岩滩水电站1×250 t级垂直升船机总体设计

1　概况

岩滩水电站1×250 t级垂直升船机布置在电站枢纽的左岸，由上游引航道、挡水坝段、中间渠道、升船机本体段和下游引航道等建筑物以及机电设备等组成，航道中心线总长度905.8 m。
通航规模系根据红水河的航运情况经研究论证，报国家计划委员会批复，确定为前期按1×250 t级升船机建设，为今后航运事业发展留有余地，上航道水下建筑物按通过500 t驳船建设，下航道内预留1×500 t级升船机建设位置。
升船机设计年货运量为180万t，其中上航40万t，下航140万t，最大通航船舶吨位为250 t铁驳。最大船舶型长37.0 m，型宽9.0 m，满载吃水1.27 m，满载排水量330 t。货运量计算条件假定：
(1)年航运天数325 d；
(2)每天通航时数22 h；
(3)来航量不均匀系数1.4；
(4)船只装载利用系数0.85；
(5)每天客轮过坝次数2次；
(6)双向运行。
通航条件为上游最高通航水位223.0 m，上游最低通航水位212.0 m，下游最高通航水位162.6 m，下游最低通航水位154.5 m。通航净空要求为最高通航水位以上8.3 m。

2　升船机机型选择

根据岩滩水电站水位落差大，河床窄，建筑物布置紧凑等客观条件，选用垂直提升式升船机作为通航过坝设备。
目前国内外有代表性的垂直升船机有两种型式，一种是带大螺杆螺母安全装置的齿轮齿梯爬升式(简称齿轮齿梯式)；另一种是钢丝绳卷扬提升式(简称卷扬式)。两种型式的比较主要有以下特点：
(1)齿轮齿梯式。作为安全装置的4个大螺母随齿轮作同步空转，与相应的4条大螺杆的螺纹保持均匀间隙，对设备的制造和安装的精度均有较高的要求，对塔柱的施工精度及其变形、位移的控制也有较高的要求。此较适合于中、低扬程的升船机。且不宜船厢入水运行。
(2)齿轮齿梯式在国内尚无成功经验借鉴，其中有多项国外专利，因引进费用高，技术难度大，研制费用高。
(3)卷扬式国内有类似的设备研制经验可借鉴，制造、安装、维护相对较简单。
(4)卷扬式对土建的施工精度及其变形、位移均无特殊要求。
岩滩升船机的最大扬程为68.5 m，经对上述比较要点的论证分析后，选用卷扬式。
岩滩水电站通航建筑物的特点是：下游通航水位变幅大，下游通航水位差8.1 m，非通航水位差39.2 m，水位变率大，实测最大达125 mm/min,汛期泥沙含量大，实测最大为12.9 kg/m³。对卷扬式垂直升船机的船厢是否入水运行，其主要比选要点有：
(1)不入水运行：土建结构复杂、开挖量大、塔柱高、工程量及施工难度大。主机传动载荷小、主机重量小、所需电机功率小、调速设备简单。金属结构工程量大、操作频繁。通航运转环节多。淤沙难以处理。水位变率大易造成搁船事故。汛后复航时间长。
(2)入水运行：土建结构简单、开挖量小、塔柱低、工程量及施工难度小。主机传动载荷大、主机重量大、所需电机功率大、调速设备较复杂。金属结构工程量小、操作少。运行环节少。停航时间少。淤沙易处理。不易造成搁船事故。
经充分比较分析，选用船厢入水运行方式总投资少，比较适合岩滩水电站通航建筑物的特点。因此，岩滩升船机为卷扬式提升、船厢入水、非全平衡垂直升船机。

3　升船机建筑物设计

升船机建筑物共分为上游引航道、挡水坝段、中间明渠、本体段、下游引航道等五个部分组成。
(1)上游引航道位于坝轴线上游的库区内，全长275 m。因口门区在库内，水面宽，故省去航道过渡段，只设调顺段、停泊段和导航段。停泊段设有混凝土重力式靠船墩，可停靠500 t级一个船队，靠船墩顶端设有灯塔1座。导航段位于停泊段与大坝之间，采用浮式混凝土浮堤结构，共分两段，段间铰接，每段长65 m，型宽10 m，型深2.8 m，两侧用锚链固定，一端伸入坝体凹槽形竖向轨道内铰接固定，可通过收放锚链使浮堤随水库水位变化。
(2)挡水坝段为两个坝段，每段长均为16 m，在两段中缝处留有净宽为12 m的过船孔，上部设有T型钢筋混凝土公路桥。过船孔的孔口尺寸能满足远期500 t级船舶通过。在过船孔上还设有挡水闸门1扇，门槽2套，当汛期停航或中间明渠检修时关闭闸门挡水。
(3)中间通航渠道上游与挡水坝段连接，下游与升船机本体上闸首连接。渠道全长39.5 m，净宽12 m，为钢筋混凝土U型结构。最低通航水位时仍有3 m水深，可满足远景500 t船舶通航要求。在渠道右侧的224 m高程平台上布置有大坝至主机房的公路交通桥，桥底尚布置有升船机配电房。
(4)升船机本体部分包括上闸首、升船机主体段、下闸首等三部分。
①上闸首是升船机本体的上游挡水建筑物，上接中间渠道，下接升船机主体。主要有工作闸门、排沙孔、过船防撞梁及其启闭设备等。
工作闸门位于通航渠道的末端，兼有通航时挡水、与承船厢对接、上游通航水位变化时调整高度位置保持门上通航水深等作用。
排沙孔位于距通航渠道末端7.45 m，设潜孔式平面定轮钢闸门和固定卷扬式启闭机，用来排除渠道中的淤沙和必要时放空渠道中的水体。
②升船机主体段位于上、下闸首之间，长45.3 m，主要由船厢池、塔柱、主机房、中控室等组成，是升船机建筑物的主要部分。
船厢池是由两侧挡墙和上闸首围成的三面围墙一面开敞的结构，下游侧与下闸首及下游引航道连通。池长49.3 m，净宽16.5 m，池底高程149.5 m，即当下游最低通航水位154.5 m时有5 m水深，满足通航时船厢与下游对接要求。此外，在船厢池两侧壁的151.1 m高程处设有净宽为1 m的平台供承船厢维修及设备组装用。
塔柱下端由船厢池底板和挡墙支承，为槽型薄壁钢筋混凝土结构，高度95.6 m，宽度7.75 m，壁厚1 m，左右侧各两个塔柱，每个塔柱设3个净宽为5.5 m的平衡重井，左右塔柱之间在塔顶通过厚板梁连接，使其成为封闭式框架以增加整体刚度。在塔柱的内壁设有4条承船厢导轨和供主机检修时卸载用的船厢锁锭座。在每侧的塔柱之间设有楼梯供运行维护交通及事故发生时疏散人员用。在左侧塔柱还设有1台电梯。
主机房设在塔柱顶部240.6 m高程，两侧设钢筋混凝土立柱，立柱牛腿上有1×63 t桥机轨道。房顶为钢桁架结构，机房左、右及下游侧设有宽1.5 m的外走道，上游侧经公路桥与坝顶连通。
中控室设在塔柱中间的主机房底部，从主机房有楼梯连通。中控室的上下游侧全部采用玻璃作隔墙，具有较好的视野；可直接观察到上游库区及中间渠道、下游口门区的船只航行情况。
③下闸首是升船机本体部分检修时的下游挡水建筑物。上接升船机主体段，下接下游引航道，长13.8 m，设有平面叠梁式检修闸门一扇。下闸首侧墙在一期混凝土浇筑时留有一缺口供船厢浮运进船厢池用，待船厢进池后再同二期混凝土封堵缺口。
(5)下游引航道是升船机与下游连接的航道。上与下闸首连接，下与下游河道连接。全长486.8 m，分导航段、调顺段和停泊段，引航道底宽由下闸首端的10.4 m逐渐拓宽至28 m。底部高程152 m，可满足250 t船舶通航。经水工模型试验测定，引航道口门区流速：平行航线流速1.45 m/s，垂直航线流速0.22 m/s，回流流速0.37 m/s，均满足航运要求。
引航道停泊段设有8个系船墩，间距15 m，各墩在最低通航水位154.5 m至墩顶167.5 m高程之间各设1组间距为1.5 m的系船钩。在引航道左侧195 m高程设有1座灯塔。

4　升船机机械设备设计

升船机机械设备有：主提升机(简称主机)、平衡重装置、承船厢导向装置、承船厢夹紧装置、承船厢顶紧装置、承船厢锁锭装置、液压平衡装置、防撞装置、顶紧密封装置、充泄水装置等十个部分。
4.1　主提升机
主机安装在塔柱顶部240.6 m高程的机房内，由4组卷扬机和4组静力平衡滑轮组组成，对称布置。每组卷扬机由1台直流电机驱动，通过齿式联轴器、带制动盘联轴器、双输出轴的高速减速器、齿式联轴器、传动轴将动力传给对称布置于高速减速器两侧的2台双输出轴低速减速器。每台低速减速器的末级齿轮两端输出轴通过鼓形滚柱联轴器各联1套卷筒装置，共16套卷筒，中心线距楼面2.1 m，卷筒的外侧端面设有制动盘，每个制动盘上设3对液压盘式安全制动器。在电动机与高速减速器之间设1对盘式工作制动器。4组卷扬机的低速减速器输入轴之间通过齿式联轴器、带胀紧套的齿式联轴器、同步轴、换向锥齿轮箱连成一封闭的环形机械传动及同步系统。
固定在每个卷筒上的3根钢丝绳分内外两侧出绳，其中2根内外侧共绳，另1根仅在内侧出绳。内侧出绳依次下连锥套、调节螺杆并与液压调平油缸的活塞杆相连，油缸下端与承船厢吊耳相连；外侧出绳依次下连锥形套、螺杆调整装置、平衡重。每组卷扬机中部设置1组4个滑轮，滑轮内侧出绳依次下连锥套、拉板、船厢吊耳；外侧出绳依次下连锥套、调整螺杆、平衡重。在调整螺杆头部设有防转板防止钢丝绳旋转。
卷筒或滑轮组内侧钢丝绳下连船厢，外侧钢丝绳下连平衡重形成一平衡系统。
主机设计的特点是：(1)提升力大。因系非全平衡和船厢入水运行，主机的额定提升力为4 401 kN，短时尖峰载荷下达7 708 kN；(2)提升系统双向受载。因船厢出、入水产生浮托力的增减，主机每一运行过程中主机的总载荷在4 401 kN至7 708 kN之间变化，存在力矩过零(换向)问题。
主机布置的关键是减少低速减速器和大卷筒的制造难度。主要措施是减少或简化传动系统、减少作用于卷筒上的力矩。曾做过4台、8台、16台低速减速器和钢丝绳不同绳径的方案比选和优化，最终确定为8台低速减速器和相应的16套卷筒和Φ52 mm的钢丝绳。主机主要技术参数见表1。

表1　岩滩水电站1×250 t级垂直升船机主要技术特性表