船閘及升船機基本知識

1、船閘及升船機基本知識一、船閘及升船機分級與分類（一）船閘的分級與分類船閘按設(shè)計最大船舶噸級分為7級，其分級指標(biāo)見表1-2-1。隨著航運業(yè)發(fā)展，目前許多船閘通過的最大船舶噸級已遠(yuǎn)超過3000t，這些通航3000t級以上船舶的船閘列入級船閘。表1-2-1 船閘分級指標(biāo)船閘級別設(shè)計最大通航船舶噸級（t）30002000100050030010050船閘種類很多，按照船閘不同的特征，如船閘所處的地理位置和過閘船舶、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、閘門型式、使用特點等，可以分為不同的類型。現(xiàn)通常分類如下：1.按船閘所處的地理位置和過閘船舶不同劃分（1）內(nèi)河船閘內(nèi)河船閘是指建于內(nèi)陸

2、的渠化河流或人工運河上的船閘，通行內(nèi)河船舶。船閘平面尺寸相對較小，多承受單向水頭作用，上閘首常設(shè)有帷墻。少數(shù)建于兩條河流交匯的河口處及受潮水位或湖水位影響河段上的內(nèi)河船閘，也承受雙向水頭作用，且不設(shè)帷墻。建于山區(qū)河流上的溢洪船閘，洪水時允許淹沒，并參與樞紐泄洪。（2）海船閘海船閘是指建于封閉式海港池口門，海運河及入海河口的船閘，供海船航行。船閘平面尺寸及門檻水深均較大，多承受雙向水頭作用，無帷墻。因上、下閘首難以區(qū)分，故將閘首分為內(nèi)閘首和外閘首。2.按縱向排列閘室數(shù)目劃分（1）單級船閘單級船閘是指沿船閘軸線方向只有一個閘室的船閘。船舶通過單級船閘時，只需進(jìn)行一次充泄水即可克服上下游水位的全部落

3、差。單級船閘具有過閘時間短，通過能力大，建筑物及設(shè)備集中，運行管理方便等特點。但其耗水多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對地質(zhì)條件、輸水系統(tǒng)要求高。單級船閘一般只有兩個閘首，當(dāng)過閘船隊種類較多、尺度又相差較大時，為縮短船舶（隊）過閘時間和減少耗水量，在閘室中設(shè)中間閘首，將閘室分為兩段，稱為有中間閘首的單級船閘。（2）多級船閘多級船閘又可分上下級閘室相連和設(shè)中間渠道的兩種：a）上下級閘室相連的連續(xù)多級船閘。系指沿船閘縱向連續(xù)建有兩個或兩個以上閘室的船閘。船舶通過此種船閘時，需進(jìn)行多次充泄水才能克服上下游水位的全部落差，位于上下閘室間的中間閘首，對其上閘室來說，實際上是起下閘首的作用，而對其下閘室來說，卻相當(dāng)于上閘首

4、。若將樞紐中的單級船閘建為兩級船閘，則每級就只需承受樞紐水頭的一半，從而使一些技術(shù)問題易于解決。三峽水利樞紐，水頭高達(dá)113m，其船閘型式為雙線五級，每級船閘水頭約為23m。b）設(shè)中間渠道的分散多級船閘。系指在水頭很大，地形又比較平緩的地方，為避免建造井式船閘或上下級閘室相連的多級船閘需多挖很多土石方，而在這種條件下建造若干座相鄰較近的單級船閘，并在各閘間用中間渠道把它們連接起來的船閘。中間渠道的平面尺度應(yīng)滿足船舶（隊）會讓和水力學(xué)條件等要求。它和單級船閘一樣，可組織雙向過閘。3.按并列排列船閘數(shù)目劃分（1）單線船閘：在一個樞紐內(nèi)只建有一座船閘。（2）多線船閘：在一個樞紐內(nèi)建有兩座及以上的船閘

5、。在通常情況下，優(yōu)先考慮建單線船閘。僅在客貨運量大、過閘船舶多，建一線船閘通過能力在設(shè)計水平年內(nèi)不能滿足客貨運量和過閘船舶要求時，或不允許因船閘檢修而中斷航道時，才同時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，應(yīng)盡量考慮航運遠(yuǎn)景發(fā)展的需要預(yù)留出雙線或多線船閘的位置。葛洲壩同時建成了三線船閘，除考慮了貨運量外，還考慮了船閘檢修、引航道沖砂、挖泥的影響，以保證長江航道不斷航的需要。此外，根據(jù)船閘使用特點的不同，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，見圖1

6、-2-1。三峽船閘為雙線連續(xù)五級船閘，是目前世界上設(shè)計水頭最高、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×寬×門檻水深)，規(guī)劃通航最大船隊12000t，年單向通過能力5000萬噸。三峽船閘自1993年動工興建，2003年6月投入試運行，2004年6月通過國務(wù)院驗收組驗收，正式投入運行。三峽水利樞紐的建成，從根本上改善了長江的通航條件，為發(fā)展長江航運事業(yè)，推動沿江各省、市和全國國民經(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、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

7、重要組成部分，由兩線三座船閘組成，見圖1-2-2。其中，1號船閘位于大江河床右側(cè)，2號船閘位于三江右岸，3號船閘位于三江左岸。1號和3號船閘中心線與壩軸線正交，2號船閘中心線與壩軸線呈81.5°交角。1號船閘有效尺寸為280m×34m×5.5m（長×寬×門檻水深），2號船閘有效尺寸為280m×34m×5.0m（長×寬×門檻水深），3號船閘有效尺寸為120m×18m×3.5m（長×寬×門檻水深）。葛洲壩船閘三江2號、3號船閘，于1981年6月開始通航。大江1號船閘于1

8、988年9月開始試通航，1990年5月正式通航。葛洲壩船閘的建成和投入運行，極大地改善了長江三峽區(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，京杭運河與蘇北灌溉總渠交匯處下游2公里處，是京杭運河蘇北段由南向北第三個梯級?；窗泊l由三道平行布置的大型現(xiàn)代化船閘組成。一號船閘閘室尺度為230m×20m×5.0m（長×寬×門檻水深），設(shè)計通過能力1712萬噸，1959年開工建設(shè)，1962年11月建成通航。二號船閘閘室尺度為230m×23m×5.0m（長×寬×

9、;門檻水深），設(shè)計通過能力2527萬噸，1984年開工建設(shè)，1987年4月建成投入運行。三號船閘設(shè)計尺度為260m×23m×5.0m（長×寬×門檻水深），設(shè)計通過能力2842萬噸。2000年9月開工建設(shè)，2003年7月通過交工驗收。4.長洲水利樞紐船閘長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船閘群，是建設(shè)西江億噸黃金水道的關(guān)鍵性項目和咽喉工程，見圖1-2-3。其中一線船閘為2000t級，為級船閘，閘室有效尺寸為200m×34m×4.5m（長×寬×門檻水深），二線船閘為1

10、000t級，為級船閘，閘室有效尺寸為185m×23m×3.5m（長×寬×門檻水深）。三、四線按級船閘建設(shè)，最大通過船舶噸級為3000t級，閘室有效尺寸為340m×34m×5.8m（長×寬×門檻水深），船閘全長4.5公里，引航道底寬153m，年設(shè)計通過能力9600萬噸（單向），每個船閘一次可通過1.8萬噸，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。長洲水利樞紐一四線船閘最大單向通過能力1.36億噸，是目前世界上同一斷面通過能力最大的船閘群。圖1-2-3 長洲水利樞紐船閘5.萬安船閘萬

11、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，是萬安水電站樞紐工程的重要組成部分。船閘是高水頭的單級船閘，最大水頭為32.5m，閘室有效尺寸為175m×14m×2.5m（長×寬×門檻水深），規(guī)劃過閘最大船舶為1000t，設(shè)計最大船隊為2×1000t。船閘于1983年開工興建，1989年11月11日竣工移交正式通航。6.五強溪船閘五強溪船閘為開發(fā)沅水干流15個梯級的第一期工程、沅水干流最大的梯級工程五強溪水利樞紐的一個組成部分。五強溪船閘為單線三級連續(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

12、15;12m×2.5m（長×寬×門檻水深），設(shè)計年貨運量250萬噸，設(shè)計通過最大船隊2×500t。五強溪船閘于1986年4月動工興建，1995年2月10日開始試通航，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)三級船閘，布置在樞紐右岸。船閘有效尺寸為135m×12m×3.0m（長×寬×門檻水深），總水頭57.36m，規(guī)劃年貨運量400萬噸，最大通航船舶噸位為500t級。船閘于1994年建成投

13、入運行。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)計船舶通航能力為3000t級，后經(jīng)過對船閘的清淤和改造，實際通航能力已達(dá)10000t級。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101m，閘西北側(cè)引導(dǎo)碼頭長188m。船閘長180m，寬20.5m；東西兩閘門均長22m，寬4m，高9.7m，中部設(shè)有4個空氣浮筒。每個閘門兩側(cè)各有一個高2.5m，寬2m的調(diào)水閥門，用電動控制調(diào)水。閘下有滑行軌道，閘門開一次的時間約為1min45s，打開后可自動停車。（二）升船機的分級與分類升船機的級別按設(shè)計最大通航船舶噸級劃分為6級，分級指

14、標(biāo)應(yīng)符合表1-2-2的規(guī)定。表1-2-2 升船機分級指標(biāo)升船機級別設(shè)計最大通航船舶噸級（t）300020001000500300100升船機按承船廂運行的線路，分為垂直升船機和斜面升船機兩大類型。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和干運，根據(jù)船廂采用的驅(qū)動方式不同分為鋼絲繩卷揚式、齒輪齒條式、浮筒式及水壓式等不同的型式。垂直升船機是承船廂沿垂直方向升降的升船機，主要有鋼絲繩卷揚式、齒輪齒條爬升式、浮筒式和水力浮動式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機幾種類型。鋼絲繩卷揚式垂直升船機利用卷揚機作為提升設(shè)備，卷揚機由電機、大扭矩減速箱及卷筒等組成。卷筒上繞有提升鋼絲繩，

15、為防止提升鋼絲繩與卷筒間產(chǎn)生蠕動位移，采用纏繞式聯(lián)接。平衡重與承船廂相連，用來平衡船廂和廂內(nèi)水體的重量，當(dāng)電機帶動卷筒旋轉(zhuǎn)時，便可帶動承船廂升降。齒輪齒條爬升式垂直升船機利用對稱安裝在承船廂兩側(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，電動機經(jīng)減速箱帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪和齒條的嚙合作用帶動承船廂升降。浮筒式垂直升船機是利用浮筒的浮力來支承和平衡承船廂的一種升船機。其主要組成部分為承船廂、浮筒、浮筒井以及驅(qū)動機構(gòu)和事故裝置等。在地下建有浮筒井，井內(nèi)裝設(shè)浮筒，浮筒頂部通過支撐與承船廂相連。在驅(qū)動機構(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。利用浮筒的浮力來平衡和支承承船廂運動部

16、分的重量，驅(qū)動機構(gòu)僅需克服運動部分的阻力。在承船廂下降過程中，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，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。這種升船機的支承平衡系統(tǒng)簡單，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，世界上已未再見有建造。水力浮動式轉(zhuǎn)矩平衡重垂直升船機，是一種新型的升船機。它將平衡重和提升機構(gòu)融為一體，利用浮筒浮力的變化來驅(qū)動承船廂升降。因不需要設(shè)置提升電機和低速大扭

17、矩減速箱，避開了大型升船機設(shè)計、制造、安裝方面的難題，簡化了升船機的傳動機構(gòu)及控制系統(tǒng)，提高了運行的安全可靠性。斜面升船機是承船廂沿斜坡軌道上下的升船機，有縱向斜面式和橫向斜面式兩種。縱向斜面升船機在升降過程中，船體縱軸線與斜坡道方向一致。橫向斜面升船機在升降過程中，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，待船舶過壩時，用以調(diào)換不同的運行斜坡道。目前世界上已建斜面升船機的型式，主要有縱向鋼絲繩卷揚機牽引式、橫向鋼絲繩卷揚機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。1.比利時斯特勒比升船機比利時斯特勒比升船機建成于2001年，結(jié)構(gòu)型式為全平衡垂

18、直升船機，采用鋼絲繩卷揚提升，共有兩線，見圖1-2-4。斯特勒比升船機提升高度為73.8m，提升重量為8800t。船廂有效尺寸為112m×12m×3.35m（長×寬×水深），過船規(guī)模為1350t。圖1-2-4 比利時斯特勒比升船機2.德國尼德芬諾升船機德國尼德芬諾升船機建成于1934年，結(jié)構(gòu)型式為全平衡垂直升船機，采用齒輪齒梯驅(qū)動，安全機構(gòu)采用長螺母柱、短螺桿結(jié)構(gòu)，見圖1-2-5。尼德芬諾升船機提升高度為36m，提升重量為4300t。船廂有效尺寸為85m×12m×2.5m（長×寬×水深），過船規(guī)模為1000t。圖1

19、-2-5 德國尼德芬諾升船機3.德國呂內(nèi)堡升船機德國呂內(nèi)堡升船機建成于1976年，結(jié)構(gòu)型式為全平衡垂直升船機，采用齒輪齒條驅(qū)動，安全機構(gòu)采用短螺母柱、長螺桿結(jié)構(gòu)，共有兩線，見圖1-2-6。呂內(nèi)堡升船機提升高度為38m，提升重量為5800t。船廂有效尺寸為100m×12m×3.4m（長×寬×水深），過船規(guī)模為1350t。圖1-2-6 德國呂內(nèi)堡升船機4.三峽升船機三峽升船機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，見圖1-2-7。作為客貨輪和專業(yè)船舶過壩的快速通道，設(shè)計通過3000t（排水量）客貨輪和1500t一頂一駁船隊，

20、是客貨輪和特種船舶快速過壩通道，能提高三峽船閘的貨運通過能力。三峽升船機為單線一級垂直提升式，承船廂有效尺寸為120m×18m×3.5m（長×寬×水深），船廂帶水重量15500t。三峽升船機于2016年9月18日試通航。圖1-2-7 三峽升船機5.水口升船機水口升船機是國內(nèi)建設(shè)的首座大型濕運全平衡鋼絲繩卷揚式垂直升船機,可一次通過2×500t一頂兩駁頂推船隊,最大提升高度60m,承船廂外形尺寸123.0m×16.1m×6.3m（長×寬×高）,船廂帶水重量5500t,是我國第一座自行設(shè)計、制造、施工和安裝的

21、大型現(xiàn)代化升船機。6.亭子口升船機亭子口升船機建成于2016年12月，過船規(guī)模為2×500t級，年通航量可達(dá)366萬噸，其承船廂的外形尺寸為128.0m×16.6m×9.0m（長×寬×高），承船廂有效水域116.0m×12.0m×2.5m（長×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)計水深2.5m）約4300t，承船廂總重量約6250t。該承船廂可同時容納兩條500t級駁船，是目前國內(nèi)最大的鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式升船機。7.景洪水力式升船機景洪水力式升船機是我國原創(chuàng)并具有完全自主

22、知識產(chǎn)權(quán)的新型升船機，在國內(nèi)外升船機建設(shè)史上也尚屬首創(chuàng)。與國內(nèi)外傳統(tǒng)升船機相比，該升船機首次采用水力驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機驅(qū)動方式，依靠水力驅(qū)動并自動適應(yīng)荷載變化實現(xiàn)穩(wěn)定平衡，不僅大大簡化了傳動機構(gòu)及控制系統(tǒng)，還提高了運行的安全性、可靠性和適應(yīng)性。工程于2007年11月開工建設(shè)，2016年11月15日試通航。該升船機采用一級布置、水力垂直提升、濕運過壩的方式，最大提升高度66.86m。上游通航水位在591.00m602.00m之間，下游通航水位在536m539.4m之間。通航流量為800m3/s2700m3/s。過壩船舶船型尺寸控制在：50m×8m×1.75m（長×寬&

23、#215;吃水），通航凈空高度為8.0m，過船噸位500t，升降時間全程約17min，年貨運量124.5萬噸。二、船閘及升船機組成及功能（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、口門區(qū)、連接段、靠船墩等水工建筑物，閘閥門及其啟閉機械、電氣控制等機電設(shè)備，助導(dǎo)航、運行管理等附屬設(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的擋水建筑物，分上閘首和下閘首。閘首上設(shè)有工作閘門、檢修閘門、輸水系統(tǒng)、閘門和閥門的啟閉設(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)停泊時系纜用。過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）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，是決定船閘運行安全和效率的重要因素之一。船閘輸水系