湘江長沙綜合樞紐船閘新型浮式系船柱應(yīng)用及特點

尹斌勇, 張 虎, 劉虎英

(1.長沙市湘江綜合樞紐工程辦公室, 湖南 長沙 410200； 2.湖南省交通水利建設(shè)集團有限公司, 湖南 長沙 410005;3.湖南省交通規(guī)劃勘測設(shè)計院， 湖南 長沙 410008)

0 前言

國內(nèi)已建船閘中，浮式系船柱作為船舶通過船閘的系纜設(shè)備，廣泛應(yīng)用于船閘中，其結(jié)構(gòu)型式一般是由浮筒、滾動裝置、系船架3部分組成[1]。由于近幾年船舶大型化發(fā)展速度很快，以前設(shè)計的浮式系船柱系纜高度和強度已不能滿足需要。國內(nèi)外許多學(xué)者一直在關(guān)注這方面的研究，在三峽船閘、葛洲壩船閘、京杭運河船閘、廣西西江流域船閘等都有體現(xiàn)。李家熹[2]研究了浮式系船柱的使用和維護，提到了小車架導(dǎo)輪支架變形的問題；秦宏[3]研究了船舶大型化對船閘管理帶來的新挑戰(zhàn)，其中著重研究了如何解決浮式系船柱系纜高度偏低的問題；張義軍等[4]研究了船舶大型化條件下的船閘管理對策，提出了通過管理手段來解決浮式系船柱系纜高度和強度不能滿足船舶過閘需要的問題；司敬陽[5]進行了滑塊式浮式系船柱的設(shè)計與研究，針對浮式系船柱的運行機構(gòu)，提出了滑塊式運行機構(gòu)代替滾輪式運行機構(gòu)的方式。然而，目前的一些研究仍未能較好解決浮式系船柱系纜高度不夠等突出問題。在不改變原有浮式系船柱導(dǎo)槽的前提下，既確保浮式系船柱的強度和浮力，又提高系纜高度，是目前的行業(yè)重點。

隨著我國社會經(jīng)濟的逐步發(fā)展，水運運輸愈加發(fā)達(dá)，船閘將發(fā)揮更加重要的作用。因此，解決船閘普遍存在的浮式系船柱系纜高度不夠等問題，具有重要的實際需求和現(xiàn)實意義。本文針對國內(nèi)船閘浮式系船柱普遍存在的系纜高度偏低等問題，以湘江長沙綜合樞紐船閘浮式系船柱為對象，在浮式系船柱門槽不進行改變的情況下，提出一種新型浮式系船柱結(jié)構(gòu)型式:改變浮筒材料、將系船架結(jié)構(gòu)調(diào)整為系纜小車結(jié)構(gòu)、調(diào)整導(dǎo)輪支架。

1 存在的問題

以湘江長沙綜合樞紐船閘為例，湘江長沙綜合樞紐位于湖南省長沙市望城區(qū)湘江干流蔡家洲，是湘江9個航電樞紐梯級開發(fā)的最下游一級，上游距株洲航電樞紐132km，下游距城陵磯146km；是一座以改善湘江航道為主，兼有保障供水、發(fā)電、灌溉、改善環(huán)境、公路交通等多重功能的綜合性樞紐工程，工程等級和規(guī)模位于國內(nèi)已建同類型工程的前列。樞紐由船閘、泄水閘、壩頂公路橋、電站等主要部分組成，其中船閘為2000t級單級雙線船閘，閘室有效尺寸為34m×280m×4.5m(寬×長×門檻水深)，年通過能力9800萬t。長沙綜合樞紐布置圖如圖1所示。

圖1 湘江長沙綜合樞紐鳥瞰實圖

船閘自2012年10月建成通航后，湘江長沙至株洲段航道的通航等級由1000t級提高至2000t級，通航條件得到了極大改善。通過長沙樞紐船閘的船舶尺寸和噸位逐年增大，由通航初期的500～1000t增加到了3000～5000t，最大通過了7000t的集裝箱船舶。由于過閘船舶的噸位和尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在船閘運行過程中，出現(xiàn)了浮式系船柱系纜高度偏低、浮式系船柱橫向?qū)л喼Ъ鼙焕瓘澴冃沃率垢∈较荡ㄗ璧葐栴}，對通航安全極為不利。湘江長沙綜合樞紐船閘的運行方式為24 h不間斷運行，每天的船舶過閘量約為230艘，通航量大，安全要求高，上述問題的存在對通航安全產(chǎn)生了極大的危脅。

1.1 浮式系船柱系纜高度偏低

長沙綜合樞紐原浮式系船柱的系纜高度范圍為1.2～3.0m，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)2000t級及以下船舶過閘時任何工況下的系纜要求；而對于大于2000t的船舶，就存在船舶空載時系纜困難的情況；特別是對于5000～7000t的船舶，其空載時的系纜高度高達(dá)4.5～5.5m(離水面距離)，原浮式系船柱系纜高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足船舶的安全系纜要求。船舶系纜的實際情況如圖2所示。

圖2 船舶系纜實圖

1.2 浮式系船柱導(dǎo)向輪支架變形

原浮式系船柱的橫向?qū)л喼Ъ懿捎?8a槽鋼，按照2000t級船舶過閘的系纜要求設(shè)計。在實際使用中，由于過閘船舶的噸位增大，且在過閘過程中，許多船舶通過浮式系船柱制動，導(dǎo)致多個浮式系船柱的橫向?qū)л喼Ъ鼙焕瓘?，進而造成浮式系船柱卡阻、不能正常工作。原浮式系船柱橫向?qū)л喼Ъ鼙焕瓘澋膶嶋H情況如圖3所示。

圖3 導(dǎo)輪支架被拉彎實圖

2 原浮式系船柱概述

長沙綜合樞紐雙線船閘共設(shè)置有44個浮式系船柱，每側(cè)閘室、閘墻布置11個浮式系船柱，分別于閘室兩側(cè)對稱布置，每個浮式系船柱均設(shè)有導(dǎo)槽。原浮式系船柱是根據(jù)浮力與重量相等的原理進行設(shè)計。浮式系船柱由浮筒、滾動裝置、系船架3部分組成，采用鋼結(jié)構(gòu)焊接制作。浮式系船柱總高度為5940mm，浮筒直徑為1350mm，高度為3500mm，淹沒水深2700mm。滾動裝置由橫向、縱向各6個導(dǎo)輪組成，導(dǎo)輪在閘墻導(dǎo)槽內(nèi)隨水位的升降而上下滾動。系船架上放置2層系船柱，層距1800mm，過閘船舶根據(jù)各自實際情況選用適合的系船柱。導(dǎo)槽埋件通過2期混凝土進行埋設(shè)，導(dǎo)槽埋件主要由導(dǎo)軌、護角、底檻、蓋板、限位鋼架組成。導(dǎo)軌和護角對稱布置，通過連接角鋼的螺栓連接。平時限位鋼架通過螺栓固定在導(dǎo)槽頂，浮式系船柱檢修時拆開。原浮式系船柱總裝圖如圖4所示，原浮式系船柱特性見表1。

3 改造方案

針對現(xiàn)有長沙綜合樞紐船閘所使用的原浮式系船柱系纜高度不夠、小車架導(dǎo)輪支架強度偏低等問題，新型浮式系船柱對浮筒裝置、系纜小車和連桿進行了改造。浮筒裝置由浮筒、4個橫向?qū)л喓?個縱向?qū)л喗M成。浮筒裝置的作用是實現(xiàn)整套裝置隨水位上下移動，在不改變浮筒直徑尺寸的前提下，對原有浮筒的板厚和結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化；浮筒直徑不變，高度由原來的3.5m優(yōu)化為3.3m，系船柱設(shè)置于系纜小車上，每個系纜小車由小車車架、4個橫向?qū)л喓?個縱向?qū)л喗M成，水平方向的系纜力可由4個橫向?qū)л喭耆云胶猓瑥亩瓜道|力不傳至下面浮筒或其他系纜小車。連桿是連接系纜小車與浮筒和各層系纜小車之間連接的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其長度可調(diào)整系船柱之間的距離，從而使浮式系船柱在高度方向可調(diào)節(jié)。連桿受力為其上部結(jié)構(gòu)自重和系纜力的向下分力，采用2個半圓形法蘭盤將連桿與上下系纜小車和浮筒連接。為適應(yīng)原有導(dǎo)槽尺寸，浮筒直徑、橫向?qū)л喼行木€距離均與原浮式系船柱相同。新型浮式系船柱總裝圖如圖5所示，新型浮式系船柱特性見表2。

圖4 原浮式系船柱總裝圖(單位： mm)

表1 原浮式系船柱特性表閘室最高通航水位/m閘室最低通航水位/m系船力/kN上系船柱離水面/m下系船柱離水面/m34.9720.401503.01.2系纜角/(°)浮筒直徑/mm浮筒高度/m浮筒淹沒水深/m 每套質(zhì)量/t 1401 3503.502.703.40

圖5 新型浮式系船柱總裝圖(單位： mm)

表2 新型浮式系船柱特性閘室最高通航水位/m閘室最低通航水位/m系船力/kN上系船柱離水面/m下系船柱離水面/m34.9720.402505.0111.687系纜角/(°)浮筒直徑/mm浮筒高度/m浮筒淹沒水深/m 每套質(zhì)量/t 1 4001 3503.302.903.97

3.1 增加系纜高度

新型浮式系船柱總高度8187mm，分為3層系纜，最下層系船柱高度為1687mm，第2層為3349mm，最上層為5011mm。水面以上的系纜高度由原來的3.0m增加至5.0m，以滿足通過5000t船舶空載時的最高系纜要求；同時由原來的2層改為3層，以滿足從小到大，不同噸位和不同尺寸船舶系纜高度的安全要求。應(yīng)用對比情況見圖6。

3.2 提高系纜力

將系纜小車中橫向?qū)л喼Ъ苡稍∈较荡牟垆摻Y(jié)構(gòu)改為工字鋼結(jié)構(gòu)，并增加鋼板厚度，加大連接螺栓尺寸，對各連接部位采取配鉆裝配工藝，使系纜小車的系纜力由原來的150kN提高到了250kN。確保大噸位船舶在系纜時不對浮式系船柱的結(jié)構(gòu)造成損傷，不出現(xiàn)浮式系船柱卡阻的問題，提高了系纜小車工作的穩(wěn)定性和可靠性。

a) 原浮式系船柱

b) 新型浮式系船柱

4 結(jié)語

長沙綜合樞紐船閘新型浮式系船柱的更換改造于2018年3月份完成，經(jīng)實際運行檢驗，新型浮式系船柱工作穩(wěn)定可靠，很好地滿足了大噸位船舶的系纜要求。這為解決已建船閘原浮式系船柱系纜高度過低的行業(yè)普遍問題提供了很好的解決思路和途徑，為同類工程船閘浮式系船柱的設(shè)計和改造提供參考和借鑒。