向家坝升船机平面布置设计浅析

刘质伟

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

1 工程概况

向家坝水电站位于四川省宜宾县和云南省水富县交界的金沙江下游河段，其坝址距下游宜宾市33km，离水富县城1.5km。

向家坝水电站所在的金沙江河段现为通航河段，通航里程上自新市镇下至宜宾市，全长105km，其中新市镇至水富县城（坝址）河段约75km，150t 级驳船每年可满载通航300 天左右；水富至宜宾30km 河段目前按Ⅴ级航道进行维护，可常年通行2x300t+300HP 级船队。

向家坝水库建成后，将淹没碍航险滩84 处，渠化延长新市镇以上航道80km，使向家坝至溪洛渡156.6km河段彻底改变目前航道浅、窄、滩险流急的碍航局面，成为行船安全的深水航道。此外，向家坝水电站可使枯水期下泄流量有所增加，从而改善向家坝下游航道的航运条件。金沙江河道航运能力的提高，必将促进西部地区川、滇两省与外部经济交流，从而促进西南经济发展。

2 升船机轴线布置

升船机轴线布置主要基于以下原则：满足船舶安全通畅地通过通航建筑物所需要的布置尺寸和引航道（包括口门区）通航水流条件的要求，有利于减少引航道泥沙淤积，节省工程投资，便于运行管理和维护。

结合向家坝水电站的具体情况，分析如下：

（1）航道条件：向家坝水电站坝址下游的主河道较坝轴线处狭窄，且偏于左岸，为保证下游航道顺畅，升船机宜布置在左岸。

（2）地形条件：向家坝水电站坝址处左岸山坡比右岸平缓，升船机若布置于左岸，并适当向河床靠，有利于降低边坡高度和减少开挖工程量。

（3）枢纽总布置：右岸布置有地下厂房，且在整个枢纽中，泄水建筑物布置在河中偏右岸，使升船机难以布置在右岸。

根据上述理由，经综合分析比较，升船机轴线布置在左岸。在预可行性研究阶段，升船机轴线靠左岸山坡布置，进入可行性研究阶段，为解决左岸升船机边坡开挖规模较大、首台机发电工期及总工期长的问题，将升船机下河向右靠，并根据通航自身要求，研究比较了升船机轴线在左岸布置的具体位置及与坝轴线相交角度，最后确定升船机轴线与坝轴线垂直，其左、右分别与冲沙孔坝段和左岸坝后厂房坝段相连。

3 升船机的总体布置原则

向家坝水电站一级垂直升船机布置于枢纽左岸，其中心线与坝轴线的交角为90°，为降低开挖工程量和边坡高度，在枢纽布置及上、下游引航道口门区水流允许的条件下，尽量向河中布置，其左、右分别与左岸冲沙孔坝段和左岸厂房坝段相邻。它由上游引航道、上闸首（包括挡水坝段和渡槽段）、船厢室段、下闸首和下游引航道等五部分组成，全长约1530m。

选择升船机的枢纽布置，应根据其过船吨位、枢纽规模大小、工程总体布置及自然条件等，进行全面综合分析确定。

（1）确定升船机枢纽的位置时，应充分考虑其与枢纽其它水工建筑物布置的协调问题。

（2）升船机枢纽的总体布置，应尽量避免某些水工建筑物，如溢流坝、泄水闸、电站等的干扰，与这些建筑物之间，必须有足够长度的分水导墙（堤）。

（3）升船机枢纽应布置在顺直稳定的河段上,并使上、下游引航道与主航道平顺连接。上、下游引航道口门应尽量避免布置在易淤部位，同时应满足口门区的通航水流条件。

（4）必须保证船队(舶)在通航期内安全通畅运行，并利于运行管理和检修。

（5）升船机枢纽应尽量选在地形、地质条件较好的位置，出于运行管理方便、节省投资等原因，也宜临岸布置。

（6）为减少上、下游引航道的淤积，应根据河流的泥沙条件和枢纽布置的具体情况，设置冲砂闸、冲砂道(孔)等设施，在含沙量较大的河流上，宜设置排沙防淤设施以减少上游淤积。

4 上游引航道布置原则

上游引航道位于大坝前沿水库内，为向左侧单向扩宽的型式，引航道底高程低于366.50m。引航道右侧布置浮式导航墙，长度为120m，供上、下行船舶导航及隔流之用。

引航道一般由导航段、调顺段、停泊段和过渡段(制动段)等组成，其平面轮廓和尺度应保证通航期内过坝船队（舶）能畅通无阻，安全行驶。

引航道的平面布置应根据升船机的级别、级数、设计船型船队、通过能力等，结合地形、地质、水流、泥沙及上游航道等条件研究确定。

升船机上游引航道的平面布置和船闸基本相同，其布置型式、航道尺度、与河流、水库中航道的连接、口门区水流条件等具体要求，应满足《船闸设计规范》(JTJ261）的有关规定。

上游引航道内的主要建筑物有导航和靠船建筑物。导航建筑物主要将航道与坝前水域分隔开来，以形成平静的航道；靠船建筑物主要有重力式靠船墩、靠船构架等。

引航道的底高程应满足设计最大船队（舶）满载时吃水深度的1.4～1.5 倍要求，导航及靠船建筑物的顶高程应满足设计最大船队（舶）空载时最大干舷高度的要求。

5 上闸首布置

上闸首由挡水坝段和渡槽段组成。上闸首的挡水坝段沿升船机中心线长115.5m，占据坝段宽为29.6m，该坝块顶、底高程分别为382.00m 和226.00m 位于坝块上的通航孔口宽12m，门槛高程为366.50m。通航孔口的上游侧设防洪检修闸门一道，供升船机检修和库水位超过上游最高通航水位380.00m 时挡水用。

结合厂房安装间的布置需要，在挡水坝段后增设了长为85.45m 的渡槽段。其顶、底高程分别为382.00m 和230.00m，槽内侧壁间净宽12m，槽内底高程为366.50m。在高程280.74～357.50m 设一个跨度为39.50m、垂直于升船机中心线的横向贯通洞，布置厂房的安装间。渡槽段下游端设上闸首工作闸门。该工作闸门为升降门，使渡槽与承船厢衔接并适应渡槽内水位的变化。工作闸门上还有一个供船舶进出承船厢的卧倒小门。

5.1 挡水坝段布置原则

升船机挡水坝段是枢纽挡水建筑物的一部分，一般有两种型式：一为独立的挡水坝段，一为与升船机上闸首结合的挡水坝段。

升船机挡水坝段的顶部高程，应根据设计和校核水位计算确定，并宜与工程枢纽的坝顶高程一致；中间通航孔口的宽度和底槛高程，应根据航道等级、通航规模和上游最低通航水位，参照GBJ 139-90 第3.0.1 条所给出的船闸有效宽度和门槛水深加以确定。

挡水坝段应设置挡水工作闸门和检修闸门。挡水工作闸门为超过上游最高通航水位时阻挡洪水之用，检修闸门为检修挡水闸门及下游渠道时挡水之用。应根据工程运用条件，在坝顶设置门机或固定启闭机启闭闸门。此外，挡水工作闸门可兼作事故闸门之用。

5.2 上闸首布置原则

上闸首主要由通航孔口、工作门、过船防撞设施及各部分之间的交通结构等基本部分组成。根据河流的泥沙情况及总体布置的要求，可设置专门的冲砂结构，如冲砂孔、冲砂堰、排砂孔等。

和挡水坝段一样，上闸首也有两种型式：独立的上闸首，或与挡水坝段结合的上闸首。中间通航孔口的尺度，应与挡水坝段相同；上闸首的工作门，应设置在上闸首的下游，紧接主体段。

为防止船队（舶）直接撞击工作闸门，应在工作闸门前设置防撞设施，视具体情况确定防撞设施的结构。

上闸首工作闸门的顶部高程，应不小于上游最高通航水位加安全超高。安全超高可参照下列规定采用：

上闸首墙顶高程应根据闸门顶高程和结构布置等要求确定。一般情况下，可采用上游设计最高通航水位加超高，其超高不宜小于过闸船队（舶）的最大空载干舷高度。

6 船厢室段（主体段）布置

船厢室段是升船机承船厢的支承、导向和限位结构，承受承船厢正常运行和事故状态时的全动荷载和静荷载，并在承船厢升降时起导向和限位作用。

船厢室段沿升船机中心线长116m，总宽47m，内侧布置承船厢室，其宽度为19.0m。在承船厢室的左右两侧各布置2 个对称的钢筋混凝土塔柱，塔柱结构的顶、底高程分别为393.00m 和255.00m，自高程296.00m 以下为坞室结构，高程296.00m 以上为薄壁筒体结构，每个塔柱纵向长47.20m，宽为14.00m，除螺母柱布置位置处的壁厚为1.25m 外，其余壁厚均为1.0m。在塔柱300.00m 高程和向上每增加15.0m 高程处，其四周设置2.0mX2.0m 的通风洞，以降低温度应力的影响。塔柱主结构总高度达150m，若再计入其顶部机房等附属结构高度，其结构总高度将达170m。塔柱是升船机的主体承重结构，承船厢、平衡重和其他机电设备等荷载均由其承受。

前后塔柱之间的距离为19.6m，其间布置供交通、疏散用的楼梯和电梯。左右塔柱之间在高程388.00～390.00m 处布置18 根横向联系梁（断面为1.0mX3.0m），可兼作为连通左右机房的交通通道，横梁净跨19.0m

7 下闸首及下游引航道布置

下闸首紧邻船厢室段下游布置，系整体坞式结构，其长度为40m，宽为47m，顶、底高程分别为296.00m和240.00m，其中间的通航孔口宽度12m，门槛高程为262.00m，与上闸首一样，也布置有工作闸门和检修闸门各一道，分别供运行和检修及防止下游河道水体倒灌入承船厢池内之用。

下游引航道基本宽度为40m，紧邻下闸首的109m长度内为渐变段，其宽度由12m 渐扩至40m。自下闸首末端桩号0+356.950 至桩号0+738.450 间，其中心线为一直线。以供双向过坝时船队停靠和避让之需。其后为一半径为444.00m、圆心角为30°的圆弧段，圆弧段航道加宽20m。自圆弧段末端与下游主航道衔接。引航道底高程为 260.00m，左侧设长35m 的重力式辅导航墙。右侧设重力式主导航墙，它的顶高程为 281.50m，沿升船机中心线的长度为793.05m，它是用来供船舶导航和保持引航道内 水面平稳之用的，也兼做船舶停靠之用。

7.1 下闸首布置原则

下闸首主要由通航孔口、工作闸门、检修闸门及两侧边墩结构、启闭构架等组成。

下闸首中间通航孔口的宽度应与上闸首相同。底板高程应满足船队（舶）在下游最低通航水位运行时门槛水深的要求。

两侧边墩的顶高程，应满足下游最高通航水位或下游检修水位加安全超高的要求，同时要考虑到该处两侧水流的状态。侧墙的断面应按结构布置及受力情况确定，并满足整体结构的稳定和基础应力要求。

下闸首一般应设工作闸门和检修闸门各一道。工作门一般采用带过船小门的下沉门，检修门可采用平板门或浮坞门形式。若船厢直接下水，则下闸首可不设工作门。

7.2 下游引航道布置原则

下游引航道的底高程应按下游最低通航水位时，最大船队（舶）满载航行的航道水深要求确定。

下游引航道的主要建筑物有导航和靠船建筑物。由于下游水深较小，考虑工程枢纽下泄水流的影响，导航建筑物一般采用固定结构，而不采用浮式结构。根据下游引航道不同区段的水流条件，可采用不同型式的导航结构，如混凝土重力式、墩板式等，如下游流态平稳，也可采用排架结构。导航结构的顶高程，除满足下游最高通航水位时最大船队（舶）空载干舷高度要求外，还应考虑通航期工程枢纽的水流条件，确保各段导航结构能高于下泄水流的水面线。

下游引航道的布置、航道尺度、与下游河流航道的连接、口门区水流条件等具体要求，应满足《船闸设计规范》（JTJ261）的有关规定。

8 辅助闸室及辅助闸首

根据向家坝水电站下游非恒定流水力学模型试验研究成果，由电站日调节、大坝泄洪及电站事故等因素形成的非恒定流造成升船机下闸首处的水位变率较大。试验研究表明，非恒定流造成升船机下游引航道内水面频繁而剧烈的波动不利于船舶安全进出升船机承船厢。为此，在升船机下闸首下游侧设置辅助闸室，当承船厢与下游水位对接时隔开下闸首与下游河道的联系，使船舶在相对封闭的水域进出升船机承船厢，以保证船舶安全。

因此为满足升船机在下游水位变率较大工况下安全、连续运行的需要，需在下游引航道设置辅助闸室来消除下游水位变率对承船厢与下游水位对接时的影响。为节省工程投资，降低向家坝水电站工程左岸边坡高度，在不改变引航道原布置（不设置辅助 闸室与辅助闸首）的总体布局条件下，紧邻下闸首的下游侧布置成辅助闸室与辅助闸首。辅助闸首具体位置在下闸首下游118m处，沿升船机中心线长20.0m，顶高程为296.00m，其为分离式结构。