復(fù)線(xiàn)船閘工程航道通航條件影響評(píng)價(jià)重點(diǎn)

劉 磊， 原賀軍

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 合肥 230011)

0 引 言

蜀山船閘是引江濟(jì)淮工程江淮溝通段蜀山泵站樞紐的主要建筑物之一，如圖1所示，位于提水泵站南側(cè)，根據(jù)引江濟(jì)淮工程初步設(shè)計(jì)及批復(fù)，蜀山船閘規(guī)劃建設(shè)雙線(xiàn)船閘，分期建成，先建一線(xiàn)并為二線(xiàn)船閘建設(shè)預(yù)留條件。已開(kāi)工建設(shè)的一線(xiàn)船閘規(guī)模為280 m×23 m×5.2 m(閘室長(zhǎng)×口門(mén)寬×檻上水深，下同)，正在建設(shè)，一線(xiàn)船閘建成后，通過(guò)能力不滿(mǎn)足各水平年運(yùn)量需求。蜀山復(fù)線(xiàn)船閘的建設(shè)將解決現(xiàn)有通航瓶頸，實(shí)現(xiàn)航道暢通，帶動(dòng)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

圖1 項(xiàng)目位置示意圖

考慮項(xiàng)目對(duì)航道的影響，引江濟(jì)淮蜀山復(fù)線(xiàn)船閘工程航道通航條件影響評(píng)價(jià)重點(diǎn)為以下四點(diǎn)。

1 通航建筑物形式、規(guī)模

1.1 通航建筑物級(jí)別、級(jí)數(shù)

蜀山復(fù)線(xiàn)船閘按Ⅱ級(jí)船閘設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)為2 000 t。根據(jù)《安徽省干線(xiàn)航道網(wǎng)規(guī)劃(2018-2030年)》，引江濟(jì)淮江淮溝通段航道規(guī)劃為Ⅱ級(jí)航道。綜合考慮航道規(guī)劃及正在建設(shè)的引江濟(jì)淮工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)認(rèn)為蜀山復(fù)線(xiàn)船閘通航標(biāo)準(zhǔn)合理。

根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》船閘級(jí)數(shù)可按下列情況確定：水頭<30 m，采用單級(jí)船閘；水頭30～40 m，采用單級(jí)或兩級(jí)船閘；水頭>40 m，采用兩級(jí)或多級(jí)船閘。擬建蜀山復(fù)線(xiàn)船閘最大設(shè)計(jì)水頭17.26 m，采用單級(jí)船閘，符合相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖2所示。

圖2 蜀山復(fù)線(xiàn)船閘總體布置圖

1.2 船閘有效尺度

1.2.1 門(mén)檻水深H

門(mén)檻水深H的計(jì)算公式如下：

式中：T為設(shè)計(jì)船舶、船隊(duì)滿(mǎn)載時(shí)的最大吃水。按照代表船型中2 000噸級(jí)貨船的設(shè)計(jì)吃水3.2 m，H≥1.6T=5.12 m。

評(píng)價(jià)認(rèn)為蜀山復(fù)線(xiàn)船閘設(shè)計(jì)門(mén)檻水深5.6 m滿(mǎn)足2000噸級(jí)設(shè)計(jì)代表船型吃水要求，且兼顧了船舶大型化的需求。結(jié)合上下游近年來(lái)擬建船閘的門(mén)檻水深實(shí)際情況，5.6 m門(mén)檻水深滿(mǎn)足通航要求。

1.2.2 船閘閘室平面尺度

蜀山一線(xiàn)船閘已經(jīng)為復(fù)線(xiàn)船閘預(yù)留了位置并創(chuàng)造了建設(shè)條件，永久征地、上下游引航道、一、二線(xiàn)閘之間的大部分主導(dǎo)航墻均由在建的一線(xiàn)船閘實(shí)施，因此復(fù)線(xiàn)船閘閘室有效長(zhǎng)度與在建的一線(xiàn)船閘一致，確定為280 m。

閘室寬度計(jì)算，船舶寬度為10.8、11.0 m時(shí)，兩列停泊Bx計(jì)算值為23.07～23.475 m，23 m寬閘室基本能兩列停泊，3列停泊Bx計(jì)算值為34.14～34.75 m，34 m寬閘室基本能停泊三列；船舶寬度為13.8 m時(shí)，2列停泊Bx計(jì)算值為26.145～29.145 m，23 m寬閘室只能1列停泊，34 m寬閘室能夠停泊兩列。因此從設(shè)計(jì)船型及船隊(duì)在閘室的排列布置來(lái)看，閘室寬度23 m、34 m均可行，《引江濟(jì)淮蜀山復(fù)線(xiàn)船閘工程可行性研究報(bào)告》初步擬定2種閘室尺度進(jìn)行方案比選，分別為280 m×23 m×5.6 m(方案一)和280 m×34 m×5.6 m(方案二)。

評(píng)價(jià)認(rèn)為方案二雖然工程量及投資略大于方案一，但通過(guò)能力更強(qiáng)，方案二的船閘通過(guò)能力可以滿(mǎn)足2050年單向貨運(yùn)量的需求，符合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于“船閘通過(guò)能力應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)水平年內(nèi)各期的客貨運(yùn)量和船舶過(guò)閘量要求”。考慮到蜀山船閘建設(shè)場(chǎng)地沒(méi)有較為理想的三線(xiàn)船閘預(yù)留場(chǎng)地空間，因此評(píng)價(jià)認(rèn)為蜀山復(fù)線(xiàn)船閘的尺度選取280 m×34 m×5.6 m(方案二)較為合理，對(duì)通航較為有利。

表1 蜀山復(fù)線(xiàn)船閘通過(guò)能力計(jì)算匯總表(單位:萬(wàn)t)

綜上，擬建蜀山復(fù)線(xiàn)船閘建成后，雙線(xiàn)船閘能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)水平年內(nèi)過(guò)閘船舶數(shù)量、總噸位數(shù)、客貨運(yùn)輸量過(guò)閘的通過(guò)能力等要求，且預(yù)留有較大富余值。通航建筑物形式和規(guī)模是可行的。

2 樞紐總平面布置

2.1 引航道布置評(píng)價(jià)

蜀山復(fù)線(xiàn)船閘工程上游導(dǎo)航、調(diào)順段為261.5 m，下游導(dǎo)航、調(diào)順段為223.1 m，上下游靠船段均為390 m。則上游引航道直線(xiàn)段總長(zhǎng)為L(zhǎng)=261.5+390=651.5 m，下游引航道直線(xiàn)段總長(zhǎng)為L(zhǎng)=223.1+390=613.1 m，均大于根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的引航道直線(xiàn)段總長(zhǎng)度要求，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求；引航道寬度B0=65 m>62.1 m，最小彎曲半徑設(shè)計(jì)取值為767.5 m>540 m，滿(mǎn)足規(guī)范要求；設(shè)計(jì)水深取值4.8m ，上、下游引航道底高程分別為12.6 m和1.0 m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)代表船型要求。

上游引航道直線(xiàn)段末端以767.5 m彎曲半徑轉(zhuǎn)彎6°后變?yōu)橹本€(xiàn)，匯入上游主航道。下游引航道經(jīng)過(guò)口門(mén)區(qū)后以540 m彎曲半徑轉(zhuǎn)彎60°后，匯入下游主航道。上、下游引航道與主河道交角均為25°，銜接順暢。引航道與主航道銜接良好，引航道布置合理。

2.2 口門(mén)區(qū)回淤

引江濟(jì)淮工程蜀山泵站樞紐水工整體模型試驗(yàn)測(cè)量了設(shè)計(jì)輸水位(泵站單獨(dú)運(yùn)行)及側(cè)向泄水涵泄洪時(shí)(10年一遇洪水及20年一遇洪水)三種運(yùn)行工況下樞紐及河道整體流速場(chǎng)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，各試驗(yàn)工況下平行于航線(xiàn)的最大流速為0.33～0.80 m/s，沿程斷面流速分布較均勻。總體來(lái)看，樞紐及上下游河道水流較順直，口門(mén)區(qū)不會(huì)有明顯的回淤。

3 通航水位

擬建蜀山復(fù)線(xiàn)船閘上下游設(shè)計(jì)通航水位與一線(xiàn)船閘已批復(fù)的水位一致，閘上、閘下設(shè)計(jì)最高通航水位分別為23.86 m、12.7 m(20年一遇洪水重現(xiàn)期水位)；閘上、閘下設(shè)計(jì)最低通航水位分別為17.4 m、5.8 m(98%年保證率水位)。

擬建蜀山復(fù)線(xiàn)船閘上下游設(shè)計(jì)通航水位符合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求，與上下游梯級(jí)通航水位能夠銜接，取值合理。

4 通航水流條件

4.1 口門(mén)區(qū)及連接段水流條件

采用物理模型試驗(yàn)的研究方式，對(duì)蜀山船閘在等各運(yùn)行工況的最大輸水流量(船閘輸水非恒定流過(guò)程的最大輸水量)進(jìn)行恒定流試驗(yàn)，并測(cè)量了流速場(chǎng)。其中，泵站運(yùn)行對(duì)引航道與口門(mén)區(qū)通航條件影響較大。

設(shè)計(jì)輸水位蜀山船閘(最大設(shè)計(jì)輸水恒定流量259 m3/s)與泵站(340 m3/s)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，上游口門(mén)區(qū)平行航線(xiàn)的縱向流速小于0.785 m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求；上游口門(mén)區(qū)垂直航線(xiàn)的橫向流速基本小于0.3 m/s。但上游分隔堤裹頭附近有限的局部范圍有大于0.3 m/s橫向流出現(xiàn)(口門(mén)區(qū)測(cè)速斷面：U9僅兩點(diǎn)橫向流速為0.316、0.363 m/s，略超過(guò)規(guī)范要求的0.3 m/s；U10有六點(diǎn)流速為0.315、0.365、0.459、0.506、0.497、0.513 m/s,超過(guò)規(guī)范要求的0.3 m/s，但僅限于有限局部范圍，距分隔堤裹頭僅約5.3 m；U11斷面有一點(diǎn)流速為0.325 m/s，略超過(guò)規(guī)范要求)。因此，設(shè)計(jì)輸水位船閘與泵站同時(shí)運(yùn)行時(shí)，船舶航行必須注意鄰近分隔堤裹頭局部小范圍內(nèi)，橫向流速略大于規(guī)范要求值。下游口門(mén)區(qū)平行航線(xiàn)的縱向流速小于1.148 m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求；下游口門(mén)區(qū)垂直航線(xiàn)的橫向流速小于0.3 m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖3 上游口門(mén)區(qū)流速場(chǎng)(設(shè)計(jì)輸水位船閘+泵站同時(shí)運(yùn)行)

蜀山船閘上游口門(mén)區(qū)在大多數(shù)運(yùn)行工況下整體水流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為平順，水流橫向流速與縱向流速基本滿(mǎn)足規(guī)范要求。而當(dāng)船閘與泵站同時(shí)運(yùn)行時(shí)，在隔流堤裹頭位置會(huì)產(chǎn)生局部小范圍橫向流速略有超標(biāo)的現(xiàn)象，但分布范圍較小，同時(shí)考慮以下因素：

(1)船閘輸水過(guò)程實(shí)際上為非恒定流過(guò)程，試驗(yàn)為方便模擬，取最大瞬時(shí)輸水流量按恒定流進(jìn)行模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果有一定的安全裕量。

(2)橫向流速測(cè)點(diǎn)大部分滿(mǎn)足規(guī)范值，超標(biāo)測(cè)點(diǎn)僅為局部小范圍且距裹頭較近。

(3)由于蜀山樞紐上下游均為人工渠道，渠道比較順直、規(guī)整，船舶具有良好的可操控性能，可以通過(guò)在隔流堤裹頭位置設(shè)置導(dǎo)、助航設(shè)施，提醒船舶謹(jǐn)慎駕駛，勿靠近裹頭行駛，安全通過(guò)。

綜上，認(rèn)為蜀山船閘口門(mén)區(qū)的水流條件能夠滿(mǎn)足工程運(yùn)行要求。

4.2 引航道通航水流條件

設(shè)計(jì)單位針對(duì)蜀山一、二線(xiàn)船閘單獨(dú)運(yùn)行和雙線(xiàn)同時(shí)運(yùn)行等不同充、泄水工況，開(kāi)展了較為全面的引航道通航水流條件模擬試驗(yàn)研究。

當(dāng)兩線(xiàn)船閘同時(shí)充水時(shí)，上游最低通航水位時(shí)引航道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大范圍縱向水流流速超標(biāo)現(xiàn)象，最大水流流速約1.07 m/s，不能滿(mǎn)足規(guī)范要求；當(dāng)兩線(xiàn)船閘錯(cuò)時(shí)5 min充水(一線(xiàn)船閘開(kāi)始充水5 min后，復(fù)線(xiàn)船閘開(kāi)始充水)，引航道內(nèi)縱向水流流速指標(biāo)基本能控制在0.8 m/s以?xún)?nèi)，但靠船墩附近水流流速仍略偏大(0.6～0.7 m/s)，在實(shí)際工程運(yùn)行時(shí)應(yīng)進(jìn)一步加大錯(cuò)時(shí)時(shí)間，盡量避免雙線(xiàn)船閘充水過(guò)程有所交叉。當(dāng)復(fù)線(xiàn)船閘充水運(yùn)行時(shí)，在兩線(xiàn)船閘引航道導(dǎo)航墻堤頭與第一個(gè)靠船墩之間會(huì)出現(xiàn)局部小范圍橫向流速超標(biāo)現(xiàn)象，實(shí)測(cè)各工況最大橫向流速約0.43 m/s。

綜上分析，蜀山復(fù)線(xiàn)船閘上、下游引航道在推薦的船閘輸水運(yùn)行方式下水流條件相對(duì)較好，僅個(gè)別工況、局部區(qū)域的流速指標(biāo)略超過(guò)規(guī)范要求，且范圍較小，可認(rèn)為引航道水流條件基本能夠滿(mǎn)足工程運(yùn)行要求；但從工程安全角度出發(fā)，建議在船閘運(yùn)行初期加強(qiáng)原型觀測(cè)與調(diào)試，確保船舶安全通航。

根據(jù)上述物理模型試驗(yàn)研究成果，設(shè)計(jì)單位對(duì)靠船墩布置進(jìn)行了優(yōu)化，在引航道上游側(cè)增設(shè)了一個(gè)靠船墩。并通過(guò)在第一個(gè)靠船墩上不設(shè)置靠船設(shè)施，使第一個(gè)靠船墩與導(dǎo)航墻之間的過(guò)水孔不停靠船舶，以保證船舶的通航安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)線(xiàn)船閘工程航道通航條件影響評(píng)價(jià)應(yīng)在分析通航環(huán)境、航道、水利等相關(guān)規(guī)劃、河床演變的基礎(chǔ)上，依據(jù)規(guī)范對(duì)工程選址方案、總平面布置、通航建筑物規(guī)模、通航水位、對(duì)上下游跨河建筑物凈空尺度影響、水流條件、施工期通航方案等進(jìn)行論證，提出論證結(jié)論。其中應(yīng)重點(diǎn)分析通航建筑物規(guī)模、總平面布置、通航水位及水流條件。