尹斌勇, 張 虎, 劉虎英

(1.長(zhǎng)沙市湘江綜合樞紐工程辦公室, 湖南 長(zhǎng)沙 410200； 2.湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410005;3.湖南省交通規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

0 前言

國(guó)內(nèi)已建船閘中，浮式系船柱作為船舶通過(guò)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(dòng)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(jì)的浮式系船柱系纜高度和強(qiáng)度已不能滿足需要。國(guó)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(yùn)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(hù)，提到了小車(chē)架導(dǎo)輪支架變形的問(wèn)題；秦宏[3]研究了船舶大型化對(duì)船閘管理帶來(lái)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(wèn)題；張義軍等[4]研究了船舶大型化條件下的船閘管理對(duì)策，提出了通過(guò)管理手段來(lái)解決浮式系船柱系纜高度和強(qiáng)度不能滿足船舶過(guò)閘需要的問(wèn)題；司敬陽(yáng)[5]進(jìn)行了滑塊式浮式系船柱的設(shè)計(jì)與研究，針對(duì)浮式系船柱的運(yùn)行機(jī)構(gòu)，提出了滑塊式運(yùn)行機(jī)構(gòu)代替滾輪式運(yùn)行機(jī)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(wèn)題。在不改變?cè)懈∈较荡鶎?dǎo)槽的前提下，既確保浮式系船柱的強(qiáng)度和浮力，又提高系纜高度，是目前的行業(yè)重點(diǎn)。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展，水運(yùn)運(yùn)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(wèn)題，具有重要的實(shí)際需求和現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)船閘浮式系船柱普遍存在的系纜高度偏低等問(wèn)題，以湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘浮式系船柱為對(duì)象，在浮式系船柱門(mén)槽不進(jìn)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(chē)結(jié)構(gòu)、調(diào)整導(dǎo)輪支架。

1 存在的問(wèn)題

以湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘為例，湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐位于湖南省長(zhǎng)沙市望城區(qū)湘江干流蔡家洲，是湘江9個(gè)航電樞紐梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最下游一級(jí)，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(jí)和規(guī)模位于國(guó)內(nèi)已建同類(lèi)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(jí)單級(jí)雙線船閘，閘室有效尺寸為34m×280m×4.5m(寬×長(zhǎng)×門(mén)檻水深)，年通過(guò)能力9800萬(wàn)t。長(zhǎng)沙綜合樞紐布置圖如圖1所示。

圖1 湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐鳥(niǎo)瞰實(shí)圖

船閘自2012年10月建成通航后，湘江長(zhǎng)沙至株洲段航道的通航等級(jí)由1000t級(jí)提高至2000t級(jí)，通航條件得到了極大改善。通過(guò)長(zhǎng)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(guò)了7000t的集裝箱船舶。由于過(guò)閘船舶的噸位和尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在船閘運(yùn)行過(guò)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?wèn)題，對(duì)通航安全極為不利。湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘的運(yùn)行方式為24 h不間斷運(yùn)行，每天的船舶過(guò)閘量約為230艘，通航量大，安全要求高，上述問(wèn)題的存在對(duì)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(zhǎng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)2000t級(jí)及以下船舶過(guò)閘時(shí)任何工況下的系纜要求；而對(duì)于大于2000t的船舶，就存在船舶空載時(shí)系纜困難的情況；特別是對(duì)于5000～7000t的船舶，其空載時(shí)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(shí)際情況如圖2所示。

圖2 船舶系纜實(shí)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(jí)船舶過(guò)閘的系纜要求設(shè)計(jì)。在實(shí)際使用中，由于過(guò)閘船舶的噸位增大，且在過(guò)閘過(guò)程中，許多船舶通過(guò)浮式系船柱制動(dòng)，導(dǎo)致多個(gè)浮式系船柱的橫向?qū)л喼Ъ鼙焕瓘潱M(jìn)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?shí)際情況如圖3所示。

圖3 導(dǎo)輪支架被拉彎實(shí)圖

2 原浮式系船柱概述

長(zhǎng)沙綜合樞紐雙線船閘共設(shè)置有44個(gè)浮式系船柱，每側(cè)閘室、閘墻布置11個(gè)浮式系船柱，分別于閘室兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，每個(gè)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(jìn)行設(shè)計(jì)。浮式系船柱由浮筒、滾動(dòng)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(méi)水深2700mm。滾動(dòng)裝置由橫向、縱向各6個(gè)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(dòng)。系船架上放置2層系船柱，層距1800mm，過(guò)閘船舶根據(jù)各自實(shí)際情況選用適合的系船柱。導(dǎo)槽埋件通過(guò)2期混凝土進(jìn)行埋設(shè)，導(dǎo)槽埋件主要由導(dǎo)軌、護(hù)角、底檻、蓋板、限位鋼架組成。導(dǎo)軌和護(hù)角對(duì)稱(chēng)布置，通過(guò)連接角鋼的螺栓連接。平時(shí)限位鋼架通過(guò)螺栓固定在導(dǎo)槽頂，浮式系船柱檢修時(shí)拆開(kāi)。原浮式系船柱總裝圖如圖4所示，原浮式系船柱特性見(jiàn)表1。

3 改造方案

針對(duì)現(xiàn)有長(zhǎng)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(chē)架導(dǎo)輪支架強(qiáng)度偏低等問(wèn)題，新型浮式系船柱對(duì)浮筒裝置、系纜小車(chē)和連桿進(jìn)行了改造。浮筒裝置由浮筒、4個(gè)橫向?qū)л喓?個(gè)縱向?qū)л喗M成。浮筒裝置的作用是實(shí)現(xiàn)整套裝置隨水位上下移動(dòng)，在不改變浮筒直徑尺寸的前提下，對(duì)原有浮筒的板厚和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；浮筒直徑不變，高度由原來(lái)的3.5m優(yōu)化為3.3m，系船柱設(shè)置于系纜小車(chē)上，每個(gè)系纜小車(chē)由小車(chē)車(chē)架、4個(gè)橫向?qū)л喓?個(gè)縱向?qū)л喗M成，水平方向的系纜力可由4個(gè)橫向?qū)л喭耆云胶?，從而使系纜力不傳至下面浮筒或其他系纜小車(chē)。連桿是連接系纜小車(chē)與浮筒和各層系纜小車(chē)之間連接的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其長(zhǎng)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(gè)半圓形法蘭盤(pán)將連桿與上下系纜小車(chē)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(jiàn)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(méi)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(méi)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(lái)的3.0m增加至5.0m，以滿足通過(guò)5000t船舶空載時(shí)的最高系纜要求；同時(shí)由原來(lái)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(duì)比情況見(jiàn)圖6。

3.2 提高系纜力

將系纜小車(chē)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(duì)各連接部位采取配鉆裝配工藝，使系纜小車(chē)的系纜力由原來(lái)的150kN提高到了250kN。確保大噸位船舶在系纜時(shí)不對(duì)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(wèn)題，提高了系纜小車(chē)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(yǔ)

長(zhǎng)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(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，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(guò)低的行業(yè)普遍問(wèn)題提供了很好的解決思路和途徑，為同類(lèi)工程船閘浮式系船柱的設(shè)計(jì)和改造提供參考和借鑒。