向家坝升船机方案比选分析

古思思 孟庆峰

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 长沙市 410014）

向家坝工程位于金沙江下游，是金沙江下游梯级开发的最后一个梯级。坝址位于四川省宜宾县和云南省水富县交界的金沙江河道上，距离水富县城约1km，距宜宾市约33km。

向家坝所处河段为通航河段，通航里程上至新市镇，下至宜宾市，全长105km。运输量的90%为下行运输。1996年在北京召开的金沙江向家坝、溪洛渡水电站预可行性报告审查会议上，国务院批准向家坝水电站航运过坝建筑物按IV级航道设计，设计船型为2×500t（1船2驳）船队，设计年过坝货运量为112万t（下行占95%），客运量为40万人次。

由于向家坝所处河段对金沙江内河运输意义重大，因此，需要合理选择设计过坝通航建筑物。过坝通航建筑物一般分为升船机和船闸，本文先针对向家坝的工程特性比选了升船机和船闸，在确定了升船机后，对升船机的选择与设计进行分析。

1 升船机方案和船闸方案的比选

我国水利水电工程中使用的过坝通航建筑物主要有两种形式：船闸和升船机。船闸主要利用调整上下游各闸室水位的方法，使船舶或者船队通过航道上集中水位落差。升船机[1-3]则与船闸不同，是利用升降承船厢的方法使船舶或船队通过航道上的集中水位落差。根据向家坝电站的特点，对船闸和升船机进行比选。向家坝工程位置如图1。

图1 向家坝工程位置图

由于向家坝电站通航建筑物需要跨越114.2m水头，所以不管是修建船闸还是升船机，其技术难度都很大，都需要对其进行详细的经济技术分析。

船闸方案包括二级船闸带中间渠道方案、三级船闸带中间渠道方案、四级船闸带中间渠道方案和五级船闸方案等。按照国内外当今船闸建设惯例，船闸单级的工作水头不超过50m，则上述方案中除了连续五级船闸方案外，其余方案均需设置调节水池，增加了工程量和施工难度。因此，五级船闸方案为船闸方案中的优选方案。

升船机方案则主要有包括一级升船机方案与二级升船机带中间渠道两种。由于一级升船机工程量较小，且运行简单，则一级升船机方案为升船机类方案的优选方案。

2 升船机型式及水工建筑物选择与设计

向家坝通航建筑物选定为一级垂直升船机方案后，需要对升船机形式选择进行分析，以确保向家坝的经济技术指标达到最优。

2.1 向家坝升船机水工建筑物布置设计

一级垂直升船机有很多种形式，如钢丝绳卷扬式垂直升船机、齿轮齿条爬升式升船机、浮筒式垂直升船机和水力浮动式转矩平衡重升船机等。升船机型式多样，但其水工建筑物的构成基本相同。主要由五部分构成，分别是：上游引航道、上闸首、承重塔柱及承船厢室、下闸首和下游引航道。向家坝水电站升船机上述五部分总长约1530m。向家坝拟定升船机水工建筑物布置如图2。

图2 向家坝升船机水工建筑物布置图

向家坝水电站升船机上游引航道为向左侧单向扩宽的不对称型式。引航道底高程为367.50m，左侧布置辅导航墙，为从挡水坝段伸出的悬臂结构；右侧则为浮式导航墙。

向家坝上闸首的挡水坝段沿升船机中心线长115.5m，宽29.6m，位于坝块上的通航孔口宽度为12m。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。

塔柱为承船厢、平衡重系统及厂房等的承重支承结构。向家坝水电站升船机塔楼段总长116m，总宽46m，塔楼顶、底高程分别为392.00m和240.00m，为薄壁钢筋混凝土筒体结构。

下闸首为整体坞式结构，其长度为40m，中间通航孔口宽度也为12m。为了适应下游水位变化，满足不同通航水位运行的要求，工作闸门仍为下沉门形式，其上部仍为卧倒式通航闸门。同时，为保证升船机在下游水位变化率较大时仍能安全连续运行，在下闸首下游设置辅助工作闸门，与下闸首工作闸门之间形成辅助闸室，将下游水位挡在辅助闸室以外。

下游引航道采用左侧单向扩宽的不对称形型式，基本宽度为40m。下游引航道左侧设重力式辅导航墙，以供双向过坝时船队停靠和避让；右侧设重力式主导航墙，主要用于提供船舶导航和保持引航道内水面平稳，也兼做船舶停靠之用。

2.2 向家坝升船机候选方案分析

根据向家坝通航建筑物布置的特点对升船机候选两个方案进行对比，方案一为全平衡齿轮爬升式螺母柱保安式一级垂直升船机，方案二为全平衡卷扬式一级垂直升船机。

2.2.1 全平衡齿轮爬升式一级垂直升船机

齿轮爬升式升船机，是在承船厢四角分别装置4个齿轮，与安装在承船厢室两侧塔柱壁上的齿条相互啮合。电动机经减速箱带动齿轮旋转，通过齿轮齿条的啮合作用带动承船厢升降。安全装置采用螺旋锁定装置。承船厢升降时，装在船厢托架上的旋转螺母与齿轮同步运行。正常情况下，螺母沿螺杆空转，相互间保持一合理的空隙。如承船厢产生较大的不平衡力，驱动齿轮的四周力便超过容许值，驱动装置即停止运转，螺母座落在螺杆上。由于螺旋的自锁作用，承船厢可被固定在保安螺杆上。同时，为了减小提升升船机时的电机功率，升船机采用悬挂式平衡重系统，将承船厢结构、设备以及承船厢内正常水体的重量由平衡重完全平衡，是为“全平衡”式的升船机。见图3。

2.2.2 全平衡卷扬式一级垂直升船机

图3 齿轮齿条爬升式垂直升船机船厢驱动装置

卷扬式升船机采用对称安装在塔楼顶部的卷扬机，通过卷筒上的钢丝绳使承船厢上升或者下降。作为提升设备的卷扬机由电机、大扭矩减速箱及卷筒等组成。钢丝绳缠绕在卷筒上，防止钢丝绳与卷筒之间产生蠕动位移。钢丝一端连接承船厢，另一端则与平衡重相连，则电机带动转筒旋转时只需克服较小的摩阻力即可。卷扬式垂直升船机也配备安全装置。卷扬式垂直升船机的安全装置由3个部分组成，分别是安全制动器、工作制动器和承船厢沿程夹紧装置。当事故发生时，电机按指令减速，之后工作制动器投入工作。安全制动器经延时后再投入，最后使提升装置迅速停止运转。若发生漏水事故，漏水量可能超过平衡重，则还需要沿程夹紧装置来抵抗不平衡力[4]。见图4。

图4 卷扬提升机构简图

2.3 向家坝水电站升船机型式比选原则

根据向家坝水电站升船机运行特点，结合国内外升船机建设经验，升船机型式比选原则如下：

（1）升船机采用经过工程实践检验，成熟可靠的提升设备，保证在最大提升高度下的正常运行。

（2）升船机设置可靠的安全保障机构，当升船机发生各种事故而导致平衡系统被破坏时，安全保障机构都能及时投入，将承船厢安全锁定。

（3）对于高达150m的塔楼由于温差、风力、地震等各种因素产生的变形和变位，升船机应具有良好的适应性。

（4）升船机能适应上、下游通航水位的变幅。

（5）升船机运行至下游时对可能遇到的较大水位变率具有较好的适应性。

（6）运行操作、监测及控制环节少，简单可靠。（7）设计经济合理，运行和管理费用低。

2.4 向家坝水电站升船机候选方案比较

两个方案的水工建筑物布置、上下闸首设备基本相同，因此对两个方案间的比选主要从升船机主体部分、塔楼结构、技术经济方面分析。

2.4.1 主体部分比较

方案1主要优点是该型式升船机较卷扬式升船机安全。主体结构使用螺母柱保安，当承船厢发生漏水时承船厢可以自行锁定，无需任何外部控制信号。而承船厢通过开式齿轮刚性支承在齿条上，稳定性高；布置了刚性的同步系统，承船厢升降过程中的水平度易于保证。此外，方案1驱动设备规模小，布置紧凑，安装方便。平衡重系统也较为简单，钢丝绳精度要求较低。承船厢检修时可以利用安全锁定机构对承船厢和平衡重进行固定，方便检修。

方案1主体部分中，齿条和螺母柱的制造和安装要求较高，国内缺乏相关经验，需要专门研究施工工艺。驱动机构的电动机、行星齿轮减速器等等一部分关键设备需要进口，以确保可靠性。另外，若采用方案1，影响驱动机构和安全锁定机构运行的因素较多，塔楼变形变位、承船厢结构变形、设备制造安装误差等，都能影响升船机运行。最后，方案1金属结构及机械设备安装工程量较大。

方案2其主体部分中，主提升机构为常规的设备型式，国内有成熟的设计、制造、安装经验，因而制造安装的难度较小。影响主提升机构正常运行的因素也较少，且主提升机构设备的振动对承船厢不会产生明显影响。此外，该形式升船机金属结构及机械设备工程量较小。但主提升机构设备规模较大，如8套提升卷筒装置和4台低速减速器均为大尺寸大重量设备，因此塔楼顶部主机房设备布置拥挤。承船厢与主提升机构之间采用钢丝绳柔性悬挂系统，则承船厢水平度难以保证，稳定性较低[5]。保持水平状态和钢丝绳张力均衡依靠液压调平和均衡装置，因此对承船厢液压调平和均衡装置可靠性要求较高。承船厢发生事故时不能自动锁定，若承船厢升降过程中发生漏水，需要监控系统根据水深变化发出指令，安全制动系统方投入工作。此外，方案2还存在检修困难、关键设备需进口等不足。

2.4.2 塔楼结构比较

两种方案的升船机，其主要荷载均作用在塔楼顶部，但全平衡给齿轮爬升式螺母柱保安式一级垂直升船机会由螺母柱将锁定力传给塔楼，则采用该型式升船机时局部荷载对塔楼结构影响较大。

在塔楼的工程量方面，经估算，两种方案塔楼工程量相差不大。两种方案工程量如表1[6]。

表1 两种方案塔楼工程量比较

2.4.3 经济比较

两种方案除塔楼外其余部分工程量相同，因此，在进行两种方案投资额比较时，只对塔楼部分进行比较。经估算，方案1塔楼段总投资为44727万元，方案2塔楼段总投资为37618万元[6]。两种方案投资额比较见表2。

表2 两种方案塔楼投资额比较 万元

2.5 向家坝升船机方案比选结论

向家坝升船机提升重量大、提升高度大，下游水位变率大，其安全可靠性至关重要。由以上分析可知：方案1水平度和稳定性上优于方案2，且在承船厢漏水、对接满水、对接沉船等事故发生时，前者可以自行锁定船厢而后者不能。考虑安全方面，方案1安全可靠性较方案2高。

虽然方案1的投资额比方案2大，但方案1采用齿轮齿条爬升，其维护和管理较为简单。方案2采用卷扬式升降，钢丝更换频率高，调平、均衡装置维护复杂。所以，考虑运行成本而言，方案2运行成本高于方案1。

对于设备安装及检修方面。方案1的设备安装难度较方案2大。但方案1形式的升船机在任何高度均可进行检修，方案2形式的升船机检修时需要另加锁定设备，操作程序复杂。

向家坝升船机在金沙江下游航运中起着非常重要的作用，其安全可靠性作为首要考虑的因素。结合方案1、方案2的安全可靠性及其他方面，选定向家坝升船机最终采用方案1全平衡齿轮爬升式螺母柱保安式一级垂直升船机。

3 结 论

根据向家坝水电站工程的特点，选定工程量较小、运输能力强的升船机作为过坝通航建筑物。结合工程条件，提出全平衡齿轮爬升式螺母柱保安式一级垂直升船机和全平衡卷扬式一级垂直升船机两种升船机方案进行比选。以安全可靠为主要考虑因素，综合考虑经济、技术、施工等因素决定采用全平衡齿轮爬升式螺母柱保安式一级垂直升船机。

[1]金卓.三峡升船机解析[J].武汉交通职业学院学报，2008，10（2）:79-82.

[2]王永新.国内外升船机的建设和发展[J].中国水运，1991，11.

[3]赵锡锦.图说三峡升船机[J].中国三峡建设（科技版），2007，14（4）:22-29.

[4]吴穹.垂直升船机运行原理分析[J].水利水电机械，2007，29（4）：7-8.

[5]陈锦珍，包纲鉴.垂直全平衡升船机承船厢的稳定性分析[J].水利水运科学研究，1996，12（4）：301-308.

[6]冯树荣，等.金沙江向家坝水电站可行性研究报告专题报告十九——通航建筑物设计专题研究报告[R].湖南:国家电力公司中南勘测设计院，2003.