長洲水利樞紐3－4號船閘平面布置研究

張 珊，吳 澎

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

西江航運(yùn)干線西起南寧、東達(dá)廣州，全長854km，是廣西、貴州及云南與珠江三角洲水上交通的咽喉，水上運(yùn)輸非常繁忙，是名副其實(shí)的“黃金水道”.其中，南寧至貴港規(guī)劃為二級航道，貴港以下規(guī)劃為一級航道.

長洲水利樞紐是西江下游廣西境內(nèi)的最后一個規(guī)劃梯級，以下河段近期還沒有建設(shè)梯級的規(guī)劃.長洲樞紐橫跨兩島三江，從右至左為外江、泗化洲島、中江、長洲島、內(nèi)江(見圖1).主要建筑物從右至左為外江1－2號雙線船閘、泄水閘、電站、魚道;中江泄水閘;外江泄水閘、電站等.

已建雙線船閘位于外江右岸臺地，1號船閘為2000 t級，閘室有效尺度(長×寬×門檻水深，下同)為200m×34 m×4.5m;2號船閘為1000 t級，閘室有效尺度為185m×23m×3.5m，船閘設(shè)計(jì)年通過能力合計(jì)為3920萬t.1號2號船閘上閘首位于樞紐擋水前沿，兩船閘上閘首之間布置2孔沖砂閘，兩船閘軸線間距98.5m，共用上下游引航道，上下游均采用直線進(jìn)閘、曲線出閘過閘方式.

長洲水利樞紐于2003年底開工，1－2號雙線船閘于2007年5月通航.由于珠江水系經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對煤炭、水泥等能源及原材料的運(yùn)輸需求旺盛.水路貨物運(yùn)輸持續(xù)發(fā)展，使西江航運(yùn)干線貨運(yùn)量不斷攀升，特別是貴港至梧州航道，90%的廣西內(nèi)河運(yùn)量通過該段航道，已建1－2號船閘僅運(yùn)行2 a就已無法滿足航運(yùn)需求.2009年雙向貨物通過量為4433萬t，船舶、貨物實(shí)際通過量均已超過設(shè)計(jì)通過能力，再加上樞紐下游水位下降的影響，1－2號船閘“瓶頸”效應(yīng)凸顯，不斷出現(xiàn)大規(guī)模、長時間壓船待閘的現(xiàn)象.樞紐船閘擴(kuò)建成為迫在眉睫的工程需求.

根據(jù)長洲3－4號船閘工程可行性研究階段(簡稱工可研階段，下同)方案比選及批復(fù)意見，長洲3－4號船閘建于外江右岸臺地，緊鄰已建1－2號船閘右側(cè)布置，閘室有效尺度均為340m×34 m×5.8 m，設(shè)計(jì)水頭為19.2m.

1 船閘擴(kuò)建平面布置制約因素

圖1 長洲樞紐現(xiàn)狀Fig.1 Changzhou key water control project

如圖1所示，長洲水利樞紐壩址處為低山丘陵地貌，河道流向?yàn)橛晌飨驏|，河勢微彎，河床寬闊.泗化洲島和長洲島將河床分隔成3條汊道，外江右岸為凹岸，岸上建有大量民居及企業(yè).壩線上游3.0km處為已建馬梧高速梧州潯江特大橋，4.0km處為洛湛鐵路潯江特大橋，兩橋通航孔均設(shè)在河道右側(cè).壩址下游也有2座大橋，一座為已建的西江大橋，距壩址約7km，在右側(cè)設(shè)有2個通航孔;另一座為目前停建的西江三橋，位于樞紐下游約4.5km處，設(shè)計(jì)通航橋孔位于右側(cè).航道部門目前正在按照長洲4座船閘均運(yùn)營后西江三橋的通航安全進(jìn)行論證工作.

根據(jù)壩址處已有建筑物的限制條件，擬建3－4號船閘平面布置的制約因素主要有:

(1)上、下游已建或在建橋梁的限制.樞紐1－2號船閘建設(shè)在外江右岸，在中江左側(cè)預(yù)留了擴(kuò)建船閘位置.在3－4號船閘工可研階段，比較了預(yù)留的中江左岸和外江右岸2個閘址方案.根據(jù)樞紐整體水工模型試驗(yàn)，船閘布置在中江左岸，航線橫跨中江和外江，在上游公路橋與船閘口門區(qū)之間由S形彎道相連，彎道與主航道夾角在45°左右，且兩個彎道之間及橋前沒有直線段，存在航行安全隱患，不改造橋梁通航孔就不能滿足船閘與上游公路和鐵路大橋之間的通航水流條件，鑒于橋梁改造的難度，推薦船閘布置在外江右岸.

由于壩軸線與上游橋梁之間存在17°左右夾角，船閘即使布置在外江右岸，口門區(qū)與通航橋孔之間也存在航行難度.

(2)外江右岸已有構(gòu)筑物的限制.外江右岸臺地分布有多家企業(yè)單位、居民點(diǎn)、公共設(shè)施等，其中有一些是在2003年長洲水利樞紐建設(shè)時遷移安置的，再次拆遷難度及費(fèi)用都很大，所以3－4號船閘平面布置占用右岸臺地的范圍，對工程工期及造價影響都很大.

(3)施工期1－2號船閘建筑物結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營的限制.3號船閘軸線越靠近2號船閘布置，占用右岸臺地的范圍越小，但需避免施工開挖對已建2號船閘結(jié)構(gòu)安全的影響，避免施工作業(yè)對1－2號船閘正常運(yùn)營的影響.

(4)3號與4號船閘軸線距離.3號4號船閘軸線距離越小，占用右岸臺地的范圍越小，但需滿足閘閥門啟閉機(jī)布置需要，滿足在船舶高效進(jìn)出閘方式下的引航道寬度及水流條件的需要.

2 平面布置原則

船閘平面布置的一般原則［1-4］:①優(yōu)先采用曲線進(jìn)閘、直線出閘的布置方式;②靠船段應(yīng)盡可能靠近閘首，縮短船舶進(jìn)出閘時間;③導(dǎo)航建筑物布置在平面上的體形盡可能采用瘦長形;④停泊段的長度應(yīng)等于或大于閘室長度，停泊段的容量應(yīng)等于或大于閘室容量.結(jié)合長洲樞紐船閘擴(kuò)建的具體條件，平面布置還應(yīng)遵循以下原則:①統(tǒng)籌考慮上下游橋梁、已建樞紐建筑物布置等的影響，保證進(jìn)出閘船舶航行的安全和通暢;②盡可能減少右岸征地拆遷;③保證施工期不影響已建1－2號船閘的結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)行;④結(jié)合船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足上下游引航道、口門區(qū)及連接段通航水流條件，力求縮短船舶過閘時間，提高船閘通過能力;⑤有利于4座船閘聯(lián)合調(diào)度;⑥減少工程投資.

3 平面布置方案

平面布置方案擬定之初，首先研究、比選2號與3號船閘之間軸線距離;然后根據(jù)船閘自身的布置要求，研究3號與4號船閘之間的最小軸線距離;再根據(jù)移民、征地等影響，研究確定上閘首與原壩軸線之間距離.上述條件確定后，提出不同的船閘布置方案，包括不同的船舶過閘組合方式，綜合進(jìn)行平面布置比較.

(1)2號與3號船閘中心線距離比較.主要考慮施工因素，在導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)、施工程序基本相同前提下，擬定了船閘中心線距離為145，135和125m等3個方案，從施工組織、征地拆遷、工程造價等方面進(jìn)行綜合比較.3個方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，145m方案施工時間充裕，工程保證性較高，但是征地相對較大;135m方案征地相對較少，沒有額外處理工程量，造價最低;125m方案增加打樁工程量及水下開挖工程量，可減少約4萬平米征地，但工程造價也相對較高.經(jīng)綜合比較推薦采用間距為135m方案.

(2)3號與4號船閘之間軸線距離的確定.3號4號船閘之間軸線距離主要以啟閉機(jī)布置為控制因素，研究時考慮了兩船閘啟閉機(jī)在軸線方向錯開布置、并列錯開高程布置等方案，最終采用并列等高程布置，3號4號船閘軸線間距取57m.

(3)上閘首與原樞紐壩軸線之間距離的確定.上閘首與原壩軸線之間距離考慮滿足原樞紐擋水標(biāo)準(zhǔn)要求、避開上游人口密集村莊、減小移民征地難度、盡快開工、施工期上閘首開挖不影響已建樞紐壩頂交通、減小施工期對已建樞紐運(yùn)行的干擾等條件，將上閘首位置較原樞紐壩軸線下移90m.

(4)平面布置方案.經(jīng)過上述3個方面的研究，基本確定了船閘平面布置的邊界條件.在此基礎(chǔ)上擬定了船閘共用引航道與不共用引航道布置兩類方案進(jìn)行初步對比，不共用引航道方案主體工程開挖量及右岸占地面積均大于共用引航道，所以平面布置僅在共用引航道方案中比較4種不同過閘方式，以下分別介紹.

①方案1:3－4號船閘上下游過閘均為曲進(jìn)直出，兩船閘上下引航道對稱布置，分居兩岸靠船，引航道直線段長568 m，導(dǎo)航墻線形采用y=x2/1000拋物線接直線y=x/6;靠船段雙排?？浚赐２?個閘室容量確定靠船段長度;引航道寬度按閘室內(nèi)第1列船舶可直線出閘要求確定為153m，具體布置見圖2.

圖2 引航道布置方案1(單位:m)Fig.2 The layout of approach channel for option one(unit:m)

②方案2:3－4號船閘均為曲進(jìn)曲出，與方案1相同，兩船閘上下引航道對稱布置，分居兩岸靠船，引航道靠船段和導(dǎo)航段長度同方案1.考慮過閘船型中頂推船隊(duì)所占比例很小，為進(jìn)一步減小引航道寬度，出閘船舶按閘室內(nèi)第1列船舶不完全直線出閘布置，雙線共用引航道總寬度按9倍船寬計(jì)算為146m，具體布置見圖3.

③方案3:3號船閘曲進(jìn)直出、4號船閘曲進(jìn)曲出，同樣考慮過閘船型中頂推船隊(duì)所占比例很小，按頂推船隊(duì)只過3號船閘、4號船閘只走單船布置，這時改變4號船閘導(dǎo)航墻線形［1］，船舶可?？吭诟拷l首處，引航道寬度為149.5m，具體布置見圖4.

圖3 引航道布置方案2(單位:m)Fig.3 The layout of approach channel for option two(unit:m)

圖4 引航道布置方案3(單位:m)Fig.4 The layout of approach channel for option three(unit:m)

④方案4:3號船閘曲進(jìn)直出、4號船閘直進(jìn)曲出，在方案3基礎(chǔ)上，為減少右岸占地，進(jìn)一步減小引航道寬度，按頂推船隊(duì)只過3號船閘、4號船閘只走單船的規(guī)則，3號船閘采用曲進(jìn)直出，4號船閘采用直進(jìn)曲出過閘方式，共用引航道寬度可縮小至130m，具體布置見圖5.

圖5 引航道布置方案4(單位:m)Fig.5 The layout of approach channel for option four(unit:m)

針對以上4個方案，綜合比較過閘效率、右岸占地、工程量、工程造價等因素，推薦采用方案1.通過對方案1進(jìn)行數(shù)模、整體物模試驗(yàn)及船模試驗(yàn)，得出引航道的水流條件、兩船閘互相灌泄水條件、上下游橋區(qū)船舶航行條件等，均能滿足規(guī)范要求.

4 結(jié)語

(1)從航運(yùn)角度看，長洲樞紐是西江干線重要的控制性斷面.因此長洲樞紐船閘建設(shè)規(guī)模應(yīng)留有充分的發(fā)展余地.對預(yù)留船閘應(yīng)有可行的布置方案，并將預(yù)留船閘方案作為樞紐總體方案的比選因素參與樞紐總體方案的比選.長洲樞紐當(dāng)初在中江左側(cè)預(yù)留了擴(kuò)建船閘的位置，對限制預(yù)留船閘建設(shè)的因素考慮不夠，樞紐上下游橋梁建設(shè)也顯然未考慮預(yù)留船閘建設(shè)的要求，為今后類似樞紐建設(shè)留下了一個典型案例.

(2)同期建設(shè)雙線船閘，應(yīng)統(tǒng)籌考慮共用引航道寬度、口門區(qū)布置、船舶進(jìn)出閘方式、閘閥門及啟閉機(jī)械布置、水工建筑物結(jié)構(gòu)方案等因素，在保證船舶安全、高效過閘的基礎(chǔ)上，盡可能減少占地.我國同時建設(shè)雙線船閘的經(jīng)驗(yàn)?zāi)壳斑€不多，長洲3－4號船閘平面布置方案的研究，為此類船閘建設(shè)提供了有價值的參考.

(3)引航道的布置是船閘總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一.我國規(guī)范［4］對引航道布置的要求有值得改進(jìn)的地方，以適應(yīng)船閘大型化、運(yùn)輸異常繁忙的需要.本文對船閘引航道的布置原則和布置方案進(jìn)行了比對研究，為相關(guān)條文的修訂提供了參考.

(4)多線船閘并列布置的運(yùn)行條件極其復(fù)雜，當(dāng)過閘船舶以單船為主時將更加復(fù)雜.長洲船閘運(yùn)行調(diào)度規(guī)則有關(guān)的研究正在進(jìn)行中，研究成果將完善和豐富多線船閘的布置原則和布置方法.

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