Ein Schiffshebewerk über den Drei-Schluchten

Ein Schiffshebewerk
über den Drei-Schluchten-Staudamm
in China
Dipl.-Ing. Claus Kunz, Bundesanstalt für Wasserbau
Dipl.-Ing. Reiner Wagner, Bundesanstalt für Wasserbau
Dr.-Ing. Hans-Gerd Lindlar, Krebs und Kiefer Beratende Ingenieure GmbH
Dipl.-Ing. Rolf Wigand, Lahmeyer International GmbH
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Einleitung
Zur Beförderung von Passagierschiffen über den Drei-Schluchten-Staudamm am Yangtze,
in der Nähe der Stadt Yichang in der Provinz Hubei, China, ist ein neues SenkrechtSchiffshebewerk nach dem Gegengewichtsprinzip vorgesehen, das derzeit durch China
Yangtze Three Gorges Project Development Corporation, CTGPC, Bauherr und Betreiber
des Drei-Schluchten-Staudamms, geplant wird, Bild 1. Wesentliche Planungsleistungen für
z.B. Trog, Antrieb und Steuerung sowie maschinelle Ausrüstung werden durch ein deutsches Joint-Venture, bestehend aus Krebs & Kiefer International sowie Lahmeyer International, erbracht. Berater des Bauherrn ist die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW).
Bild 1: Lageplan
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Mit dem Bau des Drei-Schluchten-Staudamms am Yangtze, dem längsten Fluss Asiens,
verfolgt China die Ziele der dringend notwendigen Erzeugung elektrischer Energie, des
Hochwasserschutzes dicht besiedelter Gebiete sowie der Erleichterung der Schifffahrt. Der
Staudamm ist ein Beton-Schwergewichtsdamm mit einer Dammlänge von 2310 m, einer
Dammhöhe von ca. 140 m und einer Staulänge von 660 km, so dass eine FlutspeicherKapazität von 22,15 Mrd m³ vorhanden sein wird. Das Kraftwerk wird mit 26 Generatoranlagen mit je 700 MW installierter Leistung jährlich ca. 85 Mrd. kWh Strom erzeugen. Für die
Schifffahrt stehen zur Überwindung von 113 m Hubhöhe eine zweizügige, aus fünf Schleusen bestehende Schleusentreppe, mit jeweiligen Nutzabmessungen 280 m Länge, 34 m
Breite sowie 5 m Wassertiefe, sowie künftig ein Senkrecht-Schiffshebewerk zur Verfügung.
Die nutzbaren Abmessungen des Troges des Schiffshebewerks sind mit 120 m Länge, 18 m
Breite sowie 3,5 m Wassertiefe vorgesehen. Das Gesamtgewicht des Troges einschließlich
Wasserfüllung wird 12.800 t betragen, Bild 2.
Bild 2: Schnitt durch das Schiffshebewerk am Drei-Schluchten-Staudamm
(Vorplanung CTGPC)
Der Bau des Dammes ermöglicht die Schiffbarkeit des Yangtze auf 660 km Länge von
Yichang bis Chongqing für Schiffe bis 10000 BRT. Das Schiffshebewerk wird aus der Sicht
Hubhöhe und Abmessungen des Trogs das größte Senkrecht-Hebewerk in der Welt sein.
In Deutschland, das über vier Schiffshebewerke mit Hubhöhen zwischen 13 und 38 m verfügt, plant die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung ein neues, zweites Schiffshebewerk Niederfinow, an der Havel-Oder-Wasserstraße bei Eberswalde, mit einer Hubhöhe von 36 m.
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Die Bundesanstalt für Wasserbau unterstützte diese Planung durch Beratungen, insbesondere bei der Auswahl des Sicherungs- und Antriebssystems für den Trog des Hebewerks.
Diese Planungen waren auch CTGPC bekannt geworden, worauf CTGPC Ende 1999 die
BAW mit einer Machbarkeitsstudie für ein Sicherungs- und Antriebssystem beauftragte. An
dieser Studie waren Krebs & Kiefer International, Germanischer Lloyd und Spezialbau Engineering GmbH beteiligt. Nachfolgend werden diese Voruntersuchungen, deren Ergebnisse
und damit die Grundlagen für die laufenden Entwurfsplanungen beschrieben. Im Vordergrund stehen Trogantrieb und -sicherung.
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Bauliche Besonderheiten
Das Schiffshebewerk am Drei-Schluchten-Projekt wird bauliche Besonderheiten aufweisen,
die sich von allen bisher bekannten Schiffshebewerken deutlich unterscheiden:
–
Die maximale Hubhöhe von 113 m ist etwa dreimal so groß wie z. B. die der deutschen
Hebewerke Lüneburg und Niederfinow und eineinhalb mal so groß wie die des belgischen Hebewerkes Strepy Thieu. Gegenüber bisherigen Erfahrungen werden hier große
Verformungen der Hubgerüste, große Montagetoleranzen und große Seillängen erwartet.
–
Die Trogabmessungen und dadurch die mit Gegengewichten zu bewegenden Massen
(2 x 12800 t) sind beim Drei-Schluchten-Projekt größer als bei bisher ausgeführten Anlagen (z. B. Lüneburg 2 x 5800 t). Große Antriebskräfte und große Lasten für die Trogsicherung werden die Folge sein.
–
Die europäischen Schiffshebewerke liegen in reinen Schifffahrtskanälen oder in deren
Anbindung an Flüsse, während das Hebewerk am Drei-Schluchten-Projekt Teil einer riesigen Stauanlage mit Kraftwerken, Hochwasserentlastung und zwei Schleusentreppen
ist. Daher ist mit kurzfristigen, großen Wasserspiegelschwankungen zu rechnen.
–
In den europäischen Schifffahrtskanälen ist nur mit geringen Wasserspiegelschwankungen von ± 0,50 m, an den Flüssen bis etwa 5 m zu rechnen, während sie am DreiSchluchten-Projekt 30 m im Oberwasser und 11,8 m im Unterwasser betragen. Somit
müssen besondere bauliche Maßnahmen an der oberen und unteren Haltung vorgesehen werden.
–
Die europäischen Wasserstraßen dienen vorrangig dem Gütertransport, der Passagierverkehr hat nur untergeordnete Bedeutung. Das Hebewerk am Drei-Schluchten-Projekt
ist dagegen vorrangig für die Passagierschifffahrt bestimmt, die Güterschifffahrt soll die
Schleusentreppen benutzen. Dies zieht einen besonders hohen Standard der Sicherheitsanforderungen nach sich.
3
Trogabmessungen:
Trogantrieb:
Nutzlänge
120,0 m
maximale Hubhöhe
113,0 m
Gesamtlänge
132,0 m
minimale Hubhöhe
71,2 m
Nutzbreite
18,0 m
Geschwindigkeit
0,20 m/s
Gesamtinnenbreite
18,4 m
Anfahrbeschleunigung/
Tiefe
3,5 m
lichte Durchfahrtshöhe
18,0 m
Freibord
1,0 m
Breite Bedienungssteg
2,0 m
Gesamtaußenbreite
23,4 m
Gesamtaußenhöhe
10,0 m
Bremsverzögerung
± 0,010 m/s²
Nothalt: Bremsverzögerung
- 0,040 m/s²
Tabelle 1: Charakteristische Kenndaten für Trog und Trogantrieb
Das Schiffshebewerk am Drei-Schluchten-Projekt soll als Gegengewichtshebewerk mit vier
elektromotorischen Antrieben über Ritzel und Zahnstange ausgebildet werden. Während der
Trog als Stahlkonstruktion hergestellt werden soll, sind Trogwanne und Hebewerksgerüst
aus Stahlbeton. Charakteristische Kenndaten gibt Tabelle 1 wieder.
3
Konstruktionselemente
3.1
Trogantrieb
Für die Planungen des neuen Schiffshebewerks Niederfinow wurde der für ein Schiffshebewerk (SHW) wesentliche Trogantrieb auf der Grundlage von Antrieben bestehender Schiffshebewerke in Deutschland und im Ausland untersucht:
− Seilwindenantrieb (SHW Strepy Thieu)
− Zahnstange-Ritzel SHW Lüneburg)
− Mutter mit angetriebener Spindel (SHW Henrichenburg)
− Spindel mit angetriebener Mutter (SHW Rothensee)
− Triebstock-Ritzel (SHW Niederfinow alt).
Bewertet wurden diese Varianten nach den Kriterien Betriebssicherheit, Betriebsverfügbarkeit, Baukosten, Betriebs- und Unterhaltungskosten sowie Wartungsfreundlichkeit. Wichtig
war auch die Abhängigkeit zwischen Antriebs- und möglichem Sicherungssystem (vgl. 3.2).
Als eindeutig vorteilhaft erwies sich dabei der Ritzelantrieb. Wie bei allen in Betrieb befindlichen deutschen Hebewerken werden vier Antriebe für den Trog vorgesehen, womit sich in
Längsrichtung für jede Trogseite eine Art statisch bestimmte Lagerung ergibt. Diese Vorzugsvariante für das neue Schiffshebewerk Niederfinow sollte auf das Schiffshebewerk DreiSchluchten-Projekt übertragen werden, wobei die Dimensionen der Antriebe und die Toleranzen zu überprüfen waren.
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Zum Antrieb des Troges werden insgesamt 4 Antriebsstationen vorgesehen. Ihre Hauptbauteile
sind 4 Zahnstangen und 4 Ritzel. Die Zahnstangen sind am Massivbau befestigt, die Ritzel
befinden sich als Bestandteile der Antriebsstationen am Trog. Die Antriebe, insbesondere die
Zahnstangen und die Ritzel müssen Kräfte aus unausgeglichenen Massen sowie alle
Bewegungswiderstände des Troges, wie Reibkräfte, Beschleunigungskräfte und Windkräfte
überwinden.
Die Eigenmassen des Troges und der Wasserfüllung werden durch Gegengewichte
ausgeglichen, so daß die Größe der zu bewegenden Ungleichgewichte durch einen
schwankenden Wasserstand im Trog bestimmt wird. Die Größe dieser Wasserlamelle ist für die
ständige Trogfahrt (Betriebsfestigkeitsnachweis) in den Entwurfsgrundsätzen mit höchstens
± 10 cm festgelegt. Für Trogfahrten in Ausnahmefällen (statische Bemessungslast) beträgt sie
± 20 cm.
Die besonderen Dimensionen des Drei-Schluchten-Projekt Schiffshebewerks drücken sich in
nachfolgenden Besonderheiten aus. Die sehr hohen Eigenmassen und die großen
Trogabmessungen verursachen hohe Antriebskräfte. Im Vergleich zu bestehenden Hebewerken sind wesentlich größere Reibungswiderstände zu überwinden. So ergibt die Bemessung der Hauptbauteile Zahnstange und Ritzel zwangsläufig auch sehr große Bauteilabmessungen, verbunden mit hohen Anforderungen an die Werkstoffgüten.
Bild 3: Seitenansicht Trogantrieb
(Machbarkeitsstudie)
Infolgedessen gewinnt die Frage der Fertigungsmöglichkeiten für derart große Bauteile an
Bedeutung. Hierzu gibt es positive Aussagen möglicher Hersteller.
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Der vorgesehene Zahnstangenantrieb stellt weiterhin hohe Genauigkeitsanforderungen an
die Herstellung und Montage. Von entscheidender Bedeutung ist es, die Zahnstange mit
sehr hoher Genauigkeit an dem mit Bauabweichungen behafteten Massivbau zu befestigen.
Besonderes Augenmerk ist darauf zu legen, dass vor allem Verdrehungen und Fluchtfehler
auf ein Mindestmaß begrenzt werden. Aufgrund der sehr großen Hubhöhe können schon
kleine Abweichungen von der lotrechten Lage am unteren Ende der Zahnstange, wenn sie
nicht durch geeignete Vorrichtungen im Verlauf der weiteren Montage kompensiert werden
können, dazu führen, dass die Zahnstange an ihrem oberen Ende die Solllage stark verlassen hat. Die Beweglichkeit der Antriebe reicht dann für eine Inbetriebnahme nicht mehr aus.
Es wird angestrebt, mit dieser
Maßnahme eine Genauigkeit
im Millimeterbereich zu erhalten. Die verbleibenden Restungenauigkeiten können dann
durch die Beweglichkeit einer
gelenkigen Ritzelaufhängung
ausgeglichen werden.
1 - Ritzel
2 - Zahnstange
3 - Ritzelschwinge
4 - Ritzelbock
5 - hydropneumatische
Horizontalfeder
6 - Gelenkwelle
Bild 4: Draufsicht auf Antrieb
(Machbarkeitsstudie)
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Aufgrund der sehr großen Hubhöhe von 113 m können schon geringe Verformungen des
Massivbaus große horizontale Abweichungen von der Solllage zur Folge haben. Zum Beispiel kann nach Überschlagsrechnungen davon ausgegangen werden, dass durch Windund Temperatureinwirkungen (ungleichmäßige Erwärmung) horizontale Abweichungen von
ca. 50 mm zwischen beiden Türmen entstehen. Verformungen in Längsrichtung des Troges
entstehen durch Temperaturdehnungen. Sie betragen ca. ± 11 mm an einer Antriebsstation.
Bild 4 zeigt die Beweglichkeit der Ritzelaufhängung parallel zur Troglängsachse. Hier bestimmt die Verschiebbarkeit der Gelenkwellen (6) den maximal möglichen Ausgleichsweg.
Er beträgt bei den gewählten Gelenkwellen ± 95 mm an jeder Antriebsstation.
Die große Wasserspiegelfläche verlangt eine zuverlässig funktionierende SchieflaufÜberwachung, da jeder Zentimeter Wasser, der bei Schiefstellungen ein einseitiges Ungleichgewicht erzeugt, für die Antriebe eine wesentliche Mehrbelastung im Vergleich zu den
kleineren Trögen der deutschen Hebewerke bedeutet. Zur Überwachung der Trogstellung
dienen die Pegelmesseinrichtung und die Messeinrichtung zur Kontrolle der Ritzelumdrehungen. Im Gegensatz zu einem mit Seilwinden angetriebenen Trog (wie z.B. SHW StrépyThieu) führen Trogschiefstellungen aber bei dem hier vorgesehenen Antriebs- und Sicherungssystem zu keiner instabilen Lage des Troges, die sich bei einem Windenantrieb bis
zum Umkippen des Troges verstärken könnte.
3.2
Trogsicherung
Die Trogsicherung verhindert durch ein sicheres Arretieren des Troges am Massivbau das
Entstehen unbeherrschbarer Betriebszustände, die als Folge von Havarien auftreten können.
Havarielasten treten bei einer unvorhergesehenen völligen oder auch teilweisen Entleerung
des Troges auf. Solche Wasserverluste sind meistens auf größere Undichtigkeiten der
Trogverschlüsse oder auf Beschädigungen des Troges zurückzuführen. Lasten gleicher
Größenordnung erhält man aber auch bei planmäßigem Entleeren des Troges, beispielsweise
für Reparaturarbeiten. In den Schiffshebewerken Lüneburg und Niederfinow haben bisher die
Trogsicherungen bei diesen seltenen Lastfällen störungsfrei funktioniert.
Das Trogsicherungssystem des Drei-Schluchten-Projekt Schiffshebewerks wird von 4 Mutterbackensäulen mit Drehriegeln gebildet, vgl. Bild 5. Die Mutterbacke ist eine Säulenkonstruktion,
die längsgeschlitzt, innen hohl und mit einem Innengewinde versehen ist. Sie ist über ihre
Länge kontinuierlich mit dem Massivbau verbunden. In dieser Mutterbackensäule bewegt sich,
um sich selbst drehend, eine Spindel. Diese Spindel, auch als Drehriegel bezeichnet, wird
direkt vom Trogantrieb angetrieben. Bedingt durch die über ein Wellensystem gewährleistete
direkte mechanische Kopplung zwischen den Antrieben und den Drehriegeln der
Trogsicherung laufen die Drehriegel mit den Trogantrieben synchron mit. Die Trogsicherung
Mutterbackensäule
mit
Drehriegel
besteht
im
Wesentlichen
aus
den
Baugruppen
Mutterbackensäule, Drehriegel, Führungskonstruktion des Drehriegels in der Mutterbacke,
Pendelstützen, Winkelgetriebe, Gleichlaufwellen zwischen Trogantrieb und Drehriegel. Zur
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Trogsicherung gehören auch die Abstützungen zum Trog, bestehend aus unterem und oberem
Eckstück. Die Mutterbackensäule setzt sich aus mehreren Teilstücken zusammen, von denen
jedes an einem Mutterbackenträger befestigt ist, der sich kontinuierlich am Massivbau abstützt.
Bild 5: Trogsicherung (Machbarkeitsstudie)
Relativbewegungen zwischen Trog und Drehriegel treten als Folge ungenauer Montage und
Verformungen am Massivbau auf. Sie führen zu Neigungsbewegungen der Pendelstützen,
die durch eine allseits gelenkige Ausbildung ihrer Endpunkte und der zugehörigen Stützenschuhe (kugelförmige Kontaktflächen) ermöglicht werden. Die Pendelstützen besitzen weiterhin gelenkig befestigte Mitnehmer, die eine zwängungsfreie Übertragung der Drehbewegung zwischen Pendelstützen und den Drehriegeln gestatten. Diese Bauart der Trogsicherung läuft seit ca. 70 Jahren im Schiffshebewerk Niederfinow und hat sich bei geringstem
Verschleiß bewährt.
Ähnlich wie beim Trogantrieb stellen die Dimensionen des geplanten Drei-SchluchtenProjekt Schiffshebewerks auch für die Trogsicherung vollkommen neue Einsatzbedingungen
dar. Die Schwerpunkte liegen hier vor allem bei der außergewöhnlichen Größe des Troges
mit den damit verbundenen großen Eigenmassen und bei der sehr großen Hubhöhe.
Die Troggröße bewirkt, dass allein durch das Leerlaufen des Troges ein Ungleichgewicht
von ca. 9000 t entsteht. Dieses Ungleichgewicht ist zur Vermeidung von Katastrophen durch
die Trogsicherung abzufangen. Somit ergibt die Bemessung des Drehriegels einen Spindeldurchmesser von ca. 1,3 m (zum Vergleich: SHW Niederfinow alt
∅ 0,92 m) und eine
Gewindesteigung von 450 mm (SHW Niederfinow alt 364 mm).
Wie schon zuvor für die Zahnstange beschrieben, ist auch eine sehr genaue Montage der
Mutterbackensäulen erforderlich, damit die Abweichungen von der Solllage bei dem großen
Höhenunterschied möglichst gering gehalten werden.
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Zu diesem Zweck kann auch der Mutterbackenträger ähnlich wie der Zahnstangenträger mit
Justiereinrichtungen ausgestattet werden.
Bei der Hubhöhe von 113 m ist die exakte Einhaltung eines synchronen Laufs von Ritzel und
Drehriegel für einen störungsfreien Hebewerksbetrieb unbedingt notwendig. Deshalb ist
durch eine genau abgestimmte Übersetzung im Wellenstrang zwischen Ritzel und Drehriegel eine synchrone Steigbewegung der Drehriegel und des Troges sicherzustellen.
Darüber hinaus ist es für einen sicheren und störungsfreien Betrieb unumgänglich, die Einhaltung des Spieles im Gewinde von ± 50 mm ständig mit elektronischer Hilfe zu überwachen und
nach Reparaturen korrekt wieder einzustellen. Für ausreichende Zugänglichkeit muss gesorgt
sein.
Das Gewindespiel wird in Anlehnung an die Erfahrungen aus den Schiffshebewerken Niederfinow und Lüneburg gewählt. Bei beiden Hebewerken beträgt das Spiel 30 mm. Im Verlaufe einer Trogfahrt (Hubhöhe 38 m) verringert sich dieses Spiel um 5 bis 8 mm. Die Ursachen sind bei Fertigungs- und Montageabweichungen sowie bei Übersetzungsfehlern zu
suchen. Gelingt es, beim Bau des Drei-Schluchten-Projekt Hebewerks ähnliche Genauigkeiten zu erreichen, so ist bei der Hubhöhe von 113 m eine Verringerung von ca. 20 bis 25 mm
zu erwarten. Aus diesen Überlegungen heraus sollte das Spiel auf 50 mm betragen.
Relativbewegungen zwischen Trog und Mutterbackensäule können in Längs- und Querrichtung
durch Wärmeausdehnungen von Trog und Massivbau, durch Windeinwirkungen und durch
Bauabweichungen hervorgerufen werden. Die Führungswagen der Drehriegel und die gelenkig
angeschlossenen Pendelstützen zwischen Drehriegel und Trog ermöglichen diese Relativbewegungen. Der Drehriegel besitzt durch seine gelenkige Abstützung eine Beweglichkeit,
die zur Aufnahme der rechnerisch ermittelten horizontalen Verformungen von ca. 50 mm
ausreicht.
3.3
Gewichtsausgleich
Die Gegengewichte haben die Aufgabe, die Masse des Troges und seiner Wasserfüllung
auszugleichen, damit die Trogantriebe nur planmäßige Ungleichgewichte, Beschleunigungsund Reibkräfte zu überwinden haben. Es wird eine Gegengewichtsaufhängung gewählt, bei der
jedem Seil ein Gegengewicht zugeordnet ist. Entsprechend der Massivbaugliederung, vgl.
Bild 1, werden die Gegengewichte in Gruppen zusammengefasst. Bild 6 zeigt eine Gegengewichtsgruppe.
Jede Gegengewichtsgruppe besitzt einen Führungs- bzw. Fangrahmen (3). Der Fangrahmen
liegt in einer Nut, die sich seitlich an allen Gegengewichten befindet. Sollte es zu einem
Seilbruch oder zu einer unzulässigen Seilllängung kommen, so setzt sich das betreffende
Gegengewicht (1) nach Überwindung des Nutenspiels auf dem Fangrahmen (3) ab. Die Last
dieses Gegengewichtes verteilt sich über den Fangrahmen auf die anderen Gegen9
gewichtsseile. Die Fangrahmen dienen gleichzeitig auch als Führung der Gegengewichte.
Dazu befinden sich an den Stirnseiten gefederte Führungsrollen (4). Sie laufen in Führungsschienen, die am Massivbau befestigt sind.
Zur Verbesserung der Platzverhältnisse werden für die Seilumlenkung Doppelseilrollen (2)
vorgesehen. Die Doppelseilrollen besitzen eine massiv ausgebildete Nabe, die sich über zwei
Pendelrollenlager auf einer feststehenden Achse abstützt. Der Seilabstand auf der Doppelrolle
muss groß genug sein, um induktive Seilprüfgeräte einsetzen zu können. Bei einem
Seildurchmesser von 70 mm sind mindestens 210 mm Seilabstand erforderlich.
1 - Gegengewicht
2 - Doppelseilrolle
3 - Führungs- und
Fangrahmen
4 - gefederte Führungsrollen
5 - Tariergewichtsrahmen
6 - Seilgewichtsausgleichsketten
Bild 6: Ansicht einer
Gegengewichtsgruppe
(Machbarkeitsstudie)
3.4
Trogverriegelung
Zum Schutz der Antriebe vor Überlasten mit hohen Lastwechselzahlen, die in den Haltungen
auftreten können, wird das Drei-Schluchten-Projekt Schiffshebewerk mit einer Trogverriegelung
ausgerüstet. Dies ist erforderlich, da nach dem Anlegen des Troges in den Haltungen bei
geöffneten Trogtoren der Trogwasserstand u.a. durch Schwall und Sunk ein- und ausfahrender
Schiffe beeinflusst wird. Es sind Wasserspiegelschwankungen möglich, deren Amplituden und
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Lastwechselzahlen größer als die für die Trogfahrt zugrundegelegten Belastungen sein
können. Als Bemessungslast für die Trogverriegelung wird von einer veränderlichen Wasserlamelle von ± 50 cm im Trog ausgegangen.
Die Trogverriegelung wird demzufolge nach dem Stillstand des Troges in den Haltungen als
Entlastungseinrichtung für das Antriebssystem wirksam und hat die Aufgabe, nicht planmäßige Lasten, die z.B. durch Sunk und Schwall entstehen können, im Kraftnebenfluss in
den Massivbau abzuleiten, wobei das Antriebsritzel weiterhin stetig im Eingriff verbleibt.
Somit verläuft der Krafthauptfluss nach wie vor über das Antriebssystem. Die Kraftableitung
über die Trogverriegelung ist von elastischen Verformungen (Steifigkeiten des Antriebssystems, der Trogverriegelung und des Gerüstes), von Gelenkspielen und der Kompressiblität des Hydrauliköls abhängig. Infolge dieser Nachgiebigkeiten entstehen bis zur vollen
Kraftübertragung der geschlossenen Haltevorrichtung weitere Ritzelkrafterhöhungen, die die
Bemessungslasten der Verzahnung nicht übersteigen dürfen.
3.5
Reversierpumpenanlage
Die Reversierpumpenanlage dient der Regulierung des Trogwasserstandes. Diese Regulierung ist notwendig, damit die Größe der Wasserlamelle für die Trogfahrt innerhalb
zulässiger Toleranzen gehalten wird, die voraussichtlich bis zu ca. 4 cm liegen werden. Je
nach Fahrtrichtung ist ein Mindestungleichgewicht zur Gewährleistung eines motorischen
Betriebs der Antriebe herzustellen. Somit findet jede Bergfahrt mit einem Wasserüberschuss
(+ Wasser) statt. Die Talfahrten erfolgen bei einem reduzierten Trogwasserstand (- Wasser).
Die Erfahrungen des alten Schiffshebewerks Niederfinow besagen, dass ein Betrieb ohne
Reversierpumpenanlage sehr aufwändig und zeitraubend ist. Der Trogwasserstand lässt
sich nur durch erneutes Toröffnen geringfügig regulieren. Im Schiffshebewerk Lüneburg
haben sich die eingebauten Pumpenanlagen bisher sehr gut bewährt. Die eingesetzten
Bauteile zeigen ein robustes Betriebsverhalten.
3.6
Konstruktion des Trogs
Der von CTGPC entworfene Trog hat als äußere Abmessungen die Länge = 132 m, die
Breite = 23 m und die Höhe = 10 m, Bild 7. Es ist eine geschweißte Stahlkonstruktion aus
Blechen und Walzprofilen vorgesehen. Boden- und Seitenwände sind für die Abtragung der
Flächenlasten aus Wasserdruck und gesunkenem Schiff als orthotrope Platten ausgebildet.
Ihre Primärträger sind in einem Abstand von ca. 3 m konzipiert und sind im Trogboden in
Querrichtung, in den Seitenwänden vertikal angeordnet. Die Sekundärträger sind in engem
Abstand in Längsrichtung vorgesehen. Die Seitenwände sind gleichzeitig Teil der 10 m hohen kastenförmigen Hauptträger. Der Trog wird mit Stoßschutz (Seil- oder Balkenanlage),
Toren (Klapp- oder Segmenttore) und Dichtrahmen ausgestattet werden. Die Gegengewichts- und Windenseile sollen, mit Ausnahme der Endbereiche und eines Mittelbereiches,
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kontinuierlich über die Troglänge angeschlossen werden. Die Gesamtstahlmasse wird sich
nach der Machbarkeitsstudie auf rund 3.000 t der Stahlgüte S 355 J2G3 belaufen.
Der Antrieb und die Sicherung des Troges sollen an vier Stellen erfolgen, zwei auf jeder
Trogseite. Die hierfür erforderlichen Maschinen sind daher in vier Maschinenräumen unterzubringen, die neben dem Trog angeordnet sind und in den Massivbau hineinragen.
Die Gegengewichtsseile sind kontinuierlich über die Troglänge verteilt, ausgenommen sind
wieder die Trogenden und die Bereiche der Maschinenräume.
Bild 7: Draufsicht auf Trog-Konstruktion mit Antrieb- und Sicherungselementen
(Machbarkeitsstudie)
Die Zahnstangen und die Mutterbackensäulen, über die die Antriebs- und Trogsicherungskräfte in den Massivbau eingeleitet werden sollen, sind in einem Abstand von ca. 8 m bzw.
10 m vom Trogrand konzipiert. Dies ist durch die Anforderungen der Maschinentechnik und
der Wartungsfreundlichkeit begründet. Zur Übertragung dieser Kräfte sind Querträger erforderlich, die hierfür dimensioniert werden.
Aus der Vorbemessung ergeben sich Gurtbleche mit einer Dicke von ca. 100 mm bei einer
Breite von 1.600 mm. Das Verschweißen solch dicker Bleche ist z.B. im Jahre 1998 beim
Fernbahnhof am Flughafen Frankfurt durchgeführt worden. Hier wurden thermomechanisch
gewalzte Bleche, die nur geringfügig teurer sind als herkömmlich gewalzte Bleche, ohne
Wärmebehandlung verschweißt. Die erforderliche hohe Steifigkeit der Querträger kann aber
auch durch andere Maßnahmen, wie zum Beispiel breitere Gurte und/oder die Verwendung
dünnerer mehrlagiger Bleche erzielt werden.
12
3.7
Trogführung
Die Trogführung hat die Aufgabe, den Trog während der Berg- bzw. Talfahrt zu führen.
Diese Führungsfunktion übernehmen Führungsrollen, die für die Längs- und Querführung
des Troges unabhängig voneinander angeordnet werden. In erster Linie haben die
Führungsrollen Windkräfte aufzunehmen, die in Quer- und Längsrichtung des Troges
wirken. Kräfte, die in den Haltungen bei geöffnetem Trogtor entstehen, werden über eine so
genannte Hartanlage übertragen. Die Hartanlage besteht aus Pratzen, die vom Trog aus
hydraulisch mit einer begrenzten Kraft gegen eine am Massivbau befestigte Schiene
gefahren werden. Ist der Kontakt zwischen Pratzen und Schienen hergestellt, kann der
Dichtungsrahmen ausgefahren, der Spalt gefüllt und das Trogtor geöffnet werden. Ab
diesem Moment lasten die Kräfte aus dem Anpressdruck des Dichtungsrahmens und aus
dem einseitigen Wasserdruck auf der Hartanlage. Die Elastizitäten ihrer Bauteile haben eine
Nachgiebigkeit der Hartanlage zur Folge, die größer als das zwischen den Längsführungsrollen und den Führungsschienen vorgesehene Spiel sein kann. Damit in diesem
Fall keine unzulässig hohen Raddrücke auftreten, können die Längsführungsrollen aufgrund
ihrer gefederten Lagerung nachgeben. Die hierbei entstehenden Federkräfte sind gleichzeitig die Höchstbelastungen der Längsführungsrollen.
3.8
Massivbau
Auf jeder Trogseite sind nach der Machbarkeitsstudie zwei Türme von je ca. 50 m Länge
und mit einem lichten Abstand von 20,0 m vorgesehen. Auf jeder Trogseite sind separate
Seilscheibenhallen vorhanden, so dass der Bereich über dem Trog auf einer Breite von ca.
19,0 m offen bleibt, Bild 8. Zur Kopplung der Türme in Querrichtung sind einzelne Riegel in
Höhe der Hallenböden vorgesehen. In Hebewerksquerrichtung haben die Türme eine Breite
von 16,0 m und einen lichten Abstand von 25,8 m. Damit ergibt sich die Gesamtbreite zu
57,8 m. Jeder Turm besteht aus 4 Zellen, in denen die Gegengewichte angeordnet sind. Die
Wandstärken sind mit 1,0 m vordimensioniert. Am Kopf der Türme ist eine Seilscheiben- und
Maschinenhalle mit einer Länge von 120,0 m und einer Breite von 57,8 m vorgesehen; sie
überdeckt damit die gesamte Hebewerksfläche. Durch die Bodenplatte dieser Halle sind alle
vier Türme in beiden Richtungen miteinander gekoppelt. Zur Führung der Gegengewichte
zwischen den Türmen ist dort eine Stütze vorgesehen, die durch Riegel zu den Türmen
ausgesteift wird. Die Gründung der Türme, der Stützen und der Trogwanne erfolgt auf gleichem Niveau; nur im Bereich der Trogverriegelung muss bis ca. 4 m unter den normalen
Gründungshorizont vertieft werden, um dort die Hydraulikzylinder der Trogverriegelung anordnen zu können. Dort wo die Maschinenräume sind, findet man die Treppenhäuser und
die Fahrstühle. Die Stockwerkshöhe beträgt ca. 3,0 m.
Von jeder Ebene der Treppenhäuser hat man Zugang zu den Maschinenräumen und über
deren Dachflächen zu den Betriebswegen des Troges. Von den Seilscheibenhallen aus
kann man über die Koppelriegel zu den Türmen auf der jeweils anderen Trogseite gelangen.
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Von den Seilscheibenhallen aus sind auch die Zugänge zum Bedienstand angeordnet, der
sich auf der Unterwasserseite etwa in Höhe des Hallenbodens über dem Trog befindet.
Aus statischen Vorüberlegungen ergeben sich erste Abschätzungen zu Beanspruchungen
und Verformungen. Vertikalverformungen entstehen durch die Stauchung des Betons infolge
vertikaler Lasten, Kriechen und Schwinden des Betons, Temperaturänderungen und infolge
von Setzungen. So beträgt zum Beispiel die elastische vertikale Verformung am Kopf der
Türme infolge des Konstruktionsgewichtes 10 mm, infolge der Lasten aus wassergefülltem
Trog und Gegengewichten 2 mm. Diese elastischen Verformungen wie auch die plastischen
Verformungen infolge von Kriechen und Schwinden treten überwiegend schon während des
Baufortschritts des Massivbaus ein.
Bild 8: Regelquerschnitt
des Schiffshebewerks
(Machbarkeitsstudie)
Mögliche Wechselwirkungen zwischen den Betonwänden und den mit ihnen kontinuierlich
verbundenen Zahnstangen sowie Mutterbackensäulen infolge von Temperaturunterschieden
(plastische Verformungen des Betons infolge von Kriechen und Schwinden sind bei Einbau
dieser Bauteile schon weitestgehend eingetreten) führen nicht zu relevanten Verformungen.
Horizontalverformungen in Querrichtung entstehen im Wesentlichen durch die Windbelastung, durch die Temperaturbeanspruchungen und durch Erdbebenlasten.
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Spannungen in der Massivbau-Konstruktion lassen sich durch einen Beton der Güte C25/30
aufnehmen. Die maximalen Druckspannungen treten in den ca. 10 m breiten, nicht ausgesteiften Längswänden auf. Abgeschätzte Bodenpressungen liegen weit unter dem als
zulässig erachteten Wert.
Besondere Aufmerksamkeit wurde und wird der Bemessungssituation „Erdbeben“ gewidmet.
Hier sind insbesondere neben den Lagerungsbedingungen des Troges zu den Gegengewichten das Verhalten des Wassers im Trog, vereinfachte Annahme als starr oder realistischer als beweglich, zu beachten. Auf der Grundlage von Vor-Untersuchungen im Rahmen
der Machbarkeitsstudie werden bei der Entwurfsplanung hierzu weitere Betrachtungen
angestellt.
4
Zusammenfassung
Das Schiffshebewerk am Drei-Schluchten-Projekt zeichnet sich durch folgende Besonderheiten, die sich von allen bisher gebauten Senkrechthebewerken abheben, aus:
–
größte Hubhöhe mit 113 m
–
große Trogabmessungen, hohe zu bewegende Massen (2 x 12.800 t)
–
Teil einer riesigen Stauanlage
–
große Wasserspiegelschwankungen in der oberen (30 m) und der unteren (11,8 m)
–
Haltung
–
Nutzung vorwiegend für Passagierschiffsverkehr.
Auf der Grundlage von Planungen für das neue Schiffshebewerk Niederfinow in Deutschland
wurde durch sorgfältige Überlegungen, Berechnungen, Konstruktionsentwürfe, Materialabwägungen, Fertigungs- und Montageprüfungen eine Machbarkeitsstudie erstellt.
Als Gesamtergebnis der Machbarkeitsstudie ist festzustellen, dass der Bau eines Troges mit
4 elektromechanischen Antrieben auf dem Trog über Ritzel und Zahnstange und den damit
verbundenen 4 Sicherheitseinrichtungen – bestehend aus Drehriegel und Mutterbackensäule für das Drei-Schluchten-Projekt Schiffshebewerk ausführbar ist.
Die sich aus den Entwurfsberechnungen ergebenden Abmessungen der Maschinenbaukomponenten wie Getriebe, Wellen, Ritzel, Zahnstangen, Drehriegel, Mutterbackensäule u.ä.
sind zwar erheblich, aber nach Auskünften einschlägiger Firmen herstellbar.
–
Antriebs- und Führungselemente werden so gelagert, dass sie zwängungsfrei laufen und
sich den nicht vermeidbaren Toleranzen und Verformungen der Türme anpassen.
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Der Bau der Hebewerkstürme aus Stahlbeton bietet keine besonderen Schwierigkeiten,
die Erdbebensicherheit ist gegeben, der Einbau der festen Stahlbauteile (Zahnstange,
Führungsschienen) erfordert spezielle Montagemaßnahmen.
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Der Einbau einer Reversierpumpenanlage im Trog und einer Trogverriegelung ist wegen
der zu erwartenden kurzfristigen Wasserspiegelschwankungen für einen störungsfreien
und schonenden Betrieb erforderlich.
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In der Machbarkeitsstudie sind u.a. 100jährige Erfahrungen (das erste Schiffshebwerk Henrichenburg ging 1899 in Betrieb) der deutschen Wasser- und Schifffahrtsverwaltungen mit
Bau und Betrieb von Schiffshebewerken eingeflossen. Das vorgeschlagene Antriebs- und
Sicherheitssystem hat sich in Niederfinow seit 1934 und in Lüneburg (mit Spindel statt Mutterbackensäule) seit 1975 bestens bewährt. Die derzeitigen Planungen für das zweite Hebewerk Niederfinow haben gezeigt, dass dieses mechanische Prinzip auch heute noch
höchsten Sicherheitsanforderungen genügt, aber selbstverständlich mit modernster Technik
realisiert werden muss.
Im April 2004 erhielt das Joint-Venture aus Krebs & Kiefer International und Lahmeyer International, beide Gesellschaften sind auch wesentlich an Planung und Entwurf des neuen
Schiffshebewerks Niederfinow beteiligt, von CTGPC den Auftrag für die Planung des
Schiffshebewerks am Drei-Schluchten-Staudamm in China. Planungsgegenstand sind Entwurf und Konstruktion des Troges, Konstruktion von Trogantrieb und Sicherungssystem,
Maschinenbau und elektrische Steuerung, Brandschutz und Feuerüberwachung, Ausgleichsgewichtssystem sowie Schnittstellen zu dem massiven Tragsystem aus Hebewerkstürmen und Trogwanne. Neben den Abmessungen des Bauwerks stellt die Lage in
einer seismisch aktiven Zone eine Herausforderung dar. Das komplexe Projekt erfordert
Spezialwissen im Massivbau, im Stahl- und im Maschinenbau.
Dieses technisch einmalige Staudamm-Projekt wird durch absehbare und befürchtete Folgen weltweit kontrovers diskutiert. Chinesische, aber auch internationale Institutionen arbeiten derzeit an der Bewertung, Beseitigung und dem Ausgleich dieser Folgen und an der Sicherstellung des Projektes zum Vorteil für die Bevölkerung.
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Literatur
Wagner, R.
Schiffshebewerke in Deutschland, Ansichts- und Sicherheitsprinzipien. Stahlwasserbautagung von Mannesmann-Rexroth-Tagung,
Lohr/Main, 1997.
BAW
(Bundesanstalt für Wasserbau) Machbarkeitsstudie für das Schiffshebewerk am Drei-Schluchten-Projekt des Yangtze, Karlsruhe,
25.05.2000 (unveröffentlicht)
Wagner, R., Krebs, A. Das Schiffshebewerk am Drei-Schluchten-Projekt des Yangtze.
Jahrbuch 2001 der Hafenbautechnischen Gesellschaft (HTG);
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Verfasser:
Ltd. Baudirektor Dipl.-Ing. Claus Kunz
Bundesanstalt für Wasserbau
Postfach 210253
76187 Karlsruhe
Tel: 07 21 / 97 26 - 32 00
Fax: 07 21 / 97 26 - 21 50
E-Mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Reiner Wagner
Bundesanstalt für Wasserbau
Postfach 210253
76187 Karlsruhe
Dr.-Ing. Hans-Gerd Lindlar
Krebs und Kiefer Beratende Ingenieure GmbH
Hilpertstr. 20
64295 Darmstadt
Tel: 0 61 51 / 8 05-0
E-Mail: [email protected]
www.kuk.de
Dipl.-Ing. Rolf Wigand
Lahmeyer International, Hydropower and Water Recources
Department Head: Geotechnical Engineering, Geology, Dams
Friedberger Straße 173, 61118 Bad Vilbel
Tel. 0 61 01 / 55 - 17 72, Fax: - 16 43
E-Mail: [email protected]
internet: http://www.lahmeyer.de
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