航電樞紐二線船閘擴建工程平面布置原則探討

鄒開明，普曉剛

(1.湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司，湖南 長沙 410011; 2.交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456)

0 引言

內(nèi)河梯級渠化工程中，船閘是最為常見的通航建筑物，船閘及其上下游引航道的尺寸、平面布置形式、通航水流條件、大型船閘灌泄水對引航道船舶航行與停泊安全的影響等均是河流梯級渠化樞紐建設(shè)中極為重要的環(huán)節(jié)，是船舶能否安全、通暢、快捷過閘的關(guān)鍵所在。目前關(guān)于內(nèi)河梯級渠化樞紐中單線船閘的建設(shè)技術(shù)研究較多，且已形成一些基礎(chǔ)理論規(guī)范。而雙線船閘的建設(shè)，在技術(shù)上要比單線船閘復雜，特別是在已有單線船閘的條件下，擴建更高等級的雙線船閘技術(shù)則更為復雜。由于目前國內(nèi)梯級渠化樞紐中擴建雙線船閘工程不多，因此其相關(guān)共性關(guān)鍵技術(shù)研究也頗為少見，參考經(jīng)驗有限。

國內(nèi)關(guān)于在已建一線船閘基礎(chǔ)上擴建二線船閘平面布置問題，《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ305 －2001)［1］中規(guī)定“新建二線或第三線船閘時，其船閘中心線與已有船閘中心線應有足夠距離;保證引航道口門區(qū)與主航道平順連接;新建船閘的施工不應影響已有建筑物安全和運行”。上述只是對擴建二線船閘工程布置的一般性規(guī)定，而關(guān)于擴建二線船閘布置的原則沒有明確說明。目前國內(nèi)對于擴建二線船閘平面布置的普遍做法，是針對某一具體工程的特點，通過物理模型試驗進行優(yōu)化，最終確定船閘平面布置方案。本文采用整體定床水工模型，分別對株洲航電樞紐擴建二線船閘的軸線位置、平面布置型式等布置方案的船閘通航水流條件等進行研究，提出安全、合理的擴建船閘總體布置方案，并結(jié)合國內(nèi)其它船閘擴建工程，總結(jié)二線船閘擴建平面布置原則和雙線船閘引航道口門區(qū)通航水流條件特點，歸納雙線船閘擴建工程布置原則，為類似工程建設(shè)提供依據(jù)或參考。

1 模型試驗

1.1 擴建二線船閘模型方案

依據(jù)試驗目的和要求［2］，并根據(jù)河道特征，河床形態(tài)，地形特點，同時為保證模型的水流運動相似和船模航行相似，整體模型為定床正態(tài)，幾何比尺選用1∶100，按重力相似準則進行模型設(shè)計。通過沿程水面線的驗證模型的制作精度。擬建的株洲航運樞紐二線船閘位于一線船閘右側(cè)，二線船閘設(shè)計為2 000 t 級，閘室有效尺度為 280 m ×34 m ×4.5 m，上下閘首長35 m，引航道寬度75 m，如圖1所示。依據(jù)工程具體情況，通過對3 種不同軸線距離、引航道布置型式、上下游錨地布置及錨泊條件對株洲二線船閘總體布置方案進行研究。各研究方案主要布置特點見表1。

1.2 擴建二線船閘軸線選擇

二線船閘軸線位置選擇是擴建船閘總體布置中最為關(guān)鍵的因素，其涉及征地拆遷、工程投資、施工難易以及船閘通航水流條件等眾多方面。本文僅通航水流條件角度對擴建船閘軸線位置選擇進行研究，進行了一、二線船閘間距分別為80、90、110 m 3個軸線位置的試驗。不同軸線位置兩船閘上、下游口門區(qū)及連接段通航水流條件對比見表2。

圖1 湘江株洲樞紐二線船閘工程布置

表1 二線船閘各方案布置特點

表2 擴建船閘不同軸線位置兩船閘通航水流條件比較

試驗結(jié)果表明:擴建二線船閘的通航條件在不同軸線距離情況下略有差異，但是在河道超過2年一遇洪水時，各方案中二線船閘上游口門區(qū)及連接段航道水流與航線夾角較大，橫流基本都超過規(guī)范值，下游口門區(qū)基本都處于回流區(qū)內(nèi)，需要采取工程措施優(yōu)化;由于二線船閘非恒定流影響，一線船閘通航水流條件變差;從3 個試驗方案結(jié)果看，二線船閘與一線船閘越近，通航水流條件越優(yōu)。

1.3 引航道平面布置形式研究

結(jié)合工程具體情況，對二線船閘引航道采用曲進直出和直進曲出兩種過閘方式以及雙線船閘引航道采用完全獨立引航道、引航道共用水域和引航道間設(shè)置透空隔墻等布置型式等研究，不同方案試驗結(jié)果表明:

1)各方案擴建二線船閘引航道布置均采用不對稱型，擴建船閘在從閘室至引航道擴寬過程中，均向已建船閘方向擴寬，從節(jié)約用地的角度分析，這種布置型式是比較合理的。

2)株洲航電樞紐工程原一線船閘為直進曲出的過閘方式，靠船墩布置在雙線船閘引航道中間，擴建二線船閘進行了曲進直出(靠船墩布置在引航道中間與一線共用)和直進曲出(靠船墩布置在右側(cè)臨岸位置)兩種過閘方式的比較。分析表明，二線船閘采用哪種過閘方式均不會影響口門區(qū)水流條件，只會對船舶進出口門航行條件及船舶過閘效率產(chǎn)生影響。從船模航行試驗來看，船閘采用曲進直出的過閘方式較優(yōu)。此外，曲進直出的過閘方式，引航道的調(diào)順段和導航段可以合并，引航道長度較短，靠船墩距離閘首更近，因此其船舶過閘效率也略高。

3)為了減少引航道內(nèi)船舶航行與靠泊時的相互影響，采用靠船段間設(shè)置透空隔墻、兩線船閘分設(shè)引航道方案比較合適。

1.4 上下游錨地布置及錨泊條件研究

《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305－2001)第5.7.1條規(guī)定“船閘上、下游引航道外宜設(shè)錨地。錨地應選擇在風浪小、水流緩、無泡漩的水域，錨地水深不應小于引航道內(nèi)最小水深”。此外，錨地水域面積應滿足船閘最繁忙時過閘船舶(隊)停泊和作業(yè)的需要，并應盡量讓出航道，以免妨礙其他船舶的正常航行。結(jié)合整體模型水流條件試驗研究成果，對船閘上、下游引航道外的錨地布置及錨泊條件進行研究分析。

不同方案錨地布置相關(guān)參數(shù)及試驗結(jié)果見表3。結(jié)果表明，方案1 上、下游布置錨地內(nèi)水流流速基本相同，且隨流量增加，流速逐漸增大。各級流量下，上下游錨地內(nèi)水流平順，均無回流和泡漩等不良流態(tài)，能夠使錨泊后的船身處于正常水流中，不會產(chǎn)生偏擺現(xiàn)象。此外，兩錨地距離航道均有一定的富裕寬度，水域面積充足，能夠滿足繁忙時過閘船舶(隊)停泊和作業(yè)的需要，且不會妨礙主航道上正常航行的船舶。

方案3 布置上游錨地內(nèi)水流流速小于方案1，錨泊條件略優(yōu)于方案1 布置錨地。但是方案3 上游錨地距離航道較近，停泊水域有限。此外，該錨地為一二線船閘共用錨地，由于該錨地距離上游口門僅800 m，由錨地進入一線船閘的船舶需穿越二線船閘連接段航道，從而會對進出二線船閘的船舶產(chǎn)生一定影響。

表3 船閘上下游錨地布置相關(guān)參數(shù)及試驗結(jié)果對照表

株洲航電樞紐擴建二線船閘屬于擴建工程，當二線船閘在一線船閘靠岸側(cè)開挖而成，且一、二線船閘為獨立口門區(qū)時雙線船閘口門區(qū)水流條件有以下特征:①由于擴建船閘鄰岸布置，新建二線船閘上下游口門區(qū)有著與航電樞紐單線船閘相似的水流特征。上、下游口門區(qū)由于河道斷面收縮和放寬影響，水流發(fā)生彎曲變形，口門區(qū)內(nèi)形成斜向水流和回流區(qū)并存的水流流態(tài)。由于船閘下游導流建筑物與擴建工程適應性較好，二線船閘下游口門區(qū)處于強度不大的回流區(qū)內(nèi)。②二線船閘建設(shè)，邊界條件的改變會使得原一線船閘上下游口門區(qū)的水流流態(tài)和水流條件如下變化:對于船閘上游，口門區(qū)內(nèi)的水流流態(tài)由工程前的斜流和回流并存轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ毯蟮膯我恍绷鲄^(qū);船閘下游，由于岸線的拓寬吸流，口門區(qū)內(nèi)的斜流偏角會有所增大。

2 其他樞紐擴建平面布置情況

2.1 湘江大源渡樞紐二線船閘工程

大源渡樞紐工程位于衡陽市下游62 km，上距土谷塘航電樞紐100 km。是湘江中下游第一個航電樞紐工程。大源渡樞紐一線船閘為Ⅲ級船閘，船閘有效尺度均采用180 m×23 m×3.0 m，引航道底寬45 m，進出閘采用直線進閘，曲線出閘的方式，設(shè)計雙向通過能力1 200 萬t。樞紐二線船閘為Ⅱ(3)級，根據(jù)《內(nèi)河通航標準》(GB50139－2004)和湖南省內(nèi)河規(guī)劃推薦船型吃水，并考慮與一線船閘共同滿足設(shè)計水平年過壩運量要求，船閘有效尺度采用280 m×34 m×5 m。新建二線船閘位于一線船閘右側(cè)(靠河側(cè))，與原有一線船閘軸線平行布置，兩船閘軸線間距80 m，如圖2所示。二線船閘與一線船閘分設(shè)引航道，船舶過閘采用曲進曲出。從閘室至引航道擴寬過程中，上游引航道往一線船閘方向擴28 m，往河側(cè)擴13 m，下游引航道往一線船閘方向擴23.5 m，往河側(cè)擴17.5 m。二線船閘靠船墩布置在一二線船閘引航道之間，一線船閘沿用原來靠船墩不變。以上方案實施后，二線船閘引航道寬度75 m，一線船閘上游引航道寬度為63 m，下游引航道寬度為45 m。

圖2 湘江大源渡樞紐二線船閘工程布置

2.2 西江航運干線桂平航運樞紐二線船閘工程

桂平航運樞紐［3］位于廣西桂平市郁江、黔江、潯江三江匯合口郁江上游約2.5 km 處。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。一線船閘標準為Ⅲ級，船閘有效尺度為190 m×3 m×3.5 m。二線船閘平行布置于一線船閘右側(cè)，與一線船閘中心線間距為120 m，按Ⅰ級船閘標準建設(shè)，船閘有效尺度為280 m×34 m×5.6 m，如圖3所示。二線船閘引航道采用不對稱布置型式，與一線船閘共用部分引航道和口門區(qū)水域，靠船墩布置在左側(cè)與一線船閘相鄰，采用“曲進直出”的過閘方式。

圖3 西江桂平航運樞紐二線船閘工程布置

2.3 西江航運干線貴港航運樞紐二線船閘工程

貴港航運樞紐［4］是西江航運干線南寧至梧州段4 個渠化梯級的第2 個梯級，位于郁江中段貴港市區(qū)上游約6.5 km 處，上游距西津水電站約104.3 km，下游距桂平航運樞紐約110 km，是以通航為主兼顧發(fā)電的航運樞紐。壩址河道平面上游呈S 形，下游微彎。貴港二線船閘按3 000 t 級船閘建設(shè)，船閘有效尺度為280 m ×34 m ×5.8 m，如圖4所示。根據(jù)總平面布置原則、現(xiàn)場地形條件，從征地拆遷、工程地質(zhì)、通航條件、對右岸現(xiàn)有建筑物的影響、施工條件及估算總投資等方面綜合分析推薦方案平面布置具體如下:①進出閘方式為曲線進閘直線出閘，引航道布置方式為不對稱型，向左側(cè)拓寬，上、下主導航墻及靠船墩均布置在引航道左側(cè);曲線主導航墻按照具備導航與調(diào)順功能的要求設(shè)計，不設(shè)調(diào)順段，停泊段靠近主導航墻布置。②二線船閘上閘首與一線船閘上閘首上游端齊平，兩者中心線在該端部處相距125 m。③為減少右岸征地拆遷，二線船閘中心線以與上游端的交點為圓心向左旋轉(zhuǎn)1.7°，使二線船閘主體段及下游引航道向左偏;④二線船閘與一線船閘引航道間設(shè)有分水堤，上游段分水堤長約547 m，下游段一線二線引航道間增設(shè)砼隔水墻，長約250 m。將一線船閘下游引航道右側(cè)停泊段的7 個靠船墩拆除，二線船閘下游引航道左側(cè)停泊段布置的12 個靠船墩按兩側(cè)均可停船設(shè)計，即靠船墩布置于兩線船閘引航道之間，為一、二線船閘共用。

圖4 西江貴港航運樞紐二線船閘工程布置

3 結(jié)論

通過對依托工程擴建二線船閘模型試驗成果，結(jié)合其它已建或擬建的相關(guān)樞紐船閘擴建工程平面布置情況，認為擴建二線船閘平面布置應遵循以下一些原則:

1)為了便于船閘的管理和上下游航道的銜接，擴建船閘應盡量和已建船閘布置于同岸側(cè);當確定擴建船閘與已建船閘相鄰布置時，由于一線船閘確定的船閘軸線和口門區(qū)航線是合適的，因此二線船閘中心線與一線船閘中心線應盡量平行布置。

2)雙線船閘相鄰布置且二線船閘在靠岸側(cè)擴建時，為減小擴建工程對雙線船閘口門區(qū)水流條件的影響，兩船閘軸線間距在滿足兩線航道寬度要求和施工安全的前提下，應盡量減小;當擴建船閘與已建船閘相鄰布置時，為節(jié)約用地，擴建船閘在從閘室至引航道擴寬過程中，應盡量往已建船閘方向擴寬，船閘引航道布置型式宜采用不對稱型。

3)為縮短引航道布置長度，提高船舶過閘效率，擴建船閘宜采用曲進直出的過閘方式;當兩線船閘共用靠船墩時，為了減少兩線船閘靠泊時的相互影響、改善船閘灌泄水時引航道靠泊條件，靠船墩間應設(shè)置隔水墻。

4)在擴建二線船閘工程布置時，需結(jié)合日益發(fā)展的航運需求，充分考慮三線船閘的布置，盡量預留三線船閘建設(shè)條件。

［1］JTJ 305 －2001，船閘總體設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］湖南省交通勘察設(shè)計院.湘江2000 噸級航道建設(shè)二期工程(衡陽～株洲)工程可行性研究報告［R］.長沙:湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，2012.

［3］劉俊濤.桂平航運樞紐二線船閘平面布置研究［J］.水道港口，2013(4):150 －156.

［4］盧達聰，張 燕，王大偉.貴港航運樞紐二線船閘工程總體設(shè)計方案探討［J］.西部交通科技，2012(8):120 －123.