江阴新夏港船闸平面布置及结构优化

陈恩旺

摘要：以锡澄运河新夏港船闸为例，提出错位式双线布置和并列式双线布置两种平面布置方案，分析说明错位式双线布置方式的创新性和优越性，给双线船闸的设计思路提供借鉴。对船闸双线闸室结构、上下游引航道建筑物的原设计方案做了较为详细的剖析，并提出优化方案。优化方案适应现场实际情况，有效改善了工程经济性。

关键词：双线船闸；错位布置；分离式闸室；钢板桩；排桩承台式结构

锡澄运河航道整治工程船闸工程(简称新夏港船闸)是锡澄运河航道整治工程的组成部分，该船闸是整治后的锡澄运河的入江口门。新夏港船闸位于江阴市新夏港河水利套闸处，船闸下闸首距长江主航道1.5km，与长江主航道交角约78.5°。船闸等级为Ⅲ级，有效尺度为双线180m×23mx4.0m(闸室有效长度×闸室净宽×槛上水深)。船闸承受双向水头，正向最大水头3.47m，反向最大水头3.63m；输水系统采用短廊道集中输水加门缝输水的组合形式，上、下闸首工作闸门为弧形三角门。

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新夏港船闸有效尺度为双线180mx23mx4.0m(闸室有效长度×闸室净宽×槛上水深)，设计通航最大船型为1顶2×1000吨级顶推船队，两线船闸共用引航道。

新夏港船闸作为锡澄运河航道整治工程的一个重要组成部分，其主体功能的发挥直接关系到锡澄运河航道整治目标的有效实现，对此提出了闸位的具体布置原则：

1)与锡澄运河航道连接平顺。

2)保证船舶、船队在通航期内安全通畅过闸，并有利于运行管理和检修。

3)引航道口门及口门区应处在河床稳定部位并能与主航道平顺连接。

1.1难点分析

新夏港船闸闸址处原有新夏港河套闸及套闸管理所，建于20世己70年代，于2000年进行了改建，经过多年发展，其周围市政设施众多，闸址处居民区和厂区密布，套闸上游两侧均有大型工厂。

经勘查，夏港电厂的多条管道就布置在扩建船闸的设计范围内，受此制约新建船闸管理区无法扩建，只能利用新夏港河套闸原有管理区用地场地偏小。如图1所示，在船闸上游东侧离设计引航道前沿线30多米处有一片已经建成的别墅区，故船闸基坑与别墅区应预留足够的安全距离且工程施工应严格控制确保不对其产生安全影响。上述原因使船闸的扩建征地范围受到了很大限制，而且闸址地处江苏省江阴市，江阴市城市发展水平较高，城市用地紧张，土地价格居高，对本工程双线船闸作出合理的平面布局，尽量节约用地、减小环境影响，以实现社会效益的最大化，是一个值得深入探讨的问题。

1.2方案拟定

根据船闸总平面布置规范，充分考虑现场地形地物等因素的影响，设计时拟定了两个总平面布置方案进行比较。

两个总平面布置方案的上下游引航道走向均与现新夏港河套闸上下游航道基本一致；考虑到不改变该段长江大堤的防洪形态，下闸首下游端均与新夏港河水利套闸下闸首下游端齐平；由于新夏港河东侧有夏港电厂热力管线等重要市政公用设施，拆迁影响较大，因此船闸轴线确定时均以保持船闸东侧边线不超越现状新夏港河东边线(水边线)并留足施工场地为控制条件。

1.2.1错位式布置

新建双线船闸中心线距原新夏港河套闸中心线34.6m。两线船闸主体结构上下错开28.8m(一个闸首长度)布置，东侧船闸下闸首下游端基本与现有的新夏港水利套闸下闸首齐平布置西侧船闸下闸首下游端上移28.8m错开布置，两线船闸闸室中心线距离为39m，平面布置见图2a)。

船舶过闸均采用“曲线进闸，直线出闸”方式；导航建筑物均为曲线型导航墙；两线船闸共用引航道，引航道为对称式布置。

1.2.2并列式布置

新建双线船闸中心线距原新夏港河套闸中心线42.6m。两线船闸主体结构平行并列布置，两线船闸下闸首下游端均与现有的新夏港水利套闸下闸首齐平。两线船闸主体结构(闸首、闸室)紧邻布置，两线船闸中心线距离为53.8m，平面布置图见图2b）。

船舶过闸均采用“曲线进闸，直线出闸”方式。两线船闸共用引航道，引航道为对称式布置。

1.3方案比较

两种平面方案的上、下游引航道均利用了现有河道，并与现有河道走向保持一致，其河道水流形态没有发生大的改变，对泥沙、水流影响均较小。这两种平面布置方案的比较分析见表1。

综上比较，错位式布置时船闸主体占用土地较少，对周边环境及规划的影响较小，工程量较少，总体投资较少，而且增加了船舶进闸的调顺长度，提高了船舶进出闸的安全性，因此把错位式双线布置方案作为推荐方案。

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2.1闸室结构优化

原闸室结构方案采用垂直支护开挖的分离式透水底板结构，双线闸室分为东、西两侧闸墙和中间闸墙。其中，东、西侧闸墙采用垂直支护与永久结构相结合的格形地连墙，该墙在施工期也作为基坑的支护结构，中间两闸共用的闸墙则采用空箱重力式结构，整体结构断面见图3。

2.1.1原结构方案的不足

分析发现，闸室的原结构方案存在不足之处:

1)东、西两侧的闸墙采用格形地连墙。格形地连墙是最近10多年新出现的一种新型支护结构，在基坑开挖中常作为临时支护结构使用，亦可用做永久支护结构。格形地连墙主要包括前墙、后墙和隔墙3个部分，是一种前、后墙通过隔墙相连接的格形结构，并与其间的土体一起形成半重力式结构，它的特点是墙体刚度大，不需要支撑，当深基坑支护不宜采用内支撑或锚固方案时，采用格形地连墙支护形式有优越性，它比双排桩支护结构刚度更大、抗倾覆及整体稳定性更好、适应的基坑深度更深、抗渗性能更好。但格形地连墙作为新型的自立式复合挡土墙，它的受力特征还没有得到系统的研究，理论计算方法还不成熟，一般将其视为半重力式结构验算其稳定性，与双排桩结构相似，但对于它的结构内力计算方面，由于其结构的空间性较强，特别是剪力墙的存在使结构的受力特征变得复杂，因此到目前为止还没有一个较成熟的常规计算方法，一般只能借助于连续介质有限元法进行数值分析，给结构的设计优化带来了难题。

2)本工程闸室区域的地质条件比较好，主要土层分布为粉质黏土、粉土、粉细砂等，土层物理力学指标都较好，因此格形地连墙结构的构件承载力有很大的富余，考虑到格形地连墙的造价比较高，故该结构方案的经济性较差。

原闸室结构方案中间闸墙采用空箱式结构。空箱式结构整体宽度大，基底应力较其他重力式结构更均匀，又因自重较大，其抗滑移、抗倾覆能力强，适用于墙后高填土地段，但空箱式结构造价较高，一般来说，对于挡土高度在15 m以上的情况采用空箱式结构才具有经济性。对于本工程，两线闸室共用的中间闸墙并不挡土，主要起分隔两线闸室的作用，所承受的水平荷载主要为两线闸室不同水位时产生的静水压力差以及船舶荷载。本船闸工程设计最大水头为4 m，根据船闸闸室的运行特点，易知使用工况下两线闸室的水位差不超过4 m，即使考虑最不利工况，即其中一线抽干水检修、另一侧闸室正常运行的情形，两线闸室的水位差为5.83 m，因此，中间闸室承受的水平荷载并不大，采用空箱式结构稳定性有很大富余，不太经济，而且空箱式结构构造复杂，施工难度较大，工期较长。

经过综合分析，考虑到本工程两线闸室的东、西侧闸墙的高度为9.77 m，在施工期挖至透水底板底部时基坑最大深度为10.6 m，挡土高度居于中等，而且闸室区地质条件较好，故对闸墙的刚度要求不高，其次中间闸墙采用空箱式结构更多是为了满足构造上的宽度要求，因而整个闸室结构的设计方案过于保守、经济性欠佳、施工难度较大。因此很有必要对原闸室结构方案进行优化，宜选用一种既满足设计使用要求，又具有较好经济性的闸室结构方案。

2.1.2优化方案

1)钢板桩分离式结构。综合考虑设计的闸墙高度、该区域的地质条件等因素，本项目闸室采用钢板桩分离式结构方案是适当的。闸室的东、西两侧闸墙可采用拉锚式钢板桩墙结构，锚碇结构采用锚碇墙形式，这种结构形式属于最常见的板桩结构，计算理论已很成熟。中间闸墙则为双排钢板桩结构，采用单层钢拉杆对拉互锚。作为一个两线闸室共用的结构，采用对拉互锚这种锚碇系统可直接省去两道锚碇墙(板)的工程量，有效节约工程造价。双排钢板桩结构早在日本、欧美等国家中广泛应用，目前国内在港口工程、船坞工程中应用较多，特别是在围堰工程中应用很广泛。双排钢板桩具有刚度大、成本低、施工简便、对场地要求低、止水效果好等优点。但双排钢板桩在较大水平荷载作用下易产生较大的剪切变形，因此设计中往往是抗剪切变形稳定验算起控制作用。但本工程中间闸墙主要是起分隔作用，承受的水平荷载不大，经验算抗剪切变形稳定满足要求，因此适合采用双排钢板桩结构形式，该结构能够较充分地发挥构件承载力，且造价较低。通过优化方案，最后两线的闸室墙全部采用钢板桩结构，见图4。该优化方案较大降低了闸室工程造价，明显改善整体经济性。

2)整体式结构。该方案两线的闸室都采用整体式结构。整体式结构又称为U型坞式结构，是目前最常见的船闸闸室结构形式，需要大开挖施工。其闸墙视为嵌固在底板上的悬臂结构，可抵抗较大的水、土压力，其构件承载力易于满足要求。同时整体式闸室的底板宽度较大，因此地基反力比较均匀，对地基承载力的要求明显低于重力式闸墙结构。优化后的闸室结构断面见图5。

方案比选:方案1闸墙变形稍大，耐久性稍差，但开挖量小，对周边环境影响小，施工简单效率高，造价低，经济性好;方案2整体性好，闸墙变位小，耐久性好，不需要考虑防渗，但需要大开挖施工，工程量大，对周边环境影响较大，造价较高。经过方案比选，最终确定采用方案1———钢板桩结构作为闸室结构的优化方案。

2.2引航道护岸、靠船墩结构优化

原结构方案上下游靠船墩均采用混凝土重力式结构，上下游引航道护岸均采用直立式护岸，其中上游护岸为混凝土重力式结构，下游护岸为钢筋混凝土扶壁式结构。除下游引航道护岸局部有杂填土、粉煤灰或淤泥质粉质黏土分布，不能满足地基承载力要求而需采用碎石换填处理以外，其它部位地基均满足地基承载力要求。

下游西侧引航道护岸全长约634 m，原来为新夏电厂的灰堆场，根据原设计方案，需将粉煤灰和局部下卧层的淤泥质土挖除后进行干地施工，基坑开挖深度近10 m，经现场试验段实际降水开挖试验施工，发现由于水系渗流严重，基坑开挖难以成形，施工安全风险较大。上游东侧引航道护岸全长约650 m，新建护岸线距现有老护岸岸线11 m。老护岸沿线布置有钢管厂码头、大型厂房及民房等设施，因重力式结构需大开挖施工并拆除老护岸，开挖后坡脚线距老护岸仅1 m，即使基坑采用垂直支护也难以消除对厂房等设施安全稳定性的不利影响，施工风险较大。

综上所述，上下游靠船墩、引航道护岸原设计方案都采用了重力式结构，重力式结构施工简单，耐久性好，但需要大开挖施工，需要较大的施工空间，另一方面本工程的护岸线很长，采用重力式结构需要填筑很长的纵向施工围堰来进行干地施工，临时工程的费用较高。原设计方案没有充分考虑大开挖施工对周边环境带来的不利影响，这是影响工程建设的关键所在，因此急需提出一个适合工程实际的优化设计方案。

经综合考虑，拟采用一种“排桩承台式结构”，这种结构形式虽然也需要开挖干地施工上部胸墙结构，但相对于纯重力式结构所需要的施工空间已大为减小，而且由于是在施工水位以上浇筑胸墙及墙后回填，因此无需填筑纵向围堰进行施工。如图6所示，该结构形式的上部结构为现浇混凝土胸墙，便于设置踏步以及安装系船钩等附属设施，胸墙以下则采用“前排桩后锚桩”的桩基布置形式。优化后的结构前排桩桩径1 m，桩间距1.2 m，桩间设高压旋喷桩与前排桩紧密咬合构成挡土面;后排桩桩径1.2 m，桩距2.8 m，根据板桩码头规范中关于斜拉桩码头计算的规定，当后排桩桩间距小于3.0 m时，会对前墙形成“遮帘”作用，可有效减小作用在前墙上的土压力，明显改善前墙桩基内力状态，其结构内力可按照遮帘桩码头的计算理论进行计算，计算理论已较为成熟。整体结构见图6。

由于整个结构的自重较大，对结构自身的踢脚稳定起到有利作用，因此在验算踢脚稳定时，除应考虑墙前被动土压力对前墙桩底的稳定力矩以外，尚应考虑胸墙自重(包括胸墙墙背上的土重)、桩基自重等产生的稳定力矩，可有效减小满足踢脚稳定所需的前墙入土深度。

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钢板桩结构具有强度高、接合紧密不易漏水、施工简便、速度快、可减少基坑土方开挖量等特点，广泛应用于各类基础工程施工。钢板桩结构施工原理是将钢板桩用打桩机打（压）入地基，使其互相连结成钢板桩墙，达到用来挡土和挡水。可总结为八个字：在其结构上可“护锁成墙”，在其使用功能上能“挡土止水”。其优点是施工简便，止水性能好，可根据施工需求定制，降低成本。 

为满足整体稳定和地基渗透稳定的要求，新夏港船闸设计采用热轧钢板桩结构的闸室墙（桩长达18米与19米），拟建船闸最大开挖深度约15米，要求桩体应进入③-1d1～2层或以下土层一定深度。为此设计要求采用高强度、长桩身、大截面模量、具备一定耐候性能的热轧U型钢板桩。最终选择的钢板桩主要参数为：尺寸600mm×228mm,截面积210.8cm2/m,惯性矩63380cm4/m,截面模量2780cm3/m,屈服强度为390MPa。共使用热轧钢板桩1264根，约2400吨。 

闸室区域范围内存在着两大土层：一是③-1b1层为韧性及干强度较高且存在直径2～6mm含铁锰质结核的硬塑粉质黏土；二是③-1d1层为饱和密实型粉砂粘土，偶含直径2.5～9mm含砂质结核,其标准贯入击数值超过40（最大达54）。如此特殊地质条件，使得采用常规方法插打钢板桩几无施工可能，因而该项目的实施面临着钢板桩施工应用等诸多难题。 

由于施工区域地下存在着标贯击数（SPT）超过40、俗称“铁板砂”的密实砂层，部分地段地质条件较为复杂、沉桩困难，前期施工过程中出现了钢板桩损伤比例较高，导致项目进度滞后并需投入一定精力进行修复处理。 

采取措施：

1、引孔应处理干净；

2、反复上下插拔，将石块挤走；

3、桩体端部切成锥形减少锁口入土阻力；

4、将打桩锤人为反向施力以纠偏；

5、采用屏风式插打。

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锡澄运河新夏港船闸（新江阴船闸）

2020年6月24日通过江苏省交通运输厅组织的竣工验收

新夏港闸在全省首次采用闸首错位布置、全钢板桩闸室墙设计，节省15亩土地、降低工程造价约600万元。与以往混凝土结构相比，新闸更加环保坚固，能更好地为过往大型船舶保驾护航。

自2016年5月试运行以来，船闸累计通行船舶数量约82.7万艘、通行船舶总吨位约5.3亿吨。