黃金峽水利樞紐通航建筑物設計研究

韓曉榮

(陜西省水利電力勘測設計研究院,西安 710001)

文章編號：1006—2610(2015)04—0043—03

黃金峽水利樞紐通航建筑物設計研究

韓曉榮

(陜西省水利電力勘測設計研究院,西安 710001)

通航建筑物的布置結合樞紐區地形地質條件、樞紐布置特點及河道對通航的實際需要，本著布置簡單，運行管理方便，快速過壩的原則，進行了各種方案的分析比較，選擇垂直升船機與表孔相結合的型式，節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

1 工程概況

引漢濟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，工程規模為大(1)型。

黃金峽水利樞紐為引漢濟渭龍頭水庫。工程任務以供水為主，兼顧發電、航運。樞紐由攔河壩、泄水建筑物、泵站、電站及升船設施組成。水庫總庫容2.36億m3，正常蓄水位450 m，調節庫容0.69億m3，電站裝機容量135 MW，航運過壩設計最大船舶噸級100 t。工程等別為Ⅱ等大(2)型，主要建筑物大壩為2級建筑物，電站廠房及航運為3級建筑物。

樞紐總體布置沿壩軸線從左至右由泵站電站聯合布置壩段、電站導墻壩段、底孔壩段、大導墻壩段、表孔壩段(升船機與右邊表孔相結合)、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與碾壓混凝土結合的型式。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，統籌兼顧，以河流航運規劃和航道等級為依據。

(2) 結合壩址處地形地質條件并與樞紐總體設計相協調。

(3) 處理好通航與水利、水電的關系，綜合利用水資源，做到遠近結合，留有發展余地，節約用地，節約能源。

3 通航建筑物設計

3.1 航運現狀

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水需要的同時，應修建相應的過壩通航建筑物。

3.2 通航建筑物規模確定

根據陜西省交通廳《漢江(陜境)航運規劃報告》中“到2020年，100 t級船舶可由洋縣，300 t級船舶可由安康直達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為100 t，經綜合分析本工程過船設施設計最大船舶噸級為100 t鐵駁，分級指標為Ⅵ級，最高通航水位洪水重現期為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年過船設施設計年貨運量為23萬t，客運量為5萬人；到2030年過船設施設計年貨運量為56萬t，客運量為12萬人。

3.3 過壩方案選擇

船只過壩型式，根據航運規模、樞紐總體布置特點及壩址處地形地質條件綜合分析比較確定。

3.3.1 船閘與升船機比選

黃金峽水利樞紐水位落差最高達45 m左右，若采用船閘，則最少應布置為2級，布置線路長，工程量大，運行復雜，過壩歷時長。升船機作為一種較新型的通航建筑物型式，是采用機械提升船只過壩，優點是可適應較高水頭，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、空化等問題，在設置平衡重后，運行費用相對較低，尤其是垂直升船機，可與泄洪孔口結合布置，節約樞紐布置空間，減小工程量，運行管理方便，對于黃金峽過壩船舶噸級較小、樞紐布置位置緊張的特點較為適用。

3.3.2 升船機方案研究比選

按照運行方式，主要比較垂直升船機和斜坡道升船機2種型式。

(1) 垂直升船機布置：從平面布置緊湊、節省布置空間、施工方便考慮，將升船機與右岸邊表孔沿垂直方向相結合，下部結構可利用表孔閘墩，其結構簡單，運行方便快捷。升船機布置為單線，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) 斜坡道升船機布置：壩址處河道主流靠近右岸，為了使斜坡道升船機布置簡單、線路短、工程量省以及運行方便，將斜坡道升船機布置于壩體右岸山坡上，斜坡上安裝軌道，斜坡頂設置中樞控制系統，升船機沿上、下游斜坡軌道運行實現船只過壩。見圖3。

圖3 斜坡道升船機縱剖面圖 單位：m

升船機方案比較見表1。

表1 升船機方案比較表

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

3.3.3 垂直升船機具體布置及運行方式

垂直升船機采用與右岸邊表孔沿垂直方向相結合的布置型式，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。主要承重結構為上下游立柱及壩面，在柱頂和壩面順水流方向架設廂形鋼梁，提升機沿鋼梁上水平軌道運行，提著船廂水平運行至壩體上下游實現船廂上升或下降。

升船機在小于5年一遇洪水通航時，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生沖擊影響，設計將邊表孔下游消力池與其它孔之間設置邊墻分隔，并在其下游布置混凝土導航墻。由計算知，在導航墻的末端，下泄水流對船舶運行影響較小，此布置型式在理論上是可行的，鑒于理論計算和實際的差距，下游引航道的設計還將通過水工模型試驗進一步論證和優化。

(1) 升船機下部結構布置

1) 上游浮式導航堤：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，根據通航水位落差較大的特點，并考慮施工方便，船只能順利就位于過壩準確位置處，在緊接上游垂直升降段靠山體側立柱向上游修建浮式導航堤，導航堤采用2段封閉式鋼筋混凝土預制箱涵組成，垂直水流方向寬6.8 m，順水流方向長100 m，高6.0 m，壁厚0.4 m。導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，遠壩端采用錨索錨固于庫底弱風化基巖上。

2) 上游垂直升降段：緊挨壩面上游布置，承重結構由距壩體上游33 m的2根鋼筋混凝土立柱和壩體伸出的2個牛腿組成。臨河及臨山側柱基礎高程分別為390.0 m和397.0 m，基礎置于弱風化基巖上，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水流方向架設廂形鋼梁，斷面尺寸1.2 m×3.0 m，跨度33.3 m。鋼梁上設提升機運行軌道，提升機沿軌道水平運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吊起后，提升機沿壩頂軌道水平移動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，實現船只過壩需要。此兩段升船機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墻上, 可節約下部基礎土建工程量，柱斷面尺寸4.0 m×4.0 m，順水流方向柱間距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入下游主河道，緊接邊表孔戽池末端修建下游引航道，結合實際地形條件及船只運行要求，導航墻采用圓弧形，長度66.6 m，轉彎半徑100 m，轉角38.162°，鋼筋混凝土結構，墻頂高程418.5 m，墻底高程392.0 m，基礎置于弱風化基巖上。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) 升船機型式選擇

升船機是采用提升機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， 還是采用設有上閘首、船廂室、下閘首的閘首式，設計進行了綜合比較分析。閘首式垂直升船機水工布置結構復雜，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，其結構也較為復雜，金屬結構工程量較大。塔樓平臺上要布置主機房、主機房內布置4臺鋼絲繩卷揚升船機，整個升船機系統顯得繁雜、龐大，較適宜大中型垂直升船機。本工程升船機過船設計噸位100 t，屬小型升船機，根據現在正建和已建小型升船機經驗，采用提升機直接提升船只過壩較為經濟合理，船只噸位較小，在提升船只和水平運行時可滿足克服振動和保持平衡的要求，此種結構型式水工布置及金屬結構布置型式均較為簡單，運行、管理、維護方便，本階段推薦垂直提升式升船機。

(3) 運行方式

1) 承船廂運行方式：按船隊(舶)在承船廂中的支托方式，有濕運和干運2種。濕運方案是船舶置于承船廂中的水體中，承船廂中水深最小應為船舶設計吃水深度，濕運方案因船舶在水中受到側向水壓力的作用，承船廂在載船運行中，船舶受到的振動影響較小，但濕運總重量加大，驅動功率大，加速慢，運轉經濟效益低，總造價也相應增加。干運方案因船舶直接置于承船廂的彈性支托體上，原在水中的側向壓力已消失，承船廂在載船運行中，船舶受到的振動影響較大，對結構單薄的木船容易產生損壞漏水。但干運總重量輕，故驅動功率小，加速快，運轉經濟效益高，總造價也相應減少。鑒于本工程設計船只噸位100 t，屬小型過船設施，在載船運行中通過固定、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行過程中加速度來減輕船只在運行過程中受到的振動，經綜合比較，確定船廂采用干運方案。

2) 船只進出船廂方式：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計吃水深度，船只直接由引航道駛入船廂或駛出船廂進入引航道。

4 結 語

通航建筑物的布置，應結合壩址處地形地質條件、樞紐總體布置特點及過船噸位要求等綜合分析比較，選擇合適的通航型式，以節省工程總體投資。鑒于垂直升船機下部基礎可利用壩體結構，節約土建工程量，且有過壩快速、便捷、經濟的優點，在黃金峽樞紐中予以采用，很大程度上節約了占地面積及邊坡開挖工程量。

[1] JTJ305-2001,船閘總體設計規范[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系統的設計[J].西北水電,2010,(04)：42-45.

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

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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，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作.

U642.6

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.011