西水关船闸通航设计及闸室稳定计算

西水关船闸通航设计及闸室稳定计算陈照;黄淑娟;包振东【摘要】由于秦淮河防汛及沿线景观打造要求，为确保运营后船闸频繁运行的安全可靠性并结合西水关船闸的特异性，对西水关船闸进行完善以及提档升级改造是十分必要的，尤其对通航条件及闸室稳定的复核,具有重要的研究意义.文章针对西水关船闸的功能要求及施工条件,提出合理的通船方案，确定闸室的有效长度为28.0m及有效宽度为10.0m,设计最低通航水深5.0m,以保证游船行驶安全.并对其闸首、闸室以及重要建筑物所在地基进行稳定计算分析.结果表明，闸首整体满足抗滑、抗倾、抗浮的要求，闸室整体抗浮也满足设计要求.【期刊名称】《黑龙江水利科技》【年(卷)，期】2018(046)012【总页数】4页(P141-143,153)【关键词】船闸设计;通船方案;闸室设计;稳定计算【作者】陈照;黄淑娟;包振东【作者单位】南京市水利规划设计院股份有限公司，南京210006;南京市水利规划设计院股份有限公司，南京210006;南京市水利规划设计院股份有限公司，南京210006【正文语种】中文【中图分类】U6410引言十里秦淮是南京历史文化名城的人文名片，是我国所有城市中历史文化资源最集中、最丰富、最精彩的一条河流。位于十里秦淮末端的水西门地区（西水关）在南京文化史上占有重要地位，许多文人墨客徜徉于此、钟情于此，流连忘返、梦魂牵绕，吐纳菁华写下流芳百世的名篇佳作，赏心亭、太白酒楼等景观也因此载入中国文学史、文化史而彪炳千秋。针对西水关船闸即将运营的要求并结合两年管养中遇到的相关问题进行了技术研究和探讨，为确保运营后船闸频繁运行的安全可靠性并结合西水关船闸的特异性（一年中只能正常通航7个月），即每年5-9月发挥防汛功能停航，需要对西水关船闸进行完善以及提档升级改造。通过改造，将十里秦淮风光带和外秦淮河风光带连接在一起，丰富水上游览线，进一步提升西水关的文化、旅游和景观。文章通过分析西水关地区的地理条件及现状情况，结合新建水闸的功能需求，提出合理的通船方案，确定闸室的有效长度及有效宽度，设计最低通航水深，以保证游船行驶安全。并对其闸首、闸室以及重要建筑物所在地基进行稳定计算分析，为类似工程设计提供参考依据。1工程概况西水关船闸是〃西水关内秦淮河与秦淮河沟通建设工程”的关键工程。船闸全长约100m，闸室通航净宽10.0m。根据《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》中的船闸分级标准，本工程应为VD级船闸，但其又是南京外秦淮河城市防洪圈的组成部分，南京的城市等别为一等，因此该工程的主要建筑物为1级，次要建筑物和临时性建筑物分别为3级和4级，防洪设计水位为11.08m。船闸位于西水关泵站西北侧、外秦淮河与水西门高架桥之间、船闸上游引航道穿过水西门高架桥与内秦淮河相连。船闸包括上游引航道、上闸首、闸室、下闸首、下游引航道等部分组成，全长约100m(不包括上游引航道停泊段、下游引航道停泊段，上游引航道停泊段设置在水西门高架桥东侧内秦淮河、下游引航道停泊段设置在外秦淮河内)，闸室净宽10.0m。为不影响整体景观，于上闸首南侧布置半地下式配电、控制及管理用房。1.1过闸运量预测2008年开始，南京新一轮城市总体规划开始启动，这关系到南京城市未来10-20a的发展。秦淮河综合整治规划定位有了重大调整：与此前定位为一条〃美丽的河、流动的河、繁华的河”不同的是，南京市从明年起将致力于把秦淮河打造成一条“旅游的河”。西水关船闸为客运船闸，根据秦淮区建设局提供的资料，拟建船闸通过的船只主要为内外秦淮河现有游船画舫，最大外形参数如下：船长14m，船宽4m，吃水深度0.75m，排水量(载重)15t。过闸运量按每天运行12h，日通过约140只游船、每小时通过6只画舫+6只小型游船计算，合计1800t/d计。1.2闸室尺寸设计依据船闸为VD级航道，最大船只为15t级游船，船闸的建设以沟通内外秦淮河、保证挡洪能力为主的原则［1-2］。船闸按单线、单级设计。船闸一次通行的游船为4艘，画舫二艘+其它小型游船二艘，如图1所示。图1西水关船闸过闸游船设计示意图1.2.1闸室有效长度确定文章按《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)第3.1.5条公式：LX=lc+lf(1)式中：LX为闸室有效长度；lc为设计船船队计算长度，按14m+10m=24.0m计;If为富裕长度，取为4m。本船闸为小型游船船闸，船只灵活机动，同时为减少闸室耗水量，进而减少游船过闸时间，考虑游船与闸轴线呈一定角度停泊，故取闸室有效长度为LX=24+4=28.00m。1.2.2闸室有效宽度确定文章按《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)第3.1.8条公式计算：BX=，bc+bf(2)式中：BX为闸室有效宽度；bc为最大船舶宽度。按4.0m计；bf富裕宽度。bf=Ab+0.025(n-1)bco船闸一次通行的游船为4艘，画舫二艘、其它小型游船二艘。，bc=4.0m+4.0m=8.0m;式中：bf为富裕宽度；此当bc<7m时，bf21.0m,故按1.25m计。故bf=1.25+0.025x(2-1)x4=1.35mBX=8.0+1.35=9.35m。因此，为满足平水期船只能够不受闸室宽度影响自由通航，取船闸有效宽度同新开河道宽度为10.0m。1.2.3最低通航水深根据秦淮区建设局提供的资料，拟建船闸通过的船只吃水深度为0.75m。船闸门槛的最小水深［3-4］文章按《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)第3.1.9条公式：计算：式中：H为门槛最小水深；T为设计船舶满载时的最大吃水，m；H>1.6x0.75=1.2mo考虑今后过闸船升级及保留富裕深度，且经调查秦淮河航行游船浆长约为1.0m,故取门槛最小水深取为1.60m。内河(内秦淮河)的控制水位在6.3-6.5m(吴淞标高，下同)之间，河底高程5.00m,水深1.30-1.50m，满足最低水深要求。外秦淮河非汛期正常控制水位：6.0-7.0m，河底高程1.00m，最小水深5.00m,满足最低水深要求。2主要建筑物稳定计算2.1闸首稳定计算闸首采用钢筋混凝土整体式结构，空箱式岸墙。采用短廊道(钢管)输水，对冲消能，闸底板上设0.70米高消力槛。输水廊道断面D1.2m，过水断面净面积1.13m2。正常通航水位时流速为1.67m/s。闸首稳定计算包括：整体抗滑稳定、抗倾稳定、抗浮稳定验算［5-6］。由于本工程闸址处受场地限制，结构整体为轻型箱式结构、且该处受防洪工程的需要设计洪水位较高，造成整体稳定不能满足规范要求，设计采用桩基处理：采用D800钻孔灌注桩地基处理，桩长33m、间排距均为3.0m左右。2.1.1抗滑稳定根据《船闸水工建筑物设计规范》(JTJ307-2001))第3.2.3条，土基船闸的抗滑稳定安全系数按下式确定：(3)式中：KC为土基抗滑稳定安全系数；:IV为作用于结构上全部荷载对滑动面法向投影的总和，kN；IH为作用于结构上全部荷载对滑动面切向投影的总和，kN;中0为结构与土基间的内摩擦角，°,根据地质报告按9.63°计；c0为结构与土基间的黏聚力，kPa，根据地质报告按5.5kPa计；A为结构与地基的接触面积，m2，下闸首A=303.8m2。表1闸首抗滑稳定计算成果表工况水位组合/m抗滑下游上游kC［kC］完建时期11.08无水1.31221.3最高通航水位+地震8.006.305.79261.2挡洪期2.1.2抗倾稳定根据《船闸水工建筑物设计规范》(JTJ307-2001))第3.2.8条，土基船闸的抗倾稳定安全系数按下式确定：⑷式中：K0为土基抗倾稳定安全系数；MR为对计算截面前趾的稳定力矩的总和，kN・m;M0为对计算截面前趾的倾覆力矩的总和，kN・m。表2闸首抗倾稳定计算成果表工况水位组合/m抗倾下游上游K0[k0]完建时期11.08无水3.18672.5最高通航水位+地震8.006.302.47712.3挡洪期11.086.502.32692.32.1.3抗浮稳定根据《船闸水工建筑物设计规范》(JTJ307-2001))第3.2.9条，土基船闸的抗浮稳定安全系数按下式确定：(5)式中：Kf为土基抗浮稳定安全系数为向下垂直力的总和，kN;U为扬压力的总和，kN。2.2闸室及闸首地基稳定计算闸室采用钢筋混凝土“U”型结构，底板4.4m、顶高8.20m，结构宽10.0m、通航净宽10m。底板最大地基应力为80kPa，闸室底板设反滤排水设施。闸室采用钢筋混凝土“U”型结构，为结构、荷载对称结构，故无需验算抗滑、抗倾稳定。表3闸首抗浮稳定计算成果表工况水位组合/m抗浮下游上游K0[k0]完建时期11.08无水5.38071.5最高通航水位+地震8.006.301.98421.4挡洪期2.2.1闸室抗浮稳定闸室结构整体为轻型结构、且该处地下水位受外河(外秦淮河)的影响较高，因此造成整体抗浮不能满足规范要求，设计采用桩基处理：采用D800钻孔灌注桩地基处理，桩长22m、间距为5.0m左右、共3排、共18根。根据《船闸水工建筑物设计规范》(JTJ307-2001))第3.2.9条，抗滑稳定安全系数按下式确定：(6)式中：Kf为土基抗浮稳定安全系数，按本报告第5.1.3条计；V为向下垂直力的总和，kN；U为扬压力的总和，kN。表4闸室抗浮稳定计算成果表工况水位组合/m抗浮下游上游Kf[kf]完建时期11.08无水1.84831.5最高通航水位+地震8.006.301.81201.4挡洪期11.086.501.60511.42.2.2闸首地基反力及地基应力计算闸首建设场区附近无活动性断裂通过，本地属地震少，震级低的地区，从区域地质构造方面分析，属相对稳定区。工程设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。场地为抗震不利地段。场地20m以浅2-1A层粉砂夹粉土经标准贯入试验判别为不液化土层，可不考虑地基土液化问题。场地类别为B类。设计特征周期为0.45S。根据《船闸水工建筑物设计规范》(JTJ307-2001)计算，成果见表5。表5闸首地基反力计算成果表工况水位组合/m地基反力/KPa基底不均匀系数下游上游最大值最小值计算值最大限值完建时期11.08无水143.2920.497.03最高通航水位+地震8.006.3062.5339.831.573正常运行6.506.5088.4988.4913挡洪期11.086.50122.4953.272.303可见土基上的闸首结构未出现拉应力，但地基应力的不均匀性不能满足规范的要求限值，应采取处理措施：采用桩基础处理。3结语从以上计算可见，文章提出的通船方案，闸室的有效长度为28.0m及有效宽度为10.0m，设计最低通航水深5.0m，可保证游船行驶安全。闸首整体满足抗滑、抗倾、抗浮的要求。上闸首结构与工况基本与下闸首同，无挡洪功能，故上闸首验算可参照下闸首。闸室整体抗浮也满足设计要求。同时，本工程是〃西水关内秦淮河与秦淮河沟通建设工程”的关键工程。工程实施后，将以水为媒，把内、夕卜秦淮沿途的几十个景点串点成线。届时游客可以乘坐画舫沿夫子庙一直到三汊河码头，充分感受不同风情、水陆并举的内、夕卜秦淮河的景观，极大提升秦淮河的整体旅游价值。参考文献：【相关文献】［1］ 刘希成，田间，李贵清.水闸设计中关于规范理解与应用的探讨［J］.水利规划与设计,2015(05):14-15,87.［2］ 徐洁,许振东.小型水闸工程设计优化探讨［J