隔河巖升船機(jī)

隔河巖水電站是清江梯級(jí)開發(fā)的啟動(dòng)工程，位于清江下游湖北省長(zhǎng)陽土家族自治縣境內(nèi)。樞紐工程由大壩、發(fā)電廠房和升船機(jī)三大建筑物組成。大壩為混凝土重力拱壩，最大壩高151米，壩頂長(zhǎng)653.5米，壩頂高程206米，正常蓄水位為200米，總庫容34億立方米。電廠為引水式發(fā)電廠房，安裝四臺(tái)30萬千瓦水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量30.4億千瓦時(shí)，通航建筑物為兩級(jí)垂直升船機(jī)，最大提升高度122米，可通過300噸級(jí)輪船，年單向通過能力為170萬噸。隔河巖水工程由國(guó)家與湖北省合資建設(shè)，1987年1月開始前期準(zhǔn)備施工，1987年12月實(shí)現(xiàn)工程截流，1988年1月開始主體工程施工，1993年6月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1994年11月四臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，1998年4月整個(gè)工程除升船機(jī)外，通過國(guó)家竣工驗(yàn)收。隔河巖水利樞紐在1998年長(zhǎng)江抗洪中，發(fā)揮了重大作用。長(zhǎng)江第六次洪峰使沙市水位創(chuàng)下45.30米的歷史最高紀(jì)錄，隔河巖大壩超限度地?cái)r蓄洪水，使荊江水位下降20—30厘米，避免了荊江分洪，壩體總布置大壩正常蓄水位200m，壩頂高程206m，建基面最低高程55m，最大壩高151m，全長(zhǎng)653.3m共分30個(gè)壩段，自右至左：1—6壩段為重力壩；7—22壩段上部為重力壩，下部為重力拱壩，稱道為“上重下拱”的重力拱壩，且拱壩封拱灌漿不在同一高程，右岸封拱高程160m，河床180m，左岸150m，其中11—18壩段為溢流壩段，設(shè)有7個(gè)12mXl8。2m的表孔，4個(gè)4.5mX6.5m的深孔，2個(gè)4.5mX6.5m的底孔，表孔和深孔用來渲泄千年一遇設(shè)計(jì)洪水流量22800m3/s，萬年校孩洪水流量27800m3/s，二個(gè)底孔在施工期用于二期導(dǎo)流，完建后用于放空水庫和排砂；23—26壩段為重力墩；27壩段為過壩建筑物；28—30壩段為重力壩壩型比較曾比較過重力壩與拱壩兩種壩型，從泄洪條件以及左岸地形相對(duì)較低且?guī)r性較弱宜修建重力壩，因以下幾個(gè)原因沒有采用重力壩而采用了重力拱壩：①建壩基巖石龍洞灰?guī)r由于產(chǎn)狀關(guān)系在河谷地表出露成一弧形帶狀，為了不使重力壩壩基座落在乎善壩紐的頁巖上，重力壩軸線宜為弧形或折線形，這無疑與拱壩軸線相近；②由于河谷岸坡陡峻，為滿足重力壩的側(cè)向穩(wěn)定，壩體橫縫必須灌漿，結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于拱形重力壩；③重力壩底寬大，壩址距石牌頁巖較近，由于石牌頁巖變形模量遠(yuǎn)低于石龍洞灰?guī)r，當(dāng)頁巖承受壩址應(yīng)力后將產(chǎn)生較大變形，并使上覆石龍洞灰?guī)r產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力對(duì)壩基應(yīng)力十分不利;④重力拱壩底寬小，可避開對(duì)石牌頁巖的影響，同時(shí)發(fā)揮拱的作用可將部分荷載傳到兩岸，可明顯改善壩基應(yīng)力，且拱壩比重力壩節(jié)省砼70萬m3；⑤拱壩溢流向心問題可以采用不對(duì)稱寬尾墩形式解決，水工模型試驗(yàn)表明這種形式效果良好。（3）拱壩體形設(shè)計(jì)由于左岸地形平緩低矮，在左岸壩肩設(shè)置重力墩，重力墩由4個(gè)壩段組成，將高程150m以下的橫縫進(jìn)行灌漿成整體承受拱壩推力，在150m高程以上橫縫不灌漿成為重力壩。經(jīng)方案比較重力拱壩體形最終選定為“上重下拱”的重力拱壩，其封拱高程左岸為150m，河床為180m，右岸為160m，上游面采用鉛直園弧面，外半徑為312m。下游壩坡：上部重力壩1:0.7,下部重力拱壩1:05，其間用鉛直線聯(lián)結(jié)，拱圈平面內(nèi)弧采用三心園，拱冠部位采用定園心大半徑等厚園拱，拱端部位采用變園心小半徑貼角加厚壩坡隨之變?yōu)?:o.75，頂拱中心角800。采用以上體形主要有以下幾點(diǎn)理由：①由于河谷寬高比較大，同時(shí)要求壩身泄大流量洪水，壩體宜采用重力拱壩；②重力墩左端為過壩建筑物，從穩(wěn)定及受力條件看，只宜承受150m高程以下拱的推力；③河床封拱高程180m，左岸150m，右岸160m，相當(dāng)于一個(gè)斜拱，它可使河床部位重力壩高度由56m降至26m，同時(shí)可改善應(yīng)力狀況，比150m平拱方案最大拉應(yīng)力可減小25%—30%，滿足規(guī)范要求;④采用近乎橢園的三心拱園既可改善水流的向心問題，又能減小拱座的拉應(yīng)力值。（4）壩體應(yīng)力分析應(yīng)力分析著重研究“上重下拱”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常采用的拱梁分載法輔以三維有限元法和石膏模型試驗(yàn)，考慮到上部重力壩對(duì)下部斜拱的影響，同時(shí)考慮到等效溫度荷載的作用，經(jīng)水利部規(guī)劃院、長(zhǎng)科院、北京水科院、清華大學(xué)等單位進(jìn)行計(jì)算得出基本一致的規(guī)律。應(yīng)力最不利情況發(fā)生在與溫升荷載組合情況下，這與過去通常認(rèn)為拱壩應(yīng)力最不利情況發(fā)生在溫降情況有所不同（見表1）。通過單項(xiàng)荷載成果分析表明，等效溫差在溫度荷載中起了重要作用，溫升產(chǎn)生的等效溫差最為不利。各家成果中都反映了最大主拉應(yīng)力發(fā)生在上部拱座附近，這與通常的拱壩大多數(shù)發(fā)生在壩高的三分之一處有所不同。這主要是上部重力壩作用在頂拱所致。（5）抗滑穩(wěn)定分析拱壩的安全在很大程度上取決于拱座的抗滑穩(wěn)定，但拱座的穩(wěn)定問題非常復(fù)雜，它涉及到拱的推力、地形、地質(zhì)是否清楚，特別是對(duì)有關(guān)力學(xué)參數(shù)的選定是否恰當(dāng)是非常重要。為此設(shè)計(jì)中采用多種分析方法，包括剛體極限平衡法，平面非線性有限元、地質(zhì)力學(xué)模型以及可靠度分析等方法來了解拱壩的抗滑安全性?？傊艉訋r大壩結(jié)構(gòu)新穎，體形復(fù)雜，國(guó)內(nèi)尚無先例，大壩的建成為我國(guó)壩型設(shè)計(jì)上例創(chuàng)造了一種先例垂直升船機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)航運(yùn)規(guī)劃，清江為五級(jí)航道，隔河巖水利樞紐設(shè)置了提升式全平衡濕運(yùn)升船機(jī)。升船機(jī)由上游引航道、第一級(jí)垂直升船機(jī)、中間渠道、第二級(jí)垂直升船機(jī)、下游引航道等組成。第一級(jí)升船機(jī)與擋水壩相結(jié)合。中間渠道由混凝土襯砌段及連續(xù)鋼構(gòu)渡槽組成。第二級(jí)垂直升船機(jī)由承重結(jié)構(gòu)及上、下閘首組成。升船機(jī)船廂為槽形金屬結(jié)構(gòu)，用卷揚(yáng)機(jī)籍鋼絲繩提升及下降，船廂及水重由于衡重平衡，可通過300t級(jí)船舶。見附圖5。（1） 過壩方案的選擇，通航過壩建筑物曾比較過升船機(jī)和船閘兩類方案。后者因造價(jià)過高被淘汰。升船機(jī)又比較了雙向下水式斜面升船機(jī)，上游壩前下水式垂直升船機(jī)和壩后式全平衡垂直升船機(jī)加下游不下水全平衡斜面升船機(jī)，以及兩級(jí)全平衡垂直升船機(jī)等方案，后者具有通過能力大（年單向通過能力170萬t），金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備的類型及規(guī)模均屬常規(guī)范圍，其制造安裝技術(shù)一般，土建工程技術(shù)上都能解決等優(yōu)點(diǎn)而被采用。（2） 總體布置.兩級(jí)垂直升船機(jī)位于左岸，總提升高度122m:其中第一級(jí)40m，第二級(jí)82m。升船機(jī)沿軸線總長(zhǎng)1301.45m，上游引航道長(zhǎng)410m，寬45m，底高程158m，最小水深2.0m，通航水位變幅40m。第一級(jí)垂直升船機(jī)位于27壩段，地基為堅(jiān)硬的石龍洞灰?guī)r。由上閘首、升船機(jī)室和下閘首組成。上閘首和機(jī)室為整體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)63.5m，寬34m，建筑總高度95m。中間渠長(zhǎng)410m，其中上半段長(zhǎng)210m位于挖方段，用砼襯砌；下半段為預(yù)應(yīng)力鋼筋砼連續(xù)鋼構(gòu)渡槽，水面凈寬30m，水深1.8m，可滿足300t級(jí)船隊(duì)錯(cuò)船及拖輪助航要求。第二級(jí)升船機(jī)位于壩軸線下游463.5m處，由上下閘首和機(jī)室組成，長(zhǎng)61.8m，寬37.6m，建筑高度為124.5m。下游引航道長(zhǎng)414m，其右側(cè)布置長(zhǎng)407m的混凝土重力式隔流堤，引航道底高程76m，水深2m，航寬35—70m。升船機(jī)平衡系統(tǒng)，卷揚(yáng)提升設(shè)備及電氣控制設(shè)備等均布置在承重結(jié)構(gòu)上部機(jī)房?jī)?nèi)（1） 大壩采用“上重下拱”特殊壩型大壩壩頂高程206.m，壩長(zhǎng)653.5m，最大壩高15lm，壩體砼方量228萬m3。根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，左岸132m至150m高程為重力墩。重力拱壩封拱高程：左岸150m，右岸160m，河床180m，封拱高程以上全為重力壩，封拱高程以下立面上形成略呈弧形的斜拱，使河床部位重力壩高度降低，斜拱改善了壩體應(yīng)力，比在150m高程封拱的水平拱方案最大拉應(yīng)力減小25%?30%。這種特殊壩型在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用。（2） 泄洪采用不對(duì)稱寬尾墩與水墊池聯(lián)合消能工表孔和深孔采用不對(duì)稱寬尾墩，水流經(jīng)寬尾墩收縮后的出口均由徑向改為平行下游河床流向，使水流形成俯沖射流，躍入水墊池消能，把泄洪水舌縱向擴(kuò)散，橫向均化，消能效果顯著。解決了拱壩泄洪水流的向心集中問題，且消除了池內(nèi)的回流，縮短了池長(zhǎng)。（3） 通航建筑物采用全平衡濕運(yùn)垂直升船機(jī)兩級(jí)垂直升船機(jī)用長(zhǎng)410m中間渠道連接，總提升高度122m，是國(guó)內(nèi)目前第一座升程300t級(jí)船舶的垂直升船機(jī)，年通過能力340萬t,為減小提升功率，采用平衡重平衡船廂重量。千衡重系統(tǒng)包括重力平衡系統(tǒng)（總重1100t）和扭矩平衡系統(tǒng)（總重274t）分別通過40根和16根直徑56mm鋼絲繩與船廂相連，平衡重在塔柱內(nèi)腔中運(yùn)行，并輔以平衡鏈。抵消船廂在不同位置時(shí)鋼絲繩重量的變化，從而構(gòu)成封閉的平衡系統(tǒng)，并設(shè)有沿程安全鎖定裝置，提升過程中，可以在任一位置鎖定船廂，以保證升船機(jī)安全可靠運(yùn)行。升船機(jī)提升主體為4套卷揚(yáng)機(jī)，采用機(jī)械軸同步，可控硅整流直流拖動(dòng)。（4） 引水隧洞采用預(yù)應(yīng)力襯砌4條引水隧洞直徑9.5m，在大壩防滲帷幕軸線下游洞段因圍巖地下水位較低，內(nèi)水壓力較大，隧洞內(nèi)水外滲將直接影響高邊坡及廠房的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)比較了鋼筋砼襯砌，鋼板襯砌及預(yù)應(yīng)力襯砌等方案。經(jīng)綜合比較選用預(yù)應(yīng)力襯砌方案。襯砌砼厚度90cm，預(yù)應(yīng)力錨索布置在襯砌砼外側(cè)，平均間距40em，錨索由幾根鋼絞線集合而成。鋼鉸線直徑15.2mm，極限抗拉強(qiáng)度17000Mpa，延伸率不小于3.5%，襯砌砼澆筑時(shí)予埋90mm的波紋管，砼達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，錨索穿入波紋管內(nèi)，張拉到設(shè)計(jì)拉力2100KN后錨固，最后錨索全孔道灌漿。本工程將后張法預(yù)應(yīng)力用于引水隧洞襯砌在國(guó)內(nèi)目前尚屬首例。見附圖9。（5） 導(dǎo)流工程設(shè)計(jì)采用的先進(jìn)技術(shù)導(dǎo)流隧洞用錨噴襯護(hù)用于抗沖流速達(dá)15m/s；碾壓砼筑壩技術(shù)修筑上游過水拱圍堰；在覆蓋層上修土石過水圍堰；廠房圍堰采用柔性材料防滲取得成功。（柔性材料由水泥、砂、泥漿并摻少量外加劑拌制而成）。隔河巖樞紐工程布置：河床中重力拱壩，發(fā)電建筑物，通航建筑物，二級(jí)垂直升船機(jī)，一級(jí)提高82m，二級(jí)提高40m，因?yàn)榈匦侮P(guān)系，150m高程以下為拱壩，以上為重力壩，是一個(gè)下拱上重的重力拱壩。設(shè)計(jì)為該壩型的原因是：清江隔河巖壩址處，右岸山體高程180m，左岸為120m，經(jīng)人工加工后左岸上升為150m，這樣在150m高程出可以建起拱壩，以上高程建立起作用方式完全相同的重力壩，考慮到外觀效果，任采用弧形。大壩為混凝土重力拱壩，最大壩高151m，壩頂長(zhǎng)653.5m，壩頂高程206m?？値烊?4億m3。主體工程澆鋼筋混凝土212萬m3,庫容34億m3，其中調(diào)度庫容22億m3，防洪庫容8.7億m3，在汛期6、7月份預(yù)留5億m3庫容作為長(zhǎng)江荊江河段的防洪庫容。右岸廠房為引水式廠房，裝機(jī)120萬kw，設(shè)計(jì)水頭103m，設(shè)計(jì)年發(fā)電能力30.4億度，是華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰調(diào)頻廠。左岸為300噸級(jí)的垂直升船機(jī)，年通過能力（單向）為300萬噸隔河巖工程的新工藝。（1）上重下拱的重力拱壩：拱頂中心角80度，比規(guī)范中小，拱圈平面為三心圓拱，中間大半徑，兩端小半徑，接近橢圓，有利于泄洪、消能。2）泄洪消能采用泄槽不對(duì)稱寬尾墩和水墊池聯(lián)合消能工。（3）電廠引水洞采用預(yù)應(yīng)力環(huán)形鋼筋混凝土襯砌。（4）通航建筑物采用全平衡濕運(yùn)垂直升船機(jī)。（5）壩址”巖溶化巖體”和裂隙性巖體采用”孔口封閉”灌漿法。渡槽又稱高架渠、輸水橋，是一組由橋梁，隧道或溝渠構(gòu)成的輸水系統(tǒng)。通常架設(shè)于山谷、洼地、河流之上，用于通水、通行和通航。也叫過水橋。兩端與渠道相接。輸送渠道水流跨越河渠、溪谷、洼地和道路的架空水槽。普遍用于灌溉輸水，也用于排洪、排沙等，大型渡槽還可以通航。渡槽主要用砌石、混凝土及鋼筋混凝土等材料建成。渡槽由進(jìn)出口段、槽身、支承結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)等部分組成。①進(jìn)出口：包括進(jìn)出口漸變段、與兩岸渠道連接的槽臺(tái)、擋土墻等。其作用是使槽內(nèi)水流與渠道水流平順銜接，減小水頭損失并防止沖刷。②槽身:主要起輸水作用，對(duì)于梁式、拱上結(jié)構(gòu)為排架式的拱式渡槽，槽身還起縱向梁的作用。槽身橫斷面形式有矩形、梯形、U形、半橢圓形和拋物線形等，常用矩形與U形。橫斷面的形式與尺寸主要根據(jù)水力計(jì)算、材料、施工方法及支承結(jié)構(gòu)形式等條件選定。也有的渡槽將槽身與支承結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體。③支承結(jié)構(gòu)：其作用是將支承結(jié)構(gòu)以上的荷載通過它傳給基礎(chǔ)，再傳至地基。按支承結(jié)構(gòu)形式的不同，可