韓曉榮

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,西安 710001)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0043—03

黃金峽水利樞紐通航建筑物設(shè)計(jì)研究

韓曉榮

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,西安 710001)

通航建筑物的布置結(jié)合樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件、樞紐布置特點(diǎn)及河道對通航的實(shí)際需要，本著布置簡單，運(yùn)行管理方便，快速過壩的原則，進(jìn)行了各種方案的分析比較，選擇垂直升船機(jī)與表孔相結(jié)合的型式，節(jié)省工程整體工程量及投資。

黃金峽樞紐；通航建筑物；垂直升船機(jī)

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐、秦嶺輸水隧洞三大部分組成，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。

黃金峽水利樞紐為引漢濟(jì)渭龍頭水庫。工程任務(wù)以供水為主，兼顧發(fā)電、航運(yùn)。樞紐由攔河壩、泄水建筑物、泵站、電站及升船設(shè)施組成。水庫總庫容2.36億m3，正常蓄水位450 m，調(diào)節(jié)庫容0.69億m3，電站裝機(jī)容量135 MW，航運(yùn)過壩設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)100 t。工程等別為Ⅱ等大(2)型，主要建筑物大壩為2級(jí)建筑物，電站廠房及航運(yùn)為3級(jí)建筑物。

樞紐總體布置沿壩軸線從左至右由泵站電站聯(lián)合布置壩段、電站導(dǎo)墻壩段、底孔壩段、大導(dǎo)墻壩段、表孔壩段(升船機(jī)與右邊表孔相結(jié)合)、右擋水壩段等主要建筑物組成。最大壩高68.0 m, 壩頂長324.5 m，采用筑壩材料為常態(tài)與碾壓混凝土結(jié)合的型式。樞紐總體布置如圖1。

圖1 樞紐總體布置圖

2 通航建筑物布置原則

(1) 從全局出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧，以河流航運(yùn)規(guī)劃和航道等級(jí)為依據(jù)。

(2) 結(jié)合壩址處地形地質(zhì)條件并與樞紐總體設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)。

(3) 處理好通航與水利、水電的關(guān)系，綜合利用水資源，做到遠(yuǎn)近結(jié)合，留有發(fā)展余地，節(jié)約用地，節(jié)約能源。

3 通航建筑物設(shè)計(jì)

3.1 航運(yùn)現(xiàn)狀

漢江干流陜境大多段有通航要求，洋縣至渭門長65 km河道穿行于黃金峽，目前通航期為260 d，可通行10～15 t船舶，通航保證率71%。黃金峽水利樞紐的興建，阻斷了此段河道上下游通航，因而本工程在修建攔河大壩滿足調(diào)水需要的同時(shí)，應(yīng)修建相應(yīng)的過壩通航建筑物。

3.2 通航建筑物規(guī)模確定

根據(jù)陜西省交通廳《漢江(陜境)航運(yùn)規(guī)劃報(bào)告》中“到2020年，100 t級(jí)船舶可由洋縣，300 t級(jí)船舶可由安康直達(dá)下游各地和長江干流沿途各省，……”。并參考本工程下游安康水電站通航建筑物過船噸級(jí)為100 t，經(jīng)綜合分析本工程過船設(shè)施設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)為100 t鐵駁，分級(jí)指標(biāo)為Ⅵ級(jí)，最高通航水位洪水重現(xiàn)期為5年一遇，洪峰流量為8 290 m3/s。上、下游最高通航水位分別為450.0 m和417.6 m，上游最低通航水位為死水位440.0 m，下游最低通航水位按船只吃水深度確定為405.2 m。

圖2 垂直升船機(jī)縱剖面圖 單位：m

通過最大船舶型長32.0 m，型寬7.0 m，滿載吃水1.0 m。到2020年過船設(shè)施設(shè)計(jì)年貨運(yùn)量為23萬t，客運(yùn)量為5萬人；到2030年過船設(shè)施設(shè)計(jì)年貨運(yùn)量為56萬t，客運(yùn)量為12萬人。

3.3 過壩方案選擇

船只過壩型式，根據(jù)航運(yùn)規(guī)模、樞紐總體布置特點(diǎn)及壩址處地形地質(zhì)條件綜合分析比較確定。

3.3.1 船閘與升船機(jī)比選

黃金峽水利樞紐水位落差最高達(dá)45 m左右，若采用船閘，則最少應(yīng)布置為2級(jí)，布置線路長，工程量大，運(yùn)行復(fù)雜，過壩歷時(shí)長。升船機(jī)作為一種較新型的通航建筑物型式，是采用機(jī)械提升船只過壩，優(yōu)點(diǎn)是可適應(yīng)較高水頭，地形條件約束少，布置線路短，船舶過壩速度快，基本不耗水，沒有高水頭船閘的閥門振動(dòng)、空化等問題，在設(shè)置平衡重后，運(yùn)行費(fèi)用相對較低，尤其是垂直升船機(jī)，可與泄洪孔口結(jié)合布置，節(jié)約樞紐布置空間，減小工程量，運(yùn)行管理方便，對于黃金峽過壩船舶噸級(jí)較小、樞紐布置位置緊張的特點(diǎn)較為適用。

3.3.2 升船機(jī)方案研究比選

按照運(yùn)行方式，主要比較垂直升船機(jī)和斜坡道升船機(jī)2種型式。

(1) 垂直升船機(jī)布置：從平面布置緊湊、節(jié)省布置空間、施工方便考慮，將升船機(jī)與右岸邊表孔沿垂直方向相結(jié)合，下部結(jié)構(gòu)可利用表孔閘墩，其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行方便快捷。升船機(jī)布置為單線，由上游引航道、上游垂直升降段、水平過壩段、下游垂直升降段、下游引航道組成,見圖2。

(2) 斜坡道升船機(jī)布置：壩址處河道主流靠近右岸，為了使斜坡道升船機(jī)布置簡單、線路短、工程量省以及運(yùn)行方便，將斜坡道升船機(jī)布置于壩體右岸山坡上，斜坡上安裝軌道，斜坡頂設(shè)置中樞控制系統(tǒng)，升船機(jī)沿上、下游斜坡軌道運(yùn)行實(shí)現(xiàn)船只過壩。見圖3。

圖3 斜坡道升船機(jī)縱剖面圖 單位：m

升船機(jī)方案比較見表1。

表1 升船機(jī)方案比較表

斜坡道升船機(jī)占用的面積不僅與船隊(duì)(舶)的尺寸有關(guān)，更主要的是取決于滑道的坡度和高度。本工程升船機(jī)臨右岸布置，岸坡較為陡峻，布置斜坡道升船機(jī)山坡開挖工程量、占用面積、施工難度均較大。此外，斜坡道升船機(jī)在爬升變速段，船隊(duì)(舶)易受水流慣性力作用而偏位，定位時(shí)間較長，對啟停加減速度控制要求較高。而垂直升船機(jī)有平面布置緊湊、操作平穩(wěn)、準(zhǔn)確、快速的優(yōu)點(diǎn)。垂直升船機(jī)占用的面積僅與船隊(duì)(舶)的長度和寬度有關(guān)，和表孔沿垂直方向結(jié)合布置，而黃金峽表孔孔口尺寸為15 m×24 m，正好能滿足設(shè)計(jì)過壩船舶所需寬度要求，并且升船機(jī)承重柱能有效支撐于壩體及消力池邊墻上，可節(jié)約升船機(jī)土建工程量，更可減小邊坡大開挖，較斜坡道升船機(jī)建筑工程直接費(fèi)節(jié)省800.37萬元，因而選用垂直升船機(jī)過壩方案。

3.3.3 垂直升船機(jī)具體布置及運(yùn)行方式

垂直升船機(jī)采用與右岸邊表孔沿垂直方向相結(jié)合的布置型式，主要建筑物由上游引航道、上游垂直升降段、水平過壩段、下游垂直升降段、下游引航道組成。主要承重結(jié)構(gòu)為上下游立柱及壩面，在柱頂和壩面順?biāo)鞣较蚣茉O(shè)廂形鋼梁，提升機(jī)沿鋼梁上水平軌道運(yùn)行，提著船廂水平運(yùn)行至壩體上下游實(shí)現(xiàn)船廂上升或下降。

升船機(jī)在小于5年一遇洪水通航時(shí)，右邊表孔不參與泄洪，洪水由其余4表孔及底孔宣泄(正常蓄水位泄洪能力為20 772.3 m3/s)。為了使下泄水流對船舶不產(chǎn)生沖擊影響，設(shè)計(jì)將邊表孔下游消力池與其它孔之間設(shè)置邊墻分隔，并在其下游布置混凝土導(dǎo)航墻。由計(jì)算知，在導(dǎo)航墻的末端，下泄水流對船舶運(yùn)行影響較小，此布置型式在理論上是可行的，鑒于理論計(jì)算和實(shí)際的差距，下游引航道的設(shè)計(jì)還將通過水工模型試驗(yàn)進(jìn)一步論證和優(yōu)化。

(1) 升船機(jī)下部結(jié)構(gòu)布置

1) 上游浮式導(dǎo)航堤：黃金峽水利樞紐上游最低和最高通航水位分別為死水位440.0 m和正常蓄水位450.0 m，根據(jù)通航水位落差較大的特點(diǎn)，并考慮施工方便，船只能順利就位于過壩準(zhǔn)確位置處，在緊接上游垂直升降段靠山體側(cè)立柱向上游修建浮式導(dǎo)航堤，導(dǎo)航堤采用2段封閉式鋼筋混凝土預(yù)制箱涵組成，垂直水流方向?qū)?.8 m，順?biāo)鞣较蜷L100 m，高6.0 m，壁厚0.4 m。導(dǎo)航墻近壩端采用滾輪與上游承重柱連接，可隨水位上下滑動(dòng)，遠(yuǎn)壩端采用錨索錨固于庫底弱風(fēng)化基巖上。

2) 上游垂直升降段：緊挨壩面上游布置，承重結(jié)構(gòu)由距壩體上游33 m的2根鋼筋混凝土立柱和壩體伸出的2個(gè)牛腿組成。臨河及臨山側(cè)柱基礎(chǔ)高程分別為390.0 m和397.0 m，基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化基巖上，柱斷面尺寸5.0 m×5.0m，橫向凈距14.0 m；在柱頂和牛腿頂面順?biāo)鞣较蚣茉O(shè)廂形鋼梁，斷面尺寸1.2 m×3.0 m，跨度33.3 m。鋼梁上設(shè)提升機(jī)運(yùn)行軌道，提升機(jī)沿軌道水平運(yùn)行在此段提升船廂上升或下降。

3) 水平過壩段和下游垂直升降段：船只連同承船廂由提升機(jī)吊起后，提升機(jī)沿壩頂軌道水平移動(dòng)將船只由壩體上游移向壩體下游，在下游垂直升降段將船只下降到下游河道，實(shí)現(xiàn)船只過壩需要。此兩段升船機(jī)軌道鋼梁支撐于壩面下游牛腿和承重柱上，承重柱置于戽式消力池側(cè)墻上, 可節(jié)約下部基礎(chǔ)土建工程量，柱斷面尺寸4.0 m×4.0 m，順?biāo)鞣较蛑g距32.0 m，垂直水流方向柱凈距15 m。

4) 下游引航道：為使船只過壩后順利進(jìn)入下游主河道，緊接邊表孔戽池末端修建下游引航道，結(jié)合實(shí)際地形條件及船只運(yùn)行要求，導(dǎo)航墻采用圓弧形，長度66.6 m，轉(zhuǎn)彎半徑100 m，轉(zhuǎn)角38.162°，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻頂高程418.5 m，墻底高程392.0 m，基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化基巖上。斷面尺寸404.0 m高程以上寬4.0 m，404.0 m高程以下寬4.0～6.0 m。航道底高程404.0 m，與主河道底高程相同。

(2) 升船機(jī)型式選擇

升船機(jī)是采用提升機(jī)從壩上游直接提升船只翻越壩頂再下降至壩下游的提升式， 還是采用設(shè)有上閘首、船廂室、下閘首的閘首式，設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合比較分析。閘首式垂直升船機(jī)水工布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下閘首均要布置工作閘門及檢修閘門，船廂室與上下閘首之間需布置頂緊、密封裝置，其結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，金屬結(jié)構(gòu)工程量較大。塔樓平臺(tái)上要布置主機(jī)房、主機(jī)房內(nèi)布置4臺(tái)鋼絲繩卷揚(yáng)升船機(jī)，整個(gè)升船機(jī)系統(tǒng)顯得繁雜、龐大，較適宜大中型垂直升船機(jī)。本工程升船機(jī)過船設(shè)計(jì)噸位100 t，屬小型升船機(jī)，根據(jù)現(xiàn)在正建和已建小型升船機(jī)經(jīng)驗(yàn)，采用提升機(jī)直接提升船只過壩較為經(jīng)濟(jì)合理，船只噸位較小，在提升船只和水平運(yùn)行時(shí)可滿足克服振動(dòng)和保持平衡的要求，此種結(jié)構(gòu)型式水工布置及金屬結(jié)構(gòu)布置型式均較為簡單，運(yùn)行、管理、維護(hù)方便，本階段推薦垂直提升式升船機(jī)。

(3) 運(yùn)行方式

1) 承船廂運(yùn)行方式：按船隊(duì)(舶)在承船廂中的支托方式，有濕運(yùn)和干運(yùn)2種。濕運(yùn)方案是船舶置于承船廂中的水體中，承船廂中水深最小應(yīng)為船舶設(shè)計(jì)吃水深度，濕運(yùn)方案因船舶在水中受到側(cè)向水壓力的作用，承船廂在載船運(yùn)行中，船舶受到的振動(dòng)影響較小，但濕運(yùn)總重量加大，驅(qū)動(dòng)功率大，加速慢，運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)效益低，總造價(jià)也相應(yīng)增加。干運(yùn)方案因船舶直接置于承船廂的彈性支托體上，原在水中的側(cè)向壓力已消失，承船廂在載船運(yùn)行中，船舶受到的振動(dòng)影響較大，對結(jié)構(gòu)單薄的木船容易產(chǎn)生損壞漏水。但干運(yùn)總重量輕，故驅(qū)動(dòng)功率小，加速快，運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)效益高，總造價(jià)也相應(yīng)減少。鑒于本工程設(shè)計(jì)船只噸位100 t，屬小型過船設(shè)施，在載船運(yùn)行中通過固定、鎖緊等裝置將船只牢固于承船廂上，另外還可通過控制船廂在運(yùn)行過程中加速度來減輕船只在運(yùn)行過程中受到的振動(dòng)，經(jīng)綜合比較，確定船廂采用干運(yùn)方案。

2) 船只進(jìn)出船廂方式：對于直接提升船只翻過壩頂這種過船型式，采用船廂下水，船廂上水深最小為船只設(shè)計(jì)吃水深度，船只直接由引航道駛?cè)氪瑤蝰偝龃瑤M(jìn)入引航道。

4 結(jié) 語

通航建筑物的布置，應(yīng)結(jié)合壩址處地形地質(zhì)條件、樞紐總體布置特點(diǎn)及過船噸位要求等綜合分析比較，選擇合適的通航型式，以節(jié)省工程總體投資。鑒于垂直升船機(jī)下部基礎(chǔ)可利用壩體結(jié)構(gòu)，節(jié)約土建工程量，且有過壩快速、便捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，在黃金峽樞紐中予以采用，很大程度上節(jié)約了占地面積及邊坡開挖工程量。

[1] JTJ305-2001,船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2001.

[2] 卞全.漢江蜀河水電站垂直升船機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西北水電,2010,(04)：42-45.

[3] 朱虹,鄧潤興.三峽升船機(jī)總體布置設(shè)計(jì)[J].人民長江,2009,(23)：48-51.

[4] 王學(xué)漢.丹江口水利樞紐垂直升船機(jī)軌道鋼梁安裝技術(shù)[J].西北水電,2014,(05)：72-75.

Study on Design of Navigation Structures of Huangjinxia Project

HAN Xiao-rong

(Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design, Xi'an 710001, China)

In principle of simple arrangement and convenient operation management, the schemes of the navigation structures are analyzed and compared in accordance with local geological conditions, project arrangement features and actual conditions of the waterway to navigation. The mode of the vertical shiplift combining with the surface outlet is applied. The total work quantity and the investment are both reduced. Key words: Huangjinxia Project; navigation structure; vertical shiplift

2014-10-14

韓曉榮(1972- ),女，陜西省蒲城縣人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作.

U642.6

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.011