構(gòu)皮灘水電站升船機船廂下水和浮運技術(shù)研究

陸永亞 黃金根 李倩

摘要：船廂安裝是構(gòu)皮灘第一級下水式升船機設(shè)備安裝的難點。首先，闡述了船廂氣囊下水技術(shù)方案，分析了船廂下水過程中的氣囊和船廂受力情況，據(jù)此實施了增設(shè)移運托架和助浮氣囊、臥倒門加固等措施;其次，闡述了船廂浮運技術(shù)方案，介紹了船廂下水過程中的質(zhì)量控制及船廂下水浮運工藝流程，實施了浮運拖曳和入室定位技術(shù)。工程實踐表明：該船廂下水和浮運方案安全可靠，可為類似船廂安裝提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：升船機;船廂下水;浮運技術(shù);氣囊;構(gòu)皮灘水電站

中圖法分類號：TV547.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0143-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.023

0 引 言

構(gòu)皮灘第一級下水式升船機[1-2]的船廂為“U”型盛水結(jié)構(gòu)，船廂兩端各設(shè)一扇臥倒式工作閘門，兩側(cè)對稱布置夾緊機構(gòu)、頂緊機構(gòu)及導(dǎo)向機構(gòu)各4套。船廂兩側(cè)由64根鋼絲繩懸吊。為減小船廂出、入水[3]時的下吸力與上浮力，在主縱梁與橫梁腹板開設(shè)通氣孔，且底鋪板在橫向向中部傾斜一定角度[4]。

目前國內(nèi)已建成的升船機中，只有巖灘水電站250 t級升船機[5]和水口水電站2×500 t級升船機[6]的船廂是整體浮運安裝。巖灘升船機船廂采用的是在下游碼頭制作及自然浮升下水方式，利用施工期間下游已有的一個臨時碼頭作為加工拼裝場，利用溢流壩弧形閘門調(diào)節(jié)下游出庫流量，同時克服了諸多技術(shù)難題：① 船廂在下游碼頭浮起時不被水流沖走;② 船廂浮起時底部主梁翼板不被碰壞;③ 船廂自浮后拖船能拽住船廂;④ 船廂的停泊位選擇等[7]。水口升船機船廂是在距離電站幾十公里遠(yuǎn)的馬尾船廠建造，下水方式簡便可靠，但距離工程現(xiàn)場很遠(yuǎn)且水路灘多水急，總共動用了大小船只達(dá)16艘之多，還加設(shè)了氣墊裝置減少船廂浮運過程中的水流阻力，該運輸方式費用甚高。

構(gòu)皮灘水庫已于2008年下閘蓄水，其正常蓄水位為630 m，汛期防洪限制水位：6～7月為626.24 m，8月為628.12 m。在構(gòu)皮灘水電站正常運行條件下，第一級升船機不具備排干船廂室的條件，無法在船廂室進(jìn)行船廂整體拼焊;構(gòu)皮灘庫區(qū)不具備與大江大河的通航條件，庫區(qū)上游也沒有大型造船企業(yè)，無法實施船廂廠內(nèi)制作再整體浮運方案。因此，船廂只能在庫區(qū)選擇合適地點進(jìn)行整體拼裝[8-10]，再下水浮運進(jìn)船廂室[11-12]。

1 船廂氣囊下水技術(shù)研究

船廂外形為方形，底部為腹板框架結(jié)構(gòu)，中間段內(nèi)凹。利用氣囊[13-14]寬大的接觸面積使其底部承壓均勻，并且它的柔軟性使其底部結(jié)構(gòu)和表面涂層得到有效保護(hù)。氣囊下水還具有省工、省力、省時、省投資、機動靈活、安全可靠等諸多優(yōu)點[15-16]。綜合考慮，船廂采用氣囊移運方式下水。

氣囊移運船廂的工作原理為：在船廂底部垂直于移運方向布置一定數(shù)量和規(guī)格的氣囊，氣囊充氣后，船廂依靠自身重力沿斜坡方向的分力或拖船牽引力向前移動，氣囊向前滾動，使船廂與地面之間產(chǎn)生相對運動來實現(xiàn)移運。

1.1 船廂氣囊下水技術(shù)方案

（1）氣囊。

根據(jù)船廂重量和尺寸，選用的氣囊參數(shù)見表1。

船廂及附屬設(shè)備總重934 t，頂升、搬移起重高度為0.8 m，氣囊接觸面有效長度為11.4 m，氣囊頂升和搬移舉力計算結(jié)果如表2所列。氣囊的實際壓強遠(yuǎn)小于額定工作壓強，所以船廂的頂升、撤墩和移運是安全的。

（2）移運托架。

船廂底部為開放式結(jié)構(gòu)，無封底板，氣囊與縱梁和橫梁翼緣直接接觸易被損傷;在氣囊直接移運船廂下水過程中，船廂因首部吃水不夠發(fā)生跌落，氣囊易鉆到船廂中間凹槽無法取出。為避免此種不利現(xiàn)象發(fā)生，在船廂底部中間凹槽布置與船廂兩端底平齊的鋼結(jié)構(gòu)浮箱[17]作為移運托架，如圖1所示。

移運托架尺寸為58.00 m×11.40 m×1.09 m（長×寬×高），重量186 t，總排水量700 t。移運托架共13個分段，設(shè)置進(jìn)水孔和通氣孔，下水前做氣密試驗，試驗合格后可靠地綁扎在船廂底部。

（3）后牽引系統(tǒng)。

經(jīng)計算，船廂移動需要的牽引力為38.36×104 N。后牽制地錨需要的抗拉力為牽引力的1.2倍，其抗拉力為46×104 N。因此，后牽引系統(tǒng)設(shè)計為：1個抗拉力55×104 N的地錨，2個抗拉力60×104 N的牽引眼板，1臺卷揚機并配55 t滑輪組，如圖2所示。地錨點距離船尾大于10 m。

（4）氣囊布置及綁扎。

氣囊布置如圖3所示，在船廂底部共布置下水氣囊12條。船廂先入水的一端為廂首，后入水的一端為廂尾。其中，為增加廂首剛?cè)胨畷r浮力，減小船廂入水后廂首和廂尾吃水深度差，船廂下水移運前在廂首的前部和廂首尾的兩側(cè)面共綁扎6只與下水用氣囊同規(guī)格的助浮氣囊。每只助浮氣囊的排水量為47.5 t。

1.2 船廂下水前過拐點氣囊受力分析

船廂拼裝場地地坪角為0.6°，長度為90 m。為保證船廂在整個下水過程中總力矩為正，重心通過斜坡拐點之前，總上浮力大于1/2船廂自重，船廂頭部不會出現(xiàn)跌落現(xiàn)象，下水斜坡角度采用3.5°，斜坡長度為40 m，其中沒入水中長度為10 m。

船廂下水前有2個拐點：

① 第1拐點，船廂從0.6°斜坡向3.5°斜坡過渡時的拐點;

② 第2拐點，船廂在下水過程中過渡3.5°斜坡末端的拐點。

船廂從0.6°斜坡向3.5°斜坡過渡時，船廂下移共接觸4條接引氣囊，需要向前移動30 m完成第1拐點過渡;船廂在3.5°斜坡上繼續(xù)向前移動至50 m完成第2拐點過渡，此時氣囊相關(guān)參數(shù)見表3。

船廂在過拐點過程中，氣囊總舉力始終保持在1 500 t以上，所以船廂在過拐點的整個過程中是安全的。

2 船廂下水計算分析

船廂下水過程[18]共經(jīng)歷4個階段：自船廂開始滑動至廂首接觸水面為止，船廂主要受重力、氣囊支撐力和摩擦力作用;自廂首接觸水面至廂首上浮為止，船廂主要受重力、氣囊支撐力和浮力;自廂首上浮至廂尾離開氣囊為止，船廂主要受重力、氣囊支撐力和浮力;自廂尾離開氣囊至船廂停止運動為止，船廂主要受重力和浮力。

2.1 船廂下水過程計算

船廂下水初始狀態(tài)：船廂位于下水斜坡末端，廂首剛接觸水面，如圖4所示。船廂在下水過程中，所受浮力主要包括助浮氣囊、船廂結(jié)構(gòu)和移運托架產(chǎn)生的浮力。船廂浮力產(chǎn)生的力矩為各浮力對對應(yīng)氣囊產(chǎn)生的力矩。船廂下水過程計算結(jié)果見表4。

由表4可知，船廂下水過程，重力對尾氣囊的力矩隨尾氣囊位置變化而變化，浮力對尾氣囊的力矩隨尾浮力增加而增大。當(dāng)重心超過斜坡末端，浮力對首氣囊的力矩大于重力對首氣囊的力矩，船廂不會發(fā)生首跌落現(xiàn)象。船廂滑出下水斜坡末端60 m左右，船尾開始上浮，船首吃水逐漸減小，船尾吃水逐漸增加，直至全浮，船廂下水安全。

2.2 臥倒門加固及分析

位于船廂兩端的臥倒門，正常運行工況為背水承壓，下水浮運工況為迎水面承壓，即廂內(nèi)水深0 m、廂外水深2.5 m。

采用有限元方法建立臥倒門結(jié)構(gòu)分析模型，對臥倒門迎水面承壓工況進(jìn)行分析。計算結(jié)果為：最大綜合應(yīng)力130.101 MPa，最大綜合位移5.136 mm，水壓方向最大位移-3.69 mm[19]。計算結(jié)果表明：在該工況下，臥倒門結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計要求，不滿足剛度設(shè)計要求。因此，需對臥倒門進(jìn)行加固處理。

臥倒門加固方案如圖5所示，采用Q345鋼管，對稱布置于臥倒門中心線的兩側(cè)，其中兩根為直徑273 mm、壁厚15 mm，間隔4 200 mm、傾角45°;另外2根為直徑168 mm、壁厚8 mm，間隔4 200 mm、傾角60°。鋼管的端部焊接在臥倒門和廂頭的對應(yīng)筋板處。計算結(jié)果表明該加固方案能保證臥倒門的剛度設(shè)計要求。同時，為防止臥倒門水封漏水，在臥倒門與門框的3個止水面每間隔2 m焊接鋼板加固，鋼板尺寸為20 mm×300 mm×600 mm。

3 船廂下水浮運實施技術(shù)

3.1 船廂下水過程的關(guān)鍵質(zhì)量控制點

船廂移運前，檢查船廂底部、所有可能與氣囊接觸的部位，清除所有毛刺和棱角;檢查氣囊所經(jīng)過的地面，清除所有尖銳雜物。船廂移運過程中，通過控制卷揚機速度或選用慢速卷揚機，使船廂慢速移動;通過對氣囊充氣、放氣達(dá)到對船廂進(jìn)行姿態(tài)微調(diào)，使船廂底部始終與地面保持平行。

船廂下水后，用纜繩固定，防止下水受到水流和風(fēng)速的影響，給牽引船舶預(yù)留就位時間。

3.2 船廂下水浮運工藝流程

（1）準(zhǔn)備工作。氣囊及設(shè)備進(jìn)場;牽引設(shè)備安裝、接電試機;牽引眼板制作、焊接、探傷;牽引設(shè)備與船廂連接;船廂底部氣囊布置;氣囊充氣，頂升船廂;船廂起墩，支撐墩撤除;接引氣囊擺放。

（2）移運船廂。氣囊調(diào)平，用牽引船或者其他外力給予船廂牽引力，船廂移運，通過0.6°與3.5°斜坡直至斜坡邊沿;船廂重心通過0.6°與3.5°斜坡的拐點時，對前后氣囊放氣/充氣，將船廂角度從0.6°調(diào)整到3.5°。

（3）確認(rèn)庫區(qū)水位。船廂移運到下水坡道邊沿后，確認(rèn)庫區(qū)水位不低于627.5m，滿足船廂入水條件。

（4）船廂下水。牽引船廂，船廂在重力及牽引力作用下下水;船廂進(jìn)入全浮狀態(tài)，船廂底部5條氣囊助浮力237.5×104 N，移運托架浮力700 t，廂頭排水16 t，總浮力953.5×104 N>934.0×104 N。

（5）解除移運托架。船廂全浮后，拖船帶纜，船廂拖至622 m平臺就位，且與下水坡道垂直;移運托架上的進(jìn)水口和放氣孔打開;移運托架失浮時，解開固定繩索，沉到622 m平臺;此時，船廂及設(shè)備重量748 t，5條氣囊助浮力237.5×104 N，船廂吃水3.44 m。

（6）船廂浮運入室。移運托架全部解除，船廂拖至泊位，解除綁在船廂上的氣囊;此時，船廂及設(shè)備重量742 t，船廂吃水3.71 m，臥倒門吃水2.11 m;拖船牽引船廂至船廂室外側(cè)，船廂帶纜，在船廂尾部輕推船廂進(jìn)入船廂室，船廂解纜，船廂在船廂池內(nèi)保持自由漂浮狀態(tài)。

（7）收尾工作?；厥諝饽遥韴龅丶盃恳O(shè)備。

3.3 船廂浮運拖曳技術(shù)

（1）船廂拖曳方案。

船廂入水后，水流和風(fēng)載對船廂體的作用力分別為24.692×104 N和0.982×104 N。船廂承受的總阻力為25.674×104 N。

為克服船廂在浮運過程承受的阻力和充分利用烏江流域現(xiàn)有出力船只，船廂的拖曳方案為：兩側(cè)各1艘123 kW（165馬力）船協(xié)助推進(jìn)，1艘227 kW（305馬力）船負(fù)責(zé)在船廂頭部牽引調(diào)節(jié)前進(jìn)方向。3艘船合計473 kW（635馬力），在時速5 km/h的時候產(chǎn)生的牽引力為33.500×104 N>25.674×104 N。

（2）船廂拖曳防撞措施。

在船廂四周設(shè)置若干橡膠輪胎，防止?fàn)恳^程中的碰撞引起設(shè)備受損。在船廂兩側(cè)面和頭部實施懸掛足量輪胎防護(hù)，從船廂內(nèi)側(cè)的護(hù)舷設(shè)繩索固定處，輪胎系扣于船廂外側(cè)吃水線處。

（3）船廂浮運拖曳流程。

船廂由斜坡下水，下水前做好船廂防撞措施;船廂下水進(jìn)入全浮狀態(tài)，釋放移運托架、解除浮力氣囊，進(jìn)行定位和綁船;船廂拖曳到船廂室外停船;由2艘小船輕推船廂進(jìn)入船廂室就位。

3.4 船廂入室定位技術(shù)

船廂浮運進(jìn)船廂室后需要放置很長時間。因上游檢修疊梁門未安裝，船廂室與上游河道串通，水位隨大壩正常發(fā)電而出現(xiàn)漲落。

將船廂上設(shè)備均勻布置，防止船廂單側(cè)出現(xiàn)偏沉。為確保在漲退水時穩(wěn)定船廂，保證船廂為自由漂浮狀態(tài)，船廂的入室定位方案為：根據(jù)船廂室導(dǎo)向軌道的設(shè)置形式，在上游縱向布置兩對臨時導(dǎo)向輪，在下游縱向?qū)ΨQ布置兩對臨時導(dǎo)向輪，如圖6所示。單個導(dǎo)向輪的吸能能力足以滿足澶想在縱向微薄水流作用下的撞擊能力，即在導(dǎo)向輪的作用下能夠使船廂趨于穩(wěn)定狀態(tài)[20]。

為了減小船廂橫向振動幅度，在導(dǎo)向軌道處設(shè)置鋼管防止橫向振動。

按照上述船廂下水浮運方案實施，構(gòu)皮灘水電站第一級升船機船廂一次順利進(jìn)入船廂室。即，構(gòu)皮灘水電站第一級升船機船廂于2015年12月13日一次完成順利下水，18日用拖船成功將船廂浮運進(jìn)入船廂室，30日完成入室定位。

4 結(jié) 語

船廂安裝是構(gòu)皮灘升船機設(shè)備安裝的難點。首先，闡述了船廂氣囊下水技術(shù)方案，分析了船廂下水過程中的氣囊和船廂受力，實施了增設(shè)移運托架和助浮氣囊、臥倒門加固措施;其次，闡述了船廂浮運技術(shù)方案，介紹了船廂下水過程中的質(zhì)量控制及船廂下水浮運工藝流程，實施了浮運拖曳和入室定位技術(shù)。工程實踐表明，該船廂下水和浮運方案安全可靠?？蔀轭愃拼瑤惭b提供借鑒。

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（編輯：胡旭東）