古思思 孟慶峰

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 長(zhǎng)沙市 410014）

向家壩工程位于金沙江下游，是金沙江下游梯級(jí)開發(fā)的最后一個(gè)梯級(jí)。壩址位于四川省宜賓縣和云南省水富縣交界的金沙江河道上，距離水富縣城約1km，距宜賓市約33km。

向家壩所處河段為通航河段，通航里程上至新市鎮(zhèn)，下至宜賓市，全長(zhǎng)105km。運(yùn)輸量的90%為下行運(yùn)輸。1996年在北京召開的金沙江向家壩、溪洛渡水電站預(yù)可行性報(bào)告審查會(huì)議上，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)向家壩水電站航運(yùn)過(guò)壩建筑物按IV級(jí)航道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)船型為2×500t（1船2駁）船隊(duì)，設(shè)計(jì)年過(guò)壩貨運(yùn)量為112萬(wàn)t（下行占95%），客運(yùn)量為40萬(wàn)人次。

由于向家壩所處河段對(duì)金沙江內(nèi)河運(yùn)輸意義重大，因此，需要合理選擇設(shè)計(jì)過(guò)壩通航建筑物。過(guò)壩通航建筑物一般分為升船機(jī)和船閘，本文先針對(duì)向家壩的工程特性比選了升船機(jī)和船閘，在確定了升船機(jī)后，對(duì)升船機(jī)的選擇與設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 升船機(jī)方案和船閘方案的比選

我國(guó)水利水電工程中使用的過(guò)壩通航建筑物主要有兩種形式：船閘和升船機(jī)。船閘主要利用調(diào)整上下游各閘室水位的方法，使船舶或者船隊(duì)通過(guò)航道上集中水位落差。升船機(jī)[1-3]則與船閘不同，是利用升降承船廂的方法使船舶或船隊(duì)通過(guò)航道上的集中水位落差。根據(jù)向家壩電站的特點(diǎn)，對(duì)船閘和升船機(jī)進(jìn)行比選。向家壩工程位置如圖1。

圖1 向家壩工程位置圖

由于向家壩電站通航建筑物需要跨越114.2m水頭，所以不管是修建船閘還是升船機(jī)，其技術(shù)難度都很大，都需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。

船閘方案包括二級(jí)船閘帶中間渠道方案、三級(jí)船閘帶中間渠道方案、四級(jí)船閘帶中間渠道方案和五級(jí)船閘方案等。按照國(guó)內(nèi)外當(dāng)今船閘建設(shè)慣例，船閘單級(jí)的工作水頭不超過(guò)50m，則上述方案中除了連續(xù)五級(jí)船閘方案外，其余方案均需設(shè)置調(diào)節(jié)水池，增加了工程量和施工難度。因此，五級(jí)船閘方案為船閘方案中的優(yōu)選方案。

升船機(jī)方案則主要有包括一級(jí)升船機(jī)方案與二級(jí)升船機(jī)帶中間渠道兩種。由于一級(jí)升船機(jī)工程量較小，且運(yùn)行簡(jiǎn)單，則一級(jí)升船機(jī)方案為升船機(jī)類方案的優(yōu)選方案。

2 升船機(jī)型式及水工建筑物選擇與設(shè)計(jì)

向家壩通航建筑物選定為一級(jí)垂直升船機(jī)方案后，需要對(duì)升船機(jī)形式選擇進(jìn)行分析，以確保向家壩的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

2.1 向家壩升船機(jī)水工建筑物布置設(shè)計(jì)

一級(jí)垂直升船機(jī)有很多種形式，如鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)、齒輪齒條爬升式升船機(jī)、浮筒式垂直升船機(jī)和水力浮動(dòng)式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機(jī)等。升船機(jī)型式多樣，但其水工建筑物的構(gòu)成基本相同。主要由五部分構(gòu)成，分別是：上游引航道、上閘首、承重塔柱及承船廂室、下閘首和下游引航道。向家壩水電站升船機(jī)上述五部分總長(zhǎng)約1530m。向家壩擬定升船機(jī)水工建筑物布置如圖2。

圖2 向家壩升船機(jī)水工建筑物布置圖

向家壩水電站升船機(jī)上游引航道為向左側(cè)單向擴(kuò)寬的不對(duì)稱型式。引航道底高程為367.50m，左側(cè)布置輔導(dǎo)航墻，為從擋水壩段伸出的懸臂結(jié)構(gòu)；右側(cè)則為浮式導(dǎo)航墻。

向家壩上閘首的擋水壩段沿升船機(jī)中心線長(zhǎng)115.5m，寬29.6m，位于壩塊上的通航孔口寬度為12m。通航孔口的上游側(cè)設(shè)防洪檢修閘門一道，供升船機(jī)檢修和庫(kù)水位超過(guò)上游最高通航水位380.00m時(shí)擋水用。

塔柱為承船廂、平衡重系統(tǒng)及廠房等的承重支承結(jié)構(gòu)。向家壩水電站升船機(jī)塔樓段總長(zhǎng)116m，總寬46m，塔樓頂、底高程分別為392.00m和240.00m，為薄壁鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)。

下閘首為整體塢式結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度為40m，中間通航孔口寬度也為12m。為了適應(yīng)下游水位變化，滿足不同通航水位運(yùn)行的要求，工作閘門仍為下沉門形式，其上部仍為臥倒式通航閘門。同時(shí)，為保證升船機(jī)在下游水位變化率較大時(shí)仍能安全連續(xù)運(yùn)行，在下閘首下游設(shè)置輔助工作閘門，與下閘首工作閘門之間形成輔助閘室，將下游水位擋在輔助閘室以外。

下游引航道采用左側(cè)單向擴(kuò)寬的不對(duì)稱形型式，基本寬度為40m。下游引航道左側(cè)設(shè)重力式輔導(dǎo)航墻，以供雙向過(guò)壩時(shí)船隊(duì)?？亢捅茏專挥覀?cè)設(shè)重力式主導(dǎo)航墻，主要用于提供船舶導(dǎo)航和保持引航道內(nèi)水面平穩(wěn)，也兼做船舶?？恐?。

2.2 向家壩升船機(jī)候選方案分析

根據(jù)向家壩通航建筑物布置的特點(diǎn)對(duì)升船機(jī)候選兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，方案一為全平衡齒輪爬升式螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)，方案二為全平衡卷?yè)P(yáng)式一級(jí)垂直升船機(jī)。

2.2.1 全平衡齒輪爬升式一級(jí)垂直升船機(jī)

齒輪爬升式升船機(jī)，是在承船廂四角分別裝置4個(gè)齒輪，與安裝在承船廂室兩側(cè)塔柱壁上的齒條相互嚙合。電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速箱帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪齒條的嚙合作用帶動(dòng)承船廂升降。安全裝置采用螺旋鎖定裝置。承船廂升降時(shí)，裝在船廂托架上的旋轉(zhuǎn)螺母與齒輪同步運(yùn)行。正常情況下，螺母沿螺桿空轉(zhuǎn)，相互間保持一合理的空隙。如承船廂產(chǎn)生較大的不平衡力，驅(qū)動(dòng)齒輪的四周力便超過(guò)容許值，驅(qū)動(dòng)裝置即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，螺母座落在螺桿上。由于螺旋的自鎖作用，承船廂可被固定在保安螺桿上。同時(shí)，為了減小提升升船機(jī)時(shí)的電機(jī)功率，升船機(jī)采用懸掛式平衡重系統(tǒng)，將承船廂結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及承船廂內(nèi)正常水體的重量由平衡重完全平衡，是為“全平衡”式的升船機(jī)。見圖3。

2.2.2 全平衡卷?yè)P(yáng)式一級(jí)垂直升船機(jī)

圖3 齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)船廂驅(qū)動(dòng)裝置

卷?yè)P(yáng)式升船機(jī)采用對(duì)稱安裝在塔樓頂部的卷?yè)P(yáng)機(jī)，通過(guò)卷筒上的鋼絲繩使承船廂上升或者下降。作為提升設(shè)備的卷?yè)P(yáng)機(jī)由電機(jī)、大扭矩減速箱及卷筒等組成。鋼絲繩纏繞在卷筒上，防止鋼絲繩與卷筒之間產(chǎn)生蠕動(dòng)位移。鋼絲一端連接承船廂，另一端則與平衡重相連，則電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)只需克服較小的摩阻力即可。卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)也配備安全裝置。卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)的安全裝置由3個(gè)部分組成，分別是安全制動(dòng)器、工作制動(dòng)器和承船廂沿程夾緊裝置。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，電機(jī)按指令減速，之后工作制動(dòng)器投入工作。安全制動(dòng)器經(jīng)延時(shí)后再投入，最后使提升裝置迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)。若發(fā)生漏水事故，漏水量可能超過(guò)平衡重，則還需要沿程夾緊裝置來(lái)抵抗不平衡力[4]。見圖4。

圖4 卷?yè)P(yáng)提升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 向家壩水電站升船機(jī)型式比選原則

根據(jù)向家壩水電站升船機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外升船機(jī)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，升船機(jī)型式比選原則如下：

（1）升船機(jī)采用經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，成熟可靠的提升設(shè)備，保證在最大提升高度下的正常運(yùn)行。

（2）升船機(jī)設(shè)置可靠的安全保障機(jī)構(gòu)，當(dāng)升船機(jī)發(fā)生各種事故而導(dǎo)致平衡系統(tǒng)被破壞時(shí)，安全保障機(jī)構(gòu)都能及時(shí)投入，將承船廂安全鎖定。

（3）對(duì)于高達(dá)150m的塔樓由于溫差、風(fēng)力、地震等各種因素產(chǎn)生的變形和變位，升船機(jī)應(yīng)具有良好的適應(yīng)性。

（4）升船機(jī)能適應(yīng)上、下游通航水位的變幅。

（5）升船機(jī)運(yùn)行至下游時(shí)對(duì)可能遇到的較大水位變率具有較好的適應(yīng)性。

（6）運(yùn)行操作、監(jiān)測(cè)及控制環(huán)節(jié)少，簡(jiǎn)單可靠。（7）設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，運(yùn)行和管理費(fèi)用低。

2.4 向家壩水電站升船機(jī)候選方案比較

兩個(gè)方案的水工建筑物布置、上下閘首設(shè)備基本相同，因此對(duì)兩個(gè)方案間的比選主要從升船機(jī)主體部分、塔樓結(jié)構(gòu)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面分析。

2.4.1 主體部分比較

方案1主要優(yōu)點(diǎn)是該型式升船機(jī)較卷?yè)P(yáng)式升船機(jī)安全。主體結(jié)構(gòu)使用螺母柱保安，當(dāng)承船廂發(fā)生漏水時(shí)承船廂可以自行鎖定，無(wú)需任何外部控制信號(hào)。而承船廂通過(guò)開式齒輪剛性支承在齒條上，穩(wěn)定性高；布置了剛性的同步系統(tǒng)，承船廂升降過(guò)程中的水平度易于保證。此外，方案1驅(qū)動(dòng)設(shè)備規(guī)模小，布置緊湊，安裝方便。平衡重系統(tǒng)也較為簡(jiǎn)單，鋼絲繩精度要求較低。承船廂檢修時(shí)可以利用安全鎖定機(jī)構(gòu)對(duì)承船廂和平衡重進(jìn)行固定，方便檢修。

方案1主體部分中，齒條和螺母柱的制造和安裝要求較高，國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，需要專門研究施工工藝。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)、行星齒輪減速器等等一部分關(guān)鍵設(shè)備需要進(jìn)口，以確?？煽啃?。另外，若采用方案1，影響驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和安全鎖定機(jī)構(gòu)運(yùn)行的因素較多，塔樓變形變位、承船廂結(jié)構(gòu)變形、設(shè)備制造安裝誤差等，都能影響升船機(jī)運(yùn)行。最后，方案1金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)備安裝工程量較大。

方案2其主體部分中，主提升機(jī)構(gòu)為常規(guī)的設(shè)備型式，國(guó)內(nèi)有成熟的設(shè)計(jì)、制造、安裝經(jīng)驗(yàn)，因而制造安裝的難度較小。影響主提升機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的因素也較少，且主提升機(jī)構(gòu)設(shè)備的振動(dòng)對(duì)承船廂不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。此外，該形式升船機(jī)金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)備工程量較小。但主提升機(jī)構(gòu)設(shè)備規(guī)模較大，如8套提升卷筒裝置和4臺(tái)低速減速器均為大尺寸大重量設(shè)備，因此塔樓頂部主機(jī)房設(shè)備布置擁擠。承船廂與主提升機(jī)構(gòu)之間采用鋼絲繩柔性懸掛系統(tǒng)，則承船廂水平度難以保證，穩(wěn)定性較低[5]。保持水平狀態(tài)和鋼絲繩張力均衡依靠液壓調(diào)平和均衡裝置，因此對(duì)承船廂液壓調(diào)平和均衡裝置可靠性要求較高。承船廂發(fā)生事故時(shí)不能自動(dòng)鎖定，若承船廂升降過(guò)程中發(fā)生漏水，需要監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)水深變化發(fā)出指令，安全制動(dòng)系統(tǒng)方投入工作。此外，方案2還存在檢修困難、關(guān)鍵設(shè)備需進(jìn)口等不足。

2.4.2 塔樓結(jié)構(gòu)比較

兩種方案的升船機(jī)，其主要荷載均作用在塔樓頂部，但全平衡給齒輪爬升式螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)會(huì)由螺母柱將鎖定力傳給塔樓，則采用該型式升船機(jī)時(shí)局部荷載對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)影響較大。

在塔樓的工程量方面，經(jīng)估算，兩種方案塔樓工程量相差不大。兩種方案工程量如表1[6]。

表1 兩種方案塔樓工程量比較

2.4.3 經(jīng)濟(jì)比較

兩種方案除塔樓外其余部分工程量相同，因此，在進(jìn)行兩種方案投資額比較時(shí)，只對(duì)塔樓部分進(jìn)行比較。經(jīng)估算，方案1塔樓段總投資為44727萬(wàn)元，方案2塔樓段總投資為37618萬(wàn)元[6]。兩種方案投資額比較見表2。

表2 兩種方案塔樓投資額比較 萬(wàn)元

2.5 向家壩升船機(jī)方案比選結(jié)論

向家壩升船機(jī)提升重量大、提升高度大，下游水位變率大，其安全可靠性至關(guān)重要。由以上分析可知：方案1水平度和穩(wěn)定性上優(yōu)于方案2，且在承船廂漏水、對(duì)接滿水、對(duì)接沉船等事故發(fā)生時(shí)，前者可以自行鎖定船廂而后者不能?？紤]安全方面，方案1安全可靠性較方案2高。

雖然方案1的投資額比方案2大，但方案1采用齒輪齒條爬升，其維護(hù)和管理較為簡(jiǎn)單。方案2采用卷?yè)P(yáng)式升降，鋼絲更換頻率高，調(diào)平、均衡裝置維護(hù)復(fù)雜。所以，考慮運(yùn)行成本而言，方案2運(yùn)行成本高于方案1。

對(duì)于設(shè)備安裝及檢修方面。方案1的設(shè)備安裝難度較方案2大。但方案1形式的升船機(jī)在任何高度均可進(jìn)行檢修，方案2形式的升船機(jī)檢修時(shí)需要另加鎖定設(shè)備，操作程序復(fù)雜。

向家壩升船機(jī)在金沙江下游航運(yùn)中起著非常重要的作用，其安全可靠性作為首要考慮的因素。結(jié)合方案1、方案2的安全可靠性及其他方面，選定向家壩升船機(jī)最終采用方案1全平衡齒輪爬升式螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)。

3 結(jié) 論

根據(jù)向家壩水電站工程的特點(diǎn)，選定工程量較小、運(yùn)輸能力強(qiáng)的升船機(jī)作為過(guò)壩通航建筑物。結(jié)合工程條件，提出全平衡齒輪爬升式螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)和全平衡卷?yè)P(yáng)式一級(jí)垂直升船機(jī)兩種升船機(jī)方案進(jìn)行比選。以安全可靠為主要考慮因素，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、施工等因素決定采用全平衡齒輪爬升式螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)。

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