金沙江向家坝升船机设计与运行概述

李志祥 王向辉 杨鹏

摘 要：向家坝升船机采用全平衡齿轮爬升螺母柱保安式一级垂直升船机，最大提升高度114.20m，是当今已投运升船机世界之最。2018年5月26日向家坝升船机投入试通航运行，试通航运行第二个年度货运量就达到了设计指标，通航效益显著，是目前国内运行最繁忙的升船机。本文概要介绍了向家坝升船机特点、主要设备、运行流程及试通航运行情况。

关键词：升船机;主要设备;运行流程;试通航运行

中图分类号：U642           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0049-02

向家坝升船机按Ⅳ级航道标准设计，设计代表船型为2×500t级一顶二驳船队，同时兼顾1000t级单船。设计年过坝货运量为112万吨（其中下行占95%），客运量为40万人次。

向家坝水电站通航设施主要由上游引航道、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（含辅助闸室与辅助闸首）五部分组成，全长1530m。向家坝升船机最大提升高度114.2 m，承船厢与厢内水体总重量约为8150t，正常升降速度0.2 m/s ，上游通航水位变幅10m，下游通航水位变幅 11.45m，其规模和技术复杂程度均超过了国内外已建和在建的升船机。

1向家坝升船机机型及特点

1.1  机型的确定

向家坝升船机是电站的唯一通航设施，安全可靠性是方案比选的首要因素，向家坝升船机最终采用全平衡齿轮爬升螺母柱保安式一级垂直升船。

1.2  向家坝升船机的特点

向家坝升船机是建设在高水头水电站上的通航建筑物，主要具有如下特点：

（1）过船吨位大：向家坝升船机一次可以通过2×500t级船队，兼顾1000t级单船。

（2）提升高度大：向家坝升船机最大提升高度为114.20m，是目前已投运升船机之最。

（3）上、下游水位变幅较大：升船机上、下游通航水位变幅分别为10.00m和11.45m。

（4）下游水位变率较大：由于电站单机容量大（800MW），单机引用流量大（893m3/s），机组台数多达8台，一台机组的流量变化可以导致下游水位变化1.00m左右。因此，电站在调峰运行、大坝泄洪及机组甩负荷等工况时将导致下游水位在短时间内出现较大变化，升船机运行至下游时将可能遇到较大的水位变率，这也是设置辅助闸室的原因之一。

1.3  通航条件

向家坝升船机是建设在高水头、窄河谷、大比降河道上，通航条件要求高，见表1。

2 主要设备及功能

向家坝升船机采用全平衡齿轮爬升螺母柱保安式方案，其众多设备采用更加高效、稳定的工作原理，多为国内首创，且国内外无借鉴经验，如大型薄板双通道箱型承船厢、楔块自锁纵导向机构、多油缸配合顶紧对接锁定机构、超长距离垂直供电滑线等，提高了向家坝升船机运行的稳定性和可靠性。

上、下闸首工作闸门，闸门型式选择下沉式平面闸门，保证升船机适应上下游水位变化。门体上部为凹槽结构，在凹槽中设置卧倒式通航闸门;在工作闸门内侧设置U形对接密封装置。同时在工作闸门门体内还设置对接充泄水系统，用于对船厢与工作闸门之间的间隙进行充（泄）水和调节船厢水深。工作闸门由双吊点液压启闭机操作。

上下闸首之间是升船机船厢室段，主要由塔柱结构、船厢及船厢设备、平衡重系统等组成。船厢室段为整体式坞式结构，对称布置4个承重塔柱筒体，总高180.50m。每个塔柱的内侧布置一个凹槽，凹槽的墙壁上设有齿轮爬升的齿条和安全机构的螺母柱。同时在每个塔柱内部分别设4个平衡重竖井用于容纳平衡重组件升降运行。

船厢采用盛水结构与承载结构合为一体的自承载式结构型式，由128根Ф76mm的钢丝绳悬吊。船厢有效水域长116m、宽12m、深3.0m。船厢结构、设备和3.0m标准水深的水体总重量约8150t。船厢两侧对称布置4个侧翼平台，在每个平台上分别设一个驱动及安全机构室以及相应的电气控制设备。在船厢上还设置了船厢门及其启闭机、导向装置、对接锁定机构、防撞装置以及液压泵站等机械设备。

驱动机构采用齿轮齿条传动方式，齿轮通过齿轮托架机构支承在船厢的侧翼平台上，齿轮托架机构可适应船厢和塔柱之间的相对位置变化，4套驱动机构通过机械同步轴轴联结，形成封闭矩形结构机械同步系统，使 4 个开式齿轮同步爬升。安全机构采用长螺母、短螺杆自锁方式，旋转螺杆竖向布置在剖分式螺母柱的空腔内。螺杆的传动系统与相邻驱动机构的齿轮之间通过机械轴相连，使齿轮与螺杆同步升降。船厢正常升降时，螺杆在螺母柱内空转，遇事故后螺杆与螺母柱的螺纹副间隙消失，船厢将被锁定在螺母柱上，事故载荷通过船厢主横梁传递到塔柱结构上。船厢两端各布置一扇下沉式弧形闸门，闸门开启后卧倒于船厢门龛内。在距船厢门两端面4.5m处各设有一套带液压缓冲的防撞装置，用于防止船舶失速撞击船厢门。在每套驱动机构的下方，布置一套船厢横向导向装置，利用齿条底座板作为导轨。在正常运行工况下，横导向机构承受运行风载荷并对船厢进行横向导向，在地震工况下传递船厢的橫向地震载荷。在船厢两侧布置纵导向与顶紧装置，在正常运行工况下，纵导向承受运行风载并对船厢进行纵向导向，在与闸首对接期间顶紧机构使船厢纵向锁定，同时在地震工况下传递船厢的纵向地震载荷。在船厢两侧对称布置4套对接锁定装置，用以在对接状态下将船厢竖向锁定，可适应船厢和塔柱之间的纵、横向相对变位。

驱动机构电气传动控制采用“机械同步轴+电气出力均衡”控制方案，采用速度、电流双闭环无级调速控制系统结构，多电机速度环出力均衡控制方案，实现4台电动机的出力均衡。

由于下游水位变率较大，无法满足升船机运行技术要求，为确保升船机安全、连续运行，首次采用在下闸首下游侧布置辅助闸室和辅助闸首。辅助闸首布置有防撞装置和工作闸门。

3 运行流程

向家坝升船机可双向运行，以上行为例，上行过坝船舶停泊于下游辅助闸室内等待进厢;坝顶活动桥开启并锁定，活动公路桥两端的警示道闸关闭;船厢运行至下游对接位，对接锁定结构锁定，液气弹簧泄压，下游顶紧机构推出;下闸首密封框伸出，间隙充水;下闸首通航闸门和下厢头船厢门开启;下厢头防撞装置带索提升，上厢头防撞装置无索提升，下闸首防撞梁开启;船厢水域与辅助闸室水域连通;升船机通航信号灯“绿灯亮”，船舶可以进厢。

船舶进厢系缆、发动机熄火后，升船机进入解除对接工作流程。

下闸首通航门关闭，上下厢头防撞吊架落，下厢头船厢门关，下游间隙排水，上厢头防撞钢丝绳拉紧，下闸首密封框退，下游顶紧退回，液气弹簧充压，对接锁定解锁。船厢上行至对接位，重复以上流程，上游水域联通后，船舶出厢，完成上行运行。

4 试通航运行

向家坝升船机从2018年5月26日投入试通航运行至今，每天运行10h。截至2020年6月30日，累计运行538天、4737厢次、通过船舶4906艘次，载货179万吨。向家坝升船机自开通试通航运行以来，过坝船舶及过货量快速上升并达到饱和，通航效益显著属国内鲜有。5 结论

向家坝通航设施工程规模，升船机采用国内少有的齿轮齿条爬升螺母柱保安式升船机，技术复杂、运行要求高，自2018年5月投入试通航以来，已经安全运行近2年，快速增长的通航量很好的证明了其安全性能高、运行效率快、通航能力强。

但随着运行时间的延长，升船机各类设备、设施的损耗也在累积，因此在后续升船机运行过程中还要不断总结经验，持续提升升船机运行维护水平，确保升船机长周期的安全稳定运行。

参考文献：

[1]黄文利等. 向家坝水电站升船机通航验收设计报告 长沙 中国电建中南勘测设计研究院有限公司，长江勘测规划设计研究有限责任公司， 2019.