基于實(shí)例的大型復(fù)雜船閘設(shè)計(jì)體會(huì)

王新珂

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 安徽 合肥 230088）

基于實(shí)例的大型復(fù)雜船閘設(shè)計(jì)體會(huì)

王新珂

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 安徽 合肥 230088）

不同的船閘在設(shè)計(jì)過程會(huì)有不同的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在船閘設(shè)計(jì)過程中，合理的設(shè)計(jì)思路、方案是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。本文謹(jǐn)以裕溪船閘為例，通過裕溪船閘設(shè)計(jì)過程中的一些技術(shù)特點(diǎn)，反應(yīng)船閘設(shè)計(jì)過程需要注意的問題，以供參考。

裕溪船閘；多方案；軟基；深基坑

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的需要，內(nèi)河航運(yùn)得到越來越多的重視，相應(yīng)航道上新建擴(kuò)建船閘數(shù)量也在日益增加，其設(shè)計(jì)施工相關(guān)問題也逐漸得到廣泛的關(guān)注。本文以安徽省長江口裕溪船閘為例，探討下在船閘設(shè)計(jì)過程中遇到的相關(guān)技術(shù)位問題。

1　基本情況

裕溪船閘位于安徽省裕溪河入長江口處，是合裕航道上巢湖與長江的重要航運(yùn)樞紐。裕溪閘擴(kuò)建船閘閘室尺度200m×23m× 4.5m（長×寬×門檻水深），船閘設(shè)計(jì)船舶噸級(jí)為1000噸級(jí)，是安徽省迄今為止已建成使用的閘室尺度最大的Ⅲ級(jí)船閘之一。

2　裕溪船閘設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1多方面綜合比選的閘址選擇

裕溪擴(kuò)建船閘閘址建筑物多，場地地形地質(zhì)條件復(fù)雜，工程難度大。綜合防洪、航運(yùn)、交通等多方面要求，通過方案比選，合理確定工程總體布置方案。

裕溪閘樞紐工程包括節(jié)制閘、船閘及跨閘公路橋組成，節(jié)制閘位于主河道內(nèi)，現(xiàn)有船閘位于節(jié)制閘西側(cè)，船閘中心距節(jié)制閘中心約180m。節(jié)制閘東邊為老河道，寬約180m。樞紐位于無為大堤上，無為大堤沿節(jié)制閘延伸至下游河道兩側(cè)。根據(jù)現(xiàn)狀地形條件，選定兩個(gè)閘址進(jìn)行方案比較。閘址一：位于現(xiàn)有船閘西面，與現(xiàn)有船閘平行布置，船閘中心距老船閘中心60m。新、老船閘之間上下游處設(shè)置導(dǎo)航墩。為滿足船閘布置，下游側(cè)無為大堤需向后退建，退建長約850m，上游裕溪河大堤退建長690m。閘址二：位于節(jié)制閘東面，下閘首布置于攔河壩上，閘室布置于上游側(cè)。為滿足引航道布置要求，下游無為大堤需局部栽彎取直，影響長度約500m。

兩閘址在總體布置上均受到地形限制，具有一定的局限性，引航道直線段均較短。閘址一需大量征地與移民，施工期需斷航，不僅經(jīng)濟(jì)損失大，而且嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，工程實(shí)施難度較大；閘址二航道開挖量較大，閘上公路橋長，投資較大。綜合考慮，推薦閘址二作為船閘閘址，即在節(jié)制閘東側(cè)布置新船閘。

2.2多方案結(jié)合的軟基處理

閘址地基為淤泥質(zhì)土地基強(qiáng)度60～100kPa，靈敏度高，深度大于30m，根據(jù)船閘不同部位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地基強(qiáng)度要求，經(jīng)不同處理方案比較，針對(duì)各部分建筑物功能、受力特點(diǎn)及對(duì)沉降控制要求不同等情況，分部位確定地基處理方案，做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。閘室及上下游翼墻部分對(duì)沉降要求不敏感，采用了常規(guī)的水泥攪拌樁、釘型雙向攪拌樁進(jìn)行處理，在對(duì)上下閘首，因閘門的運(yùn)行要求精度高，沉降控制嚴(yán)格，因此采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，減少地基的沉降，確保船閘運(yùn)行安全。

2.3大跨度、復(fù)雜門型的閘首結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船閘閘首布置的設(shè)備多、受力狀態(tài)復(fù)雜，閘首邊墩擋土較高達(dá)到16m，土壓力大，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。通過多方案比較，船閘閘首選擇整體式結(jié)構(gòu)、筏式底板，由于采用三角門型，上下游側(cè)采用空箱邊墩，左右兩側(cè)采用單墩墩墻。在設(shè)計(jì)中，考慮到閘首受力屬于空間狀態(tài)，其斷面也因閘首上的設(shè)備如閘門門庫、輸水廊道、消能設(shè)備等而發(fā)生變化，因此閘首計(jì)算時(shí)先將其厚度、跨度及荷載條件等劃分為三個(gè)特征段，再按平面問題進(jìn)行分段計(jì)算，最后將各段所得的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。采用Ansys軟件對(duì)閘首、閘室整體結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行有限元分析，復(fù)核結(jié)構(gòu)內(nèi)力和配筋。為有效減小溫度、邊載對(duì)閘首手力產(chǎn)生不利影響，在底板、側(cè)墻等結(jié)構(gòu)上采用預(yù)留后澆帶，提前釋放應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)安全。

2.4新型U型大跨度結(jié)構(gòu)導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)

由于地基軟弱，常規(guī)扶臂式翼墻抗滑及承載力難以滿足，且擋墻底板與公路橋橋墩在布置上重合交叉，施工時(shí)相互影響。為解決上述問題，導(dǎo)航墻采用整體式U型結(jié)構(gòu)，地基應(yīng)力大大減小，且由于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，很好的解決了普通翼墻在淤泥土上的位移問題，避免了對(duì)相鄰橋墩的影響，且節(jié)省投資。U型結(jié)構(gòu)最大凈跨30.5m，設(shè)計(jì)在底板設(shè)置多道后澆帶，減少大跨度底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

2.5深基坑邊坡綜合防護(hù)

裕溪船閘基坑深度16～20m，左側(cè)臨裕溪河，水位高于基坑底約13m以上，基坑左側(cè)距離節(jié)制閘不足60m，且基坑邊坡上林立已建成高架橋橋墩，加之土質(zhì)成流塑狀，施工條件相當(dāng)惡劣，邊坡蠕動(dòng)及易對(duì)老節(jié)制閘及高架橋墩造成嚴(yán)重影響。為解決上述難點(diǎn)，針對(duì)不同分段分別采取不同的基坑開挖處理措施。對(duì)上游段，場地相對(duì)開闊，為了減小基坑開挖深度，充分利用現(xiàn)有地形進(jìn)行卸載；在開挖的坡面采用高壓旋噴樁對(duì)土體進(jìn)行固化，提高土體強(qiáng)度，減小土體蠕變；為減小卸載對(duì)裕溪河堤的安全影響，在邊坡上布置鋼板樁進(jìn)行支護(hù)。下游段施工場地局促，開挖后對(duì)節(jié)制閘及大堤影響大，為保證基坑及周邊建筑物的安全，采用水泥攪拌樁進(jìn)行坡面固化處理，同時(shí)在邊坡2.2m和8.5m高程處布置兩排鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)，樁頂用1m高的冠梁（板）連接，在基坑開挖成形后，對(duì)坡面進(jìn)行噴混凝土或其它防護(hù)措施進(jìn)行防護(hù)，防止雨水的入侵，同時(shí)在坡頂和坡面布置縱橫排水溝及排水管，及時(shí)排除雨水和坡內(nèi)積水。通過以上措施有力保障了工程安全施工及周邊建筑物安全。

2.6使用新材料處理閘室混凝土表面

由于船閘閘首及閘室跨度大，結(jié)構(gòu)厚度大，為減小混凝土表面裂縫，延長工程壽命，設(shè)計(jì)中采用了新型XYPEX（賽柏斯）防水材料作老化防護(hù)處理。XYPEX材料施工方法簡單、省工、省時(shí)，是一種水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，具有能長期耐受強(qiáng)水壓，對(duì)0.4mm以下的裂縫有自我修復(fù)功能、耐高低溫、增強(qiáng)混凝土耐久性等特點(diǎn)。在閘室及閘首臨水側(cè)混凝土表面涂刷賽柏斯后形成一道致密的防水層，提高了混凝土抗碳化、抗凍性、抗?jié)B性等耐久性，有效保護(hù)了混凝土和鋼筋，較好地延長工程壽命。

2.7采用雙層立體排水系統(tǒng)減小閘室地下水滲透壓力

船閘下閘首位于無為大堤上，為保證防洪安全，不僅要做好防滲又要做好排水。在船閘下閘首無為大堤部位需做好防滲設(shè)計(jì)，防滲范圍以外內(nèi)河側(cè)的閘室及上閘首等部位需做好排水設(shè)計(jì)。為加強(qiáng)排水效果，船閘閘室底板下及邊墻兩側(cè)布置水平及垂直粗砂排水體，在邊墻后布置兩排水平排水體與墻后垂直排水體相連，水平排水體內(nèi)布置雙層排水管，連接至排水井中，有效地降低閘室滲透壓力。

2.8網(wǎng)架結(jié)構(gòu)非對(duì)稱“K”型結(jié)構(gòu)三角閘門設(shè)計(jì)、自動(dòng)鎖定結(jié)構(gòu)及防污設(shè)置

裕溪船閘閘首凈寬23m，三角閘門曲率半徑為12.225m，下閘首三角門高約15m，單扇閘門重約190t，為國內(nèi)已投入運(yùn)行最大的三角閘門。由于門體較高，采用球形節(jié)點(diǎn)連接的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，不僅減小了閘門自重，而且結(jié)構(gòu)受力更加合理；為減小底樞承受的壓力，均勻分配頂?shù)讟泻奢d，閘門空間網(wǎng)架采用不對(duì)稱“K”型布置，合理地將水壓力分配給頂樞和底樞，降低了對(duì)土建結(jié)構(gòu)的要求，有效降低工程造價(jià)。

裕溪船閘位于裕溪河長江入口處，三角閘門不僅為船閘通航口門，同時(shí)肩負(fù)一級(jí)江堤防洪重任。為防止門前發(fā)生橫向水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，閘門將可能發(fā)生漂移，自動(dòng)開啟，直接威脅到江堤的防洪安全，設(shè)計(jì)中在閘門頂部布置了自動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)，防洪期閘門關(guān)閉時(shí)，鎖定機(jī)構(gòu)自動(dòng)閉鎖，有效地防止了閘門漂移。

三角閘門防撞板與閘室邊墻之間有約2.0m自由空間，船閘運(yùn)行時(shí)水生植物會(huì)隨著水流進(jìn)入閘室門庫，滯留在門庫內(nèi)的水生植物繁殖迅速，堵塞了三角閘門的運(yùn)動(dòng)空間，嚴(yán)重威脅閘門的正常啟閉，設(shè)計(jì)上采用鉸性連接的自浮式攔污隔柵，有效地阻止各種水位條件下水生植物進(jìn)入門庫，確保了閘門安全運(yùn)行。

2.9工程管理與運(yùn)行控制現(xiàn)代化

裕溪船閘采用分層分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能船閘綜合自動(dòng)化，第一層為現(xiàn)地控制層，由PLC采集現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行信號(hào)，從而對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，其強(qiáng)大的閉鎖等功能，防止了人為造成的操作錯(cuò)誤或不當(dāng)操作，保護(hù)了設(shè)備的安全，避免了對(duì)過往船只安全的影響。第二層為集中監(jiān)控層，由操作員站、通信工作站、通航指揮信號(hào)設(shè)備、通航廣播指揮設(shè)備和工業(yè)電視設(shè)備等組成。

裕溪船閘采用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，集成度高，較簡潔的配置實(shí)現(xiàn)了更多的功能模塊，相對(duì)于其他船閘控制系統(tǒng)節(jié)省了投資，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的采用提高了船閘的通過率、利用率，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。

3　結(jié)語

不同的船閘在設(shè)計(jì)過程會(huì)有不同的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本文通過裕溪船閘的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，映射一些船閘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。在船閘設(shè)計(jì)過程中，首先要明確船閘周圍地形地質(zhì)條件及周圍建筑物等，通過綜合比選確定合理的閘址布置；通過水文、航道、地形條件確定船閘等級(jí)、總體布置及具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；針對(duì)不同地質(zhì)條件需要做不同的基礎(chǔ)處理方案及基坑開挖方案，合理安排工程工期。此外船閘船閘閘門型式，自動(dòng)化及船閘的管理設(shè)施等也是船閘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

[1]王作高，主編.船閘設(shè)計(jì).水利水電出版社，1992，10.

[2]王世夏，編著.水工設(shè)計(jì)的理論和方法.中國水利水電出版社，2000，7.

U641.2

A

1673-0038（2015）36-0339-02

2015-8-19

王新珂（1983-），男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。