船閘下閘首泵房設(shè)備防淹改造淺析

尹斌勇，葉雅思

(1.長沙市湘江綜合樞紐工程辦公室，湖南 長沙 410200； 2.湖南省交通規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410200 )

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個梯級開發(fā)的最下游一級航電樞紐，上游距株洲航電樞紐132 km，下游距城陵磯146 km，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。壩址控制流域面積90520km2，樞紐正常蓄水位29.7 m(黃海高程，以下一致)，相應(yīng)庫容6.75 億m3。樞紐由船閘、泄水閘、壩頂公路橋、水電廠等4大主要部分組成，其中船閘為2 000 t級單級雙線船閘，閘室尺寸34 m×280m×4.5 m(寬×長×門檻水深)，通過能力9800 萬t/a。

根據(jù)湘江長沙綜合樞紐初步設(shè)計(jì)，湘江長沙綜合樞紐船閘防洪標(biāo)準(zhǔn)按照20 a一遇設(shè)計(jì)，對應(yīng)水位為34.88 m，相應(yīng)流量21 900 m3/s，船閘工程設(shè)計(jì)水位情況見表1。船閘上閘首頂高程39.7 m，泵房底高程36.0m；閘室閘墻頂高程37.0 m，閘墻內(nèi)電纜廊道地面高程34.5 m；下閘首泵房頂高程39.0 m，泵房底高程35.0 m。閘首泵房內(nèi)布置有人字門液壓啟閉機(jī)、輸水閥門液壓啟閉機(jī)、液壓泵站、現(xiàn)地控制柜等設(shè)備。

表1 湘江長沙綜合樞紐船閘工程設(shè)計(jì)水位項(xiàng)目位置水位/m備注校核洪水位上游36.92相應(yīng)流量30 200 m3/s(500 a一遇)下游36.80設(shè)計(jì)洪水位上游35.82相應(yīng)流量26 400m 3/s(100 a一遇)下游35.73最高通航水位上游34.97相應(yīng)流量21 900m 3/s(20 a一遇)下游34.88最低通航水位上游(運(yùn)行期)28.40水庫最低運(yùn)行水位(對應(yīng)無頂托時,泄水閘敞泄流量7 850 m3/s)下游(近期/遠(yuǎn)期)21.90/20.40相應(yīng)流量385m3/s(保證率P=98%)檢修水位上游29.70水庫正常蓄水位下游26.162 a一遇水位

1 問題的提出

湘江長沙綜合樞紐船閘于2012年10月10日建成通航，截至2022年3月，已運(yùn)行近10 a。在此期間，2017年7月2日，長沙樞紐受下游水位頂托影響，入庫流量為21 000 m3/s，壩址水位達(dá)到36.01 m，船閘下閘首泵房內(nèi)設(shè)備被淹，致使雙線船閘停航7 d，造成湘江干流斷航，對省內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)如湘潭鋼鐵公司、湘潭火電廠等單位的物資運(yùn)輸造成了很大影響。2019年7月11日，入庫流量26 000 m3/s，壩址水位達(dá)到34.13 m，船閘下閘首險(xiǎn)些被淹。表2為湘江長沙綜合樞紐近5 a最高水位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，船閘防洪標(biāo)準(zhǔn)按照20 a一遇(對應(yīng)水位34.88 m)，在近5 a時間中，有1 a超過設(shè)計(jì)洪水位，2 a接近設(shè)計(jì)洪水位。

受此影響，船閘在汛期時，通航保證率難以保證，不僅給船閘安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來很大影響，而且直接影響省內(nèi)物資運(yùn)輸，社會影響大，政府關(guān)注度高，需采取措施及時解決。

表2 湘江長沙綜合樞紐近5 a最高水位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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

關(guān)于汛期被淹的情況，不少船閘時有出現(xiàn)，如2019年7月10日，湖南湘江株洲航電樞紐船閘下閘首泵房被淹1.4 m，造成停航15 d。目前，國內(nèi)外對這方面的研究較少，尚無文獻(xiàn)論述。本文從湘江長沙綜合樞紐船閘的實(shí)際情況出發(fā)，提出有針對性的改造措施，以解決船閘下閘首泵房設(shè)備汛期被淹問題。在改造實(shí)施時，通過采取一系列創(chuàng)新措施，減少停航時間，保障船閘及時恢復(fù)通航。

2 改造措施

為了從根本上解決船閘下閘首設(shè)備汛期被淹問題，首先對在泵房內(nèi)設(shè)置臨時擋水子堤、抬高泵房內(nèi)設(shè)備高程等幾種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和技術(shù)比較，綜合可靠性因素和實(shí)施方案的便捷性，確定以提升船閘下閘首泵房設(shè)備高程的思路進(jìn)行改造。

提升設(shè)備高程分為泵房內(nèi)增高設(shè)備支墩基礎(chǔ)或?qū)⒃O(shè)備轉(zhuǎn)移抬高至泵房頂兩種方式。經(jīng)綜合分析比較，采取將泵房設(shè)備轉(zhuǎn)移至泵房頂?shù)姆绞?，即將設(shè)備布置底標(biāo)高由35.0 m提高至39.0 m，船閘防洪標(biāo)準(zhǔn)由原有的20 a一遇(對應(yīng)水位為34.97 m)提升至1 000 a一遇(對應(yīng)水位37.14 m)以上。此方案可徹底解決船閘下閘首設(shè)備汛期被淹問題，改造施工和設(shè)備維護(hù)檢修也較方便。具體措施包括整體抬高泵房內(nèi)液壓泵站和電氣設(shè)備、對轉(zhuǎn)移設(shè)備增設(shè)附屬泵房。

2.1 整體抬高泵房內(nèi)液壓泵站和電氣設(shè)備

原下閘首泵房內(nèi)布置有人字門液壓啟閉機(jī)、輸水閥門液壓啟閉機(jī)、液壓泵站、現(xiàn)地控制柜等設(shè)備，左右兩側(cè)泵房內(nèi)的設(shè)備為對稱布置。以二線下左泵房內(nèi)設(shè)備布置情況為例，對于泵房內(nèi)的設(shè)備，因人字門、輸水閥門液壓啟閉機(jī)與人字門、輸水閥門為剛性連接，又液壓啟閉機(jī)的防塵防水等級為IP68，所以無需考慮轉(zhuǎn)移抬高。

改造方案中，只需對液壓泵站和現(xiàn)地控制柜等設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)移抬高即可。原泵房與新建泵房現(xiàn)地控制柜和液壓泵站布置見圖1。

圖1 原泵房與新建泵房現(xiàn)地控制柜和液壓泵站布置

具體實(shí)施方案如下：

1)設(shè)備轉(zhuǎn)移：按照“施工可行，盡量利舊，方便運(yùn)行，減少停航”原則綜合考慮，對需要轉(zhuǎn)移的液壓泵站、現(xiàn)地控制柜等主設(shè)備按照設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)移至指定高程位置。

2) 管路改造：根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)移情況，對液壓啟閉機(jī)與轉(zhuǎn)移后的液壓泵站之間的管路，按照規(guī)范要求，采取與原規(guī)格相同的不銹鋼高壓油管進(jìn)行布置。

3)線路改造：線路改造包括動力電纜、控制電纜、網(wǎng)絡(luò)和廣播線纜等。從配電房至動力柜的動力電纜、動力柜至電機(jī)的動力電纜按照“盡量利舊”原則，利用整根電纜，避免采取中間接頭的方式?？刂乒裰帘谜竞推渌詣踊g的控制電纜，采用盡量利舊，不能利舊則采用全部換新的方式，不允許采用中間接頭。對網(wǎng)絡(luò)和廣播線纜，需采用整根電纜，且盡量利舊，以減少施工難度，光纜采用熔接方式。

在以上改造實(shí)施中，同時考慮電纜橋架的布置，以及泵站和控制柜的轉(zhuǎn)移通道、起吊方式等。

2.2 增設(shè)附屬泵房

泵房液壓泵站和控制設(shè)備抬升后，由于設(shè)備轉(zhuǎn)移到泵房頂，全部暴露在室外，完全不符合要求室內(nèi)運(yùn)行的條件，需考慮防雨、防塵，以及運(yùn)行環(huán)境溫度等問題，即需采取防護(hù)措施。通過對單個設(shè)備防護(hù)、整體閘首防護(hù)、閘首局部防護(hù)等方案的進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和技術(shù)比較，考慮單個設(shè)備防護(hù)難以符合運(yùn)行要求、整體閘首防護(hù)費(fèi)用較高的問題，最終采用閘首局部防護(hù)的方案，即在原下閘首泵房頂上，對液壓和控制設(shè)備布置的局部范圍內(nèi)，新建一層泵房。

船閘下閘首原泵房尺寸：35.0 m(長) ×10.6 m(寬) ×4.0 m(高)，一線下左和二線下右共建一個泵房，尺寸：35.0 m(長) ×21.2 m(寬) ×4.0 m(高)。根據(jù)原有設(shè)計(jì)尺寸和實(shí)際情況，以原有結(jié)構(gòu)縫為邊界進(jìn)行布局，閘首新建泵房尺寸：12.9 m (長)×10.6 m(寬) ×4.5 m(高)，其中一線下左和二線下右共建一個泵房，尺寸：12.9 m (長)×21.2 m (寬)×4.5 m(高)。具體布置以二線船閘下左泵房剖面圖為例，見圖2。

圖2 二線船閘下新建左泵房剖面(單位: mm)

新建泵房采取框架結(jié)構(gòu)，安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限50 a，結(jié)構(gòu)抗震等級為四級，建筑防火類別多層民用建筑，耐火等級二級。設(shè)計(jì)和施工時，將其結(jié)構(gòu)防水、防雷接地、排水消防、供電照明等一并考慮。同時，考慮新建泵房及液壓泵站對原有泵房的影響，對原有泵房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全計(jì)算，各項(xiàng)載荷指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.3 創(chuàng)新施工措施減少施工時停航時間

長沙樞紐船閘24 h運(yùn)行，通航量大，在實(shí)施改造時，需考慮盡量縮短停航時間。按照常規(guī)方式，采取先轉(zhuǎn)移設(shè)備，再布置管路和電纜，施工周期長，約需10 d左右，難以保障船舶過閘需求，勢必會造成大面積船舶滯留問題。為此，從設(shè)計(jì)和施工方案綜合考慮，采取先進(jìn)行管路和線路布置，再進(jìn)行設(shè)備轉(zhuǎn)移的創(chuàng)新方式，減少改造施工的停航時間。具體實(shí)施措施為：對管路與液壓啟閉機(jī)的聯(lián)接，采用原高壓軟管連接方式；對管路與液壓泵站的聯(lián)接，將原有硬管聯(lián)接方式調(diào)整為高壓軟管連接。同時，線路改造與管路改造同步進(jìn)行，即采用先布置線路(包括橋架)，再轉(zhuǎn)移設(shè)備的方式，以此減少施工停航時間。實(shí)踐證明，采取此方式施工，船閘(單線)只需停航3 d，有效避免了大量船舶滯留問題。

3 改裝效果

湘江長沙綜合樞紐船閘自2021年5月開始進(jìn)行雙線船閘下閘首4個泵房設(shè)備防淹改造施工，9月份完成新建泵房主體結(jié)構(gòu)，11月份完成液壓泵站和控制系統(tǒng)設(shè)備轉(zhuǎn)移改造安裝調(diào)試工作。船閘下閘首泵房改造前后實(shí)景見圖3。

(a) 改造前

(b) 改造后

改造完成后，液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行正常，通過對船閘大壩觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和分析，各項(xiàng)觀測數(shù)據(jù)正常，船閘主體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。船閘下閘首泵房設(shè)備防洪標(biāo)準(zhǔn)由20 a一遇提升至1000a一遇，徹底解決了船閘下閘首泵房設(shè)備在汛期被洪水淹沒問題，從根本上保障了船閘通航保證率。

在改造實(shí)施過程中，采取先布置管路和線路再進(jìn)行設(shè)備轉(zhuǎn)移的創(chuàng)新施工方式，達(dá)到了既確保設(shè)備安全轉(zhuǎn)移，又縮短船閘停航時間的雙重要求，為船閘改造施工和船閘保障通航兩不誤尋求到一種最優(yōu)方案和實(shí)施途徑。

4 結(jié)語

湘江長沙綜合樞紐船閘下閘首泵房設(shè)備防淹改造，開創(chuàng)了同類船閘改造的先例。為后續(xù)類似船閘在設(shè)計(jì)中避免泵房設(shè)備在汛期被淹，合理選擇閘首泵房設(shè)備布置高程和設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)提供參考，同時為類似船閘工程改造提供借鑒和參考。鑒于地球氣候異?，F(xiàn)象頻發(fā)，建議對船閘下閘首泵房設(shè)備防洪標(biāo)準(zhǔn)在《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]等相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行調(diào)整，即將現(xiàn)行的20 a一遇適當(dāng)提升，以保障船閘通航保證率不因船閘下閘首泵房設(shè)備受淹而降低。