已建樞紐深水庫(kù)區(qū)浮式導(dǎo)航設(shè)施設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

張公略，金國(guó)強(qiáng)，張善亮，孫國(guó)洪

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

1 問(wèn)題的提出

依據(jù)船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范，船閘布置應(yīng)避開(kāi)泄水建筑物泄水時(shí)對(duì)船閘引航道進(jìn)出口水流條件的干擾。當(dāng)船閘與溢流壩、泄水閘、電站、泵站等建筑物旁靠時(shí)，其間必須有足夠長(zhǎng)度的導(dǎo)航隔流堤隔開(kāi)，保證船舶能順利進(jìn)出船閘引航道。而我國(guó)早期建設(shè)的多數(shù)樞紐船閘，特別是一些中高水頭船閘，從當(dāng)時(shí)的投資及樞紐綜合效益考慮，一般規(guī)模相對(duì)比較小，且在船閘與大壩泄水孔之間的導(dǎo)航隔流設(shè)施過(guò)短甚至沒(méi)有，隨著內(nèi)河水運(yùn)事業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)該類船閘提出迫切的改造擴(kuò)建要求。考慮在船閘改造后，庫(kù)區(qū)內(nèi)上行、下行船舶將大大增加，為避免船舶在橫流作用下偏航誤入船閘臨近的溢洪道水域，威脅大壩及船舶安全，同時(shí)也可引導(dǎo)船舶能夠安全通暢地從水域?qū)掗煹膸?kù)區(qū)引航道進(jìn)入相對(duì)較窄的船閘[1]，因此，在船閘擴(kuò)建改造時(shí)對(duì)于上游庫(kù)區(qū)導(dǎo)航隔流設(shè)施進(jìn)行同步改造擴(kuò)建也是必要的，其中增設(shè)浮式導(dǎo)航結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的做法。本文依托富春江船閘擴(kuò)建改造工程，分析總結(jié)上游深水庫(kù)區(qū)增設(shè)浮式導(dǎo)航設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)，提出一種基于多向限位連接機(jī)構(gòu)的深水庫(kù)區(qū)浮式導(dǎo)航設(shè)施，為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

2 工程概況

富春江水電站于1958年動(dòng)工興建，1968年底發(fā)電，電站裝機(jī)6臺(tái)，大壩為混凝土重力式溢流壩，壩頂全長(zhǎng)約600 m，壩頂高程為32.16 m，最大壩高為47.70 m，從左岸往右岸依次布置河床式廠房、河床式擋水及溢流設(shè)施、船閘等建筑物。富春江水庫(kù)正常蓄水位按23.00 m運(yùn)行，汛期按照浙江省防汛指揮部的統(tǒng)一調(diào)度，采用預(yù)報(bào)預(yù)泄的方式調(diào)蓄洪水，蓄水位一般不超23.50 m，富春江水庫(kù)設(shè)計(jì)最低運(yùn)行水位（死水位）為21.50 m[2-4]。正常發(fā)電時(shí)，水庫(kù)消落深度為0.50 ～ 1.00 m，建設(shè)區(qū)域水深為25.00 ～ 26.00 m。庫(kù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件為上層為淤泥層，厚度約0.50 m，下層為中風(fēng)化凝灰?guī)r。

3 設(shè)計(jì)方案比選

富春江樞紐原有船閘庫(kù)區(qū)引航道，在船閘與左側(cè)泄洪孔之間僅建設(shè)有35.00 m導(dǎo)航隔流墻，右側(cè)則為直立式岸壁墻導(dǎo)航靠船結(jié)構(gòu)，在對(duì)船閘擴(kuò)建改造工程中，考慮對(duì)庫(kù)區(qū)上游引航道進(jìn)行改造，上游引航道平面布置基本采用原有引航道布置形式，對(duì)引航道右側(cè)現(xiàn)有導(dǎo)航靠船設(shè)施進(jìn)行適當(dāng)改造，以滿足1 000 t級(jí)船舶導(dǎo)航靠船要求，同時(shí)考慮到左側(cè)導(dǎo)航隔流墻偏短，擬對(duì)左側(cè)設(shè)置一定長(zhǎng)度的導(dǎo)航設(shè)施，考慮到本工程為擴(kuò)建改造項(xiàng)目，庫(kù)區(qū)水深大，防洪要求高，受限條件多，無(wú)法在船閘與溢洪道之間設(shè)置連續(xù)墻式的導(dǎo)航隔流結(jié)構(gòu)，為此，對(duì)于上游引航道左側(cè)，保留原有隔流墻（35.00 m），并在其上游延伸加設(shè)長(zhǎng)度約230.00 m浮式導(dǎo)航設(shè)施[2-3]。根據(jù)固定浮式鋼躉船的不同方式，共準(zhǔn)備2個(gè)方案。

3.1 方案 1

方案1為大直徑鋼管嵌巖樁固定鋼躉船形式。該方案浮式鋼躉船采用鋼管嵌巖樁固定方式，鋼管樁布置在鋼躉船端部。鋼躉船與鋼管樁采用限位行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，同時(shí)，相臨躉船之間用錨鏈相互連接，鋼躉船可隨著水位進(jìn)行升降。具體設(shè)計(jì)方案為:浮式鋼躉船導(dǎo)航設(shè)施長(zhǎng)度227.60 m，布置6條鋼躉船，每條尺寸為35.00 m（長(zhǎng)）×3.50 m（寬）×1.20 m（高），躉船吃水深約0.40 m。鋼躉船由嵌巖鋼管樁固定:鋼管樁布置在鋼躉船端部，樁與樁之間中心距為38.50 m，共7根。鋼管樁直徑2.50 m，壁厚25 mm，鋼管樁全斷面嵌入中風(fēng)化巖深8.00 m。鋼管樁內(nèi)部澆注C20混凝土，樁頂高程為30.40 m。鋼躉船與鋼管樁采用導(dǎo)軌進(jìn)行連接，鋼躉船通過(guò)限位行走機(jī)構(gòu)限位在2根鋼管樁之間；另外，相臨躉船之間用錨鏈相互連接以確保在校核高水位進(jìn)躉船不脫離錨固定樁。平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 浮式鋼躉船樁基方案示意圖

3.2 方案2

方案2為錨鏈固定鋼躉船結(jié)構(gòu)形式。該方案浮式鋼躉船采用錨鏈固定方式，中間每艘躉船采用船首、船尾共4根錨鏈固定，錨鏈配套單個(gè)重15.9 t的鋼筋混凝土蛙錨?？拷袅鞫盏匿撥O船一端采用錨鏈與隔流墩連接，一端采用錨鏈配套單個(gè)重15.9 t的鋼筋混凝土蛙錨進(jìn)行固定。最上游端部的鋼躉船采用船首、船尾共5根錨鏈固定，錨鏈配套單個(gè)重17.5 t的鋼筋混凝土蛙錨。在20 a一遇洪水頻率以上，船閘停止使用的情況下，通過(guò)直徑32 mm的高分子強(qiáng)力纜將端部的鋼躉船與岸側(cè)的350 kN系船柱進(jìn)行固定，平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 浮式鋼躉船錨鏈方案示意圖

2個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1[2-4]。

表1 深水庫(kù)區(qū)浮式導(dǎo)航設(shè)施方案比選表

綜合比較，最終方案1為推薦方案，即鋼管嵌巖樁固定鋼躉船結(jié)構(gòu)形式方案。

4 數(shù)值模擬計(jì)算分析

對(duì)浮式導(dǎo)航設(shè)施，其結(jié)構(gòu)主要承受的作用荷載為水平荷載，作用于設(shè)施上的主要外部荷載包括水流力、通航船舶擠靠力，其中重點(diǎn)計(jì)算分析的內(nèi)容為浮式導(dǎo)航設(shè)施區(qū)各頻率洪水情況的水流流速。

4.1 水動(dòng)力分析

本文根據(jù)富春江船閘擴(kuò)建改造工程所在河段概況和現(xiàn)有資料情況，利用二維水動(dòng)力模型分析庫(kù)區(qū)大范圍水動(dòng)力條件和三維水動(dòng)力模型分析局部水動(dòng)力條件，結(jié)合浮式導(dǎo)航設(shè)施浮躉船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用冰蓋模型概化分析躉船區(qū)域的水流流速。冰蓋模型中，水面受到浮冰阻力類似與風(fēng)力作用體現(xiàn)在表面應(yīng)力上，滿足摩擦定律。

式中:cf是摩擦系數(shù)，us是水流平均速度（m/s）。摩擦速度與表面應(yīng)力的關(guān)系可表示為:

摩擦系數(shù)可以用大曼寧系數(shù)和水深（浮冰范圍內(nèi)水深是正常水深減去浮冰厚度）表示:

根據(jù)新建浮式躉船，冰蓋概化浮式躉船，冰蓋厚度（躉船吃水深）設(shè)為0.40 m，表面粗糙度為0.01 m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各頻率洪水引航道區(qū)域流速表 m/s

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對(duì)于作用浮躉船和樁基上的水平荷載，按照相關(guān)規(guī)范分別進(jìn)行船舶擠靠力和水流力計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算，其中控制性荷載為水流作用，為此本文僅列出特征洪水頻率下作用在浮躉船的荷載和樁基的內(nèi)力值成果（見(jiàn)表3 ～ 5）[4]。

表3 計(jì)算工況組合表

表4 不同頻率洪水鋼躉船上水流作用力計(jì)算結(jié)果表

表5 鋼管嵌巖樁計(jì)算結(jié)果表

5 浮式鋼躉船限位行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

在樞紐船閘中，庫(kù)區(qū)中建設(shè)的浮式導(dǎo)航結(jié)構(gòu)一般均由墩體或樁基+浮躉船構(gòu)成，其中躉船與兩側(cè)樁、墩的連接結(jié)構(gòu)對(duì)于設(shè)施正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。首先，在樁墩及躉船均按照結(jié)構(gòu)承受荷載設(shè)計(jì)之后，其連接環(huán)節(jié)成為一個(gè)承載的薄弱環(huán)節(jié)；其次，根據(jù)目前我國(guó)水庫(kù)庫(kù)區(qū)調(diào)查，其漂浮物及垃圾還是存在很大比例，特別是汛期，兩岸垃圾隨著洪水匯集在大壩前沿，其中一部分由泄洪孔隨著洪水泄到下游，但是在船閘前沿，因汛期多為關(guān)閘停運(yùn)，漂浮物匯集較多，很容易造成浮式結(jié)構(gòu)在連接部位造成卡阻；另外，因在庫(kù)區(qū)浮躉船尺度較大，受到水流作用極易產(chǎn)生不平衡的浮動(dòng)及搖擺，若連接機(jī)構(gòu)設(shè)置不當(dāng)，也容易造成卡阻，甚至躉船沉沒(méi)及損壞樁墩結(jié)構(gòu)等事故。

經(jīng)調(diào)查研究表明，目前常規(guī)連接方式及問(wèn)題有:①采用軌道槽與躉船上的滑塊或滾輪榫接，該方式引起庫(kù)區(qū)漂浮物等垃圾填塞軌道槽，經(jīng)?？ㄋ儡壍啦叟c躉船上的滑塊或滾輪，出現(xiàn)躉船無(wú)法浮動(dòng)，或單側(cè)卡死現(xiàn)象；②采用錨鏈與樁墩連接，該方式同樣會(huì)引起庫(kù)區(qū)漂浮物等垃圾卡阻浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)躉船無(wú)法浮動(dòng)，還會(huì)出現(xiàn)遇到洪水時(shí)躉船漂移縱搖和橫搖幅度大，影響結(jié)構(gòu)安全；③采用環(huán)形抱樁器與樁連接，該結(jié)構(gòu)一般用于游艇碼頭浮橋設(shè)施的錨固，而對(duì)于受大洪水及船舶沖擊荷載較大，庫(kù)區(qū)垃圾較多的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，同樣會(huì)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

針對(duì)上述情況，提出一種連接樁基和鋼躉船的限位行走機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鋼躉船限位和上下浮動(dòng)。該限位行走機(jī)構(gòu)安裝在鋼躉船兩端，同時(shí)在鋼管樁兩側(cè)焊接有軌道踏面結(jié)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)利用滾輪與軌道踏面結(jié)構(gòu)接觸配合使得鋼躉船隨著水位的高低變化在豎直方向自由浮降且在相鄰鋼管樁之間實(shí)現(xiàn)水平橫向和縱向的限位及繞水平軸的搖擺。該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是:①限位行走機(jī)構(gòu)采用上舉式設(shè)計(jì)安裝在鋼躉船上表面，使得滾輪離開(kāi)水面一定距離，能夠有效避免庫(kù)區(qū)垃圾、漂浮物等對(duì)結(jié)構(gòu)卡阻；②在每側(cè)行走結(jié)構(gòu)支架上設(shè)置8個(gè)滾輪組件，通過(guò)在豎向布置2個(gè)滾輪，可以確保鋼躉船浮動(dòng)過(guò)程中不產(chǎn)生大的搖擺，避免滾輪卡死現(xiàn)象；③在鋼管樁上設(shè)置的軌道踏面結(jié)構(gòu)采樣截面為三角形的鋼結(jié)構(gòu)支撐塊，具有2個(gè)相互垂直的踏面，可供限位行走機(jī)構(gòu)的滾輪在其表面上下行走；④限位行走機(jī)構(gòu)中的滾輪采用半包圍方式布置，即安裝在外側(cè)端柱上的滾輪橫向架設(shè)在軌道踏面結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)踏面上，安裝在內(nèi)側(cè)端柱上的滾輪縱向架設(shè)在軌道踏面結(jié)構(gòu)的另一個(gè)踏面上；⑤通過(guò)該踏面能將鋼躉船在2根鋼管樁之間實(shí)現(xiàn)水平橫向和縱向限位，也滿足滾輪的行走要求，能夠在豎向上隨著船體浮降在踏面上自由上下行走；⑥軌道踏面結(jié)構(gòu)采取后期焊接即在鋼躉船及限位行走機(jī)構(gòu)布置安裝完成后再焊接，按照限位行走機(jī)構(gòu)設(shè)置部位，布置在鋼管樁外側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)鋼躉船體與鋼管樁按照折線形布置（見(jiàn)圖3 ～ 4）。

圖3 鋼躉船體與鋼管樁連接平面圖

圖4 鋼躉船體與鋼管樁連接剖面圖

6 結(jié) 語(yǔ)

目前富春江船閘擴(kuò)建改造工程已將本文提出的深水庫(kù)區(qū)浮式導(dǎo)航設(shè)施設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面應(yīng)用，并且經(jīng)歷富春江樞紐建成50 a以來(lái)最大洪水的考驗(yàn)，設(shè)施運(yùn)行安全可靠。本文所提出的主要技術(shù)為:

（1）對(duì)于已建樞紐深水庫(kù)區(qū)增減導(dǎo)航結(jié)構(gòu)提出技術(shù)可行、安全可靠的技術(shù)方案，即一種深水庫(kù)區(qū)大直徑鋼管植巖樁及浮躉船結(jié)構(gòu)方案。

（2）針對(duì)該結(jié)構(gòu)技術(shù)方案，提供一種三維數(shù)值模擬的計(jì)算分析方法，即采用冰蓋模型概化分析浮式導(dǎo)航設(shè)施區(qū)域的水流條件。

（3）研究設(shè)計(jì)一種多向限位連接機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)浮躉船與樁基之間的有效安全的連接，有效避免庫(kù)區(qū)垃圾、漂浮物等對(duì)于結(jié)構(gòu)卡阻等問(wèn)題，降低運(yùn)行期障礙清除成本。

本文提出的深水庫(kù)區(qū)浮式導(dǎo)航設(shè)施設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)具有一定理論性和創(chuàng)新性，并通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，該關(guān)鍵技術(shù)可為類似工程提供參考。