向家壩升船機方案比選分析

古思思 孟慶峰

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司 長沙市 410014）

向家壩工程位于金沙江下游，是金沙江下游梯級開發(fā)的最后一個梯級。壩址位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界的金沙江河道上，距離水富縣城約1km，距宜賓市約33km。

向家壩所處河段為通航河段，通航里程上至新市鎮(zhèn)，下至宜賓市，全長105km。運輸量的90%為下行運輸。1996年在北京召開的金沙江向家壩、溪洛渡水電站預(yù)可行性報告審查會議上，國務(wù)院批準(zhǔn)向家壩水電站航運過壩建筑物按IV級航道設(shè)計，設(shè)計船型為2×500t（1船2駁）船隊，設(shè)計年過壩貨運量為112萬t（下行占95%），客運量為40萬人次。

由于向家壩所處河段對金沙江內(nèi)河運輸意義重大，因此，需要合理選擇設(shè)計過壩通航建筑物。過壩通航建筑物一般分為升船機和船閘，本文先針對向家壩的工程特性比選了升船機和船閘，在確定了升船機后，對升船機的選擇與設(shè)計進行分析。

1 升船機方案和船閘方案的比選

我國水利水電工程中使用的過壩通航建筑物主要有兩種形式：船閘和升船機。船閘主要利用調(diào)整上下游各閘室水位的方法，使船舶或者船隊通過航道上集中水位落差。升船機[1-3]則與船閘不同，是利用升降承船廂的方法使船舶或船隊通過航道上的集中水位落差。根據(jù)向家壩電站的特點，對船閘和升船機進行比選。向家壩工程位置如圖1。

圖1 向家壩工程位置圖

由于向家壩電站通航建筑物需要跨越114.2m水頭，所以不管是修建船閘還是升船機，其技術(shù)難度都很大，都需要對其進行詳細(xì)的經(jīng)濟技術(shù)分析。

船閘方案包括二級船閘帶中間渠道方案、三級船閘帶中間渠道方案、四級船閘帶中間渠道方案和五級船閘方案等。按照國內(nèi)外當(dāng)今船閘建設(shè)慣例，船閘單級的工作水頭不超過50m，則上述方案中除了連續(xù)五級船閘方案外，其余方案均需設(shè)置調(diào)節(jié)水池，增加了工程量和施工難度。因此，五級船閘方案為船閘方案中的優(yōu)選方案。

升船機方案則主要有包括一級升船機方案與二級升船機帶中間渠道兩種。由于一級升船機工程量較小，且運行簡單，則一級升船機方案為升船機類方案的優(yōu)選方案。

2 升船機型式及水工建筑物選擇與設(shè)計

向家壩通航建筑物選定為一級垂直升船機方案后，需要對升船機形式選擇進行分析，以確保向家壩的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

2.1 向家壩升船機水工建筑物布置設(shè)計

一級垂直升船機有很多種形式，如鋼絲繩卷揚式垂直升船機、齒輪齒條爬升式升船機、浮筒式垂直升船機和水力浮動式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機等。升船機型式多樣，但其水工建筑物的構(gòu)成基本相同。主要由五部分構(gòu)成，分別是：上游引航道、上閘首、承重塔柱及承船廂室、下閘首和下游引航道。向家壩水電站升船機上述五部分總長約1530m。向家壩擬定升船機水工建筑物布置如圖2。

圖2 向家壩升船機水工建筑物布置圖

向家壩水電站升船機上游引航道為向左側(cè)單向擴寬的不對稱型式。引航道底高程為367.50m，左側(cè)布置輔導(dǎo)航墻，為從擋水壩段伸出的懸臂結(jié)構(gòu)；右側(cè)則為浮式導(dǎo)航墻。

向家壩上閘首的擋水壩段沿升船機中心線長115.5m，寬29.6m，位于壩塊上的通航孔口寬度為12m。通航孔口的上游側(cè)設(shè)防洪檢修閘門一道，供升船機檢修和庫水位超過上游最高通航水位380.00m時擋水用。

塔柱為承船廂、平衡重系統(tǒng)及廠房等的承重支承結(jié)構(gòu)。向家壩水電站升船機塔樓段總長116m，總寬46m，塔樓頂、底高程分別為392.00m和240.00m，為薄壁鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)。

下閘首為整體塢式結(jié)構(gòu)，其長度為40m，中間通航孔口寬度也為12m。為了適應(yīng)下游水位變化，滿足不同通航水位運行的要求，工作閘門仍為下沉門形式，其上部仍為臥倒式通航閘門。同時，為保證升船機在下游水位變化率較大時仍能安全連續(xù)運行，在下閘首下游設(shè)置輔助工作閘門，與下閘首工作閘門之間形成輔助閘室，將下游水位擋在輔助閘室以外。

下游引航道采用左側(cè)單向擴寬的不對稱形型式，基本寬度為40m。下游引航道左側(cè)設(shè)重力式輔導(dǎo)航墻，以供雙向過壩時船隊?？亢捅茏?；右側(cè)設(shè)重力式主導(dǎo)航墻，主要用于提供船舶導(dǎo)航和保持引航道內(nèi)水面平穩(wěn)，也兼做船舶?？恐?。

2.2 向家壩升船機候選方案分析

根據(jù)向家壩通航建筑物布置的特點對升船機候選兩個方案進行對比，方案一為全平衡齒輪爬升式螺母柱保安式一級垂直升船機，方案二為全平衡卷揚式一級垂直升船機。

2.2.1 全平衡齒輪爬升式一級垂直升船機

齒輪爬升式升船機，是在承船廂四角分別裝置4個齒輪，與安裝在承船廂室兩側(cè)塔柱壁上的齒條相互嚙合。電動機經(jīng)減速箱帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪齒條的嚙合作用帶動承船廂升降。安全裝置采用螺旋鎖定裝置。承船廂升降時，裝在船廂托架上的旋轉(zhuǎn)螺母與齒輪同步運行。正常情況下，螺母沿螺桿空轉(zhuǎn)，相互間保持一合理的空隙。如承船廂產(chǎn)生較大的不平衡力，驅(qū)動齒輪的四周力便超過容許值，驅(qū)動裝置即停止運轉(zhuǎn)，螺母座落在螺桿上。由于螺旋的自鎖作用，承船廂可被固定在保安螺桿上。同時，為了減小提升升船機時的電機功率，升船機采用懸掛式平衡重系統(tǒng)，將承船廂結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及承船廂內(nèi)正常水體的重量由平衡重完全平衡，是為“全平衡”式的升船機。見圖3。

2.2.2 全平衡卷揚式一級垂直升船機

圖3 齒輪齒條爬升式垂直升船機船廂驅(qū)動裝置

卷揚式升船機采用對稱安裝在塔樓頂部的卷揚機，通過卷筒上的鋼絲繩使承船廂上升或者下降。作為提升設(shè)備的卷揚機由電機、大扭矩減速箱及卷筒等組成。鋼絲繩纏繞在卷筒上，防止鋼絲繩與卷筒之間產(chǎn)生蠕動位移。鋼絲一端連接承船廂，另一端則與平衡重相連，則電機帶動轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時只需克服較小的摩阻力即可。卷揚式垂直升船機也配備安全裝置。卷揚式垂直升船機的安全裝置由3個部分組成，分別是安全制動器、工作制動器和承船廂沿程夾緊裝置。當(dāng)事故發(fā)生時，電機按指令減速，之后工作制動器投入工作。安全制動器經(jīng)延時后再投入，最后使提升裝置迅速停止運轉(zhuǎn)。若發(fā)生漏水事故，漏水量可能超過平衡重，則還需要沿程夾緊裝置來抵抗不平衡力[4]。見圖4。

圖4 卷揚提升機構(gòu)簡圖

2.3 向家壩水電站升船機型式比選原則

根據(jù)向家壩水電站升船機運行特點，結(jié)合國內(nèi)外升船機建設(shè)經(jīng)驗，升船機型式比選原則如下：

（1）升船機采用經(jīng)過工程實踐檢驗，成熟可靠的提升設(shè)備，保證在最大提升高度下的正常運行。

（2）升船機設(shè)置可靠的安全保障機構(gòu)，當(dāng)升船機發(fā)生各種事故而導(dǎo)致平衡系統(tǒng)被破壞時，安全保障機構(gòu)都能及時投入，將承船廂安全鎖定。

（3）對于高達(dá)150m的塔樓由于溫差、風(fēng)力、地震等各種因素產(chǎn)生的變形和變位，升船機應(yīng)具有良好的適應(yīng)性。

（4）升船機能適應(yīng)上、下游通航水位的變幅。

（5）升船機運行至下游時對可能遇到的較大水位變率具有較好的適應(yīng)性。

（6）運行操作、監(jiān)測及控制環(huán)節(jié)少，簡單可靠。（7）設(shè)計經(jīng)濟合理，運行和管理費用低。

2.4 向家壩水電站升船機候選方案比較

兩個方案的水工建筑物布置、上下閘首設(shè)備基本相同，因此對兩個方案間的比選主要從升船機主體部分、塔樓結(jié)構(gòu)、技術(shù)經(jīng)濟方面分析。

2.4.1 主體部分比較

方案1主要優(yōu)點是該型式升船機較卷揚式升船機安全。主體結(jié)構(gòu)使用螺母柱保安，當(dāng)承船廂發(fā)生漏水時承船廂可以自行鎖定，無需任何外部控制信號。而承船廂通過開式齒輪剛性支承在齒條上，穩(wěn)定性高；布置了剛性的同步系統(tǒng)，承船廂升降過程中的水平度易于保證。此外，方案1驅(qū)動設(shè)備規(guī)模小，布置緊湊，安裝方便。平衡重系統(tǒng)也較為簡單，鋼絲繩精度要求較低。承船廂檢修時可以利用安全鎖定機構(gòu)對承船廂和平衡重進行固定，方便檢修。

方案1主體部分中，齒條和螺母柱的制造和安裝要求較高，國內(nèi)缺乏相關(guān)經(jīng)驗，需要專門研究施工工藝。驅(qū)動機構(gòu)的電動機、行星齒輪減速器等等一部分關(guān)鍵設(shè)備需要進口，以確保可靠性。另外，若采用方案1，影響驅(qū)動機構(gòu)和安全鎖定機構(gòu)運行的因素較多，塔樓變形變位、承船廂結(jié)構(gòu)變形、設(shè)備制造安裝誤差等，都能影響升船機運行。最后，方案1金屬結(jié)構(gòu)及機械設(shè)備安裝工程量較大。

方案2其主體部分中，主提升機構(gòu)為常規(guī)的設(shè)備型式，國內(nèi)有成熟的設(shè)計、制造、安裝經(jīng)驗，因而制造安裝的難度較小。影響主提升機構(gòu)正常運行的因素也較少，且主提升機構(gòu)設(shè)備的振動對承船廂不會產(chǎn)生明顯影響。此外，該形式升船機金屬結(jié)構(gòu)及機械設(shè)備工程量較小。但主提升機構(gòu)設(shè)備規(guī)模較大，如8套提升卷筒裝置和4臺低速減速器均為大尺寸大重量設(shè)備，因此塔樓頂部主機房設(shè)備布置擁擠。承船廂與主提升機構(gòu)之間采用鋼絲繩柔性懸掛系統(tǒng)，則承船廂水平度難以保證，穩(wěn)定性較低[5]。保持水平狀態(tài)和鋼絲繩張力均衡依靠液壓調(diào)平和均衡裝置，因此對承船廂液壓調(diào)平和均衡裝置可靠性要求較高。承船廂發(fā)生事故時不能自動鎖定，若承船廂升降過程中發(fā)生漏水，需要監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)水深變化發(fā)出指令，安全制動系統(tǒng)方投入工作。此外，方案2還存在檢修困難、關(guān)鍵設(shè)備需進口等不足。

2.4.2 塔樓結(jié)構(gòu)比較

兩種方案的升船機，其主要荷載均作用在塔樓頂部，但全平衡給齒輪爬升式螺母柱保安式一級垂直升船機會由螺母柱將鎖定力傳給塔樓，則采用該型式升船機時局部荷載對塔樓結(jié)構(gòu)影響較大。

在塔樓的工程量方面，經(jīng)估算，兩種方案塔樓工程量相差不大。兩種方案工程量如表1[6]。

表1 兩種方案塔樓工程量比較

2.4.3 經(jīng)濟比較

兩種方案除塔樓外其余部分工程量相同，因此，在進行兩種方案投資額比較時，只對塔樓部分進行比較。經(jīng)估算，方案1塔樓段總投資為44727萬元，方案2塔樓段總投資為37618萬元[6]。兩種方案投資額比較見表2。

表2 兩種方案塔樓投資額比較 萬元

2.5 向家壩升船機方案比選結(jié)論

向家壩升船機提升重量大、提升高度大，下游水位變率大，其安全可靠性至關(guān)重要。由以上分析可知：方案1水平度和穩(wěn)定性上優(yōu)于方案2，且在承船廂漏水、對接滿水、對接沉船等事故發(fā)生時，前者可以自行鎖定船廂而后者不能?？紤]安全方面，方案1安全可靠性較方案2高。

雖然方案1的投資額比方案2大，但方案1采用齒輪齒條爬升，其維護和管理較為簡單。方案2采用卷揚式升降，鋼絲更換頻率高，調(diào)平、均衡裝置維護復(fù)雜。所以，考慮運行成本而言，方案2運行成本高于方案1。

對于設(shè)備安裝及檢修方面。方案1的設(shè)備安裝難度較方案2大。但方案1形式的升船機在任何高度均可進行檢修，方案2形式的升船機檢修時需要另加鎖定設(shè)備，操作程序復(fù)雜。

向家壩升船機在金沙江下游航運中起著非常重要的作用，其安全可靠性作為首要考慮的因素。結(jié)合方案1、方案2的安全可靠性及其他方面，選定向家壩升船機最終采用方案1全平衡齒輪爬升式螺母柱保安式一級垂直升船機。

3 結(jié) 論

根據(jù)向家壩水電站工程的特點，選定工程量較小、運輸能力強的升船機作為過壩通航建筑物。結(jié)合工程條件，提出全平衡齒輪爬升式螺母柱保安式一級垂直升船機和全平衡卷揚式一級垂直升船機兩種升船機方案進行比選。以安全可靠為主要考慮因素，綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)、施工等因素決定采用全平衡齒輪爬升式螺母柱保安式一級垂直升船機。

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