桂江京南水电站船闸改造方案研究

摘要：为满足马江作业区通航船舶下行的需求，有必要对京南现状船闸进行改造。文章对现状船闸与马江作业区运营船舶的适应性進行了分析，明确了不满足船舶通航要求的因素，并结合船闸现状，提出了相应的改造思路与方案。

关键词：京南水电站;船闸;船舶;改造

文献标识码：U641.2-A-55-195-5

0 引言

为加快西江黄金水道建设[1-2]，整合贺州港港口资源，促进贺州市经济社会发展，广西贺州市港达投资发展有限公司积极推进桂江港口等基础设施项目建设，于2018年12月开工建设贺州港昭平港区马江作业区。马江作业区规划建设500吨级泊位18个（码头水工按1 000吨级泊位设计），一期在建泊位4个，于2020年12月开港试运营。马江作业区开港运营后，500吨级及1 000吨级船舶将由桂江航道经过京南、旺村两座电站的船闸下行至西江。

由于京南船闸建设时间较早，船闸等级较低（为Ⅵ级船闸），现状船闸无法满足马江作业区千吨级船舶通航要求。在京南二线船闸建设前，为提高桂江京南船闸对马江作业区运营船舶的适应性，有必要对本船闸的改造方案进行研究，为马江作业区船舶营运创造更好的条件。

本文从分析现状船闸对马江作业区运营船舶的适应性入手，找出不满足船舶通航要求的因素，再结合船闸现状，在尽量减少对主体结构的影响下，提出可能的改造思路，并对改造方案进行初步探讨，以期对其他类似工程提供有益的借鉴。

1 工程概况

京南水利枢纽位于桂江下游的苍梧县京南镇，属桂江综合利用规划中倒数第二梯级水利枢纽工程，距梧州市68 km。京南枢纽现状船闸布置于左岸，船闸轴线与坝轴线正交。京南船闸为Ⅵ级船闸，闸室有效尺度为80 m×12 m×1.5 m[3]，可一次通过（1+2×120）t拖带船队，设计年货运量为100万t。船闸由上下引航道、上下闸首及闸室组成，船闸上引航道长237.7 m，船闸主体段长133.9 m，船闸下引航道段长303.4 m，总长675 m。京南电站船闸相关参数如下页表1所示。

2 现状船闸对马江作业区运营船舶的适应性分析

京南现状船闸为Ⅵ级船闸，马江作业区开港运营后，500吨级及1 000吨级船舶将由桂江航道经过京南船闸下行至西江。现从船闸平面尺度、门槛水深、通航净高等方面分析现状船闸对马江作业区运营船舶的适应性，找出不满足通航要求的相关因素，寻找改造办法[4]。

2.1 船闸平面尺度分析

马江作业区运营船舶设计代表船型为500吨级干货船、500吨级集装箱船、1 000吨级干货船、1 000吨级集装箱船、1 000吨级自卸沙船等。马江作业区设计代表船型尺度如表2所示。

由表2可知，马江作业区设计代表船型总长为42～60 m，船宽9～11 m，设计吃水为1.8～2.8 m。由于马江作业区运营船舶船宽均<11 m，旺村现状船闸闸室有效尺度为80 m×12 m（闸室有效长度×闸室有效宽度），可以满足马江作业区500吨级及1 000吨级船舶通航平面尺度要求。

2.2 门槛水深对千吨级船舶的适应性分析

马江作业区运营船舶最大设计吃水为2.8 m，根据规范要求，船闸门槛水深为1.6×2.8=4.48 m，取为4.5 m。京南水电站现状船闸上闸首门槛底高程为24.7 m，故满足马江作业区运营船舶门槛水深要求的上游最低通航水位要求为：24.7+4.5=29.2 m。根据京南枢纽复线船闸工程可行性研究报告中相关成果，京南枢纽上游水位为29.2 m的保证率为93%。船闸上游门槛水深基本满足马江作业区船舶全年通航要求。

船闸下闸首门槛底高程为13.45 m。满足马江作业区运营船舶通航要求时，下游通航水位为13.45+4.5=17.95 m。京南水电站下游已建有旺村水电站，根据旺村水电站的运行方式，当Q≤1 600 m3/s时，水库维持在17.5～18.5 m之间运行，此时回水至京南枢纽坝址下游的水位≥17.5 m;当Q>1 600 m3/s时，旺村枢纽降水位运行。结合旺村枢纽水库回水计算成果，当Q=1 600 m3/s时旺村水电站回水至京南坝下的水位为19.71 m;Q=2 200 m3/s时旺村水电站回水至京南坝下的水位为21.12 m，故旺村水电站回水至京南坝下的水位≥17.5 m。

考虑在下游最低水位17.5 m的情况下，京南下闸首门槛水深为17.5-13.45=4.05 m，大于马江作业区运营船舶的吃水深度，但不满足规范中门槛水深大于1.6倍船舶吃水深度的要求。为保证船舶通航安全，可在枯水期采取船舶减载的措施，当船舶减载至吃水深度≤2.53 m时，其通航保证率可以达到99%以上。

2.3 通航净高分析

船闸上闸首上部结构剖面示意图如图1所示。

由图1可见，上闸首各构筑物底高程最低的为母线廊道，结构底高程为36.558 m，上游水位为正常蓄水位30.0 m（最高通航水位）时，上闸首通航净高为6.6 m，无法满足马江作业区运营船舶通航净高为10 m的通航要求。

船闸下闸首上部结构剖面示意图如图2所示。

由图2可见，下闸首各构筑物底高程最低的为检修闸门排架梁，梁底结构高程约为35.95 m，下游最高通航水位（25.9 m）时下闸首通航净高约为10 m，基本满足马江作业区运营船舶通航净高要求。

2.4 京南水电站船闸对马江作业区运营船舶的适应性分析结论

经上述分析，京南水电站船闸平面尺度、门槛水深（下游枯水时段需减载至2.53 m）、下游通航净高等基本可满足马江作业区运营船舶的通航要求。但上闸首通航孔口的通航净高6.1 m，不满足马江作业区500吨级船舶要求的通航净高8 m，及1 000吨级船舶要求的通航净高10 m。上闸首通航净高成为马江作业区开港运营后通航船舶的最大限制因素。

3 可能的改造思路

由上闸首结构剖面图（图1）可知，影响上闸首通航净高的主要因素有母线廊道、门机轨道梁、电缆沟及坝面交通桥T梁。上述各构筑物底高程最低的为母线廊道，结构底高程为36.558 m;其次为门机轨道梁，底高程为38.1 m;再次为电缆沟梁及坝面交通桥T梁，结构底高程为38.798 m。上游水位为正常蓄水位（即最高通航水位）30.00 m时，母线廊道处通航净高为6.6 m，门机轨道处通航净高为8.1 m，电缆沟及坝面交通桥T梁处通航净高为8.8 m。若想通过改造，使上闸首通航净高完全满足马江作业区千吨级船舶10 m通航净高的要求，则需拆除母线廊道梁、门机轨道梁、电缆沟梁及坝面交通桥T梁并进行相应改造。

经与京南电厂沟通了解，目前京南枢纽电厂所有物资运输都是从左岸进厂，电厂运行过程中厂内大型发电机件运输、机组闸门检修、溢流坝闸门检修等必需的一些大型设备（如吊车、大型运输车辆等）均需通过坝面交通桥由左岸经船闸段进到厂房段进行作业。重要大件设备则通过坝面的双向门机和厂内桥机吊运到位。船閘段坝顶门机承担着重要大件设备的吊装及运输任务，不宜拆除改造。

以门机轨道梁底高程为基准，坝面交通桥T梁、电缆沟梁底高程均高于门机轨道梁底高程，不列入改造范围;低于门机轨道梁底的只有母线廊道。经向电厂了解，母线廊道内布设有发电机至开关站的母线，电厂允许对其进行改造，故拟对母线廊道进行改造。

对低于门机轨道梁底高程的母线廊道梁进行改造后，上部梁体结构最低处高程为38.10 m。上游水位为正常蓄水位（即最高通航水位）30.0 m时，上闸首通航净空为8.1 m，满足Ⅳ级航道通航净高≥8 m的要求。考虑到马江作业区运营船舶采取倒桅杆等措施，对通航净高的要求约7.6～7.8 m，改造后的通航净高可以解决短期内马江作业区运营船舶的通航问题。

根据上述分析，目前情况下，仅对上闸首的母线廊道进行改造，是用最小代价，并在短期内满足马江作业区运营船舶通航问题最现实的改造方式。通航净高提高后，京南船闸可以满足短期内马江作业区运营船舶的通航问题。

4 改造方案[5]

为尽量减少对主体结构的影响，考虑施工期临时母线布置、运行期母线布置的需要等因素，初步考虑母线廊道改造方案为：

保持其他构筑物现状不变，拆除并原位复建母线廊道，提高母线廊道底高程至38.1 m（与门机轨道梁底同高），对局部范围的母线进行更换。主要改造方案如下：

4.1 土建部分

拆除船闸左右侧桩号为0+073.250～0+086.750、上下游侧桩号为坝下0+001.50～坝下0+005.10范围内的母线廊道;原位复建新母线廊道，新建母线廊道左右两侧置于上闸首左右闸墙的梁端支座平台上，梁端与闸墩间预留20 mm缝隙，廊道左、右两侧边界桩号为0+073.270、0+086.730。母线廊道顺水流方向外轮廊宽3.6 m，其上下游侧边界桩号分别为坝下0+001.50、坝下0+005.10。

新建母线廊道梁垂直水流向长为13.46 m，顺水流向宽为3.6 m。梁底高程为38.10 m，梁顶高程与坝面齐平，为40.20 m。新建母线廊道梁断面采用钢筋混凝土箱型梁，箱型梁底板厚300 mm，顶板厚300 mm，左右两侧腹板宽400 mm。改造后廊道净高1.5 m，净宽2.8 m。上部采用固定连梁与预制活动盖板结合的方式。固定连梁的设置可以有效增强结构的整体刚度，有利于结构受力;活动盖板的设置是为方便后期的检修维护。母线廊道梁上部共设置7道连梁，左右两侧连梁垂直水流向宽度为1.23 m，中间五道连梁宽度为1.0 m;预制活动盖板共设置6块，顺水流方向长为3.12 m，垂直水流向宽度为1.0 m。母线廊道梁及盖板均采用C30二级配混凝土结构，混凝土采用外购的方式解决。

为改善廊道内通风散热条件，在母线廊道上下游侧边墙39.6 m高程垂直于水流向各均匀布置了6个通风散热孔。通风散热孔尺寸为（0.3×0.3）m。

为减少施工期船闸停航的时间，母线廊道梁采用预制后吊装的施工方案。新建母线廊道梁梁体混凝土约为40 m3，考虑预埋件重量后，梁重>100 t，超出了坝顶2×500 kN门机的最大起吊重量。为此，将母线廊道梁分成两部分，梁体下部1.5 m范围内的混凝土采用预制的方式，上部0.6 m范围内的混凝土采用现浇的方式。

梁体预制部分混凝土重量约为70 t。为方便预制部分吊装，在预制现浇分界面上布置有吊装埋件。

现浇混凝土部分重量约为31 t。待预制部分吊装就位，安装完毕，并将电缆敷设好后，再立模浇筑上部的混凝土。

母线廊道改造后，廊道内净高为1.5 m，不利于廊道内的日常检修。考虑到改造段廊道总长约13.5 m，距离较短，故在本段设计检修用坐式滑轮通行装置，便于检修人员更好地通过本段廊道，进行廊道及相关电气设备的日常检修、维护。

母线廊道拆除范围平面剖面、改造后平面剖面、改造后母线廊道典型剖面见图3～5。

4.2 电气部分

京南电站装机容量为2×34.5 MW，机端电压为10.5 kV，机组通过空气绝缘铝母线连接主变低压侧升压后送出电能。电站厂房至左岸开关站间现有净空为3 m（宽）×3 m（高）的母线廊道，1#机组与2#机组的送出母线分列母线廊道两侧布置，母线设保护网防护，廊道中间设1.4 m宽巡查检修通道。母线廊道拆除复建后的净空尺寸为2.8 m（宽）×1.5 m（高），无法满足铝母线布置要求，故将船闸段的母线改为采用电缆形式。

船闸段母线廊道内电缆采用现制角钢支架分层敷设，电缆转弯半径按>30倍电缆直径设计。电缆与现有铝母排采用铜铝过渡终端连接。

4.3 施工期电缆布设

为减少改造施工对电站正常发电运行的影响，施工期间采用ZC-YJV32-8.7/15 kV-3×300铜芯电缆跨接船闸上闸首左右侧的发电机送出母线。施工期临时电缆在坝面明敷，与拆除的船闸段母线廊道距离应≥0.75 m，电缆转弯半径按大于30倍电缆直径设计。电缆与现有铝母排采用铜铝过渡终端连接。在船闸段母线廊道拆除和复建期间，电站可正常发电运行。

4.4 施工流程

总体施工流程为：预制新建的母线廊道梁→在上闸首母线廊道梁上下游侧的坝面敷设施工期电缆→闸墙内母线廊道顶部开施工临时孔→电厂临时停机、电缆由开孔接入闸墙母线廊道、与两侧铝母排连接→试验检测合格后，电厂恢复发电→拆除上闸首段母线廊道梁→梁端支座混凝土浇筑→梁端支座安装及预制梁体吊装→新建母线廊道内运行期电缆敷设→电厂临时停机，做好新敷设电缆与闸墙母线廊道内铝母排连接→试验检测合格后，电厂恢复发电→立模浇筑母线廊道梁上部的现浇混凝土→封堵施工期临时开孔→吊装盖板→施工验收→施工结束。

4.5 施工方式

改造施工前，将电缆、预埋件等采购完成，并利用左岸的空地，预制上闸首段母线廊道混凝土预制梁。T梁达到龄期要求后，将准备好的电缆临时敷设于母线廊道上、下游坝面不影响坝面交通及门机正常运行处，待上游来水量小，机组停机时，拆除上闸首母线廊道，将敷设在坝面上电缆的两端分别与上闸首左、右边墙母线廊道内的铝母排连接。连接完成并经检验合格后，机组即可正常发电运行。

电站机组正常运行后，即可进行预制母线廊道的安装工作。首先将上闸首左右边墩的原母线廊道搁置平台采用混凝土回填至37.948 m高程，混凝土达到龄期，安装好预制梁支座后，即可采用坝顶门机及汽车吊辅助，将预制母线廊道梁吊装就位后，浇筑底部现浇湿接缝混凝土，并将准备好的电缆敷设于母线廊道内。敷设完毕后，择机临时停机，做好电缆与两侧铝母排的连接，连接完成并经检验合格后，机组即可正常发电运行。盖好廊道盖板，完成上闸首母线廊道的改造。

4.6 初估投资

本方案改造包括上闸首22 m范围内母线廊道的拆除、复建;坝面局部铺装层拆除、恢复;施工期电缆敷设等内容，初估改造工程费约为130万，改造总费用约为186万元。

考虑到改造期间，电站的发电机需进行停机，根据改造的工作内容及工作量，初估前后共停机两次，每次停机1 d。

停机损失暂按京南水电两台机组满发考虑，前后两次停机共造成发电损失为2×3.45×24×2=331.2万kW·h;暂按0.3元/kW·h的电价初估，施工期发电损失共计约为99.4万元。改造方案总投资约为285.4万元。

5 结语

马江作业区开港后，500吨级及1 000吨级单船将由桂江经京南、旺村水电站船闸下行至西江，京南水电站船闸的平面尺度、门槛水深（枯水时段采取减载通航的措施）等基本可满足短期内马江作业区运营船舶的通航要求，但现状船闸上闸首6.1 m通航净高对过闸船舶限制较大。

结合与旺村电厂的沟通结果，保留门机轨道梁，对低于梁底高程的母线廊道进行改造，是提高本船闸通航净高最现实的方案。通过技术改造，现状船闸的通航净高可由目前的6.6 m提高为8.1 m，可以满足马江作业区500吨级运营船舶的通航净高要求;马江作业区运营的千吨级船舶在采取倒桅杆等措施后，对通航净高的要求约为7.6～7.8 m，改造后的通航净高可以解决短期内马江作业区运营船舶的通航问题。这是采用较小代价，满足短期内马江作业区开港运营的最为有效的方式。

需要注意的是，按本方案进行改造后，京南船闸的平面尺度、门槛水深、通航净高等基本允许马江作业区的运营船舶短时期内通航。但由于原船闸仅为Ⅵ级船闸，其水工建筑物的设计荷载远小于500吨级船舶及1 000吨级船舶的荷载。因此在改造后，500吨级、1 000吨级船舶通航时，应采取加强调度、减速、慢行、倒桅杆等措施，并让船舶直接从锚地进入闸室，不在靠船墩处停靠;进入闸室后通过减少通航速度，延长灌泄水时间等方式及措施，临时性解决马江作业区建成后运营船舶的短期内通航问题。从有利于桂江航运长远发展的角度考虑，还需继续推进京南水电站二线船闸的前期工作，尽早开工建设，以满足马江作业区运营要求，并从根本上解决千吨级船舶在桂江内通航的瓶颈问题。

参考文献

[1]广西壮族自治区人民政府.广西西江黄金水道建设规划[EB/OL].http：∥www.renrendoc.com/paper/129630572.html.2010-03-01.

[2]廣西交通设计集团有限公司.加快西江黄金水道建设，实现“一干七支”航道全面高效贯通课题研究报告[R].南宁：广西交通设计集团有限公司.课题组，2015.

[3]GB 50139-2014，内河通航标准[S].

[4]广西交通设计集团有限公司.桂江京南水电站船闸上闸首母线廊道改造工程方案设计[R].南宁：广西交通设计集团有限公司，2020.

[5]广西交通设计集团有限公司.桂江京南水电站船闸上闸首母线廊道改造工程施工图设计[R].南宁：广西交通设计集团有限公司，2020.

收稿日期：2021-03-18

作者简介：

陈贻送（1985—），工程师，主要从事水利工程、港口与航道工程相关工作。