董興林，郭新蕾，喬青松

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038；2.香港科技大學(xué)，香港）

1 研究背景

從2011年起，三峽船閘的年通航量已經(jīng)超一億噸，提前19年達到設(shè)計通航能力。隨著長江經(jīng)濟帶的發(fā)展，三峽通航能力需求持續(xù)增加，提高其通航量成為一個亟待解決的問題。一種方案是在大壩的上下游修建港口和陸地通道設(shè)施，翻壩轉(zhuǎn)運貨物。此方案會顯著增加物流時間和運輸成本，并且要翻山越嶺修建公路或鐵路，工程投資很大［1］。另一種方案是增建過壩的通航設(shè)施，比如修建新的船閘或升船機等?？紤]到目前大壩已建成的實際條件，從技術(shù)和經(jīng)濟角度看，采用斜面升船機可能是較合理的選擇。

大型斜面升船機從1982年開始已在前蘇聯(lián)的克拉斯諾雅爾斯克水電站運行（圖1），一次可以通過3000噸的貨運量，提升高度124 m［2-3］。簡單的講，它在大壩左岸的上下游斜坡各鋪設(shè)一條1∶10坡度的軌道，安裝帶有承船廂的升船機。升船機安裝的電機-液壓泵的齒輪，咬合軌道腹壁兩側(cè)的齒條，從而驅(qū)使升船機沿軌道向上或向下運動（圖2）。升船機從下（上）游斜坡軌道爬升至頂端，通過一個直徑約100 m的圓形軌道轉(zhuǎn)向器，進入上（下）游斜坡軌道，使船只順利的過壩。升船機在軌道上運行需時45分鐘。簡單的講，該升船機的特點是：（1）水運船只過壩；（2）上下游共用一架升船機，并且承船廂僅設(shè)置一道閘門。如果三峽大壩采用此類升船機，其潛在的不利方面是：（1）電動機-液壓泵系統(tǒng)的機電和油壓泵裝置復(fù)雜，維護檢修困難；（2）在斜坡道的山頂上開挖百米大圓盤的工程量大，對三峽大壩兩岸高山地形并不適用［4］。但總的來看，這種類型升船機能應(yīng)用于三峽大壩，提高三峽船閘的通航能力和效率。

圖1 克拉斯諾雅爾斯克水電站斜面升船機

圖2 升船機驅(qū)動系統(tǒng)

參考以上升船機的特點，本文提出了一種適用于三峽大壩的大型雙軌斜面升船機，給出了其運行原理及初設(shè)參數(shù)。

2 雙軌斜面升船機的工作原理

本文提出一種新型大型雙軌斜面升船機，可有效增加三峽大壩的通航能力。所謂雙軌，指的是在上、下游斜坡上鋪設(shè)軌道（軌道坡度1∶10）和在升船機頂上鋪設(shè)水平軌道（升船機不過壩）?？偟南敕ㄊ牵簩⑸瑱C修建在三峽船閘的左側(cè)，因為大壩左岸是大河灣的凸岸，而現(xiàn)有的垂直升船機和五級船閘都修建在靠近左岸（見圖3）。為什么不再增建五級船閘，而增建斜面升船機？因為前者工程量大，施工時間長，并且建成后過壩時間也長，至少需3小時，而升船機過壩時間僅需30分鐘。

斜面升船機的基本設(shè)計和運行原理：（1）在大壩左側(cè)的上、下游開挖1∶10的斜坡上鋪設(shè)軌道，并各自裝置一部升船機，并在兩架升船機頂部安裝水平軌道，為承船車（共用一輛）往返過壩用，圖4是大壩下游側(cè)布置的升船機。（2）當(dāng)船只從引航道進入承船車后，升船機開始沿軌道爬坡，當(dāng)它靠近到壩頂時，其上部水平軌道同壩頂水平軌道對接，升船機上的承船車可進入壩頂軌道；（3）當(dāng)承船車?yán)^續(xù)沿水平軌道進入上游升船機后，升船機開始下降；（4）當(dāng)承船車進入上游水庫后，船只游出承船車進入水庫?？梢钥吹?，通過可以沿水平軌道運行的承船車，省卻了升船機在壩頂轉(zhuǎn)向的需求，產(chǎn)生了順利的船只過壩過程。

此外，下游前池按通航最低水位62 m設(shè)計的，最深處大約從水面下開挖20 m，同時下游需要修建引航道。上、下游斜坡軌道長度是按各最低通航水位145 m和62 m設(shè)計的，分別約為315 m和1400 m。承船車廂尺寸和載重參考三峽大壩升船機設(shè)計的，其有效尺寸∶長、寬和水深為120 m、20 m和3.5 m。為了縮減升船機過壩時間，減輕升船機的載重量，過壩船只采取干運，要求船只是平底。（考慮到干運可能對大船不利，以后有可能裝載雙排500 t的船只，故將車廂寬度增加2 m），船只總載重量不變?nèi)詾?000 t。

圖3 斜面升船機的布置示意圖

圖4 斜面升船機和承船車運行示意圖（單位：mm）

承船車廂兩端為開敞無閘門，其地板留有進、排水孔以便快速讓船只進入和駛離車廂。在升船機爬坡過程，為了減輕船只從漂浮狀態(tài)坐落在船廂底板上的碰撞，在底板上鋪設(shè)多層舊輪胎或金屬彈簧墊。

若采用濕運船只，在過壩過程中雖然船只不會碰觸承船廂底板，但是廂內(nèi)的水體重量會使上下游斜面升船機的桁架結(jié)構(gòu)造價巨增，同時由于承船廂兩端的閘門頻繁啟動，會增加閘門維修的次數(shù)，影響船只的正常運行。

3 升船機的動力系統(tǒng)

升船機是利用變頻調(diào)速電動機驅(qū)動齒輪，咬合軌道腹板上的齒條，驅(qū)動升船機車輪在斜坡軌道上滾動行走的（見圖5）。電動機安裝在鋼軌腹壁的兩側(cè)，每一條鋼軌安裝22只，即兩條鋼軌一共安裝44只。升船機頂上的承船車也是利用這種電動機齒輪咬合軌道底板上的齒條驅(qū)動行走的，電動機安裝在乘船車廂底板下面（見圖6），前后共安裝4只。關(guān)于變頻調(diào)速電動機齒輪的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)，以優(yōu)化升船機系統(tǒng)的運行；單個電機的功率由升船機和最大船只總重量所產(chǎn)生的斜升力而定。

當(dāng)斜面升船機爬到靠近壩頂時，升船機頂上的水平軌道同壩頂上的軌道對接。由于軌道底板上都有齒條，承船車的船只可以順利的過壩，其過壩的動力是由承船車底部的變頻調(diào)速電動機上齒輪咬合壩頂軌道底板上的齒條產(chǎn)生的，推動承船車攜帶船只在壩頂上行走。通常升船機下坡時的速度應(yīng)不超過2 m/s，以便于安全運行控制，易保證平穩(wěn)運行；而上坡時速度可快一些。由此估計，承船車過壩時間約30～40分鐘，準(zhǔn)備、運行和離開時間需要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)度具體情況確定。

關(guān)于變頻調(diào)速電動機，它是架線的交流電機，其最大優(yōu)點是，調(diào)速性能好、啟動平穩(wěn)、可靠性高和維護簡便等。升船機需要在水下運行，故要求變頻調(diào)速電動機必須有良好的密封防水和防腐蝕性能。

圖5 升船機動力系統(tǒng)

圖6 承船車驅(qū)動齒輪

4 升船機的安全剎車裝置

在運行過程中，當(dāng)突然斷電時，升船機在斜坡軌道上有滑下去的危險，因此必須安裝適當(dāng)?shù)膭x車裝置，從而在發(fā)生事故時讓升船機平穩(wěn)停留在軌道上。這里采取的措施是，在升船機下面每條縱梁的兩端處，各放置兩組以上的自動止輪的三插板（見圖7）。即在工字鋼縱梁頂部安裝功率較大的電磁鐵，正常運行時，電磁鐵吸住兩邊對稱的杠桿內(nèi)端點，使懸釣三插板的杠桿兩端翹起，插板脫離電機的驅(qū)動齒輪，此時升船機可以通暢地在軌道上滾動行走；而當(dāng)斷電時電磁鐵失去吸力，在重力作用下兩邊釣的插板降落到升船機驅(qū)動齒輪的齒口里，阻止齒輪轉(zhuǎn)動，此時升船機立即停止下滑，保持平穩(wěn)安全狀態(tài)。

圖7 緊急安全剎車裝置

升船機頂部承船車的安全措施是，在兩架頂部水平軌道的末端上，各裝置一個安全坎，斷電時承船車受慣性力的影響仍然會緩慢向前移動，當(dāng)?shù)竭_軌道端點時被安全坎攔截，車輪不會脫離軌道。

5 上下游軌道不在一條直線上的處理

可能因為升船機的位置距大壩太遠，上下游升船機不在一條直線上，這時壩頂上的水平軌道只能同其中一條升船機上的軌道對接，承船車就不能過壩到對面升船機的軌道上。這時在壩上水平軌道長度的中心點安裝豎軸，讓軌道轉(zhuǎn)動一小角度，便可做到分別同上下游兩邊軌道的對接，使承船車順利的過壩。

6 結(jié)語

本文提出一種過三峽大壩的雙軌大型斜面升船機系統(tǒng)，該升船機不僅適用于三峽通航問題，更適用于高山峽谷河道的水電站通航問題，例如在金沙江下游修建的烏東德、白鶴灘和溪洛渡等水電站，都是在峽谷河道上修建的。因河道中只能安排水電站和泄水道，無通航位置，使航運中斷，這等于黃金水道“短路”。如果在大壩岸邊修建大型斜面升船機系統(tǒng)，便可以利用斜面升船機打通航道。