京杭運(yùn)河梯級(jí)船閘引航道靠船墩布置方案優(yōu)化分析

徐亞哲 周婷婷 南京瑞迪建設(shè)科技有限公司

隨著京杭運(yùn)河沿線(xiàn)船舶大型化發(fā)展，沿線(xiàn)梯級(jí)船閘的船舶通行壓力越來(lái)越大。劉山一、二號(hào)船閘現(xiàn)狀一號(hào)船閘上游共有15個(gè)靠船墩，靠船墩之間采用T形梁連接，靠船墩之間中心線(xiàn)間距為15m，靠泊段總長(zhǎng)度225m。由于建成年代久遠(yuǎn)，且采用的是水中落墩布置型式，存在船舶進(jìn)出交匯不便的安全隱患問(wèn)題。如何采取行之有效的工程措施，優(yōu)化劉山船閘上游引航道靠船墩布置，分析研究論證一號(hào)閘靠船墩移位改造的可能性和可行性，有效提升劉山船閘的船舶通行效率和提高貨物通過(guò)能力，已成為劉山船閘目前迫切需要解決的問(wèn)題。本文針對(duì)該船閘特點(diǎn)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，對(duì)上游引航道靠船墩布置方案開(kāi)展研究。

1.平面布置方案

本次提出以下三種平面布置方案。

1.1 總平面布置方案一（老墩延伸，獨(dú)立墩+人行橋）

本方案考慮對(duì)現(xiàn)有靠船段進(jìn)行延伸接長(zhǎng)。擬新增獨(dú)立墩4個(gè)，新建靠船墩間距采用20m，延伸靠泊段長(zhǎng)度為80m。本改造方案完成后共計(jì)19個(gè)獨(dú)立墩式靠船墩。根據(jù)劉山閘運(yùn)營(yíng)情況，目前船舶一般從5#墩起向后?？?，目前實(shí)際靠泊段長(zhǎng)度為150m，考慮接長(zhǎng)的80m，本方案的靠船段長(zhǎng)度為230m，可滿(mǎn)足3條2000噸級(jí)貨船或1頂3×1000噸級(jí)船隊(duì)?？考斑M(jìn)出閘靠泊長(zhǎng)度要求。

圖1 流速測(cè)量線(xiàn)布置圖

按照本改造方案，船閘上游引航道的靠船段仍位于一號(hào)閘右岸，船閘進(jìn)出閘方式為直進(jìn)曲出，上游引航道布置為不對(duì)稱(chēng)形式。上游右岸為主導(dǎo)航墻，直線(xiàn)型布置（重力式結(jié)構(gòu)）；上游左岸為輔導(dǎo)航墻，采用弧形墻布置（重力式結(jié)構(gòu)）。

1.2 總平面布置方案二（移位新建，獨(dú)立墩+人行橋）

本方案考慮拆除現(xiàn)有靠船墩及人行橋板后在北側(cè)近岸側(cè)移位新建15個(gè)靠船墩，采用獨(dú)立墩式結(jié)構(gòu)，靠船墩之間中心線(xiàn)間距為20m，靠泊段總長(zhǎng)度為280m。移位后的靠船段前沿線(xiàn)距離一線(xiàn)閘中線(xiàn)為54m，上閘首側(cè)1#靠船墩位置根據(jù)規(guī)范要求按照1:6斜率要求確定，距離上閘首約204m。本改造方案總計(jì)靠船段長(zhǎng)度為280m，共計(jì)15個(gè)獨(dú)立墩式靠船墩。參照類(lèi)似?？糠绞?，一般扣除引航道端部2個(gè)墩不予?？浚坎炊伍L(zhǎng)度實(shí)際為240m，可滿(mǎn)足3條2000噸級(jí)貨船或1頂3×1000噸級(jí)船隊(duì)?？考斑M(jìn)出閘靠泊長(zhǎng)度要求。

按照本方案，上游引航道的靠船段位于船閘北側(cè)（左岸），船閘進(jìn)出閘方式將改為曲進(jìn)直出，引航道布置仍為不對(duì)稱(chēng)形式。上游左岸主導(dǎo)航墻為弧形墻，輔導(dǎo)航墻直線(xiàn)布置于右岸。為滿(mǎn)足曲進(jìn)直出的規(guī)范要求，按照1:6的斜率要求布置了首個(gè)靠船墩位置。為引導(dǎo)船舶快速有效進(jìn)閘，進(jìn)閘方向設(shè)置2個(gè)引導(dǎo)墩，引導(dǎo)墩結(jié)構(gòu)與獨(dú)立墩式結(jié)構(gòu)一致，但不考慮設(shè)置系船鉤和系船柱。

圖2 方案一縱、橫向流速比較

圖3 方案二縱、橫向流速比較

圖4 方案三縱、橫向流速比較

1.3 總平面布置方案三（移位新建，連片墩+駁岸）

本方案與方案二區(qū)別在于移位新建靠船墩之間采用重力式駁岸結(jié)構(gòu)，連片式結(jié)構(gòu)岸側(cè)考慮填土接岸。靠船墩之間中心線(xiàn)間距為20m，靠泊段總長(zhǎng)度為280m。移位后的靠船段前沿線(xiàn)距離一號(hào)閘中心線(xiàn)距離為78.5m，上閘首側(cè)1#靠船墩位置根據(jù)規(guī)范要求按照1:6斜率要求確定，距離上閘首約265m。本改造方案總計(jì)靠船段長(zhǎng)度為320m，含15個(gè)墩式靠船墩及靠船墩間駁岸370m長(zhǎng)（含兩端過(guò)渡段40m）。參照類(lèi)似停靠方式，一般扣除引航道端部2個(gè)墩不予停靠，靠泊段長(zhǎng)度實(shí)際為240m，可滿(mǎn)足3條2000噸級(jí)貨船也可滿(mǎn)足1頂3×1000噸級(jí)船隊(duì)?？考斑M(jìn)出閘。

2.水流數(shù)值模擬分析

采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)劉山閘靠船墩改造方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算區(qū)域包括劉山閘泄水河道及船閘引航道，計(jì)算區(qū)域取劉山閘至上游船隊(duì)停泊區(qū)，總長(zhǎng)約2km，網(wǎng)格劃分采用三角形單元，在靠船墩附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，邊長(zhǎng)為3m，其余邊長(zhǎng)為10～30m。網(wǎng)格單元數(shù)為4397個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9194個(gè)。

數(shù)值分析結(jié)論：

（1）當(dāng)劉山泄洪閘開(kāi)啟時(shí)，水流主要從泄洪閘泄入下游，而船閘引航道受泄洪影響較小，引航道流速較小。設(shè)計(jì)流量及校核流量條件下，三種新設(shè)計(jì)的靠船墩附近流速較小，小于0.05m/s。

（2）當(dāng)劉山泄洪閘關(guān)閉，船閘正常運(yùn)行，雙船閘閘室正常充水時(shí)，水流主要沿閘室流入下游引航道，引航道內(nèi)流速受閘室充水影響較小。閘室正常充水時(shí)，三種新設(shè)計(jì)的靠船墩附近流速較小，小于0.1m/s。

（3）三種方案靠船墩前及一號(hào)船閘中心線(xiàn)橫、縱向流速均較小，橫向流速均小于0.02m/s。

通過(guò)計(jì)算比較，三種靠船墩移位改造方案引起的靠船墩前及一號(hào)船閘中心線(xiàn)水流流速均較小，橫向流速均小于0.02m/s，不影響船舶正常運(yùn)行。因此從水流流態(tài)角度看，三種方案均滿(mǎn)足船舶通行要求。

3.三種方案比較分析

根據(jù)前述，上述3個(gè)總平面布置方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都較為鮮明：

方案一（老墩延伸，獨(dú)立墩+人行橋）優(yōu)點(diǎn)可順應(yīng)現(xiàn)狀靠船段格局，影響面較小；僅適當(dāng)延伸處置，工程量較小，改造費(fèi)用最低；但缺點(diǎn)是該靠船段占據(jù)船閘上游公用引航道的河中心位置，降低了公用引航道的使用效率，特別是靠船段延伸后對(duì)二號(hào)閘船舶出閘有較大不利影響。

方案二（移位新建，獨(dú)立墩+人行橋）優(yōu)點(diǎn)是采用獨(dú)立墩式結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)狀水域影響相對(duì)較?。磺把鼐€(xiàn)相對(duì)外伸，靠船墩結(jié)構(gòu)物布置對(duì)岸坡影響不大；工程施工實(shí)施難度不大，且在類(lèi)似工程中已有成功經(jīng)驗(yàn)；工程費(fèi)用較為適中合理；缺點(diǎn)是本改造項(xiàng)目采用“曲線(xiàn)進(jìn)閘”方式，需在靠船墩與弧形導(dǎo)航墻之間設(shè)置導(dǎo)向墩，對(duì)船舶進(jìn)閘時(shí)稍有不順。

方案三（移位新建，連片墩+駁岸）優(yōu)點(diǎn)是移位后靠船段為連片式結(jié)構(gòu)，可與二號(hào)閘相呼應(yīng)，便于管理維護(hù)；前沿線(xiàn)退讓較多，基本與遠(yuǎn)調(diào)碼頭齊平，公用引航道寬度最大；缺點(diǎn)是需要施工圍堰，工程量最大，費(fèi)用最高；此外連片式結(jié)構(gòu)對(duì)水域占用較多，需征詢(xún)水利部門(mén)意見(jiàn)。

綜上，為避免打破現(xiàn)有的劉山一號(hào)船閘進(jìn)出閘狀況，節(jié)省投資費(fèi)用，本次推薦方案一（老墩延伸，獨(dú)立墩+人行橋）。

4.結(jié)語(yǔ)

本次針對(duì)劉山一號(hào)船閘上游引航道靠船墩布置方案從水流影響、經(jīng)濟(jì)性、施工便利性等方面進(jìn)行了研究，本文對(duì)類(lèi)似船閘的引航道靠船墩優(yōu)化布置提供了借鑒，也為工程設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。