三峽升船機工程建設綜述

趙錫錦

（中國長江三峽集團公司，北京 100038）

1 前言

1.1 升船機設計研究

升船機工程布置在樞紐的左岸，是三峽工程的通航設施之一，與雙線五級船閘聯合運行，其主要作用是為客輪、貨輪和特種船舶提供快速過壩通道。三峽升船機過船規模為3 000噸級，最大提升高度為113m，上游通航水位變幅為30m，下游通航水位變幅為11.8m，設計下游最大水位變率為±0.5m/h，具有提升重量大、提升高度大、上游通航水位變幅大和下游水位變率快的特點，是目前世界上規模最大、技術難度最高的垂直升船機。

三峽升船機工程由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道幾部分組成，全線總長約6 000m。

三峽升船機采用齒輪齒條爬升式，其方式比選經歷了漫長過程。三峽升船機型式可以采取平衡重式、浮筒式、水壓式、液壓式、水力式及半水力式和帶中間渠道的兩級齒輪齒條爬升式等多種方案。自1958年開始，長江水利委員會會同國內有關科研機構、設計單位、大專院校對這些方案進行了綜合研究分析比較。在1993年5月國家審查通過的《三峽工程初步設計報告》中，推薦采用“鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式”[1]作為三峽升船機型式。

1995年之后，我國機械設備的加工裝備和制造能力得到迅速提升，已初步具備制造齒輪齒條爬升式升船機關鍵設備的能力。為提高升船機的安全可靠性，中國長江三峽集團公司（三峽集團公司）借鑒和吸收了國外在升船機建設方面的成功經驗，同時委托長江勘測規劃設計研究院對齒輪齒條爬升式升船機方案進行了深入的專項設計研究，先后提出了《三峽齒輪齒條爬升式升船機主體部分設計研究報告》和《三峽垂直升船機主體部分方案比選報告》。2003年3月，經三峽集團公司審查通過，三峽升船機方案由鋼絲繩卷揚提升式改為齒輪齒條爬升式，并上報國務院三峽工程建設委員會（簡稱三建委），同年9月，三建委第十三次全體會議批準了對三峽升船機型式的修改，至此結束了三峽升船機型式比選的漫長經歷。

自2004年起，三峽集團公司組織長江勘測規劃設計研究院和德國“拉麥爾-K&K”設計聯營體（JV）對齒輪齒條爬升式升船機主體部分的總體布置、機械與電氣設備以及土建結構進行了長達3年的深入設計。2007年6月，依據設計成果，長江勘測規劃設計研究院編制完成了“長江三峽水利樞紐升船機總體設計報告”。同年7月，三建委質量專家組通過了對該報告的審查，以此為標志，三峽工程升船機建設進入了設計和施工的重要階段[1]。

1.2 升船機工程現狀

三峽一期工程建設初期，升船機工程與左岸樞紐工程項目同時開始施工。1995年，三建委決定將升船機工程項目緩建，2003年10月決定恢復升船機工程項目建設。

2008年3月升船機船廂室段及下閘首二次開挖和邊坡支護工程全部完成。2012年8月塔柱高程196.00m以下混凝土完成施工。2013年6月塔柱頂部機房混凝土完成施工。2013年4月船廂結構開始安裝，標志著升船機工程由土建施工階段轉為金屬結構安裝階段。升船機施工形象進度見圖1。

圖1 施工形象進度圖Fig.1 Progression graph of construction image

2 升船機方案優化研究和比選

2.1 初步設計階段

初步設計階段，三峽升船機為“鋼絲繩卷揚提升全平衡垂直升船機”（以下簡稱鋼絲繩卷揚式升船機）。

該型式升船機的主要技術特點是載運船舶的承船廂由超大型卷揚機通過連接和懸吊承船廂的鋼絲繩系統提升。卷揚提升設備布置于船廂室兩側的塔柱頂部。船廂總重量（船廂+水重）由布置于船廂兩側的平衡重系統“全平衡”，提升系統只需克服運行阻力和提供維持加速度的力即可。

2.2 升船機方案優化研究與確定

對于全平衡重式升船機，關鍵技術是如何確保船廂運行中不會因各種可能的事故造成“全平衡”狀態被破壞，以及一旦平衡被打破后的安全防護措施。初步設計階段，鋼絲繩卷揚式升船機技術方案中雖設置了相應的安全保障系統，但只能保證船廂漏水不超過50%的工況。對于船廂在短時間內全部漏空等工況尚缺乏考慮。

在升船機緩建期間，我國有關三峽升船機的試驗研究和理論分析都表明，鋼絲繩卷揚式升船機存在發生船廂傾覆的可能性。通過對德國升船機進行考察，并與其相關部門進行技術交流得知，該升船機在運行中曾經發生船廂嚴重漏水的事故。

鑒于上述情況，應針對升船機技術方案中的各種可能的安全隱患進行深入研究，以進一步提高三峽升船機的安全可靠性。為此，對初步設計確定的升船機主體部分方案進行優化。

在對國內外升船機進一步調研、考察的基礎上，決定借鑒和引進德國的“齒輪齒條爬升、長螺母柱短螺桿安全保障機構型式升船機”技術，對三峽升船機技術方案進行優化。1999年1月，三峽總公司委托德國聯邦航道工程研究院（BAW），對該型式升船機技術方案的可行性進行了研究。長江水利委員會在此可行性研究成果的基礎上，對該型式升船機進行深化設計，使之達到初步設計深度，并與初步設計階段確定的鋼絲繩卷揚式升船機方案進行了技術、經濟的全面比較，提出了《長江三峽水利樞紐垂直升船機主體部分方案比選報告》。

2003年3月，三峽總公司邀請國內有關的知名專家對“比選報告”進行了審查，審查意見認為：“鑒于三峽工程的重要性和社會影響，專家組認為確保三峽升船機的安全運行是方案比選的首要因素。經綜合分析表明齒輪齒條爬升方案，運行安全可靠性高于鋼絲繩卷揚提升方案（即初步設計方案）”。“因此，專家組推薦采用齒輪齒條爬升、短螺桿長螺母柱安全保障的全平衡垂直升船機方案”。2003年10月，三建委正式批準三峽升船機主體部分采用“齒輪齒條爬升式升船機”技術方案。優化方案并未改變升船機的總體布置和基本技術條件，僅對升船機提升方式和安全保障系統及相應部分的船廂結構和土建結構等做了修改，修改后，升船機仍屬全平衡垂直升船機這一基本類型，齒輪齒條爬升方案布置見圖2。

圖2 齒輪齒條爬升方案布置圖Fig.2 Layoutof rack and pinion climbing scheme

2.3 齒輪齒條爬升式升船機主要技術特點

主要技術特點有以下幾方面。a.船廂由4套驅動機構通過齒輪齒條的嚙合驅動升降，驅動力只需克服運動阻力和加速度力。b.驅動機構、安全機構等機電設備都布置于承船廂上。c.事故狀態下，船廂依靠安全機構的螺桿、螺母柱的螺紋自鎖，被鎖定在螺母柱上。d.安全機構可在船廂漏水部分漏水直至全部漏空、船廂水充滿船廂超載、船廂室被淹、船廂對接時發生沉船、平衡重井進水平衡重受浮力等各種事故工況下保護船廂的安全，提高船廂運行的安全可靠性。

驅動、安全機構布置見圖3。

圖3 驅動、安全機構布置圖Fig.3 Layoutof driveand securitymechanism

3 升船機施工程序研究與調整

三峽升船機施工程序主要涉及塔柱混凝土及一期埋件施工、螺母柱/齒條等二期埋件安裝、螺母柱/齒條等設備安裝、承船廂安裝等幾個主要施工項目的相互銜接。從施工安全和埋件安裝精度要求考慮，施工程序為：塔柱結構封頂后，進行螺母柱、齒條等二期埋件的安裝；然后再進行螺母柱、齒條安裝；承船廂及設備安裝可與螺母柱、齒條等設備安裝平行作業。

為減少塔柱變形對齒條和螺母柱安裝精度的影響，確保升船機安全可靠運行，對調整升船機施工程序進行了研究。研究結果表明，在塔柱加載前、后，塔柱低高程（高程100.00m以下）的混凝土結構縱向變形、橫向變形均在2mm左右，變形量較小，對螺母柱/齒條二期埋件及其安裝精度的影響有限，可對程序進行適當調整，即塔柱承重結構高程196.00m橫向聯系未形成前，可同時進行螺母柱/齒條及其二期埋件安裝，二期埋件安裝不超過高程110.00m，螺母柱/齒條安裝不超過高程100.00m；塔柱承受全部船廂結構及其設備、水和平衡重的荷載之后，完成余下螺母柱/齒條及其二期埋件的施工，然后再進行升船機的無水和有水調試[2]。

4 升船機關鍵技術及管理

與鋼絲繩卷揚提升式升船機方案相比，齒輪齒條爬升式升船機方案的運行安全性雖然有了提高，但同時升船機的機構與結構的技術復雜性和技術難度也增大了。其主要技術難點和風險有以下幾點。

1）三峽升船機技術規模和運行條件的復雜性遠超出國內外已有升船機，必將遇到許多新的待研究解決的技術難題。

2）為適應三峽升船機的技術特點和要求，設計中開發和采用了較多尚未運用過的新機構和新結構，缺乏工程實踐的運行經驗和考驗。

3）升船機船廂結構復雜、尺寸大，機電設備集中布置于船廂上，對船廂結構的制造安裝精度及結構的安全性要求高，施工技術難度大。

4）驅動機構的齒條、齒輪和安全機構的螺母柱、螺桿的主要技術參數已超出我國現行技術標準，且工程量大（約7 000 t），沒有成熟的設備制造工藝，更沒有安裝施工經驗和質量檢查標準，項目實施技術風險較大。

5）齒條、螺母柱等升船機埋件結構復雜、承受荷載大、施工程序多、安裝精度要求比較高，具有較大的施工難度，其施工質量直接關系到升船機能否安全可靠運行。

6）升船機塔柱建筑為高聳（達169m）薄壁砼結構，荷載大、體形復雜，塔柱結構的施工工藝及其質量控制，特別是混凝土施工中的溫控與裂縫控制將是土建施工的技術難點之一。

7）升船機由中德雙方聯合設計，雙方所依據的設計標準、設計工作程序、設計成果內容與深度要求等都有較大差異，這將對升船機項目的后續實施有較大影響，因此設計過程中的協調統一工作難度大。

針對上述特點，必須從設計、制造、安裝、管理等方面采取相應措施，確保升船機工程順利完成。

4.1 升船機主體部分的設計及其管理

4.1.1 設計任務及設計單位

為引進齒輪齒條爬升式升船機技術，并結合我國國情，以便于今后施工，升船機主體部分采用中、外聯合設計方式，即由德方組成LI/KUK設計聯營體承擔船廂及其機電設備設計，三峽工程總體設計單位長江勘測規劃設計研究院承擔土建結構設計和上、下閘首設計。要求德方的設計工作應達到招標設計深度，同時滿足三峽總公司組織的設計審查工作的要求。此外，還聘請原可行性研究單位德國聯邦航道工程研究院為“升船機船廂及其機電設備設計”的咨詢單位。

4.1.2 設計審查工作

為加強對設計質量的控制，加強了對設計成果審查的環節。審查的重點是升船機關鍵部位、關鍵項目的安全可靠性及可持續性。

為此，聘請長江勘測規劃設計研究院對升船機設計的安全可靠性進行復核審查，聘請由中國水利水電科學研究院牽頭、機械科學研究總院和中船重工第709研究所參加共同組成的聯合體對升船機設計的安全可靠性進行評估。

三峽集團公司組織各階段性審查，其最終設計成果由三峽工程質量專家組組成的“升船機設計審查專家組”進行最終的審查。

4.2 專項試驗研究

在對國內設備制造廠生產能力進行調研的工作基礎上，針對升船機技術難點和關鍵技術問題，安排了以下專項試驗研究。a.齒條、螺母柱埋件接縫灌漿材料技術性能及灌漿工藝試驗研究，以檢驗德方設計灌漿材料的物理力學性能及其工藝性能。b.螺母柱埋件結構試驗研究。c.小齒輪托架運動特性分析和試驗研究。d.齒輪、齒條制造工藝研究。e.螺桿、螺母柱制造工藝研究。f.船廂結構關鍵制造工藝及運輸、現場拼裝方案研究。g.齒條、螺母柱等埋件安裝工藝研究。h.塔柱結構混凝土施工工藝研究。i.升船機船廂及其機電設備安裝、調試施工組織設計研究。j.施工控制點布置及測量方案研究。

通過上述試驗研究，將對升船機關鍵項目設計的合理性和可實施性進行檢驗，并對升船機關鍵設備制造、安裝工藝和關鍵技術提前研究，力求減少項目實施的風險。

4.3 齒條、螺母柱制造技術及管理

齒條、螺母柱是三峽升船機關鍵設備制造中技術難度最大的設備之一，其制造具有以下技術特點：一是齒條、螺母柱技術規模大、要求高，同等技術要求的設備在國內外均屬首次研制，沒有成功制造的經驗借鑒；二是其冶煉、鑄造、熱處理、機加工及廠內預拼裝等加工過程大量采用了德國DIN（德國標準化學會）標準、歐洲EN（歐洲標準）標準和ISO（國際標準化組織）標準，相關單位均沒有經驗，標準的相關規定和涵義對于升船機齒條、螺母柱具體產品而言，需要進行系統的消化研究；三是齒條100件、螺母柱208件，數量多，鑄件質量等級要求高，直接影響批量生產產品合格率和交貨進度；四是齒條表面感應淬火加工為世界級難題，極易發生齒面開裂、淬火變形和后期運行中淬硬層剝落、斷齒等破壞，嚴重影響升船機的安全可靠運行，需對其工藝、破壞機理等進行專題攻關和試驗研究。

三峽集團公司重點采取了以下措施：一是進一步完善質量標準體系的建立，在前期對DIN標準研究的基礎上，全面梳理制造過程質量控制要求，要求廠家提供的制造工藝方案必須緊緊圍繞各項質量控制指標并層層分解落實，積極組織專家審查，確保工藝的針對性和可操作性；二是提前策劃和緊密組織專題研究試驗，在設備招標階段即進行策劃，同時，采購合同簽訂后即組織科研單位、院校及制造廠進行科研項目研究；三是不斷總結和深化研究，三峽升船機的建設過程是一個認識、提高，再認識、再提高的過程，設備制造過程中必須針對出現的新問題、新情況，及時進行分析、研究，不斷完善設計和制造工藝。

4.4 船廂加載方案和無水調試研究

為保證齒條、螺母柱的安裝精度，要求高高程齒條、螺母柱的安裝需在塔柱承受額定載荷的條件下進行。塔柱加載方案為：由鋼絲繩吊掛全部平衡重塊，在船廂結構內均勻裝砂，使船廂結構、設備和砂的總重量與平衡重總重平衡。船廂加載完成后，進行高高程齒條、螺母柱的施工，在此期間，同時進行船廂設備的安裝以及單機調試、分系統調試，調試完成后，用裝砂的船廂進行升船機無水調試；待所有齒條、螺母柱安裝完畢，鎖定船廂，將船廂內的砂卸掉，向船廂充水，再進行船廂有水調試和過船試驗。按照當時確定的加載方案和施工總進度安排，船廂加砂方案既可以滿足塔柱在壓載條件下進行高高程齒條、螺母柱的施工，又可以縮短升船機的建設工期。

鑒于當前設備安裝的實際進度已經與制定船廂加砂壓載方案時發生了很大改變，采用船廂加砂方案已不再有任何優勢，且該方案還存在：需要專門制作數千個砂箱；裝箱、卸箱工作強度大、加/卸載工期長；砂的重量受雨水影響較大，為保持與平衡重的平衡需經常調整，進行無水調試試驗的難度大等缺點。而采用船廂充水壓載方案具有操作簡便、加載工作量小、工期短、無需卸載即可進行有水調試等顯著的優點。

考慮到齒輪齒條爬升式升船機與鋼絲繩卷揚提升式升船機的差異，三峽集團公司組織專家審查通過，塔柱壓載采用船廂裝水方案；可不再進行升船機無水調試，待齒條、螺母柱安裝完成后直接進行有水調試。

4.5 塔柱混凝土施工及一、二期埋件安裝施工研究

針對塔柱混凝土結構高精度要求，經過對影響結構輪廓尺寸精度的材料、施工工藝等環節進行專題研究和優化，形成滿足升船機土建結構精度要求的各專項施工技術方案或工藝流程。具體包括以下幾方面。a.將高層建筑物常用的液壓自升式模板應用于水工混凝土施工。b.對液壓自升式模板不斷完善、改進液壓自升式模板施工工藝。c.采用了高精度的數控鋼筋加工設備，鋼筋制作精度大大提高，確保了鋼筋安裝的精確定位，鋼筋安裝質量和安裝進度也大大提高。d.改變常規只采用單一的極坐標法測量，創造性地綜合采用極坐標法、綜合測量法、小鋼尺測量法多種測量方法，實現了混凝土結構的精度控制。從混凝土形體檢測結果以及無損探傷檢測結果表明混凝土質量優良。

船廂室段金屬結構一期埋件主要包括：螺母柱、齒條、縱導向及平衡重等一期埋件。其中，齒條、螺母柱通過預應力鋼筋將齒條（螺母柱）、二期埋件、二期混凝土與一期混凝土墻連接，通過施加預緊力使齒條（螺母柱）、二期埋件與一、二期混凝土形成整體承載結構。主要采取了以下措施。a.埋設在混凝土內的螺母柱/齒條套管采用輔助定位鋼架固定，確保其在混凝土澆筑過程中不產生位移。b.一期外露插筋埋設位置逐根進行精度測量定位。c.嚴格按照施工程序組織施工，鋼筋綁扎與鋼架安裝、套管安裝交替施工，套管分初調、精調、復測3個階段進行測量驗收。拆模后現場復測結果表明，螺母柱/齒條一期埋件和插筋的定位、固定方式有效，未出現因混凝土澆筑而造成其位移或偏移的現象。

船廂室段設備及二期埋件主要包括螺母柱及其二期埋件、齒條及其二期埋件等。齒條二期埋件主要為π形組合鋼架及其配套件，螺母柱二期埋件主要為工字形組合鋼架及其配套件，為確保其安裝精度，進行專題研究后采取的主要措施有以下幾個。a.二期埋件專用可拆卸式調整裝置。該裝置包括3套整體鋼梁系結構、數組預埋固定錨件及調節螺桿等。其結構簡單、使用快捷方便，能夠循環使用，滿足安裝精度需求。b.一對螺母柱相互間高程差調整采用專用工裝。該調整工裝由兩件精加工標準墊塊組成，配合框式水平儀及塞尺進行調整控制。c.同高程的埋件同時安裝，便于控制螺母柱、齒條等埋件及設備群的相對位置的精度。從已安裝的二期埋件情況來看，一期埋設的套管與二期埋件預留孔位置相吻合，說明目前一期套管的埋設精度滿足要求。

在各參建單位的共同努力和相關專家的指導下，通過工藝方案優化、專項科研以及試驗等聯合攻關，三峽升船機塔柱混凝土施工以及齒條、螺母柱一、二期埋件及設備安裝技術取得了重大技術突破，施工質量均符合設計及質量標準要求，施工進度滿足工期要求，得到了國務院三峽質量檢查專家組的充分肯定。

5 結語

三峽升船機是當今世界上技術規模和技術難度最大，安全可靠性要求最高的升船機，它的建成將大大提高三峽水利樞紐工程的通航保證能力，促進長江航運事業的發展。

目前，三峽升船機工程建設已全面展開，塔柱結構混凝土已完成封頂，正在進行船廂結構、平衡重及齒條、螺母柱的安裝工作，工程由土建施工階段轉為金屬結構安裝階段，預計2014年投入試運行。盡管在招標設計階段，中、德設計方對三峽齒輪齒條爬升式升船機進行了深入的設計研究，設計中的主要技術問題已落實解決，并且該型式的升船機在國外已有成功的建設經驗。但由于三峽升船機在提升高度、過船規模、技術復雜程度和通航水力學條件等方面，均遠超已建升船機，國內也沒有同類升船機的設計和建設經驗可借鑒，因此，在升船機施工和設備制造、安裝、調試過程中，將不可避免地面臨諸多預想之中或之外的技術難題，需要設計、建設、制造等參建各方繼續聯合攻關，通過精心設計、精心制造、精心安裝與施工，并通過嚴密科學的組織與管理，早日建成一座安全可靠運行的升船機。

[1] 鈕新強，覃利明，于慶奎.三峽工程齒輪齒條爬升式升船機設計[J].中國工程科學，2011，13（7）：96-103.

[2] 梁仁強，李 鋒.三峽升船機施工技術研究與實踐[J].人民長江，2011，42（16）：51-55.