裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程總平面布置分析

李 艷，張躍東,高 柱

(1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014； 2.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

近年來，中央作出了加強(qiáng)我國內(nèi)河航運(yùn)建設(shè)，促進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)快速發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展、綠色發(fā)展的重大發(fā)展戰(zhàn)略決策[1]，首次將內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展擺在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要位置，不僅充分肯定了內(nèi)河水運(yùn)為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出的貢獻(xiàn)，也為內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展指明了新的發(fā)展方向。2014年國務(wù)院出臺了“依托黃金水道推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見”，內(nèi)河水運(yùn)被提升至新的高度，將迎來黃金發(fā)展的10年[2]。水運(yùn)具有運(yùn)能大、污染小、效能高、占地少等優(yōu)勢，在綜合運(yùn)輸體系中屬資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的運(yùn)輸方式，在煤炭、礦建材料、水泥、礦石、油品等大宗貨物運(yùn)輸中起著不可替代的作用。為適應(yīng)運(yùn)輸需求的快速增長，船閘及航道的能力必須適時(shí)增長。船閘是航道的“咽喉”，船閘通過能力的提高仍是關(guān)鍵[3]。

合裕線航道是合肥經(jīng)濟(jì)圈通往長江的唯一水上通道，是全國內(nèi)河高等級航道布局“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”中的一線，是安徽省高等級航道發(fā)展規(guī)劃中“一縱兩橫五干二十一線”中“一縱”，也是江淮運(yùn)河的重要組成部分[4]。合裕線航道由南淝河、巢湖、裕溪河3段組成，全長約138 km。裕溪河航道長62.1 km，采用限制性航道Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)整治。合裕線航道沿線設(shè)置巢湖閘和裕溪閘兩處樞紐。裕溪閘樞紐位于合裕線航道裕溪口，裕溪河入長江口門處，距離長江約3 km，是控制巢湖流域防洪、排澇及引水灌溉的綜合性樞紐。裕溪一線船閘規(guī)模為195 m×14.4 m×2.5 m(閘室有效長度×口門寬度×門檻水深，下同)，1969年建成；裕溪復(fù)線船閘規(guī)模為200 m×23 m×4.5 m，2012年底建成。

隨著江淮運(yùn)河、合裕線航道整治工程的全線啟動(dòng)，以及腹地經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為主要入江通道，合裕線承擔(dān)的貨運(yùn)量逐年增加。經(jīng)過貨運(yùn)量預(yù)測，2020年、2030年、2040年和2050年裕溪船閘過閘貨運(yùn)量將分別達(dá)到4 500萬t、7 800萬t、8 800萬t和9 600萬t。現(xiàn)有裕溪復(fù)線船閘最大單向貨物通過能力約為1 682萬t，目前已接近飽和，不能滿足未來運(yùn)量的增長需求[5]。現(xiàn)有裕溪一線船閘已運(yùn)行40余年，船閘閘室墻為簡易墩式結(jié)構(gòu)，閘墻抗撞性能差，損傷較嚴(yán)重，橫拉門設(shè)備陳舊，運(yùn)轉(zhuǎn)件維修率高，船閘結(jié)構(gòu)已不堪重負(fù)[6]。

為滿足江淮運(yùn)河打通后新增過境貨運(yùn)量以及未來合裕線航道沿線生成貨運(yùn)量的需求，解決航運(yùn)瓶頸，盡早發(fā)揮航運(yùn)效益，同時(shí)為確保安全通航，適應(yīng)船舶大型化的發(fā)展，裕溪一線船閘亟需擴(kuò)容改造。本文擬結(jié)合合裕線航道航運(yùn)現(xiàn)狀與規(guī)劃，綜合考慮工程周邊建設(shè)環(huán)境狀況，分析裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程總體布置要求及相關(guān)限制條件，并在此基礎(chǔ)上研究船閘建設(shè)規(guī)模及工程總平面布置方案，以滿足船閘發(fā)揮航運(yùn)效益、保證船舶通航安全需求、實(shí)現(xiàn)節(jié)約用地與減少施工對周邊構(gòu)筑物影響的目標(biāo)。

1 建設(shè)規(guī)模分析

1.1 運(yùn)量預(yù)測

根據(jù)航道功能定位、沿線產(chǎn)業(yè)布局、資源分布開發(fā)、區(qū)域交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃等，合裕線航道未來將承擔(dān)其輻射區(qū)域內(nèi)外交換貨運(yùn)量和江淮運(yùn)河過境貨運(yùn)量。

本次預(yù)測采用多種方法預(yù)測合裕線的運(yùn)輸需求。其中，對合裕線沿線區(qū)域內(nèi)外交換貨運(yùn)量預(yù)測采用區(qū)域航道貨運(yùn)需求與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的回歸分析法，同時(shí)對沿線港口規(guī)劃成果進(jìn)行綜合分析，兩種方法進(jìn)行互相校核；對江淮運(yùn)河過境貨運(yùn)量采用“4階段”法，并與腹地主要貨類的運(yùn)輸需求(產(chǎn)銷運(yùn)平衡)進(jìn)行互相校核。航道貨種分析采用產(chǎn)銷運(yùn)平衡法，集裝箱預(yù)測采用生成系數(shù)法。裕溪船閘的過閘貨運(yùn)量預(yù)測在合裕線航道運(yùn)量預(yù)測的基礎(chǔ)上，通過對流量、流向的分析得到，主要為江淮運(yùn)河過境運(yùn)量及合肥地區(qū)、合裕線沿線與長江沿線的物資交換量(表1)。

2020年及之前，過閘船舶的上下行裝載率延續(xù)目前的發(fā)展趨勢，上下行裝載率分別為80%和60%；考慮到隨著江淮運(yùn)河的開通，皖北淮河沿線及河南地區(qū)的礦產(chǎn)資源、糧食等大宗物資南運(yùn)至長三角地區(qū)，合裕線航道貨流主流向?qū)?huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，下行運(yùn)量將超過上行運(yùn)量，成為航道貨流主流向；相應(yīng)其船舶裝載率也會(huì)有所變化。預(yù)計(jì)2030年以后，下行船舶裝載率達(dá)到72%，上行船舶裝載率達(dá)到66%，上下行船舶的平均裝載率為69%，超過現(xiàn)有的發(fā)展水平。裕溪船閘船舶通過量預(yù)測見表2。

表1 裕溪船閘過閘貨運(yùn)量預(yù)測 萬t

表2 裕溪船閘船舶通過量預(yù)測 萬t

1.2 設(shè)計(jì)船型

根據(jù)通達(dá)性和適應(yīng)性原則以及未來發(fā)展，考慮發(fā)展大噸位船舶以及運(yùn)輸船型中頂推船隊(duì)發(fā)展的特點(diǎn)，結(jié)合營運(yùn)組織分析，根據(jù)JTS 180-2—2011《運(yùn)河通航標(biāo)準(zhǔn)》、2012年第69號公告的《長江水系過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化船型主尺度系列》和GB 38030-2—2019《京杭運(yùn)河、淮河水系過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化船型主尺度系列》確定設(shè)計(jì)船型(表3)。

表3 設(shè)計(jì)船型

1.3 閘室有效寬度選擇

根據(jù)不同船型尺寸，縱向分為2列和3列不同組合工況計(jì)算閘室有效寬度(表4)。

表4 不同船型組合的閘室有效寬度

根據(jù)JTJ 305—2001《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]第3.1.8條，閘室有效寬度在23 m、34 m這2種可能中選擇。

1.4 閘室有效長度與門檻水深

閘室有效長度越長，一次過閘平均噸位越大，船閘的通過能力也越大，根據(jù)船舶排列列數(shù)的不同，選擇230 m、280 m這2種不同長度的進(jìn)行分析。

按照2 000 t級貨船最大吃水T=(3.3～3.5)m，計(jì)算得門檻水深H≥5.6 m。本船閘門檻水深取為5.6 m。

圖2 280 m×34 m×5.6 m船閘總平面布置

圖3 230 m×23 m×5.6 m雙線船閘總平面布置

1.5 船閘建設(shè)規(guī)模

根據(jù)裕溪船閘預(yù)測運(yùn)量和滿足設(shè)計(jì)船型組合一次過閘的需求，并考慮作為沿江口門要兼顧大噸位船舶進(jìn)出的要求，參照內(nèi)河船閘的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[8]，擬定2種建設(shè)規(guī)模，分別為280 m×34 m×5.6 m和230 m×23 m×5.6 m雙線。根據(jù)通過能力計(jì)算(表5)，這2種規(guī)模的通過能力均滿足裕溪一線船閘設(shè)計(jì)水平年2040年通航需求[9]。

表5 不同規(guī)模船閘的一次過閘平均噸位 t

2 平面布置的制約因素

平面布置的主要制約因素有：①裕溪一線船閘左岸為無為長江1級大堤(圖1)，緊鄰船閘，右岸為水利節(jié)制閘及節(jié)制閘管理區(qū)，二者之間的最近距離僅為75 m，隔流灘地區(qū)域狹小。應(yīng)充分考慮工程建設(shè)對大堤和節(jié)制閘的影響[10]；②受上、下游鐵路橋及裕溪節(jié)制閘的影響，裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程航道中心線無法做大的調(diào)整，可以布置閘位的最長直線段長度約為1 250 m，船閘建設(shè)場地的局限極大制約了船閘的布置[11]；③船閘上、下游分別存在鳩江區(qū)雍鎮(zhèn)一水廠、二水廠及其取水口，根據(jù)環(huán)保規(guī)定，各取水口上下游1 km水域范圍為一級水源保護(hù)區(qū)，1～2 km的水域范圍為二級水源保護(hù)區(qū)；④裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程作為樞紐防洪封閉圈的組成部分，閘位布置時(shí)需要考慮對現(xiàn)有防洪設(shè)施的影響以及工程建成后防洪體系的恢復(fù)與封閉。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，在經(jīng)濟(jì)全球化的大背景下，出國留學(xué)已成為許多人深造、鍛煉自己的選擇。全國高校也在積極提倡培養(yǎng)國際化人才，為學(xué)生提供合作辦學(xué)培養(yǎng)、出國訪學(xué)、出國讀研等教育模式，以豐富學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)歷、增長見識。

圖1 裕溪閘樞紐及周邊相鄰設(shè)施

3 平面布置方案

3.1 建設(shè)規(guī)模確定

從可行性來說，建設(shè)一座280 m×34 m×5.6 m船閘與230 m×23 m×5.6 m雙線船閘均是可行的，總平面布置分別見圖2和圖3。

經(jīng)比較，兩種布置方案中，同時(shí)建設(shè)雙線規(guī)模為230 m×23 m×5.6 m的船閘造價(jià)大于建設(shè)單線規(guī)模為280 m×34 m×5.6 m的船閘。從征地拆遷、工程建設(shè)、運(yùn)行調(diào)度的難易程度以及船舶大型化發(fā)展的趨勢等方面綜合考慮，推薦裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程船閘規(guī)模為280 m×34 m×5.6 m。

3.2 閘位布置方案

裕溪閘水利樞紐位于長江左岸，裕溪河入長江口上游3 km處，兩側(cè)為無為大堤?，F(xiàn)有裕溪一、復(fù)線船閘分別位于裕溪節(jié)制閘的左側(cè)和右側(cè)，兩線船閘中心距約400 m，順流向中心線交角約6°?？玳l公路橋(X016)在一線閘處從閘室頂部跨越，經(jīng)節(jié)制閘頂部道路，從復(fù)線船閘上游導(dǎo)航墻頂部跨越。

圖4 裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程最終總平面布置

根據(jù)前面對平面布置制約影響因素的分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，從征地拆遷、通航水流條件、施工難度、工程投資及對周邊水利設(shè)施的影響[12]等多方面對閘位進(jìn)行比選，最終擬定方案為：拆除上、下游取水口，并在原位拆除老閘改建新閘，改建裕溪一線船閘中心線與裕溪復(fù)線船閘中心線平行，中心距425.3 m，與裕溪節(jié)制閘中心線夾角5°45′，節(jié)制閘中心線處閘墩中點(diǎn)距離裕溪一線船閘225.5 m，改建船閘上閘首上游面距離老閘上閘首下游面約93.8 m。上下游均采用“曲線進(jìn)閘、直線出閘”的方式[13]，上、下游靠船段布置在船閘右岸。

3.3 總體布置

3.3.1引航道直線段設(shè)計(jì)底寬

裕溪一線船閘進(jìn)出閘方式均為“曲線進(jìn)閘、直線出閘”的不對稱式[14]，根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5.2.1條[7]，單線船閘不對稱型引航道寬度B0按下式計(jì)算：

B0≥bc+bc1+b1+b2

(1)

式中：bc為設(shè)計(jì)最大船舶、船隊(duì)的寬度，取2 000 t貨船寬13.8 m；bc1為一側(cè)等候過閘船舶、船隊(duì)的總寬度，取3艘1 000 t貨船總寬度33.0 m；b1為船舶、船隊(duì)之間的富裕寬度，取2 000 t貨船寬13.8 m；b2為船舶、船隊(duì)與岸之間的富裕寬度，取0.5×13.8 m=6.9 m。

經(jīng)計(jì)算，引航道寬度B0=67.5 m，最終取70 m。

根據(jù)JTJ 305—2001《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》5.5.1.2條[7]，當(dāng)曲線導(dǎo)航墻具備導(dǎo)航調(diào)順功能時(shí)，可采用“曲線進(jìn)閘、直線出閘”方式過閘，引航道直線段長度L應(yīng)大于等于導(dǎo)航段長度與停泊段長度之和，即：

L≥l1+l3

(2)

其中l(wèi)1=1.5Lc

式中：l1為導(dǎo)航段長度；Lc為最大設(shè)計(jì)船型長度，取76 m；l3為停泊段長度。經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)航段長度不應(yīng)小于114 m，這里取120 m；l3應(yīng)滿足一次過閘所有船舶的?？?，l3不可小于閘室有效長度，這里取l3=290 m。故引航道直線段長度L=120 m+290 m=410 m。

3.3.3口門區(qū)彎道最小彎曲半徑

彎道最小彎曲半徑R須滿足R≥4Lc，在引航道口門區(qū)和連接段考慮到水流、風(fēng)浪等的影響，其最小彎曲半徑應(yīng)加大一個(gè)Lc，最終確定R=5Lc=380 m。

3.3.4引航道平面布置

上、下游引航道平面布置采用不對稱式，上、下游引航道寬均為70 m，直線段長度均為410 m，其中靠船段長度均為290 m?？看涨把鼐€距離船閘中心線35 m，船舶進(jìn)出閘方式上、下游均為“曲進(jìn)直出”。

上、下游主導(dǎo)航墻均布置在右岸，船閘中心線方向投影長度均為120 m，由斜率為1∶6的直線段和半徑為500 m的圓弧段組成，直線段靠近閘首側(cè)長度為40 m；輔導(dǎo)航墻平行于船閘中心線布置，在左岸長度為120 m，在端部以25 m的半徑轉(zhuǎn)向防洪大堤側(cè)與大堤銜接。

縣道X016跨擬建裕溪一線船閘，擬建X016跨閘公路橋在原線位附近一孔跨越上游引航道，橋梁縱軸線與船閘中心線交點(diǎn)距離上閘首上游面87.8 m，與船閘中心線夾角為83°28′，工程總體布置見圖4。

3.4 數(shù)值模擬分析及布置優(yōu)化

3.4.1水動(dòng)力數(shù)值模擬

上游引航道口門區(qū)位于彎道段，距離裕溪節(jié)制閘較近，行洪期間口門處存在橫流和回流區(qū)，特別當(dāng)行洪流量較大時(shí)，口門段水流流態(tài)較紊亂，易對船舶航行安全造成影響。因此，通過建立二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算裕溪節(jié)制閘各運(yùn)行工況下船閘上游引航道及口門區(qū)通航水流條件。

基于裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程布置以及工程河段地形，二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍選取為淮南線鐵路橋—裕溪節(jié)制閘河段，全長約1.4 km。模型基于非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格建立，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為24 811，三角單元數(shù)為48 503，相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大間距為5 m，最小間距為3 m。模型計(jì)算域地形見圖5。水流模型上游邊界為上游航道進(jìn)口斷面，采用流量邊界；水流模型下游邊界分別為裕溪一線擴(kuò)建船閘、裕溪節(jié)制閘、裕溪復(fù)線船閘，采用水位邊界。

表6 上游引航道及口門區(qū)數(shù)學(xué)模型計(jì)算工況

圖5 上游引航道及口門區(qū)地形

共選取裕溪節(jié)制閘4種典型設(shè)計(jì)水位組合作為計(jì)算工況，見表6。

計(jì)算結(jié)果表明：①各工況下口門區(qū)航道內(nèi)縱向流速最大值為0.94 m/s，滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中口門區(qū)水面縱向流速不大于2.0 m/s的要求；②各工況下口門區(qū)回流最大強(qiáng)度為0.27 m/s，均滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中口門區(qū)回流流速不大于0.4 m/s的要求；③工況4口門區(qū)航道內(nèi)橫向流速最大值為0.34 m/s(圖6)，不滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)行方案優(yōu)化，采取一定的工程措施以改善口門區(qū)通航水流條件；④計(jì)算所得水流流向與航道走向夾角相對較大，最大夾角可達(dá)36°。

圖6 優(yōu)化前工況4流場分布

3.4.2布置優(yōu)化

根據(jù)該計(jì)算結(jié)果，基于原始方案，節(jié)制閘設(shè)計(jì)20年一遇泄流工況、節(jié)制閘惡劣放水以及裕溪復(fù)線船閘灌水共同作用工況、節(jié)制閘引水工況下船閘上游口門區(qū)航道內(nèi)局部水域橫向流速不滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。擬通過對裕溪一線船閘上游口門區(qū)及連接段航道進(jìn)行局部調(diào)整，使航道走向盡量順河道水流主方向，減小航道內(nèi)水流流向與航道走向的夾角，使原始方案計(jì)算結(jié)果中不滿足規(guī)范要求的口門區(qū)航道段橫流得到改善。并在兩個(gè)反彎段北側(cè)進(jìn)行疏浚至航道設(shè)計(jì)底高程2.21 m，以擴(kuò)大過水橫斷面，降低流速，保證航行安全，疏浚范圍見圖7。經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化方案實(shí)施后，工況1～4對應(yīng)的口門區(qū)航道內(nèi)橫向流速最大值分別為0.29 m/s、0.29 m/s、0.25 m/s、0.30 m/s，均滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中口門區(qū)水面橫向流速不大于0.3 m/s的要求(圖8)，優(yōu)化后的引航道平面布置方案安全可靠。

圖7 上游引航道及口門區(qū)局部優(yōu)化示意圖

圖8 布置優(yōu)化后工況4流場分布

4 結(jié) 語

a. 裕溪一線船閘是合裕線航道的入江口門，建設(shè)規(guī)模采用280 m×34 m×5.6 m，與現(xiàn)有復(fù)線船閘聯(lián)合調(diào)度，可滿足水平年2050年船閘的單向過閘貨運(yùn)量需求。船閘擴(kuò)容工程的建設(shè)將大大減少過閘船舶的待閘時(shí)間，加快船舶大型化發(fā)展，降低運(yùn)輸成本，提高航運(yùn)效益，使水資源得到綜合利用。

b. 針對裕溪閘樞紐現(xiàn)狀，裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程建設(shè)的制約和影響因素眾多，經(jīng)綜合分析確定的船閘建設(shè)規(guī)模、閘位布置、總平面布置，較好地協(xié)調(diào)了多方矛盾，原址重建方案可行。

c. 水流條件對船閘通航效率、通航安全影響很大，特別是在可供建設(shè)空間狹小的情況下，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)和方案應(yīng)進(jìn)行充分論證，必要時(shí)要采取數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)等手段進(jìn)行分析，優(yōu)化平面布置，確保設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理。本次設(shè)計(jì)上游引航道口門區(qū)與主航道轉(zhuǎn)角較大，在原始方案基礎(chǔ)上，通過調(diào)整口門區(qū)及連接段航道軸線布置以減小與水流夾角并疏?？陂T區(qū)航道右側(cè)局部水域以擴(kuò)大過流面積減小流速的方式，可減小橫流流速，提高通航效率，保障通航安全。