湘江长沙综合枢纽船闸新型浮式系船柱应用及特点

2020-09-16尹斌勇刘虎英

湖南交通科技 2020年3期

尹斌勇, 张虎, 刘虎英

(1.长沙市湘江综合枢纽工程办公室, 湖南长沙 410200； 2.湖南省交通水利建设集团有限公司, 湖南长沙 410005;3.湖南省交通规划勘测设计院，湖南长沙 410008)

0 前言

国内已建船闸中，浮式系船柱作为船舶通过船闸的系缆设备，广泛应用于船闸中，其结构型式一般是由浮筒、滚动装置、系船架3部分组成[1]。由于近几年船舶大型化发展速度很快，以前设计的浮式系船柱系缆高度和强度已不能满足需要。国内外许多学者一直在关注这方面的研究，在三峡船闸、葛洲坝船闸、京杭运河船闸、广西西江流域船闸等都有体现。李家熹[2]研究了浮式系船柱的使用和维护，提到了小车架导轮支架变形的问题；秦宏[3]研究了船舶大型化对船闸管理带来的新挑战，其中着重研究了如何解决浮式系船柱系缆高度偏低的问题；张义军等[4]研究了船舶大型化条件下的船闸管理对策，提出了通过管理手段来解决浮式系船柱系缆高度和强度不能满足船舶过闸需要的问题；司敬阳[5]进行了滑块式浮式系船柱的设计与研究，针对浮式系船柱的运行机构，提出了滑块式运行机构代替滚轮式运行机构的方式。然而，目前的一些研究仍未能较好解决浮式系船柱系缆高度不够等突出问题。在不改变原有浮式系船柱导槽的前提下，既确保浮式系船柱的强度和浮力，又提高系缆高度，是目前的行业重点。

随着我国社会经济的逐步发展，水运运输愈加发达，船闸将发挥更加重要的作用。因此，解决船闸普遍存在的浮式系船柱系缆高度不够等问题，具有重要的实际需求和现实意义。本文针对国内船闸浮式系船柱普遍存在的系缆高度偏低等问题，以湘江长沙综合枢纽船闸浮式系船柱为对象，在浮式系船柱门槽不进行改变的情况下，提出一种新型浮式系船柱结构型式:改变浮筒材料、将系船架结构调整为系缆小车结构、调整导轮支架。

1 存在的问题

以湘江长沙综合枢纽船闸为例，湘江长沙综合枢纽位于湖南省长沙市望城区湘江干流蔡家洲，是湘江9个航电枢纽梯级开发的最下游一级，上游距株洲航电枢纽132km，下游距城陵矶146km；是一座以改善湘江航道为主，兼有保障供水、发电、灌溉、改善环境、公路交通等多重功能的综合性枢纽工程，工程等级和规模位于国内已建同类型工程的前列。枢纽由船闸、泄水闸、坝顶公路桥、电站等主要部分组成，其中船闸为2000t级单级双线船闸，闸室有效尺寸为34m×280m×4.5m(宽×长×门槛水深)，年通过能力9800万t。长沙综合枢纽布置图如图1所示。

图1 湘江长沙综合枢纽鸟瞰实图

船闸自2012年10月建成通航后，湘江长沙至株洲段航道的通航等级由1000t级提高至2000t级，通航条件得到了极大改善。通过长沙枢纽船闸的船舶尺寸和吨位逐年增大，由通航初期的500～1000t增加到了3000～5000t，最大通过了7000t的集装箱船舶。由于过闸船舶的吨位和尺寸远远超过了设计标准，在船闸运行过程中，出现了浮式系船柱系缆高度偏低、浮式系船柱横向导轮支架被拉弯变形致使浮式系船柱卡阻等问题，对通航安全极为不利。湘江长沙综合枢纽船闸的运行方式为24 h不间断运行，每天的船舶过闸量约为230艘，通航量大，安全要求高，上述问题的存在对通航安全产生了极大的危胁。

1.1 浮式系船柱系缆高度偏低

长沙综合枢纽原浮式系船柱的系缆高度范围为1.2～3.0m，满足设计标准2000t级及以下船舶过闸时任何工况下的系缆要求；而对于大于2000t的船舶，就存在船舶空载时系缆困难的情况；特别是对于5000～7000t的船舶，其空载时的系缆高度高达4.5～5.5m(离水面距离)，原浮式系船柱系缆高度远远不能满足船舶的安全系缆要求。船舶系缆的实际情况如图2所示。

图2 船舶系缆实图

1.2 浮式系船柱导向轮支架变形

原浮式系船柱的横向导轮支架采用28a槽钢，按照2000t级船舶过闸的系缆要求设计。在实际使用中，由于过闸船舶的吨位增大，且在过闸过程中，许多船舶通过浮式系船柱制动，导致多个浮式系船柱的横向导轮支架被拉弯，进而造成浮式系船柱卡阻、不能正常工作。原浮式系船柱横向导轮支架被拉弯的实际情况如图3所示。

图3 导轮支架被拉弯实图

2 原浮式系船柱概述

长沙综合枢纽双线船闸共设置有44个浮式系船柱，每侧闸室、闸墙布置11个浮式系船柱，分别于闸室两侧对称布置，每个浮式系船柱均设有导槽。原浮式系船柱是根据浮力与重量相等的原理进行设计。浮式系船柱由浮筒、滚动装置、系船架3部分组成，采用钢结构焊接制作。浮式系船柱总高度为5940mm，浮筒直径为1350mm，高度为3500mm，淹没水深2700mm。滚动装置由横向、纵向各6个导轮组成，导轮在闸墙导槽内随水位的升降而上下滚动。系船架上放置2层系船柱，层距1800mm，过闸船舶根据各自实际情况选用适合的系船柱。导槽埋件通过2期混凝土进行埋设，导槽埋件主要由导轨、护角、底槛、盖板、限位钢架组成。导轨和护角对称布置，通过连接角钢的螺栓连接。平时限位钢架通过螺栓固定在导槽顶，浮式系船柱检修时拆开。原浮式系船柱总装图如图4所示，原浮式系船柱特性见表1。

3 改造方案

针对现有长沙综合枢纽船闸所使用的原浮式系船柱系缆高度不够、小车架导轮支架强度偏低等问题，新型浮式系船柱对浮筒装置、系缆小车和连杆进行了改造。浮筒装置由浮筒、4个横向导轮和4个纵向导轮组成。浮筒装置的作用是实现整套装置随水位上下移动，在不改变浮筒直径尺寸的前提下，对原有浮筒的板厚和结构进行了优化；浮筒直径不变，高度由原来的3.5m优化为3.3m，系船柱设置于系缆小车上，每个系缆小车由小车车架、4个横向导轮和2个纵向导轮组成，水平方向的系缆力可由4个横向导轮完全自平衡，从而使系缆力不传至下面浮筒或其他系缆小车。连杆是连接系缆小车与浮筒和各层系缆小车之间连接的结构，调节其长度可调整系船柱之间的距离，从而使浮式系船柱在高度方向可调节。连杆受力为其上部结构自重和系缆力的向下分力，采用2个半圆形法兰盘将连杆与上下系缆小车和浮筒连接。为适应原有导槽尺寸，浮筒直径、横向导轮中心线距离均与原浮式系船柱相同。新型浮式系船柱总装图如图5所示，新型浮式系船柱特性见表2。

图4 原浮式系船柱总装图(单位： mm)

表1 原浮式系船柱特性表闸室最高通航水位/m闸室最低通航水位/m系船力/kN上系船柱离水面/m下系船柱离水面/m34.9720.401503.01.2系缆角/(°)浮筒直径/mm浮筒高度/m浮筒淹没水深/m 每套质量/t 1401 3503.502.703.40

图5 新型浮式系船柱总装图(单位： mm)

表2 新型浮式系船柱特性闸室最高通航水位/m闸室最低通航水位/m系船力/kN上系船柱离水面/m下系船柱离水面/m34.9720.402505.0111.687系缆角/(°)浮筒直径/mm浮筒高度/m浮筒淹没水深/m 每套质量/t 1 4001 3503.302.903.97

3.1 增加系缆高度

新型浮式系船柱总高度8187mm，分为3层系缆，最下层系船柱高度为1687mm，第2层为3349mm，最上层为5011mm。水面以上的系缆高度由原来的3.0m增加至5.0m，以满足通过5000t船舶空载时的最高系缆要求；同时由原来的2层改为3层，以满足从小到大，不同吨位和不同尺寸船舶系缆高度的安全要求。应用对比情况见图6。

3.2 提高系缆力

将系缆小车中横向导轮支架由原浮式系船柱的槽钢结构改为工字钢结构，并增加钢板厚度，加大连接螺栓尺寸，对各连接部位采取配钻装配工艺，使系缆小车的系缆力由原来的150kN提高到了250kN。确保大吨位船舶在系缆时不对浮式系船柱的结构造成损伤，不出现浮式系船柱卡阻的问题，提高了系缆小车工作的稳定性和可靠性。