國內(nèi)外升船機(jī)施工技術(shù)發(fā)展概況

【摘要】隨著我國西部水電開發(fā)的大力實施，將有一批升船機(jī)工程需要開發(fā)建設(shè)，另一方面由于工程建設(shè)環(huán)境日益復(fù)雜、工程建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，對升船機(jī)工程的施工技術(shù)也提出了更為嚴(yán)格的要求。本文首先回顧了國內(nèi)外升船機(jī)的建設(shè)情況，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)總結(jié)了針對船廂結(jié)構(gòu)動力特性及船廂水力學(xué)、塔柱結(jié)構(gòu)、提升設(shè)備和安全制動技術(shù)、升船機(jī)運行控制系統(tǒng)等方面的研究成果與研究現(xiàn)狀。同時，結(jié)合我國升船機(jī)建設(shè)規(guī)模與建設(shè)難度越來越大的實際情況，提出了升船機(jī)局部受力安全、復(fù)雜埋件設(shè)計與施工工藝等幾個值得繼續(xù)深入研究的問題，以期為我國升船機(jī)的建設(shè)發(fā)展提供參考。

【關(guān)鍵詞】水利樞紐；通航措施；升船機(jī)；施工技術(shù)

1、前言

升船機(jī)在過壩時具有不耗水、過閘時間短等優(yōu)點。與其它通航措施相比，在高水頭水利樞紐中采用升船機(jī)解決高壩通航問題具有極大的優(yōu)勢。在20世紀(jì)的前40年，世界上主要以垂直升船機(jī)為主，斜面升船機(jī)較少。民主德國在1936年和1938年分別建成了尼德芬諾平衡重式升船機(jī)和羅特塞浮筒式升船機(jī)。這兩個升船機(jī)的建成，標(biāo)志著升船機(jī)的建設(shè)和發(fā)展達(dá)到了一個新的階段和水平。從20世紀(jì)50年代開始，各國相繼對升船機(jī)進(jìn)行了深人廣泛的研究，取得了許多重要成果，并先后建成了西德的新亨利興堡雙浮筒垂直升船機(jī)、比利時的隆庫爾縱向斜面升船機(jī)、法國的阿爾茲維爾橫向斜面升船機(jī)以及蘇聯(lián)的克拉斯諾雅爾斯克縱向斜面升船機(jī)。這些升船機(jī)的建成極大的促進(jìn)了升船機(jī)技術(shù)的發(fā)展，代表了當(dāng)前世界升船機(jī)的發(fā)展水平。

我國的升船機(jī)技術(shù)經(jīng)過50多年的發(fā)展，已取得了舉世矚目的成就。21世紀(jì)以來，一批垂直升船機(jī)的成功建設(shè)和安全運行標(biāo)志著我國升船機(jī)技術(shù)整體上達(dá)到了國際先進(jìn)水平。隨著我國對西部地區(qū)開發(fā)力度的加大和西電東輸?shù)膶嵤苜Y源開發(fā)勢在必行，解決高壩通航問題作為水資源綜合利用的重要組成部分顯得愈為迫切和重要。本文對國內(nèi)外升船機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了簡單回顧，重點對升船機(jī)的建設(shè)情況、升船機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題進(jìn)行了總結(jié)，同時也對我國升船機(jī)的發(fā)展提出建議。

2、國內(nèi)外升船機(jī)發(fā)展概況

2.1 國外升船機(jī)發(fā)展概況

德國已建成的最大的垂直升船機(jī)為呂內(nèi)堡平衡重式垂直升船機(jī)，該升船機(jī)于1975年建成，采用雙線并列布置，各自獨立運轉(zhuǎn)。升程為38m，船廂有效尺寸為100×12×3.5m（長×寬×水深），船廂加水重為5700t，由同樣重量的平衡重完成平衡，平衡重與船廂由240根直徑54mm的鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪相連。滑輪直徑3.4m，平衡重由預(yù)制混凝塊制成，總比重為3.58t/m3。船廂由4×160kw電機(jī)驅(qū)動，升降速度為0.21m/s，加速度為+0.12m/s2。該升船機(jī)可通過1350t的船舶，單線年通過能力為1010萬噸。升船機(jī)全部鋼結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)備總重約8300t。該升船機(jī)從建成至今運行情況良好。

世界上規(guī)模最大的斜面升船機(jī)是1968年蘇聯(lián)建成的克拉斯諾雅爾斯克縱向斜面升船機(jī)。它克服的水頭為101m，提升高度最大為118m，最大可通過1500t的船只，船廂尺寸為90×18×3.3m（長×寬×水深），船廂加水重為6720t。表1列出了國外大型升船機(jī)的主要參數(shù)。

2.2 我國升船機(jī)發(fā)展概況

我國升船機(jī)的建設(shè)開始于50年代后期，同時建設(shè)規(guī)模也較小，多數(shù)為50.00噸以下的小型斜面式升船機(jī)。1964年，我國第一臺小型干運斜面升船機(jī)在大通堰建設(shè)成功，它由北京起重所聯(lián)合浙江寧波堰閘運輸社共同設(shè)計研制。1965年，我國第一座濕運斜面升船機(jī)在安徽省壽縣建成，它由一臺180kN拉力的卷揚機(jī)提供動力，但是就當(dāng)時國際升船機(jī)建設(shè)水平來看，其整體技術(shù)還是比較落后。同年，湖北省烯水縣建成的烯水白蓮河升船機(jī)，真正開啟了我國在水利樞紐上建造升船機(jī)的歷史。

隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高，在一些大中型高水頭水利樞紐上相繼建設(shè)了一批技術(shù)含量高的現(xiàn)代化升船機(jī)，其工程規(guī)模越來越大，建設(shè)技術(shù)也越來越先進(jìn)，我國升船機(jī)的建設(shè)取得了舉世矚目的成就。先后在廣西紅水河上的巖灘、福建閩江上的水口、湖北清江上的隔河巖和高壩洲等水利樞紐上建設(shè)了一批大中型垂直升船機(jī)。2000年交付使用的巖灘升船機(jī)最大提升高度為68.5m，設(shè)計通航250t駁船。該升船機(jī)是鋼絲繩提升、部分平衡、濕運、船廂下水式垂直升船機(jī)，同時采用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、液壓均衡與調(diào)平系統(tǒng)，為我國垂直升船機(jī)的建設(shè)和發(fā)展提供了借鑒。2002年在福建閩清縣境內(nèi)建成了世界第一座全平衡鋼絲卷揚式垂直升船機(jī)，最大提升高度為59m，總提升重量為5500t，可通航500t的船舶。目前，正在建設(shè)的三峽和向家壩升船機(jī)，均采用齒輪齒條爬升方案和螺母螺桿安全裝置。采用齒輪齒條爬升、螺母螺桿安全保障系統(tǒng)的升船機(jī)在國內(nèi)沒有先例，雖然在德國已有應(yīng)用，但都僅運用于水位變幅小的運河上，提升高度和提升重量都與三峽升船機(jī)無法比擬，因此建設(shè)難度非常大。此外正在設(shè)計和擬建的還有構(gòu)皮灘、思林、百色、龍灘等大型升船機(jī)工程。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，交通運輸更是開發(fā)的重點，西部很多河流如瀾滄江、金沙江、嘉陵江、西江、鳥江、紅水河、南北盤江等正處于梯級開發(fā)中，一大批航電樞紐亟待興建，升船機(jī)應(yīng)用前景十分廣闊。

3、我國升船機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，近年來建設(shè)了一批現(xiàn)代化的中型垂直升船機(jī)，在此過程中對塔柱、提升設(shè)備和事故安全裝置等技術(shù)難題進(jìn)行了研究，在關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)了較大的突破。

3.1 塔柱結(jié)構(gòu)研究

塔柱形式一般有全筒式、開敞筒體式、筒體箱梁式及墻筒式。開敞筒體式塔柱溫度效應(yīng)有明顯改善，但受風(fēng)時，渦流最亂，體型系數(shù)也最大，抗扭性能較弱；筒體箱梁式塔柱橫河向迎風(fēng)面較小，可改善風(fēng)對塔柱的不利影響，自重也較輕，可節(jié)約工程量，有利于抗震，承船廂采光和通視效果也較佳，但大跨度必須施加預(yù)應(yīng)力，施工工藝較復(fù)雜，同時在總體上，結(jié)構(gòu)體型比較單薄，地震時結(jié)構(gòu)模態(tài)十分復(fù)雜，對上部機(jī)房抗震不利；墻筒式塔柱受風(fēng)面積和墻體的風(fēng)振脈動效應(yīng)最大；全筒式塔柱橫河向迎風(fēng)面較大，但剛度也較大，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，抗震性能也較好，在龍灘和三峽均采用全筒式塔柱。

升船機(jī)塔柱作為承船廂、平衡重、提升設(shè)備及機(jī)房的主要支撐結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，目前國內(nèi)外尚無相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范可作為設(shè)計依據(jù)，計算參數(shù)也不明確。而且，塔柱為高空薄壁結(jié)構(gòu)，對抗震性能要求高，分析和設(shè)計相對困難。張艷紅等采用數(shù)值模擬的方法，研究三峽升船機(jī)結(jié)構(gòu)的動力特性、結(jié)構(gòu)的加速度與位移反應(yīng)、墻體應(yīng)力與聯(lián)系梁內(nèi)力反應(yīng)，同時還分析比較了多種因素對船廂與塔柱之間地震耦合力的影響。錢向東等采用基于塑性極限理論的彈塑性極限平衡法對三峽升船機(jī)上閘首—基巖的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，該方法以逐漸降低材料強(qiáng)度來逼近系統(tǒng)的極限平衡狀態(tài)，以塑性區(qū)的貫通表示系統(tǒng)的臨界失穩(wěn)狀態(tài)，無需事先確定滑裂面，適合于復(fù)雜基巖的穩(wěn)定性分析。

3.2 提升設(shè)備和安全制動技術(shù)的發(fā)展

我國在“七五”和“八五”期間對鋼絲繩卷揚式全平衡垂直升船機(jī)的上下閘首的閘門和啟閉機(jī)械的布置、升船機(jī)承船廂、提升機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備、專用鋼絲繩、平衡重結(jié)構(gòu)、電力拖動和自動控制系統(tǒng)等各項技術(shù)進(jìn)行了深入研究。長江水利水電科學(xué)研究院對承船廂、主提升機(jī)械、電力拖動等設(shè)備的相互耦合作用以及運載船只過壩過程的升船機(jī)整體動態(tài)特性進(jìn)行了物理模型試驗，取得了較豐富的試驗研究成果，為升船機(jī)的設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

3.3 升船機(jī)運行控制系統(tǒng)的研究

升船機(jī)的安全運行除了本身設(shè)備的安全可靠外，還需通過輔助設(shè)備來監(jiān)控。一般的升船機(jī)電氣控制方式以計算機(jī)監(jiān)控為主，現(xiàn)場手動控制為輔，主控級與現(xiàn)地控制級的通信采用雙綱冗余結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作站發(fā)生故障時，操作員可無擾動地代替其工作，直到故障排除，回復(fù)到熱備狀態(tài)。為此西安交大等多所高校和科研單位對升船機(jī)的電氣系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)作了較為深入的研究。

4、升船機(jī)設(shè)計中尚待進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題

鋼絲繩卷揚式垂直升船機(jī)和齒輪齒條爬升驅(qū)動式垂直升船機(jī)在國外都有成功應(yīng)用的經(jīng)驗，但是與正在修建的三峽升船機(jī)和向家壩升船機(jī)相比，其建設(shè)規(guī)模、提升重量、提升高度、運行工況條件均不可比擬。可以說三峽和向家壩升船機(jī)的技術(shù)難度是前所未有的，設(shè)計、制造、安裝、運行等建設(shè)全過程充滿了探索性和挑戰(zhàn)性。需要進(jìn)一步研究的主要問題有：

（1）升船機(jī)局部受力安全問題。有必要對采用齒輪齒條爬升的短頭螺栓與塔柱混凝土的接觸問題以及升船機(jī)地震鞭梢效應(yīng)等作全面分析。

（2）機(jī)械設(shè)備的設(shè)計、制造與安裝。升船機(jī)的機(jī)械部分包括主提升系統(tǒng)、承船廂及其設(shè)備、平衡重系統(tǒng)及其輔助設(shè)備和金屬埋件等。目前國內(nèi)升船機(jī)的主機(jī)驅(qū)動電機(jī)、鋼絲繩和齒輪爬升系統(tǒng)等均是國外進(jìn)口，因此在自主創(chuàng)新方面還有很多工作要做。

（3）優(yōu)化塔柱大體積混凝土薄壁結(jié)構(gòu)形式。塔柱一般分為全筒式、開敞筒體式、筒體箱梁式和筒墻式，它們的受力特性各有特點。為了節(jié)省材料并利于抗震，可采用變截面塔柱，但變截面增加了施工的難度，因此結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尤為重要。

（4）復(fù)雜埋件設(shè)計與施工工藝。對于正在建設(shè)的三峽升船機(jī)，二期混凝土施工完成的預(yù)埋件鋼結(jié)構(gòu)起到把事故狀態(tài)時短螺桿所施加的荷載傳遞到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的作用，是整個安全機(jī)構(gòu)傳力過程的核心部分，因此要求預(yù)埋構(gòu)件連接強(qiáng)度要滿足設(shè)計要求。

（5）土建結(jié)構(gòu)與機(jī)械運動協(xié)調(diào)性研究。齒輪爬升對土建結(jié)構(gòu)與機(jī)械的協(xié)同性要求很高，當(dāng)風(fēng)荷載及溫度變化導(dǎo)致承船廂兩側(cè)塔柱之間的間距發(fā)生變化，從而會導(dǎo)致爬升齒輪不能正常齒合，因此如何解決上述問題值得進(jìn)一步研究。

（6）升船機(jī)安全運行可靠性研究。升船機(jī)的安全不僅關(guān)系到國家的財產(chǎn)更關(guān)系到人民群眾的生命安全問題，是設(shè)計首先要考慮的問題。目前我國較成熟的方案是盤形安全制動裝置，在巖灘、水口、隔河巖和高壩洲等工程中積累了經(jīng)驗。但該安全制動裝置形式在國內(nèi)的應(yīng)用經(jīng)驗還不夠成熟。

5、結(jié)語

隨著西部大開發(fā)的進(jìn)行以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國升船機(jī)建設(shè)數(shù)量也將會越來越多，升船機(jī)設(shè)計、制造、安裝技術(shù)將得到進(jìn)一步提高，升船機(jī)在西部水資源開發(fā)中將發(fā)揮越來越大的作用。三峽升船機(jī)的建設(shè)及一大批大中型升船機(jī)的運行，標(biāo)志著我國升船機(jī)施工技術(shù)整體上達(dá)到了國際先進(jìn)水平，同時也對相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)管理措施提出了更高的要求。但目前我國在升船機(jī)設(shè)計規(guī)范及維護(hù)管理方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立還有所滯后，急需制定相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程以指導(dǎo)設(shè)計、施工和管理，提高升船機(jī)的設(shè)計、管理及維護(hù)水平，保證升船機(jī)的順利建設(shè)和安全運行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳茗.國外已建升船機(jī)的一些情況[J].水力發(fā)電，1988，1：62-64.

[2] 王永新.國內(nèi)外升船機(jī)的建設(shè)和發(fā)展[J].水運工程，1991，11：36-39.

[3] 鄭守仁.我國水能資源開發(fā)利用的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].水利學(xué)報，2007，s1：1-6.