巖灘水力式升船機(jī)設(shè)計(jì)探討

陳創(chuàng)

摘要：文章介紹了水力式升船機(jī)、下水卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)、全平衡卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)三個(gè)升船機(jī)型式方案的總體布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了巖灘水力式升船機(jī)設(shè)計(jì)和改造的可行性。

關(guān)鍵詞：升船機(jī);設(shè)計(jì);總體布置

中國分類號(hào)：U653.928+1文章標(biāo)識(shí)碼：A511905

0 引言

紅水河屬于珠江水系，是西江主流，屬于國家化的“兩橫一縱、兩網(wǎng)十八線”的一條內(nèi)陸高等級航道。在內(nèi)陸水道的整體規(guī)劃中，西江航道主航道是我國三大主航道之一，北盤江-紅水河是西江水系高等級航道布局“一橫一網(wǎng)三線”中的中線過海通道;紅水河流域位于云南省、貴州省和廣西壯族自治區(qū)的邊界，是我國少數(shù)民族地區(qū)和西南部貧困地區(qū)的集中地區(qū)。上游與廣西、貴州、云南相鄰，下游與澳門、香港、廣東接壤，是通往中國西南部海洋的重要水道，對加強(qiáng)貴州、云南、廣西、廣東、香港、澳門的經(jīng)濟(jì)合作有關(guān)鍵的戰(zhàn)略意義。

巖灘水電站距南寧約160 km，位于珠江水系紅水河中游，在廣西壯族自治區(qū)大化縣巖灘鎮(zhèn)內(nèi)，是一個(gè)以發(fā)電為重點(diǎn)，具有船舶和灌溉等綜合利用優(yōu)勢的大型水力樞紐工程，發(fā)電站的安裝容量為1 810 MW，第一階段設(shè)置1 210 MW，第二階段設(shè)置600 MW。目前電站樞紐通航建筑物為1×250 t鋼絲繩纏繞入水的垂直升船機(jī)。

1 項(xiàng)目背景

很長一段時(shí)間以來，因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施發(fā)展緩慢，紅水河通航功能沒有得到足夠的展現(xiàn)。在“十一五”期間，通過交通部和長江沿岸各轄區(qū)政府的一起努力，完成了大化、百龍灘、樂灘、橋鞏等水電站的船舶轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施建設(shè)，通航能力從龍灘至黔江大藤峽之間已具備了Ⅳ級航道的通航水平，為紅水河全面復(fù)航提供了條件，但巖灘升船機(jī)不滿足通航500噸級船舶的要求，嚴(yán)重阻礙西南水運(yùn)出海中線通道紅水河的發(fā)展，故將巖灘升船機(jī)進(jìn)行改造是非常必要且緊迫的。

根據(jù)《河池市人民政府辦公室關(guān)于印發(fā)河池市巖灘升船機(jī)、大化船閘改擴(kuò)建項(xiàng)目前期工作推進(jìn)方案的通知》（河政辦發(fā)〔2016〕139號(hào)）要求，為了破解紅水河航運(yùn)瓶頸制約問題，[JP]實(shí)現(xiàn)紅水河航道全線暢通，根據(jù)對廣西主要支流船舶通過設(shè)施的復(fù)興擴(kuò)建項(xiàng)目預(yù)先

規(guī)劃的要求，按通航500噸級（兼顧通航1 000噸級單船）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)完成巖灘升船機(jī)改造項(xiàng)目前期工作，切實(shí)發(fā)揮水運(yùn)綠色環(huán)保高效節(jié)能的優(yōu)勢，更好地服務(wù)河池經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，河池市人民政府要求交通水運(yùn)部門加快推進(jìn)巖灘升船機(jī)改造工程并開展項(xiàng)目前期咨詢工作。

2 工程建設(shè)規(guī)模

從紅水河蔗香兩江口到593 km來賓段航道，起初計(jì)劃屬于四級航道。當(dāng)下，在貴州的紅水河，已有1 000噸級船只經(jīng)過了離曹營107 km的運(yùn)河渡口，廣西境內(nèi)曹渡河口至來賓486 km已基本達(dá)到Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)。按照交通運(yùn)輸部《2017年珠江水運(yùn)發(fā)展規(guī)劃綱要》，北盤江—紅水河航道從100層至石龍三江口全長741 km，重點(diǎn)解決龍?zhí)稑屑~通航中斷問題，改善沿途水力發(fā)電廠船舶交通設(shè)施的航行條件，同時(shí)推動(dòng)三級運(yùn)河的建設(shè)。按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2014）所做出的要求，結(jié)合珠江水運(yùn)發(fā)展規(guī)劃和紅水河水運(yùn)發(fā)展的需求，以及上游貴州已經(jīng)有千噸級船舶的現(xiàn)狀，綜合考慮巖灘通航設(shè)施改造擴(kuò)建的難度和成本，巖灘升船機(jī)級別按通航設(shè)計(jì)最大船舶噸級確定為Ⅲ級，一次可通行兩艘1 000噸級船舶。

3 升船機(jī)型式

3.1 方案一：水力式升船機(jī)（如圖1）

3.1.1 總體布置

修整后的巖灘通航建筑物包括：原中間航道、擋水壩段、原上閘首（承船廂段、原上閘首、下游引航道及新下閘首和其他）、上游引航道、新中間航道。升船機(jī)采用液壓升船機(jī)，最大提升高度為70.0 m。

升船機(jī)方案如下：可移動(dòng)滑輪被放置在配重浮標(biāo)上，懸掛船舶用具的鋼絲繩索繞著滾筒通過，繞著可移動(dòng)滑輪通過，并固定于平衡重豎井上方，動(dòng)滑輪與平衡重連接，平衡重總重量略大于承船廂總重量的2倍，配重的提升高度是船舶艙提升高度的一半，配重浮標(biāo)在下游最大可航行水位和上游最小可航行水位之間移動(dòng)。

3.1.2 升船機(jī)的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和金屬結(jié)構(gòu)

本方案垂直升船機(jī)主要由上閘首與擋水壩段設(shè)備、船舶用艙及其設(shè)備、主機(jī)房設(shè)備、水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備、配重浮標(biāo)系統(tǒng)、下閘首設(shè)備等組成。

3.2 方案二：下水卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)（見圖2）

3.2.1 總體布置

修整后的巖灘通航建筑物包括：原中間航道、擋水壩段、原上閘首（承船廂段、原上閘首、下游引航道及新下閘首和其他）、上游引航道、新中間航道，用的是垂直升降高度最大為70 m的升船機(jī)。

3.2.2 升船機(jī)的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和金屬結(jié)構(gòu)

（1）上閘首與擋水壩段設(shè)備

在大壩的升船機(jī)擋水壩段設(shè)置1扇事故閘門，閘門類型為平面固定車輪鋼閘門，閘門的工作條件為動(dòng)態(tài)水關(guān)閉，靜水打開。選擇1臺(tái)2×1 250 kN龍門起重機(jī)作為開關(guān)裝置。閘門通常存放在西岸的大門維修室。

新的上部閘門頭極端設(shè)置了工作閘門，閘門類型為帶水平閘門的凹面下沉飛機(jī)固定輪鋼閘門。閘門由2×3 200 kN液壓啟閉機(jī)操作，可在有水條件下進(jìn)行閘門高度調(diào)整。

保留原上閘首沖沙閘門下游的防撞裝置及其啟閉設(shè)備。

（2）主提升機(jī)設(shè)備

主提升機(jī)布置在主發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，位于船軸承艙的塔柱的上部。主提升機(jī)包括：干油潤滑系統(tǒng)8套、平衡機(jī)8套、制動(dòng)系統(tǒng)液壓泵站8套、起重機(jī)械16套、機(jī)械同步軸系統(tǒng)1套和相應(yīng)的電動(dòng)馬達(dá)、控制和測試裝置，分4個(gè)區(qū)域?qū)ΨQ布置在機(jī)房內(nèi)。

卷揚(yáng)提升機(jī)每一套由一個(gè)雙輸出軸減速器、一個(gè)630 kW交流變頻電機(jī)、兩個(gè)軸承座、兩個(gè)卷筒組、一套工作制動(dòng)器以及兩套安全制動(dòng)器構(gòu)成。

主機(jī)房設(shè)有1臺(tái)3 200 kN/2×320 kN檢修橋機(jī)，用于主提升設(shè)備、上閘首工作門及其啟閉機(jī)的安裝和檢修。

（3）承船廂及其設(shè)備

承船廂布置在承船廂室內(nèi)，由192根鋼絲繩懸吊。承船廂兩側(cè)與主提升鋼絲繩連接處對稱布置64只液壓均衡油缸，每側(cè)的油缸由布置在同側(cè)走道板上的1座液壓泵站操作，液壓泵站同時(shí)還用于承船廂臥倒門、啟動(dòng)撞擊防護(hù)裝置及其安裝裝置。同時(shí)，照明、消防、電源、電氣控制、通信和其他設(shè)備也安裝在承船廂室中。

（4）平衡重系統(tǒng)

船舶駕駛室的總重量通過重力平衡重量和扭矩平衡重量構(gòu)成的部分平衡重量來平衡，重力平衡重量合計(jì)為3 600 t，由64根鋼絲繩懸吊，平衡重塊分為8組。扭矩平衡重量共5 400 t，由96根鋼絲繩懸吊，分為32組。在平衡重井內(nèi)分別設(shè)平衡重的上、下鎖定平臺(tái)，并配置鎖定裝置。

（5）承船廂室設(shè)備

在塔柱和底板分別設(shè)承船廂上、下鎖定平臺(tái)，上鎖定平臺(tái)配有4套液壓鎖定設(shè)備;下鎖定平臺(tái)設(shè)在承船廂池底，配有鎖定設(shè)備。

（6）新下閘首設(shè)備

在新的下部閘門頭上配置了一個(gè)維護(hù)閘門，閘門類型是疊梁閘門。閘門的運(yùn)行狀態(tài)為靜水啟閉。選擇了1個(gè)2×250 kN臺(tái)車式啟閉機(jī)作為開閉裝置。

3.3 方案三：全平衡卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)

3.3.1 升船機(jī)總體布置

修整后的巖灘通航建筑物包括：原中間航道、擋水壩段、原上閘首（承船廂段、原上閘首、下游引航道及新下閘首和其他）、上游引航道、新中間航道，用的是垂直升降高度最大為70 m的升船機(jī)。

3.3.2 升船機(jī)的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和金屬結(jié)構(gòu)

（1）上閘首與擋水壩段設(shè)備

在大壩的升船機(jī)擋水壩段設(shè)置1扇事故閘門，閘門類型為平面固定車輪鋼閘門，閘門的工作條件為動(dòng)態(tài)水關(guān)閉，靜水打開。選擇1臺(tái)2×1 250 kN門式啟閉機(jī)作為開關(guān)裝置。閘門通常存放在西岸的大門維修室。

在新上閘首最末端設(shè)置1扇工作閘門，門型為帶臥倒閘門的凹形下沉式平面定輪閘門。閘門由2×3 200 kN液壓啟閉機(jī)操作，可在有水條件下進(jìn)行閘門高度調(diào)整。

保留原上閘首沖沙閘門下游的防撞裝置及啟閉設(shè)備。

（2）主提升機(jī)設(shè)備

主提升機(jī)布置在主發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，位于船軸承艙的塔柱的上部。主提升機(jī)包括：干油潤滑系統(tǒng)8套、平衡機(jī)8套、制動(dòng)系統(tǒng)液壓泵站8套、起重機(jī)械16套、機(jī)械同步軸系統(tǒng)1套和相應(yīng)的電動(dòng)馬達(dá)、

控制和測試裝置，分4個(gè)區(qū)域?qū)ΨQ布置在機(jī)房內(nèi)。

卷揚(yáng)提升機(jī)每一套由一個(gè)雙輸出軸減速器、一個(gè)160 kW交流變頻電機(jī)、兩個(gè)軸承座、兩個(gè)卷筒組、一套工作制動(dòng)器以及兩套安全制動(dòng)器構(gòu)成。

主機(jī)房設(shè)有1臺(tái)2 000 kN/2×320 kN檢修橋機(jī)，用于主提升設(shè)備、上閘首工作門及其啟閉機(jī)的安裝和檢修。

（3）承船廂及其設(shè)備

承船廂布置在承船廂室內(nèi)，由192根鋼絲繩懸吊。承船廂兩側(cè)與主提升鋼絲繩連接處對稱布置40只液壓均衡油缸，每側(cè)的油缸由布置在同側(cè)走道板上的1座液壓泵站操作，液壓泵站同時(shí)還用于承船廂臥倒門、啟動(dòng)撞擊防護(hù)裝置及其安裝裝置。同時(shí)，照明、消防、電源、電氣控制、通信和其他設(shè)備也安裝在承船廂室中。

（4）平衡重系統(tǒng)

船舶駕駛室的總重量通過重力平衡重量和扭矩平衡重量構(gòu)成的部分平衡重量來平衡，重力平衡重量合計(jì)為7 600 t，由112根鋼絲繩懸吊，平衡重塊分為16組。扭矩平衡重量共5 400 t，由80根鋼絲繩懸吊，分為16組。在平衡重井內(nèi)分別設(shè)平衡重的上、下鎖定平臺(tái)，并配置鎖定裝置。

（5）承船廂室設(shè)備

在塔柱和底板分別設(shè)承船廂上、下鎖定平臺(tái)，上鎖定平臺(tái)配有4套液壓鎖定設(shè)備;下鎖定平臺(tái)設(shè)在承船廂池底，配有鎖定設(shè)備。

（6）中閘首設(shè)備

中閘首的工作門位于中間大門的頂端，即在升船機(jī)通?？珊叫械那闆r下，在下游的擋水裝置。門型為帶臥倒閘門的平面閘門和疊梁門的組合形式。臥倒閘門的操作條件為靜水啟閉，工作大門的操作條件為無水啟閉。

在中閘首工作門的下游布置1扇檢修閘門，用于中閘首工作門、承船廂室檢修、度汛及工作門調(diào)整門高。

（7）輔助船閘設(shè)備

為了適應(yīng)巖灘水電站下游通航水位的迅速大幅度變化，并確保升降裝置和船舶的安全運(yùn)行，提升機(jī)內(nèi)主導(dǎo)航道之間設(shè)置輔助船閘，該輔助船閘包括輔助船閘和輔助船閘下閘。

4 方案比較及推薦方案

4.1 方案一：水力式升船機(jī)

主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）承船室直接與下游水道相通，不與下閘首對接，能適應(yīng)下游水位變幅和變率。

（2）提升系統(tǒng)的安全性和防止事故的能力很高，即使船舶用艙發(fā)生漏水事故，液壓船的升降機(jī)也能夠保持系統(tǒng)平衡，即使船舶用艙內(nèi)的所有水域都是空的，平衡關(guān)系也不會(huì)破壞，有可能正常上升和下落。

（3）提升系統(tǒng)為全部扭矩平衡重量平衡，卷筒直接同步升降，液壓驅(qū)動(dòng)，使升船機(jī)升降過程更加可靠平穩(wěn)。

（4）液壓驅(qū)動(dòng)代替了主起重電機(jī)及其電氣控制裝置、大型扭矩減速機(jī)及其潤滑系統(tǒng)等的電氣驅(qū)動(dòng)。主發(fā)動(dòng)機(jī)艙的起重機(jī)構(gòu)只有滾筒和機(jī)械同步裝置，因此發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布局非常簡單，控制簡單，操作更可靠，安全。

（5）承船廂直接下水運(yùn)行，由于沒有承船廂與下閘首工作閘門對接過程，且不需要設(shè)置輔助船閘及其輔助工作閘門，因此船舶過壩時(shí)間較短。

（6）下部閘門頭的巨大金屬結(jié)構(gòu)裝置和復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備被省略，操作連桿減少，不存在下部閘門頭工作閘門（包括水的充電和排出裝置、液壓泵站及其他設(shè)備）季汛的技術(shù)問題，安裝、維護(hù)、大修作業(yè)，利于運(yùn)行管理。

主要缺點(diǎn)：

（1）與電力驅(qū)動(dòng)相比，水力驅(qū)動(dòng)需增加水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備工程量（如壓力鋼管、攔污柵、充泄水工作閥、充泄水事故閥、閥室檢修橋機(jī)等），其金屬結(jié)構(gòu)總工程量與相同規(guī)模的下水卷揚(yáng)式升船機(jī)相當(dāng)。相應(yīng)增加這些設(shè)備的安裝、維護(hù)和檢修工作環(huán)節(jié)。

（2）對于大型水力式升船機(jī)，存在水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和豎井的水力學(xué)、承船廂運(yùn)行準(zhǔn)確停位控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，需下階段深入研究落實(shí)。

4.2 方案二：下水卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)

主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）承船室直接與下游水道相通，不與下閘首對接，能方便地適應(yīng)下游水位變幅和變率。

（2）主提升機(jī)具有較高的安全性和防事故能力，設(shè)備足夠的制動(dòng)能力能保證承船廂在水漏空的情況下處于安全。

（3）扭矩平衡重量占有很大比重，重力平衡重量小于承船廂自重，因此承船廂穩(wěn)定性好。

（4）承船廂直接下水運(yùn)行，由于沒有承船廂與下閘首工作閘門對接過程，且不需要設(shè)置輔助船閘及其輔助工作閘門，因此船舶過壩時(shí)間較短。

（5）下部閘門頭的巨大金屬結(jié)構(gòu)裝置和復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備被省略，操作連桿減少，不存在下部閘門頭工作閘門（包括水的充電和排出裝置、液壓泵站及其他設(shè)備）季汛的技術(shù)問題，安裝、維護(hù)、大修作業(yè)，利于運(yùn)行管理。

主要缺點(diǎn)：

（1）因?yàn)閮H僅能采用部分平衡，所以主提升機(jī)具有大規(guī)模和大的提升力，載荷變化大，主提升機(jī)傳動(dòng)荷載大，設(shè)計(jì)難度大，制造、安裝難度大，重量亦重，其額定功率為16×630 kW，額定提升力為40 600 kN。

（2）能源消耗、高昂的運(yùn)營成本和復(fù)雜的電力推進(jìn)技術(shù)。

（3）主提升機(jī)減速器的制造及加工工藝的關(guān)鍵技術(shù)問題尚有待下階段深入研究落實(shí)。

4.3 方案三：全平衡卷揚(yáng)式垂直升船機(jī)

主要優(yōu)點(diǎn)：主提升機(jī)規(guī)模小，提升力小，載荷變化小，主提升機(jī)傳動(dòng)荷載小，設(shè)計(jì)難度小，制造、安裝難度小，重量亦輕，其額定功率為8×160 kW，額定提升力為4 000 kN。

主要缺點(diǎn)：

（1）電站調(diào)峰運(yùn)行時(shí)段下游通航水位變化快，為了確保船的升降機(jī)和船的安全，必須在下閘門頭安裝輔助工作閘門和啟閉機(jī)。

（2）由于下游水位變化速率較大，臥倒閘門適應(yīng)能力有限，必須頻繁地操作調(diào)整工作大門，影響升船機(jī)通航時(shí)間。

（3）全平衡垂直升船機(jī)的承船艙內(nèi)有許多輔助設(shè)備，與下閘首的對接動(dòng)作復(fù)雜，船舶過壩時(shí)間較下水式升船機(jī)長。

（4）下閘首工作閘門高達(dá)20.1 m，自重大，上部工作大門啟閉機(jī)容量達(dá)2×1 000 kN，若采用臺(tái)車式啟閉機(jī)，因閘門吊點(diǎn)距船廂端部1.75 m左右，布置大型移動(dòng)式啟閉機(jī)難度很大。

（5）懸架期間，船舶軸承艙的對接鎖定裝置應(yīng)置于工作狀態(tài)，船舶用具大修時(shí)需設(shè)置鎖定裝置。

（6）發(fā)生事故時(shí)，承船廂不能自行上鎖，萬一發(fā)生漏水事故，升船機(jī)的安全制動(dòng)系統(tǒng)需借助檢測和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)操作，過程環(huán)節(jié)較多，及時(shí)性和可靠性受影響。

（7）在洪水期，當(dāng)下游水位超過塔柱及下閘首的擋水高程時(shí)，平衡重井、承船廂室、下游工作閘門會(huì)被水淹，在上述三處所布置的機(jī)械和電氣設(shè)備等必須考慮此不利因素。

三方案比較如下頁表1所示。

①采用水力驅(qū)動(dòng)，總工程量與方案二相當(dāng);

②提升系統(tǒng)為全部轉(zhuǎn)矩平衡重平衡，卷筒直接同步提升，具有很高的安全性和防事故能力，運(yùn)行過程更加平穩(wěn)、可靠，機(jī)房布置簡約、控制簡化[]①電力驅(qū)動(dòng)，設(shè)置有主提升機(jī)，采用部分平衡配置，主提升機(jī)規(guī)模大，機(jī)房布置擁擠，電控設(shè)備多而復(fù)雜;

②安全性、防事故能力和運(yùn)行的穩(wěn)定性略低于方案一[][]①采用部分平衡配置方式，承船廂可以入水運(yùn)行;

②承船廂的安全性和穩(wěn)定性相對較高，此外，運(yùn)輸船進(jìn)水可以方便地適應(yīng)下游水位的幅度和可變性[]①采用完全平衡的配置模式，主提升設(shè)備規(guī)模小，設(shè)備易制造安裝;

②承船廂的安全性和穩(wěn)定性不及方案二

方案一優(yōu)于方案二[][]方案二優(yōu)于方案三

綜合上述比較，推薦方案一（水力式升船機(jī)）。

5 結(jié)語

通過方案比選，可得水力式升船機(jī)方案為巖灘升船機(jī)改造的推薦方案。雖然目前水力式升船機(jī)尚無設(shè)計(jì)規(guī)范，但其組成系統(tǒng)：水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、土建結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等均有相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中可按現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)，不存在制約性的重大技術(shù)問題。與此同時(shí)，我們國家擁有第一架完全獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型船升船機(jī)，并且已經(jīng)投入了使用，為以后同類高壩通航升船機(jī)的新建、改造等工程提供了寶貴的成功經(jīng)驗(yàn)，由此可以得出巖灘水力式升船機(jī)改造設(shè)計(jì)是完全可行的結(jié)論。

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