张鹏
上海勘测设计研究院有限公司，上海 200000
摘要：为避免船舶误入非通航水域发生安全事故，有必要在枢纽非通航区上、下游侧设置禁航警示设施。通过方案必选，结合现场实际情况，设计了合适的禁航警示设施，并对该设施的结构组成进行了稳定分析。最后通过在泵闸工程中的实际运用，体现了该设施的应用效果与价值。
关键词：禁航警示；泵闸；方案比选；稳定分析
1 引言
界牌水利枢纽位于新孟河向北延伸段入江口处，枢纽由一座闸孔总净宽80m 的节制闸、一座总装机流量为300m3/s的双向泵站以及一座Ⅵ级航道船闸（16m×180m）组成，具有输送引江清水进入湖西地区腹部、太湖，将流域上游湖西地区洪水北排长江，维持新孟河通航等功能。
由于拟建工程是船闸、节制闸和泵站并排布置，泵站布置在南岸，往北依次布置节制闸和船闸。该布置形式使得枢纽上下游口门区水域宽阔，存在船舶误入非通航水域发生危险的可能。为防止此类事故发生，在枢纽上、下游侧设置禁航警示设施，警示过往船只。
2 工程概况
2.1设计原则
界牌水利枢纽禁航警示设施需满足以下几点使用条件：
（1）对在长江侧、内河侧最高通航水位到最低通航水位之间通航的船舶能够进行有效的警示和辅助拦截；
（2）在长江侧、内河侧最高水位到最低水位之间，能够适应水位升降而不破坏；
（3）在河床内不设置大体积墩柱，以免对河道行洪造成影响；
（4）柔性结构，拦截船舶时不对船舶造成破坏。
2.2方案比选
（1）摩阻型拦船设施
摩阻型拦船设施由锚墩、摩阻机、钢丝绳和浮鼓组成。锚墩布置于两岸侧，摩阻机安装于锚墩上，钢丝绳串联浮鼓后按设计长度绕于摩阻机绳鼓上[1]。具体布置详见图1。
摩阻型拦船设施的工作原理是当船舶误入非通航区域，撞击到钢丝绳时，钢丝绳拉伸，当其受力大于设计值时，摩阻机转动释放钢丝绳，摩阻装置产生摩阻力，钢丝绳受到逆水流方向的合力逐渐增大，消耗船舶动能，使其减速直至停止 [1-2]。
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图1 摩阻型拦船设施平面布置图
（2）直线型禁航警示设施
禁航警示设施由锚墩、浮鼓、钢丝绳、锚链和沉石组成。锚墩布置于两岸侧，浮鼓配备警示标志及太阳能航标灯，浮鼓与浮鼓通过钢丝绳串联连接，浮鼓设锚链与水下沉石锚连。具体布置详见图2。
直线型禁航警示设施的功能是通过浮鼓上的警示标志提醒船舶，避免误入非通航区域，另外起到辅助拦截的功能。
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图2 直线型禁航警示设施平面布置图
（3）折线型拦船设施
折线型拦船设施是基于直线型拦船设施，额外增加两个副锚墩和两根副索，将主索连同浮鼓、沉石向上游方向牵引，在水面呈折线布置[3]。具体布置详见图3。
折线型拦船设施工作原理是当船舶撞击到钢丝绳时，若撞击力巨大，则副索首先断裂，钢丝绳拖动沉石克服水流力并逐步减弱船舶动能，最终主索受力并拦截船舶[3]。
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图3 折线型拦船设施平面布置图
从现阶段新孟河航道实际通航船船型构成看，一天100t级船舶通过量在2~3艘，未来考虑船舶大型化发展趋势，100t级船舶数量只会逐步降低。过境船舶的级别低，再考虑到工程结构的易实施性和成本相对较低等因素，最终选择方案二中的直线型禁航警示设施，设施在枢纽中的布置位置如图4所示。
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图4 直线型禁航警示设施工程位置示意图
3 技术方案
3.1拦河浮鼓组设计
1、长江侧
浮鼓组采用钢丝绳串联形式，考虑到长江侧隔流墩至对岸护坡约202m，，共设17只浮鼓，浮鼓之间跨度约为10米；浮鼓采用圆筒型直立结构，浮鼓材料选用船用级钢板，钢板厚5mm，内外防腐处理，其中9只浮鼓直径1.8m，浮出水面90cm，（5只浮鼓上设置航标灯，4只浮鼓上分别安装“禁”“止”“锚”“泊”四个大字，每个字1m×1m，镂空）；其余8只直径1.2m，浮出水面60cm。浮鼓配备警示标志及太阳能航标灯，夜间航标灯发光警示，可提醒过往船舶与保护设施保持一定安全距离航行。大小浮鼓间隔分布，每个浮鼓配重块采用1.2m×1.2m×1.2m现浇混凝土块预埋进护底，混凝土块上设锚钩，采用φ28锚链与浮鼓连接，锚链长17m。
2、内河侧
浮鼓组采用钢丝绳串联形式，考虑到内河隔流墩至对岸护坡约134m，，共设11只浮鼓，浮鼓之间跨度约为10米；浮鼓结构、材料、航标灯等同长江侧，其中6只浮鼓直径1.8m，浮出水面90cm，（2只浮鼓上设置航标灯，4只浮鼓上分别安装“禁”“止”“锚”“泊”四个大字，每个字1m×1m，镂空）；其余5只直径1.2m，浮出水面60cm。大小浮鼓间隔分布，每个浮鼓配重块采用1.2m×1.2m×1.2m现浇混凝土块预埋进护底，混凝土块上设锚钩，采用φ28锚链与浮鼓连接，锚链长13m。
3.2锚墩结构设计
（1）方案一
右岸锚墩设置在导航隔流墩上，采用桩基承台结构，承台下布置四根直径1m的C30灌注桩，桩长27m。左岸锚墩设置在堤防护坡上，锚墩采用四根直径1m的C30灌注桩，桩长27m，灌注桩呈方形布置。锚墩顶部采用1.2m×1.2mC30钢筋砼帽梁。锚墩设置可以随水位上下浮动的锚接装置。具体布置详见图5。
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图5 禁航警示设施（桩基承台结构）布置示意图
（2）方案二
右岸锚墩设置在导航隔流墩旁，左岸锚墩设置在堤防护坡上，锚墩采用三根直径1m的C30灌注桩，桩长27m，灌注桩呈三角布置，临水侧一根，另外两根并排布置。锚墩顶部采用1.2m厚三角形C30钢筋砼帽梁，帽梁临水侧预埋固定拉环，用以系结钢丝绳。右岸锚墩的灌注桩之间布置500mm×1000mmC30钢筋砼联梁。具体布置详见图6。
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图6 禁航警示设施（桩基联梁结构）布置示意图
经分析，两种方案的工程量基本相同，拉接钢丝绳长度略有差异，主要区别在于岸上锚墩结构及两端的锚接装置。方案一采用桩基承台锚墩结构，锚接装置可随浮鼓上下浮动，在实际运用过程中，受水面漂浮物的影响，浮动锚接装置有失效的可能性，且投资较高；方案二采用混凝土锚墩结构，锚接装置为预埋固定套环，投资较省，且界牌枢纽设计代表船型选取100t单船，方案二锚墩结构满足使用要求，故最终方案选取方案2。具体结构详见图7。
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图7 锚墩结构图
4、分析计算
4.1钢丝绳选取
禁航警示设施布置于水平面上，在正常运行情况下，浮鼓等系统所受到的水流力与钢丝绳所受到的牵引力达到平衡，设施保持稳定状态[4]。根据受力分析，钢丝绳在逆水流方向所受的合力为
式中：
—钢丝绳在逆水流方向所受的合力，kN；
—总水流力，kN；
—钢丝绳与河道横断面的夹角。
根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010），水流力的计算公式如下
式中：
—作用于结构上的水流力，kN；
—水流阻力系数；
—水密度，t/m3；
—水流设计流速，m/s；
—计算构件在与流向垂直平面上的投影面积，㎡。
界牌水利枢纽设计流速2.5m/s，设计代表船型选取100t单船，船长26m，船宽5m，设计吃水1.5m，求得总水流力k
，选取φ20mm的钢丝绳破断力为257kN，满足设计要求。
4.2桩基稳定计算
为防止钢丝绳在逆水流方向所受的合力过大，极限情况下对锚墩造成破坏，需对锚墩的桩基稳定进行计算，此处采用《桥梁博士3.0》中“多排弹性基础”计算，计算成果如下表：
表1 桩基计算成果表
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锚墩桩基水平位移均在10mm以内，满足《建筑桩基技术规范》的规定，水平承载力满足要求。
5 结语
界牌水利枢纽长江侧与内河侧水面宽广，水流流速较大，设计代表船型选取100t单船，为防止船舶误入非通航水域，设置禁航警示设施，现已安装并投入使用。
直线型禁航警示设施具有结构简单、柔性好与工程费用较低等特点，浮鼓上的警示灯可以提醒船舶，避免误入非通航区域。当船舶未注意警示，撞击警示设施时，由于设施良好的柔性，不会对船舶造成很大的损坏。在设有船闸的枢纽工程中推广应用，对保护过往船舶安全以及维护泵闸的正常运行，具有十分重要的意义与推广价值。
6 参考文献
[1]李欣,王豹,温少林,龙俊.摩阻型拦船设施在三河闸工程中的应用[J].水利科学与寒区工程,2018,1(07):62-66。
[2]刘良玉,周和平,徐铭,郭军.摩阻型拦船设施研究与应用[J].中国水利,2020(08):65-66。
[3]周和平,周建方,夏炎.适应水位变化恒张紧拦船设施研究与应用[J].江苏水利,2019(08):66-68+72。
[4]沈芝莹,陈猛,陈洁茹,王亚妮.入江水道东偏泓闸拦船设施安全稳定与影响分析[J].陕西水利,2019(05):133-134+137。
[5].折线型摩阻型拦船设施研究与应用[J].江苏水利,2017(11):73。