水利水電工程通航技術研究進展

扈曉雯

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

內河通航建筑物主要分成船閘和升船機兩大類。船閘是通航建筑物中歷史最悠久、建造數量最多的一種形式。近些年來，隨著西部高山峽谷河流的開發，我國在研究大型船閘的同時，也開展了對升船機的研究。以長江三峽雙線連續五級船閘、長江三峽水利樞紐垂直升船機和烏江構皮灘三級垂直升船機為代表的通船建筑物，使我國高壩通航建筑物建設水平躍居世界前列。本文就我國水利水電工程綜合開發中通航建筑物技術進展作一簡要介紹。

1 船閘技術發展

1.1 船閘技術發展歷程

我國通航船閘建設的歷史十分悠久，至今已建船閘約900多座，占全世界船閘總數的20%；已建和在建的總水頭為20．0 m以上的船閘共25座，占世界總數的1/4，居世界第二位。

（1）1950年～1970年，我國船閘建設往往是為了改善河流通航條件而進行的單目標開發，主要集中在京杭大運河上。如江蘇省解臺、宿遷、泗陽、施橋、江陰船閘等，多以小型單級、低水頭、集中輸水系統為主。

（2）1980年～1990年，我國全面開發利用水能資源和在河流上筑壩，一大批中、高水頭船閘應運而生。如湖北長江葛洲壩樞紐船閘 （總水頭27．0 m）、福建閩江水口水電站三級船閘 （總水頭59．0 m）、江西贛江萬安水電站船閘 （總水頭32．4 m）、湖南沅水五強溪水電站船閘 （總水頭60．9 m）等，這些船閘多采用分散輸水系統。這個時期船閘工程技術發展迅速，船閘水力學輸水閥門空化技術問題突出，亟待解決。

（3）2000年以后，隨著國家大西部開發戰略的實施，船閘規模逐步朝著高水頭、大尺度的方向發展。最具典型代表的是長江三峽水利樞紐雙線五級船閘 （總水頭113．0 m），還有設計水頭約為25～30 m的重慶嘉陵江東西關船閘、重慶嘉陵江草街樞紐船閘、廣西境內的紅水河大化水電站船閘、樂灘水電站船閘、橋鞏水電站船閘等，這些船閘都采用復雜的分散輸水系統，陸續投產運行。實現了通航船閘小型化向大型化方向發展。河流開發向水利水電工程供水、發電、通航多目標開發的方向邁進。

1.2 船閘輸水形式新技術

合理的輸水系統是確保船閘安全有效運轉技術的關鍵之一。美國下花崗巖船閘成功地運用了水平隔墻垂直分流的底部縱向廊道等慣性輸水方式，從而載入了美國陸軍工程師兵團編制的 《船閘水力學設計手冊》。我國在高水頭船閘輸水系統的設計中借鑒了許多國外的先進經驗，在學習中創新并研究出一大批科研成果，在中水頭船閘輸水系統選型方面獲得了重大突破。

我國的科研工作者對高中水頭輸水系統水力學現象進行了反復試驗研究，詳細分析論證，針對不同河流、不同樞紐條件及功能要求，結合船閘水力學特性，提出一些適合中水頭船閘選擇的輸水系統。如具有新型消能措施的閘墻廊道側支孔輸水系統，將其適用水頭由美國陸軍工程師兵團設計手冊規定的9．2 m提高到了15．6 m，并成功應用于我國廣西長洲船閘等10多座船閘設計中；研究提出的具有分散輸水特性的集中輸水系統形式，不但提高了集中輸水系統的應用水頭，改善了水力特性，省略了集中輸水系統固有的鎮靜段，降低了工程造價，并成功地應用于石虎塘、楊家灣等多座船閘；提出的新型水平分流口形式，大大突破了美國水道實驗站（Waterways Experiment Station，WES）設計手冊中水平分流形式適用于船閘水頭小于18．3 m的規定，并已成功地應用于水頭達30．0 m的廣西樂灘等船閘。此外，還研究提出了船閘縱橫支廊道三區段輸水系統、復合式廊道、雙明溝消能等一系列的創新成果，并在長洲樞紐一線船閘、桂平樞紐二線船閘、贛江峽江樞紐船閘等應用，受到了工程實踐的檢驗[7]。

1.3 船閘閥門防空化技術

輸水閥門是船閘充泄水的控制設備，運行頻繁。當船閘水頭超過20 m時，閥門在動水啟閉過程中承受非常復雜的水動力荷載，在非恒定高速水流作用下極易發生空化、振動而危害其安全運行。閥門空化危害：①直接導致閥門面板、門楣及門后廊道邊壁空蝕破壞，增加維修成本；②易誘發聲振現象，在輸水廊道產生較大的沖擊壓力，導致閥門及其啟閉系統振動加劇，造成液壓系統元件損壞，支絞固定螺栓振松和破壞，危及閥門自身安全運行；③出現的雷鳴聲使工作人員有恐懼感；④嚴重聲振還導致閘首強烈振動，同時影響電站運行。隨著船閘工作水頭提高，閥門空化及振動問題更為突出，并成為船閘設計最為關鍵的技術難題，也是船閘朝著更高水頭發展的瓶頸。

我國早期建造的京杭大運河等河流上的通航船閘水頭不高，對閥門空化問題的嚴重性缺乏認識，直到長江葛洲壩水利樞紐船閘建設時才開展專門的研究。以后又結合一大批高水頭船閘設計，如長江三峽水利樞紐船閘、福建水口水電站船閘、福建沙溪口水電站船閘等，經過大量的研究與實踐，發展到目前的非恒定流常壓水力學模型試驗、非恒定流加壓模型試驗、恒定流減壓試驗、門楣1∶1切片模型試驗、閥門激流振動模型試驗以及各種數學模型等，取得了眾多創新成果。閥門防空化創新技術，主要體現在以下5點[9]：

（1）突破了高水頭船閘閥門防空化技術理念，主動與被動相結合技術，廊道頂負壓可以達到－10 m水柱，采用綜合通氣技術形成的氣墊作用可防止閥門及廊道邊壁發生空蝕破壞。

（2）發展了我國獨創的門楣自然通氣技術，在反弧形閥門成功應用的基礎上，推廣應用于平面閥門，提出了適合平面閥門的門楣通氣形式。

（3）提出了完全被動防護的 “平頂廊道體型＋小淹沒水深＋門楣自然通氣＋廊道頂自然通氣”新技術。

（4）提出了 “新型閥門段廊道體型＋綜合通氣措施”新技術，為40 m以上超高水頭單級船閘建設奠定了基礎，提高了船閘的適用范圍。

（5）提出在平面閥門門槽中設置強迫通氣措施，解決低淹沒水深條件下大型船閘平面閥門空化問題。

這些閥門防空化技術在廣西大化水電站船閘、廣西樂灘水電站船閘、重慶嘉陵江草街水電站船閘、烏江銀盤水電站船閘等10多個工程中得到成功應用，突破了高水頭船閘工程瓶頸，使我國該領域技術水平走在了世界前例。

2008年，國際航運協會第一次將中國通航領域的研究成果納入國際航運技術文獻中。 “船閘輸水系統水力學創新技術以及高水頭船閘閥門防空化創新技術研究與實踐”項目，由交通部科技司組織了技術鑒定，達到了國際領先水平。

2 升船機的技術進展

2.1 升船機主要形式

目前，我國升船機建設主要有三種機型：以福建水口水電站垂直升船機為代表的鋼絲繩卷揚提升式機型；以長江三峽水利樞紐垂直升船機為代表的齒輪齒條爬升、螺桿螺母安全裝置的機型；具有我國自主知識產權的云南景洪水電站水力浮動式垂直升船機。

2.2 升船機建設實踐

2.2.1 鋼絲繩卷揚提升式

鋼絲繩卷揚提升式垂直升船機是20世紀70年代在世界上才出現的一種新機型。20世紀90年代，我國在多座水利水電樞紐的通航建筑物設計中，選擇鋼絲繩卷揚提升式垂直升船機作為船舶過壩的通航設施，并于世紀之交先后建成了廣西紅水河巖灘、福建閩江水口、烏江彭水、湖北清江隔河巖和高壩州等水電站垂直升船機。目前，烏江構皮灘、思林、沙陀水電站垂直升船機，右江白色水利樞紐垂直升船機等正在設計研究中，因此，其設計研究和建設與世界上該機型的技術發展基本同步，我國也是該機型建成工程實例最多的國家。其中，廣西巖灘250 t級垂直升船機最大升程68.5 m，采用的承船廂下游入水的部分平衡式方案屬于世界首例；福建水口2×500 t級全平衡式垂直升船機最大升程59 m，提升荷載5 500 t，其總體規模為國內外之最；建設中的貴州烏江構皮灘水電站三級垂直升船機的規模及建設技術難度亦居世界前例，其中間級升船機的提升高度達127 m，為世界之最。

鋼絲繩卷揚機提升式垂直升船機的主提升機械設備由卷筒裝置、傳動裝置及驅動電動機、同步軸、制動系統設備、鋼絲繩組件及潤滑設備等組成，所有設備均布置在塔柱頂部的機房內。其形式一般為四吊點通過機械同步軸互聯的同軸驅動鋼絲繩卷揚機起吊，每個吊點布置一套帶力矩平衡重的單卷筒卷揚設備，各吊點采用獨立驅動的方式。

福建閩江水口水電站垂直升船機采用鋼絲繩卷揚提升式機型，承船廂質量由5 500 t平衡重塊全平衡，其中轉矩平衡重680 t，可控平衡重400 t，重力平衡重4 420 t。平衡重系統的主要特點：①除設置重力平衡重和轉矩平衡重外，還設置了可控平衡重。②只在重力平衡重和承船廂之間設置平衡鏈，在轉矩平衡重組、可控平衡重組與承船廂之間，未設平衡鏈，該部分鋼絲繩的不平衡重量由主提升機承擔。③可控平衡重的鋼絲繩也纏繞在卷筒上，對反向纏繞在同一卷筒上的船廂一側的鋼絲繩構成力矩平衡，卷筒上同樣布置有安全制動器。升船機加設可控平衡重的目的，是提高船廂的抗縱傾能力，加大升船機防漏水或超載事故的能力。水口升船機的建設中，妥善地解決了 “簡單”與 “安全”的矛盾，推進了升船機事業的蓬勃發展。

2.2.2 齒輪齒條爬升式

齒輪齒條爬升式垂直升船機的主提升機械設備由爬升齒輪和齒梯、傳動裝置及驅動電動機、同步軸、制動系統設備、潤滑設備等組成，除齒梯垂直安裝在塔柱土建結構上外，其余機械設備全部安裝在承船廂上，驅動電動機通過傳動裝置和同步軸，驅動各爬升齒輪沿齒梯同步旋轉，帶動承船廂升降。

長江三峽水利樞紐垂直升船機規模為世界之最，設計通航最大船舶為3 000 t客輪，其安全運行的重要性不言而喻。為此，三峽升船機方案研究和論證經歷了半個多世紀，通過多種技術方案比選和多項技術試驗研究，最終確定的設計方案為齒輪齒條爬升式升船機，并委托德國某公司設計。由于規模巨大，其建設難度、安全裝置、荷載量級、受力條件、抗震要求、制造安裝等已非德國呂內堡升船機可比。三峽升船機技術方案的特點為：

（1）承船廂不采用托架支撐的方式，升降驅動機構、安全機構設備設置在承船廂上，平衡系統鋼絲繩直接懸掛在承船廂上。

（2）三峽升船機的最大升程為113 m，帶水承船廂總質量達到15 500 t，設計鎖定荷載為呂內堡升船機的3倍以上。安全機構采用長螺桿方案技術上已不現實，因此，改為承船廂上設置短螺桿、塔柱上設置長螺母方案。

（3）升降機構、安全機構設備布置在承船廂上后，由于承船廂結構剛度大，因此，承船廂與土建塔柱之間的聯系配合關系更為密切，對土建塔柱結構的施工精度要求更高。

繼長江三峽水利樞紐垂直升船機之后，金沙江向家壩垂直升船機的機型也確定為齒輪齒條爬升式加短螺桿長螺母柱的方案。正在建設中的向家壩升船機最大升程114 m，采用2×500 t級船隊過壩方式，此類機型的安全經濟性有待于工程投產后印證。

2.2.3 水力浮動式

水力浮動式垂直升船機是一種工作原理與鋼絲繩卷揚提升式、齒輪齒條爬升式機型完全不同的新型垂直升船機。與常規機型的垂直升船機以電能作為動力驅動承船廂升降不同，水力驅動全平衡式垂直升船機是利用水能作為動力驅動承船廂垂直升降運載船舶克服水位差的通航設施。在船廂荷載發生變化時，利用平衡重浮筒淹沒水深的相應變化，使船廂與平衡重浮筒之間達到新的平衡狀態，解決船廂漏水等極端事故狀態下升船機的安全問題。水力浮動式升船機船廂的升降過程實質上是通過輸水系統向豎井充泄水的一個非恒定流輸水過程，因此其主提升設備由輸水系統、豎井、充泄水閥門、平衡重浮筒、卷筒裝置以及連接各卷筒的同步軸、制動器等設備組成。

云南瀾滄江景洪水電站垂直升船機是國內外首次采用的水力驅動式機型，通航300 t級 （遠景500 t級）船舶，最大升程66.86 m，帶水承船廂總質量約3 150 t。輸水系統采用16分支的等慣性輸水系統，船廂室兩側共設有16個直徑為6.5 m的豎井，同側各豎井底部通過直徑為2.5 m的管道連接，降低船廂升降過程各豎井間的水位差。升船機平衡系統的16個直徑6.2 m的浮筒平衡重，充水后每個浮筒質量約418 t，浮筒通過頂部4個動滑輪懸吊，懸掛鋼絲繩一端固定，另一端纏繞在主機房的卷筒上，16個直徑4.2 m的卷筒位于各豎井上方的相應部位。16個卷筒用同步軸連接成矩形閉環系統，使運行轉速同步，每個卷筒上設置有3對常閉式盤式制動器。輸水系統上游設有3只沖水閥，下游設有3只泄水閥，用于豎井的充水和泄水。充泄水閥門均選用活塞閥，3只閥門并聯布置，其中2只為直徑1.6 m抗氣蝕性能良好的多槽缸體活塞閥，運行時作為輔閥，通過開度的調節控制承船廂的深度，主要用于承船廂升降行程兩端的加 （減）速度運行段；1只為直徑1.6 m E型活塞閥，運行時作為主閥，在承船廂完成升降啟動的加速度段后一次操作至全開狀態，或在承船廂升降行程末端進入減速運行段后一次操作至全開狀態，或在承船廂升降行程末端進入減速度運行段前一次操作至全關狀態。

云南瀾滄江景洪水電站水力驅動式垂直升船機，在國內乃至當今世界上均為首創，設計、施工、制造、安裝、調試、運行均無工程實踐可供借鑒，其運行原理的先進合理性有待于工程投產運行后檢驗。

2.3 升船機創新技術水平

大型垂直升船機建設是一項復雜的系統工程，世界上已建成的實例為數不多，我國從20世紀90年代開始的升船機建設項目較多，以福建閩江水口水電站垂直升船機為代表的卷揚提升式機型，經過建設者們長達18年的艱苦努力，在工程建設實踐中取得了多項科研創新成果。水口升船機設計方案既充分吸收了國外升船機的建設技術，又不拘于國外升船機的機型模式。在緊密結合水電站具體建設條件和我國實際技術條件，通過深入科學地分析論證選定機型和技術方案，努力做到技術上有所創新。水口升船機成功研發并應用了全平衡鋼絲繩卷揚提升式機型，首次提出大比尺整體物理模型試驗，研究了高塔抗震結構受力機理，采用了船廂整體浮運技術、研發了差速安全鎖定裝置、折疊式對接密封裝置、可控平衡重裝置，二級調壓事故制動技術、主拖動控制技術等多項首創技術。其中 “一種垂直升船機塔樓結構”、 “一種便于人員緊急疏散的高塔結構”、 “安全鎖定裝置”、 “對接密封裝置”等已獲得國家新型專利。

2005年12月，對水口升船機建設及運行項目組織了科技鑒定，技術鑒定委員會的鑒定意見為：“在水電水利樞紐建造2×500 t級濕運全平衡鋼絲繩卷揚提升式垂直升船機并成功投運，在國內外都是第一次，水口升船機建設及運行經驗為國內三峽等后續工程的升船機建設提供了借鑒。水口升船機的建設及運行項目成果總體達到了國際先進水平，其中，安全鎖定裝置、折疊式對接密封裝置和大慣量垂直提升系統二級調壓事故制動控制等技術居國際領先水平”。2007年12月，水口水電站2×500 t垂直升船機的建設及運行項目獲得國家科學技術進步二等獎。

我國自主創新的云南景洪升船機水力浮動式機型以及借鑒引用德國升船機技術的長江三峽齒輪齒條爬升式升船機正在建設之中，豐碩的科研成果已用于升船機設計建造中，所采用的各項技術均為國際之最。其技術難度和建設復雜性已遠遠突破國內外升船機建設的最高水平，展示出中國科技工作者的非凡智慧。可以預見：長江三峽升船機建成后將成為世界升船機建設史上矗立的一座豐碑，必將閃耀出奪目的光彩。

3 展望

21世紀，我國數十萬公里的航道有待改善，通航建設加快。根據有關部門規劃，今后主要任務有：加速開發西南地區高水頭樞紐的通航建設，京杭運河、湘桂運河以及天然河流水運網建設；礙航閘壩復航和新建水利、小水電站閘壩的通航建設；黑龍江和鴨綠江等國際河流綜合利用開發的通航建設。

可以預見：①隨著水利水電工程建設和航運事業的發展，在水利水電工程中興建通航建筑物將會日益增多。與在運河上修建建筑物相比，大、中型水利樞紐上的通航建筑物的建設，將是我國今后通航建筑物建設的主要對象。②為適應水利水電樞紐高水頭特點，船閘設計水頭將日益提高，多級低水頭船閘逐漸為單級高水頭船閘或垂直升船機所代替，高水頭通航建筑物建設將會越來越多。③隨著通航建筑物技術的不斷提高，工程運行管理安全可靠性和提高效率將會更加受到重視，通航建筑物的監控等將會逐步實現自動化。

隨著我國大西部河流的開發建設，高山峽谷，水位落差巨大，工程中將會遇到前人從未遇到的難題和挑戰。其中，高水頭水利水電樞紐的通航建設任務最為艱巨，還需要付出更大的耐心學習國外的先進技術，從類似工程中找到方法，研發出更多更好的技術成果。

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