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        壩后干運(yùn)式垂直升船機(jī)型式及應(yīng)用研究

        2020-06-17 04:34:12
        中國農(nóng)村水利水電 2020年6期
        關(guān)鍵詞:船舶

        何 鐵 炎

        (湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)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(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)國內(nèi)第一座[10,11]。

        從垂直升船機(jī)的發(fā)展趨勢看,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)行操作過程簡單、設(shè)備較簡單及維護(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,簡化了運(yùn)行維護(hù)難度和工作量,降低了長期運(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。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(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34 m、凈空長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,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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