新邦纳维尔船闸设计-船闸与升船机设计

3.7.4.1 船闸总布置

美国新邦纳维尔水利枢纽为哥伦比亚河的最后一个梯级，上游水库最高水位25.12m，最低水位21.34m。船闸上游通航水位23.47～21.34m，下游通航水位2.10～10.80m，最大工作水头21.37m，闸室平面有效尺寸205.5m×26.2m。船闸区域基岩为辉绿岩。

船闸上闸首为U形整体式结构，上闸首设弧形面板人字工作闸门，由齿轮式液压启闭机启闭。启闭机房位于闸首顶部，闸面至机房设有交通楼梯和竖井，在上闸首右边墩设有控制楼，左边墩设有观景台。上闸首底坎高程15.54m。

下闸首亦为U形整体式结构，下闸首设有相同型式的人字工作闸门和启闭机房。在下闸首下游12.2m高程处设有一座跨度为26.2m不对称的单侧平旋预应力钢筋混凝土活动式公路桥。船闸底槛高程－3.7m。

新船闸闸室结构段长195.9m，为便于输水廊道和工作阀门井的布置，其中上游48m，下游30m，为厚壁式闸室墙，其余均为薄衬砌墙，闸室墙顶部高程均为24.7m，底高程－8.5m。薄衬砌墙迎水面垂直，最小厚度76cm，靠岩壁侧为1∶0.025 的微倾，每12m梯段厚度增加预裂爆破小平台宽30cm，衬砌墙顶部因交通和布置管线廊道加宽至6m。

船闸上、下闸首工作门上、下游均设叠梁式检修闸门，不设固定启闭机，检修时用浮吊操作，上游也不设事故闸门。输水阀门均为反向弧门，用竖缸式液压启闭机启闭。反弧门上、下游均设平板检修阀门。阀门面板涂有防腐材料，输水廊道阀门段从反弧门侧轨至下游检修阀门槽后1 倍洞高范围用钢板衬护。

此外，船闸还布置了深井排水泵、压缩空气系统，以及消防、照明、供电、通信等其他附属设备。

新邦纳维尔船闸原采用纵向长廊道4区段侧向出水的等惯性输水系统，主廊道设在闸室底板两侧。后经模型试验改为二区段出水系统，并根据我国三峡船闸设计经验，将主廊道改为两条对称布置在闸室两侧的输水隧洞。闸室充泄水时间6～12min。

对称布置于闸室两侧的钢筋混凝土衬砌输水隧洞，开挖直径为5.5m，衬砌后过水断面内径4.6m，最小衬砌厚度45cm，输水系统在引航道内正向取水，由于进水口段工程地质条件较差，进水口紧靠上闸首对称布置在上游两侧导航墙内；下游泄水为横支廊道侧向分散出水，通过布置在下闸首下游呈U形整体结构的泄水段内的横支廊道直接向下游引航道泄水。

上游取水口在引航道每侧设4 个进水口，孔口尺寸2.44m×9.14m，孔口顶高程－0.31m，底高程－9.45m，上游最低通航水位时，进口淹没水深大于20m。模型试验表明，在充水过程中右侧进水口表面有小漩涡，但漩涡尺寸不足以使空气进入进水口。为消除进口小漩涡，在上闸首上游面设置了一个倒三棱锥体。在进水口段的引航道底部设置深5.2m的拦沙池。

输水阀门采用竖梁式反弧门，阀门尺寸4.27m×3.66m（高×宽），门后廊道为平顶，顶高程－5.03m，最小淹没深度7.16m。阀门正常开启时间58s，距阀门井前后4m各设一道平板检修门，检修门外侧各接一方圆形渐变段。克服阀门区空蚀主要采取快速开门的措施，针对不同的水位条件和运行条件（单、双边阀门运行），使用数字模型绘制了一个阀门运行图，以控制最小空化指数不小于0.6。两边阀门同时运行，当下游水位高于4.27m时，采用2min开门时间；当下游水位低于4.27m时，开门时间为58s。单边阀门运行，当下游水位高于4.27m时，采用58s开门时间；当下游水位低于4.27m时，采用间歇开门方式，即采用1min开门时间的开门速度，在0.2开度间歇7.5min，这样充泄水时间为15min左右。在阀门后1 倍洞高范围内，采用不锈钢板衬砌，包括门楣、顶板、底板边墙和检修门槽。长廊道过水断面面积与阀门面积比约为1.05。主廊道在闸室中部经分流口进入支廊道。支廊道为矩形断面，尺寸为3.7m×2.2m，断面面积与阀门面积比约为1.04。

闸室底部布置侧向出水加消力梁的支廊道，出水孔孔底与闸室底板齐平，尺寸0.3m×0.9m，每一区段共40个，支廊道之间和闸室两侧均布置了T形消力墩。闸室最小水垫层厚度6.4m。纵横向系缆拉力分别小于5t和3t。

新船闸泄水为两条带消能设施向两侧出水的廊道，将水体直接泄入下游引航道内，每条侧向廊道设8 对泄水孔，孔底高程为－10.36m，廊道的横截面积呈阶梯状减少，由3.66m×4.27m渐变为3.66m×0.94m。每个泄水孔尺寸为0.69m×1.36m，为防止泄水阀门处发生气蚀，总泄水孔面积小于阀门面积，两者之比约为0.96。泄水孔口的中心间距为3m，使相邻出流撞击消能挡板之前不会互相穿切。船闸输水系统布置见图3-104。

新邦纳维尔船闸在1993年前后建成通航。船闸输水系统布置见图3-104，船闸总体布置见图3-105。

图3-104 新邦纳维尔船闸输水系统（单位：m）

（a）纵剖面图；（b）平面图
1—拱形人字门；2—反向弧形阀门；3—进水口；4—泄水口

图3-105 美国新邦纳维尔船闸总体布置图

3.7.4.2 船闸结构

新邦纳维尔船闸根据地形、地质及结构受力条件，闸首采用钢筋混凝土整体式结构，闸室墙采用钢筋混凝土薄衬砌结构，输水系统主廊道为钢筋混凝土衬砌隧洞型式。

船闸设计水位： 上游23.47～21.34m

下游10.82～2.10m

船闸最高检修水位：上游23.47m

下游10.82m

按上游水位23.47m对应下游水位13.72m进行结构正常应力设计。

最高洪水位：上游27.43m

下游19.80m

可能最大洪水位： 上游32.00m

下游24.70m

墙后地下水位：（H上游＋H下游）／2

船舶系缆力：纵向5.0t，横向3.0t

锚杆支护方式：边坡支护锚杆与衬砌墙结构锚杆相结合。

闸室的作用是容纳升降的水体，因此四周需有挡水结构。新邦纳维尔船闸在一块长约330m、厚约70m的结晶岩的侵入体辉绿岩中开挖形成，两侧岩体强度完全可以承受闸室水压力等荷载，如果采用重力式挡水墙显然是不经济不合理的。在闸室墙设计时，考虑充分利用两侧周边岩体的作用，选用了薄衬砌式结构，闸室水压力主要由岩体承担。因此薄衬砌闸室墙的主要功能已转换为：起隔水作用，防止岩体与闸室发生水体交换，影响岩体的稳定；构成一个光滑的闸室墙面，避免因闸室墙的不光滑面造成船只进出时受损，同时在充泄水引起闸室水体紊动，影响闸室停泊条件；用于浮式系缆桩、监控、交通等设备和设施的布置。

由于衬砌式闸墙的断面尺寸很小，在船闸低水位运行或检修时闸室同样不能单独维持稳定，因此需解决好两个技术问题：①具有一个可靠的墙后排水系统，使墙后岩体渗水尽可能地保持较低水位，减小墙后渗压力；②具有一个可靠的锚杆支护系统，能保证墙后岩体稳定和衬砌墙与岩体联合受力。

衬砌墙厚度主要取决于锚杆在墙中的结构布置、其他设施布置及施工要求。

新邦纳维尔船闸根据锚杆布置的最小厚度按式（3-80）拟定：

式中 δR——锚杆的抗拔出最小厚度，根据锚杆的设计荷载由试验确定δR＝48cm；

δD——锚头厚度取δD＝15cm；

δC——保护层厚度取δC＝13cm。(www.xing528.com)

由此得出衬砌墙最小厚度76m。

船闸上其他设备与设施如浮式系船柱，爬梯等均为凹入方式布置在闸墙迎水面，只增加局部开挖厚度，不增加衬砌墙所有截面厚度。

施工技术是影响衬砌墙厚度的因素之一。根据陆军工程师团实际施工经验，开挖预裂面坡度为40∶1，每12m为一个开挖梯段，每一开挖梯段层面上要留30cm宽的小平台，作为预裂钻孔时钻机操作空间。因此衬砌墙厚由底部0.76m到顶部2.6m左右不等，在顶部因布置管线廊道，厚度加大为6m。

衬砌墙结构计算模式简化为以锚杆为弹性支座的板或多跨连续梁，不计衬砌墙与岩体的摩擦力和凝聚力，也不考虑闸室底板与衬砌之间的相互作用，分别计算各种荷载工况下结构的内力和位移，用以复核衬砌墙厚度和确定钢筋用量，新邦纳维尔船闸薄衬砌墙还专门进行了温度计算。

锚杆的主要功能是维持岩坡及衬砌墙稳定。

新邦纳维尔船闸区域基岩为辉绿岩，岩体节理发育，风化严重、完整性差。根据裂隙产状可分为3 层：上层裂隙倾角45°～60°，下层裂隙倾角90°±10°，因此又称柱状岩体，中间为过渡层。岩体抗剪强度指标为：内摩擦角60°，粘聚力C′＝126kg／cm2。结构面抗剪强度设计值：内摩擦角45°，粘聚力C′＝0.7kg／cm2。

岩坡及衬砌墙的稳定分析包括抗倾覆稳定和抗滑稳定，计算工况及安全系数如表3-16。计算分析时根据极限平衡理论用Hoek和Brags 公式计算，先用式（3-81）计算岩坡抗滑稳定安全系数，若抗滑安全系数不满足规定要求，则按式（3-82）求出锚杆的数量，然后进行岩坡抗倾覆稳验算，如不满足要求则增加锚杆的数量。

表3-16 岩坡稳定计算工况及安全系数表

式中 Fs——安全系数；

c——粘聚力；

φ——裂缝内摩擦角；

ψ——滑动面与水平面之间的夹角；

A——破坏面面积A＝（H－Z）cscφ；

u——作用在破坏面上的扬压力，u＝1／2γwZw（H－Z）；

V——作用在张裂缝上的水压力，V＝1／2γwZ2w；

γw——水的容重；

Zw——张裂缝处水压力作用高度。

式中 T——锚杆的锚着力；

θ——锚杆与破坏面夹向间夹角。

为确定岩体边坡稳定支护锚杆的布置，沿纵向取单宽按节理层面逐层计算抗滑稳定和抗倾覆稳定，由此确定每层所需助稳锚杆拉力及临界滑动面，经计算边坡最危险滑动面与水平面之间夹角为70°。选用φ35，极限抗拉强度fpu＝885MPa的高强锚杆，屈服强度fpy＝700MPa，比例极限强度fps＝531MPa，上部锚杆布置间距为2.1m×2.1m，中部锚杆间距为2.1m×1m，底部锚杆间距为1m×1m，所有锚杆均穿越临界面3.0～4.5m，锚杆长度为6～18m。

用于岩坡稳定的支护锚杆同时作为衬砌墙稳定的结构锚杆，设计中分别验算了在各种工况下，维持衬砌墙稳定及强度时要求锚杆所承受的剪切荷载及受拉力，其中拉力用以适应衬砌墙在墙背静水压力及岩土压力作用下的强度和稳定要求，剪切荷载主要为衬砌墙施工浇筑过程中，低层混凝土在其上部混凝土浇筑层重力荷载作用下，由于产生压缩变形所产生的荷载以及温度变形引起的荷载。

对于衬砌式闸室墙，基础排水工程是直接关系结构安全的重要技术措施之一，新邦纳维尔船闸的排水工程由3 部分组成，即上闸首基础排水系统、衬砌墙墙后排水系统和底板排水系统。

新邦纳维尔船闸闸首底部不设防渗灌浆帷幕，而在闸坝岩体的上、下游面及引航道底部设钢筋混凝土防渗底板及防渗齿槽作水平防渗。上闸首底部设一排排水孔，排水孔深30m，间距3m，共计36 孔，设计渗水量为7573L／min，基础渗水汇集至D＝31cm的集水管，再经两侧闸室墙底部管道排到下游集水井。排水帷幕处设计扬压力系数为α＝0.5。

衬砌墙墙后排水采用水平排水系统，排水系统的布置考虑以下因素：①满足渗水量的要求，新邦纳维尔船闸墙后岩体渗水量与上闸首的排水系统同样为7573L／min，渗水量的确定取决于基岩的渗透情况，主要通过现场观测试验确定；②系统运行充分可靠，既要便于维护和清洗，又要便于安全监测；③施工方便、快捷。

根据以上要求，墙后排水采用PVC排水管道系统，在岩体上竖向设5 排垂直间距为4.3m、水平间距为2.1m的排水孔，梅花形布置，孔深为15m，孔径为50mm，然后用带有条状孔隙的塑料排水支管插入孔内。排水支管管径38mm，沿圆周设3 条不等宽的狭长形透水缝隙，缝隙宽度分别为1.6mm、0.5mm、0.25mm，沿长度方向间距约1cm。支管再与墙后纵向布置的排水干管相联，排至下游，纵向排水干管管径为200mm，四周为碎卵石包裹，沿管周围等间距设排水孔，每周设12 个孔，孔径为13mm，沿长度方向的孔间距为30cm。

闸墙后水平排水支管，在闸室墙迎水面上布置了清洗口，船闸运行时，拧紧管盖，防止闸室水渗入管内，检修时打开管盖用专用器械清洗管道，纵向排水干管清洗口设在闸墙的爬梯槽中，清洗时由上游注入压力为0.7MPa的高压水分段冲洗。为施工安装方便，每层排水管均布置混凝土浇筑层的顶面附近，施工时要防止水泥砂浆等杂物进入管道内。

船闸底板也采用多孔PVC管道排水系统。首先在基岩面上铺层碎石卵石，再将管路系统布置在上面，然后在其上浇一层30cm厚的无砂混凝土，再在上面浇一层76cm厚的普通钢筋混凝土。

闸室开挖施工包括土石方开挖、边坡锚杆施工及排水孔施工。整个闸室分为3 段逐层流水作业施工。每一层开挖包括出渣、边坡锚杆和排水孔施工3 大工序。因而在组织程序上安排第一段进行钻孔爆破施工，第二段出渣，第三段施工边坡锚杆和排水孔，一道工序完毕后，再分别进行第二道工序。

新邦纳维尔船闸采用预裂爆破法施工，这样减少岩面松动掉块和超挖引起的回填混凝土量，闸室每层开挖深度3～4.5m，预裂爆破钻孔深不超过12m，间距36～120cm，常用60cm，孔径7.62cm，药包通常采用3.81cm×10.16cm的柱状药包，炸药为40%的明胶炸药或者硝铵炸药，在预裂孔底药包加倍，药包周围用1m的干净碎石片或者卵石堵塞，顶部留有10～15cm的堵塞孔。

爆破出渣完成后，立即进行边坡清理，清完后用6 台钻机同时在两边岩坡钻孔（锚杆和排水孔），锚杆孔向下倾斜5°，排水孔向上倾斜5°，之后开始安装岩坡预应力高强锚杆，锚杆灌浆材料为高聚酯树脂，其施工程序如下：

首先，将化学固结材料置于锚杆孔。该材料一般为塑料袋装，由两种性能不同的成分组成，在孔内混合，锚杆内锚段部分固结时间极短，一般只需10～30s可安全固结，而其中部分固结时间约需30min。

第二步，用专用设备将锚杆以旋转的方式送入孔内。

第三步，待锚杆内锚段完全固结后（约2min）将锚杆拉至80t拉力，证明内锚段固结有效后，将拉力释放至18t，固定锚杆张拉端。待该层锚杆全部安装完毕并达到设计强度要求后，即可进行下一层开挖。

闸室衬砌墙混凝土施工按美国有关规范规定，最小尺寸大于1.2m的水工混凝土属于大体积混凝土结构，所以衬砌墙施工方式及温控条件也完全按大体积混凝土浇筑要求确定。新邦纳维尔船闸衬砌墙分缝按常规设置，在美国西北地区，竖向分缝间距一般为14～18m，特殊情况可达27m。该船闸衬砌墙竖向分缝间距取17m，竖向缝为永久缝，设一道止水，水平施工缝设计上未作规定，由施工单位根据浇筑层高度决定。根据水平排水管布置和锚杆布置，该船闸衬砌墙浇筑层高度为2.1m。

衬砌墙在闸室底板浇筑前施工，采用普通钢模板，未采用滑模技术。

衬砌墙底部由于断面小、强度要求高而采用高强混凝土，上部采用普通混凝土，根据AEE规范规定，混凝土弹模设计龄期为90～180d，个别可采用360d。

夏季混凝土入仓温度一般控制在10℃左右，浇筑间歇一般为5d。

衬砌墙的设计允许裂缝宽度为1mm，大于我国限裂设计的允许裂缝宽度。