【探秘三峡升船机】攻坚克难创造世界奇迹

文章作者:秦建彬 郑雁林  来源:长江水利网  时间:2016年09月21日

三峡垂直升船机规模、技术难度均为世界罕见。

2016年5月,三峡升船机试通航前验收通过后,钮新强院长非常自豪地用“空前绝后、举世无双”8个字向到访长江设计院的《中国大坝》纪录片导演介绍三峡垂直升船机。

面对一个如此庞大复杂的系统工程,长江设计院是在一穷二白的基础上开始着手研究的,是几代长江设计人从一个个数据、一张张图纸、一本本报告、一次次审查做起,历经60余年的光阴沉淀,攻克了诸多技术难关,创造了人间奇迹。

院升船机专家介绍,三峡升船机各项创新的关键技术,均围绕升船机运行的安全性做文章,一是要保证三峡升船机建筑结构的安全,二是要充分保障升船机设备系统运行的安全。主要包含升船机结构关键技术与升船机设备关键技术两大类。

升船机结构关键技术

升船机结构主要涉及到上下闸首、承重塔柱、塔柱顶部机房、上下游引航道导航、隔流及靠船建筑物等。升船机土建结构形式、受力及边界条件异常复杂,且建筑物规模巨大,因而结构技术难度大。上闸首与承重塔柱是其三峡升船机中最重要、最复杂的结构,也是设计中所关注的焦点与难点。

上闸首很特别,兼有挡水坝段及升船机闸首双重功能,在正常运行工况下适应枢纽上游30米的水位变化和升船机113米升降要求。受复杂地质条件(闸首上段发育断层、下游段40米的临坡)的影响,布置和运行条件的要求,上闸首结构具有尺寸大、受力复杂的特点,从适应基础岩石不均匀性的力学性能,提高上部结构的整体性出发,采用整体U型结构。同时,针对上闸首底板结构内力大,正常使用要求严的技术特点,底板采用预应力钢筋混凝土的结构方案。对上闸首整体应力分析、结构稳定性分析及配筋方法等关键技术问题,长江设计院经过多年研究论证,形成了适应于三峡升船机上闸首稳定的设计分析方法,提出了采用群锚的预应力混凝土结构设计方案,这也是全球首列对大型U型过水结构的预应力设计研究。

高达146米的承重塔柱,支撑着船厢垂直升降113米。它是超规范设计,国内外没有可供借鉴的经验,其结构高耸、复杂,设计标准和设计参数均无先例可循。当时能参考的只有其功能完全不同的高层建筑、桥墩和烟囱等设计规范。长江设计院通过多年的研究和分析,逐步认识和确定了塔柱的受力性态,荷载取值和结构体系。

朱虹教高介绍,在塔柱结构设计中,长江设计解决了两个关键性问题,一是塔柱结构的选取,二是设计原则的确定。

结构型式方面,重点对全筒式、墙-筒体等四种型式进行了反复比较研究,最后确定了墙-筒体结合并通过沿高程方向的纵向联系梁形成119.0米长连续布置的混和式塔柱结构。设计时,既考虑承重结构自身的安全,特别是抗震安全;还需满足承船厢运行的变位限制;结构需要前后左右协同工作。最终长江设计院提出了设计原则、设计参数、明确各类荷载的取值、荷载组合、承载能力等设计要求。

升船机设备关键技术

如果说土建结构是支撑着升船机的骨骼,那么机械、电器设备便是升船机运动的肌肉和器官。设备关键技术,就像是升船机运转时的经络关节或网络神经,它们会感知设备的运行状况,一旦出现意外,第一时间会发出预警信息,做出安全稳妥的应对措施。

驱动机构超载保护技术:当船厢内的水体超载或欠载时,驱动机构会检测到超载或欠载,并通过一系列动作,把齿轮上增加的载荷转移到安全机构上去。

安全装置技术:船厢升降的保护神,一旦水深超过允许值,驱动机构机构将敏感“刹车”,与船厢同步升降的短螺杆就停止转动,随着船厢水深的不断变化,螺杆与安装在塔柱壁上的长螺母柱之间螺纹副间隙逐渐消失,船厢此时就牢牢固定在螺母柱个,既不上升也不下降。

如果安全装置过于“敏感”,会严重影响升船机的运行。就是所谓的合理确定安全机构螺纹副的间隙。通过大量的分析,影响螺纹副间隙有船厢与塔柱之间的纵横向变位、螺母螺杆制造安装误差等多达十几种因素,最终确定安全机构的螺纹副间隙设计值为正负60毫米。

与此同时,还提出了升船机设备对变形、变位、误差的适应技术;地震条件下的设备安全技术等。
电气传动与控制技术:在“电气行程同步”控制的基础上,增加了“机械同步”,相当于双保险。如果电气行程同步控制功能失效,将改由“机械同步”控制完成升降,负责兜底。

多项创新的结构关键技术、设备关键技术与施工关键技术,很好地解决了齿轮齿条爬升全平衡重式三峡垂直升船机的安全保障顾虑,并将多个不同性质的复杂机构与土建结构协调在一起。

2016年5月12日,长江电力号客轮顺利通过三峡升船机,完成了试通航前验收的带船升降试验。升船机就像个自信的大力士,举重若轻的地托举着船厢平稳上升、下降,站在船厢上参加升船机验收的专家发出啧啧惊叹声。

施工技术:开展了塔柱结构混凝土施工方案与施工程序、温度控制措施、施工期变形分析及施工精度控制措施、承船厢安装方案等关键技术问题的研究,解决了狭小场地下的超高层薄壁大体积混凝土建筑物施工精度和快速施工难题,解决了钢筋及埋件安装工程量大而混凝土量小的施工难题,通过开展塔柱施工期变形仿真模型提出施工应对调整措施,使用桥机现场安装方案解决了超大钢结构重件在狭窄场地拼装与安装等技术难题。这些新技术、新工艺、新设备的应用,是的施工外观质量和施工精度控制良好,施工进度处于受控状态。
 

责任编辑:蔡倩
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