壩后干運式垂直升船機型式及應用研究

何 鐵 炎

(湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙 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，為資水干流柘溪上游段的最后一個梯級，下接柘溪水庫庫尾，上與筱溪電站尾水銜接[1]，是一個以發電為主、兼顧航運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，樞紐壩頂下游側布置有溝通左右岸城區的公路橋，是冷水江市市區內橫跨資江的第二座橋梁，對促進城市發展具有重要意義。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。根據項目設計時的資水航運規劃，壩址河道的航道等級遠景規劃為Ⅵ級航道，近期設計通航噸位為50 t，遠景100 t[2]，本工程的建設將河道渠化至上游筱溪電站的18 km河道，對資水中游段航運發展意義重大。可研階段進行了船閘和升船機方案比較，推薦采用更經濟的卷揚式提升、船廂下水、濕運式垂直升船機，船廂帶水總重605 t。該升船機滿足了當地政府對航運與壩頂公路互不干擾、有利于城市美觀等要求，但存在升船機設備結構復雜、運行維護工作量和投資較大的缺點，為簡化升船機結構、方便運行維護和提高其經濟性，項目可研后進行了垂直升船機結構研究，最終項目采用了壩后干運式垂直升船機。

1 垂直升船機研究現狀

根據統計，2000年以前全國共建有升船機近70座，其中多數為小型斜面式干運升船機，且多為20世紀70年代以前建設[3]，升船機研究發展較慢；20世紀90年代至今，隨著水利水電工程的迅猛發展，垂直升船機研究進入高速發展期，結構多樣，建設數量大量增加，通航噸位越來越大，尤其是大型濕運式升船機技術得到很大發展，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、長江三峽、金沙江向家壩、烏江思林、沙陀等升船機，還有烏江構皮灘、紅水河龍灘、右江百色等在建或即將開工升船機，升船機技術躋身世界前列[4]。國內代表性的大型濕運升船機有三峽、向家壩、構皮灘和景洪等，液壓頂升小型濕運式垂直升船機有桂林象山升船機，干運式代表性升船機有丹江口升船機等。

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

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

(3)構皮灘升船機：通航規模500 t級，采用三級提升，為鋼絲繩卷揚式提升、船廂下水、全平衡、濕運式垂直升船機，總提升高度199 m，中間級提升高度172 m，為世界之最[4,7]。

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

(5)丹江口升船機(加高前)：由上游移動式垂直升船機和下游下水式斜面升船機組成，上游垂直升船機為干運式，采用橋機式升船機，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：通航船只為游船，采用液壓潛沒式頂推升船機，主推液壓缸推力為4×800 kN，為該類型升船機國內第一座[10,11]。

從垂直升船機的發展趨勢看，小型升船機多采用干運移動式，大中型升船機多采用濕運全平衡式。

2 垂直升船機技術特點

垂直升船機的技術特點，可從船舶過壩操作流程進行最直觀的分析對比,以船舶下行為例，分析干運移動式垂直升船機和濕運式垂直升船機的技術特點。

2.1 過壩操作流程[12]

干運移動式垂直升船機船舶過壩操作流程：船舶由上游引航道駛至承船架所在水域----橋機垂直提升承船架直至超過壩頂一個富余高度----橋機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足夠的富余深度----船舶駛出下游引航道。

全平衡濕運式垂直升船機船舶過壩操作流程：船舶由上游引航道進入承船廂----關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----驅動系統動作，承船廂下降至船廂內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----船舶由承船廂駛入下游引航道。

2.2 技術特點

(1)干運移動式垂直升船機技術特點。干運式垂直升船機常采用兩種過壩方式：一種是“順流向跨壩頂排架+移動式行車提升機”形式，如丹江口垂直升船機；一種是“平壩頂排架+門機式提升機”形式，如資江筱溪水電站垂直升船機。干運式垂直升船機的特點是：具有船廂不帶水、運行操作過程簡單、設備較簡單及維護工作量小的優點，但也有與壩頂交通相互干擾、對船舶有損傷的缺點。

干運移動式垂直升船機多應用于小型升船機，通航船型以平底船為主，雖采用干運方式對船舶有較小損傷，但干運方式可減少提升機構的功率和簡化建筑物布置，其主體機構為橋式(門式)起重機，使用范圍廣泛，技術比較簡單、成熟，有利于節省工程投資和便于運行維護。

(2)濕運式垂直升船機技術特點。濕運式垂直升船機主要按提升方式進行分類，其過壩方式基本相同，具體程序為：將庫水位下引至壩后上閘首，采用上閘首與承船廂對接的方式，使船只能在承船廂至上游水庫間航行而完成過壩。濕運式垂直升船機的特點是：具有船只過壩與壩頂交通無干擾、對船舶損傷小等優點，但具有船廂帶水重量大、需配置平衡重系統等缺點。

濕運式垂直升船機多應用于大中型垂直升船機，通航船型以尖底船為主，采用濕運方式以對船舶進行保護；為保證承船廂不漏水需要加設密封、頂緊和鎖定裝置；同時承船廂帶水總重較大，為減小提升力需加設平衡重系統。設備的復雜化自然造成制造、安裝的技術難度加大，運行操作過程復雜，過壩效率較低，維護工作量和工程投資大。

3 浪石灘水電站升船機

3.1 建設條件

(1)政府建設要求。由于本工程位于冷水江市市區，且結合樞紐建設了溝通資江兩岸的城區第二座橋梁，因此政府要求航運和壩頂公路交通互不干擾，提高城市資江兩岸的交通便利，促進城市向資江左岸發展；同時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構高度不超過壩頂高程，控制設備突出壩頂高度，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)工程建設條件。浪石灘水電站初步設計階段批復的通航建筑物特征水位及主要參數如表1。

表1 通航建筑物特征水位及主要參數表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條件具有如下特點：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，具備船只濕運過壩時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

根據垂直升船機的技術特點，對其與本工程建設條件和政府要求的適應性進行分析如下：現有干運式垂直升船機與本工程船型和通航噸位較為匹配，但“順流向跨壩頂排架+移動式行車提升機”形式無法滿足政府對樞紐美觀方面的要求，“平壩頂排架+門機式提升機”形式無法滿足政府對水陸交通互不干擾的要求，因此現有干運式升船機無法滿足政府要求，只能采用濕運式垂直升船機。而濕運式垂直升船機既能滿足政府要求，也能適應于本工程的通航凈高和水位變幅等建設條件，但相對于本工程的通航噸位和船型，存在設備和運行操作復雜、過壩效率低、工程投資大等缺點。因此，有必要進行垂直升船機過壩方式研究，目的是尋求既滿足政府要求和建設條件、又簡化設備和節省工程投資的升船機型式。

3.3 壩后垂直升船機

(1)形式擬定。在充分研究工程建設條件和垂直升船機的特點后，提出揉合干運式和濕運式垂直升船機主要優點的過壩方式：上游航道下引、下穿壩頂公路、壩后干運式垂直升船機。即參照濕運式升船機(或船閘)在大壩上設置通航閘孔，采用引航段將庫水延伸至大壩下游的閘室內，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布置橋機式升船機，采用移動橋機干運完成平移和垂直提升，從而完成船只過壩；大壩下游閘室長度需滿足船舶垂直提升要求。壩后干運式垂直升船機布置示意見圖1。

圖1 壩后垂直升船機布置示意圖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----進入下游閘室內的承船架----橋機垂直提升承船架直至超過下游閘室頂部一個富余高度----橋機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足夠的富余深度----船舶駛出下游引航道。

(2)技術特點。將壩后干運式新型垂直升船機與濕運式和傳統干運式垂直升船機的船舶下行過壩操作流程進行對比即可發現：壩后干運式垂直升船機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式垂直升船機是相同的，其在大壩設置通航閘孔、下游設置閘室的土建結構布置也與濕運式垂直升船機土建結構布置基本相同，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+超高確定的移動橋機軌頂高程不低于184.5 m，因此壩后式垂直升船機的所有土建結構均不會高于壩頂高程187.0 m。

本工程垂直升船機由濕運式調整為干運式后，金屬結構設備數量減少，簡化了運行維護難度和工作量，降低了長期運行維護費用；在工程投資方面，土建投資有所增加，設備購置和安裝費用減少較多，垂直升船機部分節約直接工程投資約500 萬元。

從上述分析可知，壩后垂直升船機滿足了政府和工程建設條件的要求，具有如下特點：水運和公路交通互不干擾；土建結構不突出壩頂，結合樞紐其他建筑物整體布置可使樞紐整體美觀；垂直升船機提升容量較小，設備較簡單、操作運行維護方便，節省工程投資，故浪石灘水電站最終推薦采用壩后干運式垂直升船機。

3.4 工程布置

浪石灘水電站升船機主要技術指標：通航規模100 t，采用上游航道下引下穿壩頂公路、壩后干運、橋機式垂直升船機，最大提升高度14.5 m，最大提升重量400t，水平行走距離40 m。總體布置：垂直升船機與左岸擋水壩結合布置，壩段長29 m，順水流方向寬度15 m，在壩段內設置10.4 m寬的箱型航道，下游側為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。考慮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，計算頂高程為185.5 m，仍低于公路橋底高程186.0 m，設計船室內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34 m、凈空長32 m，設計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順利進入承船廂。船室176.5 m高程以上為干運排架，為方便升船機金屬設備安裝及運行期檢修，排架頂高程與壩頂公路鋪裝前高程相同[9]，即186.8 m，船室內排架高10.3 m。在船室段下游布置32.75 m長的排架段，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船只安全進出承船廂。干運式承船廂有效尺寸26 m×7.5 m×2.5 m，由4×1 000 kN的臺車提升機啟吊承船廂，順流向吊距16 m，導軌外凈距13.5 m。具體布置如圖2、圖3所示。

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

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

3.5 運行情況反饋

浪石灘壩后干運式垂直升船機于2008年建成開始試運營，綜合船舶單次過壩時間約19 min，年通過能力大于100 萬t，達到設計通航能力，并于2015年順利通過當地航運主管部門組織的竣工驗收，自建成投運以來一直安全運行。工程順利建成運行，有力促進了當地的航運和旅游事業；壩后式垂直升船機很好地解決了水陸交通的立交問題，改善了城區交通，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景線。因此，壩后干運式垂直升船機在浪石灘水電站中的應用是成功的。

4 應用前景

隨著水電資源的不斷開發，流域中下游低水頭航電工程的建設項目越來越多，而流域中下游往往具有河道坡降小、洪峰流量大的特點，表現在樞紐特征水位上的特點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濟較發達和人口密集等特點，水運交通較為發達，水電資源開發需兼顧航運發展；同時，攔河大壩的修建也是加強河道兩岸公路交通的契機，若航運等級較低，其船型主要為平底船，則壩后干運式垂直升船機是一種較好的通航建筑物形式；特別是對需恢復航運交通或航道提級改造的已建低水頭水利工程，由于壩后干運式垂直升船機的主體建筑物基本位于大壩下游，具有施工難度小、施工期對發電等其他功能影響小、投資省等優點。

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