向家坝升船机辅助闸室设计介绍

郝寅生 黄仁辉 陆海洋

摘 要：本文从向家坝升船机布置位置及周边环境和向家坝水电站下游近坝河段非恒定流水力学模型试验分析结果得出辅助闸室设计的必要性。介绍辅助闸室相关技术参数，辅助闸首设备设施的组成，辅助闸室投运时船舶过机流程等内容。

关键词：辅助闸室;辅助闸首设备;升船机;向家坝

中图分类号：U642           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0073-03

通航建筑物有船闸和升船机两种基本型式，中国现有升船机60多座，主要分布于浙江、湖南、湖北等12个省，升船机相比船闸拥有快速通过的特点，在国内应用较为广泛，尤其是内河发达的欧洲。最早的机械化升船机是1788年在英国开特里建造的斜面干运升船机，现代化大型升船机出现在20世纪。自1934年在德国建造了尼德芬诺垂直升船机以来，升船机发展到一个新阶段，提升的船舶吨位显著增大，提升高度增加，类型不断增多，目前全球最大的升船机是三峡升船机，全球单级提升高度最大的升船机是向家坝升船机，全球多级提升高度最大的升船机是构皮滩三级升船机。升船机的建筑物布置通常由上游引航道，上闸首，船厢室段，下闸首和下游引航道五部分组成，向家坝升船机作为金沙江下游唯一的通航建筑物，因其环境和位置的特殊性，为保证船舶通航安全，设置辅助闸室，这是区别与大多数升船机的特殊建筑物。

1 向家坝升船机

向家坝水电站位于云南省与四川省的金沙江下游河段，上距溪洛渡157公里，下距水富城区1.5公里，距宜宾市区33公里，是金沙江水电基地最后一级水电站。向家坝所处金沙江河段为通航河段，通航里程上至新市镇，下至宜宾市，全长105公里，航道等级为V级，升船机按Ⅳ级设计，同时兼顾1000t级单船过坝，采用一级全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机，最大提升高度114.2米，最大过坝船队为2*500t级一顶二驳船队，运行风级≤6级，能见度：上行≥500m，下行≥1000m。上游最高通航水位为380m，即水库正常蓄水位，最低通航水位370m，上游通航水位变幅10m。下游最高和最低通航水位分别为277.25m和265.8m，下游通航水位变幅11.45m，向家坝升船机的船厢升降速度为12m/min，船厢有效水域尺寸116*12*3，通航净空10m。

向家坝升船机布置于河道左侧，其中心线与坝轴线交角 90°，左、右分别与冲沙孔坝段和厂房坝段相邻，主要由上游引航道（包括钢质趸船、连系墩及钢质浮堤）、上闸首（包括挡水坝段和渡槽段）、船厢室段、下闸首和下游引航道（含辅助闸室与辅助闸首）等五部分组成，全长约 1530m。其中，为满足升船机在下游水位变率较大工况下安全、连续运行的需要，在下闸首下游侧布置辅助闸室和辅助闸首。设计要求当下游水位变率在 20min 内达到或超过 0.5m 时，要使用辅助船闸，以保证升船机对接安全。

2 辅助闸室

2.1 辅助闸室结构参数

辅助闸室总长118.00m，沿纵向分为6个结构段，闸室有效尺度为120.0m×24.0m（长×宽）。辅助闸室为分离式结构，左、右边墙顶高程分别为 281.500m和 286.400m，底高程均为 258.000m，结构高度分别为 23.500m 和 28.400m。辅助闸室底板顶高程为 260.500m，厚 2.50m。辅助闸首设在辅助闸室下游侧，长 20.00m，航槽宽 24.00m，底板顶高程 260.500m，采用分离式结构。边墩顶高程 296.000m，建基面高程 256.500m，結构最大高度 39.50m。辅助闸首布置有防撞装置和工作闸门。

2.2 辅助闸室设计原因

向家坝升船机建筑物设计区别于三峡升船机为辅助闸室，三峡升船机下游引航道右侧主导航墙全长约4286m，主导航墙将主河道与下游引航道隔开使得其下游引航道水位变化受主河道三峡电站出库流量变化影响较小，左侧有山体与三峡五级船闸隔开。而向家坝下游引航道主导航墙总长658m，主导航墙下游末端即为升船机口门区，属于向家坝电站下游河段水流状态最为复杂区域，受电站出力变化，造成下游引航道水位变化较大，严重影响升船机下游对接期间的安全运行，根据向家坝水电站下游近坝河段非恒定流水力学模型试验结果表明：

（1）向家坝电站日调节过程中枢纽下游近坝河段的水流条件发生了明显变化，与电站负荷变化相一致，水位变幅、流速、比降等每天出现一次峰值，沿程各断面水位日变幅为 3.28m～6.22m（横江口～下引航道口门区），小时最大变率为0.80m～1.18m，瞬时最大比降为 0.79‰～0.61‰，最大流速为 2.42m/s～2.28m/s，日调节过程中除下引航道口门区水流较为紊乱和引航道内存在明显的往复流外，其余河段无明显的涌波涌浪及碍航流态产生。

（2）泄洪工况采用在稳定基流条件下突然泄洪方式进行模拟，泄洪过程具有下泄流量较大、流量增幅较快的特点，在大坝泄洪过程中，电站下游近坝河段水位迅速上涨，随之出现大流速和陡比降，流态更加紊乱，水面波动剧烈，通航条件严重恶化，对船舶航行的影响程度远大于电站日调节非恒定流。届时船舶将无法进出升船机承船厢，正常航运受到严重影响。

（3）向家坝电站事故工况下，升船机下闸首处水位变率较大，小时变率和 15min 变率分别达到2.43m～2.90m 和0.95m～1.89m。这时船舶已不能安全进出升船机承船厢。

故在下闸首和下游引航道之间设置辅助闸室，将船厢与下游水位对接处的水面与下游主河道水面隔开，不受下游水面波动的影响，保证升船机的对接安全。同时确定辅助闸室与辅助闸首的最大运行水头为 3.0m。采用门下输水方式，没有另外设置输水系统。考虑到辅助闸室内没有设备需要检修，也没有输水系统，辅助闸室与辅助闸首不设置检修工况。辅助闸首只布置了一道工作门和一道防撞装置。

2.3  辅助闸首设备

辅助闸首设备由辅助闸首防撞装置及启闭机、辅助闸首工作闸门及启闭机、辅助闸首控制站，水位监测装置组成。

2.3.1 辅助闸首工作闸门及启闭机

辅助闸首工作闸门设于辅助闸首中部位置，用于下游非恒定流条件下升船机的安全、连续运行，闸门采用平面定轮型式，由辅助闸首顶部钢排架上的 2×2500kN 固定卷扬式启闭机操作。闸门由布置在闸顶锁定装置锁定。闸门上设置 6 个手工操作闸阀，用于启闭机事故情况下闸门的平压。闸门静水闭门，启门小开度提门充水，平压后静水启门。启闭机和闸门装置锁定均能够现地控制和远方集中控制。

2×2500kN 固定卷扬式启闭机主要由由电动机、制动器、减速器、卷筒装置、钢丝绳、滑轮组、机架、钢排架、机房、检修吊等组成。

2.3.2 辅助闸首防撞装置及启闭机

辅助闸首防撞装置设在辅助闸首上游侧，防撞钢丝绳横跨辅助闸首航槽，航槽宽度 24m，用于保护辅助闸首工作闸门免受船舶的撞击。当船舶撞击钢丝绳时，钢丝绳产生张力并传递至碟簧缓冲装置，通过碟形弹簧的压缩，缓冲并吸收撞击能量。防撞装置工作时，其中心位于通航水位以上0.50m，过船时，防撞装置底部位于通航水位以上 10m ， 满足通航净空要求。防撞装置由辅助闸首顶部钢排架上的2×200kN/2×300kN 固定卷扬式启闭机操作能够现地控制和遠方集中控制。

2×200kN/2×300kN固定卷扬式启闭机主要由电动机、制动器、减速器、卷筒装置、钢丝绳、滑轮组、机架、钢排架、机房等组成。

2.3.3 辅助闸首控制站

辅助闸首控制站主要用于：下闸首防撞梁、辅助闸首防撞梁、辅助闸首工作门、通航信号灯等进行操控，并负责采集控制对象运行状况，以及船舶探测、辅助闸首水深等信息。

辅助闸首控制站主要实现下闸首防撞梁启闭机、辅助闸首防撞梁启闭机、辅助闸首工作门启闭机等机构的操作控制，航道水位检测控制、通航灯控制按等功能。

辅助闸首控制站采用冗余 PLC 系统完成现场设备状态检测、逻辑控制，同时通过双环工业以太网与计算机监控系统操作员站、流程控制站、安全控制站等通信。辅助闸首 PLC 控制站包括 1 个冗余热备的 CPU 主站、2 套远程 I/O 站和 3 个操作面板。主站与每个部位 I/O 站之间采用冗余通信，每个部位内部采用冗余电气总线网通信。操作面板与 PLC 控制系统主站通信。

2.3.4 辅助闸室水位监测

辅助闸首布置 2 个水位测井，每个水位测井均布置激光水位计和吹气式水位计两种不同工作原理的水位测量装置，共 4 套。水位测量装置量程范围为15m±10mm。激光水位计均采用 DME5000 激光水位仪，吹气式水位计采用 W2Q 吹气式水位计。

3 辅助闸室投运过机流程

3.1 单级垂直升船机正常过机流程

升船机的过船正常运行流程分上行和下行，上行与下行过程相反。

上行时，船厢内水面与下游辅助闸室水面齐平，船舶自下游辅助闸室上行进入船厢并系缆后，关闭下闸首通航闸门;启动下闸首工作闸门内可逆水泵，调节船厢水深后水泵停机;关闭下游船厢门;泄下游间隙水;泄水完毕后，退回下闸首工作闸门间隙密封框;退回船厢对接锁定机构;启动船厢驱动机构的电气传动系统，使船厢上升运行;当船厢内水面与上游航道水面齐平后，停止运行;推出船厢对接锁定机构;推出上闸首工作闸门间隙密封框;充上游间隙水;间隙水与船厢水面齐平后，开启上游船厢门和上闸首通航闸门;船舶解缆上行离开船厢，上行运行流程结束。

上行运行流程结束后转入下行流程运行。

3.2 辅助闸室投运过机流程

上行时，下闸首通航闸门处于关闭到位状态，辅助闸室水面与下游航道水面齐平，船舶自下游航道上行进入辅助闸室并系缆后，关闭辅助闸首工作门，同时，落下辅助闸首防撞装置、开启下闸首防撞装置。船舶等待上行过升船机。

下行时，船舶在辅助闸室内系缆，且下闸首通航闸门关闭到位，小开度开启辅助闸首工作门充泄水，同时开启辅助闸首防撞装置;待辅助闸室水面与下游航道水面齐平后，全开启辅助闸首工作门，船舶解缆下行离开辅助闸室。

2018年12月23日，向家坝升船机在下游对接期间，辅助闸室未投入运行，电站进行负荷调整时，造成船厢水深发生波动，进而引起安全机构动作。经统计分析，电站进行单台机组负荷调整时（约600MW），通常负荷调整时间为30min，但因为水流传递效应，影响升船机下游引航道水位变化持续近90min。当时下游引航道水位5min水位变幅达0.265m，40min水位变幅达0.6m，虽未达到辅助闸室投运设计标准，但依然引起安全机构动作。所以，根据船舶调度经验，当电站进行负荷调整时，提前将上行待机船舶调入辅助闸室等待过机，落辅助闸首工作门，下行船舶停靠辅助闸室与上行船舶进行错船调度，待调峰影响期结束后，下游水位波动较小时，提辅助闸首工作门，将下行船舶调离升船机区域，有效地避免了下游引航道水位波动影响船厢水深，降低升船机下游对接风险。

通过调整辅助闸室投运规则，自2018年12月23日至今，未发生过一起因下游引航道水位波动造成船厢安全机构动作的不安全事件。

3 结语

向家坝升船机2018年5月26日正式试通航，截止2020年4月30日已连续安全运行987天，试通航期间辅助闸室单日投运最高3次，最低1次，有效地避免了因电站调峰等因素造成下游水位变化影响船舶安全过机的情况，也发生过未及时投入辅助闸室造成船厢安全机构动作的情况，进而再次验证向家坝升船机设置辅助闸室的必要性。