三峡升船机发展探讨

    金卓

    摘 要：三峡升船机是目前世界上规模最大、技术最复杂的升船机，计划2015年底试运行。通过解析升船机主体部分的方案比选、主要技术参数及主体部分组成等内容，初步探讨升船机发展趋势，三峡升船机为大型升船机建设积累了宝贵经验。

    关键词：升船机 方案比选 技术参数 主体组成 有关建议

    前言

    三峡升船机布置在三峡河床左岸，距其左侧的三峡船闸约1km。三峡升船机和三峡船闸同为三峡工程的通航建筑物，是三峡工程的重要组成部分。三峡船闸已按计划建成并投入正常运行，船舶通过三峡船闸约3.5—4.0小时，船舶通过升船机仅为40分钟左右，正在建设中的三峡升船机是船舶过坝的快速通道。

    升船机由上、下闸首和船厢室，上、下游引航道等建筑物组成，升船机的上、下游引航道大部分与三峡船闸共用，线路总长约6000m。承船厢由齿轮——齿条爬升系统驱动、安全装置采用长螺母柱——短螺杆方案，最大提升高度113m，上游通航水位变幅30m，下游通航水位变幅11.8m，承船厢与厢内水体总重约16000t。三峡升船机主要特点是升程高、提升重量大，上游水位变幅大、下游水位变率大，三峡升船机是目前世界上规模最大、技术最复杂的升船机。

    三峡升船机由长江设计院与德国“Li——K&K”联营体联合设计。其中，总体设计和船厢室土建工程设计由长江委设计院负责；船厢室的金属结构和机电设备由德国“Li——K&K”联营体负责设计，长江委设计院进行复核和安全审查。至2015年2月，土建施工工程已完成，船厢结构、平衡重及齿条、螺母柱已完成安装，升船机下游围堰破堰，升船机船厢完成首次低速小行程运行试验，三峡升船机计划在2015年底试运行。

    国内外升船机

    升船机的发展已有近200年的历史，在比利时、德国等国家应用比较广泛，第一座升船机是德国在1789年建设的。垂直升船机的设计思想产生于19世纪末，德国于1894—1899年先后建成了两座提升高度14m的垂直升船机。上世纪30年代建成的德国尼德芬诺平衡重垂直升船机为第一座现代化大型升船机，安全运行至今。此后几十年来，升船机的发展又进入了一个新的阶段，工程规模越来越大，技术更为先进，形式更为新颖。目前国外已建成的升船机型式有垂直升船机及斜面升船机两大类，共60余座。国外提升高度及提升重量最大的垂直升船机为2001年投入运行的比利时斯特勒比升船机，提升高度达73m，提升重量8800t，为双线钢丝绳卷扬提升式。斜面升船机为1976年投入运行的前苏联克拉斯雅尔斯克带转盘双向斜面升船机，提升高度达101m，提升重量6700t。

    我国近代大型升船机的建设起步较晚，但发展十分迅速。20世纪50年代末，我国着手研究在三峡建设大型升船机的可行性，并在安徽寿县建成了第一座20t级小型斜面升船机。1965年，湖北省浠水县浠水白莲河升船机的建成，开始了我国在水利枢纽上建造升船机的历史。至今已建红水河岩滩升船机（提升高度68.5m，提升重量1430t）、清江隔河岩升船机（两级提升高度分别为42m及82m，提升重量1500t）、闽江水口升船机（提升高度59m，提升重量5560t）、三峡升船机、向家坝升船机等，此外还有多座垂直升船机正在设计研究中。先期建设的清江隔河岩升船机作为三峡升船机比例为1/10的试验机，为三峡升船机的建设提供经验。三峡升船机提升高度将达113m，提升重量达16000t，它的建成将为世界升船机建设树立新的里程碑。

    三峡升船机主体部分的方案比选

    三峡升船机自20世纪50年代开始研究，先后比较研究了多种方案。三峡枢纽初步设计于1993年通过审查，推荐采用钢丝绳卷扬式全平衡垂直提升式作为三峡升船机型式。原设计是三峡升船机参加三峡工程施工期通航，在临时船闸封堵期间，上游水位尚未达到135m时，升船机提前使用，以解决长江不断航问题，后因升船机技术复杂，1995年国务院三峡建设委员会（简称三建委）决定升船机缓建。

    从世界垂直升船机发展的趋势看，齿轮齿条爬升式垂直升船机和钢丝绳卷扬提升式垂直升船机，将是今后垂直升船机的两种基本型式。两种方案都属于全平衡垂直提升型式，升船机规模、功能、总体布置基本相同，主要不同之处在于升船机主体部分，船厢的驱动方式、安全保障结构型式及工作机理。钢丝绳卷扬提升方案和齿轮齿条爬升方案介绍如下：

    1、钢丝绳卷扬提升方案

    船厢完全由钢丝绳悬吊，通过卷扬机驱动升降运行，主提升机、电力拖动及控制设备布置在主机房内。主要优点是适应较大提升高度；主提升设备制造、安装难度较小；塔柱的施工精度容易保证；塔柱结构的变形对设备运行影响小；对船厢误载水深的适应能力较大；船厢与主机之间的相互影响小；关键技术问题通过科研攻关已经得到初步解决；国内有同类升船机的建设经验可供借鉴。主要困难是遇船厢漏水事故不能自行制动；对船厢液压均衡系统的工作可靠性要求高；停航期间船厢对接锁定装置需处于工作状态；对安全制动器的可靠性要求高。

    2、齿轮齿条爬升方案

    船厢驱动系统采用齿轮齿条爬升式，4套驱动机构之间通过机械同步轴连接，开式齿轮由双电机和双减速器驱动，齿轮与塔柱上的齿条相啮合，驱动船厢升降运行。主要优点是遇船厢漏水事故可按限定荷载自行锁定；主提升设备规模小、布置紧凑；船厢运行水平度较高；升船机停航期间设备处于非工作状态；可利用安全机构进行船厢检修；塔柱顶部机房设备布置简单。主要困难是主要设备的制造、安装难度较大；塔柱施工精度要求相对较高；影响驱动机构和安全机构正常运行的因素复杂；驱动机构适应船厢水深误差的能力相对较小；船厢供电技术比较复杂。

    三峡工程1986年开始的重新论证中，对以上两种型式升船机主体部分的方案进行比选，齿轮齿条爬升方案采用德国吕内堡升船机相同的方案，采用长螺杆短螺母安全装置；钢丝绳卷扬提升方案采用与比利时斯特勒比升船机相类似的方案。在论证中，多数专家认为齿轮齿条爬升方案，由于螺杆长超过100 m，直径超过1m，在国内制造安装都相当困难；钢丝绳卷扬提升方案，卷扬机国内制造比较多，技术问题相对容易解决，因此，升船机的主体部分，大多数专家同意采用钢丝绳卷扬提升方案。少数专家认为钢丝绳卷扬提升方案，安全制动系统环节太多，运行安全保障性能较差，不赞成采用这个方案。

    三峡集团公司对此十分重视，组织开展国外专题调研。了解到德国正在进行新尼得芬诺升船机的设计和研究，该升船机提升总重量9000t，与初步设计的三峡升船机提升重量接近，安全装置采用长螺母短螺杆，而长螺母短螺杆的安全装置在国内制造和安装相对容易解决。为此，三峡集团公司曾邀请德国专家来中国进行技术交流，并委托德国联邦航道工程研究院对三峡升船机主体部分进行可行性研究，可行性研究报告由三峡集团公司组织评审，评审会议认为德国方面提出的方案在结合三峡升船机实际情况进行补充完善和深化研究后，可作为三峡升船机的比选方案。受三峡集团公司的委托，长江设计院于2002年11月提出了三峡升船机主体部分的比选报告，专家组推荐采用齿轮齿条爬升、长螺母短螺杆安全保障的全平衡垂直升船机方案。这样三峡升船机主体部分长时间的方案比选终于画上了圆满的句号。2003年3月，经三峡集团公司审查通过，三峡升船机型式由钢丝绳卷扬提升式改为齿轮齿条爬升式，并上报三建委，2003年9月三建委第十三次全体会议批准了对三峡升船机型式的修改，结束了三峡升船机型式比选的漫长经历。优化方案并未改变升船机的总体布置和基本技术条件，对升船机提升方式和安全保障系统及相应部分的船厢结构和土建机构等做了修改，升船机仍属于全平衡垂直升船机。

    自2004年起，三峡集团公司组织长江委设计院和德国“Li——K&K”联营体设计齿轮齿条爬升式升船机主体部分的总体布置、机械与电气设备以及土建结构。2007年6月，编制完成长江三峡水利枢纽升船机总体设计报告，2007年7月，三建委质量专家组通过对报告的审查。

    三峡升船机主体部分简介

    通过三峡升船机过船与通过三峡船闸过船的主要不同点，是船舶在承船厢里，像坐电梯一样，被悬在空中，由机械驱动承船厢升降，以克服大坝上、下游的落差。三峡升船机备有先进的安全装置，保障船舶在空中升降的安全。三峡升船机齿轮齿条爬升方案主体部分由承重塔柱、船厢设备、平衡重系统、齿轮齿条爬升设备、长螺母柱——短螺杆事故安全装置、电力拖动以及顶部机房等组成。

    承船厢为在两端设有闸门的槽形钢结构，与平衡重之间用钢丝绳连接，分别悬挂在承重结构顶部滑轮的两侧。驱动系统由4个设置在承船厢上的齿轮和设置在承重结构上的齿条组成。事故安全系统由4个设置在承重结构上、长度可满足承船厢升降高度要求的螺母柱与4个设在承船厢上可随承船厢的升降、在螺母柱内空转的短螺杆组成。同步系统采用驱动机构，4套驱动机构之间由布置在船厢底部的机械同步轴相连接，构成刚性同步系统。每套驱动机构的小齿轮轴经机械轴、锥齿轮箱与相应的事故安全装置相连，使驱动机构与事故安全装置同步运行。平衡重系统包括平衡重组、滑轮组、钢丝绳和平衡链等设备。平衡重总重量与船厢总重量相等，约为16000t。船厢两端布置可逆泵充泄水系统来调节承船厢内水深，最大调节水深为0.6m，由可逆泵在5min内完成充泄水过程。

    有关工作建议

    1、加快研究三峡升船机适应船型

    三峡升船机设计船型为3000t客货船和1500t货驳船队，然而升船机从1993年通过初步设计审查到建设完工历时20多年，长江运输船舶船型发生了很大变化。根据长江三峡通航管理局统计分析2009年5月1日到2010年4月30日通过三峡船闸的船舶资料，目前船舶船型基本以单船为主，几乎已无升船机设计船队过坝。过坝单船平均船长72.6m，平均船宽12.5 m，其中超过60%的单船船长60 m—90 m，船宽10 m—14 m，三峡升船机每次仅能通过一艘船，升船机船厢面积利用率仅为40%左右。关于三峡升船机适应船舶类型，可以考虑优先安排执行特殊任务船舶，如军警船、载运救灾物资船舶等；其次安排运行时间要求高的船舶，如载运鲜活货物的船舶、集装箱快班轮、商品车滚装船等。长江上航行的船舶船型复杂多样，给船舶过坝调度带来了不便，建议加快研究升船机适应船型，提高升船机利用率，充分发挥好升船机快速通道的重要作用。

    2、保障船舶安全通过三峡升船机

    三峡升船机是长江船舶过坝新通道，升船机投入运行后，升船机和三峡船闸同时运行，在上下引航道内通航条件复杂，船舶进出频率高，船舶流密集，存在通航安全风险。升船机通航安全需要研究多项保障措施，建议制定通过升船机船舶的驾引操作指南，说明操作要领及注意事项，并适时组织开展培训，以保障船舶安全通过升船机。

    （作者单位：长江航务管理局）