穆 森，吴志龙

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

1 工程概况

界牌航电枢纽位于鹰潭市城区下游12.5 km处的信江干流，是一座以航运为主，结合发电、灌溉等综合利用工程。原枢纽自右岸至左岸依次布置Ⅲ级船闸1座、右支12孔泄水闸1座、溢流坝及挡水坝各1座、左支8孔泄水闸1座、左岸水电站1座以及过坝公路等建筑物[1]，见图1。

图1 界牌枢纽布置

信江为国家规划的内河高等级航道，界牌航电枢纽所属航段规划为三级航道。自2002年运营以来，由于库区淹没损失等因素，枢纽正常蓄水位比设计正常蓄水位低2 m，导致枢纽船闸达不到三级通航的要求，且电站无法按照设计工况运行，效率低下。因此，界牌航电枢纽亟需进行改造。

2 船闸平面布置与优化

2.1 船闸平面布置

界牌枢纽改建工程包括改建1座Ⅲ级船闸、增设1座电站和1条鱼道，对原电站、泄水闸金属结构、启闭机械及大坝安全监测改造等。改建后的枢纽能够满足航运、发电及灌溉等要求。其中，船闸在原有闸址上改建，其中心线较原船闸轴线向河侧偏移22.7 m，上闸首与原船闸上闸首齐平，为枢纽挡水建筑物的组成部分。船闸等级为Ⅲ级，有效尺度为180 m×23 m×4.5 m(长×宽×门槛水深)，采用曲线进闸、直线出闸的过闸方式。船闸上、下游导航调顺段长162 m(水平投影长度)，是斜率为1/6的直线。停泊段长240 m，布置在河侧。口门段设180 m长分水墙，保证引航道内流速满足船舶航行要求。坝顶交通桥从上闸首上游跨过，连接坝顶与右岸交通(图2)。

图2 改建船闸布置初步方案(单位：m)

由于枢纽船闸改造工程引航道口门区及连接段与主流存在一定夹角，因此其通航水流条件应加以重点研究。为了解决通航建筑物在枢纽中的平面布置，确保船舶在引航道口门区连接段的航运安全，确保工程设计的经济、结构的安全合理，需要通过模型试验验证船闸改造工程整体布置方案的合理性，并通过比较提供优化的枢纽建筑物布置方案。

考虑到界牌船闸靠河道右岸布置，下游引航道与界牌洲右侧河道顺接，整体较为平顺，因此在试验中开展了自停泊段至口门区不设置混凝土挂板的初步方案研究[2]。上下游导航墙、停泊段及分水墙布置同图2。

根据实际调度情况，确定的试验研究工况见表1。

表1 船闸引航道口门区通航水流条件试验工况

初步方案试验结果显示，在船闸引航道停泊段和口门区不设混凝土挂板时，河道水流可直接流过靠船墩与分水墙，在上游下泄小流量工况(T1-S～T5-S)下，船闸上下游引航道口门区水流条件均较好，各流速指标均能够满足规范要求；在大流量工况(T6-S～T8-S)下，水流在引航道停泊段出现明显流向偏转，在靠近河道侧的一定范围内区域出现横流超标现象(横向流速限值0.3 m/s，纵向流速限值2 m/s)[3]，对船舶停靠带来不利影响。初步方案的船闸上、下游引航道口门区典型水流流速分布见图3、4。

图3 初步方案大流量工况下船闸上游引航道口门区典型水流流速分布(流速：ms)

图4 初步方案大流量工况下船闸下游引航道口门区典型水流流速分布(流速：ms)

2.2 引航道布置优化

为改善引航道口门区水流条件，并考虑降低分水墙端部以外航道内斜向水流强度，在引航道停泊段及分水墙段采用挂板封闭引航道，其中停泊段完全封闭，分水段半封闭(即挂板底部透空)。经过多种方案比选，最终采用的优化方案为：上游分水墙总长140 m，挂板底高程均为20.5 m；下游分水墙总长140 m，分水墙上游前3个挂板底高程为13.3 m，第4、5个挂板底高程均为14.3 m，第6、7个挂板底高程均为15 m。推荐船闸布置方案见图5，分水墙挂板形式见图6。

图5 推荐船闸布置方案(单位：m)

图6 分水墙挂板布置形式(单位：m)

根据试验结果，优化后船闸上游引航道口门区水流流态相对较好，各工况下引航道停泊段水流平稳；当来流量达到或超过5 a一遇洪水时，上游引航道口门区存在局部横向流速超标区域，但超标范围小于1/4航道宽度，基本能够满足船舶航行要求；下游引航道口门区水流流速指标基本能够满足规范要求，但在下游航道连接段(距口门区分水墙末端150 m以下部分航道)存在局部横向流速较大区域，占1/5～1/4航道宽度，须提醒船舶尽量靠岸边行驶，确保航行安全。改善方案的船闸上、下游引航道口门区典型水流流速分布见图7、8。

图7 改善方案大流量工况下船闸上游引航道口门区典型水流流速分布(流速：ms)

图8 改善方案大流量工况下船闸下游引航道口门区典型水流流速分布(流速：ms)

3 引航道结构优化

3.1 问题

根据原地质勘查报告，下游主导航墙建基面位于弱风化基岩上，岩体的容许承载力为0.8～1.0 MPa，抗剪摩擦系数为0.3～0.4。钻孔揭示靠船墩侧约140 m(即4#～17#主导航墙)导航墙的岩面高程为19.0～24.9 m，岩面较下游引航道底高程13.3 m高很多。原设计中此段主导航墙采用混合式结构(上部重力式+下部衬砌式)，上部重力式结构采用梯形断面，顶高程31.3 m，底高程19.0～24.9 m，顶宽2.0 m，底宽7.9～9.5 m；下部衬砌式结构顶高程19.0～24.9 m，底高程11.8 m，前趾埋入引航道底高程下1.5 m，前趾宽度2.0 m。通过计算，下游主导航墙最大基底应力为0.7 MPa，在基岩的允许承载力范围内，同时整体稳定性验算也满足《船闸水工建筑物设计规范》[4]的要求。原下游4#～17#导航墙典型断面见图9。

图9 原下游4#～17#导航墙典型断面(高程：m；尺寸：mm。下同)

在工程实施过程中，待下游主导航墙基坑开挖后，发现4#～11#结构段岩石存在发育裂隙，原设计中采用的锚杆在施工中会进一步破坏岩石完整性；12#～17#结构段原建基面位置存在较大的人工采石区及淤泥区。因此原混合式结构不再适用。

3.2 优化方案比选

3.2.1重力式结构(方案1)

墙身为梯形重力式结构，顶高程31.3 m，底板底高程11.8 m，挡墙顶宽2.0 m，底板宽度12.0 m，底板厚度1.5 m。结构形式见图10。通过计算得知，该整体式结构方案的整体稳定性验算满足《船闸水工建筑物设计规范》要求，该方案投资增加约277万元。

图10 方案1断面

3.2.2重力墩+挂板结构(方案2)

导航(靠船)墩中心间距20.0 m，两墩之间采用预制混凝土挂板连接。导航墩顶尺寸为4 m×3.5 m(长×宽)，底板尺寸为17 m×8 m×3 m(长×宽×厚)；挂板厚2.0 m。结构形式见图11。

图11 方案2断面

通过计算得知，该整体式结构方案的整体稳定性验算满足《船闸水工建筑物设计规范》要求，该方案投资增加约181万元。

3.3 方案对比及推荐方案

方案1的抗船舶撞击能力强，且施工简单，增加投资较高。方案2投资比方案1少96万元，但对原方案改动较大，且抗船舶撞击力较弱，安全性稍差；同时墩身、挂板的钢筋用量远大于方案1，施工复杂，所需工期较长，不能满足紧迫的工期要求。因此，推荐界牌枢纽船闸改建工程下游4#～17#主导航墙结构由混合式结构调整为重力式结构。

4 结语

1)通过在靠船段增设挂板，引航道形成封闭区域，有效解决了引航道导航调顺段横流超标的问题，在此基础上通过试验调整优化了分水墙长度及分水墙段挂板高程。

2)通过对两套方案的综合比选，解决了由于地质条件突变引起的引航道原设计方案不适用的问题，确定突变影响范围内的导航墙采用重力式结构代替原设计的混合式结构。