京杭运河施桥三线船闸工程设计特点

京杭运河施桥三线船闸工程设计特点胡庆华【摘要】从闸位选择、输水系统、总平面布置、水工结构物和基坑降排水施工等方面介绍京杭运河施桥三线船闸工程的设计特点和技术要求.【期刊名称】《水运工程》【年(卷)，期】2009(000)008【总页数】7页(P112-118)【关键词】施桥三线船闸;设计;技术特点【作者】胡庆华【作者单位】江苏省交通规划设计院有限公司，江苏，南京,210005【正文语种】中文【中图分类】U641.2京杭运河苏北徐扬段航道经过几次大规模的整治，全线已逐步达到二级航道标准。随着航道全线货物通过量的逐年增长，运河沿线的各级船闸运营日益趋紧，船舶待闸时间逾来愈长。自1999年起，江苏省积极利用世界银行贷款相继完成了对解台复线船闸和宿迁、淮安、淮阴和皂河等三线船闸的扩容工程建设，消除了这几个通航梯级的〃瓶颈”制约。此后，京杭运河沿线的泗阳和刘老涧三线船闸也相继建成，淮安船闸下游的两个船闸——施桥、邵伯船闸运营压力逐步增大。为了进一步发挥京杭运河的水运优势和潜能，完善京杭运河作为我国南北向水上运输尤其是北煤南运黄金水道的功能，扩容建设施桥三线船闸是十分必要和迫切的。施桥船闸位于京杭运河徐扬段入江口门处，是京杭运河徐扬段通航枢纽中自上而下的最后一个通航枢纽。施桥船闸位于京杭运河扬州市邗江区，上游距上一个梯级邵伯船闸约23km，下游距长江口门约6.5km。现有施桥船闸一、二线船闸南北向平行布置，一、二线船闸分居西东，两船闸中心距为150m，二线船闸东侧为水利翻水河，与二线船闸中心距约250m，翻水河上设有水利节制闸1座。拟建施桥三线船闸位于现有施桥一线船闸西侧，与一线船闸中心线平行，两闸中心距为100m。施桥三线船闸建成后，预测设计水平年2030年将实现船舶通过量14530万t，货物通过量9200万t。1.1地形地貌闸址分区属长江下游冲积平原区，地貌类型属长江三角洲平原的古河口沙嘴地貌。场地地势较为平坦，地面高程3.0~4.5m（85国家高程，下同），上游堤顶高程8.04~8.9m,现船闸闸室两侧地面高程约8m，下游堤顶高程6.0~8.1m;现有船闸上、下游两岸多分布有单位企业的建筑物。1.2工程地质主体工程的场地在勘探深度范围内所揭示的岩土层可分为12层。其中：①层为素填土，其下诸层为第四系全新统（Q4）冲、洪积层，具体分述如下。（Q4ml）:灰、灰褐色粉质黏土杂砂质粉土，含植物根茎，偶见小石子，局部地表有水泥砼地面，为素填土，土质松软；（Q4al）:灰黄、褐黄色粉质黏土、局部黏土，为淤泥质土或近淤泥质土，间薄层砂质粉土，流-软塑；'（Q4al-pl）:灰色粉砂、砂质粉土，偶有分布，为②层中透镜体；-1（Q4al-pl）:灰黄、灰色砂质粉土、粉砂，间薄层粉质黏土，松散状态；-2（Q4al）:灰色粉质黏土，间薄层砂质粉土，局部互层，可塑状态；-3(Q4al-pl):灰色粉砂、砂质粉土，间薄层粉质黏土，含云母，稍密-中密状态；-1(Q4al):灰色粉质黏土，局部黏土，间薄层砂质粉土，局部为淤泥质土，软-流塑状态。④-2(Q4al):主要为灰褐色粉质黏土、黏土与砂质粉土互层，其中黏性土呈软-流塑状态。在下游靠船段、引航道为砂质粉土偶间粉质土薄层；]Q4al-pl):灰色粉砂、细砂，间薄层粉质黏土，含云母，中密-稍密；(Q4al):灰色粉质黏土，间薄层砂质粉土，软塑状态；]Q4al-pl):灰色粉砂，间粉质黏土透镜体，含云母，密实；'(Q4al):灰色粉质黏土，间粉砂，为透镜体分布于⑧层砂土中。地基承载力不能满足地基应力要求的，考虑进行地基处理。地基处理形式主要为水泥搅拌桩处理。1.3水文地质本场地浅层地下水类型为松散岩类孔隙水，地下水位随季节变化，年变化幅度最大为2.15m,最小为0.84m。第①层素填土为人类活动产物，土质不均，土体内易含裂隙、小孔洞。据场地整体钻探揭示，场地砂性土层③-1,③-3，⑥，⑧层直接或间接相连，它们共同构成场地潜水含水层。1.4工程水文按照江苏省水利工程科技咨询有限公司和江苏省水文水资源勘测局2007年12月完成的《施桥船闸设计水(潮)位水文分析报告》，施桥三线船闸的特征水位详见表1,水位组合情况详见表2。拟建施桥三线船闸为二级通航建筑物，设计最大船舶吨级为2000t。船闸规模为闸室长260m，口门宽23m，门槛水深5m。设计水平年2030年船舶年单向通过能力和年单向货运量通过能力将分别达到10109万t和7581万t,大于预测的船舶通过能力和年单向货运量通过能力8420万t和7520万t的要求。针对施桥船闸的地理位置及枢纽现状，闸位方案拟定2个，位于施桥一线船闸西侧的西方案和位于施桥二线船闸东侧的东方案。闸位方案位置示意图见图1。1） 西方案。闸位位于现有施桥一线船闸西侧，与一线船闸中心线平行，间距约为110m。该方案主要将涉及占用沿河西岸的厂企民房。本方案的优点是上、下游引航道布置顺畅；施工易于调配；征占土地特别是耕地数量相对少；拆迁范围多为交通部门，易于协调。本方案的缺点是拆迁量较大，特别是扬州旺龙建材公司厂房及生产设施难度相对较大；与20世纪60年代建设的透水闸墙的一线船闸相邻，施工难度相对大。2） 东方案。该闸位位于现有施桥二线船闸和翻水河之间，与东侧的二线船闸中心线的距离约为110m。船闸主体结构占用二线船闸和翻水河之间的空地范围，上游导航墙及上游远调站等结构布置需上延翻水河上游进水口位置，下游导航墙及直线段等结构布置主要涉及到扬州煤气总公司钢铁厂的拆迁。该方案的优点是：涉及拆迁量相对较少；与20世纪后80年代建设的二线船闸相邻，三线船闸结构施工较西方案相对容易。该方案的缺点是闸位偏移主航道较多，线形不顺；土方工程量较大；征占土地较多。此外，该闸位与水利翻水河规划枢纽的布局有关，工程建设需结合规划的水利节制闸建设协调推进，影响因素较多。考虑到西方案由于线形相对顺直、施工易于组织、拆迁量大但拆迁工作难度不大，且与水利枢纽规划无矛盾，确定推荐闸位西方案，工可研究时推荐三线船闸与相邻的一线船闸的中心线距离为110m，在初步设计中进一步优化调整为100m。本船闸承受双向水头作用，正向运用最大水头6.19m，反向运用最大水头2.86m，根据规范，上、下闸首均可采用简单的集中输水系统。初步设计时采用三角门和横拉门输水系统进行比选，考虑三角闸门能动水启闭，本船闸常水头不大（3.0m左右），闸门采用三角门可利用门缝辅助输水，从而缩短输水时间，故输水推荐采用三角门型输水系统。进口主廊道尺度取3.5mx3.5m(宽x高，下同)，出口段廊道尺度2.8mx3.5m,灌、泄水均采用对冲消能，输水阀门采用匀速开启方式。当最大正向设计水头(6.19m)时，输水系统(全开时)灌水时的流量系数^=0.82,沿程阻力系数为1.137，阀门开启时间570s，阀门开启速度为0.37m/min，闸室灌水时间为600s，最大流量99.51m3/s。若采用廊道与门缝联合输水方式，灌水时间缩短为575s。闸室输水时的水力特性曲线见图2。在正向常水头(3.0m)时，输水系统(全开时)灌水时的流量系数pt=0.82，阀门开启时间240s，阀门开启速度为0.875m/min，闸室灌水时间为345s，最大流量89.62m3/s。考虑输水后期三角门采用廊道输水和门缝输水的联合输水方式，以闸室平均流速指标0.25m/s控制，则灌水时间缩短为285s。闸室输水时的水力特性曲线见图3。在最大反向设计水头(2.86m)时，阀门开启时间为240s，阀门开启速度为0.875m/min，闸室灌水时间为340s，最大流量为86.49m3/s。闸室输水时的水力特性曲线见图4。上、下闸首输水廊道在最大设计水头的灌水中，阀门后廊道顶部不产生负压，且满足P1>k[P1]条件，不产生远驱式水跃。2000t船舶在闸室内承受的最大水流作用力为11.24kN，满足小于船舶允许纵向系缆力40kN的要求。当上游为设计最低通航水位时，上闸首廊道进口淹没水深为4.60m,大于最小淹没水深要求;当下游为设计最低通航水位时，下闸首廊道进口淹没水深为2.44m,满足大于最小淹没水深的要求。上、下闸首廊道出口最小淹没水深分别为3.5m和1.5m，均满足H级船闸上、下闸首廊道出口最小淹没水深为2.0m和1.5m的要求。根据计算，理论最大比能Ep=19.61W/m2，计算镇静段长度7.84m，参照本省同类船闸使用情况，实际镇静段长度取为10m。三线船闸与一线船闸中心线平行，间距约为100m。考虑到施桥三线船闸的上、下游引航道靠船段均位于船闸西侧（航道右岸），船闸引航道布置采用不对称形式，船闸进出闸方式均为直进曲出。上、下游主导航墙均直线布置于右岸，辅导航墙采用圆弧形曲线墙。施桥三线船闸上游引航道为独立引航道，下游为与一线船闸的共用引航道。上游独立引航道宽度为70m，下游共用引航道宽度采用121.7m。上、下游靠船段长均为400m，按20m间距设独立靠船墩，各设20个靠船墩，均在航道右岸。靠船墩之间采用空腔式素混凝土的重力式挡墙驳岸连接，挡墙较靠船墩前沿退后0.5m。下游靠船段保留船闸维修基地锚泊区（挖入式港池）位置，该锚泊区专供船闸维修需要时使用。上游导航段河底70m范围内护坦，其中靠近上闸首的20m范围内采用C25钢筋混凝土护坦，其余50m范围为C20素混凝土护坦，端部以1:10的坡比过渡连接。上游远调码头布置在距离上闸首约1.03km处的航道右岸，靠泊长度为200m。下游远调码头在距离下闸首约2.70km处的航道右岸，靠泊长度也为200m。另设下游待泊锚地靠泊长度约980m，码头前沿线距离航道中心线为150m,水域面积114000E，距离入江口约1.5km。上、下游远调码头和下游停泊锚地均为一、二、三线船闸共用。各主要工作场所均有道路相通。闸区内道路分7m和5m两种。闸室两侧墙后设置宽6m的人行道，人行道铺至上、下游主、辅导航墙端部，人行道宽4m。上游从闸区至上游远调码头利用右岸防洪大堤堤顶道路，路面宽度为7m。下游远调码头可利用镇区现有道路，新建连接道路长度约为70m，路面宽度为7m。为方便施桥船闸调度管理，将船闸管理区位置调整布置在一线和二线船闸之间，办公综合楼3016m2，配电房布置在一、三线船闸之间，建筑面积314m2。宿舍区和食堂主要考虑布置在三线船闸西侧，建筑面积1432m2。房屋建筑总面积5446m2。6.1闸首上下闸首全宽53.8m，长度为29.8m。结合土基特点，为了使闸首具有足够的整体刚度，上、下闸首均采用钢筋混凝土整体坞式结构。由于闸门采用三角门，故闸首边墩采用大门库的空箱结构。边墩上、下游端二次切角、局部挖孔洞或设空箱以减少圬工数量和大体积砼在施工期产生的温度应力。为减少闸首边墩和中部底板因沉降变形而产生过大内力并避免施工过程产生裂缝，底板沿纵向分为3块浇筑，纵向设置施工宽缝，在边墩侧墙及廊道转弯处设置后浇带。6.2闸室闸室净宽23m，长260m。闸室沿长度方向设沉降-伸缩缝，间距布置为20m。沉降-伸缩缝宽2cm，设紫铜片和JSP水膨胀橡胶2道止水。闸室墙迎水面布置钢护木，沿闸室长度方向两侧设15t浮式系船柱。闸室墙顶部布置挡浪板，挡浪板与闸墙迎水面齐平。闸室墙后沿船闸中心线方向布置2道纵向排水管，2道纵向排水管之间由横向排水管相连通。闸室上、下游侧分别设一个水位计用以观测闸室内水位。闸室采用钢筋砼整体式结构，为减少闸墙和中部底板产生裂缝，底板沿纵向设2道施工宽缝。6.3导航墙上、下游主导航墙均为直线布置型式，采用钢筋混凝土扶壁式结构。扶壁式立板厚0.6m，肋板间距5.0m，厚0.5m。导航墙临水面设置1m高的挡浪墙。主导航墙设钢护木（厚度10cm），间距依肋板位置进行布设。上、下游辅导航墙易碰撞的圆弧段设钢板护面。上、下游护坦长度均为70m，与闸首相邻的20m内为不透水段，采用40cm厚C20钢筋混凝土护坦，其余50m范围采用C20素混凝土护坦。6.4靠船建筑物上、下游靠船墩墩身采用C20空腔式素混凝土重力式结构。单个靠船墩纵向总宽5m，顶宽2.5m（顺水流方向），墩身内设预制C25涵管形成空腔，涵管内填土。墙身上布设横向排水管，墙后与纵向排水管相连，并与相邻驳岸的墙后排水系统相连接。6.5远调站码头上、下游远调码头均采用钢筋混凝土扶壁式结构。扶壁式墙底板厚0.7m，扶壁式立板厚0.6m，肋板间距4.0m，厚0.5m。远调码头布置台阶式人行踏步，码头设置系靠设施。码头结构墙身设横向排水管，在横向排水管墙后临土面处沿纵向设软式透水管和砂滤层以利墙后排水。6.6停泊锚地下游口门处设待泊锚地，采用C20空腔式素混凝土重力式结构。下游待泊锚地靠泊长度为980m，前沿线距离航道中心线为150m。可待泊水域面积114000m2。墩身内设预制C25涵管，墙身上布设横向排水管，墙后以纵向排水管相连。下游待泊锚地布置铁爬梯和系靠设施。待泊锚地前沿布置3m宽的人行道路，在锚地陆域中部设一道7m宽道路与防洪大堤道路沟通。6.7驳岸驳岸墙身采用C20空腔式素混凝土重力式结构。墩身内设预制C25涵管，墙身上布设横向排水管，墙后与纵向排水管相连。闸塘采用大开挖辅以局部支护施工方案。根据实际地形条件，施桥三线船闸紧挨一线船闸，闸塘开挖与降排水需考虑水文、地质条件和对周围建筑物的影响因素，由于闸址处为粉砂地基，考虑渗透稳定要求，增加防渗帷幕墙作为垂直防渗设施。垂直防渗帷幕墙可用水泥深搅桩或高压定喷的方法形成防渗墙，垂直防渗帷幕墙的渗透系数应不大于10-7cm/s。一线船闸闸首为坞式结构、闸室墙为透水底板结构，在抽降三线船闸基坑周围地下水的同时，应向一线船闸的闸室墙后灌水，保持一线船闸原有的墙后地下水位状况。另外，施工期降排水时对施桥一线船闸和邻近房屋建筑的观测，必要时应采用回灌措施。主体工程闸塘开挖土方的土质多为砂质粉土、粉质黏土、粉砂及其互层，土层的透水性较强，施工期间应做好闸塘基坑内的降排水设施。基坑降水以深管井为主，辅以轻型井点和明沟排水。根据一、二线的施工经验，墙后地下水位一般在3.0m左右，渗水补给丰富，潜水丰富，基坑易产生渗透变形。除设置垂直防渗帷幕墙外，宜在-3.47m高程外沿闸塘四周封闭布置深管井，井距和井深的布置通过抽水试验确定，应能保证闸塘底部的干地施工条件。边坡开挖时为避免塌坡等现象可先布置一些轻型井点降排水，并对边坡铺设土工布和袋装土加以防护。基坑排水应远离基坑，并在施工时应采取明排措施。上、下闸首部位的闸塘开挖基底较深，宜增设轻型井点降水以确保干地施工。根据闸塘开挖深度与土质情况，可分三级向下开挖，中间设置2个5m宽的平台（高程分别为1.53m和-3.47m）。根据地质资料，主体工程的基坑开挖范围多为③-1层灰黄、灰色砂质粉土、粉砂和③-3层灰色粉砂、砂质粉土，故平台上、下坡比均取1：2.5。在基坑开挖过程中遇到不良地质，应采取有效处置措施，处理后方可继续下一步的施工。上、下闸首由于开挖基坑较深，且距一线船闸的上闸首和导航墙较近，拟采用支护结构作为局部挡土支护。上下游引航道结构需在主体结构施工完成后进行。上、下游引航道建筑物在基坑开挖及底板施工时应采用轻型井点降水同时配合明沟排水，确保干地施工和基底土层不被扰动。施桥三线船闸主体工程的基坑开挖示意图见图5。1）随着船闸线数的增加，闸位可选余