岩滩水力式升船机设计探讨

陈创

摘要：文章介绍了水力式升船机、下水卷扬式垂直升船机、全平衡卷扬式垂直升船机三个升船机型式方案的总体布置与结构设计，分析了各方案的优缺点，探讨了岩滩水力式升船机设计和改造的可行性。

关键词：升船机;设计;总体布置

中国分类号：U653.928+1文章标识码：A511905

0 引言

红水河属于珠江水系，是西江主流，属于国家化的“两横一纵、两网十八线”的一条内陆高等级航道。在内陆水道的整体规划中，西江航道主航道是我国三大主航道之一，北盘江-红水河是西江水系高等级航道布局“一横一网三线”中的中线过海通道;红水河流域位于云南省、贵州省和广西壮族自治区的边界，是我国少数民族地区和西南部贫困地区的集中地区。上游与广西、贵州、云南相邻，下游与澳门、香港、广东接壤，是通往中国西南部海洋的重要水道，对加强贵州、云南、广西、广东、香港、澳门的经济合作有关键的战略意义。

岩滩水电站距南宁约160 km，位于珠江水系红水河中游，在广西壮族自治区大化县岩滩镇内，是一个以发电为重点，具有船舶和灌溉等综合利用优势的大型水力枢纽工程，发电站的安装容量为1 810 MW，第一阶段设置1 210 MW，第二阶段设置600 MW。目前电站枢纽通航建筑物为1×250 t钢丝绳缠绕入水的垂直升船机。

1 项目背景

很长一段时间以来，因为基础设施发展缓慢，红水河通航功能没有得到足够的展现。在“十一五”期间，通过交通部和长江沿岸各辖区政府的一起努力，完成了大化、百龙滩、乐滩、桥巩等水电站的船舶转运设施建设，通航能力从龙滩至黔江大藤峡之间已具备了Ⅳ级航道的通航水平，为红水河全面复航提供了条件，但岩滩升船机不满足通航500吨级船舶的要求，严重阻碍西南水运出海中线通道红水河的发展，故将岩滩升船机进行改造是非常必要且紧迫的。

根據《河池市人民政府办公室关于印发河池市岩滩升船机、大化船闸改扩建项目前期工作推进方案的通知》（河政办发〔2016〕139号）要求，为了破解红水河航运瓶颈制约问题，[JP]实现红水河航道全线畅通，根据对广西主要支流船舶通过设施的复兴扩建项目预先

规划的要求，按通航500吨级（兼顾通航1 000吨级单船）标准建设完成岩滩升船机改造项目前期工作，切实发挥水运绿色环保高效节能的优势，更好地服务河池经济社会快速发展，河池市人民政府要求交通水运部门加快推进岩滩升船机改造工程并开展项目前期咨询工作。

2 工程建设规模

从红水河蔗香两江口到593 km来宾段航道，起初计划属于四级航道。当下，在贵州的红水河，已有1 000吨级船只经过了离曹营107 km的运河渡口，广西境内曹渡河口至来宾486 km已基本达到Ⅳ级航道标准。按照交通运输部《2017年珠江水运发展规划纲要》，北盘江—红水河航道从100层至石龙三江口全长741 km，重点解决龙潭枢纽通航中断问题，改善沿途水力发电厂船舶交通设施的航行条件，同时推动三级运河的建设。按照《内河通航标准》（GB 50139-2014）所做出的要求，结合珠江水运发展规划和红水河水运发展的需求，以及上游贵州已经有千吨级船舶的现状，综合考虑岩滩通航设施改造扩建的难度和成本，岩滩升船机级别按通航设计最大船舶吨级确定为Ⅲ级，一次可通行两艘1 000吨级船舶。

3 升船机型式

3.1 方案一：水力式升船机（如图1）

3.1.1 总体布置

修整后的岩滩通航建筑物包括：原中间航道、挡水坝段、原上闸首（承船厢段、原上闸首、下游引航道及新下闸首和其他）、上游引航道、新中间航道。升船机采用液压升船机，最大提升高度为70.0 m。

升船机方案如下：可移动滑轮被放置在配重浮标上，悬挂船舶用具的钢丝绳索绕着滚筒通过，绕着可移动滑轮通过，并固定于平衡重竖井上方，动滑轮与平衡重连接，平衡重总重量略大于承船厢总重量的2倍，配重的提升高度是船舶舱提升高度的一半，配重浮标在下游最大可航行水位和上游最小可航行水位之间移动。

3.1.2 升船机的机械设备设计和金属结构

本方案垂直升船机主要由上闸首与挡水坝段设备、船舶用舱及其设备、主机房设备、水力驱动系统设备、配重浮标系统、下闸首设备等组成。

3.2 方案二：下水卷扬式垂直升船机（见图2）

3.2.1 总体布置

修整后的岩滩通航建筑物包括：原中间航道、挡水坝段、原上闸首（承船厢段、原上闸首、下游引航道及新下闸首和其他）、上游引航道、新中间航道，用的是垂直升降高度最大为70 m的升船机。

3.2.2 升船机的机械设备设计和金属结构

（1）上闸首与挡水坝段设备

在大坝的升船机挡水坝段设置1扇事故闸门，闸门类型为平面固定车轮钢闸门，闸门的工作条件为动态水关闭，静水打开。选择1台2×1 250 kN龙门起重机作为开关装置。闸门通常存放在西岸的大门维修室。

新的上部闸门头极端设置了工作闸门，闸门类型为带水平闸门的凹面下沉飞机固定轮钢闸门。闸门由2×3 200 kN液压启闭机操作，可在有水条件下进行闸门高度调整。

保留原上闸首冲沙闸门下游的防撞装置及其启闭设备。

（2）主提升机设备

主提升机布置在主发动机舱中，位于船轴承舱的塔柱的上部。主提升机包括：干油润滑系统8套、平衡机8套、制动系统液压泵站8套、起重机械16套、机械同步轴系统1套和相应的电动马达、控制和测试装置，分4个区域对称布置在机房内。

卷扬提升机每一套由一个双输出轴减速器、一个630 kW交流变频电机、两个轴承座、两个卷筒组、一套工作制动器以及两套安全制动器构成。

主机房设有1台3 200 kN/2×320 kN检修桥机，用于主提升设备、上闸首工作门及其启闭机的安装和检修。

（3）承船厢及其设备

承船厢布置在承船厢室内，由192根钢丝绳悬吊。承船厢两侧与主提升钢丝绳连接处对称布置64只液压均衡油缸，每侧的油缸由布置在同侧走道板上的1座液压泵站操作，液压泵站同时还用于承船厢卧倒门、启动撞击防护装置及其安装装置。同时，照明、消防、电源、电气控制、通信和其他设备也安装在承船厢室中。

（4）平衡重系统

船舶驾驶室的总重量通过重力平衡重量和扭矩平衡重量构成的部分平衡重量来平衡，重力平衡重量合计为3 600 t，由64根钢丝绳悬吊，平衡重块分为8组。扭矩平衡重量共5 400 t，由96根钢丝绳悬吊，分为32组。在平衡重井内分别设平衡重的上、下锁定平台，并配置锁定装置。

（5）承船厢室设备

在塔柱和底板分别设承船厢上、下锁定平台，上锁定平台配有4套液压锁定设备;下锁定平台设在承船厢池底，配有锁定设备。

（6）新下闸首设备

在新的下部闸门头上配置了一个维护闸门，闸门类型是叠梁闸门。闸门的运行状态为静水启闭。选择了1个2×250 kN台车式启闭机作为开闭装置。

3.3 方案三：全平衡卷扬式垂直升船机

3.3.1 升船机总体布置

修整后的岩滩通航建筑物包括：原中间航道、挡水坝段、原上闸首（承船厢段、原上闸首、下游引航道及新下闸首和其他）、上游引航道、新中间航道，用的是垂直升降高度最大为70 m的升船机。

3.3.2 升船机的机械设备设计和金属结构

（1）上闸首与挡水坝段设备

在大坝的升船机挡水坝段设置1扇事故闸门，闸门类型为平面固定车轮钢闸门，闸门的工作条件为动态水关闭，静水打开。选择1台2×1 250 kN门式启闭机作为开关装置。闸门通常存放在西岸的大门维修室。

在新上闸首最末端设置1扇工作闸门，门型为带卧倒闸门的凹形下沉式平面定轮闸门。闸门由2×3 200 kN液压启闭機操作，可在有水条件下进行闸门高度调整。

保留原上闸首冲沙闸门下游的防撞装置及启闭设备。

（2）主提升机设备

主提升机布置在主发动机舱中，位于船轴承舱的塔柱的上部。主提升机包括：干油润滑系统8套、平衡机8套、制动系统液压泵站8套、起重机械16套、机械同步轴系统1套和相应的电动马达、

控制和测试装置，分4个区域对称布置在机房内。

卷扬提升机每一套由一个双输出轴减速器、一个160 kW交流变频电机、两个轴承座、两个卷筒组、一套工作制动器以及两套安全制动器构成。

主机房设有1台2 000 kN/2×320 kN检修桥机，用于主提升设备、上闸首工作门及其启闭机的安装和检修。

（3）承船厢及其设备

承船厢布置在承船厢室内，由192根钢丝绳悬吊。承船厢两侧与主提升钢丝绳连接处对称布置40只液压均衡油缸，每侧的油缸由布置在同侧走道板上的1座液压泵站操作，液压泵站同时还用于承船厢卧倒门、启动撞击防护装置及其安装装置。同时，照明、消防、电源、电气控制、通信和其他设备也安装在承船厢室中。

（4）平衡重系统

船舶驾驶室的总重量通过重力平衡重量和扭矩平衡重量构成的部分平衡重量来平衡，重力平衡重量合计为7 600 t，由112根钢丝绳悬吊，平衡重块分为16组。扭矩平衡重量共5 400 t，由80根钢丝绳悬吊，分为16组。在平衡重井内分别设平衡重的上、下锁定平台，并配置锁定装置。

（5）承船厢室设备

在塔柱和底板分别设承船厢上、下锁定平台，上锁定平台配有4套液压锁定设备;下锁定平台设在承船厢池底，配有锁定设备。

（6）中闸首设备

中闸首的工作门位于中间大门的顶端，即在升船机通常可航行的情况下，在下游的挡水装置。门型为带卧倒闸门的平面闸门和叠梁门的组合形式。卧倒闸门的操作条件为静水启闭，工作大门的操作条件为无水启闭。

在中闸首工作门的下游布置1扇检修闸门，用于中闸首工作门、承船厢室检修、度汛及工作门调整门高。

（7）辅助船闸设备

为了适应岩滩水电站下游通航水位的迅速大幅度变化，并确保升降装置和船舶的安全运行，提升机内主导航道之间设置辅助船闸，该辅助船闸包括辅助船闸和辅助船闸下闸。

4 方案比较及推荐方案

4.1 方案一：水力式升船机

主要优点：

（1）承船室直接与下游水道相通，不与下闸首对接，能适应下游水位变幅和变率。

（2）提升系统的安全性和防止事故的能力很高，即使船舶用舱发生漏水事故，液压船的升降机也能够保持系统平衡，即使船舶用舱内的所有水域都是空的，平衡关系也不会破坏，有可能正常上升和下落。

（3）提升系统为全部扭矩平衡重量平衡，卷筒直接同步升降，液压驱动，使升船机升降过程更加可靠平稳。

（4）液压驱动代替了主起重电机及其电气控制装置、大型扭矩减速机及其润滑系统等的电气驱动。主发动机舱的起重机构只有滚筒和机械同步装置，因此发动机舱的布局非常简单，控制简单，操作更可靠，安全。

（5）承船厢直接下水运行，由于没有承船厢与下闸首工作闸门对接过程，且不需要设置辅助船闸及其辅助工作闸门，因此船舶过坝时间较短。

（6）下部闸门头的巨大金属结构装置和复杂的机械设备被省略，操作连杆减少，不存在下部闸门头工作闸门（包括水的充电和排出装置、液压泵站及其他设备）季汛的技术问题，安装、维护、大修作业，利于运行管理。

主要缺点：

（1）与电力驱动相比，水力驱动需增加水力驱动系统的金属结构设备工程量（如压力钢管、拦污栅、充泄水工作阀、充泄水事故阀、阀室检修桥机等），其金属结构总工程量与相同规模的下水卷扬式升船机相当。相应增加这些设备的安装、维护和检修工作环节。

（2）对于大型水力式升船机，存在水力驱动系统和竖井的水力学、承船厢运行准确停位控制等关键技术问题，需下阶段深入研究落实。

4.2 方案二：下水卷扬式垂直升船机

主要优点：

（1）承船室直接与下游水道相通，不与下闸首对接，能方便地适应下游水位变幅和变率。

（2）主提升机具有较高的安全性和防事故能力，设备足够的制动能力能保证承船厢在水漏空的情况下处于安全。

（3）扭矩平衡重量占有很大比重，重力平衡重量小于承船厢自重，因此承船厢稳定性好。

（4）承船厢直接下水运行，由于没有承船厢与下闸首工作闸门对接过程，且不需要设置辅助船闸及其辅助工作闸门，因此船舶过坝时间较短。

（5）下部闸门头的巨大金属结构装置和复杂的机械设备被省略，操作连杆减少，不存在下部闸门头工作闸门（包括水的充电和排出装置、液压泵站及其他设备）季汛的技术问题，安装、维护、大修作业，利于运行管理。

主要缺点：

（1）因为仅仅能采用部分平衡，所以主提升机具有大规模和大的提升力，载荷变化大，主提升机传动荷载大，设计难度大，制造、安装难度大，重量亦重，其额定功率为16×630 kW，额定提升力为40 600 kN。

（2）能源消耗、高昂的运营成本和复杂的电力推进技术。

（3）主提升机减速器的制造及加工工艺的关键技术问题尚有待下阶段深入研究落实。

4.3 方案三：全平衡卷扬式垂直升船机

主要优点：主提升机规模小，提升力小，载荷变化小，主提升机传动荷载小，设计难度小，制造、安装难度小，重量亦輕，其额定功率为8×160 kW，额定提升力为4 000 kN。

主要缺点：

（1）电站调峰运行时段下游通航水位变化快，为了确保船的升降机和船的安全，必须在下闸门头安装辅助工作闸门和启闭机。

（2）由于下游水位变化速率较大，卧倒闸门适应能力有限，必须频繁地操作调整工作大门，影响升船机通航时间。

（3）全平衡垂直升船机的承船舱内有许多辅助设备，与下闸首的对接动作复杂，船舶过坝时间较下水式升船机长。

（4）下闸首工作闸门高达20.1 m，自重大，上部工作大门启闭机容量达2×1 000 kN，若采用台车式启闭机，因闸门吊点距船厢端部1.75 m左右，布置大型移动式启闭机难度很大。

（5）悬架期间，船舶轴承舱的对接锁定装置应置于工作状态，船舶用具大修时需设置锁定装置。

（6）发生事故时，承船厢不能自行上锁，万一发生漏水事故，升船机的安全制动系统需借助检测和监控系统进行制动操作，过程环节较多，及时性和可靠性受影响。

（7）在洪水期，当下游水位超过塔柱及下闸首的挡水高程时，平衡重井、承船厢室、下游工作闸门会被水淹，在上述三处所布置的机械和电气设备等必须考虑此不利因素。

三方案比较如下页表1所示。

①采用水力驱动，总工程量与方案二相当;

②提升系统为全部转矩平衡重平衡，卷筒直接同步提升，具有很高的安全性和防事故能力，运行过程更加平稳、可靠，机房布置简约、控制简化[]①电力驱动，设置有主提升机，采用部分平衡配置，主提升机规模大，机房布置拥挤，电控设备多而复杂;

②安全性、防事故能力和运行的稳定性略低于方案一[][]①采用部分平衡配置方式，承船厢可以入水运行;

②承船厢的安全性和稳定性相对较高，此外，运输船进水可以方便地适应下游水位的幅度和可变性[]①采用完全平衡的配置模式，主提升设备规模小，设备易制造安装;

②承船厢的安全性和稳定性不及方案二

方案一优于方案二[][]方案二优于方案三

综合上述比较，推荐方案一（水力式升船机）。

5 结语

通过方案比选，可得水力式升船机方案为岩滩升船机改造的推荐方案。虽然目前水力式升船机尚无设计规范，但其组成系统：水力系统、机械系统、土建结构、电气系统、辅助系统等均有相应的规范和标准，设计中可按现行有关规范进行选型、设计，不存在制约性的重大技术问题。与此同时，我们国家拥有第一架完全独立的知识产权的新型船升船机，并且已经投入了使用，为以后同类高坝通航升船机的新建、改造等工程提供了宝贵的成功经验，由此可以得出岩滩水力式升船机改造设计是完全可行的结论。

参考文献：

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