雙線船閘常用的閘軸線確定方法分析

李社平，劉江林

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430071）

引言

近年來我國內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展迅猛，2015 年～2020年等級航道里程和貨運(yùn)量增幅明顯，其中Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級航道里程分別增加37.21 %、17.05 %、25.95 %；2015 年～2019 年內(nèi)河貨運(yùn)量和貨物周轉(zhuǎn)量分別增長13.13 %、22.46 %。[1]

貨運(yùn)量的高速增長與通航建筑物通過能力受限之間的矛盾日益突出，水運(yùn)貨運(yùn)量超過原有預(yù)測值，如2021 年末長洲樞紐船閘全年累計過貨量突破1.52 億t，同比增長3.96 %；2021 年三峽樞紐航運(yùn)通過量達(dá)15 058 萬t，同比增長9.29 %。對現(xiàn)有通航建筑物進(jìn)行擴(kuò)能升級是提高貨運(yùn)通過能力的重要方式[2]。樞紐在改建或擴(kuò)建二（三）線船閘中，因未預(yù)留、示意性預(yù)留或預(yù)留改擴(kuò)建空間不足，導(dǎo)致改擴(kuò)建船閘難以布置。

船閘閘軸線的合理選取，對工程投資、設(shè)計方案、施工方案至關(guān)重要。一方面，改擴(kuò)建船閘工程具有與已有建構(gòu)筑物之間關(guān)系復(fù)雜、水流條件差、場地受限等諸多難點；另一方面，我國目前建成的具有通航功能的船閘約1 000 余座，在其改擴(kuò)建過程中，對兩閘閘軸線距離的研究積累了豐富的經(jīng)驗。總結(jié)兩閘閘軸線距離確定的技術(shù)線路，可指導(dǎo)復(fù)線船閘的設(shè)計，也可為新建船閘中預(yù)留二（三）線船閘工程提供借鑒。

1 設(shè)計規(guī)范

《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001)》（以下簡稱《規(guī)范》）中對閘址的相關(guān)規(guī)定如下：“選擇閘址應(yīng)考慮下列因素：

1）船閘與已建和擬建的永久水工建筑物、跨河建筑物、鐵路、公路、碼頭等的相互影響；

2）樞紐下泄水流對船閘通航條件的影響；

3）泥沙淤積對船閘通航條件的影響。”[3]

《規(guī)范》對擴(kuò)建船閘的閘軸線相關(guān)規(guī)定如下：“新建第二線或第三線船閘時，其船閘閘軸線與已有船閘閘軸線應(yīng)有足夠距離；保證引航道口門區(qū)與主航道平順連接；新建船閘的施工不應(yīng)影響已有船閘建筑物安全和運(yùn)行?！?/p>

規(guī)范對閘址選擇、兩閘閘軸線距離的確定僅做了原則性的規(guī)定，即綜合考慮“與已建、擬建建筑物的關(guān)系”、“水流條件”、“泥沙淤積”、“引航道銜接”和“施工不影響已有船閘安全運(yùn)行”5 個因素，而未給出確定兩閘閘軸線距離的具體技術(shù)路線或方法。

2 方法分析

我國船閘數(shù)量眾多，在改擴(kuò)建船閘工程中對總平面布置的研究積累了豐富的經(jīng)驗，主要包括閘位的選擇和兩閘閘軸線距離的確定2 個方面。兩閘閘軸線距離的確定方法，大概可以分為以下四種。

2.1 原則論述

“原則論述”主要結(jié)合規(guī)范對閘位布置或閘軸線距離確定的原則，對工程主要邊界條件或現(xiàn)場控制性因素進(jìn)行概述，進(jìn)而提出不同的兩閘閘軸線距離方案，再進(jìn)行多因素或控制性因素的綜合比選，最終確定閘軸線距離。該方法主要技術(shù)路線為：原則論述——提出閘軸線距離——綜合比選。

張輝等[4]在飛來峽水利樞紐新建船閘平面布置方案的研究中，概述了船閘的平面布置原則，論述了飛來峽水利樞紐新建船閘平面布置的5 個制約因素：“空間限制”、“通航水流條件限制”、“已有建筑物及田地限制”、“施工期一線船閘安全及運(yùn)營限制”、“飛來峽水利樞紐防洪安全限制”，提出了3個（不同的兩閘閘軸線距離）平面布置方案。再通過“通航水流條件”、“防洪影響”、“施工條件”、“征地拆遷”、“工程投資”五個方面進(jìn)行綜合比選。

鄒開明[5]在湘江大源渡樞紐、西江桂平和貴港樞紐二線船閘的平面布置研究中，介紹了船閘平面布置的原則，針對設(shè)計提供的不同兩閘閘軸線距離方案，從水流條件角度開展了物理模型試驗研究，對比了兩閘閘軸線距離分別為80 m、90 m、110 m方案的上下游口門區(qū)通航水流條件；介紹了湘江大源渡樞紐、西江航運(yùn)干線桂平和貴港航運(yùn)樞紐二線船閘工程的平面布置；得到了“二線船閘閘軸線與一線船閘閘軸線應(yīng)盡量平行布置”、“兩閘閘軸線在滿足航道寬度要求和施工安全的前提下應(yīng)盡量減??；引航道應(yīng)盡量向一線船閘側(cè)拓寬”的結(jié)論。

“原則論述”應(yīng)用案例較多，如清遠(yuǎn)新建二線船閘[6]、紅花樞紐平面布置方案[7]、長洲樞紐三四線船閘[8]、臨淮崗復(fù)線船閘等[9]，提出的兩閘閘軸線距離存在較大的主觀因素，適合在前期論證工作中采用。

2.2 斷面分析

“斷面分析”主要對基坑開挖的斷面進(jìn)行分析，根據(jù)不同斷面開挖或半開挖半支護(hù)方案的需要，擬定兩閘閘軸線距離的數(shù)值或范圍，在此基礎(chǔ)上提出不同的閘軸線距離方案，再進(jìn)行綜合比選論證、確定最優(yōu)的閘軸線距離。該方法主要技術(shù)路線為：選取斷面——斷面尺度分析——選定多個閘軸線距離——綜合比選。

田利勇[10]在對大治河西樞紐二線船閘工程總體布置研究中，分閘首段、閘室段、外引航道、內(nèi)引航道4 個部位，分別計算了基坑開挖安全影響范圍、船閘駁岸邊緣與基坑開挖面距離、節(jié)制閘堤防寬度、船閘駁岸與節(jié)制閘距離，得到兩閘閘軸線（二線船閘與節(jié)制閘）的合理距離，分別為121 m、100 m、127 m、131 m；將上述距離與橋梁交通線最大坡度所要求的最小距離131 m 進(jìn)行比較，從而確定了兩閘閘軸線的距離為131 m。

黃圣平等[11]在近尾洲二線船閘總平面布置方案中，根據(jù)發(fā)電主廠房和二線船閘下閘首2 個斷面的地質(zhì)、開挖情況分析，確定了一二線船閘最小閘軸線距離為133 m；根據(jù)二線船閘上游用地情況、下游山體位置等現(xiàn)場條件的分析，確定了一二線船閘最大閘軸線距離160 m；最后在上述范圍內(nèi)提出兩個閘軸線距離方案，從“通航水流條件”、“過閘時間”、“施工條件”、“管理區(qū)布置”、“工程占地”、“工程投資”等方面綜合比選，確定兩閘閘軸線距離為155 m。

袁和平[12]在京杭運(yùn)河萬年閘復(fù)線船閘平面布置方案中、韓巍巍[13]在藺家壩復(fù)線船閘閘位分析中、王勤振[14]在某擴(kuò)容船閘的方案研究中均采用了“斷面分析”。“斷面分析”應(yīng)用較為復(fù)雜，需結(jié)合地形、地質(zhì)條件，開展必要的安全穩(wěn)定分析后提出閘軸線距離，提出的兩閘閘軸線距離具有較強(qiáng)的說服性，適合在初步設(shè)計階段采用。

采用斷面分析確定閘軸線距離一般是確定了主體結(jié)構(gòu)尺寸和收集到一線船閘結(jié)構(gòu)圖后，根據(jù)地質(zhì)條件、施工基本要求選取1 至2 個控制斷面來確定二線船閘的閘軸線與一線的最小距離。如圖1 所示，在保證一線船閘安全和通航條件下，可以采用垂直基坑支護(hù)方案施工，兩閘最小距離為55 m。圖2 所示兩閘最小距離100 m。

圖1 斷面分析法示意一

圖2 斷面分析法示意二

2.3 工程經(jīng)驗

“工程經(jīng)驗”主要結(jié)合同一地區(qū)、類似規(guī)模船閘的建設(shè)經(jīng)驗，初步擬定兩閘閘軸線距離的數(shù)值或范圍，結(jié)合“斷面分析”提出的閘軸線距離方案，進(jìn)行綜合比選論證、確定最優(yōu)的閘軸線距離。該方法主要技術(shù)路線為：經(jīng)驗提出閘軸線距離——其他方法提出閘軸線距離——綜合比選。

李華勇等[15]在萬安樞紐二線船閘平面布置方案的研究中，分析了樞紐地形、水流條件，根據(jù)經(jīng)驗提出了閘軸線距離130 m 和230 m 的方案，并從“對一線閘影響”、“上下游通航條件”、“施工條件”、“施工期通航”、“征地拆遷”、“土石方工程量”等方面開展了方案比選，推薦230 m 的閘軸線方案。

韓巍巍[13]在藺家壩復(fù)線船閘閘位分析中指出，京杭運(yùn)河蘇北段其它各級復(fù)線船閘的布置，大部分兩閘其中一個閘首齊平，在考慮了節(jié)約用地、減少土方量、與附近水利設(shè)施相協(xié)調(diào)、一線船閘施工期安全和正常運(yùn)行等因素后，軸線的平均閘距確定在98～215 m 之間。據(jù)此，提出了100 m 的閘軸線距離方案，與斷面分析確定的閘軸線方案進(jìn)行對比。

2.4 關(guān)鍵因素

“關(guān)鍵因素”主要結(jié)合工程現(xiàn)場條件，找出一個或多個關(guān)鍵性因素，通過滿足某一關(guān)鍵性因素，得到合理的兩閘閘軸線距離，再與其他閘軸線距離方案進(jìn)行對比。該方法主要技術(shù)路線為：分析關(guān)鍵因素——提出閘軸線距離——綜合比選。

彭哲[16]在湘祁二線船閘閘軸線布置方案研究中，從山體位置角度確定，兩閘閘軸線距離不應(yīng)大于80 m；從隔流堤不應(yīng)侵占一線閘引航道角度，確定兩閘閘軸線距離不應(yīng)小于70m；最后從“基坑開挖支護(hù)”、“水工結(jié)構(gòu)布置”、“征地拆遷”、“施工期通航”、“施工期交通”、“施工期對一線閘運(yùn)行管理影響”“工程投資”等方面對上述閘軸線距離方案進(jìn)行了比選，推薦80 m 閘軸線距離的方案。

“關(guān)鍵因素”適合于有明顯的“控制性”因素的改擴(kuò)建項目，如株洲二線船閘[17]有“通航水流條件”、“閘首處基坑斷面”2 個因素。根據(jù)“關(guān)鍵因素”提出的兩閘閘軸線距離通常較為明確、“不可突破”，適合在初設(shè)階段或結(jié)合其他方法一起采用。

有許多二線船閘選址時受到不可突破的關(guān)鍵因素制約，在確定兩閘軸線距離時這種關(guān)鍵因素可能會成為閘軸線的唯一限制條件。如圖3 所示，樞紐下游高速公路通航孔位置成為了關(guān)鍵因素。

圖3 關(guān)鍵因素法示意

3 方法適用性及展望

船閘閘軸線對工程方案至關(guān)重要，規(guī)范對改、擴(kuò)建船閘工程中閘址選擇和兩閘閘軸線距離的確定僅做了原則性規(guī)定。在總結(jié)改擴(kuò)建船閘工程總平面布置研究的基礎(chǔ)上，分析歸納了確定兩閘閘軸線距離的4 種方法，即“原則論述”、“斷面分析”、“工程經(jīng)驗”和“關(guān)鍵因素”。

1）“原則論述”技術(shù)路線為：原則論述——提出閘軸線距離——綜合比選。該方法提出的兩閘閘軸線距離存在較大的主觀因素，適用于前期論證。

2）“斷面分析”技術(shù)路線為：選取斷面——斷面尺度分析——確定閘軸線距離——綜合比選。該方法應(yīng)用較為復(fù)雜，需結(jié)合地形、地質(zhì)條件，開展必要的安全穩(wěn)定分析后提出閘軸線距離，提出的兩閘閘軸線距離具有較強(qiáng)的說服性，適合在初步設(shè)計階段采用。

3）“工程經(jīng)驗”技術(shù)路線為：總結(jié)經(jīng)驗提出閘軸線距離——其他方法提出閘軸線距離——綜合比選。該方法應(yīng)用較少，往往在某一地區(qū)有大量類似工程時較為適用，提出的兩閘閘軸線距離范圍較大，適合在前期或結(jié)合其他方法一起采用。

4）“關(guān)鍵因素”技術(shù)路線為：分析關(guān)鍵因素——提出閘軸線距離——綜合比選。該方法適合于有明顯的“控制性”因素的改擴(kuò)建項目，提出的兩閘閘軸線距離通常較為明確、“不可突破”，適合在初設(shè)階段或結(jié)合其他方法一起采用。

根據(jù)上述分析可知，各方法有不同的適用范圍或階段，由于地質(zhì)條件和擴(kuò)建船閘可利用空間等邊界條件完全相同的工程幾乎不存在，因此工程實際應(yīng)用中，尚應(yīng)結(jié)合不同階段的需求采用不同的1 種或多種方法進(jìn)行分析。

目前的4 種方法均不具備普適性，且除“斷面分析”外，其余方法偏向于定性分析。因此，下一步應(yīng)深入分析兩閘閘軸線距離的各項影響因素，以期提出具有普適性、可定量分析兩閘閘軸線距離的計算公式。

4 結(jié)語

隨著國家經(jīng)濟(jì)實力的提高和雙碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，水運(yùn)主通道上建設(shè)二線船閘的通航樞紐越來越多，而二線船閘與一線船閘中心距離是閘位選擇的關(guān)鍵參數(shù)之一，其影響因素眾多。本文在總結(jié)大量工程研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上首次提煉出了4 種確定閘軸線距離的方法，對二線船閘閘位的選擇及今后研究的方向具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。