國內外升船機施工技術發展概況

【摘要】隨著我國西部水電開發的大力實施，將有一批升船機工程需要開發建設，另一方面由于工程建設環境日益復雜、工程建設技術標準不斷提高，對升船機工程的施工技術也提出了更為嚴格的要求。本文首先回顧了國內外升船機的建設情況，并在此基礎上系統總結了針對船廂結構動力特性及船廂水力學、塔柱結構、提升設備和安全制動技術、升船機運行控制系統等方面的研究成果與研究現狀。同時，結合我國升船機建設規模與建設難度越來越大的實際情況，提出了升船機局部受力安全、復雜埋件設計與施工工藝等幾個值得繼續深入研究的問題，以期為我國升船機的建設發展提供參考。

【關鍵詞】水利樞紐；通航措施；升船機；施工技術

1、前言

升船機在過壩時具有不耗水、過閘時間短等優點。與其它通航措施相比，在高水頭水利樞紐中采用升船機解決高壩通航問題具有極大的優勢。在20世紀的前40年，世界上主要以垂直升船機為主，斜面升船機較少。民主德國在1936年和1938年分別建成了尼德芬諾平衡重式升船機和羅特塞浮筒式升船機。這兩個升船機的建成，標志著升船機的建設和發展達到了一個新的階段和水平。從20世紀50年代開始，各國相繼對升船機進行了深人廣泛的研究，取得了許多重要成果，并先后建成了西德的新亨利興堡雙浮筒垂直升船機、比利時的隆庫爾縱向斜面升船機、法國的阿爾茲維爾橫向斜面升船機以及蘇聯的克拉斯諾雅爾斯克縱向斜面升船機。這些升船機的建成極大的促進了升船機技術的發展，代表了當前世界升船機的發展水平。

我國的升船機技術經過50多年的發展，已取得了舉世矚目的成就。21世紀以來，一批垂直升船機的成功建設和安全運行標志著我國升船機技術整體上達到了國際先進水平。隨著我國對西部地區開發力度的加大和西電東輸的實施，水能資源開發勢在必行，解決高壩通航問題作為水資源綜合利用的重要組成部分顯得愈為迫切和重要。本文對國內外升船機的發展進行了簡單回顧，重點對升船機的建設情況、升船機技術發展現狀和關鍵問題進行了總結，同時也對我國升船機的發展提出建議。

2、國內外升船機發展概況

2.1 國外升船機發展概況

德國已建成的最大的垂直升船機為呂內堡平衡重式垂直升船機，該升船機于1975年建成，采用雙線并列布置，各自獨立運轉。升程為38m，船廂有效尺寸為100×12×3.5m（長×寬×水深），船廂加水重為5700t，由同樣重量的平衡重完成平衡，平衡重與船廂由240根直徑54mm的鋼絲繩通過導向滑輪相連。滑輪直徑3.4m，平衡重由預制混凝塊制成，總比重為3.58t/m3。船廂由4×160kw電機驅動，升降速度為0.21m/s，加速度為+0.12m/s2。該升船機可通過1350t的船舶，單線年通過能力為1010萬噸。升船機全部鋼結構及機械設備總重約8300t。該升船機從建成至今運行情況良好。

世界上規模最大的斜面升船機是1968年蘇聯建成的克拉斯諾雅爾斯克縱向斜面升船機。它克服的水頭為101m，提升高度最大為118m，最大可通過1500t的船只，船廂尺寸為90×18×3.3m（長×寬×水深），船廂加水重為6720t。表1列出了國外大型升船機的主要參數。

2.2 我國升船機發展概況

我國升船機的建設開始于50年代后期，同時建設規模也較小，多數為50.00噸以下的小型斜面式升船機。1964年，我國第一臺小型干運斜面升船機在大通堰建設成功，它由北京起重所聯合浙江寧波堰閘運輸社共同設計研制。1965年，我國第一座濕運斜面升船機在安徽省壽縣建成，它由一臺180kN拉力的卷揚機提供動力，但是就當時國際升船機建設水平來看，其整體技術還是比較落后。同年，湖北省烯水縣建成的烯水白蓮河升船機，真正開啟了我國在水利樞紐上建造升船機的歷史。

隨著我國工業現代化水平不斷提高，在一些大中型高水頭水利樞紐上相繼建設了一批技術含量高的現代化升船機，其工程規模越來越大，建設技術也越來越先進，我國升船機的建設取得了舉世矚目的成就。先后在廣西紅水河上的巖灘、福建閩江上的水口、湖北清江上的隔河巖和高壩洲等水利樞紐上建設了一批大中型垂直升船機。2000年交付使用的巖灘升船機最大提升高度為68.5m，設計通航250t駁船。該升船機是鋼絲繩提升、部分平衡、濕運、船廂下水式垂直升船機，同時采用先進的機械設備、監控系統、液壓均衡與調平系統，為我國垂直升船機的建設和發展提供了借鑒。2002年在福建閩清縣境內建成了世界第一座全平衡鋼絲卷揚式垂直升船機，最大提升高度為59m，總提升重量為5500t，可通航500t的船舶。目前，正在建設的三峽和向家壩升船機，均采用齒輪齒條爬升方案和螺母螺桿安全裝置。采用齒輪齒條爬升、螺母螺桿安全保障系統的升船機在國內沒有先例，雖然在德國已有應用，但都僅運用于水位變幅小的運河上，提升高度和提升重量都與三峽升船機無法比擬，因此建設難度非常大。此外正在設計和擬建的還有構皮灘、思林、百色、龍灘等大型升船機工程。隨著我國西部大開發戰略的實施，交通運輸更是開發的重點，西部很多河流如瀾滄江、金沙江、嘉陵江、西江、鳥江、紅水河、南北盤江等正處于梯級開發中，一大批航電樞紐亟待興建，升船機應用前景十分廣闊。

3、我國升船機技術的研究現狀

隨著我國水電事業的發展，近年來建設了一批現代化的中型垂直升船機，在此過程中對塔柱、提升設備和事故安全裝置等技術難題進行了研究，在關鍵技術上實現了較大的突破。

3.1 塔柱結構研究

塔柱形式一般有全筒式、開敞筒體式、筒體箱梁式及墻筒式。開敞筒體式塔柱溫度效應有明顯改善，但受風時，渦流最亂，體型系數也最大，抗扭性能較弱；筒體箱梁式塔柱橫河向迎風面較小，可改善風對塔柱的不利影響，自重也較輕，可節約工程量，有利于抗震，承船廂采光和通視效果也較佳，但大跨度必須施加預應力，施工工藝較復雜，同時在總體上，結構體型比較單薄，地震時結構模態十分復雜，對上部機房抗震不利；墻筒式塔柱受風面積和墻體的風振脈動效應最大；全筒式塔柱橫河向迎風面較大，但剛度也較大，結構整體穩定性較好，抗震性能也較好，在龍灘和三峽均采用全筒式塔柱。

升船機塔柱作為承船廂、平衡重、提升設備及機房的主要支撐結構，受力復雜，目前國內外尚無相應的規程規范可作為設計依據，計算參數也不明確。而且，塔柱為高空薄壁結構，對抗震性能要求高，分析和設計相對困難。張艷紅等采用數值模擬的方法，研究三峽升船機結構的動力特性、結構的加速度與位移反應、墻體應力與聯系梁內力反應，同時還分析比較了多種因素對船廂與塔柱之間地震耦合力的影響。錢向東等采用基于塑性極限理論的彈塑性極限平衡法對三峽升船機上閘首—基巖的整體穩定性進行了研究，該方法以逐漸降低材料強度來逼近系統的極限平衡狀態，以塑性區的貫通表示系統的臨界失穩狀態，無需事先確定滑裂面，適合于復雜基巖的穩定性分析。

3.2 提升設備和安全制動技術的發展

我國在“七五”和“八五”期間對鋼絲繩卷揚式全平衡垂直升船機的上下閘首的閘門和啟閉機械的布置、升船機承船廂、提升機械的關鍵設備、專用鋼絲繩、平衡重結構、電力拖動和自動控制系統等各項技術進行了深入研究。長江水利水電科學研究院對承船廂、主提升機械、電力拖動等設備的相互耦合作用以及運載船只過壩過程的升船機整體動態特性進行了物理模型試驗，取得了較豐富的試驗研究成果，為升船機的設計提供了科學依據。

3.3 升船機運行控制系統的研究

升船機的安全運行除了本身設備的安全可靠外，還需通過輔助設備來監控。一般的升船機電氣控制方式以計算機監控為主，現場手動控制為輔，主控級與現地控制級的通信采用雙綱冗余結構。當工作站發生故障時，操作員可無擾動地代替其工作，直到故障排除，回復到熱備狀態。為此西安交大等多所高校和科研單位對升船機的電氣系統和監控系統作了較為深入的研究。

4、升船機設計中尚待進一步研究的關鍵問題

鋼絲繩卷揚式垂直升船機和齒輪齒條爬升驅動式垂直升船機在國外都有成功應用的經驗，但是與正在修建的三峽升船機和向家壩升船機相比，其建設規模、提升重量、提升高度、運行工況條件均不可比擬。可以說三峽和向家壩升船機的技術難度是前所未有的，設計、制造、安裝、運行等建設全過程充滿了探索性和挑戰性。需要進一步研究的主要問題有：

（1）升船機局部受力安全問題。有必要對采用齒輪齒條爬升的短頭螺栓與塔柱混凝土的接觸問題以及升船機地震鞭梢效應等作全面分析。

（2）機械設備的設計、制造與安裝。升船機的機械部分包括主提升系統、承船廂及其設備、平衡重系統及其輔助設備和金屬埋件等。目前國內升船機的主機驅動電機、鋼絲繩和齒輪爬升系統等均是國外進口，因此在自主創新方面還有很多工作要做。

（3）優化塔柱大體積混凝土薄壁結構形式。塔柱一般分為全筒式、開敞筒體式、筒體箱梁式和筒墻式，它們的受力特性各有特點。為了節省材料并利于抗震，可采用變截面塔柱，但變截面增加了施工的難度，因此結構的優化尤為重要。

（4）復雜埋件設計與施工工藝。對于正在建設的三峽升船機，二期混凝土施工完成的預埋件鋼結構起到把事故狀態時短螺桿所施加的荷載傳遞到鋼筋混凝土結構上的作用，是整個安全機構傳力過程的核心部分，因此要求預埋構件連接強度要滿足設計要求。

（5）土建結構與機械運動協調性研究。齒輪爬升對土建結構與機械的協同性要求很高，當風荷載及溫度變化導致承船廂兩側塔柱之間的間距發生變化，從而會導致爬升齒輪不能正常齒合，因此如何解決上述問題值得進一步研究。

（6）升船機安全運行可靠性研究。升船機的安全不僅關系到國家的財產更關系到人民群眾的生命安全問題，是設計首先要考慮的問題。目前我國較成熟的方案是盤形安全制動裝置，在巖灘、水口、隔河巖和高壩洲等工程中積累了經驗。但該安全制動裝置形式在國內的應用經驗還不夠成熟。

5、結語

隨著西部大開發的進行以及科學技術的進步，我國升船機建設數量也將會越來越多，升船機設計、制造、安裝技術將得到進一步提高，升船機在西部水資源開發中將發揮越來越大的作用。三峽升船機的建設及一大批大中型升船機的運行，標志著我國升船機施工技術整體上達到了國際先進水平，同時也對相應的設計標準、維護管理措施提出了更高的要求。但目前我國在升船機設計規范及維護管理方面的技術標準的建立還有所滯后，急需制定相應的規范、規程以指導設計、施工和管理，提高升船機的設計、管理及維護水平，保證升船機的順利建設和安全運行。

參考文獻：

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