桂江京南水電站船閘改造方案研究

摘要：為滿足馬江作業區通航船舶下行的需求，有必要對京南現狀船閘進行改造。文章對現狀船閘與馬江作業區運營船舶的適應性進行了分析，明確了不滿足船舶通航要求的因素，并結合船閘現狀，提出了相應的改造思路與方案。

關鍵詞：京南水電站;船閘;船舶;改造

文獻標識碼：U641.2-A-55-195-5

0 引言

為加快西江黃金水道建設[1-2]，整合賀州港港口資源，促進賀州市經濟社會發展，廣西賀州市港達投資發展有限公司積極推進桂江港口等基礎設施項目建設，于2018年12月開工建設賀州港昭平港區馬江作業區。馬江作業區規劃建設500噸級泊位18個（碼頭水工按1 000噸級泊位設計），一期在建泊位4個，于2020年12月開港試運營。馬江作業區開港運營后，500噸級及1 000噸級船舶將由桂江航道經過京南、旺村兩座電站的船閘下行至西江。

由于京南船閘建設時間較早，船閘等級較低（為Ⅵ級船閘），現狀船閘無法滿足馬江作業區千噸級船舶通航要求。在京南二線船閘建設前，為提高桂江京南船閘對馬江作業區運營船舶的適應性，有必要對本船閘的改造方案進行研究，為馬江作業區船舶營運創造更好的條件。

本文從分析現狀船閘對馬江作業區運營船舶的適應性入手，找出不滿足船舶通航要求的因素，再結合船閘現狀，在盡量減少對主體結構的影響下，提出可能的改造思路，并對改造方案進行初步探討，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，屬桂江綜合利用規劃中倒數第二梯級水利樞紐工程，距梧州市68 km。京南樞紐現狀船閘布置于左岸，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，設計年貨運量為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。京南電站船閘相關參數如下頁表1所示。

2 現狀船閘對馬江作業區運營船舶的適應性分析

京南現狀船閘為Ⅵ級船閘，馬江作業區開港運營后，500噸級及1 000噸級船舶將由桂江航道經過京南船閘下行至西江。現從船閘平面尺度、門檻水深、通航凈高等方面分析現狀船閘對馬江作業區運營船舶的適應性，找出不滿足通航要求的相關因素，尋找改造辦法[4]。

2.1 船閘平面尺度分析

馬江作業區運營船舶設計代表船型為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。馬江作業區設計代表船型尺度如表2所示。

由表2可知，馬江作業區設計代表船型總長為42～60 m，船寬9～11 m，設計吃水為1.8～2.8 m。由于馬江作業區運營船舶船寬均<11 m，旺村現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），可以滿足馬江作業區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性分析

馬江作業區運營船舶最大設計吃水為2.8 m，根據規范要求，船閘門檻水深為1.6×2.8=4.48 m，取為4.5 m。京南水電站現狀船閘上閘首門檻底高程為24.7 m，故滿足馬江作業區運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。根據京南樞紐復線船閘工程可行性研究報告中相關成果，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區船舶全年通航要求。

船閘下閘首門檻底高程為13.45 m。滿足馬江作業區運營船舶通航要求時，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，根據旺村水電站的運行方式，當Q≤1 600 m3/s時，水庫維持在17.5～18.5 m之間運行，此時回水至京南樞紐壩址下游的水位≥17.5 m;當Q>1 600 m3/s時，旺村樞紐降水位運行。結合旺村樞紐水庫回水計算成果，當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，大于馬江作業區運營船舶的吃水深度，但不滿足規范中門檻水深大于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，當船舶減載至吃水深度≤2.53 m時，其通航保證率可以達到99%以上。

2.3 通航凈高分析

船閘上閘首上部結構剖面示意圖如圖1所示。

由圖1可見，上閘首各構筑物底高程最低的為母線廊道，結構底高程為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，無法滿足馬江作業區運營船舶通航凈高為10 m的通航要求。

船閘下閘首上部結構剖面示意圖如圖2所示。

由圖2可見，下閘首各構筑物底高程最低的為檢修閘門排架梁，梁底結構高程約為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，基本滿足馬江作業區運營船舶通航凈高要求。

2.4 京南水電站船閘對馬江作業區運營船舶的適應性分析結論

經上述分析，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區運營船舶的通航要求。但上閘首通航孔口的通航凈高6.1 m，不滿足馬江作業區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區開港運營后通航船舶的最大限制因素。

3 可能的改造思路

由上閘首結構剖面圖（圖1）可知，影響上閘首通航凈高的主要因素有母線廊道、門機軌道梁、電纜溝及壩面交通橋T梁。上述各構筑物底高程最低的為母線廊道，結構底高程為36.558 m;其次為門機軌道梁，底高程為38.1 m;再次為電纜溝梁及壩面交通橋T梁，結構底高程為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區千噸級船舶10 m通航凈高的要求，則需拆除母線廊道梁、門機軌道梁、電纜溝梁及壩面交通橋T梁并進行相應改造。

經與京南電廠溝通了解，目前京南樞紐電廠所有物資運輸都是從左岸進廠，電廠運行過程中廠內大型發電機件運輸、機組閘門檢修、溢流壩閘門檢修等必需的一些大型設備（如吊車、大型運輸車輛等）均需通過壩面交通橋由左岸經船閘段進到廠房段進行作業。重要大件設備則通過壩面的雙向門機和廠內橋機吊運到位。船閘段壩頂門機承擔著重要大件設備的吊裝及運輸任務，不宜拆除改造。

以門機軌道梁底高程為基準，壩面交通橋T梁、電纜溝梁底高程均高于門機軌道梁底高程，不列入改造范圍;低于門機軌道梁底的只有母線廊道。經向電廠了解，母線廊道內布設有發電機至開關站的母線，電廠允許對其進行改造，故擬對母線廊道進行改造。

對低于門機軌道梁底高程的母線廊道梁進行改造后，上部梁體結構最低處高程為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。考慮到馬江作業區運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馬江作業區運營船舶的通航問題。

根據上述分析，目前情況下，僅對上閘首的母線廊道進行改造，是用最小代價，并在短期內滿足馬江作業區運營船舶通航問題最現實的改造方式。通航凈高提高后，京南船閘可以滿足短期內馬江作業區運營船舶的通航問題。

4 改造方案[5]

為盡量減少對主體結構的影響，考慮施工期臨時母線布置、運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：

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

4.1 土建部分

拆除船閘左右側樁號為0+073.250～0+086.750、上下游側樁號為壩下0+001.50～壩下0+005.10范圍內的母線廊道;原位復建新母線廊道，新建母線廊道左右兩側置于上閘首左右閘墻的梁端支座平臺上，梁端與閘墩間預留20 mm縫隙，廊道左、右兩側邊界樁號為0+073.270、0+086.730。母線廊道順水流方向外輪廊寬3.6 m，其上下游側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，順水流向寬為3.6 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制活動蓋板結合的方式。固定連梁的設置可以有效增強結構的整體剛度，有利于結構受力;活動蓋板的設置是為方便后期的檢修維護。母線廊道梁上部共設置7道連梁，左右兩側連梁垂直水流向寬度為1.23 m，中間五道連梁寬度為1.0 m;預制活動蓋板共設置6塊，順水流方向長為3.12 m，垂直水流向寬度為1.0 m。母線廊道梁及蓋板均采用C30二級配混凝土結構，混凝土采用外購的方式解決。

為改善廊道內通風散熱條件，在母線廊道上下游側邊墻39.6 m高程垂直于水流向各均勻布置了6個通風散熱孔。通風散熱孔尺寸為（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，考慮預埋件重量后，梁重>100 t，超出了壩頂2×500 kN門機的最大起吊重量。為此，將母線廊道梁分成兩部分，梁體下部1.5 m范圍內的混凝土采用預制的方式，上部0.6 m范圍內的混凝土采用現澆的方式。

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

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

母線廊道改造后，廊道內凈高為1.5 m，不利于廊道內的日常檢修。考慮到改造段廊道總長約13.5 m，距離較短，故在本段設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，進行廊道及相關電氣設備的日常檢修、維護。

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

京南電站裝機容量為2×34.5 MW，機端電壓為10.5 kV，機組通過空氣絕緣鋁母線連接主變低壓側升壓后送出電能。電站廠房至左岸開關站間現有凈空為3 m（寬）×3 m（高）的母線廊道，1#機組與2#機組的送出母線分列母線廊道兩側布置，母線設保護網防護，廊道中間設1.4 m寬巡查檢修通道。母線廊道拆除復建后的凈空尺寸為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。

船閘段母線廊道內電纜采用現制角鋼支架分層敷設，電纜轉彎半徑按>30倍電纜直徑設計。電纜與現有鋁母排采用銅鋁過渡終端連接。

4.3 施工期電纜布設

為減少改造施工對電站正常發電運行的影響，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的發電機送出母線。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≥0.75 m，電纜轉彎半徑按大于30倍電纜直徑設計。電纜與現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建期間，電站可正常發電運行。

4.4 施工流程

總體施工流程為：預制新建的母線廊道梁→在上閘首母線廊道梁上下游側的壩面敷設施工期電纜→閘墻內母線廊道頂部開施工臨時孔→電廠臨時停機、電纜由開孔接入閘墻母線廊道、與兩側鋁母排連接→試驗檢測合格后，電廠恢復發電→拆除上閘首段母線廊道梁→梁端支座混凝土澆筑→梁端支座安裝及預制梁體吊裝→新建母線廊道內運行期電纜敷設→電廠臨時停機，做好新敷設電纜與閘墻母線廊道內鋁母排連接→試驗檢測合格后，電廠恢復發電→立模澆筑母線廊道梁上部的現澆混凝土→封堵施工期臨時開孔→吊裝蓋板→施工驗收→施工結束。

4.5 施工方式

改造施工前，將電纜、預埋件等采購完成，并利用左岸的空地，預制上閘首段母線廊道混凝土預制梁。T梁達到齡期要求后，將準備好的電纜臨時敷設于母線廊道上、下游壩面不影響壩面交通及門機正常運行處，待上游來水量小，機組停機時，拆除上閘首母線廊道，將敷設在壩面上電纜的兩端分別與上閘首左、右邊墻母線廊道內的鋁母排連接。連接完成并經檢驗合格后，機組即可正常發電運行。

電站機組正常運行后，即可進行預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，混凝土達到齡期，安裝好預制梁支座后，即可采用壩頂門機及汽車吊輔助，將預制母線廊道梁吊裝就位后，澆筑底部現澆濕接縫混凝土，并將準備好的電纜敷設于母線廊道內。敷設完畢后，擇機臨時停機，做好電纜與兩側鋁母排的連接，連接完成并經檢驗合格后，機組即可正常發電運行。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范圍內母線廊道的拆除、復建;壩面局部鋪裝層拆除、恢復;施工期電纜敷設等內容，初估改造工程費約為130萬，改造總費用約為186萬元。

考慮到改造期間，電站的發電機需進行停機，根據改造的工作內容及工作量，初估前后共停機兩次，每次停機1 d。

停機損失暫按京南水電兩臺機組滿發考慮，前后兩次停機共造成發電損失為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 結語

馬江作業區開港后，500噸級及1 000噸級單船將由桂江經京南、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馬江作業區運營船舶的通航要求，但現狀船閘上閘首6.1 m通航凈高對過閘船舶限制較大。

結合與旺村電廠的溝通結果，保留門機軌道梁，對低于梁底高程的母線廊道進行改造，是提高本船閘通航凈高最現實的方案。通過技術改造，現狀船閘的通航凈高可由目前的6.6 m提高為8.1 m，可以滿足馬江作業區500噸級運營船舶的通航凈高要求;馬江作業區運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馬江作業區運營船舶的通航問題。這是采用較小代價，滿足短期內馬江作業區開港運營的最為有效的方式。

需要注意的是，按本方案進行改造后，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區的運營船舶短時期內通航。但由于原船閘僅為Ⅵ級船閘，其水工建筑物的設計荷載遠小于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，應采取加強調度、減速、慢行、倒桅桿等措施，并讓船舶直接從錨地進入閘室，不在靠船墩處停靠;進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區建成后運營船舶的短期內通航問題。從有利于桂江航運長遠發展的角度考慮，還需繼續推進京南水電站二線船閘的前期工作，盡早開工建設，以滿足馬江作業區運營要求，并從根本上解決千噸級船舶在桂江內通航的瓶頸問題。

參考文獻

[1]廣西壯族自治區人民政府.廣西西江黃金水道建設規劃[EB/OL].http：∥www.renrendoc.com/paper/129630572.html.2010-03-01.

[2]廣西交通設計集團有限公司.加快西江黃金水道建設，實現“一干七支”航道全面高效貫通課題研究報告[R].南寧：廣西交通設計集團有限公司.課題組，2015.

[3]GB 50139-2014，內河通航標準[S].

[4]廣西交通設計集團有限公司.桂江京南水電站船閘上閘首母線廊道改造工程方案設計[R].南寧：廣西交通設計集團有限公司，2020.

[5]廣西交通設計集團有限公司.桂江京南水電站船閘上閘首母線廊道改造工程施工圖設計[R].南寧：廣西交通設計集團有限公司，2020.

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工作。