山區(qū)河流船閘支墩浮式導(dǎo)航墻浮囤潛水渡洪

李躍卿，李 維

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610017)

1 山區(qū)河流船閘上游導(dǎo)航墻常用形式

在山區(qū)河流通航樞紐建設(shè)中，由于地形、地質(zhì)條件及水文特性較為惡劣，河流多彎形成的主槽左右岸不斷偏轉(zhuǎn)變化，導(dǎo)致樞紐中船閘的布置十分困難，經(jīng)常出現(xiàn)引航道口門區(qū)的斜向水流過大，造成不良流態(tài).這時(shí)往往采用一種允許底部水流斜向通過，而使面層水流保持相對(duì)平穩(wěn)的處理方案.在已往的工程實(shí)踐中，一般采用在外導(dǎo)航墻端部的最低通航水位以下部分布置斜向過流孔(墻底開孔形式，圖1)的方案，可以基本上消除或減小口門區(qū)的較大橫流.但樞紐水級(jí)較高，上游庫(kù)區(qū)水深較大時(shí)，透空實(shí)體引墻因高度過大，實(shí)施十分困難，浮式導(dǎo)航墻就較為適用了.

圖1 墻底開孔形式Fig.1 Bottom opening of the guide wall

浮式導(dǎo)航墻多采用具有一定吃水深度的長(zhǎng)條形囤船，一端固定在實(shí)體引墻的端部，另一端采用錨纜固定在河床底部的形式(錨纜固定浮囤形式，圖2).浮式導(dǎo)航墻的船底以下可全部過水，過水?dāng)嗝孑^大，加之大吃水囤船船舷的阻擋，水面可形成一定面積的緩水區(qū).這種形式的導(dǎo)航墻在丹江口和五強(qiáng)溪等樞紐已較早采用，其缺點(diǎn)在于水位變幅較大、較頻繁時(shí)，必須有專人在囤船上進(jìn)行收、放錨纜的管理工作，特別在汛期，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，并存在著一定安全問題;同時(shí)，這種浮式囤船很難與實(shí)體導(dǎo)墻保持在一條直線的位置上，針對(duì)山區(qū)河流洪水峰高、形瘦的水文特性，這種情況更為突出，故這種形式的浮式導(dǎo)航墻，在中低水級(jí)的河床式樞紐上較少采用.

圖2 錨纜固定浮囤形式Fig.2 Pontoon-type guide well fixed by anchor cable

2 草街樞紐船閘上引航道布置

草街樞紐位于嘉陵江下游重慶市境內(nèi)合川以下27km處，船閘布置在左岸一S形河段中部的順直河段上，上引航道口門區(qū)位于上彎道的下口，彎道水流經(jīng)過引航道口門區(qū)斜向流向電站進(jìn)水口(圖3).通過分析及水工模型試驗(yàn)均可看出引航道口門區(qū)有明顯橫流出現(xiàn)，考慮到壩址選擇已經(jīng)批準(zhǔn)確定，若總體布置上將船閘布置在右岸，引航道更加無法滿足要求，通過調(diào)整過水建筑物位置也難以改變水流的基本方向，故設(shè)計(jì)人員著重于如何通過改變左岸船閘導(dǎo)航墻堤頭的結(jié)構(gòu)形式來解決橫流對(duì)船舶航行的影響.

圖3 草街樞紐上引航道浮式導(dǎo)航墻布置Fig.3 Layout of the floating guide wall of upstream approach channel at Caojie hydroproject

由于草街樞紐上游水深達(dá)30多米，采用墻底開孔的實(shí)體引墻形式將產(chǎn)生過大的工程數(shù)量及投資，且施工圍堰工程量也大幅增加，工期難以保證;采用錨纜固定浮囤的形式，雖然減少了工程數(shù)量，縮短了工期，但嘉陵江典型的山區(qū)河流水文特性，加大了渡洪安全管理的困難，故而結(jié)合草街樞紐的實(shí)際條件，提出了布置6個(gè)間距30m的獨(dú)立導(dǎo)航墩，導(dǎo)航墩間設(shè)置可隨水位上下浮動(dòng)的浮囤的支墩浮式導(dǎo)航墻方案(見圖4).

圖4 支墩浮式導(dǎo)航墻(單位:高程:m，長(zhǎng)度:cm)Fig.4 Buttress floating guide wall(unit:elevation:m，length:cm)

3 支墩浮式導(dǎo)航墻方案

支墩浮式導(dǎo)航墻由獨(dú)立圓形導(dǎo)航墩與導(dǎo)航墩間的鋼制浮囤組成，導(dǎo)航墩的間距由導(dǎo)航墩的側(cè)向受力穩(wěn)定及囤船的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算來確定，一般采用30～60m，由于缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，草街船閘采用了較小的30m間距.草街船閘上游支墩浮式導(dǎo)航墻由7個(gè)獨(dú)立圓柱形導(dǎo)航墩(含上游右導(dǎo)墻堤頭墩柱)及6艘浮囤組成.浮囤通過自身及活動(dòng)導(dǎo)卡限制在兩個(gè)導(dǎo)航墩之間，隨水位升降上下浮動(dòng)，既具有上游引航道船舶進(jìn)出閘導(dǎo)航以及上游引航道與電站進(jìn)口水域的隔離作用，又保證部分引航道底部的水流暢通，改善了引航道口門區(qū)的水流條件.

導(dǎo)航墩主要用于浮式導(dǎo)航墻的定位，并承擔(dān)浮囤傳遞的水平力.由于庫(kù)區(qū)水深較大，導(dǎo)航墩潛入水中的高度往往高達(dá)數(shù)十米，在汛期將承受較大的水平力及彎矩，草街樞紐導(dǎo)航墩的尺度為Φ6m×36m(直徑×高)，為一空心的鋼筋混凝土墩柱，內(nèi)部充填塊石，墩柱表面布置必要的浮囤升降軌板.

浮囤主體為一長(zhǎng)方形船體，主尺度為23.6m×6m×3m×2m(長(zhǎng)×寬×型深×吃水)，沿引航道內(nèi)側(cè)向兩端伸出約1.5m長(zhǎng)的弧形固定導(dǎo)卡，浮囤外側(cè)設(shè)有用轉(zhuǎn)軸、插銷固定的活動(dòng)導(dǎo)卡，依靠弧形固定導(dǎo)卡及另一側(cè)的活動(dòng)導(dǎo)卡將浮囤限制在2個(gè)圓柱形的導(dǎo)航墩之間，并隨水位變化而升降;為保證浮囤的自由升降和將承受的船舶撞擊力傳遞給導(dǎo)航墩，浮囤的弧形固定導(dǎo)卡處設(shè)有導(dǎo)向輪及橡膠護(hù)弦;浮囤活動(dòng)導(dǎo)卡在拔除插銷后，可繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)擱置于浮囤甲板上，以便浮囤進(jìn)入或撤離導(dǎo)航墩間，便于浮囤的維修和安裝定位;活動(dòng)導(dǎo)卡除設(shè)有橡膠護(hù)弦防震外還設(shè)有懸臂人行便橋，以便與鄰近浮囤連接，浮囤在導(dǎo)航墩間的布置見圖5.

圖5 浮囤結(jié)構(gòu)布置(單位:高程:m，長(zhǎng)度:cm)Fig.5 Layout of the pontoon-type guide wall(unit:elevation:m，length:cm)

支墩浮式導(dǎo)航墻的設(shè)計(jì)，保證了浮囤在水位變化時(shí)無需專人管理，但如要保證在校核洪水下浮囤仍舊限制在導(dǎo)航墩間平安渡洪，導(dǎo)航墩則需高達(dá)50余米，是極不經(jīng)濟(jì)的.為此必須將導(dǎo)航墩的高度限制在最高通航水位要求的高度，以減少工程量，才能突出支墩浮式導(dǎo)航墻的優(yōu)點(diǎn).

4 浮囤的潛水渡洪

山區(qū)河流洪枯水位變化較大，草街樞紐最高通航水位與校核水位相差約16m，采用降低導(dǎo)航墩高度固然可以節(jié)約較大工程量，但水位超出最高通航水位，浮囤將浮出導(dǎo)航墩間，如不及時(shí)將浮囤撤離到安全地段錨泊，就會(huì)被沖向下游，這使得管理工作十分困難.限制浮囤高水位時(shí)不得脫離導(dǎo)航墩，是減少管理難度、保證安全的較好思路，為此，浮囤如何潛水渡洪成為了關(guān)鍵問題.

為限制浮囤的上浮脫離導(dǎo)航墩，設(shè)計(jì)中在導(dǎo)航墩頂部設(shè)置了止浮卡.浮囤潛水時(shí)，止浮卡將承受浮囤的全部浮力，并將其傳遞給導(dǎo)航墩，由于浮囤工作時(shí)具有1.0m干舷高，潛水時(shí)將產(chǎn)生約1500 kN的浮力，這將對(duì)船體、止浮卡、導(dǎo)航墩的結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響.為了浮囤在工作狀況時(shí)有足夠的干舷和一定的吃水，以保證阻擋面流和必要時(shí)船舶的靠泊，而在潛水渡洪時(shí)卻僅有很小的浮力，浮囤設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了一定數(shù)量的進(jìn)水管，使浮囤在潛水渡洪時(shí)浮力降至允許范圍，保證了浮囤的正常工作和安全渡洪.

浮囤隨上游水位的變化而在導(dǎo)航墩之間升降，并承受進(jìn)出閘船舶的擠靠力，浮式導(dǎo)航墻的浮囤僅在通航水位范圍內(nèi)正常工作，超過最高通航水位，導(dǎo)航墩及浮囤即進(jìn)入渡洪期.現(xiàn)以草街船閘為例介紹浮囤的渡洪流程.①當(dāng)水位低于203.00m(最高通航水位)時(shí)，為正常工況，浮囤干舷高1.0m;②當(dāng)水位上升至206.00m時(shí)，浮囤被止浮卡(卡底高程207.00m)限制，停止浮升;當(dāng)水位上升至206.30m以上時(shí)，進(jìn)水管進(jìn)水，船體水箱充水使浮囤浮力減小，直至水箱充滿，浮囤干舷20cm;③當(dāng)水位上升至207.00m時(shí)，此時(shí)浮囤水箱已充滿，經(jīng)計(jì)算此時(shí)浮囤所受浮力為283 kN，浮囤保持20cm干舷高所產(chǎn)生的浮力;④當(dāng)洪水位超過208.00m，浮囤在保持28.32 t浮力情況下淹沒在水下，安全渡洪;⑤汛后，水位下降至206.80m以下，浮囤以干舷20cm漂浮，水位穩(wěn)定后，抽干水箱，恢復(fù)干舷1.0m的正常工況.

當(dāng)上游水情預(yù)報(bào)洪峰流量較大時(shí)，應(yīng)人工開啟水箱上部進(jìn)水閥，以便在洪水到來前盡快充滿水箱，減小止浮卡承受的浮力.

5 結(jié)語

(1)由于受自然條件的限制，在洪枯水位變化較大的山區(qū)河流修建船閘，往往將船閘與電站緊鄰布置，而這將造成引航道口門區(qū)流態(tài)復(fù)雜的問題.為使引航道口門區(qū)的水流條件滿足規(guī)范要求，可采用經(jīng)濟(jì)適用的支墩浮式導(dǎo)航墻解決引航道堤頭橫向水流過大問題.

(2)由于山區(qū)河流最高通航水位與校核水位相差較大，如要滿足校核水位時(shí)浮囤仍升降自如，導(dǎo)航墩高度需大大高于引墻高度，導(dǎo)致工程量較大，是極不經(jīng)濟(jì)的.但采用降低導(dǎo)航墩高度雖可以節(jié)約較大工程量，但水位超出最高通航水位，浮囤將會(huì)浮出導(dǎo)航墩沖向下游.為保證浮囤高水位時(shí)不脫離導(dǎo)航墩，采用浮囤潛水渡洪是減少管理難度、保證安全的較好思路.

(3)浮囤潛水渡洪工藝，減少了工程數(shù)量，保證了浮囤在水位變化時(shí)無需專人值守，突出了支墩浮式導(dǎo)航墻的優(yōu)點(diǎn).

［1］李君濤，普曉剛，張明.導(dǎo)流墩對(duì)狹窄連續(xù)彎道樞紐船閘引航道口門區(qū)水流條件改善規(guī)律研究［J］.水運(yùn)工程，2011(6):120-125.(LI Jun-tao，PU Xiao-gang，ZHANG Ming.On improvement laws of flow conditions at the entrance of ship approach channel in narrow continuous meandering river by diversion pier［J］.Port＆ Waterway Engineering，2011(6):120-125.(in Chinese))

［2］梁若冰.金雞灘水利樞紐船閘上游引航道右側(cè)導(dǎo)航墻設(shè)計(jì)及優(yōu)化［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2010(4):65，81.(LIANG Ruobing.Design and optimization of the right navigation wall of the upstream approach channel of the shiplocks of the Jinjitan Water Conservancy Project［J］.Water Resources Planning and Design，2010(4):65，81.(in Chinese))

［3］張亮，盧啟超.船閘引航道口門區(qū)通航水流條件改善措施的綜述［J］.科技信息，2009(25):785-786.(ZHANG Liang，LU Qi-chao.Descriptions of ways to improve the water conditions on the gateway of shiplock navigation channel［J］.Science ＆Technology Information，2009(25):785-786.(in Chinese))

［4］陳輝，趙嵐，劉珊燕，等.三峽工程運(yùn)行初期上游引航道通航水流條件研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2007(3):68-71.(CHEN Hui，ZHAO Lan，LIU Shan-yan，et al.Navigation conditions in upstream approach channel of TGP in initial operation period［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007(3):68-71.(in Chinese))

［5］李焱，孟祥瑋，李金合.三峽工程上游引航道布置對(duì)通航水流條件的影響［J］.水道港口，2002(4):31-37.(LI Yan，MENG Xiang-wei，LI Jin-he.Effects of arrangement of upstream approaching channel of flow conditions of the Three Gorge Project［J］.Journal of Waterway and Harbor，2002(4):31-37.(in Chinese))

［6］陳永奎，王列，楊淳，等.三峽工程船閘上游引航道口門區(qū)斜流特性研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1999(2):2-7，31.(CHENG Yong-kui，WANG Lie，YANG Chun，et al.Investigation on oblique flow characteristics in upstream approach entrance region of TGP's Lock［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1999(2):2-7，31.(in Chinese))

［7］趙世強(qiáng)，趙健，陳桂馥.重慶市嘉陵江航運(yùn)開發(fā)草街航電樞紐工程初步設(shè)計(jì)階段樞紐水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.重慶:重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2004.(ZHAO Shi-qiang，ZHAO Jian，CHEN Gui-fu.The research report of project hydraulic model experiment of Caojie shiplock project under the development of Chongqing Jialing river in the initial stage［R］.Chongqing:Chongqing Southwest Water Transport Engineering Research Institute，2004.(in Chinese))

［8］王作高.船閘設(shè)計(jì)［M］.北京:水利電力出版社，1992.(WANG Zuo-gao.Design of shiplock［M］.Beijing:China WaterPower Press，1992.(in Chinese))

［9］須清華.通航建筑物應(yīng)用基礎(chǔ)研究［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1999.(XU Qing-hua.Applied fundamental research of navigation structure［M］.Beijing:China WaterPower Press，1999.(in Chinese))

［10］朱紅.導(dǎo)流墩改善船閘引航道口門區(qū)水流條件的試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2006.(ZHU Hong.Tests on improving flow conditions at the entrance of approaching channel by diversion pier［D］.Changsha:Changsha University of Science＆ Technology，2006.(in Chinese))

［11］宋志忠，王程.三峽船閘浮式導(dǎo)航堤設(shè)計(jì)［J］.湖北水利發(fā)電，2007(5):50-53.(SONG Zhi-zhong，WANG Cheng.Design of floating navigation jetty of Three Gorges Shiplock［J］.Hubei Water Power，2007(5):50-53.(in Chinese))