复线船闸工程航道通航条件影响评价重点

刘 磊， 原贺军

(安徽省交通勘察设计院有限公司,安徽 合肥 230011)

0 引 言

蜀山船闸是引江济淮工程江淮沟通段蜀山泵站枢纽的主要建筑物之一，如图1所示，位于提水泵站南侧，根据引江济淮工程初步设计及批复，蜀山船闸规划建设双线船闸，分期建成，先建一线并为二线船闸建设预留条件。已开工建设的一线船闸规模为280 m×23 m×5.2 m(闸室长×口门宽×槛上水深，下同)，正在建设，一线船闸建成后，通过能力不满足各水平年运量需求。蜀山复线船闸的建设将解决现有通航瓶颈，实现航道畅通，带动地区社会经济发展。

图1 项目位置示意图

考虑项目对航道的影响，引江济淮蜀山复线船闸工程航道通航条件影响评价重点为以下四点。

1 通航建筑物形式、规模

1.1 通航建筑物级别、级数

蜀山复线船闸按Ⅱ级船闸设计，设计最大船舶吨级为2 000 t。根据《安徽省干线航道网规划(2018-2030年)》，引江济淮江淮沟通段航道规划为Ⅱ级航道。综合考虑航道规划及正在建设的引江济淮工程建设标准，评价认为蜀山复线船闸通航标准合理。

根据《船闸总体设计规范》船闸级数可按下列情况确定：水头<30 m，采用单级船闸；水头30～40 m，采用单级或两级船闸；水头>40 m，采用两级或多级船闸。拟建蜀山复线船闸最大设计水头17.26 m，采用单级船闸，符合相关规范、标准要求，如图2所示。

图2 蜀山复线船闸总体布置图

1.2 船闸有效尺度

1.2.1 门槛水深H

门槛水深H的计算公式如下：

式中：T为设计船舶、船队满载时的最大吃水。按照代表船型中2 000吨级货船的设计吃水3.2 m，H≥1.6T=5.12 m。

评价认为蜀山复线船闸设计门槛水深5.6 m满足2000吨级设计代表船型吃水要求，且兼顾了船舶大型化的需求。结合上下游近年来拟建船闸的门槛水深实际情况，5.6 m门槛水深满足通航要求。

1.2.2 船闸闸室平面尺度

蜀山一线船闸已经为复线船闸预留了位置并创造了建设条件，永久征地、上下游引航道、一、二线闸之间的大部分主导航墙均由在建的一线船闸实施，因此复线船闸闸室有效长度与在建的一线船闸一致，确定为280 m。

闸室宽度计算，船舶宽度为10.8、11.0 m时，两列停泊Bx计算值为23.07～23.475 m，23 m宽闸室基本能两列停泊，3列停泊Bx计算值为34.14～34.75 m，34 m宽闸室基本能停泊三列；船舶宽度为13.8 m时，2列停泊Bx计算值为26.145～29.145 m，23 m宽闸室只能1列停泊，34 m宽闸室能够停泊两列。因此从设计船型及船队在闸室的排列布置来看，闸室宽度23 m、34 m均可行，《引江济淮蜀山复线船闸工程可行性研究报告》初步拟定2种闸室尺度进行方案比选，分别为280 m×23 m×5.6 m(方案一)和280 m×34 m×5.6 m(方案二)。

评价认为方案二虽然工程量及投资略大于方案一，但通过能力更强，方案二的船闸通过能力可以满足2050年单向货运量的需求，符合《内河通航标准》中关于“船闸通过能力应满足设计水平年内各期的客货运量和船舶过闸量要求”。考虑到蜀山船闸建设场地没有较为理想的三线船闸预留场地空间，因此评价认为蜀山复线船闸的尺度选取280 m×34 m×5.6 m(方案二)较为合理，对通航较为有利。

表1 蜀山复线船闸通过能力计算汇总表(单位:万t)

综上，拟建蜀山复线船闸建成后，双线船闸能够满足设计水平年内过闸船舶数量、总吨位数、客货运输量过闸的通过能力等要求，且预留有较大富余值。通航建筑物形式和规模是可行的。

2 枢纽总平面布置

2.1 引航道布置评价

蜀山复线船闸工程上游导航、调顺段为261.5 m，下游导航、调顺段为223.1 m，上下游靠船段均为390 m。则上游引航道直线段总长为L=261.5+390=651.5 m，下游引航道直线段总长为L=223.1+390=613.1 m，均大于根据《船闸总体设计规范》计算的引航道直线段总长度要求，满足相关规范要求；引航道宽度B0=65 m>62.1 m，最小弯曲半径设计取值为767.5 m>540 m，满足规范要求；设计水深取值4.8m ，上、下游引航道底高程分别为12.6 m和1.0 m，满足设计代表船型要求。

上游引航道直线段末端以767.5 m弯曲半径转弯6°后变为直线，汇入上游主航道。下游引航道经过口门区后以540 m弯曲半径转弯60°后，汇入下游主航道。上、下游引航道与主河道交角均为25°，衔接顺畅。引航道与主航道衔接良好，引航道布置合理。

2.2 口门区回淤

引江济淮工程蜀山泵站枢纽水工整体模型试验测量了设计输水位(泵站单独运行)及侧向泄水涵泄洪时(10年一遇洪水及20年一遇洪水)三种运行工况下枢纽及河道整体流速场。从试验结果来看，各试验工况下平行于航线的最大流速为0.33～0.80 m/s，沿程断面流速分布较均匀。总体来看，枢纽及上下游河道水流较顺直，口门区不会有明显的回淤。

3 通航水位

拟建蜀山复线船闸上下游设计通航水位与一线船闸已批复的水位一致，闸上、闸下设计最高通航水位分别为23.86 m、12.7 m(20年一遇洪水重现期水位)；闸上、闸下设计最低通航水位分别为17.4 m、5.8 m(98%年保证率水位)。

拟建蜀山复线船闸上下游设计通航水位符合《内河通航标准》要求，与上下游梯级通航水位能够衔接，取值合理。

4 通航水流条件

4.1 口门区及连接段水流条件

采用物理模型试验的研究方式，对蜀山船闸在等各运行工况的最大输水流量(船闸输水非恒定流过程的最大输水量)进行恒定流试验，并测量了流速场。其中，泵站运行对引航道与口门区通航条件影响较大。

设计输水位蜀山船闸(最大设计输水恒定流量259 m3/s)与泵站(340 m3/s)同时运行时，上游口门区平行航线的纵向流速小于0.785 m/s，满足规范要求；上游口门区垂直航线的横向流速基本小于0.3 m/s。但上游分隔堤裹头附近有限的局部范围有大于0.3 m/s横向流出现(口门区测速断面：U9仅两点横向流速为0.316、0.363 m/s，略超过规范要求的0.3 m/s；U10有六点流速为0.315、0.365、0.459、0.506、0.497、0.513 m/s,超过规范要求的0.3 m/s，但仅限于有限局部范围，距分隔堤裹头仅约5.3 m；U11断面有一点流速为0.325 m/s，略超过规范要求)。因此，设计输水位船闸与泵站同时运行时，船舶航行必须注意邻近分隔堤裹头局部小范围内，横向流速略大于规范要求值。下游口门区平行航线的纵向流速小于1.148 m/s，满足规范要求；下游口门区垂直航线的横向流速小于0.3 m/s，满足规范要求。

图3 上游口门区流速场(设计输水位船闸+泵站同时运行)

蜀山船闸上游口门区在大多数运行工况下整体水流流场结构较为平顺，水流横向流速与纵向流速基本满足规范要求。而当船闸与泵站同时运行时，在隔流堤裹头位置会产生局部小范围横向流速略有超标的现象，但分布范围较小，同时考虑以下因素：

(1)船闸输水过程实际上为非恒定流过程，试验为方便模拟，取最大瞬时输水流量按恒定流进行模型试验，试验结果有一定的安全裕量。

(2)横向流速测点大部分满足规范值，超标测点仅为局部小范围且距裹头较近。

(3)由于蜀山枢纽上下游均为人工渠道，渠道比较顺直、规整，船舶具有良好的可操控性能，可以通过在隔流堤裹头位置设置导、助航设施，提醒船舶谨慎驾驶，勿靠近裹头行驶，安全通过。

综上，认为蜀山船闸口门区的水流条件能够满足工程运行要求。

4.2 引航道通航水流条件

设计单位针对蜀山一、二线船闸单独运行和双线同时运行等不同充、泄水工况，开展了较为全面的引航道通航水流条件模拟试验研究。

当两线船闸同时充水时，上游最低通航水位时引航道内会出现大范围纵向水流流速超标现象，最大水流流速约1.07 m/s，不能满足规范要求；当两线船闸错时5 min充水(一线船闸开始充水5 min后，复线船闸开始充水)，引航道内纵向水流流速指标基本能控制在0.8 m/s以内，但靠船墩附近水流流速仍略偏大(0.6～0.7 m/s)，在实际工程运行时应进一步加大错时时间，尽量避免双线船闸充水过程有所交叉。当复线船闸充水运行时，在两线船闸引航道导航墙堤头与第一个靠船墩之间会出现局部小范围横向流速超标现象，实测各工况最大横向流速约0.43 m/s。

综上分析，蜀山复线船闸上、下游引航道在推荐的船闸输水运行方式下水流条件相对较好，仅个别工况、局部区域的流速指标略超过规范要求，且范围较小，可认为引航道水流条件基本能够满足工程运行要求；但从工程安全角度出发，建议在船闸运行初期加强原型观测与调试，确保船舶安全通航。

根据上述物理模型试验研究成果，设计单位对靠船墩布置进行了优化，在引航道上游侧增设了一个靠船墩。并通过在第一个靠船墩上不设置靠船设施，使第一个靠船墩与导航墙之间的过水孔不停靠船舶，以保证船舶的通航安全。

5 结束语

复线船闸工程航道通航条件影响评价应在分析通航环境、航道、水利等相关规划、河床演变的基础上，依据规范对工程选址方案、总平面布置、通航建筑物规模、通航水位、对上下游跨河建筑物净空尺度影响、水流条件、施工期通航方案等进行论证，提出论证结论。其中应重点分析通航建筑物规模、总平面布置、通航水位及水流条件。