入江水道東偏泓閘攔船設(shè)施安全穩(wěn)定與影響分析

沈芝瑩，陳 猛，陳潔茹，王亞妮

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005）

0 引言

淮河入江水道是淮河洪水的主要通道，兼有排澇、灌溉、航運(yùn)等綜合功能，是保障淮河下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水利設(shè)施。淮安市境內(nèi)入江水道自三河閘至金湖施尖，全長(zhǎng)56 km，途經(jīng)盱眙、洪澤、金湖三縣，堤防總長(zhǎng)147.5 km。沿線主要建筑物有三河閘、東偏泓閘、西偏泓閘、石港船閘、大汕子閘等。

東偏泓閘位于入江水道東堤41+500 樁號(hào)處，始建于1969年，于2012 年進(jìn)行了拆除重建。水閘共10 孔，每孔凈寬10 m，閘身總寬113.98 m，設(shè)計(jì)流量800 m3/s，設(shè)計(jì)水位7.80 m，在入江水道行洪12000 m3/s 時(shí)，最高水位達(dá)12.05 m。

東偏泓閘上游河道來(lái)往船只較多，在入江水道行洪時(shí)，若船舶誤入水閘上游引河，在水流沖擊作用下易發(fā)生撞擊水閘事故，對(duì)水閘的運(yùn)行管理及人員生命財(cái)產(chǎn)均帶來(lái)較大安全隱患。因此，需在上游引河適當(dāng)位置設(shè)置攔船設(shè)施，起到安全警示作用。

1 工程概況

東偏泓閘攔船設(shè)施位于東偏泓閘上游引河段護(hù)坡外側(cè)，距離水閘閘墩前端80 m 處，為“一”字型直線布置，具體情況見(jiàn)圖1、圖2。采用直徑Φ20 mm 鋼絲繩將浮標(biāo)與浮筒相互串聯(lián)，左右岸各設(shè)1 根Φ80 cm 鋼筋混凝土系纜柱，將鋼絲繩固定于兩岸。浮標(biāo)直徑1.5 m，間距15 m，每?jī)蓚€(gè)浮標(biāo)之間布設(shè)3 只高分子聚乙烯浮筒，浮筒規(guī)格直徑為80 cm×110 cm。工程共設(shè)置浮標(biāo)11 個(gè)，浮筒36 只。浮標(biāo)采用沉石錨固方法，下方配置1.5 m×1.5 m×1.5 m（長(zhǎng)×寬×高）混凝土預(yù)制塊地錨，地錨頂面預(yù)埋吊鉤，通過(guò)馬鞍鏈與浮標(biāo)相連，地錨底面四角預(yù)埋鐵鉤，以增大與河床之間的摩擦力，保證浮標(biāo)穩(wěn)定。為防止鋼絲繩、馬鞍鏈及預(yù)埋鐵件日久銹蝕，對(duì)所有金屬構(gòu)件表面均進(jìn)行鍍鋅防腐處理，以延長(zhǎng)攔船設(shè)施的使用壽命。

攔船設(shè)施的工作原理是：當(dāng)船舶撞擊攔船設(shè)施時(shí)對(duì)浮標(biāo)、浮筒、錨鏈以及地錨所構(gòu)成的體系做功，消耗船舶動(dòng)能使其速度降低，最終達(dá)到攔截船舶的目的[1]。

圖1 東偏泓閘攔船設(shè)施平面布置圖

圖2 東偏泓閘攔船設(shè)施縱剖面圖

2 穩(wěn)定分析

2.1 鋼絲繩內(nèi)力計(jì)算

攔船設(shè)施布置于水平面上，在正常運(yùn)行情況下，浮標(biāo)、浮筒及混凝土地錨等系統(tǒng)所受到的水流力與鋼絲繩所受到的牽引力達(dá)到平衡，攔船設(shè)施保持穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)受力分析，鋼絲繩在逆水流方向所受的合力為[2]：

式中：F 為鋼絲繩在逆水流方向所受的合力，kN；Fω總為作用于浮標(biāo)、浮筒及地錨上的總水流力，kN；F鋼為鋼絲繩的內(nèi)力，kN；α 為鋼絲繩與河道橫斷面的夾角。

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010），水流力的計(jì)算公式如下[3]：

式中：Fω為作用于結(jié)構(gòu)上的水流力，kN；Cω為水流阻力系數(shù)；ρ為水密度，t/m3；v 為水流設(shè)計(jì)流速，m/s；A 為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積，m2。

2.2 地錨穩(wěn)定計(jì)算

為防止鋼絲繩在極限失效情況下，攔船設(shè)施在水流力作用下沿河床面產(chǎn)生滑動(dòng)，進(jìn)而危及水閘安全，需對(duì)混凝土地錨的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核。計(jì)算公式如下：

式中：f 為地錨與河床之間的滑動(dòng)摩擦力，kN；Fω總為作用于地錨及浮標(biāo)浮筒上的總水流力，kN。

根據(jù)物理學(xué)理論，滑動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式如下：

式中：f 為地錨與河床之間的滑動(dòng)摩擦力，kN；μ 為滑動(dòng)摩擦力系數(shù)；FN為地錨對(duì)河床的正壓力，kN，由受力分析得：FN=G-F浮。

2.3 結(jié)果分析

選取東偏泓閘設(shè)計(jì)流量800 m3/s、入江水道行洪流量12000 m3/s 兩種工況進(jìn)行分析計(jì)算，得到兩種工況下的平均水流速度，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 各工況下斷面平均流速對(duì)比表

由表1 可知，設(shè)計(jì)工況下的平均流速為0.97m/s，最大行洪工況下的平均流速為0.44 m/s，相應(yīng)設(shè)計(jì)工況下的水流力最大，對(duì)攔船設(shè)施的安全穩(wěn)定最不利。因此，選取設(shè)計(jì)工況進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)工況下攔船設(shè)施各受力情況計(jì)算成果表

由以上計(jì)算結(jié)果得出：

①設(shè)計(jì)工況下，鋼絲繩所受內(nèi)力為125.2 kN，小于Φ20 mm鋼絲繩破斷力200 kN，鋼絲繩設(shè)計(jì)滿足要求；

②在極限狀態(tài)下，若鋼絲繩意外失效，系統(tǒng)所受的水流力為84.6kN，小于地錨與河床之間的滑動(dòng)摩擦力167.3 kN，表明水流力不足以使地錨產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)水閘安全構(gòu)成威脅。

3 阻水分析

單個(gè)混凝土預(yù)制塊地錨尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m（長(zhǎng)×寬×高），地錨共計(jì)11 個(gè)，累計(jì)占用河道過(guò)流面積24.75 m2，分別計(jì)算東偏泓閘在設(shè)計(jì)工況及最大行洪工況下地錨產(chǎn)生的阻水情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 攔船地錨阻水計(jì)算成果表

由以上計(jì)算結(jié)果得出，在流量800 m3/s、12000 m3/s 兩種工況下，混凝土預(yù)制塊地錨的阻水率最大僅為3%，比率很小，因此，地錨的設(shè)置對(duì)河道行洪基本沒(méi)有影響。

4 沖刷分析

項(xiàng)目建成后，由于地錨阻水，改變了水流流態(tài)，減少了河道有效過(guò)水面積，增大了斷面流速，對(duì)河床可能產(chǎn)生沖刷。因此，需將阻水情況下的斷面平均流速與河道的允許不沖流速進(jìn)行比較，論證產(chǎn)生沖刷的可能性。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50288-2018）附錄C，當(dāng)黏性土河道水力半徑R≠1.0 時(shí)，其允許不沖流速按下式計(jì)算[4]：

式中：v允為河道允許不沖流速，m/s；K 為水力半徑R=1.0 時(shí)的允許不沖流速，K=0.75～1.00，本計(jì)算取K=0.90；R 為水力半徑；α為指數(shù)系數(shù)，對(duì)于疏松的壤土、黏土，α=1/3～1/4，對(duì)于中等密實(shí)和密實(shí)的壤土、黏土，α=1/4～1/5，本計(jì)算取α=1/4。

表4 阻水情況下平均流速與允許不沖流速比較表

由表4 知：在流量800 m3/s、12000 m3/s 兩種工況下，扣除地錨的阻水面積之后，斷面平均流速V' 分別為1.000 m/s、0.438 m/s，均小于相應(yīng)工況下河道的允許不沖流速V允，因此，綜合分析認(rèn)為產(chǎn)生沖刷的可能性很小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于力學(xué)原理及規(guī)范公式，采用受力分析方法，對(duì)新建攔船設(shè)施的安全穩(wěn)定、地錨阻水以及由此帶來(lái)的沖刷等問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算分析，論證了設(shè)計(jì)方案的合理性，所采用的計(jì)算方法可供類似項(xiàng)目參考與借鑒。但由于東偏泓閘位于入江水道非通航區(qū)域，攔船設(shè)施主要起到警示漁民漁船的作用，因此，在計(jì)算中并未考慮船舶撞擊的影響。今后，還可引入撞擊力進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算與分析，指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使攔船設(shè)施攔截能力得到進(jìn)一步提高，保證水利工程的安全運(yùn)行。