双轨斜面升船机初步研究

董兴林，郭新蕾，乔青松

（1.中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038；2.香港科技大学，香港）

1 研究背景

从2011年起，三峡船闸的年通航量已经超一亿吨，提前19年达到设计通航能力。随着长江经济带的发展，三峡通航能力需求持续增加，提高其通航量成为一个亟待解决的问题。一种方案是在大坝的上下游修建港口和陆地通道设施，翻坝转运货物。此方案会显著增加物流时间和运输成本，并且要翻山越岭修建公路或铁路，工程投资很大［1］。另一种方案是增建过坝的通航设施，比如修建新的船闸或升船机等。考虑到目前大坝已建成的实际条件，从技术和经济角度看，采用斜面升船机可能是较合理的选择。

大型斜面升船机从1982年开始已在前苏联的克拉斯诺雅尔斯克水电站运行（图1），一次可以通过3000吨的货运量，提升高度124 m［2-3］。简单的讲，它在大坝左岸的上下游斜坡各铺设一条1∶10坡度的轨道，安装带有承船厢的升船机。升船机安装的电机-液压泵的齿轮，咬合轨道腹壁两侧的齿条，从而驱使升船机沿轨道向上或向下运动（图2）。升船机从下（上）游斜坡轨道爬升至顶端，通过一个直径约100 m的圆形轨道转向器，进入上（下）游斜坡轨道，使船只顺利的过坝。升船机在轨道上运行需时45分钟。简单的讲，该升船机的特点是：（1）水运船只过坝；（2）上下游共用一架升船机，并且承船厢仅设置一道闸门。如果三峡大坝采用此类升船机，其潜在的不利方面是：（1）电动机-液压泵系统的机电和油压泵装置复杂，维护检修困难；（2）在斜坡道的山顶上开挖百米大圆盘的工程量大，对三峡大坝两岸高山地形并不适用［4］。但总的来看，这种类型升船机能应用于三峡大坝，提高三峡船闸的通航能力和效率。

图1 克拉斯诺雅尔斯克水电站斜面升船机

图2 升船机驱动系统

参考以上升船机的特点，本文提出了一种适用于三峡大坝的大型双轨斜面升船机，给出了其运行原理及初设参数。

2 双轨斜面升船机的工作原理

本文提出一种新型大型双轨斜面升船机，可有效增加三峡大坝的通航能力。所谓双轨，指的是在上、下游斜坡上铺设轨道（轨道坡度1∶10）和在升船机顶上铺设水平轨道（升船机不过坝）。总的想法是：将升船机修建在三峡船闸的左侧，因为大坝左岸是大河湾的凸岸，而现有的垂直升船机和五级船闸都修建在靠近左岸（见图3）。为什么不再增建五级船闸，而增建斜面升船机？因为前者工程量大，施工时间长，并且建成后过坝时间也长，至少需3小时，而升船机过坝时间仅需30分钟。

斜面升船机的基本设计和运行原理：（1）在大坝左侧的上、下游开挖1∶10的斜坡上铺设轨道，并各自装置一部升船机，并在两架升船机顶部安装水平轨道，为承船车（共用一辆）往返过坝用，图4是大坝下游侧布置的升船机。（2）当船只从引航道进入承船车后，升船机开始沿轨道爬坡，当它靠近到坝顶时，其上部水平轨道同坝顶水平轨道对接，升船机上的承船车可进入坝顶轨道；（3）当承船车继续沿水平轨道进入上游升船机后，升船机开始下降；（4）当承船车进入上游水库后，船只游出承船车进入水库。可以看到，通过可以沿水平轨道运行的承船车，省却了升船机在坝顶转向的需求，产生了顺利的船只过坝过程。

此外，下游前池按通航最低水位62 m设计的，最深处大约从水面下开挖20 m，同时下游需要修建引航道。上、下游斜坡轨道长度是按各最低通航水位145 m和62 m设计的，分别约为315 m和1400 m。承船车厢尺寸和载重参考三峡大坝升船机设计的，其有效尺寸∶长、宽和水深为120 m、20 m和3.5 m。为了缩减升船机过坝时间，减轻升船机的载重量，过坝船只采取干运，要求船只是平底。（考虑到干运可能对大船不利，以后有可能装载双排500 t的船只，故将车厢宽度增加2 m），船只总载重量不变仍为3000 t。

图3 斜面升船机的布置示意图

图4 斜面升船机和承船车运行示意图（单位：mm）

承船车厢两端为开敞无闸门，其地板留有进、排水孔以便快速让船只进入和驶离车厢。在升船机爬坡过程，为了减轻船只从漂浮状态坐落在船厢底板上的碰撞，在底板上铺设多层旧轮胎或金属弹簧垫。

若采用湿运船只，在过坝过程中虽然船只不会碰触承船厢底板，但是厢内的水体重量会使上下游斜面升船机的桁架结构造价巨增，同时由于承船厢两端的闸门频繁启动，会增加闸门维修的次数，影响船只的正常运行。

3 升船机的动力系统

升船机是利用变频调速电动机驱动齿轮，咬合轨道腹板上的齿条，驱动升船机车轮在斜坡轨道上滚动行走的（见图5）。电动机安装在钢轨腹壁的两侧，每一条钢轨安装22只，即两条钢轨一共安装44只。升船机顶上的承船车也是利用这种电动机齿轮咬合轨道底板上的齿条驱动行走的，电动机安装在乘船车厢底板下面（见图6），前后共安装4只。关于变频调速电动机齿轮的转速，可以根据需要自动调节，以优化升船机系统的运行；单个电机的功率由升船机和最大船只总重量所产生的斜升力而定。

当斜面升船机爬到靠近坝顶时，升船机顶上的水平轨道同坝顶上的轨道对接。由于轨道底板上都有齿条，承船车的船只可以顺利的过坝，其过坝的动力是由承船车底部的变频调速电动机上齿轮咬合坝顶轨道底板上的齿条产生的，推动承船车携带船只在坝顶上行走。通常升船机下坡时的速度应不超过2 m/s，以便于安全运行控制，易保证平稳运行；而上坡时速度可快一些。由此估计，承船车过坝时间约30～40分钟，准备、运行和离开时间需要根据现场调度具体情况确定。

关于变频调速电动机，它是架线的交流电机，其最大优点是，调速性能好、启动平稳、可靠性高和维护简便等。升船机需要在水下运行，故要求变频调速电动机必须有良好的密封防水和防腐蚀性能。

图5 升船机动力系统

图6 承船车驱动齿轮

4 升船机的安全刹车装置

在运行过程中，当突然断电时，升船机在斜坡轨道上有滑下去的危险，因此必须安装适当的刹车装置，从而在发生事故时让升船机平稳停留在轨道上。这里采取的措施是，在升船机下面每条纵梁的两端处，各放置两组以上的自动止轮的三插板（见图7）。即在工字钢纵梁顶部安装功率较大的电磁铁，正常运行时，电磁铁吸住两边对称的杠杆内端点，使悬钓三插板的杠杆两端翘起，插板脱离电机的驱动齿轮，此时升船机可以通畅地在轨道上滚动行走；而当断电时电磁铁失去吸力，在重力作用下两边钓的插板降落到升船机驱动齿轮的齿口里，阻止齿轮转动，此时升船机立即停止下滑，保持平稳安全状态。

图7 紧急安全刹车装置

升船机顶部承船车的安全措施是，在两架顶部水平轨道的末端上，各装置一个安全坎，断电时承船车受惯性力的影响仍然会缓慢向前移动，当到达轨道端点时被安全坎拦截，车轮不会脱离轨道。

5 上下游轨道不在一条直线上的处理

可能因为升船机的位置距大坝太远，上下游升船机不在一条直线上，这时坝顶上的水平轨道只能同其中一条升船机上的轨道对接，承船车就不能过坝到对面升船机的轨道上。这时在坝上水平轨道长度的中心点安装竖轴，让轨道转动一小角度，便可做到分别同上下游两边轨道的对接，使承船车顺利的过坝。

6 结语

本文提出一种过三峡大坝的双轨大型斜面升船机系统，该升船机不仅适用于三峡通航问题，更适用于高山峡谷河道的水电站通航问题，例如在金沙江下游修建的乌东德、白鹤滩和溪洛渡等水电站，都是在峡谷河道上修建的。因河道中只能安排水电站和泄水道，无通航位置，使航运中断，这等于黄金水道“短路”。如果在大坝岸边修建大型斜面升船机系统，便可以利用斜面升船机打通航道。