船闸下闸首泵房设备防淹改造浅析

尹斌勇，叶雅思

(1.长沙市湘江综合枢纽工程办公室，湖南 长沙 410200； 2.湖南省交通规划勘测设计院有限公司，湖南 长沙 410200 )

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个梯级开发的最下游一级航电枢纽，上游距株洲航电枢纽132 km，下游距城陵矶146 km，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。坝址控制流域面积90520km2，枢纽正常蓄水位29.7 m(黄海高程，以下一致)，相应库容6.75 亿m3。枢纽由船闸、泄水闸、坝顶公路桥、水电厂等4大主要部分组成，其中船闸为2 000 t级单级双线船闸，闸室尺寸34 m×280m×4.5 m(宽×长×门槛水深)，通过能力9800 万t/a。

根据湘江长沙综合枢纽初步设计，湘江长沙综合枢纽船闸防洪标准按照20 a一遇设计，对应水位为34.88 m，相应流量21 900 m3/s，船闸工程设计水位情况见表1。船闸上闸首顶高程39.7 m，泵房底高程36.0m；闸室闸墙顶高程37.0 m，闸墙内电缆廊道地面高程34.5 m；下闸首泵房顶高程39.0 m，泵房底高程35.0 m。闸首泵房内布置有人字门液压启闭机、输水阀门液压启闭机、液压泵站、现地控制柜等设备。

表1 湘江长沙综合枢纽船闸工程设计水位项目位置水位/m备注校核洪水位上游36.92相应流量30 200 m3/s(500 a一遇)下游36.80设计洪水位上游35.82相应流量26 400m 3/s(100 a一遇)下游35.73最高通航水位上游34.97相应流量21 900m 3/s(20 a一遇)下游34.88最低通航水位上游(运行期)28.40水库最低运行水位(对应无顶托时,泄水闸敞泄流量7 850 m3/s)下游(近期/远期)21.90/20.40相应流量385m3/s(保证率P=98%)检修水位上游29.70水库正常蓄水位下游26.162 a一遇水位

1 问题的提出

湘江长沙综合枢纽船闸于2012年10月10日建成通航，截至2022年3月，已运行近10 a。在此期间，2017年7月2日，长沙枢纽受下游水位顶托影响，入库流量为21 000 m3/s，坝址水位达到36.01 m，船闸下闸首泵房内设备被淹，致使双线船闸停航7 d，造成湘江干流断航，对省内重点企业如湘潭钢铁公司、湘潭火电厂等单位的物资运输造成了很大影响。2019年7月11日，入库流量26 000 m3/s，坝址水位达到34.13 m，船闸下闸首险些被淹。表2为湘江长沙综合枢纽近5 a最高水位统计数据，船闸防洪标准按照20 a一遇(对应水位34.88 m)，在近5 a时间中，有1 a超过设计洪水位，2 a接近设计洪水位。

受此影响，船闸在汛期时，通航保证率难以保证，不仅给船闸安全经济运行带来很大影响，而且直接影响省内物资运输，社会影响大，政府关注度高，需采取措施及时解决。

表2 湘江长沙综合枢纽近5 a最高水位统计数据年度 日期洪峰流量/(m3.s-1)洪峰水位/m20177月2日21 00036.01201811月17日5 50029.60 20197月11日26 00034.13 20207月11日8 00033.46 20215月22日19 00032.52

关于汛期被淹的情况，不少船闸时有出现，如2019年7月10日，湖南湘江株洲航电枢纽船闸下闸首泵房被淹1.4 m，造成停航15 d。目前，国内外对这方面的研究较少，尚无文献论述。本文从湘江长沙综合枢纽船闸的实际情况出发，提出有针对性的改造措施，以解决船闸下闸首泵房设备汛期被淹问题。在改造实施时，通过采取一系列创新措施，减少停航时间，保障船闸及时恢复通航。

2 改造措施

为了从根本上解决船闸下闸首设备汛期被淹问题，首先对在泵房内设置临时挡水子堤、抬高泵房内设备高程等几种方案进行经济和技术比较，综合可靠性因素和实施方案的便捷性，确定以提升船闸下闸首泵房设备高程的思路进行改造。

提升设备高程分为泵房内增高设备支墩基础或将设备转移抬高至泵房顶两种方式。经综合分析比较，采取将泵房设备转移至泵房顶的方式，即将设备布置底标高由35.0 m提高至39.0 m，船闸防洪标准由原有的20 a一遇(对应水位为34.97 m)提升至1 000 a一遇(对应水位37.14 m)以上。此方案可彻底解决船闸下闸首设备汛期被淹问题，改造施工和设备维护检修也较方便。具体措施包括整体抬高泵房内液压泵站和电气设备、对转移设备增设附属泵房。

2.1 整体抬高泵房内液压泵站和电气设备

原下闸首泵房内布置有人字门液压启闭机、输水阀门液压启闭机、液压泵站、现地控制柜等设备，左右两侧泵房内的设备为对称布置。以二线下左泵房内设备布置情况为例，对于泵房内的设备，因人字门、输水阀门液压启闭机与人字门、输水阀门为刚性连接，又液压启闭机的防尘防水等级为IP68，所以无需考虑转移抬高。

改造方案中，只需对液压泵站和现地控制柜等设备进行转移抬高即可。原泵房与新建泵房现地控制柜和液压泵站布置见图1。

图1 原泵房与新建泵房现地控制柜和液压泵站布置

具体实施方案如下：

1)设备转移：按照“施工可行，尽量利旧，方便运行，减少停航”原则综合考虑，对需要转移的液压泵站、现地控制柜等主设备按照设计要求转移至指定高程位置。

2) 管路改造：根据设备转移情况，对液压启闭机与转移后的液压泵站之间的管路，按照规范要求，采取与原规格相同的不锈钢高压油管进行布置。

3)线路改造：线路改造包括动力电缆、控制电缆、网络和广播线缆等。从配电房至动力柜的动力电缆、动力柜至电机的动力电缆按照“尽量利旧”原则，利用整根电缆，避免采取中间接头的方式。控制柜至泵站和其他自动化元件之间的控制电缆，采用尽量利旧，不能利旧则采用全部换新的方式，不允许采用中间接头。对网络和广播线缆，需采用整根电缆，且尽量利旧，以减少施工难度，光缆采用熔接方式。

在以上改造实施中，同时考虑电缆桥架的布置，以及泵站和控制柜的转移通道、起吊方式等。

2.2 增设附属泵房

泵房液压泵站和控制设备抬升后，由于设备转移到泵房顶，全部暴露在室外，完全不符合要求室内运行的条件，需考虑防雨、防尘，以及运行环境温度等问题，即需采取防护措施。通过对单个设备防护、整体闸首防护、闸首局部防护等方案的进行经济和技术比较，考虑单个设备防护难以符合运行要求、整体闸首防护费用较高的问题，最终采用闸首局部防护的方案，即在原下闸首泵房顶上，对液压和控制设备布置的局部范围内，新建一层泵房。

船闸下闸首原泵房尺寸：35.0 m(长) ×10.6 m(宽) ×4.0 m(高)，一线下左和二线下右共建一个泵房，尺寸：35.0 m(长) ×21.2 m(宽) ×4.0 m(高)。根据原有设计尺寸和实际情况，以原有结构缝为边界进行布局，闸首新建泵房尺寸：12.9 m (长)×10.6 m(宽) ×4.5 m(高)，其中一线下左和二线下右共建一个泵房，尺寸：12.9 m (长)×21.2 m (宽)×4.5 m(高)。具体布置以二线船闸下左泵房剖面图为例，见图2。

图2 二线船闸下新建左泵房剖面(单位: mm)

新建泵房采取框架结构，安全等级为二级，设计使用年限50 a，结构抗震等级为四级，建筑防火类别多层民用建筑，耐火等级二级。设计和施工时，将其结构防水、防雷接地、排水消防、供电照明等一并考虑。同时，考虑新建泵房及液压泵站对原有泵房的影响，对原有泵房结构进行了结构安全计算，各项载荷指标满足设计规范要求。

2.3 创新施工措施减少施工时停航时间

长沙枢纽船闸24 h运行，通航量大，在实施改造时，需考虑尽量缩短停航时间。按照常规方式，采取先转移设备，再布置管路和电缆，施工周期长，约需10 d左右，难以保障船舶过闸需求，势必会造成大面积船舶滞留问题。为此，从设计和施工方案综合考虑，采取先进行管路和线路布置，再进行设备转移的创新方式，减少改造施工的停航时间。具体实施措施为：对管路与液压启闭机的联接，采用原高压软管连接方式；对管路与液压泵站的联接，将原有硬管联接方式调整为高压软管连接。同时，线路改造与管路改造同步进行，即采用先布置线路(包括桥架)，再转移设备的方式，以此减少施工停航时间。实践证明，采取此方式施工，船闸(单线)只需停航3 d，有效避免了大量船舶滞留问题。

3 改装效果

湘江长沙综合枢纽船闸自2021年5月开始进行双线船闸下闸首4个泵房设备防淹改造施工，9月份完成新建泵房主体结构，11月份完成液压泵站和控制系统设备转移改造安装调试工作。船闸下闸首泵房改造前后实景见图3。

(a) 改造前

(b) 改造后

改造完成后，液压系统和控制系统设备运行正常，通过对船闸大坝观测系统数据进行观测和分析，各项观测数据正常，船闸主体结构安全稳定。船闸下闸首泵房设备防洪标准由20 a一遇提升至1000a一遇，彻底解决了船闸下闸首泵房设备在汛期被洪水淹没问题，从根本上保障了船闸通航保证率。

在改造实施过程中，采取先布置管路和线路再进行设备转移的创新施工方式，达到了既确保设备安全转移，又缩短船闸停航时间的双重要求，为船闸改造施工和船闸保障通航两不误寻求到一种最优方案和实施途径。

4 结语

湘江长沙综合枢纽船闸下闸首泵房设备防淹改造，开创了同类船闸改造的先例。为后续类似船闸在设计中避免泵房设备在汛期被淹，合理选择闸首泵房设备布置高程和设计防洪标准提供参考，同时为类似船闸工程改造提供借鉴和参考。鉴于地球气候异常现象频发，建议对船闸下闸首泵房设备防洪标准在《船闸总体设计规范》[2]等相关规范和标准中进行调整，即将现行的20 a一遇适当提升，以保障船闸通航保证率不因船闸下闸首泵房设备受淹而降低。