桂江京南水電站船閘改造方案研究

摘要：為滿足馬江作業(yè)區(qū)通航船舶下行的需求，有必要對京南現(xiàn)狀船閘進(jìn)行改造。文章對現(xiàn)狀船閘與馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，明確了不滿足船舶通航要求的因素，并結(jié)合船閘現(xiàn)狀，提出了相應(yīng)的改造思路與方案。

關(guān)鍵詞：京南水電站;船閘;船舶;改造

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：U641.2-A-55-195-5

0 引言

為加快西江黃金水道建設(shè)[1-2]，整合賀州港港口資源，促進(jìn)賀州市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，廣西賀州市港達(dá)投資發(fā)展有限公司積極推進(jìn)桂江港口等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)，于2018年12月開工建設(shè)賀州港昭平港區(qū)馬江作業(yè)區(qū)。馬江作業(yè)區(qū)規(guī)劃建設(shè)500噸級泊位18個（碼頭水工按1 000噸級泊位設(shè)計），一期在建泊位4個，于2020年12月開港試運(yùn)營。馬江作業(yè)區(qū)開港運(yùn)營后，500噸級及1 000噸級船舶將由桂江航道經(jīng)過京南、旺村兩座電站的船閘下行至西江。

由于京南船閘建設(shè)時間較早，船閘等級較低（為Ⅵ級船閘），現(xiàn)狀船閘無法滿足馬江作業(yè)區(qū)千噸級船舶通航要求。在京南二線船閘建設(shè)前，為提高桂江京南船閘對馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的適應(yīng)性，有必要對本船閘的改造方案進(jìn)行研究，為馬江作業(yè)區(qū)船舶營運(yùn)創(chuàng)造更好的條件。

本文從分析現(xiàn)狀船閘對馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的適應(yīng)性入手，找出不滿足船舶通航要求的因素，再結(jié)合船閘現(xiàn)狀，在盡量減少對主體結(jié)構(gòu)的影響下，提出可能的改造思路，并對改造方案進(jìn)行初步探討，以期對其他類似工程提供有益的借鑒。

1 工程概況

京南水利樞紐位于桂江下游的蒼梧縣京南鎮(zhèn)，屬桂江綜合利用規(guī)劃中倒數(shù)第二梯級水利樞紐工程，距梧州市68 km。京南樞紐現(xiàn)狀船閘布置于左岸，船閘軸線與壩軸線正交。京南船閘為Ⅵ級船閘，閘室有效尺度為80 m×12 m×1.5 m[3]，可一次通過（1+2×120）t拖帶船隊，設(shè)計年貨運(yùn)量為100萬t。船閘由上下引航道、上下閘首及閘室組成，船閘上引航道長237.7 m，船閘主體段長133.9 m，船閘下引航道段長303.4 m，總長675 m。京南電站船閘相關(guān)參數(shù)如下頁表1所示。

2 現(xiàn)狀船閘對馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的適應(yīng)性分析

京南現(xiàn)狀船閘為Ⅵ級船閘，馬江作業(yè)區(qū)開港運(yùn)營后，500噸級及1 000噸級船舶將由桂江航道經(jīng)過京南船閘下行至西江?，F(xiàn)從船閘平面尺度、門檻水深、通航凈高等方面分析現(xiàn)狀船閘對馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的適應(yīng)性，找出不滿足通航要求的相關(guān)因素，尋找改造辦法[4]。

2.1 船閘平面尺度分析

馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶設(shè)計代表船型為500噸級干貨船、500噸級集裝箱船、1 000噸級干貨船、1 000噸級集裝箱船、1 000噸級自卸沙船等。馬江作業(yè)區(qū)設(shè)計代表船型尺度如表2所示。

由表2可知，馬江作業(yè)區(qū)設(shè)計代表船型總長為42～60 m，船寬9～11 m，設(shè)計吃水為1.8～2.8 m。由于馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶船寬均<11 m，旺村現(xiàn)狀船閘閘室有效尺度為80 m×12 m（閘室有效長度×閘室有效寬度），可以滿足馬江作業(yè)區(qū)500噸級及1 000噸級船舶通航平面尺度要求。

2.2 門檻水深對千噸級船舶的適應(yīng)性分析

馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶最大設(shè)計吃水為2.8 m，根據(jù)規(guī)范要求，船閘門檻水深為1.6×2.8=4.48 m，取為4.5 m。京南水電站現(xiàn)狀船閘上閘首門檻底高程為24.7 m，故滿足馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶門檻水深要求的上游最低通航水位要求為：24.7+4.5=29.2 m。根據(jù)京南樞紐復(fù)線船閘工程可行性研究報告中相關(guān)成果，京南樞紐上游水位為29.2 m的保證率為93%。船閘上游門檻水深基本滿足馬江作業(yè)區(qū)船舶全年通航要求。

船閘下閘首門檻底高程為13.45 m。滿足馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶通航要求時，下游通航水位為13.45+4.5=17.95 m。京南水電站下游已建有旺村水電站，根據(jù)旺村水電站的運(yùn)行方式，當(dāng)Q≤1 600 m3/s時，水庫維持在17.5～18.5 m之間運(yùn)行，此時回水至京南樞紐壩址下游的水位≥17.5 m;當(dāng)Q>1 600 m3/s時，旺村樞紐降水位運(yùn)行。結(jié)合旺村樞紐水庫回水計算成果，當(dāng)Q=1 600 m3/s時旺村水電站回水至京南壩下的水位為19.71 m;Q=2 200 m3/s時旺村水電站回水至京南壩下的水位為21.12 m，故旺村水電站回水至京南壩下的水位≥17.5 m。

考慮在下游最低水位17.5 m的情況下，京南下閘首門檻水深為17.5-13.45=4.05 m，大于馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的吃水深度，但不滿足規(guī)范中門檻水深大于1.6倍船舶吃水深度的要求。為保證船舶通航安全，可在枯水期采取船舶減載的措施，當(dāng)船舶減載至吃水深度≤2.53 m時，其通航保證率可以達(dá)到99%以上。

2.3 通航凈高分析

船閘上閘首上部結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖1所示。

由圖1可見，上閘首各構(gòu)筑物底高程最低的為母線廊道，結(jié)構(gòu)底高程為36.558 m，上游水位為正常蓄水位30.0 m（最高通航水位）時，上閘首通航凈高為6.6 m，無法滿足馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶通航凈高為10 m的通航要求。

船閘下閘首上部結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2所示。

由圖2可見，下閘首各構(gòu)筑物底高程最低的為檢修閘門排架梁，梁底結(jié)構(gòu)高程約為35.95 m，下游最高通航水位（25.9 m）時下閘首通航凈高約為10 m，基本滿足馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶通航凈高要求。

2.4 京南水電站船閘對馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的適應(yīng)性分析結(jié)論

經(jīng)上述分析，京南水電站船閘平面尺度、門檻水深（下游枯水時段需減載至2.53 m）、下游通航凈高等基本可滿足馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的通航要求。但上閘首通航孔口的通航凈高6.1 m，不滿足馬江作業(yè)區(qū)500噸級船舶要求的通航凈高8 m，及1 000噸級船舶要求的通航凈高10 m。上閘首通航凈高成為馬江作業(yè)區(qū)開港運(yùn)營后通航船舶的最大限制因素。

3 可能的改造思路

由上閘首結(jié)構(gòu)剖面圖（圖1）可知，影響上閘首通航凈高的主要因素有母線廊道、門機(jī)軌道梁、電纜溝及壩面交通橋T梁。上述各構(gòu)筑物底高程最低的為母線廊道，結(jié)構(gòu)底高程為36.558 m;其次為門機(jī)軌道梁，底高程為38.1 m;再次為電纜溝梁及壩面交通橋T梁，結(jié)構(gòu)底高程為38.798 m。上游水位為正常蓄水位（即最高通航水位）30.00 m時，母線廊道處通航凈高為6.6 m，門機(jī)軌道處通航凈高為8.1 m，電纜溝及壩面交通橋T梁處通航凈高為8.8 m。若想通過改造，使上閘首通航凈高完全滿足馬江作業(yè)區(qū)千噸級船舶10 m通航凈高的要求，則需拆除母線廊道梁、門機(jī)軌道梁、電纜溝梁及壩面交通橋T梁并進(jìn)行相應(yīng)改造。

經(jīng)與京南電廠溝通了解，目前京南樞紐電廠所有物資運(yùn)輸都是從左岸進(jìn)廠，電廠運(yùn)行過程中廠內(nèi)大型發(fā)電機(jī)件運(yùn)輸、機(jī)組閘門檢修、溢流壩閘門檢修等必需的一些大型設(shè)備（如吊車、大型運(yùn)輸車輛等）均需通過壩面交通橋由左岸經(jīng)船閘段進(jìn)到廠房段進(jìn)行作業(yè)。重要大件設(shè)備則通過壩面的雙向門機(jī)和廠內(nèi)橋機(jī)吊運(yùn)到位。船閘段壩頂門機(jī)承擔(dān)著重要大件設(shè)備的吊裝及運(yùn)輸任務(wù)，不宜拆除改造。

以門機(jī)軌道梁底高程為基準(zhǔn)，壩面交通橋T梁、電纜溝梁底高程均高于門機(jī)軌道梁底高程，不列入改造范圍;低于門機(jī)軌道梁底的只有母線廊道。經(jīng)向電廠了解，母線廊道內(nèi)布設(shè)有發(fā)電機(jī)至開關(guān)站的母線，電廠允許對其進(jìn)行改造，故擬對母線廊道進(jìn)行改造。

對低于門機(jī)軌道梁底高程的母線廊道梁進(jìn)行改造后，上部梁體結(jié)構(gòu)最低處高程為38.10 m。上游水位為正常蓄水位（即最高通航水位）30.0 m時，上閘首通航凈空為8.1 m，滿足Ⅳ級航道通航凈高≥8 m的要求。考慮到馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶采取倒桅桿等措施，對通航凈高的要求約7.6～7.8 m，改造后的通航凈高可以解決短期內(nèi)馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的通航問題。

根據(jù)上述分析，目前情況下，僅對上閘首的母線廊道進(jìn)行改造，是用最小代價，并在短期內(nèi)滿足馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶通航問題最現(xiàn)實(shí)的改造方式。通航凈高提高后，京南船閘可以滿足短期內(nèi)馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的通航問題。

4 改造方案[5]

為盡量減少對主體結(jié)構(gòu)的影響，考慮施工期臨時母線布置、運(yùn)行期母線布置的需要等因素，初步考慮母線廊道改造方案為：

保持其他構(gòu)筑物現(xiàn)狀不變，拆除并原位復(fù)建母線廊道，提高母線廊道底高程至38.1 m（與門機(jī)軌道梁底同高），對局部范圍的母線進(jìn)行更換。主要改造方案如下：

4.1 土建部分

拆除船閘左右側(cè)樁號為0+073.250～0+086.750、上下游側(cè)樁號為壩下0+001.50～壩下0+005.10范圍內(nèi)的母線廊道;原位復(fù)建新母線廊道，新建母線廊道左右兩側(cè)置于上閘首左右閘墻的梁端支座平臺上，梁端與閘墩間預(yù)留20 mm縫隙，廊道左、右兩側(cè)邊界樁號為0+073.270、0+086.730。母線廊道順?biāo)鞣较蛲廨喞葘?.6 m，其上下游側(cè)邊界樁號分別為壩下0+001.50、壩下0+005.10。

新建母線廊道梁垂直水流向長為13.46 m，順?biāo)飨驅(qū)挒?.6 m。梁底高程為38.10 m，梁頂高程與壩面齊平，為40.20 m。新建母線廊道梁斷面采用鋼筋混凝土箱型梁，箱型梁底板厚300 mm，頂板厚300 mm，左右兩側(cè)腹板寬400 mm。改造后廊道凈高1.5 m，凈寬2.8 m。上部采用固定連梁與預(yù)制活動蓋板結(jié)合的方式。固定連梁的設(shè)置可以有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，有利于結(jié)構(gòu)受力;活動蓋板的設(shè)置是為方便后期的檢修維護(hù)。母線廊道梁上部共設(shè)置7道連梁，左右兩側(cè)連梁垂直水流向?qū)挾葹?.23 m，中間五道連梁寬度為1.0 m;預(yù)制活動蓋板共設(shè)置6塊，順?biāo)鞣较蜷L為3.12 m，垂直水流向?qū)挾葹?.0 m。母線廊道梁及蓋板均采用C30二級配混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土采用外購的方式解決。

為改善廊道內(nèi)通風(fēng)散熱條件，在母線廊道上下游側(cè)邊墻39.6 m高程垂直于水流向各均勻布置了6個通風(fēng)散熱孔。通風(fēng)散熱孔尺寸為（0.3×0.3）m。

為減少施工期船閘停航的時間，母線廊道梁采用預(yù)制后吊裝的施工方案。新建母線廊道梁梁體混凝土約為40 m3，考慮預(yù)埋件重量后，梁重>100 t，超出了壩頂2×500 kN門機(jī)的最大起吊重量。為此，將母線廊道梁分成兩部分，梁體下部1.5 m范圍內(nèi)的混凝土采用預(yù)制的方式，上部0.6 m范圍內(nèi)的混凝土采用現(xiàn)澆的方式。

梁體預(yù)制部分混凝土重量約為70 t。為方便預(yù)制部分吊裝，在預(yù)制現(xiàn)澆分界面上布置有吊裝埋件。

現(xiàn)澆混凝土部分重量約為31 t。待預(yù)制部分吊裝就位，安裝完畢，并將電纜敷設(shè)好后，再立模澆筑上部的混凝土。

母線廊道改造后，廊道內(nèi)凈高為1.5 m，不利于廊道內(nèi)的日常檢修?？紤]到改造段廊道總長約13.5 m，距離較短，故在本段設(shè)計檢修用坐式滑輪通行裝置，便于檢修人員更好地通過本段廊道，進(jìn)行廊道及相關(guān)電氣設(shè)備的日常檢修、維護(hù)。

母線廊道拆除范圍平面剖面、改造后平面剖面、改造后母線廊道典型剖面見圖3～5。

4.2 電氣部分

京南電站裝機(jī)容量為2×34.5 MW，機(jī)端電壓為10.5 kV，機(jī)組通過空氣絕緣鋁母線連接主變低壓側(cè)升壓后送出電能。電站廠房至左岸開關(guān)站間現(xiàn)有凈空為3 m（寬）×3 m（高）的母線廊道，1#機(jī)組與2#機(jī)組的送出母線分列母線廊道兩側(cè)布置，母線設(shè)保護(hù)網(wǎng)防護(hù)，廊道中間設(shè)1.4 m寬巡查檢修通道。母線廊道拆除復(fù)建后的凈空尺寸為2.8 m（寬）×1.5 m（高），無法滿足鋁母線布置要求，故將船閘段的母線改為采用電纜形式。

船閘段母線廊道內(nèi)電纜采用現(xiàn)制角鋼支架分層敷設(shè)，電纜轉(zhuǎn)彎半徑按>30倍電纜直徑設(shè)計。電纜與現(xiàn)有鋁母排采用銅鋁過渡終端連接。

4.3 施工期電纜布設(shè)

為減少改造施工對電站正常發(fā)電運(yùn)行的影響，施工期間采用ZC-YJV32-8.7/15 kV-3×300銅芯電纜跨接船閘上閘首左右側(cè)的發(fā)電機(jī)送出母線。施工期臨時電纜在壩面明敷，與拆除的船閘段母線廊道距離應(yīng)≥0.75 m，電纜轉(zhuǎn)彎半徑按大于30倍電纜直徑設(shè)計。電纜與現(xiàn)有鋁母排采用銅鋁過渡終端連接。在船閘段母線廊道拆除和復(fù)建期間，電站可正常發(fā)電運(yùn)行。

4.4 施工流程

總體施工流程為：預(yù)制新建的母線廊道梁→在上閘首母線廊道梁上下游側(cè)的壩面敷設(shè)施工期電纜→閘墻內(nèi)母線廊道頂部開施工臨時孔→電廠臨時停機(jī)、電纜由開孔接入閘墻母線廊道、與兩側(cè)鋁母排連接→試驗(yàn)檢測合格后，電廠恢復(fù)發(fā)電→拆除上閘首段母線廊道梁→梁端支座混凝土澆筑→梁端支座安裝及預(yù)制梁體吊裝→新建母線廊道內(nèi)運(yùn)行期電纜敷設(shè)→電廠臨時停機(jī)，做好新敷設(shè)電纜與閘墻母線廊道內(nèi)鋁母排連接→試驗(yàn)檢測合格后，電廠恢復(fù)發(fā)電→立模澆筑母線廊道梁上部的現(xiàn)澆混凝土→封堵施工期臨時開孔→吊裝蓋板→施工驗(yàn)收→施工結(jié)束。

4.5 施工方式

改造施工前，將電纜、預(yù)埋件等采購?fù)瓿?，并利用左岸的空地，預(yù)制上閘首段母線廊道混凝土預(yù)制梁。T梁達(dá)到齡期要求后，將準(zhǔn)備好的電纜臨時敷設(shè)于母線廊道上、下游壩面不影響壩面交通及門機(jī)正常運(yùn)行處，待上游來水量小，機(jī)組停機(jī)時，拆除上閘首母線廊道，將敷設(shè)在壩面上電纜的兩端分別與上閘首左、右邊墻母線廊道內(nèi)的鋁母排連接。連接完成并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，機(jī)組即可正常發(fā)電運(yùn)行。

電站機(jī)組正常運(yùn)行后，即可進(jìn)行預(yù)制母線廊道的安裝工作。首先將上閘首左右邊墩的原母線廊道擱置平臺采用混凝土回填至37.948 m高程，混凝土達(dá)到齡期，安裝好預(yù)制梁支座后，即可采用壩頂門機(jī)及汽車吊輔助，將預(yù)制母線廊道梁吊裝就位后，澆筑底部現(xiàn)澆濕接縫混凝土，并將準(zhǔn)備好的電纜敷設(shè)于母線廊道內(nèi)。敷設(shè)完畢后，擇機(jī)臨時停機(jī)，做好電纜與兩側(cè)鋁母排的連接，連接完成并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，機(jī)組即可正常發(fā)電運(yùn)行。蓋好廊道蓋板，完成上閘首母線廊道的改造。

4.6 初估投資

本方案改造包括上閘首22 m范圍內(nèi)母線廊道的拆除、復(fù)建;壩面局部鋪裝層拆除、恢復(fù);施工期電纜敷設(shè)等內(nèi)容，初估改造工程費(fèi)約為130萬，改造總費(fèi)用約為186萬元。

考慮到改造期間，電站的發(fā)電機(jī)需進(jìn)行停機(jī)，根據(jù)改造的工作內(nèi)容及工作量，初估前后共停機(jī)兩次，每次停機(jī)1 d。

停機(jī)損失暫按京南水電兩臺機(jī)組滿發(fā)考慮，前后兩次停機(jī)共造成發(fā)電損失為2×3.45×24×2=331.2萬kW·h;暫按0.3元/kW·h的電價初估，施工期發(fā)電損失共計約為99.4萬元。改造方案總投資約為285.4萬元。

5 結(jié)語

馬江作業(yè)區(qū)開港后，500噸級及1 000噸級單船將由桂江經(jīng)京南、旺村水電站船閘下行至西江，京南水電站船閘的平面尺度、門檻水深（枯水時段采取減載通航的措施）等基本可滿足短期內(nèi)馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的通航要求，但現(xiàn)狀船閘上閘首6.1 m通航凈高對過閘船舶限制較大。

結(jié)合與旺村電廠的溝通結(jié)果，保留門機(jī)軌道梁，對低于梁底高程的母線廊道進(jìn)行改造，是提高本船閘通航凈高最現(xiàn)實(shí)的方案。通過技術(shù)改造，現(xiàn)狀船閘的通航凈高可由目前的6.6 m提高為8.1 m，可以滿足馬江作業(yè)區(qū)500噸級運(yùn)營船舶的通航凈高要求;馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營的千噸級船舶在采取倒桅桿等措施后，對通航凈高的要求約為7.6～7.8 m，改造后的通航凈高可以解決短期內(nèi)馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營船舶的通航問題。這是采用較小代價，滿足短期內(nèi)馬江作業(yè)區(qū)開港運(yùn)營的最為有效的方式。

需要注意的是，按本方案進(jìn)行改造后，京南船閘的平面尺度、門檻水深、通航凈高等基本允許馬江作業(yè)區(qū)的運(yùn)營船舶短時期內(nèi)通航。但由于原船閘僅為Ⅵ級船閘，其水工建筑物的設(shè)計荷載遠(yuǎn)小于500噸級船舶及1 000噸級船舶的荷載。因此在改造后，500噸級、1 000噸級船舶通航時，應(yīng)采取加強(qiáng)調(diào)度、減速、慢行、倒桅桿等措施，并讓船舶直接從錨地進(jìn)入閘室，不在靠船墩處?？?進(jìn)入閘室后通過減少通航速度，延長灌泄水時間等方式及措施，臨時性解決馬江作業(yè)區(qū)建成后運(yùn)營船舶的短期內(nèi)通航問題。從有利于桂江航運(yùn)長遠(yuǎn)發(fā)展的角度考慮，還需繼續(xù)推進(jìn)京南水電站二線船閘的前期工作，盡早開工建設(shè)，以滿足馬江作業(yè)區(qū)運(yùn)營要求，并從根本上解決千噸級船舶在桂江內(nèi)通航的瓶頸問題。

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收稿日期：2021-03-18

作者簡介：

陳貽送（1985—），工程師，主要從事水利工程、港口與航道工程相關(guān)工作。