三峡工程中的升船机是怎么工作的？

作为水电建设战线的一名资深技术人员，近年来，山竹因在水电建设及升船机领域的造诣，应邀参加了国内多座大型升船机建设有关的技术审查、讨论和咨询，感想颇多，既为我国升船机建设的良好开局而高兴，也为建设实践中存在的一些问题而不解。2007年5月中旬，曾经结合长江三峡升船机和**江向家坝升船机设计方案，在我的博客中撰文阐述了他的一些观点和见解，一年后，意犹未尽，还想再吐为快，与朋友们共商、共议，特撰写本文。　　1 升船机——载运船舶的巨型电梯　　举世瞩目的长江三峡工程建成后，一方面，因上游形成水库后的回水将到达四川省万县市，大大改善了上游航运条件，另一方面，则因大坝截断了长江江面，不仅阻断了航道，更使得大坝上下游形成了最大113m的水位落差。为解决船舶过坝问题，工程设置了双线五级船闸和一线垂直升船机。船舶经船闸过坝好比走楼梯一样，每次历时超过3小时；如果船舶经升船机过坝，就好比乘电梯一样，每次历时将缩短至40min～60min，与船闸相比，升船机过坝还具有不耗水的特点，足见其明显的优势。　　升船机其实就是建在通航河流上为克服水位落差供船舶乘坐的电梯或自动扶梯。高层大楼里的电梯通过桥厢垂直升降供乘客上下，快捷而省力，垂直升船机通过船厢垂直升降载着船舶上下克服水位落差，快捷而省力；斜面升船机则相当于大型商场里的自动扶梯，可以载着船舶沿着斜面升降克服水位落差，快捷而省力。由于垂直升船机可适用于更大水位落差的场合，速度更快，功耗更小，故在水电工程水级超过40m的高水头通航建筑物中应用更广，也是我国已建和在建各大型升船机所普遍采用的型式。　　升船机建设投资高达数亿以致数十亿，建成后能否真正发挥效益？将取决于通航规划是否合理？建设方案及建成后的设备是否能运行安全和好用？而这些都是需要建设者仔细、慎重思考的问题。　　2 国内外升船机建设现状　　大型升船机作为水运领域克服通航河流高水位落差的一种高效、快捷的手段，早在100年前的欧洲运河上被成功建成，其中，1935年和1976年德国先后建成的尼德芬诺升船机和吕内堡升船机运行良好，20世纪80年代，比利时开始建设规模更大的斯特勒比•蒂厄升船机，至2002年建成。我国的大型升船机建设技术研究早在20世纪50年代就开始了，与欧洲不同的是我国的大型升船机主要用于水利水电枢纽中解决高坝通航问题，因此，20世纪90年代初，升船机的建设实践也随着水电建设技术向着高坝大库的发展而开始，清江隔河岩、闽江水口、红水河岩滩等工程的升船机陆续开工，而长江三峡超大型升船机在经过了长达十几年的技术研究和论证后，最终确定了钢丝绳卷扬提升式机型方案，准备与三峡工程建设同步开工，为慎重计，确定先期建设的清江隔河岩升船机作为三峡升船机比例为1/10的试验机，为三峡超大型升船机的建设提供经验，升船机建设呈现一派大好形势。大型垂直升船机是一项集多项专业技术、复杂的系统性工程，首批开工建设的升船机，由于密切结合我国国情及工程的具体条件进行设计，对机型方案进行了仔细比较，对升船机运行安全性进行了详细论证，对施工、制造、安装、调试和运行的技术难度进行了充分的分析和技术准备，尽管建设过程中仍然遇到了不少未曾预料的困难，但通过参建各方的不懈努力，岩滩、水口升船机终于在世纪之交先后建成，稍后开工的清江高坝洲升船机，以及因三峡升船机的缓建被推迟工期的隔河岩升船机，也已在近期建成。至于这些升船机建成后，效益如何？规划合理否？目前尚难有结论，但在建设中，对国外的技术并不是照搬照抄，而是做到了在吸收基础上有所创新。　　目前，我国正在建设或设计中的升船机有长江三峡升船机，乌江上的彭水升船机、沙坨升船机、思林升船机、构皮滩升船机，**江向家坝升船机，右江百色升船机，以及澜仓江景洪升船机等。这些升船机均为解决水电站船舶过坝而建，分别采用了3种机型，即：三峡升船机和向家坝升船机采用齿轮齿条爬升式机，景洪升船机采用水力浮筒式机型，其余则采用钢丝绳卷扬提升式机型。这些升船机的规划、选型是否合适？不少还很值得商榷！　　3 升船机运行的安全性　　通航船舶吨位在300t以上的升船机属大型垂直升船机，其带水船厢的总质量将超过1500t，船舶吨位越大，带水船厢的总质量越大，长江三峡升船机是世界上规模最大的垂直升船机，设计通航船舶吨位3000t，有原设计的钢丝绳卷扬提升式机型改为现在的齿轮齿条爬升式机型后，带水船厢总质量也由11800t增加到了15500t。　　国内外大型升船机都采用湿运方式，即采用一只装有水的船厢作为载体，运载船舶升降的方式。根据巴斯克原理，不管船厢中有无船只，带水船厢的总质量不会改变，利用这一条件设置同等质量的平衡重来平衡带水船厢的总质量，就可实现系统“全平衡”的要求，使船厢升降驱动主机只要克服系统摩阻力、系统惯性力、设计允许的不平衡力等就可使整个大惯量系统按设计速度作正常升降运行，运行功耗极小。但是，由于主机对非正常条件没有足够的控制能力，因此，在各种运行条件下，全平衡式升船机必须保证设计规定的系统平衡条件，否则就会产生严重的安全事故。　　升船机作为一种特殊的提升运载设备，其运行安全性备受业内及社会各方的高度关注，确保升船机运行的安全也是升船机建设事业能否不断发展的重要因素，因此，升船机的方案选择及主要机构设计往往以保证运行安全为前提来进行。　　大型垂直升船机系统庞大，设备数量和种类繁多，但影响升船机正常运行的因素基本只有两类，一类是因设备故障不能使其维持正常运行，但不会产生危及安全的后果。对此，设计通常按不同的设备故障对运行产生的后果采取相应的应对措施，如采取冗余措施、备品备件、提高安全系数、紧急停机等。另一类是运行条件被破坏导致事故而产生危及安全的后果，如全平衡式升船机的平衡条件被破坏。垂直升船机保安装置的设计和设置即以此作为设计条件。　　什么事故条件破坏了全平衡式升船机的平衡条件？20世纪80年代初从德国吕内堡升船机的资料中见到的设计假定事故条件是：a.船厢内水全部漏失；b.船厢室进水导致船厢浸没在水中而失重；c.船厢内水满厢至船厢甲板面；d.满载钢铁的一艘船舶沉没在船厢内。上述情况都将使平衡条件被破坏，其中，a.b.两项是设计的控制条件。长期以来，我国的升船机设计、审查中也都以此为依据，但对上述事故条件的具体分析和采取的应对措施，在国内各升船机的设计中有着很大的差异，也因此决定了所选机型方案的不同。　　4 与升船机机型有关的问题　　升船机的机型通常都以驱动船厢的升降机构型式来分类，国内升船机见到的机型主要有齿轮齿条爬升式机型，钢丝绳卷扬提升式机型和水力浮筒式机型等三种。三峡、向家坝升船机采用齿轮齿条爬升式机型，以大螺杆螺母作为安全装置；景洪升船机采用水力浮筒式机型，以浮筒作为平衡重，在船厢侧载荷发生变化时能自动调整浮筒的淹没深度达到新的平衡，来确保安全。其余各升船机采用钢丝绳卷扬提升式机型，并以安全制动器或不同型式的机械锁定机构作为安全装置。　　4.1 对危及安全事故的分析　　为确保运行安全，无疑需要对危及安全的事故进行设防。但对发生事故的具体条件必须进行客观、科学的分析，再来选择合适的安全装置。　　船厢是一两端设置有通航闸门的槽形焊接钢结构件，正常运行时，船厢内始终装着一厢水，最大的三峡升船机船厢内额定水深为3.5m，由于船厢通常为细长形，结构设计往往以正常运行要求的刚度为控制条件，因此，船厢因强度问题产生结构破坏引起大量漏水的可能性极小，设置在厢端的通航闸门水封损环会产生漏水，但不可能在一个升程的短时间内（三峡升船机约11min）使船厢内的水（三峡升船机约9000m3）漏空，故完全可以认为，船厢即使发生漏水事故，其过程应是缓慢的。　　因船厢室进水造成船厢浸水而失重的事故几乎是不可能的，建在水电水利工程中的升船机，其防洪要求是首先必须保证的，升船机闸首建筑物及挡水设施按防洪设计标准设置，洪水超过标准时，升船机已经停止运行，船厢将停在远离下闸首的位置；船厢与下游对接时，因船舶进入船厢时失控而撞坏非对接端船厢闸门导致船厢室进水的假定，不仅否定了船厢防撞装置的作用，也完全忽略了运行人员和监控系统的作用，即使发生这种事故，其机率也微乎其微，因此，更应在运行管理方面采取有效措施，不应该作为设计条件来考虑。　　4.2大螺杆螺母安全装置与卷扬式升船机采用安全制动器的安全性同等　　根据上述分析，保证船厢内水体全部漏失是安全装置设计的控制条件。　　齿轮齿条爬升式升船机以大螺杆螺母作为安全装置，德国吕内堡升船机已运行了30多年，但其升程仅38m，采用的是长螺杆、短螺母方案，三峡升船机和向家坝升船机升程分别为113m和114.2m，是吕内堡升船机升程的三倍，首次采用了长螺母柱、短螺杆方案。两者工作原理相同，正常运行时，前者的短螺母或后者的短螺杆由船厢驱动机构带动，空转（螺杆螺母之间有几厘米的间隙）着沿螺杆或螺母柱与船厢同步升降，当升船机平衡条件破坏时，首先应停机并制动，随着两侧不平衡载荷的逐渐增加，螺杆螺母间的间隙消失，船厢被锁定。显然，只有螺母或螺杆不发生转动的情况下，也就是在有效制动的情况下锁定才有效。卷扬式升船机采用安全制动器，并使其制动的载荷与船厢内的额定水体质量相等，即使船厢内水体全部漏失，系统同样是安全的，当然，也必须在有效制动的情况下。乌江思林升船机即采用了这种设计方案，其安全性绝不比三峡升船机差。　　同样，国内不少卷扬式升船机，利用船厢漏水量在达到主机失控时的过程，采用安全锁定机构锁定船厢的方案也是简单有效且经济的应对措施。　　三峡升船机和向家坝升船机在变更机型的有关文件中，均有“……齿轮齿条爬升式方案比钢丝绳卷扬提升式方案更安全、可靠……”的理由实在是缺少充分技术依据的。　　4.3三峡升船机新方案的技术经济性、可造性、抗震性差，可用性难料　　三峡升船机建设决策者出于安全考虑，由钢丝绳卷扬提升式方案改为齿轮齿条爬升式方案，并委托德国某公司进行设计。但由于规模巨大，其建设技术难度已非德国吕内堡升船机可比，因其升程为吕内堡升船机的三倍，作为方案核心的安全装置又首次采用了长螺母柱配短螺杆的机构，其载荷量级、受力条件、抗震要求、制造及安装难度已与吕内堡升船机截然不同。为了满足工程7度地震烈度设防的要求，整个机构的复杂程度，以及为使机械设备与土建结构之间的协调，设计对制造、施工要求之高是其他升船机难以相比的。三峡升船机安全装置短螺杆直径1.45m，每个螺母柱长度超过120m，由于螺母柱有两个半瓣组成，每瓣安装在混凝土塔柱上，既要满足载荷的传递，又要满足与安装在船厢上的螺杆之间的配合，还要顾及混凝土塔柱与钢构件之间的温变差、基础沉陷等因素的影响。总之，要将多个不同性的复杂机构与土建结构协调在一起，如何使其达到设计要求，人们还在努力探索中，最终是否好用，目前还难以定论。其实，这一切只是为了满足前述的a.b.两项几乎不可能产生的事故假定，而为此将花费数亿人民币的投资，其技术经济性可见一斑。　　三峡升船机改用齿轮齿条爬升式方案后，大部分设备均安装在船厢上，使带水船厢的总质量比钢丝绳卷扬提升式方案增加了3700t，整个运动部分总质量增加了7400t，这些都对建筑物、机构设计及抗震设防带来不利影响，也大大增加了工程投资。　　4.4 水力浮筒式升船机的利弊　　在三峡升船机机型论证阶段，为解决事故条件下的安全问题，郑大迪先生发明了水力浮筒式升船机。该机型以安装在竖井中的浮筒作为平衡重，利用输水系统使竖井充水或泄水，依靠竖井水深的变化，使浮筒升降来带动船厢的降升，其最大的特点是不管船厢侧载荷如何变化，浮筒能自动调整其在竖井中的淹没水深，使系统始终保持平衡的条件，安全性有保障。但水力浮筒式升船机毕竟还是一种全新的机型，因此，从原理——设计方案——工程建设实践——实际运行还会有一段相当长的探索、完善过程，景洪升船机选择了水力浮筒式方案后，随着试验、设计工作的深入，人们对它的认识也在不断的加深。笔者认为，除了上述安全性特点外，还存在着一些需要妥善解决的问题。首先，水力浮筒式升船机船厢升降运行的速度、加速度、停位精度等特性完全取决于充泄水系统对水流特性的控制，船厢升降速度决定于竖井水位与上下游实时水位之间的水位差，因此，理论上没有恒速过程，景洪升船机共设置有16个竖井，显然，由于对水流特性控制的难度，其运行特性可能不及电力拖动的升船机优良，是否好用尚待实际运行后验证。其次，为了使水力浮筒式升船机运行及安全的需要，各卷筒之间通过机械同步轴实现刚性连接，每个卷筒上安装有安全制动器，然而，水力浮筒式升船机的优势在于对平衡系统载荷具有自动调节的功能，这就需要控制制动器，使其在相互矛盾的条件下工作，因此，其制动系统设计会相当复杂，否则，可能造成不良的后果。再则，为了使16个竖井能达到均匀地充泄水，采用了等惯性输水系统，设计对该输水系统的施工要求极高，在现场施工中要达到设计要求难度极大。此外，水力浮筒式升船机的运行需要耗水（景洪升船机每次耗水18000m3），对水电站而言，这就是电能的损失，故实际运行费用会较高。　　水力浮筒式升船机作为一种全新的机型，尽管目前还不够成熟，但通过一定的工程实践，不断摸索、提高，还是有着发展前景的。　　5 体制带来的问题　　水电开发与内河通航的矛盾有来已久，长期得不到妥善解决。水利枢纽建造通航建筑物投资巨大且对工程没有经济效益，交通通航部门不承担建设投资，提出的通航规模有越大越好的倾向，对航道整治又缺乏力度，使不少通航建筑物建设的资金投入与建成后的效益之间很不协调。近期，国内已建成了多座垂直升船机，但真正在发挥通航效益的只有水口升船机，这其中有规划问题，也有航道未整治的问题。**水资源的开发利用理应全盘综合规划，投资合理分摊，效益各方共享。由于两个行业部门分而治之的体制带来了太多的问题，既浪费了资金，也浪费了资源。升船机建成后的运行管理问题也会牵涉两个行业部门，在最近参加的一次设计审查会上，对运行管理因利益关系，而不顾设计方案的合理性倾向也已有显露。　　升船机建设方案的选择是一项技术性极强的工作，近年来，工程建设实施了业主负责制，对一些重大技术方案的确定有缺乏充分发扬技术**的倾向。以三峡升船机为例，早在“七五”前后，三峡升船机的机型方案已经经过了近10年的反复论证、比选，最终确定了钢丝绳卷扬提升式方案。2003年，从钢丝绳卷扬提升式方案改为齿轮齿条爬升式方案缺乏充分的论证依据，更多的是出于业主单位少数决策者所谓对安全性的考虑。从当时针对三峡升船机的具体条件采用齿轮齿条爬升式方案的研究工作深度，得出“……齿轮齿条爬升式方案安全性高于钢丝绳卷扬提升式方案……”的结论实在非常勉强，如前所述，德国的两座齿轮齿条爬升式升船机无论从规模，还是其所采用的安全装置型式，对三峡升船机都没有可供借鉴的意义，后来由德国公司提交的设计成果可以证明这一点。比利时斯特勒比•蒂厄升船机，提升高度73m，提升载荷8800t，根据比利时的国情和建设实践经验（1968年建成的隆库尔斜面升船机，升程68m，为全平衡钢丝绳卷扬牵引式方案），采用了钢丝绳卷扬提升式方案，你能说它不够安全吗？三峡升船机的改型在某种程度上是否有“长官意志代替技术论证”之嫌呢？　　6 技术创新和技术引进　　大型垂直升船机建设是一项复杂的系统性工程，世界上建成的实例也数量有限，我国从20世纪90年代开始的升船机建设项目较多，但由于各工程的具体条件不同，各设计单位选用了不同的机型，通过深入试验研究和相互技术交流，取得了多项创新技术并在工程中得到实际应用，为我国解决高坝通航问题迈出了可喜的一步。必须避免“为了创新而创新”的倾向，技术创新与应用已有的技术成果两者不应该是矛盾的，后者可以作为前者的基础。在已建的各升船机实践中，曾经为解决钢丝绳卷扬提升式机型的安全装置有过成功地技术创新；在升船机系统联合调试方面，通过大胆实践，细心摸索，不断解决调试中遇到的各种问题，从而积累了大量的调试及运行经验；通过现场调试及试运行，修正了升船机设计和运行参数，提高了运行的安全度。这些创新及经验，理应作为国内升船机建设业界的一笔共同财富应用于升船机建设事业的更大发展。　　引进国外先进技术，结合国情消化吸收后为我所用，也是促进国内升船机建设技术发展不可缺少的方面。在这方面，国内在许多项目建设中有过出色的发挥，但在三峡升船机建设中，也不可否认存在有“非德国不可”的一股怪思潮。这里并不是要否定德国的技术，只是需要提醒人们，更应该看到国内升船机建设方面的技术现状和成果，三峡升船机采用齿轮齿条爬升式方案后，委托德国某公司历时2年多完成a、b、c、d四阶段设计，希望人们好好回忆并总结全过程，再实事求是地评价这种方式的可行性。从整个过程总难以说明德国公司设计的三峡升船机，尤其我们的决策者最看重的短螺杆长螺母柱事故安全装置设计体现了德国的升船机建设技术和经验，同时还很好地考虑了我国国情和三峡的具体条件。由于受双方合同的制约，中方不能擅自改动设计，那怕是明显的不合理之处。试想，如果这个三峡升船机设计方案是由国内技术人员完成的，不知能否也有如此待遇？笔者认为，这样的技术引进或技术合作只少在国内当今的升船机建设领域是不合适的 。　　注：作者山竹系水口升船机总设计师，曾获2007年度**科技进步二等奖） 20210311