坝后干运式垂直升船机型式及应用研究

何 铁 炎

(湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙 410007)

0 引 言

浪石滩水电站位于资水干流中游冷水江市主城区，为资水干流柘溪上游段的最后一个梯级，下接柘溪水库库尾，上与筱溪电站尾水衔接[1]，是一个以发电为主、兼顾航运等综合利用的水电工程。本工程枢纽右岸上下游河岸顶部为冷水江市滨江公园，枢纽坝顶下游侧布置有沟通左右岸城区的公路桥，是冷水江市市区内横跨资江的第二座桥梁，对促进城市发展具有重要意义。本枢纽主要建筑物包括溢流坝、接头坝、电站厂房、通航建筑物等。根据项目设计时的资水航运规划，坝址河道的航道等级远景规划为Ⅵ级航道，近期设计通航吨位为50 t，远景100 t[2]，本工程的建设将河道渠化至上游筱溪电站的18 km河道，对资水中游段航运发展意义重大。可研阶段进行了船闸和升船机方案比较，推荐采用更经济的卷扬式提升、船厢下水、湿运式垂直升船机，船厢带水总重605 t。该升船机满足了当地政府对航运与坝顶公路互不干扰、有利于城市美观等要求，但存在升船机设备结构复杂、运行维护工作量和投资较大的缺点，为简化升船机结构、方便运行维护和提高其经济性，项目可研后进行了垂直升船机结构研究，最终项目采用了坝后干运式垂直升船机。

1 垂直升船机研究现状

根据统计，2000年以前全国共建有升船机近70座，其中多数为小型斜面式干运升船机，且多为20世纪70年代以前建设[3]，升船机研究发展较慢；20世纪90年代至今，随着水利水电工程的迅猛发展，垂直升船机研究进入高速发展期，结构多样，建设数量大量增加，通航吨位越来越大，尤其是大型湿运式升船机技术得到很大发展，建成红水河岩滩、闽江水口、清江隔河岩、高坝洲、乌江彭水、澜沧江景洪、长江三峡、金沙江向家坝、乌江思林、沙陀等升船机，还有乌江构皮滩、红水河龙滩、右江百色等在建或即将开工升船机，升船机技术跻身世界前列[4]。国内代表性的大型湿运升船机有三峡、向家坝、构皮滩和景洪等，液压顶升小型湿运式垂直升船机有桂林象山升船机，干运式代表性升船机有丹江口升船机等。

(1)三峡升船机：通航规模3 000 t级，为齿轮-齿条爬升全平衡湿运式垂直升船机，最大提升高度113 m，船厢带水重量达约16000t，是世界最大规模升船机[5]。

(2)向家坝升船机：通航规模1 000 t级，为齿轮-齿条爬升全平衡湿运式垂直升船机，单级提升高度114.2 m[6]，为该型升船机世界单级提升高度之最。

(3)构皮滩升船机：通航规模500 t级，采用三级提升，为钢丝绳卷扬式提升、船厢下水、全平衡、湿运式垂直升船机，总提升高度199 m，中间级提升高度172 m，为世界之最[4,7]。

(4)景洪升船机：通航规模300 t，采用世界首创的水力式、船厢下水、全平衡、湿运式垂直升船机，最大提升高度66.86 m[8]。

(5)丹江口升船机(加高前)：由上游移动式垂直升船机和下游下水式斜面升船机组成，上游垂直升船机为干运式，采用桥机式升船机，最大提升高度45 m，最大提升重量450 t，过坝方式采用坝顶排架越坝[9]。

(6)象山升船机：通航船只为游船，采用液压潜没式顶推升船机，主推液压缸推力为4×800 kN，为该类型升船机国内第一座[10,11]。

从垂直升船机的发展趋势看，小型升船机多采用干运移动式，大中型升船机多采用湿运全平衡式。

2 垂直升船机技术特点

垂直升船机的技术特点，可从船舶过坝操作流程进行最直观的分析对比,以船舶下行为例，分析干运移动式垂直升船机和湿运式垂直升船机的技术特点。

2.1 过坝操作流程[12]

干运移动式垂直升船机船舶过坝操作流程：船舶由上游引航道驶至承船架所在水域----桥机垂直提升承船架直至超过坝顶一个富余高度----桥机从上游平移至下游引航道上方----将承船架垂直下放入下游引航道水域，至船舶与承船架之间有一个足够的富余深度----船舶驶出下游引航道。

全平衡湿运式垂直升船机船舶过坝操作流程：船舶由上游引航道进入承船厢----关闭上闸首工作闸门和承船厢闸门----泄掉两道闸门之间的水体----松开密封、顶紧和锁定装置----驱动系统动作，承船厢下降至船厢内水位与下游水位齐平----推出密封、顶紧和锁定装置----往承船厢下游端闸门与下闸首工作闸门之间充水----打开承船厢下游端闸门和下闸首工作门----船舶由承船厢驶入下游引航道。

2.2 技术特点

(1)干运移动式垂直升船机技术特点。干运式垂直升船机常采用两种过坝方式：一种是“顺流向跨坝顶排架+移动式行车提升机”形式，如丹江口垂直升船机；一种是“平坝顶排架+门机式提升机”形式，如资江筱溪水电站垂直升船机。干运式垂直升船机的特点是：具有船厢不带水、运行操作过程简单、设备较简单及维护工作量小的优点，但也有与坝顶交通相互干扰、对船舶有损伤的缺点。

干运移动式垂直升船机多应用于小型升船机，通航船型以平底船为主，虽采用干运方式对船舶有较小损伤，但干运方式可减少提升机构的功率和简化建筑物布置，其主体机构为桥式(门式)起重机，使用范围广泛，技术比较简单、成熟，有利于节省工程投资和便于运行维护。

(2)湿运式垂直升船机技术特点。湿运式垂直升船机主要按提升方式进行分类，其过坝方式基本相同，具体程序为：将库水位下引至坝后上闸首，采用上闸首与承船厢对接的方式，使船只能在承船厢至上游水库间航行而完成过坝。湿运式垂直升船机的特点是：具有船只过坝与坝顶交通无干扰、对船舶损伤小等优点，但具有船厢带水重量大、需配置平衡重系统等缺点。

湿运式垂直升船机多应用于大中型垂直升船机，通航船型以尖底船为主，采用湿运方式以对船舶进行保护；为保证承船厢不漏水需要加设密封、顶紧和锁定装置；同时承船厢带水总重较大，为减小提升力需加设平衡重系统。设备的复杂化自然造成制造、安装的技术难度加大，运行操作过程复杂，过坝效率较低，维护工作量和工程投资大。

3 浪石滩水电站升船机

3.1 建设条件

(1)政府建设要求。由于本工程位于冷水江市市区，且结合枢纽建设了沟通资江两岸的城区第二座桥梁，因此政府要求航运和坝顶公路交通互不干扰，提高城市资江两岸的交通便利，促进城市向资江左岸发展；同时该枢纽将极大地提升城市水景观，要求枢纽建筑物的土建结构高度不超过坝顶高程，控制设备突出坝顶高度，并要求枢纽布置紧凑、整体美观，使其成为城市的一道景观。

(2)工程建设条件。浪石滩水电站初步设计阶段批复的通航建筑物特征水位及主要参数如表1。

表1 通航建筑物特征水位及主要参数表Tab.1 Characteristics of water level and main parameters of the navigation buildings

从表1可知本工程通航建筑物工程建设条件具有如下特点：①上游最高通航水位与正常蓄水位同为175.0 m，与坝顶高程187.0 m相差12 m，而通航净高为6 m，考虑坝顶公路桥的高度后，具备船只湿运过坝时与坝顶公路互不干扰的条件，且可使通航建筑物坝段坝顶公路与枢纽其他坝段坝顶公路同高。②通航船只吨位较小且为平底船。③上游通航水位变幅小，仅有1 m；而下游通航水位变幅稍大，为8.72 m。

3.2 存在的问题

根据垂直升船机的技术特点，对其与本工程建设条件和政府要求的适应性进行分析如下：现有干运式垂直升船机与本工程船型和通航吨位较为匹配，但“顺流向跨坝顶排架+移动式行车提升机”形式无法满足政府对枢纽美观方面的要求，“平坝顶排架+门机式提升机”形式无法满足政府对水陆交通互不干扰的要求，因此现有干运式升船机无法满足政府要求，只能采用湿运式垂直升船机。而湿运式垂直升船机既能满足政府要求，也能适应于本工程的通航净高和水位变幅等建设条件，但相对于本工程的通航吨位和船型，存在设备和运行操作复杂、过坝效率低、工程投资大等缺点。因此，有必要进行垂直升船机过坝方式研究，目的是寻求既满足政府要求和建设条件、又简化设备和节省工程投资的升船机型式。

3.3 坝后垂直升船机

(1)形式拟定。在充分研究工程建设条件和垂直升船机的特点后，提出揉合干运式和湿运式垂直升船机主要优点的过坝方式：上游航道下引、下穿坝顶公路、坝后干运式垂直升船机。即参照湿运式升船机(或船闸)在大坝上设置通航闸孔，采用引航段将库水延伸至大坝下游的闸室内，船只在大坝公路桥下航行穿越大坝至下游闸室；在通航闸孔段大坝下游侧布置桥机式升船机，采用移动桥机干运完成平移和垂直提升，从而完成船只过坝；大坝下游闸室长度需满足船舶垂直提升要求。坝后干运式垂直升船机布置示意见图1。

图1 坝后垂直升船机布置示意图Fig.1 Schematic diagram of layout of post-dam vertical shiplift

船舶下行过坝操作流程：船舶由上游引航道自通航闸孔航行下穿坝顶公路----进入下游闸室内的承船架----桥机垂直提升承船架直至超过下游闸室顶部一个富余高度----桥机从下游闸室平移至下游引航道上方----将承船架垂直下放入下游引航道水域，至船舶与承船架之间有一个足够的富余深度----船舶驶出下游引航道。

(2)技术特点。将坝后干运式新型垂直升船机与湿运式和传统干运式垂直升船机的船舶下行过坝操作流程进行对比即可发现：坝后干运式垂直升船机在船舶由上游引航道穿越大坝至承船架的操作流程与湿运式垂直升船机是相同的，其在大坝设置通航闸孔、下游设置闸室的土建结构布置也与湿运式垂直升船机土建结构布置基本相同，使船舶过坝采用自坝顶公路桥下自行航行过坝的立交方式，与坝顶公路交通互不干扰；考虑下游闸室顶部高程+通航净高+超高确定的移动桥机轨顶高程不低于184.5 m，因此坝后式垂直升船机的所有土建结构均不会高于坝顶高程187.0 m。

本工程垂直升船机由湿运式调整为干运式后，金属结构设备数量减少，简化了运行维护难度和工作量，降低了长期运行维护费用；在工程投资方面，土建投资有所增加，设备购置和安装费用减少较多，垂直升船机部分节约直接工程投资约500 万元。

从上述分析可知，坝后垂直升船机满足了政府和工程建设条件的要求，具有如下特点：水运和公路交通互不干扰；土建结构不突出坝顶，结合枢纽其他建筑物整体布置可使枢纽整体美观；垂直升船机提升容量较小，设备较简单、操作运行维护方便，节省工程投资，故浪石滩水电站最终推荐采用坝后干运式垂直升船机。

3.4 工程布置

浪石滩水电站升船机主要技术指标：通航规模100 t，采用上游航道下引下穿坝顶公路、坝后干运、桥机式垂直升船机，最大提升高度14.5 m，最大提升重量400t，水平行走距离40 m。总体布置：垂直升船机与左岸挡水坝结合布置，坝段长29 m，顺水流方向宽度15 m，在坝段内设置10.4 m宽的箱型航道，下游侧为7.5 m宽的公路桥，坝顶高程187.0 m，高出上游最高通航水位12 m。考虑本工程通航净高富裕度较大，船室顶部高程176.5 m，承船厢底部高于船室顶1 m，计入承船架底部厚度(含软垫)1 m、船舶吃水深度1 m、通航净高6 m后，计算顶高程为185.5 m，仍低于公路桥底高程186.0 m，设计船室内垂直起吊中心线距大坝下游坝面13 m、距船室下游墙上端19 m，船室顺流向总长34 m、净空长32 m，设计船型在承船厢就位后船只上游面伸入公路桥下3 m、船只下游面距船室下游墙安全距3 m。船室及挡水坝航道底板高程均为171.3 m，以确保船只在上游最低通航水位时顺利进入承船厢。船室176.5 m高程以上为干运排架，为方便升船机金属设备安装及运行期检修，排架顶高程与坝顶公路铺装前高程相同[9]，即186.8 m，船室内排架高10.3 m。在船室段下游布置32.75 m长的排架段，下游起吊中心线距船室下游面19 m、船只上游面距船室安全距3 m，以确保过坝船只的垂直升降，两起吊中心线相距(即水平行走距离)40 m。下游引航道底高程163.0 m，可保证下游通航水位范围内船只安全进出承船厢。干运式承船厢有效尺寸26 m×7.5 m×2.5 m，由4×1 000 kN的台车提升机启吊承船厢，顺流向吊距16 m，导轨外净距13.5 m。具体布置如图2、图3所示。

图2 浪石滩垂直升船机平面布置图(长度：mm；高程：m)Fig.2 Schematic diagram of plane layout of the vertical shiplift of Langshitan Hydropower Station

图3 浪石滩垂直升船机纵剖图(长度：mm；高程：m)Fig.3 Schematic diagram of vertical section of the vertical shiplift of Langshitan Hydropower Station

3.5 运行情况反馈

浪石滩坝后干运式垂直升船机于2008年建成开始试运营，综合船舶单次过坝时间约19 min，年通过能力大于100 万t，达到设计通航能力，并于2015年顺利通过当地航运主管部门组织的竣工验收，自建成投运以来一直安全运行。工程顺利建成运行，有力促进了当地的航运和旅游事业；坝后式垂直升船机很好地解决了水陆交通的立交问题，改善了城区交通，特别是在冷水江市资江大桥维修期间，电站坝顶公路桥成为沟通城市两岸的唯一通道；枢纽整体美观，成为冷水江市一道亮丽的风景线。因此，坝后干运式垂直升船机在浪石滩水电站中的应用是成功的。

4 应用前景

随着水电资源的不断开发，流域中下游低水头航电工程的建设项目越来越多，而流域中下游往往具有河道坡降小、洪峰流量大的特点，表现在枢纽特征水位上的特点就是正常蓄水位与校核洪水位差别较大，基本可满足通航净高要求；且流域中下游还具有经济较发达和人口密集等特点，水运交通较为发达，水电资源开发需兼顾航运发展；同时，拦河大坝的修建也是加强河道两岸公路交通的契机，若航运等级较低，其船型主要为平底船，则坝后干运式垂直升船机是一种较好的通航建筑物形式；特别是对需恢复航运交通或航道提级改造的已建低水头水利工程，由于坝后干运式垂直升船机的主体建筑物基本位于大坝下游，具有施工难度小、施工期对发电等其他功能影响小、投资省等优点。

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