【摘要】隨著我國(guó)西部水電開(kāi)發(fā)的大力實(shí)施，將有一批升船機(jī)工程需要開(kāi)發(fā)建設(shè)，另一方面由于工程建設(shè)環(huán)境日益復(fù)雜、工程建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，對(duì)升船機(jī)工程的施工技術(shù)也提出了更為嚴(yán)格的要求。本文首先回顧了國(guó)內(nèi)外升船機(jī)的建設(shè)情況，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)總結(jié)了針對(duì)船廂結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及船廂水力學(xué)、塔柱結(jié)構(gòu)、提升設(shè)備和安全制動(dòng)技術(shù)、升船機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)等方面的研究成果與研究現(xiàn)狀。同時(shí)，結(jié)合我國(guó)升船機(jī)建設(shè)規(guī)模與建設(shè)難度越來(lái)越大的實(shí)際情況，提出了升船機(jī)局部受力安全、復(fù)雜埋件設(shè)計(jì)與施工工藝等幾個(gè)值得繼續(xù)深入研究的問(wèn)題，以期為我國(guó)升船機(jī)的建設(shè)發(fā)展提供參考。

【關(guān)鍵詞】水利樞紐；通航措施；升船機(jī)；施工技術(shù)

1、前言

升船機(jī)在過(guò)壩時(shí)具有不耗水、過(guò)閘時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。與其它通航措施相比，在高水頭水利樞紐中采用升船機(jī)解決高壩通航問(wèn)題具有極大的優(yōu)勢(shì)。在20世紀(jì)的前40年，世界上主要以垂直升船機(jī)為主，斜面升船機(jī)較少。民主德國(guó)在1936年和1938年分別建成了尼德芬諾平衡重式升船機(jī)和羅特塞浮筒式升船機(jī)。這兩個(gè)升船機(jī)的建成，標(biāo)志著升船機(jī)的建設(shè)和發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的階段和水平。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，各國(guó)相繼對(duì)升船機(jī)進(jìn)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(jī)、比利時(shí)的隆庫(kù)爾縱向斜面升船機(jī)、法國(guó)的阿爾茲維爾橫向斜面升船機(jī)以及蘇聯(lián)的克拉斯諾雅爾斯克縱向斜面升船機(jī)。這些升船機(jī)的建成極大的促進(jìn)了升船機(jī)技術(shù)的發(fā)展，代表了當(dāng)前世界升船機(jī)的發(fā)展水平。

我國(guó)的升船機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，已取得了舉世矚目的成就。21世紀(jì)以來(lái)，一批垂直升船機(jī)的成功建設(shè)和安全運(yùn)行標(biāo)志著我國(guó)升船機(jī)技術(shù)整體上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。隨著我國(guó)對(duì)西部地區(qū)開(kāi)發(fā)力度的加大和西電東輸?shù)膶?shí)施，水能資源開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行，解決高壩通航問(wèn)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(duì)國(guó)內(nèi)外升船機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單回顧，重點(diǎn)對(duì)升船機(jī)的建設(shè)情況、升船機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)也對(duì)我國(guó)升船機(jī)的發(fā)展提出建議。

2、國(guó)內(nèi)外升船機(jī)發(fā)展概況

2.1 國(guó)外升船機(jī)發(fā)展概況

德國(guó)已建成的最大的垂直升船機(jī)為呂內(nèi)堡平衡重式垂直升船機(jī)，該升船機(jī)于1975年建成，采用雙線(xiàn)并列布置，各自獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)。升程為38m，船廂有效尺寸為100×12×3.5m（長(zhǎng)×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(guò)導(dǎo)向滑輪相連?；喼睆?.4m，平衡重由預(yù)制混凝塊制成，總比重為3.58t/m3。船廂由4×160kw電機(jī)驅(qū)動(dòng)，升降速度為0.21m/s，加速度為+0.12m/s2。該升船機(jī)可通過(guò)1350t的船舶，單線(xiàn)年通過(guò)能力為1010萬(wàn)噸。升船機(jī)全部鋼結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)備總重約8300t。該升船機(jī)從建成至今運(yùn)行情況良好。

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

2.2 我國(guó)升船機(jī)發(fā)展概況

我國(guó)升船機(jī)的建設(shè)開(kāi)始于50年代后期，同時(shí)建設(shè)規(guī)模也較小，多數(shù)為50.00噸以下的小型斜面式升船機(jī)。1964年，我國(guó)第一臺(tái)小型干運(yùn)斜面升船機(jī)在大通堰建設(shè)成功，它由北京起重所聯(lián)合浙江寧波堰閘運(yùn)輸社共同設(shè)計(jì)研制。1965年，我國(guó)第一座濕運(yùn)斜面升船機(jī)在安徽省壽縣建成，它由一臺(tái)180kN拉力的卷?yè)P(yáng)機(jī)提供動(dòng)力，但是就當(dāng)時(shí)國(guó)際升船機(jī)建設(shè)水平來(lái)看，其整體技術(shù)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(jī)，真正開(kāi)啟了我國(guó)在水利樞紐上建造升船機(jī)的歷史。

隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)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(shè)了一批技術(shù)含量高的現(xiàn)代化升船機(jī)，其工程規(guī)模越來(lái)越大，建設(shè)技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，我國(guó)升船機(jī)的建設(shè)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(shè)了一批大中型垂直升船機(jī)。2000年交付使用的巖灘升船機(jī)最大提升高度為68.5m，設(shè)計(jì)通航250t駁船。該升船機(jī)是鋼絲繩提升、部分平衡、濕運(yùn)、船廂下水式垂直升船機(jī)，同時(shí)采用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、液壓均衡與調(diào)平系統(tǒng)，為我國(guó)垂直升船機(jī)的建設(shè)和發(fā)展提供了借鑒。2002年在福建閩清縣境內(nèi)建成了世界第一座全平衡鋼絲卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)，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(shè)的三峽和向家壩升船機(jī)，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(tǒng)的升船機(jī)在國(guó)內(nèi)沒(méi)有先例，雖然在德國(guó)已有應(yīng)用，但都僅運(yùn)用于水位變幅小的運(yùn)河上，提升高度和提升重量都與三峽升船機(jī)無(wú)法比擬，因此建設(shè)難度非常大。此外正在設(shè)計(jì)和擬建的還有構(gòu)皮灘、思林、百色、龍灘等大型升船機(jī)工程。隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，交通運(yùn)輸更是開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，西部很多河流如瀾滄江、金沙江、嘉陵江、西江、鳥(niǎo)江、紅水河、南北盤(pán)江等正處于梯級(jí)開(kāi)發(fā)中，一大批航電樞紐亟待興建，升船機(jī)應(yīng)用前景十分廣闊。

3、我國(guó)升船機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)水電事業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)建設(shè)了一批現(xiàn)代化的中型垂直升船機(jī)，在此過(guò)程中對(duì)塔柱、提升設(shè)備和事故安全裝置等技術(shù)難題進(jìn)行了研究，在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了較大的突破。

3.1 塔柱結(jié)構(gòu)研究

塔柱形式一般有全筒式、開(kāi)敞筒體式、筒體箱梁式及墻筒式。開(kāi)敞筒體式塔柱溫度效應(yīng)有明顯改善，但受風(fēng)時(shí)，渦流最亂，體型系數(shù)也最大，抗扭性能較弱；筒體箱梁式塔柱橫河向迎風(fēng)面較小，可改善風(fēng)對(duì)塔柱的不利影響，自重也較輕，可節(jié)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(yù)應(yīng)力，施工工藝較復(fù)雜，同時(shí)在總體上，結(jié)構(gòu)體型比較單薄，地震時(shí)結(jié)構(gòu)模態(tài)十分復(fù)雜，對(duì)上部機(jī)房抗震不利；墻筒式塔柱受風(fēng)面積和墻體的風(fēng)振脈動(dòng)效應(yīng)最大；全筒式塔柱橫河向迎風(fēng)面較大，但剛度也較大，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)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(jī)塔柱作為承船廂、平衡重、提升設(shè)備及機(jī)房的主要支撐結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范可作為設(shè)計(jì)依據(jù)，計(jì)算參數(shù)也不明確。而且，塔柱為高空薄壁結(jié)構(gòu)，對(duì)抗震性能要求高，分析和設(shè)計(jì)相對(duì)困難。張艷紅等采用數(shù)值模擬的方法，研究三峽升船機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)的加速度與位移反應(yīng)、墻體應(yīng)力與聯(lián)系梁內(nèi)力反應(yīng)，同時(shí)還分析比較了多種因素對(duì)船廂與塔柱之間地震耦合力的影響。錢(qián)向東等采用基于塑性極限理論的彈塑性極限平衡法對(duì)三峽升船機(jī)上閘首—基巖的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，該方法以逐漸降低材料強(qiáng)度來(lái)逼近系統(tǒng)的極限平衡狀態(tài)，以塑性區(qū)的貫通表示系統(tǒng)的臨界失穩(wěn)狀態(tài)，無(wú)需事先確定滑裂面，適合于復(fù)雜基巖的穩(wěn)定性分析。

3.2 提升設(shè)備和安全制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)在“七五”和“八五”期間對(duì)鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式全平衡垂直升船機(jī)的上下閘首的閘門(mén)和啟閉機(jī)械的布置、升船機(jī)承船廂、提升機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備、專(zhuān)用鋼絲繩、平衡重結(jié)構(gòu)、電力拖動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。長(zhǎng)江水利水電科學(xué)研究院對(duì)承船廂、主提升機(jī)械、電力拖動(dòng)等設(shè)備的相互耦合作用以及運(yùn)載船只過(guò)壩過(guò)程的升船機(jī)整體動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，取得了較豐富的試驗(yàn)研究成果，為升船機(jī)的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

3.3 升船機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究

升船機(jī)的安全運(yùn)行除了本身設(shè)備的安全可靠外，還需通過(guò)輔助設(shè)備來(lái)監(jiān)控。一般的升船機(jī)電氣控制方式以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制為輔，主控級(jí)與現(xiàn)地控制級(jí)的通信采用雙綱冗余結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作站發(fā)生故障時(shí)，操作員可無(wú)擾動(dòng)地代替其工作，直到故障排除，回復(fù)到熱備狀態(tài)。為此西安交大等多所高校和科研單位對(duì)升船機(jī)的電氣系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)作了較為深入的研究。

4、升船機(jī)設(shè)計(jì)中尚待進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題

鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)和齒輪齒條爬升驅(qū)動(dòng)式垂直升船機(jī)在國(guó)外都有成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，但是與正在修建的三峽升船機(jī)和向家壩升船機(jī)相比，其建設(shè)規(guī)模、提升重量、提升高度、運(yùn)行工況條件均不可比擬?？梢哉f(shuō)三峽和向家壩升船機(jī)的技術(shù)難度是前所未有的，設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行等建設(shè)全過(guò)程充滿(mǎn)了探索性和挑戰(zhàn)性。需要進(jìn)一步研究的主要問(wèn)題有：

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

（2）機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造與安裝。升船機(jī)的機(jī)械部分包括主提升系統(tǒng)、承船廂及其設(shè)備、平衡重系統(tǒng)及其輔助設(shè)備和金屬埋件等。目前國(guó)內(nèi)升船機(jī)的主機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鋼絲繩和齒輪爬升系統(tǒng)等均是國(guó)外進(jìn)口，因此在自主創(chuàng)新方面還有很多工作要做。

（3）優(yōu)化塔柱大體積混凝土薄壁結(jié)構(gòu)形式。塔柱一般分為全筒式、開(kāi)敞筒體式、筒體箱梁式和筒墻式，它們的受力特性各有特點(diǎn)。為了節(jié)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化尤為重要。

（4）復(fù)雜埋件設(shè)計(jì)與施工工藝。對(duì)于正在建設(shè)的三峽升船機(jī)，二期混凝土施工完成的預(yù)埋件鋼結(jié)構(gòu)起到把事故狀態(tài)時(shí)短螺桿所施加的荷載傳遞到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的作用，是整個(gè)安全機(jī)構(gòu)傳力過(guò)程的核心部分，因此要求預(yù)埋構(gòu)件連接強(qiáng)度要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（5）土建結(jié)構(gòu)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性研究。齒輪爬升對(duì)土建結(jié)構(gòu)與機(jī)械的協(xié)同性要求很高，當(dāng)風(fēng)荷載及溫度變化導(dǎo)致承船廂兩側(cè)塔柱之間的間距發(fā)生變化，從而會(huì)導(dǎo)致爬升齒輪不能正常齒合，因此如何解決上述問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

（6）升船機(jī)安全運(yùn)行可靠性研究。升船機(jī)的安全不僅關(guān)系到國(guó)家的財(cái)產(chǎn)更關(guān)系到人民群眾的生命安全問(wèn)題，是設(shè)計(jì)首先要考慮的問(wèn)題。目前我國(guó)較成熟的方案是盤(pán)形安全制動(dòng)裝置，在巖灘、水口、隔河巖和高壩洲等工程中積累了經(jīng)驗(yàn)。但該安全制動(dòng)裝置形式在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還不夠成熟。

5、結(jié)語(yǔ)

隨著西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)行以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)升船機(jī)建設(shè)數(shù)量也將會(huì)越來(lái)越多，升船機(jī)設(shè)計(jì)、制造、安裝技術(shù)將得到進(jìn)一步提高，升船機(jī)在西部水資源開(kāi)發(fā)中將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。三峽升船機(jī)的建設(shè)及一大批大中型升船機(jī)的運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)升船機(jī)施工技術(shù)整體上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)也對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)管理措施提出了更高的要求。但目前我國(guó)在升船機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及維護(hù)管理方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立還有所滯后，急需制定相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程以指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工和管理，提高升船機(jī)的設(shè)計(jì)、管理及維護(hù)水平，保證升船機(jī)的順利建設(shè)和安全運(yùn)行。

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