航電樞紐船閘工程設計探討
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摘要：文章以橄欖壩航電樞紐船閘工程的設計實踐為例，對航電樞紐船閘工程設計的關鍵技術(shù)問題展開研究。具體從航電樞紐船閘的總平面布置、閘室和導航墻結(jié)構(gòu)、輸水系統(tǒng)等設計情況進行分析，希望可以為業(yè)內(nèi)同類工程的建設提供實踐經(jīng)驗參考。
關鍵詞：橄欖壩航電樞紐；船閘設計；總平面布置；輸水系統(tǒng)
1工程概況
橄欖壩航電樞紐采用河床式開發(fā)，樞紐建筑物按“一”字型布置，由擋水建筑物、泄水建筑物、電站建筑物及通航建筑物、魚道組成。最大壩高為58m，電站裝機容量為195MW，正常蓄水位時相應庫容約7236萬m3，水庫總庫容為5.17億m3，為Ⅱ等大（2）型工程。該工程處于通航河段，按Ⅴ級航道設計，過壩船舶為2×300t的頂推船隊，300t機駁、500t機駁可單船過壩。
2總平面布置
2.1船閘軸線布置需要考慮的主要因素
船閘軸線布置主要基于以下原則進行：滿足船舶安全通暢地通過船閘所需要的布置尺寸和引航道通航水流條件的要求，有利于減少引航道泥沙淤積，節(jié)省工程投資，便于運行管理和維護[1]。根據(jù)橄欖壩航電樞紐壩址河段地形地質(zhì)條件，布置主要考慮以下三點：（1）航道條件。壩址上下游的主河道較壩軸線處狹窄，且偏于右岸，為保證上下游航道順暢，船閘宜布置在右岸。（2）地形條件。壩址左岸為基巖灘地，如左岸布置船閘，上下游引航道需在灘地開挖形成，為使其上下游引航道口門區(qū)與主河道銜接，引航道線路長，彎道多，再加上左岸風化明顯深于右岸，開挖邊坡范圍廣，工程量大。（3）樞紐總布置。右岸船閘左岸廠房的樞紐布置較為協(xié)調(diào)，泄水建筑物大部分置于右岸主河槽，由于其左右岸分流比基本維持天然狀態(tài)，對河勢改變小，下泄水流較為平順，出流條件好；船閘置于主河槽靠右岸岸坡部位，上下游引航道順直，口門區(qū)位于河床穩(wěn)定部位，與原主河道平順連接，且泥沙不宜淤積，通航條件好；船閘與廠房采用異岸分開設計，具有較好的運行條件，電站發(fā)電運行的尾水不會對船閘下游的引航道口門區(qū)水流條件造成明顯影響。航運是該工程的主要任務，泄洪次之，發(fā)電處于從屬位置的功能要求。根據(jù)上述理由，船閘布置在右岸。在可行性研究第二階段樞紐格局比選階段，船閘靠右岸河槽布置。進入可行性研究第三階段，為解決右岸通航建筑物上游引航道左導航墻位于主河槽嚴重占用泄水通道影響泄水建筑物泄洪的問題，結(jié)合下游引航道1#滑坡體以開挖為主的治理原則，固定壩軸線左壩端點，將其逆時針向下游轉(zhuǎn)3°58′20″；在此基礎上再將船閘壩段壩軸線逆時針向下游轉(zhuǎn)3°30′，船閘軸線與壩軸線斜交，向岸坡靠近，這樣以上問題可以得到較好解決。后由于工程投資太大，又結(jié)合施工導流和通航自身的要求，研究比較了船閘軸線在右岸布置的具體位置及與旋轉(zhuǎn)后壩軸線相交的角度，最后確定船閘軸線與旋轉(zhuǎn)后的壩軸線正交，船閘引航道采用不對稱型式，取消非溢流過渡壩段，船閘在不影響泄流和滿足施工條件的前提下盡量往河中靠。其開挖較少觸及滑坡體，不破壞滑坡體的整體穩(wěn)定性，降低了開挖邊坡高度，節(jié)省了開挖量。
2.2船閘最終布置方案
該項目最終設計為單線單級船閘，船閘布置在樞紐右岸，其中心線與壩軸線的交角為90°，其左與泄洪閘毗鄰。船閘由上游引航道、上閘首、閘室、下閘首、下游引航道等組成，全長943m。具體布置如圖1所示。船閘上閘首在設計上由兩側(cè)邊墩與帷墻構(gòu)成。上閘首為鋼筋混凝土澆筑結(jié)構(gòu)，沿船閘軸線方向有42.5m長，口門寬度為12m。船閘上閘首前段擋水段23m頂部高程為558m，左邊墩寬13m，右邊墩寬17.5m。下游支持段19m頂高程為540.5m，兩側(cè)邊墩對稱于船閘軸線布置，邊墩寬11m；船閘閘室長120m，閘室有效寬度為12m，門檻水深3m。閘室采用整體式結(jié)構(gòu)，邊墻采用重力式混凝土閘墻，閘室墻頂高程為540.50m；閘室底板布設有輸水廊道采用鋼筋混凝土底板，閘底板頂高程520.18m；船閘下閘首沿船閘軸線方向長26m，口門寬12m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，左邊墩寬11m，右邊墩下游增設儲門庫段寬17.7m，其余段寬均為11m，下閘首門頂高程為540.50m、門檻頂高程為520.18m；引航道采用不對稱布置[2]。上游引航道位于壩軸線上游庫區(qū)偏向右岸，左側(cè)靠河床布置重力式曲線主導航墻，右側(cè)靠岸邊布置貼坡式輔助導航墻，主導航墻墻長432m，其中直線導航段為110m，導航墻頂高程為540.5m，墻頂寬2.5m，墻靠引航道內(nèi)側(cè)為豎直面，靠外側(cè)坡比為1∶0.5；輔助導航墻貼坡厚度為1m，貼坡頂高程為540.5m；引航道底高程為507～528m。下游引航道靠岸邊布置輔助導航墻，靠河床布置主導航墻，與上游主導航墻成不對稱型式，導航段長110m，底寬由12m漸擴至40m，下游引航道底高程為513～520m。輔助導航墻為貼坡?lián)鯄?，?m，外側(cè)為重力式擋墻，墻頂寬2.5m，墻頂高程為539.5m，墻背坡比為1∶0.5，下游引航道長323m，供船舶導航和保持引航道內(nèi)水面平穩(wěn)。
3輸水系統(tǒng)
3.1輸水系統(tǒng)設計方案說明
該工程采用閘底長廊道頂縫出水蓋板消能輸水系統(tǒng)，設計水頭為14.64m，輸水時間為551s，閥門開啟時間為480s，流量系數(shù)為0.83，最大流量為89m3/s。輸水閥門尺寸為2.2m×2.0m（寬×高），輸水廊道尺寸為2.2m×2.6m（寬×高）。
3.2兩種設計方案對比說明
按照《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》（JTJ306—2001）中輸水系統(tǒng)選型的判別系數(shù)m計算。該工程船閘m介于2.5～3.5，為3.13，因此輸水系統(tǒng)型式需要經(jīng)論證后確定[3]。為此，對閘底長廊道頂縫出水蓋板消能輸水系統(tǒng)（方案一）和閘墻長廊道閘底橫支廊道頂縫出水蓋板消能輸水系統(tǒng)（方案二）進行了比選，輸水系統(tǒng)布置如圖2所示。類似船閘工程和船閘輸水系統(tǒng)試驗研究表明，方案一和方案二兩種輸水系統(tǒng)在船閘充泄水過程中閘室水面很平穩(wěn)，閘室停泊條件好，充泄水時間短，能夠很好地適應橄欖壩船閘[4]。方案一與方案二相比，方案一主廊道直接布置在閘室底部，孔排間距為2.5m，并直接在主廊道頂設置排水縫，排水縫的個數(shù)多，分布均勻；方案二相鄰出水支廊道的間距為4.5m，其分布密度較方案一稀，出水的均勻性不如方案一。方案二主廊道布置在閘墻墻內(nèi)，水流通過橫支管進入閘室，再經(jīng)過橫支管頂部的出水孔進入閘室。方案二水流進入閘室的廊道長度較方案一長，其斷面突變次數(shù)較方案一多，因此相同廊道斷面條件下，方案二的廊道阻力必然較方案一大，流量系數(shù)較方案一小，充水時間較方案一長。由于方案一出水縫分布較密，與方案二相比懸移質(zhì)泥沙更不易在在閘室的出水段淤積；另外，方案二主廊道布置在閘墻內(nèi)，在閘室中布設橫支廊道，為滿足閘墻的自身穩(wěn)定性，需要加大閘墻斷面尺寸，增加閘墻的斷面面積；而方案二廊道長度較方案一長，其鋼筋用量也較方案一多。通過比較，推薦采用方案一，即閘底長廊道頂縫出水的輸水系統(tǒng)。
4結(jié)束語
經(jīng)過模型試驗驗證，該航電樞紐船閘的工程設計方案可行。同時，委托南京水利科學研究院對該工程船閘的平面布置方案做了水力學模型試驗；委托重慶西南水運工程科學研究所對船閘的輸水系統(tǒng)做了水力學模型試驗。通過模型試驗分析，讓整個項目從整體設計上更趨完善，為工程的順利建設和通航打下了堅實的基礎。
參考文獻：
[1]李怡芬,楊雙超,黨勇.貴州省航電樞紐工程設計中幾個關鍵技術(shù)問題的認識與總結(jié)[J].珠江水運,2018(16):108-111.
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作者：畢靜 李玲云 單位：中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司