田利勇

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061)

大治河西接黃浦江，東連長江口，是上海浦東中部最大的一條引排水河道，也是上海市內(nèi)河高等級航道的重要組成部分，擔負著區(qū)域的引水、排澇和航運任務。大治河西樞紐位于大治河西端，距黃浦江邊約1 km，是大治河銜接黃浦江的控制建筑物。現(xiàn)狀大治河西樞紐建于1979年，包括1座凈寬60 m(10 m×6孔)節(jié)制閘和1座300噸級船閘(閘首凈寬12 m，閘室長300 m、寬20 m)，現(xiàn)狀樞紐布置見圖1。近年來隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，尤其是上海浦東新區(qū)的開發(fā)，深水港、臨港新城的建設(shè)，現(xiàn)有船閘的尺度和通航能力已不能適應航運發(fā)展的需求，為此經(jīng)有關(guān)部門決策，擬在大治河西現(xiàn)狀樞紐南岸新建二線船閘工程。

大治河西樞紐二線船閘工程受現(xiàn)狀樞紐已建建筑物、用地指標、外河黃浦江無錨地、內(nèi)河有浦星公路橋等因素限制，布置條件較為復雜。根據(jù)相關(guān)研究[1-4]，在既有樞紐基礎(chǔ)上布置復線船閘，須綜合考慮樞紐水流條件、船閘通航條件、停泊條件、相鄰建筑物安全及施工條件等方面因素，以確定合理的船閘軸線布置方案及總體布置形式。本文擬結(jié)合上海地區(qū)航運現(xiàn)狀與規(guī)劃，結(jié)合工程周邊環(huán)境情況，分析本工程總體布置要求及相關(guān)限制條件，在此基礎(chǔ)上研究船閘橫、縱軸線布置及工程總體布置方案，避免節(jié)制閘引排水對船閘通航安全的影響，解決外河無錨地條件下船閘進出閘停泊錨泊需求，實現(xiàn)節(jié)約用地與減輕施工影響的目標。

圖1 現(xiàn)狀樞紐布置

1 工程布置條件

1.1 通航特征水位

本工程外河側(cè)為黃浦江，內(nèi)河側(cè)為大治河，內(nèi)外特征通航水位為[5]：外河(黃浦江)側(cè)最高通航水位4.75 m(上海吳淞高程，下同)，最低通航水位1.30 m；內(nèi)河(大治河)側(cè)最高通航水位3.20 m，最低通航水位2.00 m。

1.2 通航標準

本工程所在航道等級為Ⅲ級，船閘級別為Ⅲ級，設(shè)計最大船舶為1 000噸級。

1.3 設(shè)計代表船型

根據(jù)《長江三角洲地區(qū)高等級航道網(wǎng)規(guī)劃》[6]論證推薦的規(guī)劃船型和GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》推薦的船型，綜合船型發(fā)展趨勢，本工程設(shè)計代表船型見表1。

表1 設(shè)計代表船型尺度

1.4 工程布置原則

根據(jù)工程選址規(guī)劃，新建二線船閘選址于現(xiàn)狀樞紐南側(cè)，工程布置原則為：1)二線船閘的布置應與現(xiàn)狀樞紐布置相協(xié)調(diào)；2)盡可能避免和減少節(jié)制閘引排水對通航的影響；3)黃浦江無錨泊區(qū)域，工程布置須考慮進出船閘船舶的候泊需求；4)工程布置盡可能地少占地和拆遷，減少對環(huán)境的影響，節(jié)約工程投資。

2 船閘軸線布置

2.1 縱軸線布置

二線船閘縱軸線位置，應盡可能靠近節(jié)制閘布置，減小工程占地，但同時也必須確保二線船閘與節(jié)制閘之間的距離要滿足工程施工、檢修、橋梁接線等要求。二線船閘與節(jié)制閘之間最小距離要求見表2。

表2 二線船閘縱軸線確定

注：金閘公路橋跨二線船閘橋面須抬高，與節(jié)制閘側(cè)現(xiàn)狀橋面順接按5%坡度考慮，要求最小接線長度82.4 m。

根據(jù)表2可知，制約二線船閘縱軸線的部位主要有兩處：1)內(nèi)外引航道，引航道與現(xiàn)狀節(jié)制閘堤防之間最小安全距離須達到24 m，此時船閘中心線與節(jié)制閘中心線距離須不小于127 m；2)金閘公路橋接線，如要確保節(jié)制閘和二線船閘間橋梁接線坡度控制在5%，要求船閘中心線與節(jié)制閘中心線距離不小于131 m，考慮到金閘公路橋不是交通干道，橋梁規(guī)模較小，且將來節(jié)制閘改造時也將對接線段進行重新改造，故從節(jié)約工程占地考慮，船閘中心線與節(jié)制閘中心線距離確定為127 m，此時節(jié)制閘和二線船閘間橋梁接線坡度為6.03%。

2.2 橫軸線布置

外閘首橫軸線位置確定應綜合考慮樞紐水流條件、內(nèi)外引航道停泊區(qū)布置、閘首布置、對浦星公路橋影響及施工期間影響等方面因素。本工程內(nèi)河側(cè)受浦星公路橋的限制，內(nèi)引航道和停泊區(qū)場地較小，而外側(cè)相對較寬敞，將外閘首橫軸線適當外移，使內(nèi)河停泊區(qū)布置在浦星公路橋以內(nèi)，為內(nèi)河停泊區(qū)布置創(chuàng)造有利條件，減少浦星公路橋?qū)νê桨踩挠绊?。由于船閘閘首相比閘室基坑較深，基坑范圍大，基坑開挖對現(xiàn)狀節(jié)制閘影響更大，外閘首與節(jié)制閘閘首錯開布置，可避免和減少施工對節(jié)制閘閘首的影響。外閘首與節(jié)制閘閘首錯開布置，交通橋不設(shè)在外閘首上，對二線船閘的運行管理安全有利。根據(jù)上述分析，二線船閘外閘首橫軸線擬布置在交通橋外側(cè)，與交通橋中心線距離為100 m。

3 工程總體布置

3.1 閘首布置

船閘內(nèi)、外閘首布置在現(xiàn)狀樞紐節(jié)制閘南側(cè)，與樞紐節(jié)制閘平行布置，內(nèi)、外閘首縱向中心線與節(jié)制閘縱向中心線距離127 m。

外閘首布置在樞紐外河側(cè)，外閘首橫向中心線與交通橋中心線距離為100 m。內(nèi)閘首布置在樞紐內(nèi)河側(cè)，內(nèi)閘首橫向中心線與交通橋中心線距離為283 m。

內(nèi)、外閘首平面尺度主要根據(jù)設(shè)計水頭、口門寬度、閘門形式以及輸水系統(tǒng)布置等因素確定，內(nèi)、外閘首采用三角門，經(jīng)布置，內(nèi)、外閘首平面尺度均為33.0 m×62.6 m(縱向×橫向)，其中口門寬27 m，單側(cè)邊墩寬17.8 m。

3.2 閘室布置

根據(jù)JTJ 305—2001《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(2015年版)第3.1.4條：船閘的有效長度、有效寬度和門檻最小水深必須滿足船舶安全進出閘和停泊的條件。

船閘閘室有效長度不應小于式(1)計算的長度，并取整數(shù)：

Lx=lc+lf

(1)

式中：Lx為閘室有效長度(m)；lc為設(shè)計船隊、船舶計算長度(m)；lf為富余長度(m)，頂推船隊lf≥2+0.06lc，拖帶船隊lf≥2+0.03lc，機動駁和其他船舶l(fā)f≥4+0.05lc。

各典型過閘船舶組合(每列)所需閘室有效長度計算成果見表3。

表3 各典型過閘船舶組合所需閘室有效長度

根據(jù)表3可知，為滿足各種船型組合均能一次過閘的要求，船閘閘室有效長度不應小于312.49 m，本工程閘室有效設(shè)計長度取335 m，可滿足要求。

船閘閘首口門和閘室有效寬度不應小于式(2)計算的寬度：

Bx=∑bc+bf

(2)

bf=Δb+0.025(n-1)bc

(3)

式中：Bx為船閘閘首口門和閘室有效寬度(m)；∑bc為同一閘次過閘船舶并列停泊于閘室的最大總寬度(m)；bf為富余寬度(m)；Δb為富余寬度附加值(m)，當bc≤7 m時Δb≥1 m，當bc> 7 m時Δb≥1.2 m；n為過閘停泊在閘室的船舶列數(shù)。

本工程船閘閘室考慮同時停靠2列船舶，各典型過閘船舶組合所需閘室有效寬度計算結(jié)果見表4。

表4 各典型過閘船舶組合所需閘室有效寬度

根據(jù)表4可知，為滿足各種船型組合均能一次過閘的要求，船閘閘首口門和閘室有效寬度不應小于26.72 m，本工程船閘閘首口門和閘室有效設(shè)計寬度取27 m。

船閘門檻最小水深應為設(shè)計最低通航水位至門檻頂部的最小水深，應滿足設(shè)計船舶、船隊滿載時的最大吃水加富余深度的要求，可按式(4)計算，閘室最小水深應為設(shè)計最低通航水深至閘室底板頂部的最小水深，其值應不小于門檻最小水深：

(4)

式中：H為門檻最小水深(m)；T為設(shè)計船舶、船隊滿載時的最大吃水(m)。

本工程各設(shè)計船型最大滿載吃水為2.8 m，門檻最小水深H≥1.6T(=4.48 m)，本工程船閘門檻設(shè)計水深取4.50 m。

船閘擬采用短廊道集中輸水形式，閘室兩端須設(shè)鎮(zhèn)靜段，根據(jù)輸水系統(tǒng)計算結(jié)果鎮(zhèn)靜段長度取15 m。

綜合上述分析，確定新建二線船閘閘室的設(shè)計尺度為350 m(有效長度335 m)×27 m×4.5 m(長×寬×深)，可滿足船舶安全進出閘和停泊的條件。閘室縱向中心線與節(jié)制閘縱向中心線距離127 m。

3.3 引航道布置

引航道布置除滿足船舶靠泊、船舶進出的要求外，還應滿足水流條件要求。根據(jù)船閘總體布置，外引航道總長度為750 m，均為直線段。為減輕節(jié)制閘運行對船閘水流條件的影響，節(jié)制閘與二線船閘外引航道間設(shè)隔流導堤，隔流導堤長度取750 m(外閘首以外)。由于外引航道直接與黃浦江相連，口門外黃浦江無錨泊段，為滿足船舶錨泊及停泊需要，外引航道除滿足過閘船舶停泊需要，還應考慮船舶排隊候泊錨泊的需求，為此，外引航道結(jié)合隔流導堤考慮兩岸靠泊，共靠泊3列船舶。為節(jié)約工程占地，并且為外閘首提供較為寬敞的施工場地條件，外引航道北側(cè)駁岸較閘首北偏31 m，南側(cè)駁岸較閘首南偏18 m，外引航道凈寬76 m。其中北岸靠泊2列船舶，南岸靠泊1列船舶。

內(nèi)引航道總長度為750 m，均為直線段。為減輕節(jié)制閘運行對船閘水流條件的影響，節(jié)制閘與二線船閘內(nèi)引航道間設(shè)隔流導堤，經(jīng)水流數(shù)值模擬驗算，隔流導堤長度取270 m(內(nèi)閘首以內(nèi))。為節(jié)約工程占地，并且為內(nèi)閘首提供較為寬敞的施工場地條件，同時也為內(nèi)引航道與主航道提供較為有利的銜接過渡條件，內(nèi)引航道北側(cè)駁岸較閘首北偏33 m，南側(cè)駁岸與閘首順直，內(nèi)引航道凈寬60 m。內(nèi)引航道考慮單岸靠泊，南岸靠泊2列船舶，北岸不設(shè)靠泊泊位。

內(nèi)外引航道采取不對稱式布置，黃浦江往大治河方向(下行)采取曲線進閘、曲線出閘形式，大治河往黃浦江方向(上行)采取直線進閘、直線出閘形式。船閘平面布置見圖2。根據(jù)一、二維耦合數(shù)學模型對于樞紐通航水流條件開展研究[7]，節(jié)制閘在不同調(diào)度運行工況條件下，二線船閘水流條件均可滿足通航要求，工程總體布置方案合理可行。

圖2 船閘平面布置(單位：m)

4 結(jié)論

1)二線船閘縱軸線應盡可能靠近節(jié)制閘布置，減小工程占地，但同時也必須確保二線船閘與節(jié)制閘之間的距離要滿足工程施工、檢修、橋梁接線等要求，經(jīng)綜合分析，船閘中心線與節(jié)制閘中心線距離確定為127 m。

2)外閘首橫軸線位置確定應綜合考慮樞紐水流條件、內(nèi)外引航道停泊區(qū)布置、閘首布置、對浦星公路橋影響及施工期間影響等方面因素。經(jīng)綜合分析，二線船閘外閘首橫軸線擬布置在交通橋外側(cè)，與交通橋中心線距離為100 m，內(nèi)閘首布置在樞紐內(nèi)河側(cè)，內(nèi)閘首橫向中心線與交通橋中心線距離283 m。

3)通過對各典型過閘船舶組合分析，確定新建二線船閘閘室的設(shè)計尺度為350 m(有效長度335 m)×27 m×4.5 m(長×寬×深)，可滿足船舶安全進出閘和停泊的條件。

4)外引航道總長度為750 m、凈寬76 m，北側(cè)駁岸較閘首北偏31 m，南側(cè)駁岸較閘首南偏18 m；外引航道結(jié)合隔流導堤考慮兩岸靠泊，共靠泊3列船舶，其中北岸靠泊2列、南岸靠泊1列。內(nèi)引航道總長度為750 m、凈寬60 m，北側(cè)駁岸較閘首北偏33 m，南側(cè)駁岸與閘首順直；內(nèi)引航道考慮單岸靠泊，南岸靠泊兩列船舶，北岸不設(shè)靠泊泊位。內(nèi)外引航道采取不對稱式布置，黃浦江往大治河方向(下行)采取曲線進閘、曲線出閘形式，大治河往黃浦江方向(上行)采取直線進閘、直線出閘形式。