大藤峽船閘總體設(shè)計(jì)布置

李亞文,陳規(guī)劃

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530200)

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系黔江河段的下游，壩址距桂平市彩虹橋約6.6 km，是紅水河水電梯級(jí)規(guī)劃[1]中最末一個(gè)梯級(jí)。黔江航道是西南水運(yùn)出海中線通道[2]、北線通道在三江口匯合后通往西江航運(yùn)干線到粵、港、澳大灣區(qū)的必經(jīng)之地，同時(shí)也是廣西柳州市、來(lái)賓市物資進(jìn)出的重要水運(yùn)門戶。從1959年提出大藤峽水利樞紐的輪廓性規(guī)劃起至今，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，船閘規(guī)模由開始的1 000 t級(jí)、2 000 t級(jí)，最終調(diào)整為3 000 t級(jí)，閘室尺度由190 m×23 m×4 m、250 m×23 m×5 m最終調(diào)整至280.0 m×34.0 m×5.8 m(有效長(zhǎng)度×寬×檻上水深)。

船閘上游口門區(qū)位于大藤峽峽谷口下游的弩灘上，受峽谷口擴(kuò)散及彎道水流的直沖影響，口門區(qū)及其連接段通航條件較差；下游口門區(qū)位于壩軸線下游2.5 km河道束窄的微彎河道凹岸，從泄水閘至口門區(qū)，河道主流呈“S”形走向，先向右彎，然后向左彎，并以一定交角進(jìn)入下游口門區(qū)，通航水流條件也很差，上下游口門區(qū)均不滿足通航要求[3]。根據(jù)通航水流條件及自航船模試驗(yàn)成果[4-6]，優(yōu)化了上下游口門區(qū)整流措施的布置。

船閘最高設(shè)計(jì)水頭40.25 m，閘室有效尺度280 m×34 m，一次充泄水量達(dá)42萬(wàn)m3，是三峽船閘單級(jí)的1.8倍左右[7]；上、下游通航水位變幅大，最高達(dá)20.49 m；輸水時(shí)間要求小于15 min，閘室水位平均上升速度達(dá)2.68 m/min，無(wú)論是規(guī)模、水頭、還是水位變幅和水力指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)內(nèi)外已建船閘的最高水平。而這些都給輸水系統(tǒng)的工作條件帶來(lái)了極大的困難，尤其是輸水閥門段廊道、分流口等輸水系統(tǒng)關(guān)鍵部位的水力學(xué)問(wèn)題[8]非常突出。通過(guò)多家科研單位開展的8個(gè)課題試驗(yàn)研究成果[9-11]，對(duì)輸水系統(tǒng)布置進(jìn)行了優(yōu)化，為大尺度、高水頭船閘的輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒作用。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程是一座防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用的流域控制性工程。壩址控制流域面積19.86萬(wàn)km2，水庫(kù)正常蓄水位61.00 m，死水位47.60 m，水庫(kù)總庫(kù)容34.79×108m3，電站裝機(jī)容量1 600 MW，工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型。

樞紐工程由黔江主壩、黔江副壩、南木江副壩組成。黔江干流布置黔江主壩，自右往左依次為右岸擋水壩段、右岸廠房、26孔泄水閘、左岸廠房、船閘及其事故門庫(kù)壩段，外側(cè)預(yù)留二線船閘；左岸布置黔江副壩；南木江河口布置南木江副壩，其上布設(shè)擋水、過(guò)魚、灌溉和生態(tài)泄水等建筑物。

船閘布置在黔江左岸Ⅰ級(jí)階地上，采用單線單級(jí)，設(shè)計(jì)通航最大船舶噸級(jí)為3 000 t，級(jí)別為1級(jí)[12]。上游最高通航水位61.00 m，下游最低通航水位20.75 m，最大工作水頭40.25 m，設(shè)計(jì)輸水時(shí)間不大于15 min。船閘設(shè)計(jì)代表船舶(隊(duì))為3 000 t級(jí)單船和2×2 000 t頂推船隊(duì)，年過(guò)閘貨運(yùn)量為5 189萬(wàn)t[13]。

2 船閘位置選擇

大藤峽船閘作為樞紐工程的一個(gè)重要組成部分，應(yīng)在充分發(fā)揮樞紐工程綜合效益的前提下，盡可能滿足船舶(隊(duì))的通航要求，其位置的選擇原則如下：①臨岸布置于沖淤量不大、順直穩(wěn)定主河道的一側(cè)，且滿足船閘平面總體布置的需要；②上、下游引航道與主航道銜接平順[12]，口門區(qū)河床穩(wěn)定，水力學(xué)條件好，有利于船隊(duì)進(jìn)出，安全通暢；③與樞紐其他水工建筑物并列緊靠布置時(shí)，之間應(yīng)有足夠長(zhǎng)的隔流堤隔開，并滿足通航水流條件的要求；④充分考慮遠(yuǎn)近期與發(fā)展的關(guān)系，預(yù)留二線閘位的布置場(chǎng)地，且考慮有利于今后的建設(shè)條件。

大藤峽船閘設(shè)計(jì)水頭高，規(guī)模大，是目前國(guó)內(nèi)外已建單級(jí)船閘之最，按照規(guī)范既可以采用單級(jí)也可采用雙級(jí)。根據(jù)工程區(qū)地形、地質(zhì)條件，結(jié)合樞紐布置、交通、施工、航運(yùn)等條件，比選了左岸單級(jí)船閘集中式布置、左岸雙級(jí)船閘分離式布置、左岸雙級(jí)船閘集中式布置+南木江船閘、右岸雙級(jí)船閘集中式布置+南木江船閘4個(gè)方案[13]。左岸單級(jí)船閘集中式布置方案，船閘位置地形地質(zhì)條件較好、樞紐布置緊湊，易于管理、便于布置二線船閘、年過(guò)閘貨運(yùn)量大、引航道內(nèi)通航水流條件較好、工程投資較少，故作為選定方案。

3 船閘總體布置

船閘右側(cè)與左岸廠房安裝間壩段相接，左側(cè)通過(guò)船閘事故門庫(kù)壩段與黔江副壩相接，軸線與壩軸線正交。船閘由上游引航道、上閘首、閘室、下閘首和下游引航道組成，線路總長(zhǎng)3 735 m，其中主體段長(zhǎng)385 m，閘室有效尺度：280 m×34 m×5.8 m(長(zhǎng)度×寬度×門檻水深)，上游引航道長(zhǎng)1 453 m，下游引航道長(zhǎng)1 897 m。船閘總平面布置，見圖1。

圖1 船閘總平面布置

3.1 主體段布置

3.1.1上、下閘首布置

上閘首作為樞紐擋水建筑物的一部分，左側(cè)接船閘事故檢修門庫(kù)壩段，右側(cè)接左岸廠房安裝間壩段。上閘首采用分離式設(shè)計(jì)[14]，由左、右邊墩及底板組成。上閘首長(zhǎng)58.80 m，擋水前緣寬113.00 m，閘墩頂高程65.00 m，建基面高程-7.00～3.00 m。左邊墩頂寬42.00 m，底寬45.00 m，右邊墩頂寬37.00 m，底寬40.00 m，底板寬28.00 m。上閘首設(shè)有人字工作門、事故檢修門及相應(yīng)啟閉機(jī)械、機(jī)房、橋機(jī)排架、事故檢修門門庫(kù)、輸水廊道檢修閥門及門庫(kù)、消防泵房、激光接收端觀測(cè)房等。邊墩人字門門龕平面尺寸25.5 m×5.2 m，人字門底檻頂高程38.20 m，人字門啟閉機(jī)房平面尺寸16 m×12 m。

上閘首左、右邊墩垂直水流向設(shè)一道施工縫，將其分為2段，第l段長(zhǎng)18 m，第2段長(zhǎng)40.8 m。底板沿壩軸線設(shè)一道施工縫，第l段長(zhǎng)26 m，第2段長(zhǎng)33.8 m。

下閘首順?biāo)飨蜷L(zhǎng)58.00 m，底寬126.00 m，頂寬85.20 m，閘墩頂高程65 m，建基面高程-2.00～1.45 m。下閘首右側(cè)與上壩公路結(jié)合，采用分離式設(shè)計(jì)[14]，由左、右邊墩及底板組成。左邊墩頂寬23.00 m，底寬49.00 m，右邊墩頂寬28.20 m，底寬49.00 m，底板寬28.00 m。下閘首上設(shè)有人字工作門、啟閉機(jī)房、滲漏集水井、輔助泄水系統(tǒng)等，左右邊墩間由公路橋相連。下閘首邊墩人字門門龕平面尺寸25.5 m×5.2 m，人字門底檻高程14.95 m，人字門上游設(shè)防撞警戒裝置，人字門機(jī)房的平面尺寸16 m×12 m。下閘首右邊墩及底板內(nèi)設(shè)有輔助泄水廊道，將閘室部分水體泄至下游引航道。輔助泄水廊道上設(shè)一道工作門和一道檢修門，閥門底檻高程8.35 m。

下閘首垂直水流向設(shè)一道永久結(jié)構(gòu)縫，將其分為2段，左右邊墩第l段長(zhǎng)12 m，第2段長(zhǎng)46 m；底板第l段長(zhǎng)14.20 m，第2段長(zhǎng)46 m。上、下閘首左邊墩上各設(shè)一個(gè)樓梯，從閘墩頂通至消防泵房、水泵房、基礎(chǔ)觀測(cè)廊道等部位。

3.1.2閘室布置

閘室有效長(zhǎng)度為280 m，其中不與閘首重合的閘墻段長(zhǎng)度268.2 m。

閘室邊墻結(jié)構(gòu)型式為重力式，墻頂高程65.00 m，建基面高程-7.00～-2.00 m，墻背坡比為1.0∶0.6。墻內(nèi)設(shè)主輸水廊道、工作閥門井、檢修閥門井、基礎(chǔ)觀測(cè)廊道、電纜溝、檢修泵房等。閘室采用為不透水底板，頂面高程13.95 m，建基面高程-5.00～1.45 m。航槽寬度34 m，閘室底板結(jié)構(gòu)寬度28 m，利用的閘墻寬度6 m。閘室底板內(nèi)布置充、泄水支廊道。

閘室左右邊墻臨水面各布置15個(gè)浮式系船柱，5個(gè)逃生爬梯，浮式系船柱井底高程為15.95 m，頂部高程為65.00 m，設(shè)活動(dòng)蓋板。在靠近輸水廊道突擴(kuò)體段的邊墻內(nèi)共設(shè)4個(gè)檢修排水泵房，船閘及工作閥門檢修時(shí)將閘室及廊道中的水排至上下游引航道。

閘室底板沿水流方向?qū)ΨQ布設(shè)兩條滲漏排水(檢修)廊道，廊道底高程0.00 m，斷面尺寸1.5 m×2.5 m(寬×高)，與上游基礎(chǔ)灌漿廊道相連，將基礎(chǔ)灌漿廊道的水及閘室滲漏水通過(guò)下閘首左邊墩的水泵房排至下游引航道中。在邊墻下部13.00 m高程處設(shè)置2條基礎(chǔ)觀測(cè)廊道，斷面尺寸2.0 m×3.5 m(寬×高)，用于基礎(chǔ)觀測(cè)設(shè)備的布設(shè)。

考慮交通、排水等因素閘室左邊墻后回填至45.00 m，右邊墻后回填至49.50 m高程。閘室典型剖面見圖2。

注：除高程、水位外，其余尺寸單位為cm。

3.1.3輸水系統(tǒng)布置

船閘輸水系統(tǒng)采用等慣性四區(qū)段八分支廊道蓋板消能型式[8]。

進(jìn)水口采用側(cè)向垂直多支孔分散取水的方式，根據(jù)取水位置的不同，比較了3種進(jìn)水口的布置方式，即全部自引航道內(nèi)取水、全部自庫(kù)區(qū)取水及部分自引航道內(nèi)取水、部分自庫(kù)區(qū)取水[15]。分別對(duì)全部自引航道、部分自引航道2種取水方式的上游引航道流態(tài)均進(jìn)行了數(shù)模計(jì)算分析[16]，計(jì)算采用閥門開啟時(shí)間6 min的充水流量過(guò)程。采用全部自引航道內(nèi)取水方式，為滿足上游引航道通航水流條件，石方開挖及支護(hù)工程量大，工程投資增加較多。采用全部自庫(kù)區(qū)取水方式，左右兩側(cè)主廊道慣性長(zhǎng)度相差較大，對(duì)進(jìn)入閘室的水流流態(tài)會(huì)有較大影響，且廊道較長(zhǎng)，土石方開挖及導(dǎo)航墻混凝土量較大。故選擇部分自上游引航道內(nèi)、部分自庫(kù)區(qū)取水的布置方式。進(jìn)水口布置在靠近上閘首的上游主、輔導(dǎo)航墻內(nèi)，每側(cè)布置8個(gè)5.0 m×7.0 m(寬×高)的孔口，最小淹沒水深9 m，頂高程35.00 m。

船閘兩側(cè)閘墻內(nèi)各布置一條輸水主廊道，其中心線距閘墻邊線14 m。根據(jù)閥門段模型試驗(yàn)成果[17]，主廊道斷面尺寸5.0 m×7.0 m，輸水閥門處廊道斷面尺寸5.0 m×5.5 m，在工作閥門井前廊道高度以1∶10坡度由7.0 m漸變至5.5 m。閥門后廊道采用“頂擴(kuò)+底擴(kuò)”體型，即工作閥門井后廊道頂部向上突擴(kuò)2.0 m，再以1∶50坡度漸擴(kuò)，跌坎部位垂直向下突擴(kuò)4.0 m，升坎部位以五次曲線與主廊道相接，形成33.82 m長(zhǎng)的底擴(kuò)腔體，并預(yù)留門楣自然通氣和跌坎強(qiáng)迫通氣(儲(chǔ)備措施)的工程措施。根據(jù)分流口模型試驗(yàn)成果[18-19]，第一分流口采用垂直分流，T型管處設(shè)置不對(duì)稱分流脊，第二分流口采用加設(shè)分流脊的自分流體型。

船閘泄水布置有泄入左岸電站尾水渠內(nèi)的主泄水箱涵和泄入下游引航道內(nèi)的輔助泄水系統(tǒng)。泄水箱涵在下閘首末端與兩側(cè)泄水主廊道相接，在下游主、輔導(dǎo)航墻底部轉(zhuǎn)彎后，穿過(guò)進(jìn)廠路進(jìn)入廠房尾水渠內(nèi)，根據(jù)泄水箱涵模型試驗(yàn)成果[20]，箱涵過(guò)水?dāng)嗝娉叽?.8 m×7.0 m，在出口末端縮為6.8 m×4.5 m；輔助泄水系統(tǒng)布置在下閘首內(nèi)，進(jìn)口與閘室內(nèi)輸水系統(tǒng)分支廊道末端相接，出口位于人字門后的下閘底板上。船閘輸水系統(tǒng)布置見圖3。

圖3 船閘輸水系統(tǒng)布置(m)

3.2 引航道布置

3.2.1引航道

引航道按船舶“曲進(jìn)直出”的過(guò)閘方式布置。上游引航道中心線由上閘首向上游延伸675 m長(zhǎng)的直段，接轉(zhuǎn)彎半徑1 479.2 m、轉(zhuǎn)角23.2°的弧線，再接179 m長(zhǎng)直段，經(jīng)455 m長(zhǎng)的口門區(qū)與上游主航道以半徑910 m、轉(zhuǎn)角22°的彎段連接。下游引航道中心線從下閘首向下游延伸550 m長(zhǎng)的直線段，接1 165 m長(zhǎng)直段，再接182 m長(zhǎng)漸變段經(jīng)口門區(qū)與下游航道相接。上、下游引航道底寬均為75 m，底高程分別為38.20、15.35 m。

上游引航道在左岸山體中開挖，邊坡開挖坡比∶覆蓋層及全風(fēng)化巖石1.0∶1.5～2.0，強(qiáng)風(fēng)化巖石1.0∶0.75～1.2，弱風(fēng)化巖石1.0∶0.5～0.75，坡高每15 m設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬3.00 m，高程54.00、69.00 m。邊坡表層支護(hù)措施為系統(tǒng)錨桿+25 cm厚混凝土板，右側(cè)邊坡存在軟弱夾層的部位采用200 t級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索間、排距為4 m。引航道右側(cè)局部高程低于61.00 m處，利用引航道開挖的石渣混合料填筑隔流堤。隔流堤長(zhǎng)208 m，頂高程63.00 m，頂寬8.0 m，兩側(cè)坡比1.0∶2.5，在52.00 m高程設(shè)2 m寬的馬道，馬道以上采用25 cm厚混凝土板防護(hù)，馬道以上采用30 cm厚雷諾護(hù)墊防護(hù)。

下游引航道在左岸一級(jí)階地中開挖，主要為土質(zhì)邊坡，局部有巖石出露。土質(zhì)邊坡開挖坡比1.0∶2.5，巖質(zhì)邊坡坡比1∶1，每10 m設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬3 m，高程25.20、35.20 m。25.20 m高程以下邊坡采用20 cm厚混凝土板防護(hù)，以上邊坡采用無(wú)紡布+30 cm厚雷諾護(hù)墊+植草防護(hù)。

3.2.2導(dǎo)航墻

導(dǎo)航墻布置在上、下游引航道左右兩側(cè)，右側(cè)主導(dǎo)航墻長(zhǎng)254 m，上游輔導(dǎo)航墻長(zhǎng)116 m，基底高程23.00～36.20 m，頂高程65.00 m，下游輔導(dǎo)航墻長(zhǎng)106 m，頂高程45.24 m，基底高程13.35 m。

結(jié)合靠近下閘首左邊墩的輔導(dǎo)航墻布置浮式檢修門庫(kù)，以靠近下閘首右邊墩的主導(dǎo)航墻為基礎(chǔ)布置船閘控制樓。

3.2.3靠船墩

上、下游引航道停泊段長(zhǎng)均為300 m，右側(cè)設(shè)置12個(gè)靠船墩，靠船墩的內(nèi)邊線與引航道底邊線齊平，相鄰兩墩中心間距25.00 m?？看諡榛炷林亓κ浇Y(jié)構(gòu)，墩身頂面尺寸為3 m×3 m，沿水流方向坡比1.000∶0.075，背水側(cè)坡比1.00∶0.15，均設(shè)系靠設(shè)施和爬梯。上游靠船墩墩頂高程為65.00 m，建基高程36.25 m；下游靠船墩墩頂高程45.24 m，建基高程12.35 m。

3.3 口門區(qū)布置

上游口門區(qū)寬115 m，長(zhǎng)455 m，底高程38.20 m。根據(jù)通航水流條件及自航船模試驗(yàn)成果，口門區(qū)右側(cè)灘地開挖至41.50 m高程，并在距口門區(qū)右側(cè)邊線30 m處順?biāo)飨虿荚O(shè)42根透水墩。透水墩直徑3.3 m，上游28根間距6.6 m，下游14根間距9.9 m，自上而下第1根、第29根墩頂高程為62.00 m，其余墩頂高程為46.00 m?？陂T區(qū)上游連接段、連接段與南木江副壩之間河床采用石渣回填至38.20 m高程，并對(duì)南木江右岸山坡局部削坡，長(zhǎng)度約207 m。

下游口門區(qū)寬115 m，長(zhǎng)455 m，底高程15.35 m。根據(jù)根據(jù)通航水流條件及自航船模試驗(yàn)成果，口門區(qū)右側(cè)布設(shè)8排透水樁，每排10根，樁徑2.0 m，間距4.0 m，樁頂高程42 m，排樁軸線與水流方向夾角為27°。為便于排樁干地施工，在口門區(qū)右側(cè)沿排樁范圍填筑施工平臺(tái)，平臺(tái)頂高程27.30 m，施工平臺(tái)后期拆除至26.00 m。為改善下游口門區(qū)內(nèi)通航水流條件，將口門區(qū)對(duì)岸(黔江右岸)灘地進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖范圍長(zhǎng)1 573 m，最大寬度131 m，底高程22 m；同時(shí)調(diào)整左廠房尾水渠出口左側(cè)岸坡開挖線，向左擴(kuò)挖，擴(kuò)挖底高程19 m。

3.4 待閘錨地布置

上游待閘錨地位于大藤峽庫(kù)區(qū)內(nèi)，其中1號(hào)為普通船舶待閘錨地，2號(hào)為危險(xiǎn)品船舶待閘錨地。1號(hào)待閘錨地位于大藤峽峽谷轉(zhuǎn)彎后的主河道右側(cè)，距上游口門區(qū)約1.58 km，共布置18個(gè)靠船墩，靠船墩間距為35 m，錨地底高程39.60 m，靠船墩墩頂高程65.00 m，建基高程37.60 m。2號(hào)待閘錨地距上游口門區(qū)約4.41 km，位于1號(hào)待閘錨地上游約2.0 km處主河道右側(cè)，共布置9個(gè)靠船墩，靠船墩間距35 m，錨地底高程39.90 m，靠船墩墩頂高程65.00 m，建基高程37.90 m。下游待閘錨地涉及城市規(guī)劃、水源保護(hù)、航道整治及投資等尚未落實(shí)，尚未建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

大藤峽水利樞紐船閘設(shè)計(jì)水頭高、規(guī)模大，是目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際運(yùn)行水頭最高的單級(jí)船閘，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)大量的科研試驗(yàn)研究，并吸取了國(guó)內(nèi)外高水頭大型船閘的成功經(jīng)驗(yàn)，解決了口門區(qū)水流條件、輸水系統(tǒng)水力學(xué)、灰?guī)r基礎(chǔ)處理等多項(xiàng)技術(shù)難題。2020年4月試通航后，至今已經(jīng)運(yùn)行2年，船閘總體運(yùn)行情況良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。大藤峽船閘采用等慣性四區(qū)段八分支廊道蓋板消能的輸水系統(tǒng)，尤其是第二分流口為自分流體型，分流均勻、閘室水位升降平穩(wěn)，改善了閘室內(nèi)船舶的停泊條件，提供了通航安全性，對(duì)大尺度、高水頭船閘的設(shè)計(jì)有著較大的參考價(jià)值。