金沙江向家壩升船機設計與運行概述

李志祥 王向輝 楊鵬

摘 要：向家壩升船機采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級垂直升船機，最大提升高度114.20m，是當今已投運升船機世界之最。2018年5月26日向家壩升船機投入試通航運行，試通航運行第二個年度貨運量就達到了設計指標，通航效益顯著，是目前國內運行最繁忙的升船機。本文概要介紹了向家壩升船機特點、主要設備、運行流程及試通航運行情況。

關鍵詞：升船機;主要設備;運行流程;試通航運行

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0049-02

向家壩升船機按Ⅳ級航道標準設計，設計代表船型為2×500t級一頂二駁船隊，同時兼顧1000t級單船。設計年過壩貨運量為112萬噸（其中下行占95%），客運量為40萬人次。

向家壩水電站通航設施主要由上游引航道、上閘首（包括擋水壩段和渡槽段）、船廂室段、下閘首和下游引航道（含輔助閘室與輔助閘首）五部分組成，全長1530m。向家壩升船機最大提升高度114.2 m，承船廂與廂內水體總重量約為8150t，正常升降速度0.2 m/s ，上游通航水位變幅10m，下游通航水位變幅 11.45m，其規模和技術復雜程度均超過了國內外已建和在建的升船機。

1向家壩升船機機型及特點

1.1? 機型的確定

向家壩升船機是電站的唯一通航設施，安全可靠性是方案比選的首要因素，向家壩升船機最終采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級垂直升船。

1.2? 向家壩升船機的特點

向家壩升船機是建設在高水頭水電站上的通航建筑物，主要具有如下特點：

（1）過船噸位大：向家壩升船機一次可以通過2×500t級船隊，兼顧1000t級單船。

（2）提升高度大：向家壩升船機最大提升高度為114.20m，是目前已投運升船機之最。

（3）上、下游水位變幅較大：升船機上、下游通航水位變幅分別為10.00m和11.45m。

（4）下游水位變率較大：由于電站單機容量大（800MW），單機引用流量大（893m3/s），機組臺數多達8臺，一臺機組的流量變化可以導致下游水位變化1.00m左右。因此，電站在調峰運行、大壩泄洪及機組甩負荷等工況時將導致下游水位在短時間內出現較大變化，升船機運行至下游時將可能遇到較大的水位變率，這也是設置輔助閘室的原因之一。

1.3? 通航條件

向家壩升船機是建設在高水頭、窄河谷、大比降河道上，通航條件要求高，見表1。

2 主要設備及功能

向家壩升船機采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式方案，其眾多設備采用更加高效、穩定的工作原理，多為國內首創，且國內外無借鑒經驗，如大型薄板雙通道箱型承船廂、楔塊自鎖縱導向機構、多油缸配合頂緊對接鎖定機構、超長距離垂直供電滑線等，提高了向家壩升船機運行的穩定性和可靠性。

上、下閘首工作閘門，閘門型式選擇下沉式平面閘門，保證升船機適應上下游水位變化。門體上部為凹槽結構，在凹槽中設置臥倒式通航閘門;在工作閘門內側設置U形對接密封裝置。同時在工作閘門門體內還設置對接充泄水系統，用于對船廂與工作閘門之間的間隙進行充（泄）水和調節船廂水深。工作閘門由雙吊點液壓啟閉機操作。

上下閘首之間是升船機船廂室段，主要由塔柱結構、船廂及船廂設備、平衡重系統等組成。船廂室段為整體式塢式結構，對稱布置4個承重塔柱筒體，總高180.50m。每個塔柱的內側布置一個凹槽，凹槽的墻壁上設有齒輪爬升的齒條和安全機構的螺母柱。同時在每個塔柱內部分別設4個平衡重豎井用于容納平衡重組件升降運行。

船廂采用盛水結構與承載結構合為一體的自承載式結構型式，由128根Ф76mm的鋼絲繩懸吊。船廂有效水域長116m、寬12m、深3.0m。船廂結構、設備和3.0m標準水深的水體總重量約8150t。船廂兩側對稱布置4個側翼平臺，在每個平臺上分別設一個驅動及安全機構室以及相應的電氣控制設備。在船廂上還設置了船廂門及其啟閉機、導向裝置、對接鎖定機構、防撞裝置以及液壓泵站等機械設備。

驅動機構采用齒輪齒條傳動方式，齒輪通過齒輪托架機構支承在船廂的側翼平臺上，齒輪托架機構可適應船廂和塔柱之間的相對位置變化，4套驅動機構通過機械同步軸軸聯結，形成封閉矩形結構機械同步系統，使 4 個開式齒輪同步爬升。安全機構采用長螺母、短螺桿自鎖方式，旋轉螺桿豎向布置在剖分式螺母柱的空腔內。螺桿的傳動系統與相鄰驅動機構的齒輪之間通過機械軸相連，使齒輪與螺桿同步升降。船廂正常升降時，螺桿在螺母柱內空轉，遇事故后螺桿與螺母柱的螺紋副間隙消失，船廂將被鎖定在螺母柱上，事故載荷通過船廂主橫梁傳遞到塔柱結構上。船廂兩端各布置一扇下沉式弧形閘門，閘門開啟后臥倒于船廂門龕內。在距船廂門兩端面4.5m處各設有一套帶液壓緩沖的防撞裝置，用于防止船舶失速撞擊船廂門。在每套驅動機構的下方，布置一套船廂橫向導向裝置，利用齒條底座板作為導軌。在正常運行工況下，橫導向機構承受運行風載荷并對船廂進行橫向導向，在地震工況下傳遞船廂的橫向地震載荷。在船廂兩側布置縱導向與頂緊裝置，在正常運行工況下，縱導向承受運行風載并對船廂進行縱向導向，在與閘首對接期間頂緊機構使船廂縱向鎖定，同時在地震工況下傳遞船廂的縱向地震載荷。在船廂兩側對稱布置4套對接鎖定裝置，用以在對接狀態下將船廂豎向鎖定，可適應船廂和塔柱之間的縱、橫向相對變位。

驅動機構電氣傳動控制采用“機械同步軸+電氣出力均衡”控制方案，采用速度、電流雙閉環無級調速控制系統結構，多電機速度環出力均衡控制方案，實現4臺電動機的出力均衡。

由于下游水位變率較大，無法滿足升船機運行技術要求，為確保升船機安全、連續運行，首次采用在下閘首下游側布置輔助閘室和輔助閘首。輔助閘首布置有防撞裝置和工作閘門。

3 運行流程

向家壩升船機可雙向運行，以上行為例，上行過壩船舶停泊于下游輔助閘室內等待進廂;壩頂活動橋開啟并鎖定，活動公路橋兩端的警示道閘關閉;船廂運行至下游對接位，對接鎖定結構鎖定，液氣彈簧泄壓，下游頂緊機構推出;下閘首密封框伸出，間隙充水;下閘首通航閘門和下廂頭船廂門開啟;下廂頭防撞裝置帶索提升，上廂頭防撞裝置無索提升，下閘首防撞梁開啟;船廂水域與輔助閘室水域連通;升船機通航信號燈“綠燈亮”，船舶可以進廂。

船舶進廂系纜、發動機熄火后，升船機進入解除對接工作流程。

下閘首通航門關閉，上下廂頭防撞吊架落，下廂頭船廂門關，下游間隙排水，上廂頭防撞鋼絲繩拉緊，下閘首密封框退，下游頂緊退回，液氣彈簧充壓，對接鎖定解鎖。船廂上行至對接位，重復以上流程，上游水域聯通后，船舶出廂，完成上行運行。

4 試通航運行

向家壩升船機從2018年5月26日投入試通航運行至今，每天運行10h。截至2020年6月30日，累計運行538天、4737廂次、通過船舶4906艘次，載貨179萬噸。向家壩升船機自開通試通航運行以來，過壩船舶及過貨量快速上升并達到飽和，通航效益顯著屬國內鮮有。5 結論

向家壩通航設施工程規模，升船機采用國內少有的齒輪齒條爬升螺母柱保安式升船機，技術復雜、運行要求高，自2018年5月投入試通航以來，已經安全運行近2年，快速增長的通航量很好的證明了其安全性能高、運行效率快、通航能力強。

但隨著運行時間的延長，升船機各類設備、設施的損耗也在累積，因此在后續升船機運行過程中還要不斷總結經驗，持續提升升船機運行維護水平，確保升船機長周期的安全穩定運行。

參考文獻：

[1]黃文利等. 向家壩水電站升船機通航驗收設計報告 長沙 中國電建中南勘測設計研究院有限公司，長江勘測規劃設計研究有限責任公司， 2019.