船閘及升船機(jī)基本知識(shí)

船閘及升船機(jī)基本知識(shí)船閘及升船機(jī)基本知識(shí)一、船閘及升船機(jī)分級(jí)與分類(lèi)（一）船閘的分級(jí)與分類(lèi)船閘按設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)分為7級(jí)，其分級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表1-2-1。隨著航運(yùn)業(yè)發(fā)展，目前許多船閘通過(guò)的最大船舶噸級(jí)已遠(yuǎn)超過(guò)3000t，這些通航3000t級(jí)以上船舶的船閘列入Ⅰ級(jí)船閘。表1-2-1船閘分級(jí)指標(biāo)船閘級(jí)別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ設(shè)計(jì)最大通航船舶噸級(jí)（t）30002000100050030010050船閘種類(lèi)很多，按照船閘不同的特征，如船閘所處的地理位置和過(guò)閘船舶、縱向排列閘室數(shù)目、并列排列船閘數(shù)目、輸水型式、結(jié)構(gòu)型式、閘門(mén)型式、使用特點(diǎn)等，可以分為不同的類(lèi)型?，F(xiàn)通常分類(lèi)如下：1.按船閘所處的地理位置和過(guò)閘船舶不同劃分在通常情況下，優(yōu)先考慮建單線船閘。僅在客貨運(yùn)量大、過(guò)閘船舶多，建一線船閘通過(guò)能力在設(shè)計(jì)水平年內(nèi)不能滿(mǎn)足客貨運(yùn)量和過(guò)閘船舶要求時(shí)，或不允許因船閘檢修而中斷航道時(shí)，才同時(shí)興建雙線或多線船閘，但在進(jìn)行單線船閘平面布置的同時(shí)，應(yīng)盡量考慮航運(yùn)遠(yuǎn)景發(fā)展的需要預(yù)留出雙線或多線船閘的位置。葛洲壩同時(shí)建成了三線船閘，除考慮了貨運(yùn)量外，還考慮了船閘檢修、引航道沖砂、挖泥的影響，以保證長(zhǎng)江航道不斷航的需要。此外，根據(jù)船閘使用特點(diǎn)的不同，船閘也可分為井式船閘、省水船閘、廣室船閘及閘梯等。下面介紹幾座具有代表性的船閘：1.三峽船閘三峽船閘位于長(zhǎng)江上游距宜昌市38km的三斗坪鎮(zhèn)附近，是三峽水利樞紐的重要組成部分，見(jiàn)圖1-2-1。三峽船閘為雙線連續(xù)五級(jí)船閘，是目前世界上設(shè)計(jì)水頭最高、工程規(guī)模最大的大型船閘。船閘閘室有效尺寸為280m×34m×5m(長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深)，規(guī)劃通航最大船隊(duì)12000t，年單向通過(guò)能力5000萬(wàn)噸。三峽船閘自1993年動(dòng)工興建，2003年6月投入試運(yùn)行，2004年6月通過(guò)國(guó)務(wù)院驗(yàn)收組驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。三峽水利樞紐的建成，從根本上改善了長(zhǎng)江的通航條件，為發(fā)展長(zhǎng)江航運(yùn)事業(yè)，推動(dòng)沿江各省、市和全國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了十分關(guān)鍵的作用。三峽船閘的設(shè)計(jì)、建設(shè)，將世界船閘技術(shù)水平推向了新的高度。圖1-2-1三峽船閘2.葛洲壩船閘葛洲壩船閘是葛洲壩水利樞紐的重要組成部分，由兩線三座船閘組成，見(jiàn)圖1-2-2。其中，1號(hào)船閘位于大江河床右側(cè)，2號(hào)船閘位于三江右岸，3號(hào)船閘位于三江左岸。1號(hào)和3號(hào)船閘中心線與壩軸線正交，2號(hào)船閘中心線與壩軸線呈81.5°交角。1號(hào)船閘有效尺寸為280m×34m×5.5m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），2號(hào)船閘有效尺寸為280m×34m×5.0m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），3號(hào)船閘有效尺寸為120m×18m×3.5m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深）。葛洲壩船閘三江2號(hào)、3號(hào)船閘，于1981年6月開(kāi)始通航。大江1號(hào)船閘于1988年9月開(kāi)始試通航，1990年5月正式通航。葛洲壩船閘的建成和投入運(yùn)行，極大地改善了長(zhǎng)江三峽區(qū)域120公里水域的通航條件。圖1-2-2葛洲壩水利樞紐3.淮安船閘淮安船閘位于江蘇省淮安市淮安區(qū)南郊4公里，京杭運(yùn)河與蘇北灌溉總渠交匯處下游2公里處，是京杭運(yùn)河蘇北段由南向北第三個(gè)梯級(jí)?；窗泊l由三道平行布置的大型現(xiàn)代化船閘組成。一號(hào)船閘閘室尺度為230m×20m×5.0m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），設(shè)計(jì)通過(guò)能力1712萬(wàn)噸，1959年開(kāi)工建設(shè)，1962年11月建成通航。二號(hào)船閘閘室尺度為230m×23m×5.0m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），設(shè)計(jì)通過(guò)能力2527萬(wàn)噸，1984年開(kāi)工建設(shè)，1987年4月建成投入運(yùn)行。三號(hào)船閘設(shè)計(jì)尺度為260m×23m×5.0m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），設(shè)計(jì)通過(guò)能力2842萬(wàn)噸。2000年9月開(kāi)工建設(shè)，2003年7月通過(guò)交工驗(yàn)收。4.長(zhǎng)洲水利樞紐船閘長(zhǎng)洲水利樞紐船閘位于廣西壯族自治區(qū)梧州市上游12公里西江干流上，是目前世界上最大的單級(jí)船閘群，是建設(shè)西江億噸黃金水道的關(guān)鍵性項(xiàng)目和咽喉工程，見(jiàn)圖1-2-3。其中一線船閘為2000t級(jí)，為Ⅱ級(jí)船閘，閘室有效尺寸為200m×34m×4.5m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），二線船閘為1000t級(jí)，為Ⅲ級(jí)船閘，閘室有效尺寸為185m×23m×3.5m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深）。三、四線按Ⅰ級(jí)船閘建設(shè)，最大通過(guò)船舶噸級(jí)為3000t級(jí)，閘室有效尺寸為340m×34m×5.8m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），船閘全長(zhǎng)4.5公里，引航道底寬153m，年設(shè)計(jì)通過(guò)能力9600萬(wàn)噸（單向），每個(gè)船閘一次可通過(guò)1.8萬(wàn)噸，船閘設(shè)置“互灌互泄”輸水系統(tǒng)，節(jié)水達(dá)到38%，是目前世界上最節(jié)能的船閘之一。長(zhǎng)洲水利樞紐一～四線船閘最大單向通過(guò)能力1.36億噸，是目前世界上同一斷面通過(guò)能力最大的船閘群。圖1-2-3長(zhǎng)洲水利樞紐船閘5.萬(wàn)安船閘萬(wàn)安船閘是千里贛江第一閘，坐落在贛江中上游風(fēng)景秀麗的革命老區(qū)—井崗山腳下，是萬(wàn)安水電站樞紐工程的重要組成部分。船閘是高水頭的單級(jí)船閘，最大水頭為32.5m，閘室有效尺寸為175m×14m×2.5m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），規(guī)劃過(guò)閘最大船舶為1000t，設(shè)計(jì)最大船隊(duì)為2×1000t。船閘于1983年開(kāi)工興建，1989年11月11日竣工移交正式通航。6.五強(qiáng)溪船閘五強(qiáng)溪船閘為開(kāi)發(fā)沅水干流15個(gè)梯級(jí)的第一期工程、沅水干流最大的梯級(jí)工程—五強(qiáng)溪水利樞紐的一個(gè)組成部分。五強(qiáng)溪船閘為單線三級(jí)連續(xù)船閘，布置在樞紐左岸，船閘總水頭60.9m，閘室有效尺寸為130m×12m×2.5m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），設(shè)計(jì)年貨運(yùn)量250萬(wàn)噸，設(shè)計(jì)通過(guò)最大船隊(duì)2×500t。五強(qiáng)溪船閘于1986年4月動(dòng)工興建，1995年2月10日開(kāi)始試通航，1995年9月3日正式通航。7.水口船閘水口船閘位于福建省閩江干流閩清縣境內(nèi)，上游距南平市94km，下游距福州市84km。水口船閘是水口水電站的主要通航建筑物之一，為連續(xù)三級(jí)船閘，布置在樞紐右岸。船閘有效尺寸為135m×12m×3.0m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），總水頭57.36m，規(guī)劃年貨運(yùn)量400萬(wàn)噸，最大通航船舶噸位為500t級(jí)。船閘于1994年建成投入運(yùn)行。8.新港船閘天津新港船閘位于海河入口處，是連接天津新港與海河港區(qū)的唯一通道。船閘始建于20世紀(jì)40年代初，當(dāng)初設(shè)計(jì)船舶通航能力為3000t級(jí)，后經(jīng)過(guò)對(duì)船閘的清淤和改造，實(shí)際通航能力已達(dá)10000t級(jí)。在閘東及閘西北側(cè)設(shè)有導(dǎo)航碼頭，閘東北側(cè)引導(dǎo)碼頭長(zhǎng)101m，閘西北側(cè)引導(dǎo)碼頭長(zhǎng)188m。船閘長(zhǎng)180m，寬20.5m；東西兩閘門(mén)均長(zhǎng)22m，寬4m，高9.7m，中部設(shè)有4個(gè)空氣浮筒。每個(gè)閘門(mén)兩側(cè)各有一個(gè)高2.5m，寬2m的調(diào)水閥門(mén)，用電動(dòng)控制調(diào)水。閘下有滑行軌道，閘門(mén)開(kāi)一次的時(shí)間約為1min45s，打開(kāi)后可自動(dòng)停車(chē)。（二）升船機(jī)的分級(jí)與分類(lèi)升船機(jī)的級(jí)別按設(shè)計(jì)最大通航船舶噸級(jí)劃分為6級(jí)，分級(jí)指標(biāo)應(yīng)符合表1-2-2的規(guī)定。表1-2-2升船機(jī)分級(jí)指標(biāo)升船機(jī)級(jí)別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ設(shè)計(jì)最大通航船舶噸級(jí)（t）300020001000500300100升船機(jī)按承船廂運(yùn)行的線路，分為垂直升船機(jī)和斜面升船機(jī)兩大類(lèi)型。按照船廂的重量是否由平衡重所平衡分為全平衡式和部分平衡式，根據(jù)船廂是否盛水分為濕運(yùn)和干運(yùn)，根據(jù)船廂采用的驅(qū)動(dòng)方式不同分為鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式、齒輪齒條式、浮筒式及水壓式等不同的型式。垂直升船機(jī)是承船廂沿垂直方向升降的升船機(jī)，主要有鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式、齒輪齒條爬升式、浮筒式和水力浮動(dòng)式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機(jī)幾種類(lèi)型。鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)利用卷?yè)P(yáng)機(jī)作為提升設(shè)備，卷?yè)P(yáng)機(jī)由電機(jī)、大扭矩減速箱及卷筒等組成。卷筒上繞有提升鋼絲繩，為防止提升鋼絲繩與卷筒間產(chǎn)生蠕動(dòng)位移，采用纏繞式聯(lián)接。平衡重與承船廂相連，用來(lái)平衡船廂和廂內(nèi)水體的重量，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，便可帶動(dòng)承船廂升降。齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)利用對(duì)稱(chēng)安裝在承船廂兩側(cè)的齒輪與安裝在承船廂兩側(cè)塔柱壁上的齒條相互嚙合，電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速箱帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪和齒條的嚙合作用帶動(dòng)承船廂升降。浮筒式垂直升船機(jī)是利用浮筒的浮力來(lái)支承和平衡承船廂的一種升船機(jī)。其主要組成部分為承船廂、浮筒、浮筒井以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和事故裝置等。在地下建有浮筒井，井內(nèi)裝設(shè)浮筒，浮筒頂部通過(guò)支撐與承船廂相連。在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，承船廂上升或下降，浮筒也隨之在浮筒井內(nèi)升降。利用浮筒的浮力來(lái)平衡和支承承船廂運(yùn)動(dòng)部分的重量，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅需克服運(yùn)動(dòng)部分的阻力。在承船廂下降過(guò)程中，浮筒上的支撐將逐漸沉入浮筒井，浮力相應(yīng)增大，承船廂與浮筒的平衡狀態(tài)受到破壞。為此，通常在浮筒中部設(shè)一向下開(kāi)口的垂直調(diào)節(jié)管，管內(nèi)充以保持一定壓力的空氣，以防止水體任意注入，待支撐降入水中時(shí)，調(diào)節(jié)管口處水壓達(dá)到一定值，水體逐漸進(jìn)入調(diào)節(jié)管，浮筒的浮力也相應(yīng)降低。這種升船機(jī)的支承平衡系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但需建造浮筒井，有一部分設(shè)備經(jīng)常處于水中，維護(hù)和檢修都不便。20世紀(jì)60年代以后，世界上已未再見(jiàn)有建造。水力浮動(dòng)式轉(zhuǎn)矩平衡重垂直升船機(jī)，是一種新型的升船機(jī)。它將平衡重和提升機(jī)構(gòu)融為一體，利用浮筒浮力的變化來(lái)驅(qū)動(dòng)承船廂升降。因不需要設(shè)置提升電機(jī)和低速大扭矩減速箱，避開(kāi)了大型升船機(jī)設(shè)計(jì)、制造、安裝方面的難題，簡(jiǎn)化了升船機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，提高了運(yùn)行的安全可靠性。斜面升船機(jī)是承船廂沿斜坡軌道上下的升船機(jī)，有縱向斜面式和橫向斜面式兩種。縱向斜面升船機(jī)在升降過(guò)程中，船體縱軸線與斜坡道方向一致。橫向斜面升船機(jī)在升降過(guò)程中，船體縱軸線垂直于斜坡道方向。如果上下游斜坡道不能成直線布置，可在壩頂設(shè)置轉(zhuǎn)盤(pán)，待船舶過(guò)壩時(shí)，用以調(diào)換不同的運(yùn)行斜坡道。目前世界上已建斜面升船機(jī)的型式，主要有縱向鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引式、橫向鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引式和縱向自爬式3種。下面介紹幾座具有代表性的升船機(jī)。1.比利時(shí)斯特勒比升船機(jī)比利時(shí)斯特勒比升船機(jī)建成于2001年，結(jié)構(gòu)型式為全平衡垂直升船機(jī)，采用鋼絲繩卷?yè)P(yáng)提升，共有兩線，見(jiàn)圖1-2-4。斯特勒比升船機(jī)提升高度為73.8m，提升重量為8800t。船廂有效尺寸為112m×12m×3.35m（長(zhǎng)×寬×水深），過(guò)船規(guī)模為1350t。圖1-2-4比利時(shí)斯特勒比升船機(jī)2.德國(guó)尼德芬諾升船機(jī)德國(guó)尼德芬諾升船機(jī)建成于1934年，結(jié)構(gòu)型式為全平衡垂直升船機(jī)，采用齒輪齒梯驅(qū)動(dòng)，安全機(jī)構(gòu)采用長(zhǎng)螺母柱、短螺桿結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1-2-5。尼德芬諾升船機(jī)提升高度為36m，提升重量為4300t。船廂有效尺寸為85m×12m×2.5m（長(zhǎng)×寬×水深），過(guò)船規(guī)模為1000t。圖1-2-5德國(guó)尼德芬諾升船機(jī)3.德國(guó)呂內(nèi)堡升船機(jī)德國(guó)呂內(nèi)堡升船機(jī)建成于1976年，結(jié)構(gòu)型式為全平衡垂直升船機(jī)，采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，安全機(jī)構(gòu)采用短螺母柱、長(zhǎng)螺桿結(jié)構(gòu)，共有兩線，見(jiàn)圖1-2-6。呂內(nèi)堡升船機(jī)提升高度為38m，提升重量為5800t。船廂有效尺寸為100m×12m×3.4m（長(zhǎng)×寬×水深），過(guò)船規(guī)模為1350t。圖1-2-6德國(guó)呂內(nèi)堡升船機(jī)4.三峽升船機(jī)三峽升船機(jī)是三峽水利樞紐永久通航設(shè)施，用于克服三峽水利樞紐上、下游113m水位落差，見(jiàn)圖1-2-7。作為客貨輪和專(zhuān)業(yè)船舶過(guò)壩的快速通道，設(shè)計(jì)通過(guò)3000t（排水量）客貨輪和1500t一頂一駁船隊(duì)，是客貨輪和特種船舶快速過(guò)壩通道，能提高三峽船閘的貨運(yùn)通過(guò)能力。三峽升船機(jī)為單線一級(jí)垂直提升式，承船廂有效尺寸為120m×18m×3.5m（長(zhǎng)×寬×水深），船廂帶水重量15500t。三峽升船機(jī)于2016年9月18日試通航。圖1-2-7三峽升船機(jī)5.水口升船機(jī)水口升船機(jī)是國(guó)內(nèi)建設(shè)的首座大型濕運(yùn)全平衡鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī),可一次通過(guò)2×500t一頂兩駁頂推船隊(duì),最大提升高度60m,承船廂外形尺寸123.0m×16.1m×6.3m（長(zhǎng)×寬×高）,船廂帶水重量5500t,是我國(guó)第一座自行設(shè)計(jì)、制造、施工和安裝的大型現(xiàn)代化升船機(jī)。6.亭子口升船機(jī)亭子口升船機(jī)建成于2016年12月，過(guò)船規(guī)模為2×500t級(jí)，年通航量可達(dá)366萬(wàn)噸，其承船廂的外形尺寸為128.0m×16.6m×9.0m（長(zhǎng)×寬×高），承船廂有效水域116.0m×12.0m×2.5m（長(zhǎng)×寬×水深），承船廂結(jié)構(gòu)和設(shè)備重約1950t，承船廂內(nèi)水體重（設(shè)計(jì)水深2.5m）約4300t，承船廂總重量約6250t。該承船廂可同時(shí)容納兩條500t級(jí)駁船，是目前國(guó)內(nèi)最大的鋼絲繩卷?yè)P(yáng)全平衡垂直提升式升船機(jī)。7.景洪水力式升船機(jī)景洪水力式升船機(jī)是我國(guó)原創(chuàng)并具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型升船機(jī)，在國(guó)內(nèi)外升船機(jī)建設(shè)史上也尚屬首創(chuàng)。與國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)升船機(jī)相比，該升船機(jī)首次采用水力驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，依靠水力驅(qū)動(dòng)并自動(dòng)適應(yīng)荷載變化實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平衡，不僅大大簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，還提高了運(yùn)行的安全性、可靠性和適應(yīng)性。工程于2007年11月開(kāi)工建設(shè)，2016年11月15日試通航。該升船機(jī)采用一級(jí)布置、水力垂直提升、濕運(yùn)過(guò)壩的方式，最大提升高度66.86m。上游通航水位在591.00m～602.00m之間，下游通航水位在536m～539.4m之間。通航流量為800m3/s～2700m3/s。過(guò)壩船舶船型尺寸控制在：50m×8m×1.75m（長(zhǎng)×寬×吃水），通航凈空高度為8.0m，過(guò)船噸位500t，升降時(shí)間全程約17min，年貨運(yùn)量124.5萬(wàn)噸。二、船閘及升船機(jī)組成及功能（一）船閘的組成及功能船閘是世界上主要的通航建筑物，它利用向兩端有閘門(mén)控制的水工建筑物內(nèi)充、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差。船閘主要由閘首、閘室、輸水系統(tǒng)、上下游引航道、口門(mén)區(qū)、連接段、靠船墩等水工建筑物，閘閥門(mén)及其啟閉機(jī)械、電氣控制等機(jī)電設(shè)備，助導(dǎo)航、運(yùn)行管理等附屬設(shè)施及生產(chǎn)、生活輔助建筑物等組成。有的船閘還應(yīng)包括前港和遠(yuǎn)方調(diào)度站等。閘首是將閘室同上下游航道隔開(kāi)的擋水建筑物，分上閘首和下閘首。閘首上設(shè)有工作閘門(mén)、檢修閘門(mén)、輸水系統(tǒng)、閘門(mén)和閥門(mén)的啟閉設(shè)備等。閘首通常采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩和底板剛性連接在一起。閘室是由船閘的上、下閘首和兩側(cè)的閘墻及閘底板圍成的空間。閘墻上設(shè)有系船設(shè)施，供船舶在閘室內(nèi)停泊時(shí)系纜用。過(guò)閘船舶在閘室中隨著閘室內(nèi)水面升降而升降。閘室一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘墻和閘底板有剛性連接在一起的整體式結(jié)構(gòu)和不連接在一起的分離式結(jié)構(gòu)兩種。輸水系統(tǒng)是船閘從上游向閘室內(nèi)充水和從閘室向下游泄水，控制船舶（隊(duì)）在閘室內(nèi)升降以克服樞紐上、下游水位落差的重要設(shè)施，是決定船閘運(yùn)行安全和效率的重要因素之一。船閘輸水系統(tǒng)的充、泄水時(shí)間，閘室內(nèi)的停泊條件和廊道、閥門(mén)及其啟閉機(jī)械設(shè)備工作的安全可靠性，是評(píng)價(jià)船閘輸水系統(tǒng)技術(shù)水平的十分重要的指標(biāo)，三者既相輔相成，又相互制約。輸水系統(tǒng)主要水力學(xué)指標(biāo)的好壞，是船閘工程建設(shè)是否成功的重要標(biāo)志之一。閘門(mén)和閥門(mén)包括工作閘門(mén)和輸水閥門(mén)。工作閘門(mén)是設(shè)在上、下