三峽升船機(jī)發(fā)展探討

金卓

摘 要：三峽升船機(jī)是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜的升船機(jī)，計劃2015年底試運(yùn)行。通過解析升船機(jī)主體部分的方案比選、主要技術(shù)參數(shù)及主體部分組成等內(nèi)容，初步探討升船機(jī)發(fā)展趨勢，三峽升船機(jī)為大型升船機(jī)建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：升船機(jī) 方案比選 技術(shù)參數(shù) 主體組成 有關(guān)建議

前言

三峽升船機(jī)布置在三峽河床左岸，距其左側(cè)的三峽船閘約1km。三峽升船機(jī)和三峽船閘同為三峽工程的通航建筑物，是三峽工程的重要組成部分。三峽船閘已按計劃建成并投入正常運(yùn)行，船舶通過三峽船閘約3.5—4.0小時，船舶通過升船機(jī)僅為40分鐘左右，正在建設(shè)中的三峽升船機(jī)是船舶過壩的快速通道。

升船機(jī)由上、下閘首和船廂室，上、下游引航道等建筑物組成，升船機(jī)的上、下游引航道大部分與三峽船閘共用，線路總長約6000m。承船廂由齒輪——齒條爬升系統(tǒng)驅(qū)動、安全裝置采用長螺母柱——短螺桿方案，最大提升高度113m，上游通航水位變幅30m，下游通航水位變幅11.8m，承船廂與廂內(nèi)水體總重約16000t。三峽升船機(jī)主要特點(diǎn)是升程高、提升重量大，上游水位變幅大、下游水位變率大，三峽升船機(jī)是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜的升船機(jī)。

三峽升船機(jī)由長江設(shè)計院與德國“Li——K&K”聯(lián)營體聯(lián)合設(shè)計。其中，總體設(shè)計和船廂室土建工程設(shè)計由長江委設(shè)計院負(fù)責(zé)；船廂室的金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備由德國“Li——K&K”聯(lián)營體負(fù)責(zé)設(shè)計，長江委設(shè)計院進(jìn)行復(fù)核和安全審查。至2015年2月，土建施工工程已完成，船廂結(jié)構(gòu)、平衡重及齒條、螺母柱已完成安裝，升船機(jī)下游圍堰破堰，升船機(jī)船廂完成首次低速小行程運(yùn)行試驗(yàn)，三峽升船機(jī)計劃在2015年底試運(yùn)行。

國內(nèi)外升船機(jī)

升船機(jī)的發(fā)展已有近200年的歷史，在比利時、德國等國家應(yīng)用比較廣泛，第一座升船機(jī)是德國在1789年建設(shè)的。垂直升船機(jī)的設(shè)計思想產(chǎn)生于19世紀(jì)末，德國于1894—1899年先后建成了兩座提升高度14m的垂直升船機(jī)。上世紀(jì)30年代建成的德國尼德芬諾平衡重垂直升船機(jī)為第一座現(xiàn)代化大型升船機(jī)，安全運(yùn)行至今。此后幾十年來，升船機(jī)的發(fā)展又進(jìn)入了一個新的階段，工程規(guī)模越來越大，技術(shù)更為先進(jìn)，形式更為新穎。目前國外已建成的升船機(jī)型式有垂直升船機(jī)及斜面升船機(jī)兩大類，共60余座。國外提升高度及提升重量最大的垂直升船機(jī)為2001年投入運(yùn)行的比利時斯特勒比升船機(jī)，提升高度達(dá)73m，提升重量8800t，為雙線鋼絲繩卷揚(yáng)提升式。斜面升船機(jī)為1976年投入運(yùn)行的前蘇聯(lián)克拉斯雅爾斯克帶轉(zhuǎn)盤雙向斜面升船機(jī)，提升高度達(dá)101m，提升重量6700t。

我國近代大型升船機(jī)的建設(shè)起步較晚，但發(fā)展十分迅速。20世紀(jì)50年代末，我國著手研究在三峽建設(shè)大型升船機(jī)的可行性，并在安徽壽縣建成了第一座20t級小型斜面升船機(jī)。1965年，湖北省浠水縣浠水白蓮河升船機(jī)的建成，開始了我國在水利樞紐上建造升船機(jī)的歷史。至今已建紅水河巖灘升船機(jī)（提升高度68.5m，提升重量1430t）、清江隔河巖升船機(jī)（兩級提升高度分別為42m及82m，提升重量1500t）、閩江水口升船機(jī)（提升高度59m，提升重量5560t）、三峽升船機(jī)、向家壩升船機(jī)等，此外還有多座垂直升船機(jī)正在設(shè)計研究中。先期建設(shè)的清江隔河巖升船機(jī)作為三峽升船機(jī)比例為1/10的試驗(yàn)機(jī)，為三峽升船機(jī)的建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)。三峽升船機(jī)提升高度將達(dá)113m，提升重量達(dá)16000t，它的建成將為世界升船機(jī)建設(shè)樹立新的里程碑。

三峽升船機(jī)主體部分的方案比選

三峽升船機(jī)自20世紀(jì)50年代開始研究，先后比較研究了多種方案。三峽樞紐初步設(shè)計于1993年通過審查，推薦采用鋼絲繩卷揚(yáng)式全平衡垂直提升式作為三峽升船機(jī)型式。原設(shè)計是三峽升船機(jī)參加三峽工程施工期通航，在臨時船閘封堵期間，上游水位尚未達(dá)到135m時，升船機(jī)提前使用，以解決長江不斷航問題，后因升船機(jī)技術(shù)復(fù)雜，1995年國務(wù)院三峽建設(shè)委員會（簡稱三建委）決定升船機(jī)緩建。

從世界垂直升船機(jī)發(fā)展的趨勢看，齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)和鋼絲繩卷揚(yáng)提升式垂直升船機(jī)，將是今后垂直升船機(jī)的兩種基本型式。兩種方案都屬于全平衡垂直提升型式，升船機(jī)規(guī)模、功能、總體布置基本相同，主要不同之處在于升船機(jī)主體部分，船廂的驅(qū)動方式、安全保障結(jié)構(gòu)型式及工作機(jī)理。鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案和齒輪齒條爬升方案介紹如下：

1、鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案

船廂完全由鋼絲繩懸吊，通過卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動升降運(yùn)行，主提升機(jī)、電力拖動及控制設(shè)備布置在主機(jī)房內(nèi)。主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)較大提升高度；主提升設(shè)備制造、安裝難度較?。凰氖┕ぞ热菀妆ＷC；塔柱結(jié)構(gòu)的變形對設(shè)備運(yùn)行影響??；對船廂誤載水深的適應(yīng)能力較大；船廂與主機(jī)之間的相互影響??；關(guān)鍵技術(shù)問題通過科研攻關(guān)已經(jīng)得到初步解決；國內(nèi)有同類升船機(jī)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。主要困難是遇船廂漏水事故不能自行制動；對船廂液壓均衡系統(tǒng)的工作可靠性要求高；停航期間船廂對接鎖定裝置需處于工作狀態(tài)；對安全制動器的可靠性要求高。

2、齒輪齒條爬升方案

船廂驅(qū)動系統(tǒng)采用齒輪齒條爬升式，4套驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間通過機(jī)械同步軸連接，開式齒輪由雙電機(jī)和雙減速器驅(qū)動，齒輪與塔柱上的齒條相嚙合，驅(qū)動船廂升降運(yùn)行。主要優(yōu)點(diǎn)是遇船廂漏水事故可按限定荷載自行鎖定；主提升設(shè)備規(guī)模小、布置緊湊；船廂運(yùn)行水平度較高；升船機(jī)停航期間設(shè)備處于非工作狀態(tài)；可利用安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行船廂檢修；塔柱頂部機(jī)房設(shè)備布置簡單。主要困難是主要設(shè)備的制造、安裝難度較大；塔柱施工精度要求相對較高；影響驅(qū)動機(jī)構(gòu)和安全機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的因素復(fù)雜；驅(qū)動機(jī)構(gòu)適應(yīng)船廂水深誤差的能力相對較?。淮瑤╇娂夹g(shù)比較復(fù)雜。

三峽工程1986年開始的重新論證中，對以上兩種型式升船機(jī)主體部分的方案進(jìn)行比選，齒輪齒條爬升方案采用德國呂內(nèi)堡升船機(jī)相同的方案，采用長螺桿短螺母安全裝置；鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案采用與比利時斯特勒比升船機(jī)相類似的方案。在論證中，多數(shù)專家認(rèn)為齒輪齒條爬升方案，由于螺桿長超過100 m，直徑超過1m，在國內(nèi)制造安裝都相當(dāng)困難；鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案，卷揚(yáng)機(jī)國內(nèi)制造比較多，技術(shù)問題相對容易解決，因此，升船機(jī)的主體部分，大多數(shù)專家同意采用鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案。少數(shù)專家認(rèn)為鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案，安全制動系統(tǒng)環(huán)節(jié)太多，運(yùn)行安全保障性能較差，不贊成采用這個方案。

三峽集團(tuán)公司對此十分重視，組織開展國外專題調(diào)研。了解到德國正在進(jìn)行新尼得芬諾升船機(jī)的設(shè)計和研究，該升船機(jī)提升總重量9000t，與初步設(shè)計的三峽升船機(jī)提升重量接近，安全裝置采用長螺母短螺桿，而長螺母短螺桿的安全裝置在國內(nèi)制造和安裝相對容易解決。為此，三峽集團(tuán)公司曾邀請德國專家來中國進(jìn)行技術(shù)交流，并委托德國聯(lián)邦航道工程研究院對三峽升船機(jī)主體部分進(jìn)行可行性研究，可行性研究報告由三峽集團(tuán)公司組織評審，評審會議認(rèn)為德國方面提出的方案在結(jié)合三峽升船機(jī)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充完善和深化研究后，可作為三峽升船機(jī)的比選方案。受三峽集團(tuán)公司的委托，長江設(shè)計院于2002年11月提出了三峽升船機(jī)主體部分的比選報告，專家組推薦采用齒輪齒條爬升、長螺母短螺桿安全保障的全平衡垂直升船機(jī)方案。這樣三峽升船機(jī)主體部分長時間的方案比選終于畫上了圓滿的句號。2003年3月，經(jīng)三峽集團(tuán)公司審查通過，三峽升船機(jī)型式由鋼絲繩卷揚(yáng)提升式改為齒輪齒條爬升式，并上報三建委，2003年9月三建委第十三次全體會議批準(zhǔn)了對三峽升船機(jī)型式的修改，結(jié)束了三峽升船機(jī)型式比選的漫長經(jīng)歷。優(yōu)化方案并未改變升船機(jī)的總體布置和基本技術(shù)條件，對升船機(jī)提升方式和安全保障系統(tǒng)及相應(yīng)部分的船廂結(jié)構(gòu)和土建機(jī)構(gòu)等做了修改，升船機(jī)仍屬于全平衡垂直升船機(jī)。

自2004年起，三峽集團(tuán)公司組織長江委設(shè)計院和德國“Li——K&K”聯(lián)營體設(shè)計齒輪齒條爬升式升船機(jī)主體部分的總體布置、機(jī)械與電氣設(shè)備以及土建結(jié)構(gòu)。2007年6月，編制完成長江三峽水利樞紐升船機(jī)總體設(shè)計報告，2007年7月，三建委質(zhì)量專家組通過對報告的審查。

三峽升船機(jī)主體部分簡介

通過三峽升船機(jī)過船與通過三峽船閘過船的主要不同點(diǎn)，是船舶在承船廂里，像坐電梯一樣，被懸在空中，由機(jī)械驅(qū)動承船廂升降，以克服大壩上、下游的落差。三峽升船機(jī)備有先進(jìn)的安全裝置，保障船舶在空中升降的安全。三峽升船機(jī)齒輪齒條爬升方案主體部分由承重塔柱、船廂設(shè)備、平衡重系統(tǒng)、齒輪齒條爬升設(shè)備、長螺母柱——短螺桿事故安全裝置、電力拖動以及頂部機(jī)房等組成。

承船廂為在兩端設(shè)有閘門的槽形鋼結(jié)構(gòu)，與平衡重之間用鋼絲繩連接，分別懸掛在承重結(jié)構(gòu)頂部滑輪的兩側(cè)。驅(qū)動系統(tǒng)由4個設(shè)置在承船廂上的齒輪和設(shè)置在承重結(jié)構(gòu)上的齒條組成。事故安全系統(tǒng)由4個設(shè)置在承重結(jié)構(gòu)上、長度可滿足承船廂升降高度要求的螺母柱與4個設(shè)在承船廂上可隨承船廂的升降、在螺母柱內(nèi)空轉(zhuǎn)的短螺桿組成。同步系統(tǒng)采用驅(qū)動機(jī)構(gòu)，4套驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間由布置在船廂底部的機(jī)械同步軸相連接，構(gòu)成剛性同步系統(tǒng)。每套驅(qū)動機(jī)構(gòu)的小齒輪軸經(jīng)機(jī)械軸、錐齒輪箱與相應(yīng)的事故安全裝置相連，使驅(qū)動機(jī)構(gòu)與事故安全裝置同步運(yùn)行。平衡重系統(tǒng)包括平衡重組、滑輪組、鋼絲繩和平衡鏈等設(shè)備。平衡重總重量與船廂總重量相等，約為16000t。船廂兩端布置可逆泵充泄水系統(tǒng)來調(diào)節(jié)承船廂內(nèi)水深，最大調(diào)節(jié)水深為0.6m，由可逆泵在5min內(nèi)完成充泄水過程。

有關(guān)工作建議

1、加快研究三峽升船機(jī)適應(yīng)船型

三峽升船機(jī)設(shè)計船型為3000t客貨船和1500t貨駁船隊(duì)，然而升船機(jī)從1993年通過初步設(shè)計審查到建設(shè)完工歷時20多年，長江運(yùn)輸船舶船型發(fā)生了很大變化。根據(jù)長江三峽通航管理局統(tǒng)計分析2009年5月1日到2010年4月30日通過三峽船閘的船舶資料，目前船舶船型基本以單船為主，幾乎已無升船機(jī)設(shè)計船隊(duì)過壩。過壩單船平均船長72.6m，平均船寬12.5 m，其中超過60%的單船船長60 m—90 m，船寬10 m—14 m，三峽升船機(jī)每次僅能通過一艘船，升船機(jī)船廂面積利用率僅為40%左右。關(guān)于三峽升船機(jī)適應(yīng)船舶類型，可以考慮優(yōu)先安排執(zhí)行特殊任務(wù)船舶，如軍警船、載運(yùn)救災(zāi)物資船舶等；其次安排運(yùn)行時間要求高的船舶，如載運(yùn)鮮活貨物的船舶、集裝箱快班輪、商品車滾裝船等。長江上航行的船舶船型復(fù)雜多樣，給船舶過壩調(diào)度帶來了不便，建議加快研究升船機(jī)適應(yīng)船型，提高升船機(jī)利用率，充分發(fā)揮好升船機(jī)快速通道的重要作用。

2、保障船舶安全通過三峽升船機(jī)

三峽升船機(jī)是長江船舶過壩新通道，升船機(jī)投入運(yùn)行后，升船機(jī)和三峽船閘同時運(yùn)行，在上下引航道內(nèi)通航條件復(fù)雜，船舶進(jìn)出頻率高，船舶流密集，存在通航安全風(fēng)險。升船機(jī)通航安全需要研究多項(xiàng)保障措施，建議制定通過升船機(jī)船舶的駕引操作指南，說明操作要領(lǐng)及注意事項(xiàng)，并適時組織開展培訓(xùn)，以保障船舶安全通過升船機(jī)。

（作者單位：長江航務(wù)管理局）