水利水电工程通航技术研究进展

2012-04-14扈晓雯

水力发电 2012年1期

扈晓雯

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州 310014）

内河通航建筑物主要分成船闸和升船机两大类。船闸是通航建筑物中历史最悠久、建造数量最多的一种形式。近些年来，随着西部高山峡谷河流的开发，我国在研究大型船闸的同时，也开展了对升船机的研究。以长江三峡双线连续五级船闸、长江三峡水利枢纽垂直升船机和乌江构皮滩三级垂直升船机为代表的通船建筑物，使我国高坝通航建筑物建设水平跃居世界前列。本文就我国水利水电工程综合开发中通航建筑物技术进展作一简要介绍。

1 船闸技术发展

1.1 船闸技术发展历程

我国通航船闸建设的历史十分悠久，至今已建船闸约900多座，占全世界船闸总数的20%；已建和在建的总水头为20．0 m以上的船闸共25座，占世界总数的1/4，居世界第二位。

（1）1950年～1970年，我国船闸建设往往是为了改善河流通航条件而进行的单目标开发，主要集中在京杭大运河上。如江苏省解台、宿迁、泗阳、施桥、江阴船闸等，多以小型单级、低水头、集中输水系统为主。

（2）1980年～1990年，我国全面开发利用水能资源和在河流上筑坝，一大批中、高水头船闸应运而生。如湖北长江葛洲坝枢纽船闸（总水头27．0 m）、福建闽江水口水电站三级船闸（总水头59．0 m）、江西赣江万安水电站船闸（总水头32．4 m）、湖南沅水五强溪水电站船闸（总水头60．9 m）等，这些船闸多采用分散输水系统。这个时期船闸工程技术发展迅速，船闸水力学输水阀门空化技术问题突出，亟待解决。

（3）2000年以后，随着国家大西部开发战略的实施，船闸规模逐步朝着高水头、大尺度的方向发展。最具典型代表的是长江三峡水利枢纽双线五级船闸（总水头113．0 m），还有设计水头约为25～30 m的重庆嘉陵江东西关船闸、重庆嘉陵江草街枢纽船闸、广西境内的红水河大化水电站船闸、乐滩水电站船闸、桥巩水电站船闸等，这些船闸都采用复杂的分散输水系统，陆续投产运行。实现了通航船闸小型化向大型化方向发展。河流开发向水利水电工程供水、发电、通航多目标开发的方向迈进。

1.2 船闸输水形式新技术

合理的输水系统是确保船闸安全有效运转技术的关键之一。美国下花岗岩船闸成功地运用了水平隔墙垂直分流的底部纵向廊道等惯性输水方式，从而载入了美国陆军工程师兵团编制的《船闸水力学设计手册》。我国在高水头船闸输水系统的设计中借鉴了许多国外的先进经验，在学习中创新并研究出一大批科研成果，在中水头船闸输水系统选型方面获得了重大突破。

我国的科研工作者对高中水头输水系统水力学现象进行了反复试验研究，详细分析论证，针对不同河流、不同枢纽条件及功能要求，结合船闸水力学特性，提出一些适合中水头船闸选择的输水系统。如具有新型消能措施的闸墙廊道侧支孔输水系统，将其适用水头由美国陆军工程师兵团设计手册规定的9．2 m提高到了15．6 m，并成功应用于我国广西长洲船闸等10多座船闸设计中；研究提出的具有分散输水特性的集中输水系统形式，不但提高了集中输水系统的应用水头，改善了水力特性，省略了集中输水系统固有的镇静段，降低了工程造价，并成功地应用于石虎塘、杨家湾等多座船闸；提出的新型水平分流口形式，大大突破了美国水道实验站（Waterways Experiment Station，WES）设计手册中水平分流形式适用于船闸水头小于18．3 m的规定，并已成功地应用于水头达30．0 m的广西乐滩等船闸。此外，还研究提出了船闸纵横支廊道三区段输水系统、复合式廊道、双明沟消能等一系列的创新成果，并在长洲枢纽一线船闸、桂平枢纽二线船闸、赣江峡江枢纽船闸等应用，受到了工程实践的检验[7]。

1.3 船闸阀门防空化技术

输水阀门是船闸充泄水的控制设备，运行频繁。当船闸水头超过20 m时，阀门在动水启闭过程中承受非常复杂的水动力荷载，在非恒定高速水流作用下极易发生空化、振动而危害其安全运行。阀门空化危害：①直接导致阀门面板、门楣及门后廊道边壁空蚀破坏，增加维修成本；②易诱发声振现象，在输水廊道产生较大的冲击压力，导致阀门及其启闭系统振动加剧，造成液压系统元件损坏，支绞固定螺栓振松和破坏，危及阀门自身安全运行；③出现的雷鸣声使工作人员有恐惧感；④严重声振还导致闸首强烈振动，同时影响电站运行。随着船闸工作水头提高，阀门空化及振动问题更为突出，并成为船闸设计最为关键的技术难题，也是船闸朝着更高水头发展的瓶颈。

我国早期建造的京杭大运河等河流上的通航船闸水头不高，对阀门空化问题的严重性缺乏认识，直到长江葛洲坝水利枢纽船闸建设时才开展专门的研究。以后又结合一大批高水头船闸设计，如长江三峡水利枢纽船闸、福建水口水电站船闸、福建沙溪口水电站船闸等，经过大量的研究与实践，发展到目前的非恒定流常压水力学模型试验、非恒定流加压模型试验、恒定流减压试验、门楣1∶1切片模型试验、阀门激流振动模型试验以及各种数学模型等，取得了众多创新成果。阀门防空化创新技术，主要体现在以下5点[9]：

（1）突破了高水头船闸阀门防空化技术理念，主动与被动相结合技术，廊道顶负压可以达到－10 m水柱，采用综合通气技术形成的气垫作用可防止阀门及廊道边壁发生空蚀破坏。

（2）发展了我国独创的门楣自然通气技术，在反弧形阀门成功应用的基础上，推广应用于平面阀门，提出了适合平面阀门的门楣通气形式。

（3）提出了完全被动防护的 “平顶廊道体型＋小淹没水深＋门楣自然通气＋廊道顶自然通气”新技术。

（4）提出了 “新型阀门段廊道体型＋综合通气措施”新技术，为40 m以上超高水头单级船闸建设奠定了基础，提高了船闸的适用范围。

（5）提出在平面阀门门槽中设置强迫通气措施，解决低淹没水深条件下大型船闸平面阀门空化问题。

这些阀门防空化技术在广西大化水电站船闸、广西乐滩水电站船闸、重庆嘉陵江草街水电站船闸、乌江银盘水电站船闸等10多个工程中得到成功应用，突破了高水头船闸工程瓶颈，使我国该领域技术水平走在了世界前例。

2008年，国际航运协会第一次将中国通航领域的研究成果纳入国际航运技术文献中。 “船闸输水系统水力学创新技术以及高水头船闸阀门防空化创新技术研究与实践”项目，由交通部科技司组织了技术鉴定，达到了国际领先水平。

2 升船机的技术进展

2.1 升船机主要形式

目前，我国升船机建设主要有三种机型：以福建水口水电站垂直升船机为代表的钢丝绳卷扬提升式机型；以长江三峡水利枢纽垂直升船机为代表的齿轮齿条爬升、螺杆螺母安全装置的机型；具有我国自主知识产权的云南景洪水电站水力浮动式垂直升船机。

2.2 升船机建设实践

2.2.1 钢丝绳卷扬提升式

钢丝绳卷扬提升式垂直升船机是20世纪70年代在世界上才出现的一种新机型。20世纪90年代，我国在多座水利水电枢纽的通航建筑物设计中，选择钢丝绳卷扬提升式垂直升船机作为船舶过坝的通航设施，并于世纪之交先后建成了广西红水河岩滩、福建闽江水口、乌江彭水、湖北清江隔河岩和高坝州等水电站垂直升船机。目前，乌江构皮滩、思林、沙陀水电站垂直升船机，右江白色水利枢纽垂直升船机等正在设计研究中，因此，其设计研究和建设与世界上该机型的技术发展基本同步，我国也是该机型建成工程实例最多的国家。其中，广西岩滩250 t级垂直升船机最大升程68.5 m，采用的承船厢下游入水的部分平衡式方案属于世界首例；福建水口2×500 t级全平衡式垂直升船机最大升程59 m，提升荷载5 500 t，其总体规模为国内外之最；建设中的贵州乌江构皮滩水电站三级垂直升船机的规模及建设技术难度亦居世界前例，其中间级升船机的提升高度达127 m，为世界之最。

钢丝绳卷扬机提升式垂直升船机的主提升机械设备由卷筒装置、传动装置及驱动电动机、同步轴、制动系统设备、钢丝绳组件及润滑设备等组成，所有设备均布置在塔柱顶部的机房内。其形式一般为四吊点通过机械同步轴互联的同轴驱动钢丝绳卷扬机起吊，每个吊点布置一套带力矩平衡重的单卷筒卷扬设备，各吊点采用独立驱动的方式。

福建闽江水口水电站垂直升船机采用钢丝绳卷扬提升式机型，承船厢质量由5 500 t平衡重块全平衡，其中转矩平衡重680 t，可控平衡重400 t，重力平衡重4 420 t。平衡重系统的主要特点：①除设置重力平衡重和转矩平衡重外，还设置了可控平衡重。②只在重力平衡重和承船厢之间设置平衡链，在转矩平衡重组、可控平衡重组与承船厢之间，未设平衡链，该部分钢丝绳的不平衡重量由主提升机承担。③可控平衡重的钢丝绳也缠绕在卷筒上，对反向缠绕在同一卷筒上的船厢一侧的钢丝绳构成力矩平衡，卷筒上同样布置有安全制动器。升船机加设可控平衡重的目的，是提高船厢的抗纵倾能力，加大升船机防漏水或超载事故的能力。水口升船机的建设中，妥善地解决了 “简单”与 “安全”的矛盾，推进了升船机事业的蓬勃发展。

2.2.2 齿轮齿条爬升式

齿轮齿条爬升式垂直升船机的主提升机械设备由爬升齿轮和齿梯、传动装置及驱动电动机、同步轴、制动系统设备、润滑设备等组成，除齿梯垂直安装在塔柱土建结构上外，其余机械设备全部安装在承船厢上，驱动电动机通过传动装置和同步轴，驱动各爬升齿轮沿齿梯同步旋转，带动承船厢升降。

长江三峡水利枢纽垂直升船机规模为世界之最，设计通航最大船舶为3 000 t客轮，其安全运行的重要性不言而喻。为此，三峡升船机方案研究和论证经历了半个多世纪，通过多种技术方案比选和多项技术试验研究，最终确定的设计方案为齿轮齿条爬升式升船机，并委托德国某公司设计。由于规模巨大，其建设难度、安全装置、荷载量级、受力条件、抗震要求、制造安装等已非德国吕內堡升船机可比。三峡升船机技术方案的特点为：

（1）承船厢不采用托架支撑的方式，升降驱动机构、安全机构设备设置在承船厢上，平衡系统钢丝绳直接悬挂在承船厢上。

（2）三峡升船机的最大升程为113 m，带水承船厢总质量达到15 500 t，设计锁定荷载为吕內堡升船机的3倍以上。安全机构采用长螺杆方案技术上已不现实，因此，改为承船厢上设置短螺杆、塔柱上设置长螺母方案。

（3）升降机构、安全机构设备布置在承船厢上后，由于承船厢结构刚度大，因此，承船厢与土建塔柱之间的联系配合关系更为密切，对土建塔柱结构的施工精度要求更高。

继长江三峡水利枢纽垂直升船机之后，金沙江向家坝垂直升船机的机型也确定为齿轮齿条爬升式加短螺杆长螺母柱的方案。正在建设中的向家坝升船机最大升程114 m，采用2×500 t级船队过坝方式，此类机型的安全经济性有待于工程投产后印证。

2.2.3 水力浮动式

水力浮动式垂直升船机是一种工作原理与钢丝绳卷扬提升式、齿轮齿条爬升式机型完全不同的新型垂直升船机。与常规机型的垂直升船机以电能作为动力驱动承船厢升降不同，水力驱动全平衡式垂直升船机是利用水能作为动力驱动承船厢垂直升降运载船舶克服水位差的通航设施。在船厢荷载发生变化时，利用平衡重浮筒淹没水深的相应变化，使船厢与平衡重浮筒之间达到新的平衡状态，解决船厢漏水等极端事故状态下升船机的安全问题。水力浮动式升船机船厢的升降过程实质上是通过输水系统向竖井充泄水的一个非恒定流输水过程，因此其主提升设备由输水系统、竖井、充泄水阀门、平衡重浮筒、卷筒装置以及连接各卷筒的同步轴、制动器等设备组成。

云南澜沧江景洪水电站垂直升船机是国内外首次采用的水力驱动式机型，通航300 t级（远景500 t级）船舶，最大升程66.86 m，带水承船厢总质量约3 150 t。输水系统采用16分支的等惯性输水系统，船厢室两侧共设有16个直径为6.5 m的竖井，同侧各竖井底部通过直径为2.5 m的管道连接，降低船厢升降过程各竖井间的水位差。升船机平衡系统的16个直径6.2 m的浮筒平衡重，充水后每个浮筒质量约418 t，浮筒通过顶部4个动滑轮悬吊，悬挂钢丝绳一端固定，另一端缠绕在主机房的卷筒上，16个直径4.2 m的卷筒位于各竖井上方的相应部位。16个卷筒用同步轴连接成矩形闭环系统，使运行转速同步，每个卷筒上设置有3对常闭式盘式制动器。输水系统上游设有3只冲水阀，下游设有3只泄水阀，用于竖井的充水和泄水。充泄水阀门均选用活塞阀，3只阀门并联布置，其中2只为直径1.6 m抗气蚀性能良好的多槽缸体活塞阀，运行时作为辅阀，通过开度的调节控制承船厢的深度，主要用于承船厢升降行程两端的加（减）速度运行段；1只为直径1.6 m E型活塞阀，运行时作为主阀，在承船厢完成升降启动的加速度段后一次操作至全开状态，或在承船厢升降行程末端进入减速运行段后一次操作至全开状态，或在承船厢升降行程末端进入减速度运行段前一次操作至全关状态。

云南澜沧江景洪水电站水力驱动式垂直升船机，在国内乃至当今世界上均为首创，设计、施工、制造、安装、调试、运行均无工程实践可供借鉴，其运行原理的先进合理性有待于工程投产运行后检验。

2.3 升船机创新技术水平

大型垂直升船机建设是一项复杂的系统工程，世界上已建成的实例为数不多，我国从20世纪90年代开始的升船机建设项目较多，以福建闽江水口水电站垂直升船机为代表的卷扬提升式机型，经过建设者们长达18年的艰苦努力，在工程建设实践中取得了多项科研创新成果。水口升船机设计方案既充分吸收了国外升船机的建设技术，又不拘于国外升船机的机型模式。在紧密结合水电站具体建设条件和我国实际技术条件，通过深入科学地分析论证选定机型和技术方案，努力做到技术上有所创新。水口升船机成功研发并应用了全平衡钢丝绳卷扬提升式机型，首次提出大比尺整体物理模型试验，研究了高塔抗震结构受力机理，采用了船厢整体浮运技术、研发了差速安全锁定装置、折叠式对接密封装置、可控平衡重装置，二级调压事故制动技术、主拖动控制技术等多项首创技术。其中 “一种垂直升船机塔楼结构”、 “一种便于人员紧急疏散的高塔结构”、 “安全锁定装置”、 “对接密封装置”等已获得国家新型专利。

2005年12月，对水口升船机建设及运行项目组织了科技鉴定，技术鉴定委员会的鉴定意见为：“在水电水利枢纽建造2×500 t级湿运全平衡钢丝绳卷扬提升式垂直升船机并成功投运，在国内外都是第一次，水口升船机建设及运行经验为国内三峡等后续工程的升船机建设提供了借鉴。水口升船机的建设及运行项目成果总体达到了国际先进水平，其中，安全锁定装置、折叠式对接密封装置和大惯量垂直提升系统二级调压事故制动控制等技术居国际领先水平”。2007年12月，水口水电站2×500 t垂直升船机的建设及运行项目获得国家科学技术进步二等奖。

我国自主创新的云南景洪升船机水力浮动式机型以及借鉴引用德国升船机技术的长江三峡齿轮齿条爬升式升船机正在建设之中，丰硕的科研成果已用于升船机设计建造中，所采用的各项技术均为国际之最。其技术难度和建设复杂性已远远突破国内外升船机建设的最高水平，展示出中国科技工作者的非凡智慧。可以预见：长江三峡升船机建成后将成为世界升船机建设史上矗立的一座丰碑，必将闪耀出夺目的光彩。

3 展望

21世纪，我国数十万公里的航道有待改善，通航建设加快。根据有关部门规划，今后主要任务有：加速开发西南地区高水头枢纽的通航建设，京杭运河、湘桂运河以及天然河流水运网建设；碍航闸坝复航和新建水利、小水电站闸坝的通航建设；黑龙江和鸭绿江等国际河流综合利用开发的通航建设。

可以预见：①随着水利水电工程建设和航运事业的发展，在水利水电工程中兴建通航建筑物将会日益增多。与在运河上修建建筑物相比，大、中型水利枢纽上的通航建筑物的建设，将是我国今后通航建筑物建设的主要对象。②为适应水利水电枢纽高水头特点，船闸设计水头将日益提高，多级低水头船闸逐渐为单级高水头船闸或垂直升船机所代替，高水头通航建筑物建设将会越来越多。③随着通航建筑物技术的不断提高，工程运行管理安全可靠性和提高效率将会更加受到重视，通航建筑物的监控等将会逐步实现自动化。

随着我国大西部河流的开发建设，高山峡谷，水位落差巨大，工程中将会遇到前人从未遇到的难题和挑战。其中，高水头水利水电枢纽的通航建设任务最为艰巨，还需要付出更大的耐心学习国外的先进技术，从类似工程中找到方法，研发出更多更好的技术成果。

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