雙軌斜面升船機(jī)初步研究

董興林，郭新蕾，喬青松

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038；2.香港科技大學(xué)，香港）

1 研究背景

從2011年起，三峽船閘的年通航量已經(jīng)超一億噸，提前19年達(dá)到設(shè)計(jì)通航能力。隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展，三峽通航能力需求持續(xù)增加，提高其通航量成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。一種方案是在大壩的上下游修建港口和陸地通道設(shè)施，翻壩轉(zhuǎn)運(yùn)貨物。此方案會(huì)顯著增加物流時(shí)間和運(yùn)輸成本，并且要翻山越嶺修建公路或鐵路，工程投資很大［1］。另一種方案是增建過(guò)壩的通航設(shè)施，比如修建新的船閘或升船機(jī)等?？紤]到目前大壩已建成的實(shí)際條件，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看，采用斜面升船機(jī)可能是較合理的選擇。

大型斜面升船機(jī)從1982年開(kāi)始已在前蘇聯(lián)的克拉斯諾雅爾斯克水電站運(yùn)行（圖1），一次可以通過(guò)3000噸的貨運(yùn)量，提升高度124 m［2-3］。簡(jiǎn)單的講，它在大壩左岸的上下游斜坡各鋪設(shè)一條1∶10坡度的軌道，安裝帶有承船廂的升船機(jī)。升船機(jī)安裝的電機(jī)-液壓泵的齒輪，咬合軌道腹壁兩側(cè)的齒條，從而驅(qū)使升船機(jī)沿軌道向上或向下運(yùn)動(dòng)（圖2）。升船機(jī)從下（上）游斜坡軌道爬升至頂端，通過(guò)一個(gè)直徑約100 m的圓形軌道轉(zhuǎn)向器，進(jìn)入上（下）游斜坡軌道，使船只順利的過(guò)壩。升船機(jī)在軌道上運(yùn)行需時(shí)45分鐘。簡(jiǎn)單的講，該升船機(jī)的特點(diǎn)是：（1）水運(yùn)船只過(guò)壩；（2）上下游共用一架升船機(jī)，并且承船廂僅設(shè)置一道閘門(mén)。如果三峽大壩采用此類(lèi)升船機(jī)，其潛在的不利方面是：（1）電動(dòng)機(jī)-液壓泵系統(tǒng)的機(jī)電和油壓泵裝置復(fù)雜，維護(hù)檢修困難；（2）在斜坡道的山頂上開(kāi)挖百米大圓盤(pán)的工程量大，對(duì)三峽大壩兩岸高山地形并不適用［4］。但總的來(lái)看，這種類(lèi)型升船機(jī)能應(yīng)用于三峽大壩，提高三峽船閘的通航能力和效率。

圖1 克拉斯諾雅爾斯克水電站斜面升船機(jī)

圖2 升船機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

參考以上升船機(jī)的特點(diǎn)，本文提出了一種適用于三峽大壩的大型雙軌斜面升船機(jī)，給出了其運(yùn)行原理及初設(shè)參數(shù)。

2 雙軌斜面升船機(jī)的工作原理

本文提出一種新型大型雙軌斜面升船機(jī)，可有效增加三峽大壩的通航能力。所謂雙軌，指的是在上、下游斜坡上鋪設(shè)軌道（軌道坡度1∶10）和在升船機(jī)頂上鋪設(shè)水平軌道（升船機(jī)不過(guò)壩）?？偟南敕ㄊ牵簩⑸瑱C(jī)修建在三峽船閘的左側(cè)，因?yàn)榇髩巫蟀妒谴蠛訛车耐拱叮F(xiàn)有的垂直升船機(jī)和五級(jí)船閘都修建在靠近左岸（見(jiàn)圖3）。為什么不再增建五級(jí)船閘，而增建斜面升船機(jī)？因?yàn)榍罢吖こ塘看螅┕r(shí)間長(zhǎng)，并且建成后過(guò)壩時(shí)間也長(zhǎng)，至少需3小時(shí)，而升船機(jī)過(guò)壩時(shí)間僅需30分鐘。

斜面升船機(jī)的基本設(shè)計(jì)和運(yùn)行原理：（1）在大壩左側(cè)的上、下游開(kāi)挖1∶10的斜坡上鋪設(shè)軌道，并各自裝置一部升船機(jī)，并在兩架升船機(jī)頂部安裝水平軌道，為承船車(chē)（共用一輛）往返過(guò)壩用，圖4是大壩下游側(cè)布置的升船機(jī)。（2）當(dāng)船只從引航道進(jìn)入承船車(chē)后，升船機(jī)開(kāi)始沿軌道爬坡，當(dāng)它靠近到壩頂時(shí)，其上部水平軌道同壩頂水平軌道對(duì)接，升船機(jī)上的承船車(chē)可進(jìn)入壩頂軌道；（3）當(dāng)承船車(chē)?yán)^續(xù)沿水平軌道進(jìn)入上游升船機(jī)后，升船機(jī)開(kāi)始下降；（4）當(dāng)承船車(chē)進(jìn)入上游水庫(kù)后，船只游出承船車(chē)進(jìn)入水庫(kù)?？梢钥吹?，通過(guò)可以沿水平軌道運(yùn)行的承船車(chē)，省卻了升船機(jī)在壩頂轉(zhuǎn)向的需求，產(chǎn)生了順利的船只過(guò)壩過(guò)程。

此外，下游前池按通航最低水位62 m設(shè)計(jì)的，最深處大約從水面下開(kāi)挖20 m，同時(shí)下游需要修建引航道。上、下游斜坡軌道長(zhǎng)度是按各最低通航水位145 m和62 m設(shè)計(jì)的，分別約為315 m和1400 m。承船車(chē)廂尺寸和載重參考三峽大壩升船機(jī)設(shè)計(jì)的，其有效尺寸∶長(zhǎng)、寬和水深為120 m、20 m和3.5 m。為了縮減升船機(jī)過(guò)壩時(shí)間，減輕升船機(jī)的載重量，過(guò)壩船只采取干運(yùn)，要求船只是平底。（考慮到干運(yùn)可能對(duì)大船不利，以后有可能裝載雙排500 t的船只，故將車(chē)廂寬度增加2 m），船只總載重量不變?nèi)詾?000 t。

圖3 斜面升船機(jī)的布置示意圖

圖4 斜面升船機(jī)和承船車(chē)運(yùn)行示意圖（單位：mm）

承船車(chē)廂兩端為開(kāi)敞無(wú)閘門(mén)，其地板留有進(jìn)、排水孔以便快速讓船只進(jìn)入和駛離車(chē)廂。在升船機(jī)爬坡過(guò)程，為了減輕船只從漂浮狀態(tài)坐落在船廂底板上的碰撞，在底板上鋪設(shè)多層舊輪胎或金屬?gòu)椈蓧|。

若采用濕運(yùn)船只，在過(guò)壩過(guò)程中雖然船只不會(huì)碰觸承船廂底板，但是廂內(nèi)的水體重量會(huì)使上下游斜面升船機(jī)的桁架結(jié)構(gòu)造價(jià)巨增，同時(shí)由于承船廂兩端的閘門(mén)頻繁啟動(dòng)，會(huì)增加閘門(mén)維修的次數(shù)，影響船只的正常運(yùn)行。

3 升船機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)

升船機(jī)是利用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，咬合軌道腹板上的齒條，驅(qū)動(dòng)升船機(jī)車(chē)輪在斜坡軌道上滾動(dòng)行走的（見(jiàn)圖5）。電動(dòng)機(jī)安裝在鋼軌腹壁的兩側(cè)，每一條鋼軌安裝22只，即兩條鋼軌一共安裝44只。升船機(jī)頂上的承船車(chē)也是利用這種電動(dòng)機(jī)齒輪咬合軌道底板上的齒條驅(qū)動(dòng)行走的，電動(dòng)機(jī)安裝在乘船車(chē)廂底板下面（見(jiàn)圖6），前后共安裝4只。關(guān)于變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)齒輪的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，以優(yōu)化升船機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行；單個(gè)電機(jī)的功率由升船機(jī)和最大船只總重量所產(chǎn)生的斜升力而定。

當(dāng)斜面升船機(jī)爬到靠近壩頂時(shí)，升船機(jī)頂上的水平軌道同壩頂上的軌道對(duì)接。由于軌道底板上都有齒條，承船車(chē)的船只可以順利的過(guò)壩，其過(guò)壩的動(dòng)力是由承船車(chē)底部的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)上齒輪咬合壩頂軌道底板上的齒條產(chǎn)生的，推動(dòng)承船車(chē)攜帶船只在壩頂上行走。通常升船機(jī)下坡時(shí)的速度應(yīng)不超過(guò)2 m/s，以便于安全運(yùn)行控制，易保證平穩(wěn)運(yùn)行；而上坡時(shí)速度可快一些。由此估計(jì)，承船車(chē)過(guò)壩時(shí)間約30～40分鐘，準(zhǔn)備、運(yùn)行和離開(kāi)時(shí)間需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度具體情況確定。

關(guān)于變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，它是架線的交流電機(jī)，其最大優(yōu)點(diǎn)是，調(diào)速性能好、啟動(dòng)平穩(wěn)、可靠性高和維護(hù)簡(jiǎn)便等。升船機(jī)需要在水下運(yùn)行，故要求變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)必須有良好的密封防水和防腐蝕性能。

圖5 升船機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

圖6 承船車(chē)驅(qū)動(dòng)齒輪

4 升船機(jī)的安全剎車(chē)裝置

在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)突然斷電時(shí)，升船機(jī)在斜坡軌道上有滑下去的危險(xiǎn)，因此必須安裝適當(dāng)?shù)膭x車(chē)裝置，從而在發(fā)生事故時(shí)讓升船機(jī)平穩(wěn)停留在軌道上。這里采取的措施是，在升船機(jī)下面每條縱梁的兩端處，各放置兩組以上的自動(dòng)止輪的三插板（見(jiàn)圖7）。即在工字鋼縱梁頂部安裝功率較大的電磁鐵，正常運(yùn)行時(shí)，電磁鐵吸住兩邊對(duì)稱(chēng)的杠桿內(nèi)端點(diǎn)，使懸釣三插板的杠桿兩端翹起，插板脫離電機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪，此時(shí)升船機(jī)可以通暢地在軌道上滾動(dòng)行走；而當(dāng)斷電時(shí)電磁鐵失去吸力，在重力作用下兩邊釣的插板降落到升船機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的齒口里，阻止齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)升船機(jī)立即停止下滑，保持平穩(wěn)安全狀態(tài)。

圖7 緊急安全剎車(chē)裝置

升船機(jī)頂部承船車(chē)的安全措施是，在兩架頂部水平軌道的末端上，各裝置一個(gè)安全坎，斷電時(shí)承船車(chē)受慣性力的影響仍然會(huì)緩慢向前移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)軌道端點(diǎn)時(shí)被安全坎攔截，車(chē)輪不會(huì)脫離軌道。

5 上下游軌道不在一條直線上的處理

可能因?yàn)樯瑱C(jī)的位置距大壩太遠(yuǎn)，上下游升船機(jī)不在一條直線上，這時(shí)壩頂上的水平軌道只能同其中一條升船機(jī)上的軌道對(duì)接，承船車(chē)就不能過(guò)壩到對(duì)面升船機(jī)的軌道上。這時(shí)在壩上水平軌道長(zhǎng)度的中心點(diǎn)安裝豎軸，讓軌道轉(zhuǎn)動(dòng)一小角度，便可做到分別同上下游兩邊軌道的對(duì)接，使承船車(chē)順利的過(guò)壩。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種過(guò)三峽大壩的雙軌大型斜面升船機(jī)系統(tǒng)，該升船機(jī)不僅適用于三峽通航問(wèn)題，更適用于高山峽谷河道的水電站通航問(wèn)題，例如在金沙江下游修建的烏東德、白鶴灘和溪洛渡等水電站，都是在峽谷河道上修建的。因河道中只能安排水電站和泄水道，無(wú)通航位置，使航運(yùn)中斷，這等于黃金水道“短路”。如果在大壩岸邊修建大型斜面升船機(jī)系統(tǒng)，便可以利用斜面升船機(jī)打通航道。