基于实例的大型复杂船闸设计体会

王新珂

（安徽省水利水电勘测设计院 安徽 合肥 230088）

基于实例的大型复杂船闸设计体会

王新珂

（安徽省水利水电勘测设计院 安徽 合肥 230088）

不同的船闸在设计过程会有不同的设计难点，在船闸设计过程中，合理的设计思路、方案是设计成败的关键。本文谨以裕溪船闸为例，通过裕溪船闸设计过程中的一些技术特点，反应船闸设计过程需要注意的问题，以供参考。

裕溪船闸；多方案；软基；深基坑

近年来，随着社会经济的发展的需要，内河航运得到越来越多的重视，相应航道上新建扩建船闸数量也在日益增加，其设计施工相关问题也逐渐得到广泛的关注。本文以安徽省长江口裕溪船闸为例，探讨下在船闸设计过程中遇到的相关技术位问题。

1　基本情况

裕溪船闸位于安徽省裕溪河入长江口处，是合裕航道上巢湖与长江的重要航运枢纽。裕溪闸扩建船闸闸室尺度200m×23m× 4.5m（长×宽×门槛水深），船闸设计船舶吨级为1000吨级，是安徽省迄今为止已建成使用的闸室尺度最大的Ⅲ级船闸之一。

2　裕溪船闸设计特点

2.1多方面综合比选的闸址选择

裕溪扩建船闸闸址建筑物多，场地地形地质条件复杂，工程难度大。综合防洪、航运、交通等多方面要求，通过方案比选，合理确定工程总体布置方案。

裕溪闸枢纽工程包括节制闸、船闸及跨闸公路桥组成，节制闸位于主河道内，现有船闸位于节制闸西侧，船闸中心距节制闸中心约180m。节制闸东边为老河道，宽约180m。枢纽位于无为大堤上，无为大堤沿节制闸延伸至下游河道两侧。根据现状地形条件，选定两个闸址进行方案比较。闸址一：位于现有船闸西面，与现有船闸平行布置，船闸中心距老船闸中心60m。新、老船闸之间上下游处设置导航墩。为满足船闸布置，下游侧无为大堤需向后退建，退建长约850m，上游裕溪河大堤退建长690m。闸址二：位于节制闸东面，下闸首布置于拦河坝上，闸室布置于上游侧。为满足引航道布置要求，下游无为大堤需局部栽弯取直，影响长度约500m。

两闸址在总体布置上均受到地形限制，具有一定的局限性，引航道直线段均较短。闸址一需大量征地与移民，施工期需断航，不仅经济损失大，而且严重影响当地经济发展，工程实施难度较大；闸址二航道开挖量较大，闸上公路桥长，投资较大。综合考虑，推荐闸址二作为船闸闸址，即在节制闸东侧布置新船闸。

2.2多方案结合的软基处理

闸址地基为淤泥质土地基强度60～100kPa，灵敏度高，深度大于30m，根据船闸不同部位结构特点及地基强度要求，经不同处理方案比较，针对各部分建筑物功能、受力特点及对沉降控制要求不同等情况，分部位确定地基处理方案，做到技术先进、经济合理。闸室及上下游翼墙部分对沉降要求不敏感，采用了常规的水泥搅拌桩、钉型双向搅拌桩进行处理，在对上下闸首，因闸门的运行要求精度高，沉降控制严格，因此采用钻孔灌注桩基础，减少地基的沉降，确保船闸运行安全。

2.3大跨度、复杂门型的闸首结构设计

船闸闸首布置的设备多、受力状态复杂，闸首边墩挡土较高达到16m，土压力大，增加了结构设计的难度。通过多方案比较，船闸闸首选择整体式结构、筏式底板，由于采用三角门型，上下游侧采用空箱边墩，左右两侧采用单墩墩墙。在设计中，考虑到闸首受力属于空间状态，其断面也因闸首上的设备如闸门门库、输水廊道、消能设备等而发生变化，因此闸首计算时先将其厚度、跨度及荷载条件等划分为三个特征段，再按平面问题进行分段计算，最后将各段所得的内力进行调整。采用Ansys软件对闸首、闸室整体结构受力进行有限元分析，复核结构内力和配筋。为有效减小温度、边载对闸首手力产生不利影响，在底板、侧墙等结构上采用预留后浇带，提前释放应力，保证结构安全。

2.4新型U型大跨度结构导航墙结构

由于地基软弱，常规扶臂式翼墙抗滑及承载力难以满足，且挡墙底板与公路桥桥墩在布置上重合交叉，施工时相互影响。为解决上述问题，导航墙采用整体式U型结构，地基应力大大减小，且由于对称结构，很好的解决了普通翼墙在淤泥土上的位移问题，避免了对相邻桥墩的影响，且节省投资。U型结构最大净跨30.5m，设计在底板设置多道后浇带，减少大跨度底板结构内力。

2.5深基坑边坡综合防护

裕溪船闸基坑深度16～20m，左侧临裕溪河，水位高于基坑底约13m以上，基坑左侧距离节制闸不足60m，且基坑边坡上林立已建成高架桥桥墩，加之土质成流塑状，施工条件相当恶劣，边坡蠕动及易对老节制闸及高架桥墩造成严重影响。为解决上述难点，针对不同分段分别采取不同的基坑开挖处理措施。对上游段，场地相对开阔，为了减小基坑开挖深度，充分利用现有地形进行卸载；在开挖的坡面采用高压旋喷桩对土体进行固化，提高土体强度，减小土体蠕变；为减小卸载对裕溪河堤的安全影响，在边坡上布置钢板桩进行支护。下游段施工场地局促，开挖后对节制闸及大堤影响大，为保证基坑及周边建筑物的安全，采用水泥搅拌桩进行坡面固化处理，同时在边坡2.2m和8.5m高程处布置两排钢筋混凝土钻孔灌注桩进行支护，桩顶用1m高的冠梁（板）连接，在基坑开挖成形后，对坡面进行喷混凝土或其它防护措施进行防护，防止雨水的入侵，同时在坡顶和坡面布置纵横排水沟及排水管，及时排除雨水和坡内积水。通过以上措施有力保障了工程安全施工及周边建筑物安全。

2.6使用新材料处理闸室混凝土表面

由于船闸闸首及闸室跨度大，结构厚度大，为减小混凝土表面裂缝，延长工程寿命，设计中采用了新型XYPEX（赛柏斯）防水材料作老化防护处理。XYPEX材料施工方法简单、省工、省时，是一种水泥基渗透结晶型防水材料，具有能长期耐受强水压，对0.4mm以下的裂缝有自我修复功能、耐高低温、增强混凝土耐久性等特点。在闸室及闸首临水侧混凝土表面涂刷赛柏斯后形成一道致密的防水层，提高了混凝土抗碳化、抗冻性、抗渗性等耐久性，有效保护了混凝土和钢筋，较好地延长工程寿命。

2.7采用双层立体排水系统减小闸室地下水渗透压力

船闸下闸首位于无为大堤上，为保证防洪安全，不仅要做好防渗又要做好排水。在船闸下闸首无为大堤部位需做好防渗设计，防渗范围以外内河侧的闸室及上闸首等部位需做好排水设计。为加强排水效果，船闸闸室底板下及边墙两侧布置水平及垂直粗砂排水体，在边墙后布置两排水平排水体与墙后垂直排水体相连，水平排水体内布置双层排水管，连接至排水井中，有效地降低闸室渗透压力。

2.8网架结构非对称“K”型结构三角闸门设计、自动锁定结构及防污设置

裕溪船闸闸首净宽23m，三角闸门曲率半径为12.225m，下闸首三角门高约15m，单扇闸门重约190t，为国内已投入运行最大的三角闸门。由于门体较高，采用球形节点连接的空间网架结构，不仅减小了闸门自重，而且结构受力更加合理；为减小底枢承受的压力，均匀分配顶底枢荷载，闸门空间网架采用不对称“K”型布置，合理地将水压力分配给顶枢和底枢，降低了对土建结构的要求，有效降低工程造价。

裕溪船闸位于裕溪河长江入口处，三角闸门不仅为船闸通航口门，同时肩负一级江堤防洪重任。为防止门前发生横向水流运动时，闸门将可能发生漂移，自动开启，直接威胁到江堤的防洪安全，设计中在闸门顶部布置了自动锁定机构，防洪期闸门关闭时，锁定机构自动闭锁，有效地防止了闸门漂移。

三角闸门防撞板与闸室边墙之间有约2.0m自由空间，船闸运行时水生植物会随着水流进入闸室门库，滞留在门库内的水生植物繁殖迅速，堵塞了三角闸门的运动空间，严重威胁闸门的正常启闭，设计上采用铰性连接的自浮式拦污隔栅，有效地阻止各种水位条件下水生植物进入门库，确保了闸门安全运行。

2.9工程管理与运行控制现代化

裕溪船闸采用分层分布式计算机控制系统实现高性能船闸综合自动化，第一层为现地控制层，由PLC采集现场设备运行信号，从而对现场设备进行实时控制；自动化控制系统的应用，其强大的闭锁等功能，防止了人为造成的操作错误或不当操作，保护了设备的安全，避免了对过往船只安全的影响。第二层为集中监控层，由操作员站、通信工作站、通航指挥信号设备、通航广播指挥设备和工业电视设备等组成。

裕溪船闸采用的自动化控制系统结构清晰，集成度高，较简洁的配置实现了更多的功能模块，相对于其他船闸控制系统节省了投资，自动化控制系统的采用提高了船闸的通过率、利用率，产生显著经济效益。

3　结语

不同的船闸在设计过程会有不同的设计难点，本文通过裕溪船闸的设计特点，映射一些船闸设计的关键问题。在船闸设计过程中，首先要明确船闸周围地形地质条件及周围建筑物等，通过综合比选确定合理的闸址布置；通过水文、航道、地形条件确定船闸等级、总体布置及具体结构设计；针对不同地质条件需要做不同的基础处理方案及基坑开挖方案，合理安排工程工期。此外船闸船闸闸门型式，自动化及船闸的管理设施等也是船闸设计的关键。

[1]王作高，主编.船闸设计.水利水电出版社，1992，10.

[2]王世夏，编著.水工设计的理论和方法.中国水利水电出版社，2000，7.

U641.2

A

1673-0038（2015）36-0339-02

2015-8-19

王新珂（1983-），男，工程师，主要从事水工结构设计工作。