向家壩升船機輔助閘室設計介紹

郝寅生 黃仁輝 陸海洋

摘 要：本文從向家壩升船機布置位置及周邊環(huán)境和向家壩水電站下游近壩河段非恒定流水力學模型試驗分析結(jié)果得出輔助閘室設計的必要性。介紹輔助閘室相關技術(shù)參數(shù)，輔助閘首設備設施的組成，輔助閘室投運時船舶過機流程等內(nèi)容。

關鍵詞：輔助閘室;輔助閘首設備;升船機;向家壩

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0073-03

通航建筑物有船閘和升船機兩種基本型式，中國現(xiàn)有升船機60多座，主要分布于浙江、湖南、湖北等12個省，升船機相比船閘擁有快速通過的特點，在國內(nèi)應用較為廣泛，尤其是內(nèi)河發(fā)達的歐洲。最早的機械化升船機是1788年在英國開特里建造的斜面干運升船機，現(xiàn)代化大型升船機出現(xiàn)在20世紀。自1934年在德國建造了尼德芬諾垂直升船機以來，升船機發(fā)展到一個新階段，提升的船舶噸位顯著增大，提升高度增加，類型不斷增多，目前全球最大的升船機是三峽升船機，全球單級提升高度最大的升船機是向家壩升船機，全球多級提升高度最大的升船機是構(gòu)皮灘三級升船機。升船機的建筑物布置通常由上游引航道，上閘首，船廂室段，下閘首和下游引航道五部分組成，向家壩升船機作為金沙江下游唯一的通航建筑物，因其環(huán)境和位置的特殊性，為保證船舶通航安全，設置輔助閘室，這是區(qū)別與大多數(shù)升船機的特殊建筑物。

1 向家壩升船機

向家壩水電站位于云南省與四川省的金沙江下游河段，上距溪洛渡157公里，下距水富城區(qū)1.5公里，距宜賓市區(qū)33公里，是金沙江水電基地最后一級水電站。向家壩所處金沙江河段為通航河段，通航里程上至新市鎮(zhèn)，下至宜賓市，全長105公里，航道等級為V級，升船機按Ⅳ級設計，同時兼顧1000t級單船過壩，采用一級全平衡齒輪齒條爬升式垂直升船機，最大提升高度114.2米，最大過壩船隊為2*500t級一頂二駁船隊，運行風級≤6級，能見度：上行≥500m，下行≥1000m。上游最高通航水位為380m，即水庫正常蓄水位，最低通航水位370m，上游通航水位變幅10m。下游最高和最低通航水位分別為277.25m和265.8m，下游通航水位變幅11.45m，向家壩升船機的船廂升降速度為12m/min，船廂有效水域尺寸116*12*3，通航凈空10m。

向家壩升船機布置于河道左側(cè)，其中心線與壩軸線交角 90°，左、右分別與沖沙孔壩段和廠房壩段相鄰，主要由上游引航道（包括鋼質(zhì)躉船、連系墩及鋼質(zhì)浮堤）、上閘首（包括擋水壩段和渡槽段）、船廂室段、下閘首和下游引航道（含輔助閘室與輔助閘首）等五部分組成，全長約 1530m。其中，為滿足升船機在下游水位變率較大工況下安全、連續(xù)運行的需要，在下閘首下游側(cè)布置輔助閘室和輔助閘首。設計要求當下游水位變率在 20min 內(nèi)達到或超過 0.5m 時，要使用輔助船閘，以保證升船機對接安全。

2 輔助閘室

2.1 輔助閘室結(jié)構(gòu)參數(shù)

輔助閘室總長118.00m，沿縱向分為6個結(jié)構(gòu)段，閘室有效尺度為120.0m×24.0m（長×寬）。輔助閘室為分離式結(jié)構(gòu)，左、右邊墻頂高程分別為 281.500m和 286.400m，底高程均為 258.000m，結(jié)構(gòu)高度分別為 23.500m 和 28.400m。輔助閘室底板頂高程為 260.500m，厚 2.50m。輔助閘首設在輔助閘室下游側(cè)，長 20.00m，航槽寬 24.00m，底板頂高程 260.500m，采用分離式結(jié)構(gòu)。邊墩頂高程 296.000m，建基面高程 256.500m，結(jié)構(gòu)最大高度 39.50m。輔助閘首布置有防撞裝置和工作閘門。

2.2 輔助閘室設計原因

向家壩升船機建筑物設計區(qū)別于三峽升船機為輔助閘室，三峽升船機下游引航道右側(cè)主導航墻全長約4286m，主導航墻將主河道與下游引航道隔開使得其下游引航道水位變化受主河道三峽電站出庫流量變化影響較小，左側(cè)有山體與三峽五級船閘隔開。而向家壩下游引航道主導航墻總長658m，主導航墻下游末端即為升船機口門區(qū)，屬于向家壩電站下游河段水流狀態(tài)最為復雜區(qū)域，受電站出力變化，造成下游引航道水位變化較大，嚴重影響升船機下游對接期間的安全運行，根據(jù)向家壩水電站下游近壩河段非恒定流水力學模型試驗結(jié)果表明：

（1）向家壩電站日調(diào)節(jié)過程中樞紐下游近壩河段的水流條件發(fā)生了明顯變化，與電站負荷變化相一致，水位變幅、流速、比降等每天出現(xiàn)一次峰值，沿程各斷面水位日變幅為 3.28m～6.22m（橫江口～下引航道口門區(qū)），小時最大變率為0.80m～1.18m，瞬時最大比降為 0.79‰～0.61‰，最大流速為 2.42m/s～2.28m/s，日調(diào)節(jié)過程中除下引航道口門區(qū)水流較為紊亂和引航道內(nèi)存在明顯的往復流外，其余河段無明顯的涌波涌浪及礙航流態(tài)產(chǎn)生。

（2）泄洪工況采用在穩(wěn)定基流條件下突然泄洪方式進行模擬，泄洪過程具有下泄流量較大、流量增幅較快的特點，在大壩泄洪過程中，電站下游近壩河段水位迅速上漲，隨之出現(xiàn)大流速和陡比降，流態(tài)更加紊亂，水面波動劇烈，通航條件嚴重惡化，對船舶航行的影響程度遠大于電站日調(diào)節(jié)非恒定流。屆時船舶將無法進出升船機承船廂，正常航運受到嚴重影響。

（3）向家壩電站事故工況下，升船機下閘首處水位變率較大，小時變率和 15min 變率分別達到2.43m～2.90m 和0.95m～1.89m。這時船舶已不能安全進出升船機承船廂。

故在下閘首和下游引航道之間設置輔助閘室，將船廂與下游水位對接處的水面與下游主河道水面隔開，不受下游水面波動的影響，保證升船機的對接安全。同時確定輔助閘室與輔助閘首的最大運行水頭為 3.0m。采用門下輸水方式，沒有另外設置輸水系統(tǒng)?？紤]到輔助閘室內(nèi)沒有設備需要檢修，也沒有輸水系統(tǒng)，輔助閘室與輔助閘首不設置檢修工況。輔助閘首只布置了一道工作門和一道防撞裝置。

2.3? 輔助閘首設備

輔助閘首設備由輔助閘首防撞裝置及啟閉機、輔助閘首工作閘門及啟閉機、輔助閘首控制站，水位監(jiān)測裝置組成。

2.3.1 輔助閘首工作閘門及啟閉機

輔助閘首工作閘門設于輔助閘首中部位置，用于下游非恒定流條件下升船機的安全、連續(xù)運行，閘門采用平面定輪型式，由輔助閘首頂部鋼排架上的 2×2500kN 固定卷揚式啟閉機操作。閘門由布置在閘頂鎖定裝置鎖定。閘門上設置 6 個手工操作閘閥，用于啟閉機事故情況下閘門的平壓。閘門靜水閉門，啟門小開度提門充水，平壓后靜水啟門。啟閉機和閘門裝置鎖定均能夠現(xiàn)地控制和遠方集中控制。

2×2500kN 固定卷揚式啟閉機主要由由電動機、制動器、減速器、卷筒裝置、鋼絲繩、滑輪組、機架、鋼排架、機房、檢修吊等組成。

2.3.2 輔助閘首防撞裝置及啟閉機

輔助閘首防撞裝置設在輔助閘首上游側(cè)，防撞鋼絲繩橫跨輔助閘首航槽，航槽寬度 24m，用于保護輔助閘首工作閘門免受船舶的撞擊。當船舶撞擊鋼絲繩時，鋼絲繩產(chǎn)生張力并傳遞至碟簧緩沖裝置，通過碟形彈簧的壓縮，緩沖并吸收撞擊能量。防撞裝置工作時，其中心位于通航水位以上0.50m，過船時，防撞裝置底部位于通航水位以上 10m ， 滿足通航凈空要求。防撞裝置由輔助閘首頂部鋼排架上的2×200kN/2×300kN 固定卷揚式啟閉機操作能夠現(xiàn)地控制和遠方集中控制。

2×200kN/2×300kN固定卷揚式啟閉機主要由電動機、制動器、減速器、卷筒裝置、鋼絲繩、滑輪組、機架、鋼排架、機房等組成。

2.3.3 輔助閘首控制站

輔助閘首控制站主要用于：下閘首防撞梁、輔助閘首防撞梁、輔助閘首工作門、通航信號燈等進行操控，并負責采集控制對象運行狀況，以及船舶探測、輔助閘首水深等信息。

輔助閘首控制站主要實現(xiàn)下閘首防撞梁啟閉機、輔助閘首防撞梁啟閉機、輔助閘首工作門啟閉機等機構(gòu)的操作控制，航道水位檢測控制、通航燈控制按等功能。

輔助閘首控制站采用冗余 PLC 系統(tǒng)完成現(xiàn)場設備狀態(tài)檢測、邏輯控制，同時通過雙環(huán)工業(yè)以太網(wǎng)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)操作員站、流程控制站、安全控制站等通信。輔助閘首 PLC 控制站包括 1 個冗余熱備的 CPU 主站、2 套遠程 I/O 站和 3 個操作面板。主站與每個部位 I/O 站之間采用冗余通信，每個部位內(nèi)部采用冗余電氣總線網(wǎng)通信。操作面板與 PLC 控制系統(tǒng)主站通信。

2.3.4 輔助閘室水位監(jiān)測

輔助閘首布置 2 個水位測井，每個水位測井均布置激光水位計和吹氣式水位計兩種不同工作原理的水位測量裝置，共 4 套。水位測量裝置量程范圍為15m±10mm。激光水位計均采用 DME5000 激光水位儀，吹氣式水位計采用 W2Q 吹氣式水位計。

3 輔助閘室投運過機流程

3.1 單級垂直升船機正常過機流程

升船機的過船正常運行流程分上行和下行，上行與下行過程相反。

上行時，船廂內(nèi)水面與下游輔助閘室水面齊平，船舶自下游輔助閘室上行進入船廂并系纜后，關閉下閘首通航閘門;啟動下閘首工作閘門內(nèi)可逆水泵，調(diào)節(jié)船廂水深后水泵停機;關閉下游船廂門;泄下游間隙水;泄水完畢后，退回下閘首工作閘門間隙密封框;退回船廂對接鎖定機構(gòu);啟動船廂驅(qū)動機構(gòu)的電氣傳動系統(tǒng)，使船廂上升運行;當船廂內(nèi)水面與上游航道水面齊平后，停止運行;推出船廂對接鎖定機構(gòu);推出上閘首工作閘門間隙密封框;充上游間隙水;間隙水與船廂水面齊平后，開啟上游船廂門和上閘首通航閘門;船舶解纜上行離開船廂，上行運行流程結(jié)束。

上行運行流程結(jié)束后轉(zhuǎn)入下行流程運行。

3.2 輔助閘室投運過機流程

上行時，下閘首通航閘門處于關閉到位狀態(tài)，輔助閘室水面與下游航道水面齊平，船舶自下游航道上行進入輔助閘室并系纜后，關閉輔助閘首工作門，同時，落下輔助閘首防撞裝置、開啟下閘首防撞裝置。船舶等待上行過升船機。

下行時，船舶在輔助閘室內(nèi)系纜，且下閘首通航閘門關閉到位，小開度開啟輔助閘首工作門充泄水，同時開啟輔助閘首防撞裝置;待輔助閘室水面與下游航道水面齊平后，全開啟輔助閘首工作門，船舶解纜下行離開輔助閘室。

2018年12月23日，向家壩升船機在下游對接期間，輔助閘室未投入運行，電站進行負荷調(diào)整時，造成船廂水深發(fā)生波動，進而引起安全機構(gòu)動作。經(jīng)統(tǒng)計分析，電站進行單臺機組負荷調(diào)整時（約600MW），通常負荷調(diào)整時間為30min，但因為水流傳遞效應，影響升船機下游引航道水位變化持續(xù)近90min。當時下游引航道水位5min水位變幅達0.265m，40min水位變幅達0.6m，雖未達到輔助閘室投運設計標準，但依然引起安全機構(gòu)動作。所以，根據(jù)船舶調(diào)度經(jīng)驗，當電站進行負荷調(diào)整時，提前將上行待機船舶調(diào)入輔助閘室等待過機，落輔助閘首工作門，下行船舶?？枯o助閘室與上行船舶進行錯船調(diào)度，待調(diào)峰影響期結(jié)束后，下游水位波動較小時，提輔助閘首工作門，將下行船舶調(diào)離升船機區(qū)域，有效地避免了下游引航道水位波動影響船廂水深，降低升船機下游對接風險。

通過調(diào)整輔助閘室投運規(guī)則，自2018年12月23日至今，未發(fā)生過一起因下游引航道水位波動造成船廂安全機構(gòu)動作的不安全事件。

3 結(jié)語

向家壩升船機2018年5月26日正式試通航，截止2020年4月30日已連續(xù)安全運行987天，試通航期間輔助閘室單日投運最高3次，最低1次，有效地避免了因電站調(diào)峰等因素造成下游水位變化影響船舶安全過機的情況，也發(fā)生過未及時投入輔助閘室造成船廂安全機構(gòu)動作的情況，進而再次驗證向家壩升船機設置輔助閘室的必要性。