西江航運干線桂平二線船閘設計關(guān)鍵技術(shù)

吳 信

(廣西交通規(guī)劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530011)

1 工程概況

桂平二線船閘工程是西江航運干線擴能關(guān)鍵節(jié)點之一，位于廣西桂平市郁江、黔江、潯江三江匯合口郁江上游約2.5km處，桂平航運樞紐一線船閘右側(cè).西江航運干線西起南寧、東達廣州，全長854km，由郁江、潯江、西江、珠江組成，是桂、滇、黔地區(qū)水運物資運輸?shù)闹匾ǖ?目前南寧至廣州航道整體為Ⅲ級航道，其中貴港至界首段為Ⅱ級航道，界首至廣東肇慶段Ⅱ級航道正在施工.

根據(jù)廣西內(nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃，貴港以下航道遠期將提升至Ⅰ級航道，通航3000 t級船舶.桂平航運樞紐已運行的一線船閘，標準為Ⅲ級，船閘的有效尺度為190m×23m×3.5m(有效長度×有效寬度×檻上水深)，設計通過能力為1100萬t/a(下行).桂平二線船閘按Ⅰ級船閘標準建設，船閘有效尺度為280m×34 m×5.6m;設計代表船型為3000 t級貨船、2×2000 t級頂推船隊、2000 t級貨船、2000 t級港澳航線多用途集裝箱船;設計通過能力為3100萬t/a(下行).

2 工程地質(zhì)

桂平二線船閘工程處在郁江Ⅰ級階地上，地形較平坦，地面高程一般在38～43m，大部分為農(nóng)田、旱地，局部為相對低洼的平坦地塊，地面高程一般約36m，無深大沖溝切割，宏觀地貌屬巖溶準平原.

工程開展了詳細的地質(zhì)勘察，除了采用常規(guī)鉆孔勘察及現(xiàn)場試驗外，還采用跨孔電磁波透視(CT透視)的方法對上、下閘首及閘室區(qū)域巖石進行探測，為較好確定船閘本體段的位置，避開不良地質(zhì)區(qū)提供可靠依據(jù).

工程場地內(nèi)的上覆地層為路基填筑土和第四系沖積的黏土，下伏基巖為泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階灰?guī)r.泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階灰?guī)r(D2d)為硬質(zhì)巖類碳酸鹽巖石，巖層較平緩.巖溶作用沿各種構(gòu)造裂隙面、節(jié)理裂隙面發(fā)育，形成以淺部垂直發(fā)育為主的巖溶特點.場地發(fā)育的巖溶類型主要有溶溝、溶槽、溶洞、溶蝕裂隙、溶孔等.

上閘首巖溶發(fā)育強烈，巖溶發(fā)育底面標高約為0～16.50m，溶洞最高達10.90m，剖面間最寬達20m，溶洞分布高程以25～5m居多.下閘首巖溶發(fā)育相對較弱，巖溶發(fā)育底面標高為19～9 m，建基面以下巖石完整性較好.閘室段靠近上閘首區(qū)域溶洞較為發(fā)育，最低溶洞底面標高可達5.00m，剖面間溶洞最寬達7.80m，垂向溶洞最高達3.30m，溶洞分布高程以15.00～5.00m占多數(shù);其余孔對間的巖溶發(fā)育較弱，巖石完整性較好.

根據(jù)兩階段勘察資料分析，施工圖設計階段將船閘本體段下移9 m，以避開上閘首上端巖溶強發(fā)育區(qū).

3 設計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 船閘總體布置

桂平航運樞紐壩址位于寬口“Ω”彎曲形河段上，溢流壩、發(fā)電廠房與船閘分離布置，溢流壩和發(fā)電廠房布置于主河道，船閘布置于右岸Ⅰ級階地上，實施裁彎取值.二線船閘布置于一線船閘的右側(cè)，在Ⅰ級階地上開挖建設而成.

桂平二線船閘工程的特點是建設標準高、土石方量大、征地拆遷安置規(guī)模大、處于巖溶區(qū)，因此在船閘總體布置上要求統(tǒng)籌兼顧，盡可能減少占用耕地，減少拆遷，使施工能順利開展，保證現(xiàn)有一線船閘結(jié)構(gòu)和通航安全，合理利用開挖的土石方資源.

3.1.1 合理確定船閘中心線 一線船閘自通航以來，運行平穩(wěn)，上下游引航道口門區(qū)水流條件能滿足船舶航行要求，航線與主流交角在12°～17°，實踐證明一線船閘確定的船閘軸線，口門區(qū)航線是合適的，由此確定二線船閘中心線與一線船閘中心線平行布置，距離通過以下條件綜合確定:(1)以盡量減少征地拆遷為原則;(2)引航道直線段長度不小于導航、調(diào)順、停泊要求的520m;(3)口門區(qū)轉(zhuǎn)彎半徑不小于5倍設計代表船長910m;(4)施工不影響一線船閘的結(jié)構(gòu)安全和正常通航;⑸基坑干地施工圍堰布置要求.最終確定兩線船閘中心線間距為120m，對應船閘本體段長359 m.

3.1.2 合理布置引航道 上下游引航道總長約2.7km，最小直線段長度581 m，直線段設計底寬73m，口門區(qū)設計底寬120m，口門區(qū)轉(zhuǎn)彎半徑1000m，上游引航道設計底高程23.0m，下游引航道設計底高程14.4 m.

上下游引航道岸側(cè)民房密集，為減少征地拆遷量，上下游引航道均布置向一線船閘側(cè)拓寬，兩線船閘引航道中心線間距為89.5m，分隔堤底寬在23～30.5m之間.

為縮短船舶進出閘時間，提高船閘通過能力，按船舶“曲進直出”過閘方式布置引航道導航調(diào)順段和停泊段，按能停泊一閘次船舶要求布置停泊段水域.導航調(diào)順段長240m，停泊段長280m，靠船墩前沿線至船閘中心線間水域?qū)挒?6m.

主導航墻長200m，線型采用x2+y2=2624.32，弧線擬合y=x2/1250二次拋物線，誤差小，便于施工.

3.1.3 合理確定過境公路改線路線 工程處有2條過境二級公路交匯，一條橫跨一線船閘上游引航道穿越工程區(qū)，一條沿一線船閘引航道右側(cè)坡頂穿過工程區(qū)，交通流量大.二線船閘的建設需要對這2條過境公路閘區(qū)段進行改線.改線建設遵循主要原則有:(1)按原標準原功能改建;(2)施工期原有交通保持暢通;(3)通航凈空滿足要求;(4)適應未來船閘擴建的需要.根據(jù)上述原則，橫跨一線船閘上游引航道的公路路線選在原線位上游30m，橫跨上游引航道段設交通橋，其下對應3線船閘布置3跨通航孔，二線、三線船閘通航孔凈寬73，75m，10年一遇設計最高通航水位時通航凈高不小于10m，在庫區(qū)正常蓄水位時通航凈高不小于18 m，保證率在96%以上.

沿一線船閘引航道右側(cè)坡頂穿過的公路路線改至預留的三線船閘建設區(qū)之外，沿村莊邊緣布置.船閘總平面布置圖見圖1.

3.2 改善下游引航道口門區(qū)水流條件的技術(shù)

下游引航道口門區(qū)位于主河道凹岸一側(cè)彎頂上游，原有導流堤布置在凹岸上段伸入河槽，將主流挑向下游，對一線船閘口門區(qū)起到掩護作用，中枯水期船舶進出閘平穩(wěn)，但口門區(qū)附近產(chǎn)生回流，大流量時回流強度大，存在淤積問題.模型試驗表明，二線船閘口門區(qū)開挖擴大后，回流范圍隨著擴大，部分流量級橫向流速超標范圍大，船模上行控制困難.

圖1 船閘總平面布置Fig.1 General layout of the shiplock

為改善上述問題，在原有導流堤延伸方向設置順向?qū)Я鞫?，通過導流墩的導流及分流作用將部分主流導入回流區(qū)，導入的水流有效地壓制和破壞了回流，在破壞回流的同時沿設計航槽運動，一定程度減小了主流與設計航槽的交角，從而有效改善口門區(qū)水流條件.導流墩布置圖見圖2.

圖2 導流墩布置Fig.2 Layout of diversion piers

天津水利科學研究所對導流墩的布置方案做了大量深入細致試驗，得到優(yōu)化的布置方案為:將原導流堤縮短60m，開挖至21.00m高程，順堤延伸方向布置5個順向菱形導流墩，相鄰墩間軸線交角4°～8.2°不等，導流墩中心距23.5～35.9 m，長20m，厚5m，墩頂高程41.0m.第1個墩布置于原導流堤頭附近.

3.3 輸水系統(tǒng)和閘室墻結(jié)構(gòu)

3.3.1 輸水系統(tǒng) 桂平二線船閘處于郁江口的關(guān)鍵節(jié)點，輸水系統(tǒng)又是船閘工程的關(guān)鍵技術(shù)，因此要求設計的輸水系統(tǒng)消能好、工作可靠、充泄水效率高.本工程最大設計水頭10.5m，采用閘底長廊道側(cè)支孔雙明溝消能的分散輸水系統(tǒng)，各部位主要布置尺寸見表1，布置圖見圖3，閘底典型斷面見圖4.ystem

表1 輸水系統(tǒng)各部位主要布置尺寸Tab.1 Main sizes of the filling and emptying s

圖3 桂平二線船閘輸水系統(tǒng)布置Fig.3 Layout of the filling and emptying system of Guiping 2ndlane lock

圖4 典型閘室結(jié)構(gòu)斷面Fig.4 Typical cross-section of the lock chamber

南京水利科學研究院對桂平二線船閘輸水系統(tǒng)做了大量水力學模型試驗研究工作，優(yōu)化并確定了輸水系統(tǒng)各部位細部尺寸.試驗成果表明:閘室內(nèi)縱向與橫向水流分布較均勻，無明顯水面壅高，充水閥門開啟時間tv=4 min，雙邊閥門開啟充水時，對設計起控制作用的3000 t級單船的最大縱向系纜力為24.34 kN，最大橫向力為13.36 kN;單邊閥門開啟充水時，3000 t級單船的最大縱向系纜力為10.40 kN，最大橫向力為10.91 kN，系纜力均滿足規(guī)范要求，且有較大富裕;對應的閘室充、泄水時間分別為8.99和9.75min;充、泄水閥門雙邊和單邊開啟過程中，輸水系統(tǒng)各部位均未出現(xiàn)負壓，檢修門井內(nèi)也無進氣現(xiàn)象;進水口水流條件良好，試驗未見漩渦及回流;泄水水流在引航道內(nèi)基本均勻分布，水流條件滿足要求.

試驗成果說明采用閘底長廊道側(cè)支孔雙明溝消能的分散輸水系統(tǒng)能較好適應本工程的要求，對閘底長廊道輸水系統(tǒng)是一種創(chuàng)新發(fā)展，在國內(nèi)屬首次應用.

3.3.2 閘室墻結(jié)構(gòu) 針對桂平二線船閘閘室段巖面高程較高，巖石完整性相對較好，巖體質(zhì)量大多為Ⅱ級的工程地質(zhì)特點，設計閘室墻結(jié)構(gòu)采用混合襯砌式結(jié)構(gòu)，巖面以上為重力式，巖面以下為襯砌式，閘墻總高32.7m，重力墻底寬10～11 m，襯砌墻底寬3.5m(前趾長2.0m)，巖石臨時開挖邊坡1∶0.1.墻后回填開挖渣石，高程36.50m以下要求內(nèi)摩擦角φ≥36°，以上要求內(nèi)摩擦角φ≥34°.典型閘室結(jié)構(gòu)斷面見圖4.

襯砌墻的錨固是閘室墻結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵.本工程襯砌墻通過設置錨筋錨固于巖體，錨孔直徑為10cm，錨筋間距1.2～1.4 m，上部錨筋采用Φ32，下部錨筋采用Φ28，錨孔內(nèi)采用M15微膨脹水泥砂漿壓力充填.鑒于閘室墻結(jié)構(gòu)的重要性，設計要求開展現(xiàn)場錨筋抗拔試驗，以獲得錨筋與砂漿、砂漿體與巖石間的極限黏結(jié)力參數(shù)，確定錨筋錨固長度.根據(jù)試驗確定錨筋Φ32錨固長度5.6m，錨筋Φ28錨固長度4.5m.

3.4 降低反向水頭對一線船閘下閘首人字門影響的技術(shù)

南京水利科學研究院對桂平航運樞紐船閘下游引航道非恒定流的計算分析表明，二線船閘泄水產(chǎn)生的長波運動會導致一線船閘下閘首附近水體產(chǎn)生一定壅高，人字門處于關(guān)閉狀態(tài)時，會影響啟閉設備的安全.為此，設計采取了針對性工程措施:

(1)縮短一、二線船閘間分隔堤長度.拆除二線船閘第7個靠船墩以下分隔堤長度，開挖至與一線船閘下游引航道底齊平，增加兩線船閘共用引航道長度至400m左右，并利用二線船閘下游5個靠船墩兼作導流墩分流，通過墩間分流削弱非恒定流長波運動能量，從而降低反向水頭.

(2)縮短下游引航道導流堤60m左右，擴大過水面積，并通過下游口門區(qū)設置的導流墩從主河槽引入的水流，壓迫和削弱二線船閘泄水引起的非恒定流，使長波運動較快衰減.

自二線船閘試運行以來，運行水頭已達10m以上，現(xiàn)場觀察未發(fā)現(xiàn)一線船閘下閘首附近水域有壅水現(xiàn)象，水面平穩(wěn).

3.5 保證大基坑干地施工的技術(shù)

保證大基坑干地施工是實現(xiàn)設計方案的關(guān)鍵.由于上閘首、上下游引航道區(qū)域巖溶均較為發(fā)育，而引航道基坑到一線船閘引航道底邊距離僅約30.5m，為防止基坑開挖后出現(xiàn)大的漏水，設計采取了開挖前先做防滲帷幕、設置擋水圍堤、分段降低開挖面高程、分時段施工降低擋水水頭等綜合措施.

(1)沿預留堤一線船閘側(cè)岸坡布置防滲帷幕線，從上游至下游防滲帷幕線總長度1.65km，孔距1.5～1.8 m，孔深灌漿至5 Lu(呂榮)線以下，灌漿壓力設計值采用0.2～0.6mPa.防滲帷幕要求在基坑開挖前實施，此時岸坡內(nèi)外水位差不大，實施防滲灌漿效果較好.要求防滲帷幕體內(nèi)單位吸水量值不大于5Lu(呂榮).

(2)預留圍堤擋水兼作施工通道，船閘本體段預留堤按5年一遇擋水標準設計，擋水水位為39.5m，保證基坑能全年干地施工，堤頂寬8 m，兩側(cè)邊坡1∶2;上下游引航道預留堤按枯水期5年一遇擋水標準設計，擋水水位為31.2m，使基坑在9月下旬至次年5月上旬8.5個月的時間內(nèi)能干地施工.上下游橫向預留堤及圍堰分期設置，第一期為預留堤，在改建排水設施建成前，利用原有排水涵排水，預留堤布置在原有排水涵處;第二期為圍堰，布置在上下游導墻范圍，并采取防滲帷幕灌漿措施.

(3)在基坑開挖過程發(fā)現(xiàn)有漏水的部位，及時診斷分析，采取堵漏、局部加密防滲灌漿等措施.

4 工程實施效果

桂平二線船閘工程自2008年9月開工，至2011年6月竣工，實現(xiàn)試通航，施工過程基本順利.從基坑開挖展現(xiàn)的工程地質(zhì)條件看，與地勘報告結(jié)論基本相符，閘室及下閘首位置巖體完整性較好，設計確定的船閘本體段位置合適，避開了強巖溶發(fā)育區(qū).枯水期基坑滲漏量不大，汛期基坑滲漏主要來自下游水位抬高后，水沿一線船閘墻后排水涵通過巖溶通道進入基坑，封堵進水口后，通過常規(guī)維持抽水實現(xiàn)基坑干地施工，設計采取的防滲漏措施是有效的.從船閘試運行情況看，船閘充、泄水時間在9 min左右，充、泄水過程閘室水面上升平穩(wěn)，消能效果較好，泄水時一線船閘下閘首附近水面平穩(wěn)，沒發(fā)現(xiàn)壅水現(xiàn)象.從通航能力看，按現(xiàn)狀船型，二線船閘一次過閘船舶數(shù)量是一線船閘的2.5倍左右，原來船舶過閘擁堵的問題得到解決，船舶過閘暢通.

5 結(jié)語

桂平二線船閘的成功建設，對西江航運干線擴能建設將起到積極的促進作用.采用的輸水系統(tǒng)方案、混合襯砌式閘墻結(jié)構(gòu)、采用導流墩來改善口門區(qū)水流條件等技術(shù)對西江航運干線船閘擴建工程建設有著重要的參考價值.混合襯砌式閘墻結(jié)構(gòu)及閘底廊道結(jié)構(gòu)受水壓力、揚壓力作用影響大，對襯砌墻水壓力折減系數(shù)、廊道底滲壓折減系數(shù)的取值缺少類似工程經(jīng)驗參考值，參考《混凝土重力壩設計規(guī)范》中有關(guān)揚壓力的折減系數(shù)取值，但邊界情況與本工程有一定差別.設計中增設了揚壓力觀測內(nèi)容，通過長期觀測獲取揚壓力分布數(shù)據(jù)，進行分析總結(jié).

［1］陳愛華.西江航運干線桂平航運樞紐二線船閘施工圖設計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］.柳州:廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，2006.(CHEN Ai-hua.Report of engineering geological investigation of the Guiping 2ndlane lock in construction documents design phase［R］.Liuzhou:Guangxi Hydrogeololgy and Engineering Geological Survey Institute，2006.(in Chinesse))

［2］鄧滇.西江航運干線桂平航運樞紐二線船閘工程施工圖階段跨孔電磁波透視成果報告［R］.柳州:廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，2006.(DENG Dian.Report of cross hole electromagnetic wave perspective of the Guiping 2ndlane lock in construction documents design phase［R］.Liuzhou:Guangxi Hydrogeololgy and Engineering Geological Survey Institute，2006.(in Chinesse))

［3］吳信.西江航運干線桂平二線船閘工程初步設計報告［R］.南寧:廣西交通規(guī)劃勘察設計研究院，2007.(WU Xin.Preliminary design report of the Guiping 2ndlane lock［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，2007.(in Chinesse))

［4］吳信.西江航運干線桂平二線船閘工程施工圖設計報告［R］.南寧:廣西交通規(guī)劃勘察設計研究院，2008.(Wu Xin.Construction documents design report of the Guiping 2ndlane lockp［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，2007.(in Chinesse))

［5］劉俊濤，黎國森.西江航運干線桂平航運樞紐二線船閘工程整體水工模型試驗報告［R］.天津:交通部天津水運工程科學研究所，2006.(LIU Jun-tao，LI Guo-sen.Overall hydraulic model experiment report of the Guiping 2ndlane lock［R］.Tianjin:Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering，Ministry of Transport，2006.(in Chinesse))

［6］宣國祥.西江航運干線桂平航運樞紐二線船閘閘底長廊道輸水系統(tǒng)方案布置、水力特性分析和水力學模型試驗研究報告［R］.南京:南京水利科學研究院，2007.(XUAN Guo-xiang.Filling and emptying system layout，hydraulic characteristics analysis and hydraulic model test report of the Guiping 2ndlane lock［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2007.(in Chinesse))

［7］吳信.西江航運干線桂平二線船閘工程可行性研究報告［R］.南寧:廣西交通規(guī)劃勘察設計研究院，2006.(WU Xin.Feasibility study report of the Guiping 2ndlane lock［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，2006.(in Chinesse))

［8］黃偉軍.西江航運干線貴港至梧州航道工程可行性研究報告［R］.南寧:廣西交通規(guī)劃勘察設計研究院，2005.(HUANG Wei-jun.Feasibility study report of the waterway project from Guigang to Wuzhou on Xijiang River［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，2005.(in Chinesse))

［9］黃偉軍西江航運干線貴港至梧州航道工程(桂平～梧州段)施工圖設計報告［R］.南寧:廣西交通規(guī)劃勘察設計研究院，2006.(HUANG Wei-jun.Construction documents design report of the waterway project from Guigang to Wuzhou(Guiping to Wuzhou section)on Xijiang River［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，2006.(in Chinesse))

［10］寧武.桂平一線二線船閘聯(lián)合調(diào)度規(guī)程［S］.南寧:廣西西江開發(fā)投資集團有限公司，2011.(NING Wu.United operation regulations of Guiping 1stand 2ndlane lock［S］.Nanning:Guangxi Xijiang Development＆ Investment Group Co.，Ltd，2011.(in Chinesse))