界牌樞紐船閘引航道優(yōu)化設(shè)計(jì)

穆 森，吳志龍

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

1 工程概況

界牌航電樞紐位于鷹潭市城區(qū)下游12.5 km處的信江干流，是一座以航運(yùn)為主，結(jié)合發(fā)電、灌溉等綜合利用工程。原樞紐自右岸至左岸依次布置Ⅲ級(jí)船閘1座、右支12孔泄水閘1座、溢流壩及擋水壩各1座、左支8孔泄水閘1座、左岸水電站1座以及過壩公路等建筑物[1]，見圖1。

圖1 界牌樞紐布置

信江為國(guó)家規(guī)劃的內(nèi)河高等級(jí)航道，界牌航電樞紐所屬航段規(guī)劃為三級(jí)航道。自2002年運(yùn)營(yíng)以來，由于庫(kù)區(qū)淹沒損失等因素，樞紐正常蓄水位比設(shè)計(jì)正常蓄水位低2 m，導(dǎo)致樞紐船閘達(dá)不到三級(jí)通航的要求，且電站無法按照設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，效率低下。因此，界牌航電樞紐亟需進(jìn)行改造。

2 船閘平面布置與優(yōu)化

2.1 船閘平面布置

界牌樞紐改建工程包括改建1座Ⅲ級(jí)船閘、增設(shè)1座電站和1條魚道，對(duì)原電站、泄水閘金屬結(jié)構(gòu)、啟閉機(jī)械及大壩安全監(jiān)測(cè)改造等。改建后的樞紐能夠滿足航運(yùn)、發(fā)電及灌溉等要求。其中，船閘在原有閘址上改建，其中心線較原船閘軸線向河側(cè)偏移22.7 m，上閘首與原船閘上閘首齊平，為樞紐擋水建筑物的組成部分。船閘等級(jí)為Ⅲ級(jí)，有效尺度為180 m×23 m×4.5 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)，采用曲線進(jìn)閘、直線出閘的過閘方式。船閘上、下游導(dǎo)航調(diào)順段長(zhǎng)162 m(水平投影長(zhǎng)度)，是斜率為1/6的直線。停泊段長(zhǎng)240 m，布置在河側(cè)。口門段設(shè)180 m長(zhǎng)分水墻，保證引航道內(nèi)流速滿足船舶航行要求。壩頂交通橋從上閘首上游跨過，連接壩頂與右岸交通(圖2)。

圖2 改建船閘布置初步方案(單位：m)

由于樞紐船閘改造工程引航道口門區(qū)及連接段與主流存在一定夾角，因此其通航水流條件應(yīng)加以重點(diǎn)研究。為了解決通航建筑物在樞紐中的平面布置，確保船舶在引航道口門區(qū)連接段的航運(yùn)安全，確保工程設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)的安全合理，需要通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證船閘改造工程整體布置方案的合理性，并通過比較提供優(yōu)化的樞紐建筑物布置方案。

考慮到界牌船閘靠河道右岸布置，下游引航道與界牌洲右側(cè)河道順接，整體較為平順，因此在試驗(yàn)中開展了自停泊段至口門區(qū)不設(shè)置混凝土掛板的初步方案研究[2]。上下游導(dǎo)航墻、停泊段及分水墻布置同圖2。

根據(jù)實(shí)際調(diào)度情況，確定的試驗(yàn)研究工況見表1。

表1 船閘引航道口門區(qū)通航水流條件試驗(yàn)工況

初步方案試驗(yàn)結(jié)果顯示，在船閘引航道停泊段和口門區(qū)不設(shè)混凝土掛板時(shí)，河道水流可直接流過靠船墩與分水墻，在上游下泄小流量工況(T1-S～T5-S)下，船閘上下游引航道口門區(qū)水流條件均較好，各流速指標(biāo)均能夠滿足規(guī)范要求；在大流量工況(T6-S～T8-S)下，水流在引航道停泊段出現(xiàn)明顯流向偏轉(zhuǎn)，在靠近河道側(cè)的一定范圍內(nèi)區(qū)域出現(xiàn)橫流超標(biāo)現(xiàn)象(橫向流速限值0.3 m/s，縱向流速限值2 m/s)[3]，對(duì)船舶停靠帶來不利影響。初步方案的船閘上、下游引航道口門區(qū)典型水流流速分布見圖3、4。

圖3 初步方案大流量工況下船閘上游引航道口門區(qū)典型水流流速分布(流速：ms)

圖4 初步方案大流量工況下船閘下游引航道口門區(qū)典型水流流速分布(流速：ms)

2.2 引航道布置優(yōu)化

為改善引航道口門區(qū)水流條件，并考慮降低分水墻端部以外航道內(nèi)斜向水流強(qiáng)度，在引航道停泊段及分水墻段采用掛板封閉引航道，其中停泊段完全封閉，分水段半封閉(即掛板底部透空)。經(jīng)過多種方案比選，最終采用的優(yōu)化方案為：上游分水墻總長(zhǎng)140 m，掛板底高程均為20.5 m；下游分水墻總長(zhǎng)140 m，分水墻上游前3個(gè)掛板底高程為13.3 m，第4、5個(gè)掛板底高程均為14.3 m，第6、7個(gè)掛板底高程均為15 m。推薦船閘布置方案見圖5，分水墻掛板形式見圖6。

圖5 推薦船閘布置方案(單位：m)

圖6 分水墻掛板布置形式(單位：m)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化后船閘上游引航道口門區(qū)水流流態(tài)相對(duì)較好，各工況下引航道停泊段水流平穩(wěn)；當(dāng)來流量達(dá)到或超過5 a一遇洪水時(shí)，上游引航道口門區(qū)存在局部橫向流速超標(biāo)區(qū)域，但超標(biāo)范圍小于1/4航道寬度，基本能夠滿足船舶航行要求；下游引航道口門區(qū)水流流速指標(biāo)基本能夠滿足規(guī)范要求，但在下游航道連接段(距口門區(qū)分水墻末端150 m以下部分航道)存在局部橫向流速較大區(qū)域，占1/5～1/4航道寬度，須提醒船舶盡量靠岸邊行駛，確保航行安全。改善方案的船閘上、下游引航道口門區(qū)典型水流流速分布見圖7、8。

圖7 改善方案大流量工況下船閘上游引航道口門區(qū)典型水流流速分布(流速：ms)

圖8 改善方案大流量工況下船閘下游引航道口門區(qū)典型水流流速分布(流速：ms)

3 引航道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 問題

根據(jù)原地質(zhì)勘查報(bào)告，下游主導(dǎo)航墻建基面位于弱風(fēng)化基巖上，巖體的容許承載力為0.8～1.0 MPa，抗剪摩擦系數(shù)為0.3～0.4。鉆孔揭示靠船墩側(cè)約140 m(即4#～17#主導(dǎo)航墻)導(dǎo)航墻的巖面高程為19.0～24.9 m，巖面較下游引航道底高程13.3 m高很多。原設(shè)計(jì)中此段主導(dǎo)航墻采用混合式結(jié)構(gòu)(上部重力式+下部襯砌式)，上部重力式結(jié)構(gòu)采用梯形斷面，頂高程31.3 m，底高程19.0～24.9 m，頂寬2.0 m，底寬7.9～9.5 m；下部襯砌式結(jié)構(gòu)頂高程19.0～24.9 m，底高程11.8 m，前趾埋入引航道底高程下1.5 m，前趾寬度2.0 m。通過計(jì)算，下游主導(dǎo)航墻最大基底應(yīng)力為0.7 MPa，在基巖的允許承載力范圍內(nèi)，同時(shí)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算也滿足《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的要求。原下游4#～17#導(dǎo)航墻典型斷面見圖9。

圖9 原下游4#～17#導(dǎo)航墻典型斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

在工程實(shí)施過程中，待下游主導(dǎo)航墻基坑開挖后，發(fā)現(xiàn)4#～11#結(jié)構(gòu)段巖石存在發(fā)育裂隙，原設(shè)計(jì)中采用的錨桿在施工中會(huì)進(jìn)一步破壞巖石完整性；12#～17#結(jié)構(gòu)段原建基面位置存在較大的人工采石區(qū)及淤泥區(qū)。因此原混合式結(jié)構(gòu)不再適用。

3.2 優(yōu)化方案比選

3.2.1重力式結(jié)構(gòu)(方案1)

墻身為梯形重力式結(jié)構(gòu)，頂高程31.3 m，底板底高程11.8 m，擋墻頂寬2.0 m，底板寬度12.0 m，底板厚度1.5 m。結(jié)構(gòu)形式見圖10。通過計(jì)算得知，該整體式結(jié)構(gòu)方案的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，該方案投資增加約277萬元。

圖10 方案1斷面

3.2.2重力墩+掛板結(jié)構(gòu)(方案2)

導(dǎo)航(靠船)墩中心間距20.0 m，兩墩之間采用預(yù)制混凝土掛板連接。導(dǎo)航墩頂尺寸為4 m×3.5 m(長(zhǎng)×寬)，底板尺寸為17 m×8 m×3 m(長(zhǎng)×寬×厚)；掛板厚2.0 m。結(jié)構(gòu)形式見圖11。

圖11 方案2斷面

通過計(jì)算得知，該整體式結(jié)構(gòu)方案的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，該方案投資增加約181萬元。

3.3 方案對(duì)比及推薦方案

方案1的抗船舶撞擊能力強(qiáng)，且施工簡(jiǎn)單，增加投資較高。方案2投資比方案1少96萬元，但對(duì)原方案改動(dòng)較大，且抗船舶撞擊力較弱，安全性稍差；同時(shí)墩身、掛板的鋼筋用量遠(yuǎn)大于方案1，施工復(fù)雜，所需工期較長(zhǎng)，不能滿足緊迫的工期要求。因此，推薦界牌樞紐船閘改建工程下游4#～17#主導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)由混合式結(jié)構(gòu)調(diào)整為重力式結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

1)通過在靠船段增設(shè)掛板，引航道形成封閉區(qū)域，有效解決了引航道導(dǎo)航調(diào)順段橫流超標(biāo)的問題，在此基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化了分水墻長(zhǎng)度及分水墻段掛板高程。

2)通過對(duì)兩套方案的綜合比選，解決了由于地質(zhì)條件突變引起的引航道原設(shè)計(jì)方案不適用的問題，確定突變影響范圍內(nèi)的導(dǎo)航墻采用重力式結(jié)構(gòu)代替原設(shè)計(jì)的混合式結(jié)構(gòu)。