原始方案計算結果中不滿足規范要求的口門區航道段橫流得到改善。并在兩個反彎段北側進行疏浚至航道設計底高程2.21 m，以擴大過水橫斷面，降低流速，保證航行安全，疏浚范圍見圖7。經計算，優化方案實施后，工況1～4對應的口門區航道內橫向流速最大值分別為0.29 m/s、0.29 m/s、0.25 m/s、0.30 m/s，均滿足《船閘總體設計規范》中口門區水面橫向流速不大于0.3 m/s的要求(圖8)，優化后的引航道平面布置方案安全可靠。

圖7 上游引航道及口門區局部優化示意圖

圖8 布置優化后工況4流場分布

4 結 語

a. 裕溪一線船閘是合裕線航道的入江口門，建設規模采用280 m×34 m×5.6 m，與現有復線船閘聯合調度，可滿足水平年2050年船閘的單向過閘貨運量需求。船閘擴容工程的建設將大大減少過閘船舶的待閘時間，加快船舶大型化發展，降低運輸成本，提高航運效益，使水資源得到綜合利用。

b. 針對裕溪閘樞紐現狀，裕溪一線船閘擴容改造工程建設的制約和影響因素眾多，經綜合分析確定的船閘建設規模、閘位布置、總平面布置，較好地協調了多方矛盾，原址重建方案可行。

c. 水流條件對船閘通航效率、通航安全影響很大，特別是在可供建設空間狹小的情況下，相關設計參數和方案應進行充分論證，必要時要采取數值模擬或模型試驗等手段進行分析，優化平面布置，確保設計方案科學合理。本次設計上游引航道口門區與主航道轉角較大，在原始方案基礎上，通過調整口門區及連接段航道軸線布置以減小與水流夾角并疏浚口門區航道右側局部水域以擴大過流面積減小流速的方式，可減小橫流流速，提高通航效率，保障通航安全。