构皮滩水电站升船机船厢下水和浮运技术研究

陆永亚 黄金根 李倩

摘要：船厢安装是构皮滩第一级下水式升船机设备安装的难点。首先，阐述了船厢气囊下水技术方案，分析了船厢下水过程中的气囊和船厢受力情况，据此实施了增设移运托架和助浮气囊、卧倒门加固等措施;其次，阐述了船厢浮运技术方案，介绍了船厢下水过程中的質量控制及船厢下水浮运工艺流程，实施了浮运拖曳和入室定位技术。工程实践表明：该船厢下水和浮运方案安全可靠，可为类似船厢安装提供借鉴。

关 键 词：升船机;船厢下水;浮运技术;气囊;构皮滩水电站

中图法分类号：TV547.9

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0143-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.023

0 引 言

构皮滩第一级下水式升船机[1-2]的船厢为“U”型盛水结构，船厢两端各设一扇卧倒式工作闸门，两侧对称布置夹紧机构、顶紧机构及导向机构各4套。船厢两侧由64根钢丝绳悬吊。为减小船厢出、入水[3]时的下吸力与上浮力，在主纵梁与横梁腹板开设通气孔，且底铺板在横向向中部倾斜一定角度[4]。

目前国内已建成的升船机中，只有岩滩水电站250 t级升船机[5]和水口水电站2×500 t级升船机[6]的船厢是整体浮运安装。岩滩升船机船厢采用的是在下游码头制作及自然浮升下水方式，利用施工期间下游已有的一个临时码头作为加工拼装场，利用溢流坝弧形闸门调节下游出库流量，同时克服了诸多技术难题：① 船厢在下游码头浮起时不被水流冲走;② 船厢浮起时底部主梁翼板不被碰坏;③ 船厢自浮后拖船能拽住船厢;④ 船厢的停泊位选择等[7]。水口升船机船厢是在距离电站几十公里远的马尾船厂建造，下水方式简便可靠，但距离工程现场很远且水路滩多水急，总共动用了大小船只达16艘之多，还加设了气垫装置减少船厢浮运过程中的水流阻力，该运输方式费用甚高。

构皮滩水库已于2008年下闸蓄水，其正常蓄水位为630 m，汛期防洪限制水位：6～7月为626.24 m，8月为628.12 m。在构皮滩水电站正常运行条件下，第一级升船机不具备排干船厢室的条件，无法在船厢室进行船厢整体拼焊;构皮滩库区不具备与大江大河的通航条件，库区上游也没有大型造船企业，无法实施船厢厂内制作再整体浮运方案。因此，船厢只能在库区选择合适地点进行整体拼装[8-10]，再下水浮运进船厢室[11-12]。

1 船厢气囊下水技术研究

船厢外形为方形，底部为腹板框架结构，中间段内凹。利用气囊[13-14]宽大的接触面积使其底部承压均匀，并且它的柔软性使其底部结构和表面涂层得到有效保护。气囊下水还具有省工、省力、省时、省投资、机动灵活、安全可靠等诸多优点[15-16]。综合考虑，船厢采用气囊移运方式下水。

气囊移运船厢的工作原理为：在船厢底部垂直于移运方向布置一定数量和规格的气囊，气囊充气后，船厢依靠自身重力沿斜坡方向的分力或拖船牵引力向前移动，气囊向前滚动，使船厢与地面之间产生相对运动来实现移运。

1.1 船厢气囊下水技术方案

（1）气囊。

根据船厢重量和尺寸，选用的气囊参数见表1。

船厢及附属设备总重934 t，顶升、搬移起重高度为0.8 m，气囊接触面有效长度为11.4 m，气囊顶升和搬移举力计算结果如表2所列。气囊的实际压强远小于额定工作压强，所以船厢的顶升、撤墩和移运是安全的。

（2）移运托架。

船厢底部为开放式结构，无封底板，气囊与纵梁和横梁翼缘直接接触易被损伤;在气囊直接移运船厢下水过程中，船厢因首部吃水不够发生跌落，气囊易钻到船厢中间凹槽无法取出。为避免此种不利现象发生，在船厢底部中间凹槽布置与船厢两端底平齐的钢结构浮箱[17]作为移运托架，如图1所示。

移运托架尺寸为58.00 m×11.40 m×1.09 m（长×宽×高），重量186 t，总排水量700 t。移运托架共13个分段，设置进水孔和通气孔，下水前做气密试验，试验合格后可靠地绑扎在船厢底部。

（3）后牵引系统。

经计算，船厢移动需要的牵引力为38.36×104 N。后牵制地锚需要的抗拉力为牵引力的1.2倍，其抗拉力为46×104 N。因此，后牵引系统设计为：1个抗拉力55×104 N的地锚，2个抗拉力60×104 N的牵引眼板，1台卷扬机并配55 t滑轮组，如图2所示。地锚点距离船尾大于10 m。

（4）气囊布置及绑扎。

气囊布置如图3所示，在船厢底部共布置下水气囊12条。船厢先入水的一端为厢首，后入水的一端为厢尾。其中，为增加厢首刚入水时浮力，减小船厢入水后厢首和厢尾吃水深度差，船厢下水移运前在厢首的前部和厢首尾的两侧面共绑扎6只与下水用气囊同规格的助浮气囊。每只助浮气囊的排水量为47.5 t。

1.2 船厢下水前过拐点气囊受力分析

船厢拼装场地地坪角为0.6°，长度为90 m。为保证船厢在整个下水过程中总力矩为正，重心通过斜坡拐点之前，总上浮力大于1/2船厢自重，船厢头部不会出现跌落现象，下水斜坡角度采用3.5°，斜坡长度为40 m，其中没入水中长度为10 m。

船厢下水前有2个拐点：

① 第1拐点，船厢从0.6°斜坡向3.5°斜坡过渡时的拐点;

② 第2拐点，船厢在下水过程中过渡3.5°斜坡末端的拐点。

船厢从0.6°斜坡向3.5°斜坡过渡时，船厢下移共接触4条接引气囊，需要向前移动30 m完成第1拐点过渡;船厢在3.5°斜坡上继续向前移动至50 m完成第2拐点过渡，此时气囊相关参数见表3。

船厢在过拐点过程中，气囊总举力始终保持在1 500 t以上，所以船厢在过拐点的整个过程中是安全的。

2 船厢下水计算分析

船厢下水过程[18]共经历4个阶段：自船厢开始滑动至厢首接触水面为止，船厢主要受重力、气囊支撑力和摩擦力作用;自厢首接触水面至厢首上浮为止，船厢主要受重力、气囊支撑力和浮力;自厢首上浮至厢尾离开气囊为止，船厢主要受重力、气囊支撑力和浮力;自厢尾离开气囊至船厢停止运动为止，船厢主要受重力和浮力。

2.1 船厢下水过程计算

船厢下水初始状态：船厢位于下水斜坡末端，厢首刚接触水面，如图4所示。船厢在下水过程中，所受浮力主要包括助浮气囊、船厢结构和移运托架产生的浮力。船厢浮力产生的力矩为各浮力对对应气囊产生的力矩。船厢下水过程计算结果见表4。

由表4可知，船厢下水过程，重力对尾气囊的力矩随尾气囊位置变化而变化，浮力对尾气囊的力矩随尾浮力增加而增大。当重心超过斜坡末端，浮力对首气囊的力矩大于重力对首气囊的力矩，船厢不会发生首跌落现象。船厢滑出下水斜坡末端60 m左右，船尾开始上浮，船首吃水逐渐减小，船尾吃水逐渐增加，直至全浮，船厢下水安全。

2.2 卧倒门加固及分析

位于船厢两端的卧倒门，正常运行工况为背水承压，下水浮运工况为迎水面承压，即厢内水深0 m、厢外水深2.5 m。

采用有限元方法建立卧倒门结构分析模型，对卧倒门迎水面承压工况进行分析。计算结果为：最大综合应力130.101 MPa，最大综合位移5.136 mm，水压方向最大位移-3.69 mm[19]。计算结果表明：在该工况下，卧倒门结构满足强度设计要求，不满足刚度设计要求。因此，需对卧倒门进行加固处理。

卧倒门加固方案如图5所示，采用Q345钢管，对称布置于卧倒门中心线的两侧，其中两根为直径273 mm、壁厚15 mm，间隔4 200 mm、倾角45°;另外2根为直径168 mm、壁厚8 mm，间隔4 200 mm、倾角60°。钢管的端部焊接在卧倒门和厢头的对应筋板处。计算结果表明该加固方案能保证卧倒门的刚度设计要求。同时，为防止卧倒门水封漏水，在卧倒门与门框的3个止水面每间隔2 m焊接钢板加固，钢板尺寸为20 mm×300 mm×600 mm。

3 船厢下水浮运实施技术

3.1 船厢下水过程的关键质量控制点

船厢移运前，检查船厢底部、所有可能与气囊接触的部位，清除所有毛刺和棱角;检查气囊所经过的地面，清除所有尖锐杂物。船厢移运过程中，通过控制卷扬机速度或选用慢速卷扬机，使船厢慢速移动;通过对气囊充气、放气达到对船厢进行姿态微调，使船厢底部始终与地面保持平行。

船厢下水后，用缆绳固定，防止下水受到水流和风速的影响，给牵引船舶预留就位时间。

3.2 船厢下水浮运工艺流程

（1）准备工作。气囊及设备进场;牵引设备安装、接电试机;牵引眼板制作、焊接、探伤;牵引设备与船厢连接;船厢底部气囊布置;气囊充气，顶升船厢;船厢起墩，支撑墩撤除;接引气囊摆放。

（2）移运船厢。气囊调平，用牵引船或者其他外力给予船厢牵引力，船厢移运，通过0.6°与3.5°斜坡直至斜坡边沿;船厢重心通过0.6°与3.5°斜坡的拐点时，对前后气囊放气/充气，将船厢角度从0.6°调整到3.5°。

（3）确认库区水位。船厢移运到下水坡道边沿后，确认库区水位不低于627.5m，满足船厢入水条件。

（4）船厢下水。牵引船厢，船厢在重力及牵引力作用下下水;船厢进入全浮状态，船厢底部5条气囊助浮力237.5×104 N，移运托架浮力700 t，厢头排水16 t，总浮力953.5×104 N>934.0×104 N。

（5）解除移运托架。船厢全浮后，拖船带缆，船厢拖至622 m平台就位，且与下水坡道垂直;移运托架上的进水口和放气孔打开;移运托架失浮时，解开固定绳索，沉到622 m平台;此时，船厢及设备重量748 t，5条气囊助浮力237.5×104 N，船厢吃水3.44 m。

（6）船廂浮运入室。移运托架全部解除，船厢拖至泊位，解除绑在船厢上的气囊;此时，船厢及设备重量742 t，船厢吃水3.71 m，卧倒门吃水2.11 m;拖船牵引船厢至船厢室外侧，船厢带缆，在船厢尾部轻推船厢进入船厢室，船厢解缆，船厢在船厢池内保持自由漂浮状态。

（7）收尾工作。回收气囊，整理场地及牵引设备。

3.3 船厢浮运拖曳技术

（1）船厢拖曳方案。

船厢入水后，水流和风载对船厢体的作用力分别为24.692×104 N和0.982×104 N。船厢承受的总阻力为25.674×104 N。

为克服船厢在浮运过程承受的阻力和充分利用乌江流域现有出力船只，船厢的拖曳方案为：两侧各1艘123 kW（165马力）船协助推进，1艘227 kW（305马力）船负责在船厢头部牵引调节前进方向。3艘船合计473 kW（635马力），在时速5 km/h的时候产生的牵引力为33.500×104 N>25.674×104 N。

（2）船厢拖曳防撞措施。

在船厢四周设置若干橡胶轮胎，防止牵引过程中的碰撞引起设备受损。在船厢两侧面和头部实施悬挂足量轮胎防护，从船厢内侧的护舷设绳索固定处，轮胎系扣于船厢外侧吃水线处。

（3）船厢浮运拖曳流程。

船厢由斜坡下水，下水前做好船厢防撞措施;船厢下水进入全浮状态，释放移运托架、解除浮力气囊，进行定位和绑船;船厢拖曳到船厢室外停船;由2艘小船轻推船厢进入船厢室就位。

3.4 船厢入室定位技术

船厢浮运进船厢室后需要放置很长时间。因上游检修叠梁门未安装，船厢室与上游河道串通，水位随大坝正常发电而出现涨落。

将船厢上设备均匀布置，防止船厢单侧出现偏沉。为确保在涨退水时稳定船厢，保证船厢为自由漂浮状态，船厢的入室定位方案为：根据船厢室导向轨道的设置形式，在上游纵向布置两对临时导向轮，在下游纵向对称布置两对临时导向轮，如图6所示。单个导向轮的吸能能力足以满足澶想在纵向微薄水流作用下的撞击能力，即在导向轮的作用下能够使船厢趋于稳定状态[20]。

为了减小船厢横向振动幅度，在导向轨道处设置钢管防止横向振动。

按照上述船厢下水浮运方案实施，构皮滩水电站第一级升船机船厢一次顺利进入船厢室。即，构皮滩水电站第一级升船机船厢于2015年12月13日一次完成顺利下水，18日用拖船成功将船厢浮运进入船厢室，30日完成入室定位。

4 结 语

船厢安装是构皮滩升船机设备安装的难点。首先，阐述了船厢气囊下水技术方案，分析了船厢下水过程中的气囊和船厢受力，实施了增设移运托架和助浮气囊、卧倒门加固措施;其次，阐述了船厢浮运技术方案，介绍了船厢下水过程中的质量控制及船厢下水浮运工艺流程，实施了浮运拖曳和入室定位技术。工程实践表明，该船厢下水和浮运方案安全可靠。可为类似船厢安装提供借鉴。

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（编辑：胡旭东）