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“空中电梯”:三峡升船机兴建始末①

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2020-01-11  孬张

已投入运行的三峡升船机:人与船均在承航厢内

喜讯:三峡升船机工程通过竣工验收

船与水共箱,万吨任升降。百米上下路,圆梦岁月长。

2019年12月27日,三峡水利枢纽最后一项大工程一一升船机工程通航暨竣工验收会议在湖北宜昌三峡坝区召开。会议审议并通过了长江三峡水利枢纽升船机工程通航暨竣工验收鉴定书,标志着三峡工程整体完建。

本次验收由水利部副部长蒋旭光主持,发展改革委、公安部、自然资源部、生态环境部、能源局等多部委参与。验收认为:三峡升船机自2016年9月开始试通航以来,经历了三峡水库水位175米、145米设计条件下的运行考验,船只进出船厢、双向往返运行、升船机各系统设备联合运行正常,主要运行流程衔接顺畅,升船机上、下闸首及船厢室段通航水流条件平稳,升船机运行过程及上、下游航道各项水力学技术参数符合设计要求,船舶通行安全。

世界升船机史话

俄罗斯:克拉斯诺雅尔斯克水电站斜面升船机

此斜面升船机乃世界之最

升船机作为一种升降船舶的机械设施,其原始雏型为粘土滑道上用人工木绞盘作为动力工具,拖运小型船舶过坝的设备。

最早的机械化升船机是1788年在英国开特里建造的斜面干运升船机。此后法国、德国、比利时等国也继起建造。18~19世纪的升船机,提升高度大都在15米以下,船舶吨位一般在100吨以下。这一时期不仅出现多种形式的升船机,而且已广泛采用平衡系统,以减小提升功率。

现代化大型升船机出现在20世纪。自1934年在德国建造了尼德芬诺垂直升船机以来,升船机发展到一个新阶段,提升的船舶吨位显著增大,提升高度增加,类型不断增多。

升船机类型主要有如下几种:

干运式升船机

水压式升船机;

浮筒式升船机;

斜面升船机;

平衡重式垂直升船机。

据了解,全世界目前已不发展水压式升船机。

浮筒式升船机,亦由于浮筒井的建造和维护比较困难,也未继续建造。

斜面升船机多使用纵向的,只是在水域和陆域的特殊情况下才建造横向斜面升船机。现在世界上最大的纵向斜面升船机建在俄罗斯叶尼塞河的克拉斯诺亚尔斯克。其升船机机械设备和金属结构安装工程量:斜坡道1750吨;转向设备2380吨;船箱及设备4800吨;共计8930吨,这绝对是一个钢铁庞然大物。

干运只是在升船机发展的初期和船舶吨位不大的情况下使用,且多为小型斜面式。现代建造的数百吨以上船舶的升船机均为湿运。

与垂直升船机相比,斜面升船机易于管理和维护,没有高空建筑产生的复杂技术问题和营运问题。主要缺点是在提升高度大的情况下,线路长,影响通过能力;变速行驶,影响厢内停泊的稳定性。

平衡重式垂直升船机,可以大幅度地降低系统的升船功率,维修方便,所以应用广泛。

现在世界上最大的平衡重式垂直升船机,建在联邦德国易北河支运河的沙尔贝内克。

  升船机比船闸节省水或几乎不耗水,在少水的河流或人工运河上,这是一个重要的优点。在高水头的通航建筑物中,升船机的造价通常低于船闸。

中国现有升船机60多座,主要分布于浙江、湖南、湖北等12个省。大多数为提升50吨以下船舶的小型斜面升船机,多用高低轮或高低轨来保持承船厢的水平位置。

只有湖北清江隔河岩和福建水口两座升船机例外,它们都是作为三峡升船机的“试验机”而建造的。

三峡大坝缘何需要升船机?

三峡垂直升船机模型

三峡大坝已然兴建了五级船闸了,而且还是上下双线运行的,为何还要建造升船机呢?

三峡垂直升船机是什么? 它的作用也是使轮船过坝吗?

是的,升船机非但是为轮船过坝服务,而且是快捷服务。打个比喻,如果说双线五级船闸是爬升式慢节奏电梯(至少3小时过坝),那么,垂直升船机就是直升式快节奏电梯(40分钟可望过坝)。

三峡升船机话题,由来已久。

三峡升船机作为客轮和特种船只快速过坝通道,其主体承船厢长132米、宽23.4米、高10米,一次通过一艘3000吨级船舶。

升船机最大提升高度为113米,提升总重量达13000吨。其规模和技术难度,在全世界的升船机工程中没有先例。

正因为如此,早在上世纪50年代考虑兴建三峡工程时,就想到了升船机,1958年即被国家列为攻关课题,“七五”、“八五”、“九五”期间,国家组织国内有关科研机构和大型制造企业围绕三峡升船机关键技术攻关,进行了近半个世纪的不间断研究。

三峡升船机实体

三峡升船机科研的漫长过程,大体上分为三个阶段。

自1958年开始研究,到1993年5月审查通过初步设计报告,这个阶段初步确定了三峡升船机的选型和技术方案。通过对多种型式的升船机的技术特点进行反复研究和比选,并吸收国外的经验,确定了采用“全平衡重式一级垂直升船机”型式。

在设计方案选择方面,针对全平衡垂直升船机的两种典型的提升和安全保障方式进行了大规模的科研、攻关,研究认为两种方案都能满足技术要求,钢丝绳卷扬提升和盘式制动器锁定方案国内已有实践,在设计和制造方面相对难度低,可立足于国内;而齿轮齿条爬升和螺母螺杆锁定方案,在设计、制造、安装方面难度大,国内不易实现。因此,明确了三峡升船机采用“全平衡钢丝绳卷扬一级垂直升船机”技术方案。

三峡升船机施工现场

三峡工程开工以后,升船机项目进入到技术设计阶段。

1995年4月,国务院三峡工程建设委员会研究决定三峡升船机缓建,但工程缓建并没有影响设计研究工作。这个期间通过大量的中间试验和模型试验,全面检验三峡升船机的前期科研成果,不断完善技术方案。在1996年水口升船机模型试验和1998年三峡升船机模型试验过程中都出现了承船厢倾翻的情况,引起了高度的重视。

通过进一步的调研,德国尼德芬诺和吕内堡升船机在运行中也曾发生过承船厢泄漏导致螺母螺杆安全锁定装置发挥作用的情况,再次引发了对钢丝绳卷扬提升方案安全可靠性的疑虑。同时,随着对三峡工程认识,特别是对三峡升船机特殊性认识的不断提高,提出了安全可靠性是评价技术方案的首要因素,“零事故率”是三峡升船机的最低设计要求。由此决定对三峡升船机技术方案重新研究比选。

三峡升船机通航引航道

为了提高三峡升船机技术方案重新比选工作的质量,1999年1月委托德国联邦航道工程研究院(BAW)对三峡升船机齿轮齿条爬升及螺母螺杆安全保障系统方案进行可行性研究;同时,对三峡升船机钢丝绳卷扬提升方案按照新的设计要求进一步完善,以利方案能够在同等条件下进行比较。

鉴于三峡工程已进入到第二阶段,升船机土建施工已具相当规模,比选研究是在主要几何尺寸和主体塔柱的结构型式已经固定的条件下进行的。为了确保BAW方案的适用性,在初步评审通过该方案后,又进行了齿轮齿条爬升及螺母螺杆安全保障系统方案设备机构与土建结构衔接关键技术专题研究。在上述工作的基础上,于2003年2月召开了三峡升船机方案比选论证会,与会专家一致认为两个方案在技术上都是可行的,齿轮齿条爬升方案运行安全可靠性高于钢丝绳卷扬提升方案,在关键设备制造、安装难度和总投资方面相差不大,推荐齿轮齿条爬升方案。

2003年9月国务院三峡工程建设委员会批准三峡升船机采用“全平衡齿轮齿条爬升一级垂直升船机”技术方案,并恢复项目建设。(待续)

三峡升船机仿真模型

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