壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)型式及應(yīng)用研究

何 鐵 炎

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

0 引 言

浪石灘水電站位于資水干流中游冷水江市主城區(qū)，為資水干流柘溪上游段的最后一個(gè)梯級(jí)，下接柘溪水庫庫尾，上與筱溪電站尾水銜接[1]，是一個(gè)以發(fā)電為主、兼顧航運(yùn)等綜合利用的水電工程。本工程樞紐右岸上下游河岸頂部為冷水江市濱江公園，樞紐壩頂下游側(cè)布置有溝通左右岸城區(qū)的公路橋，是冷水江市市區(qū)內(nèi)橫跨資江的第二座橋梁，對(duì)促進(jìn)城市發(fā)展具有重要意義。本樞紐主要建筑物包括溢流壩、接頭壩、電站廠房、通航建筑物等。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)的資水航運(yùn)規(guī)劃，壩址河道的航道等級(jí)遠(yuǎn)景規(guī)劃為Ⅵ級(jí)航道，近期設(shè)計(jì)通航噸位為50 t，遠(yuǎn)景100 t[2]，本工程的建設(shè)將河道渠化至上游筱溪電站的18 km河道，對(duì)資水中游段航運(yùn)發(fā)展意義重大?？裳须A段進(jìn)行了船閘和升船機(jī)方案比較，推薦采用更經(jīng)濟(jì)的卷揚(yáng)式提升、船廂下水、濕運(yùn)式垂直升船機(jī)，船廂帶水總重605 t。該升船機(jī)滿足了當(dāng)?shù)卣畬?duì)航運(yùn)與壩頂公路互不干擾、有利于城市美觀等要求，但存在升船機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量和投資較大的缺點(diǎn)，為簡(jiǎn)化升船機(jī)結(jié)構(gòu)、方便運(yùn)行維護(hù)和提高其經(jīng)濟(jì)性，項(xiàng)目可研后進(jìn)行了垂直升船機(jī)結(jié)構(gòu)研究，最終項(xiàng)目采用了壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)。

1 垂直升船機(jī)研究現(xiàn)狀

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年以前全國(guó)共建有升船機(jī)近70座，其中多數(shù)為小型斜面式干運(yùn)升船機(jī)，且多為20世紀(jì)70年代以前建設(shè)[3]，升船機(jī)研究發(fā)展較慢；20世紀(jì)90年代至今，隨著水利水電工程的迅猛發(fā)展，垂直升船機(jī)研究進(jìn)入高速發(fā)展期，結(jié)構(gòu)多樣，建設(shè)數(shù)量大量增加，通航噸位越來越大，尤其是大型濕運(yùn)式升船機(jī)技術(shù)得到很大發(fā)展，建成紅水河巖灘、閩江水口、清江隔河巖、高壩洲、烏江彭水、瀾滄江景洪、長(zhǎng)江三峽、金沙江向家壩、烏江思林、沙陀等升船機(jī)，還有烏江構(gòu)皮灘、紅水河龍灘、右江百色等在建或即將開工升船機(jī)，升船機(jī)技術(shù)躋身世界前列[4]。國(guó)內(nèi)代表性的大型濕運(yùn)升船機(jī)有三峽、向家壩、構(gòu)皮灘和景洪等，液壓頂升小型濕運(yùn)式垂直升船機(jī)有桂林象山升船機(jī)，干運(yùn)式代表性升船機(jī)有丹江口升船機(jī)等。

(1)三峽升船機(jī)：通航規(guī)模3 000 t級(jí)，為齒輪-齒條爬升全平衡濕運(yùn)式垂直升船機(jī)，最大提升高度113 m，船廂帶水重量達(dá)約16000t，是世界最大規(guī)模升船機(jī)[5]。

(2)向家壩升船機(jī)：通航規(guī)模1 000 t級(jí)，為齒輪-齒條爬升全平衡濕運(yùn)式垂直升船機(jī)，單級(jí)提升高度114.2 m[6]，為該型升船機(jī)世界單級(jí)提升高度之最。

(3)構(gòu)皮灘升船機(jī)：通航規(guī)模500 t級(jí)，采用三級(jí)提升，為鋼絲繩卷揚(yáng)式提升、船廂下水、全平衡、濕運(yùn)式垂直升船機(jī)，總提升高度199 m，中間級(jí)提升高度172 m，為世界之最[4,7]。

(4)景洪升船機(jī)：通航規(guī)模300 t，采用世界首創(chuàng)的水力式、船廂下水、全平衡、濕運(yùn)式垂直升船機(jī)，最大提升高度66.86 m[8]。

(5)丹江口升船機(jī)(加高前)：由上游移動(dòng)式垂直升船機(jī)和下游下水式斜面升船機(jī)組成，上游垂直升船機(jī)為干運(yùn)式，采用橋機(jī)式升船機(jī)，最大提升高度45 m，最大提升重量450 t，過壩方式采用壩頂排架越壩[9]。

(6)象山升船機(jī)：通航船只為游船，采用液壓潛沒式頂推升船機(jī)，主推液壓缸推力為4×800 kN，為該類型升船機(jī)國(guó)內(nèi)第一座[10,11]。

從垂直升船機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)看，小型升船機(jī)多采用干運(yùn)移動(dòng)式，大中型升船機(jī)多采用濕運(yùn)全平衡式。

2 垂直升船機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

垂直升船機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，可從船舶過壩操作流程進(jìn)行最直觀的分析對(duì)比,以船舶下行為例，分析干運(yùn)移動(dòng)式垂直升船機(jī)和濕運(yùn)式垂直升船機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)。

2.1 過壩操作流程[12]

干運(yùn)移動(dòng)式垂直升船機(jī)船舶過壩操作流程：船舶由上游引航道駛至承船架所在水域----橋機(jī)垂直提升承船架直至超過壩頂一個(gè)富余高度----橋機(jī)從上游平移至下游引航道上方----將承船架垂直下放入下游引航道水域，至船舶與承船架之間有一個(gè)足夠的富余深度----船舶駛出下游引航道。

全平衡濕運(yùn)式垂直升船機(jī)船舶過壩操作流程：船舶由上游引航道進(jìn)入承船廂----關(guān)閉上閘首工作閘門和承船廂閘門----泄掉兩道閘門之間的水體----松開密封、頂緊和鎖定裝置----驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，承船廂下降至船廂內(nèi)水位與下游水位齊平----推出密封、頂緊和鎖定裝置----往承船廂下游端閘門與下閘首工作閘門之間充水----打開承船廂下游端閘門和下閘首工作門----船舶由承船廂駛?cè)胂掠我降馈?/p>

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)干運(yùn)移動(dòng)式垂直升船機(jī)技術(shù)特點(diǎn)。干運(yùn)式垂直升船機(jī)常采用兩種過壩方式：一種是“順流向跨壩頂排架+移動(dòng)式行車提升機(jī)”形式，如丹江口垂直升船機(jī)；一種是“平壩頂排架+門機(jī)式提升機(jī)”形式，如資江筱溪水電站垂直升船機(jī)。干運(yùn)式垂直升船機(jī)的特點(diǎn)是：具有船廂不帶水、運(yùn)行操作過程簡(jiǎn)單、設(shè)備較簡(jiǎn)單及維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)，但也有與壩頂交通相互干擾、對(duì)船舶有損傷的缺點(diǎn)。

干運(yùn)移動(dòng)式垂直升船機(jī)多應(yīng)用于小型升船機(jī)，通航船型以平底船為主，雖采用干運(yùn)方式對(duì)船舶有較小損傷，但干運(yùn)方式可減少提升機(jī)構(gòu)的功率和簡(jiǎn)化建筑物布置，其主體機(jī)構(gòu)為橋式(門式)起重機(jī)，使用范圍廣泛，技術(shù)比較簡(jiǎn)單、成熟，有利于節(jié)省工程投資和便于運(yùn)行維護(hù)。

(2)濕運(yùn)式垂直升船機(jī)技術(shù)特點(diǎn)。濕運(yùn)式垂直升船機(jī)主要按提升方式進(jìn)行分類，其過壩方式基本相同，具體程序?yàn)椋簩焖幌乱翂魏笊祥l首，采用上閘首與承船廂對(duì)接的方式，使船只能在承船廂至上游水庫間航行而完成過壩。濕運(yùn)式垂直升船機(jī)的特點(diǎn)是：具有船只過壩與壩頂交通無干擾、對(duì)船舶損傷小等優(yōu)點(diǎn)，但具有船廂帶水重量大、需配置平衡重系統(tǒng)等缺點(diǎn)。

濕運(yùn)式垂直升船機(jī)多應(yīng)用于大中型垂直升船機(jī)，通航船型以尖底船為主，采用濕運(yùn)方式以對(duì)船舶進(jìn)行保護(hù)；為保證承船廂不漏水需要加設(shè)密封、頂緊和鎖定裝置；同時(shí)承船廂帶水總重較大，為減小提升力需加設(shè)平衡重系統(tǒng)。設(shè)備的復(fù)雜化自然造成制造、安裝的技術(shù)難度加大，運(yùn)行操作過程復(fù)雜，過壩效率較低，維護(hù)工作量和工程投資大。

3 浪石灘水電站升船機(jī)

3.1 建設(shè)條件

(1)政府建設(shè)要求。由于本工程位于冷水江市市區(qū)，且結(jié)合樞紐建設(shè)了溝通資江兩岸的城區(qū)第二座橋梁，因此政府要求航運(yùn)和壩頂公路交通互不干擾，提高城市資江兩岸的交通便利，促進(jìn)城市向資江左岸發(fā)展；同時(shí)該樞紐將極大地提升城市水景觀，要求樞紐建筑物的土建結(jié)構(gòu)高度不超過壩頂高程，控制設(shè)備突出壩頂高度，并要求樞紐布置緊湊、整體美觀，使其成為城市的一道景觀。

(2)工程建設(shè)條件。浪石灘水電站初步設(shè)計(jì)階段批復(fù)的通航建筑物特征水位及主要參數(shù)如表1。

表1 通航建筑物特征水位及主要參數(shù)表Tab.1 Characteristics of water level and main parameters of the navigation buildings

從表1可知本工程通航建筑物工程建設(shè)條件具有如下特點(diǎn)：①上游最高通航水位與正常蓄水位同為175.0 m，與壩頂高程187.0 m相差12 m，而通航凈高為6 m，考慮壩頂公路橋的高度后，具備船只濕運(yùn)過壩時(shí)與壩頂公路互不干擾的條件，且可使通航建筑物壩段壩頂公路與樞紐其他壩段壩頂公路同高。②通航船只噸位較小且為平底船。③上游通航水位變幅小，僅有1 m；而下游通航水位變幅稍大，為8.72 m。

3.2 存在的問題

根據(jù)垂直升船機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)其與本工程建設(shè)條件和政府要求的適應(yīng)性進(jìn)行分析如下：現(xiàn)有干運(yùn)式垂直升船機(jī)與本工程船型和通航噸位較為匹配，但“順流向跨壩頂排架+移動(dòng)式行車提升機(jī)”形式無法滿足政府對(duì)樞紐美觀方面的要求，“平壩頂排架+門機(jī)式提升機(jī)”形式無法滿足政府對(duì)水陸交通互不干擾的要求，因此現(xiàn)有干運(yùn)式升船機(jī)無法滿足政府要求，只能采用濕運(yùn)式垂直升船機(jī)。而濕運(yùn)式垂直升船機(jī)既能滿足政府要求，也能適應(yīng)于本工程的通航凈高和水位變幅等建設(shè)條件，但相對(duì)于本工程的通航噸位和船型，存在設(shè)備和運(yùn)行操作復(fù)雜、過壩效率低、工程投資大等缺點(diǎn)。因此，有必要進(jìn)行垂直升船機(jī)過壩方式研究，目的是尋求既滿足政府要求和建設(shè)條件、又簡(jiǎn)化設(shè)備和節(jié)省工程投資的升船機(jī)型式。

3.3 壩后垂直升船機(jī)

(1)形式擬定。在充分研究工程建設(shè)條件和垂直升船機(jī)的特點(diǎn)后，提出揉合干運(yùn)式和濕運(yùn)式垂直升船機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)的過壩方式：上游航道下引、下穿壩頂公路、壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)。即參照濕運(yùn)式升船機(jī)(或船閘)在大壩上設(shè)置通航閘孔，采用引航段將庫水延伸至大壩下游的閘室內(nèi)，船只在大壩公路橋下航行穿越大壩至下游閘室；在通航閘孔段大壩下游側(cè)布置橋機(jī)式升船機(jī)，采用移動(dòng)橋機(jī)干運(yùn)完成平移和垂直提升，從而完成船只過壩；大壩下游閘室長(zhǎng)度需滿足船舶垂直提升要求。壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)布置示意見圖1。

圖1 壩后垂直升船機(jī)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of post-dam vertical shiplift

船舶下行過壩操作流程：船舶由上游引航道自通航閘孔航行下穿壩頂公路----進(jìn)入下游閘室內(nèi)的承船架----橋機(jī)垂直提升承船架直至超過下游閘室頂部一個(gè)富余高度----橋機(jī)從下游閘室平移至下游引航道上方----將承船架垂直下放入下游引航道水域，至船舶與承船架之間有一個(gè)足夠的富余深度----船舶駛出下游引航道。

(2)技術(shù)特點(diǎn)。將壩后干運(yùn)式新型垂直升船機(jī)與濕運(yùn)式和傳統(tǒng)干運(yùn)式垂直升船機(jī)的船舶下行過壩操作流程進(jìn)行對(duì)比即可發(fā)現(xiàn)：壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)在船舶由上游引航道穿越大壩至承船架的操作流程與濕運(yùn)式垂直升船機(jī)是相同的，其在大壩設(shè)置通航閘孔、下游設(shè)置閘室的土建結(jié)構(gòu)布置也與濕運(yùn)式垂直升船機(jī)土建結(jié)構(gòu)布置基本相同，使船舶過壩采用自壩頂公路橋下自行航行過壩的立交方式，與壩頂公路交通互不干擾；考慮下游閘室頂部高程+通航凈高+超高確定的移動(dòng)橋機(jī)軌頂高程不低于184.5 m，因此壩后式垂直升船機(jī)的所有土建結(jié)構(gòu)均不會(huì)高于壩頂高程187.0 m。

本工程垂直升船機(jī)由濕運(yùn)式調(diào)整為干運(yùn)式后，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備數(shù)量減少，簡(jiǎn)化了運(yùn)行維護(hù)難度和工作量，降低了長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；在工程投資方面，土建投資有所增加，設(shè)備購置和安裝費(fèi)用減少較多，垂直升船機(jī)部分節(jié)約直接工程投資約500 萬元。

從上述分析可知，壩后垂直升船機(jī)滿足了政府和工程建設(shè)條件的要求，具有如下特點(diǎn)：水運(yùn)和公路交通互不干擾；土建結(jié)構(gòu)不突出壩頂，結(jié)合樞紐其他建筑物整體布置可使樞紐整體美觀；垂直升船機(jī)提升容量較小，設(shè)備較簡(jiǎn)單、操作運(yùn)行維護(hù)方便，節(jié)省工程投資，故浪石灘水電站最終推薦采用壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)。

3.4 工程布置

浪石灘水電站升船機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：通航規(guī)模100 t，采用上游航道下引下穿壩頂公路、壩后干運(yùn)、橋機(jī)式垂直升船機(jī)，最大提升高度14.5 m，最大提升重量400t，水平行走距離40 m?？傮w布置：垂直升船機(jī)與左岸擋水壩結(jié)合布置，壩段長(zhǎng)29 m，順?biāo)鞣较驅(qū)挾?5 m，在壩段內(nèi)設(shè)置10.4 m寬的箱型航道，下游側(cè)為7.5 m寬的公路橋，壩頂高程187.0 m，高出上游最高通航水位12 m?？紤]本工程通航凈高富裕度較大，船室頂部高程176.5 m，承船廂底部高于船室頂1 m，計(jì)入承船架底部厚度(含軟墊)1 m、船舶吃水深度1 m、通航凈高6 m后，計(jì)算頂高程為185.5 m，仍低于公路橋底高程186.0 m，設(shè)計(jì)船室內(nèi)垂直起吊中心線距大壩下游壩面13 m、距船室下游墻上端19 m，船室順流向總長(zhǎng)34 m、凈空長(zhǎng)32 m，設(shè)計(jì)船型在承船廂就位后船只上游面伸入公路橋下3 m、船只下游面距船室下游墻安全距3 m。船室及擋水壩航道底板高程均為171.3 m，以確保船只在上游最低通航水位時(shí)順利進(jìn)入承船廂。船室176.5 m高程以上為干運(yùn)排架，為方便升船機(jī)金屬設(shè)備安裝及運(yùn)行期檢修，排架頂高程與壩頂公路鋪裝前高程相同[9]，即186.8 m，船室內(nèi)排架高10.3 m。在船室段下游布置32.75 m長(zhǎng)的排架段，下游起吊中心線距船室下游面19 m、船只上游面距船室安全距3 m，以確保過壩船只的垂直升降，兩起吊中心線相距(即水平行走距離)40 m。下游引航道底高程163.0 m，可保證下游通航水位范圍內(nèi)船只安全進(jìn)出承船廂。干運(yùn)式承船廂有效尺寸26 m×7.5 m×2.5 m，由4×1 000 kN的臺(tái)車提升機(jī)啟吊承船廂，順流向吊距16 m，導(dǎo)軌外凈距13.5 m。具體布置如圖2、圖3所示。

圖2 浪石灘垂直升船機(jī)平面布置圖(長(zhǎng)度：mm；高程：m)Fig.2 Schematic diagram of plane layout of the vertical shiplift of Langshitan Hydropower Station

圖3 浪石灘垂直升船機(jī)縱剖圖(長(zhǎng)度：mm；高程：m)Fig.3 Schematic diagram of vertical section of the vertical shiplift of Langshitan Hydropower Station

3.5 運(yùn)行情況反饋

浪石灘壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)于2008年建成開始試運(yùn)營(yíng)，綜合船舶單次過壩時(shí)間約19 min，年通過能力大于100 萬t，達(dá)到設(shè)計(jì)通航能力，并于2015年順利通過當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)主管部門組織的竣工驗(yàn)收，自建成投運(yùn)以來一直安全運(yùn)行。工程順利建成運(yùn)行，有力促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐暮竭\(yùn)和旅游事業(yè)；壩后式垂直升船機(jī)很好地解決了水陸交通的立交問題，改善了城區(qū)交通，特別是在冷水江市資江大橋維修期間，電站壩頂公路橋成為溝通城市兩岸的唯一通道；樞紐整體美觀，成為冷水江市一道亮麗的風(fēng)景線。因此，壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)在浪石灘水電站中的應(yīng)用是成功的。

4 應(yīng)用前景

隨著水電資源的不斷開發(fā)，流域中下游低水頭航電工程的建設(shè)項(xiàng)目越來越多，而流域中下游往往具有河道坡降小、洪峰流量大的特點(diǎn)，表現(xiàn)在樞紐特征水位上的特點(diǎn)就是正常蓄水位與校核洪水位差別較大，基本可滿足通航凈高要求；且流域中下游還具有經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)和人口密集等特點(diǎn)，水運(yùn)交通較為發(fā)達(dá)，水電資源開發(fā)需兼顧航運(yùn)發(fā)展；同時(shí)，攔河大壩的修建也是加強(qiáng)河道兩岸公路交通的契機(jī)，若航運(yùn)等級(jí)較低，其船型主要為平底船，則壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)是一種較好的通航建筑物形式；特別是對(duì)需恢復(fù)航運(yùn)交通或航道提級(jí)改造的已建低水頭水利工程，由于壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)的主體建筑物基本位于大壩下游，具有施工難度小、施工期對(duì)發(fā)電等其他功能影響小、投資省等優(yōu)點(diǎn)。

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