平原水閘閘孔通航設計淺析

王西青

(安徽省阜陽市水利規劃設計院有限公司，安徽 阜陽 236000)

為了有效實現黑茨河與沙潁河的連通，規劃在黑茨河入茨淮新河口處新建黑茨河閘。利用黑茨河閘攔蓄降雨，涵養沿岸地下水，為沿岸農業灌溉、水生態改善提供條件；同時利用黑茨河右岸的許溝引黑茨河水入楊溝，通過楊溝向沙潁河活水，補充沙潁河阜陽閘來水，改善干旱年份航運條件；達到黑茨河水系連通的目的。但由于黑茨河原為通航河道，航道等級為Ⅵ級，為解決黑茨河閘通航問題，將該閘兩側閘孔按通航孔設計。

1 工程概況

1.1 黑茨河閘規模、結構

黑茨河閘工程規模為大(2)型水閘，主要建筑物級別為2級；5年一遇設計排澇流量為717m3/s；20年一遇校核行洪流量為1114m3/s；50年校核排洪流量為1330m3/s。該閘共7孔，為開敞式結構，閘孔總凈寬78m；中間5孔每孔凈寬10m；兩側通航孔每孔凈寬14m。節制閘底板頂高程為22.40m，門檻頂高程為23.10m，底板厚1.5m；通航孔底板頂高程為22.40m，底板厚1.9m；閘室順水流方向長18m。節制閘閘門采用露頂式平面定輪鋼閘門，通航孔閘門采用升臥式平面定輪鋼閘門。

1.2 航道定級

根據《內河航道技術等級評定》，黑茨河原墻至茨河鋪37km航道為Ⅵ級。

2 設計通航水位

2.1 最高通航水位

黑茨河規劃航道等級為Ⅵ級，根據JTS 145—2011《內河航運工程水文規范》，Ⅵ級航道設計最高通航水位取5年一遇洪水位，根據的《內河航道技術等級評定》，黑茨河閘距茨淮新河口約600m，經水面曲線推求，最高通航水位為31.16m(1985國家高程基準，下同)，但該成果為1997年數據，資料較老。黑茨河航道設計通航水位詳見表1。

表1 黑茨河航道設計通航水位表

2.2 最高通航水位復核

根據《淮河流域防洪規劃》，黑茨河入茨淮新河河口處5年一遇排澇水位為29.71m。

(1)航道規劃標準、設計流量與水位

黑茨河現狀已達3年一遇除澇、20年一遇防洪標準，近期不再安排工程。

遠期干流除澇標準為5年一遇，設計除澇流量梁堤口至茨河口為35～727m3/s;防洪標準為20年一遇，設計泄洪流量梁堤口至茨河口為60～1127m3/s。

梁堤口設計除澇水位為50.68m，張胖店36.07m，茨河口29.71m；梁堤口設計防洪水位為52.14m，張胖店38.01m，茨河口31.17m。

(2)航道工程規劃

遠期擴挖梁堤口至茨河口河道長183.9km。

按最新成果選取設計最高通航水位為29.71m(5年一遇排澇水位)。

2.3 設計最低通航水位

黑茨河規劃航道等級為Ⅵ級，根據JTS 145—2011，Ⅵ級航道設計設計最低通航水位取90%多年歷時保證率水位。

1998年《內河航道技術等級評定》中黑茨河沿線設計最低通航水位均為24.83m。

2.4 最低通航水位復核

考慮到枯水期，水位受茨淮新河插花閘蓄水影響，本次結合插花閘閘上近年來蓄水情況，對設計最低通航水位進行初步復核。

插花閘2003年至今最低蓄水位為26.00m。根據插花閘閘上近年來水位統計資料分析，將90%通航保證率水位26.40m作為黑茨河閘通航孔設計最低通航水位。如圖1所示。

圖1 插花閘閘上實測水位頻率曲線

設計最低通航水位本著“就低不就高”的原則，取24.60m。

3 通航代表船型

黑茨河航道為Ⅵ級航道，代表船型為100噸級，但隨著近年來船舶大型化的發展，300噸級及以下船舶已經被市場淘汰，應選取500噸級船舶作為代表船型，同時兼顧1000噸級船舶。

根據GB 50139—2014《內河通航標準》，500噸級駁船尺度為45m×10.8m×1.6m，500噸級貨船尺度為67.5m×10.8m×1.6m。

根據《京杭運河、淮河水系過閘運輸船舶標準船型主尺度系列》，京杭運河、淮河水系500噸級干散貨船尺度為45m×8.8m×2.3m，1000噸級干散貨船尺度為60m×11m×3.0m。

考慮黑茨河航道下通茨淮新河，為淮河水系航道網的組成部分，因此選取《京杭運河、淮河水系過閘運輸船舶標準船型主尺度系列》中船型作為代表船型，該船型尺度較小，對方案較有利。代表船型500噸級貨船：45m×8.8m×2.3m；兼顧船型1000噸級貨船：60m×11m×3.0m。

4 閘孔尺度分析

4.1 通航孔凈寬復核

該通航孔在靜水狀態下可類似船閘，根據JTJ 305—2001《船閘總體設計規范》，單列船舶或者船隊過閘時，閘室有效寬度為12-1.2=10.8m。能夠滿足500噸級船舶通過，能夠基本滿足1000噸級船舶通過。

在特定水流條件下，可類似船閘引航道，根據JTJ 305—2001，在不考慮等候過閘船舶、船隊寬度的情況下，引航道寬度不應小于過閘船舶或船隊寬度和與岸邊富裕寬度之和，根據公式計算，應不小于8.8+0.5×8.8=13.2m。

因此通航孔凈寬取14m較合理。

4.2 通航孔凈高復核

根據GB 50139—2014要求，Ⅵ級航道跨河建筑物通航凈高不應小于6m。按設計最高通航水位29.71m計算，通航孔上部交通橋梁底板高程為35.71m。

為滿足通航凈空要求，盡量降低排架高度，首先采用了升臥門設計方案。升臥式鋼閘門是一種沿弧線軌道運動的平面閘門，在關閉狀態時閘門直立擋水，啟門時閘門先直升一段，然后向上游轉動，全開時閘門平臥于閘墩頂部。升臥式平面閘門兼具平面直升閘門和弧形閘門的優點，使平面閘門在弧形軌道上作弧形運動，是適用于簡易船閘的工作閘門，同時可大大降低啟閉機的安裝高度，從而提高了水工建筑物的抗震能力，降低工程造價。

4.3 上下游導航調順段長度分析

參考JTJ 305—2001，船閘引航道包括導航段、調順段、停泊段3段。考慮工程上下游河道較為順直寬闊，船舶可另選位置進行停泊。導航段長度應大于等于一倍設計代表船型長度，為45m。調順段應大于等于1.5倍設計代表船型長度，為67.5m，工程上下游河道順直寬闊，能夠滿足船舶調順要求。

4.4 門檻水深及引航道水深

參考JTJ 305—2001，門檻水深應不小于1.6倍代表船型吃水，引航道水深應不小于1.5倍代表船型吃水。由于該工程只能在特定水文條件下類似于船閘，因此門檻水深和引航道水深均按大值控制。

設計最低通航水位為24.60m，閘底板及上下游護底等高程不高于22.40m。

4.5 導航墻

為了避免節制孔出流干擾通航孔出流，在閘室的左岸下游側和右岸上游側各設置45m長導航墻。導航墻采用直徑為1.2m灌注樁基礎，單樁水平承載力設計值為444.76kN，上設1.3m厚蓋梁，蓋梁與鋪蓋、消力池間設止水。防撞計算參數見表2。

表2 防撞計算參數表

4.6 引航道

引航道直線段長度不小于3.5倍代表船型船長(500噸級船舶長45m)，即不小于157.5m。下行通航孔上游航道直線段長度約為270m，下游航道直線段長度約為160m，滿足要求；上行通航孔下游航道直線段長度約為160m，上游航道直線段長度約為160m，滿足要求。上下行通航孔前均設導航墻，導航墻長度按不小于1倍代表船型長度控制，長度為45m，能夠滿足船舶導航需要。最小彎曲半徑結合船閘設計規范，最小彎曲半徑取3倍的設計船長，即兩側引航道最小彎曲半徑R≥3Lc=3×60m=180m；黑茨河航道規劃等級為Ⅵ級，根據GB 50139—2014，Ⅵ級航道最小彎曲半徑為180m。上下游航道彎曲段彎曲半徑均不小于180m，滿足規范要求。

5 結論

綜上所述，盡管黑茨河閘采用大閘孔通航設計方案，存在僅適用于平原地區水位差和流速較小的通航河道，且要避免節制孔出流干擾通航孔出流防撞問題的不足之處，設計時需考慮方案的適用性，并采取必要的工程措施。但較水閘旁另建設船閘，工程投資少，減少了操作控制流程和啟閉設備的頻繁開啟，加快了船只過閘速度，降低了運行費用，與傳統水閘相比較，該方案結構新穎，運用方便，也為水閘通航設計提供了一種新思路。