船闸及升船机基本知识.docx

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船闸及升船机基本知识

船闸及升船机基本知识

一、船闸及升船机分级与分类

（一）船闸的分级与分类

船闸按设计最大船舶吨级分为7级，其分级指标见表1-2-1。

随着航运业发展，目前许多船闸通过的最大船舶吨级已远超过3000t，这些通航3000t级以上船舶的船闸列入Ⅰ级船闸。

表1-2-1船闸分级指标

船闸级别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

Ⅶ

设计最大通航

船舶吨级（t）

3000

2000

1000

500

300

100

50

船闸种类很多，按照船闸不同的特征，如船闸所处的地理位置和过闸船舶、纵向排列闸室数目、并列排列船闸数目、输水型式、结构型式、闸门型式、使用特点等，可以分为不同的类型。

现通常分类如下：

1.按船闸所处的地理位置和过闸船舶不同划分

（1）内河船闸

内河船闸是指建于内陆的渠化河流或人工运河上的船闸，通行内河船舶。

船闸平面尺寸相对较小，多承受单向水头作用，上闸首常设有帷墙。

少数建于两条河流交汇的河口处及受潮水位或湖水位影响河段上的内河船闸，也承受双向水头作用，且不设帷墙。

建于山区河流上的溢洪船闸，洪水时允许淹没，并参与枢纽泄洪。

（2）海船闸

海船闸是指建于封闭式海港池口门，海运河及入海河口的船闸，供海船航行。

船闸平面尺寸及门槛水深均较大，多承受双向水头作用，无帷墙。

因上、下闸首难以区分，故将闸首分为内闸首和外闸首。

2.按纵向排列闸室数目划分

（1）单级船闸

单级船闸是指沿船闸轴线方向只有一个闸室的船闸。

船舶通过单级船闸时，只需进行一次充泄水即可克服上下游水位的全部落差。

单级船闸具有过闸时间短，通过能力大，建筑物及设备集中，运行管理方便等特点。

但其耗水多，结构复杂，对地质条件、输水系统要求高。

单级船闸一般只有两个闸首，当过闸船队种类较多、尺度又相差较大时，为缩短船舶（队）过闸时间和减少耗水量，在闸室中设中间闸首，将闸室分为两段，称为有中间闸首的单级船闸。

（2）多级船闸

多级船闸又可分上下级闸室相连和设中间渠道的两种：

a）上下级闸室相连的连续多级船闸。

系指沿船闸纵向连续建有两个或两个以上闸室的船闸。

船舶通过此种船闸时，需进行多次充泄水才能克服上下游水位的全部落差，位于上下闸室间的中间闸首，对其上闸室来说，实际上是起下闸首的作用，而对其下闸室来说，却相当于上闸首。

若将枢纽中的单级船闸建为两级船闸，则每级就只需承受枢纽水头的一半，从而使一些技术问题易于解决。

三峡水利枢纽，水头高达113m，其船闸型式为双线五级，每级船闸水头约为23m。

b）设中间渠道的分散多级船闸。

系指在水头很大，地形又比较平缓的地方，为避免建造井式船闸或上下级闸室相连的多级船闸需多挖很多土石方，而在这种条件下建造若干座相邻较近的单级船闸，并在各闸间用中间渠道把它们连接起来的船闸。

中间渠道的平面尺度应满足船舶（队）会让和水力学条件等要求。

它和单级船闸一样，可组织双向过闸。

3.按并列排列船闸数目划分

（1）单线船闸：

在一个枢纽内只建有一座船闸。

（2）多线船闸：

在一个枢纽内建有两座及以上的船闸。

在通常情况下，优先考虑建单线船闸。

仅在客货运量大、过闸船舶多，建一线船闸通过能力在设计水平年内不能满足客货运量和过闸船舶要求时，或不允许因船闸检修而中断航道时，才同时兴建双线或多线船闸，但在进行单线船闸平面布置的同时，应尽量考虑航运远景发展的需要预留出双线或多线船闸的位置。

葛洲坝同时建成了三线船闸，除考虑了货运量外，还考虑了船闸检修、引航道冲砂、挖泥的影响，以保证长江航道不断航的需要。

此外，根据船闸使用特点的不同，船闸也可分为井式船闸、省水船闸、广室船闸及闸梯等。

下面介绍几座具有代表性的船闸：

1.三峡船闸

三峡船闸位于长江上游距宜昌市38km的三斗坪镇附近，是三峡水利枢纽的重要组成部分，见图1-2-1。

三峡船闸为双线连续五级船闸，是目前世界上设计水头最高、工程规模最大的大型船闸。

船闸闸室有效尺寸为280m×34m×5m（长×宽×门槛水深），规划通航最大船队12000t，年单向通过能力5000万吨。

三峡船闸自1993年动工兴建，2003年6月投入试运行，2004年6月通过国务院验收组验收，正式投入运行。

三峡水利枢纽的建成，从根本上改善了长江的通航条件，为发展长江航运事业，推动沿江各省、市和全国国民经济发展起到了十分关键的作用。

三峡船闸的设计、建设，将世界船闸技术水平推向了新的高度。

图1-2-1三峡船闸

2.葛洲坝船闸

葛洲坝船闸是葛洲坝水利枢纽的重要组成部分，由两线三座船闸组成，见图1-2-2。

其中，1号船闸位于大江河床右侧，2号船闸位于三江右岸，3号船闸位于三江左岸。

1号和3号船闸中心线与坝轴线正交，2号船闸中心线与坝轴线呈81.5°交角。

1号船闸有效尺寸为280m×34m×5.5m（长×宽×门槛水深），2号船闸有效尺寸为280m×34m×5.0m（长×宽×门槛水深），3号船闸有效尺寸为120m×18m×3.5m（长×宽×门槛水深）。

葛洲坝船闸三江2号、3号船闸，于1981年6月开始通航。

大江1号船闸于1988年9月开始试通航，1990年5月正式通航。

葛洲坝船闸的建成和投入运行，极大地改善了长江三峡区域120公里水域的通航条件。

图1-2-2葛洲坝水利枢纽

3.淮安船闸

淮安船闸位于江苏省淮安市淮安区南郊4公里，京杭运河与苏北灌溉总渠交汇处下游2公里处，是京杭运河苏北段由南向北第三个梯级。

淮安船闸由三道平行布置的大型现代化船闸组成。

一号船闸闸室尺度为230m×20m×5.0m（长×宽×门槛水深），设计通过能力1712万吨，1959年开工建设，1962年11月建成通航。

二号船闸闸室尺度为230m×23m×5.0m（长×宽×门槛水深），设计通过能力2527万吨，1984年开工建设，1987年4月建成投入运行。

三号船闸设计尺度为260m×23m×5.0m（长×宽×门槛水深），设计通过能力2842万吨。

2000年9月开工建设，2003年7月通过交工验收。

4.长洲水利枢纽船闸

长洲水利枢纽船闸位于广西壮族自治区梧州市上游12公里西江干流上，是目前世界上最大的单级船闸群，是建设西江亿吨黄金水道的关键性项目和咽喉工程，见图1-2-3。

其中一线船闸为2000t级，为Ⅱ级船闸，闸室有效尺寸为200m×34m×4.5m（长×宽×门槛水深），二线船闸为1000t级，为Ⅲ级船闸，闸室有效尺寸为185m×23m×3.5m（长×宽×门槛水深）。

三、四线按Ⅰ级船闸建设，最大通过船舶吨级为3000t级，闸室有效尺寸为340m×34m×5.8m（长×宽×门槛水深），船闸全长4.5公里，引航道底宽153m，年设计通过能力9600万吨（单向），每个船闸一次可通过1.8万吨，船闸设置“互灌互泄”输水系统，节水达到38%，是目前世界上最节能的船闸之一。

长洲水利枢纽一～四线船闸最大单向通过能力1.36亿吨，是目前世界上同一断面通过能力最大的船闸群。

图1-2-3长洲水利枢纽船闸

5.万安船闸

万安船闸是千里赣江第一闸，坐落在赣江中上游风景秀丽的革命老区—井岗山脚下，是万安水电站枢纽工程的重要组成部分。

船闸是高水头的单级船闸，最大水头为32.5m，闸室有效尺寸为175m×14m×2.5m（长×宽×门槛水深），规划过闸最大船舶为1000t，设计最大船队为2×1000t。

船闸于1983年开工兴建，1989年11月11日竣工移交正式通航。

6.五强溪船闸

五强溪船闸为开发沅水干流15个梯级的第一期工程、沅水干流最大的梯级工程—五强溪水利枢纽的一个组成部分。

五强溪船闸为单线三级连续船闸，布置在枢纽左岸，船闸总水头60.9m，闸室有效尺寸为130m×12m×2.5m（长×宽×门槛水深），设计年货运量250万吨，设计通过最大船队2×500t。

五强溪船闸于1986年4月动工兴建，1995年2月10日开始试通航，1995年9月3日正式通航。

7.水口船闸

水口船闸位于福建省闽江干流闽清县境内，上游距南平市94km，下游距福州市84km。

水口船闸是水口水电站的主要通航建筑物之一，为连续三级船闸，布置在枢纽右岸。

船闸有效尺寸为135m×12m×3.0m（长×宽×门槛水深），总水头57.36m，规划年货运量400万吨，最大通航船舶吨位为500t级。

船闸于1994年建成投入运行。

8.新港船闸

天津新港船闸位于海河入口处，是连接天津新港与海河港区的唯一通道。

船闸始建于20世纪40年代初，当初设计船舶通航能力为3000t级，后经过对船闸的清淤和改造，实际通航能力已达10000t级。

在闸东及闸西北侧设有导航码头，闸东北侧引导码头长101m，闸西北侧引导码头长188m。

船闸长180m，宽20.5m；东西两闸门均长22m，宽4m，高9.7m，中部设有4个空气浮筒。

每个闸门两侧各有一个高2.5m，宽2m的调水阀门，用电动控制调水。

闸下有滑行轨道，闸门开一次的时间约为1min45s，打开后可自动停车。

（二）升船机的分级与分类

升船机的级别按设计最大通航船舶吨级划分为6级，分级指标应符合表1-2-2的规定。

表1-2-2升船机分级指标

升船机级别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

设计最大通航

船舶吨级（t）

3000

2000

1000

500

300

100

升船机按承船厢运行的线路，分为垂直升船机和斜面升船机两大类型。

按照船厢的重量是否由平衡重所平衡分为全平衡式和部分平衡式，根据船厢是否盛水分为湿运和干运，根据船厢采用的驱动方式不同分为钢丝绳卷扬式、齿轮齿条式、浮筒式及水压式等不同的型式。

垂直升船机是承船厢沿垂直方向升降的升船机，主要有钢丝绳卷扬式、齿轮齿条爬升式、浮筒式和水力浮动式转矩平衡重升船机几种类型。

钢丝绳卷扬式垂直升船机利用卷扬机作为提升设备，卷扬机由电机、大扭矩减速箱及卷筒等组成。

卷筒上绕有提升钢丝绳，为防止提升钢丝绳与卷筒间产生蠕动位移，采用缠绕式联接。

平衡重与承船厢相连，用来平衡船厢和厢内水体的重量，当电机带动卷筒旋转时，便可带动承船厢升降。

齿轮齿条爬升式垂直升船机利用对称安装在承船厢两侧的齿轮与安装在承船厢两侧塔柱壁上的齿条相互啮合，电动机经减速箱带动齿轮旋转，通过齿轮和齿条的啮合作用带动承船厢升降。

浮筒式垂直升船机是利用浮筒的浮力来支承和平衡承船厢的一种升船机。

其主要组成部分为承船厢、浮筒、浮筒井以及驱动机构和事故装置等。

在地下建有浮筒井，井内装设浮筒，浮筒顶部通过支撑与承船厢相连。

在驱动机构的作用下，承船厢上升或下降，浮筒也随之在浮筒井内升降。

利用浮筒的浮力来平衡和支承承船厢运动部分的重量，驱动机构仅需克服运动部分的阻力。

在承船厢下降过程中，浮筒上的支撑将逐渐沉入浮筒井，浮力相应增大，承船厢与浮筒的平衡状态受到破坏。

为此，通常在浮筒中部设一向下开口的垂直调节管，管内充以保持一定压力的空气，以防止水体任意注入，待支撑降入水中时，调节管口处水压达到一定值，水体逐渐进入调节管，浮筒的浮力也相应降低。

这种升船机的支承平衡系统简单，但需建造浮筒井，有一部分设备经常处于水中，维护和检修都不便。

20世纪60年代以后，世界上已未再见有建造。

水力浮动式转矩平衡重垂直升船机，是一种新型的升船机。

它将平衡重和提升机构融为一体，利用浮筒浮力的变化来驱动承船厢升降。

因不需要设置提升电机和低速大扭矩减速箱，避开了大型升船机设计、制造、安装方面的难题，简化了升船机的传动机构及控制系统，提高了运行的安全可靠性。

斜面升船机是承船厢沿斜坡轨道上下的升船机，有纵向斜面式和横向斜面式两种。

纵向斜面升船机在升降过程中，船体纵轴线与斜坡道方向一致。

横向斜面升船机在升降过程中，船体纵轴线垂直于斜坡道方向。

如果上下游斜坡道不能成直线布置，可在坝顶设置转盘，待船舶过坝时，用以调换不同的运行斜坡道。

目前世界上已建斜面升船机的型式，主要有纵向钢丝绳卷扬机牵引式、横向钢丝绳卷扬机牵引式和纵向自爬式3种。

下面介绍几座具有代表性的升船机。

1.比利时斯特勒比升船机

比利时斯特勒比升船机建成于2001年，结构型式为全平衡垂直升船机，采用钢丝绳卷扬提升，共有两线，见图1-2-4。

斯特勒比升船机提升高度为73.8m，提升重量为8800t。

船厢有效尺寸为112m×12m×3.35m（长×宽×水深），过船规模为1350t。

图1-2-4比利时斯特勒比升船机

2.德国尼德芬诺升船机

德国尼德芬诺升船机建成于1934年，结构型式为全平衡垂直升船机，采用齿轮齿梯驱动，安全机构采用长螺母柱、短螺杆结构，见图1-2-5。

尼德芬诺升船机提升高度为36m，提升重量为4300t。

船厢有效尺寸为85m×12m×2.5m（长×宽×水深），过船规模为1000t。

图1-2-5德国尼德芬诺升船机

3.德国吕内堡升船机

德国吕内堡升船机建成于1976年，结构型式为全平衡垂直升船机，采用齿轮齿条驱动，安全机构采用短螺母柱、长螺杆结构，共有两线，见图1-2-6。

吕内堡升船机提升高度为38m，提升重量为5800t。

船厢有效尺寸为100m×12m×3.4m（长×宽×水深），过船规模为1350t。

图1-2-6德国吕内堡升船机

4.三峡升船机

三峡升船机是三峡水利枢纽永久通航设施，用于克服三峡水利枢纽上、下游113m水位落差，见图1-2-7。

作为客货轮和专业船舶过坝的快速通道，设计通过3000t（排水量）客货轮和1500t一顶一驳船队，是客货轮和特种船舶快速过坝通道，能提高三峡船闸的货运通过能力。

三峡升船机为单线一级垂直提升式，承船厢有效尺寸为120m×18m×3.5m（长×宽×水深），船厢带水重量15500t。

三峡升船机于2016年9月18日试通航。

图1-2-7三峡升船机

5.水口升船机

水口升船机是国内建设的首座大型湿运全平衡钢丝绳卷扬式垂直升船机,可一次通过2×500t一顶两驳顶推船队,最大提升高度60m,承船厢外形尺寸123.0m×16.1m×6.3m（长×宽×高）,船厢带水重量5500t,是我国第一座自行设计、制造、施工和安装的大型现代化升船机。

6.亭子口升船机

亭子口升船机建成于2016年12月，过船规模为2×500t级，年通航量可达366万吨，其承船厢的外形尺寸为128.0m×16.6m×9.0m（长×宽×高），承船厢有效水域116.0m×12.0m×2.5m（长×宽×水深），承船厢结构和设备重约1950t，承船厢内水体重（设计水深2.5m）约4300t，承船厢总重量约6250t。

该承船厢可同时容纳两条500t级驳船，是目前国内最大的钢丝绳卷扬全平衡垂直提升式升船机。

7.景洪水力式升船机

景洪水力式升船机是我国原创并具有完全自主知识产权的新型升船机，在国内外升船机建设史上也尚属首创。

与国内外传统升船机相比，该升船机首次采用水力驱动代替传统电机驱动方式，依靠水力驱动并自动适应荷载变化实现稳定平衡，不仅大大简化了传动机构及控制系统，还提高了运行的安全性、可靠性和适应性。

工程于2007年11月开工建设，2016年11月15日试通航。

该升船机采用一级布置、水力垂直提升、湿运过坝的方式，最大提升高度66.86m。

上游通航水位在591.00m～602.00m之间，下游通航水位在536m～539.4m之间。

通航流量为800m3/s～2700m3/s。

过坝船舶船型尺寸控制在：

50m×8m×1.75m（长×宽×吃水），通航净空高度为8.0m，过船吨位500t，升降时间全程约17min，年货运量124.5万吨。

二、船闸及升船机组成及功能

（一）船闸的组成及功能

船闸是世界上主要的通航建筑物，它利用向两端有闸门控制的水工建筑物内充、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差。

船闸主要由闸首、闸室、输水系统、上下游引航道、口门区、连接段、靠船墩等水工建筑物，闸阀门及其启闭机械、电气控制等机电设备，助导航、运行管理等附属设施及生产、生活辅助建筑物等组成。

有的船闸还应包括前港和远方调度站等。

闸首是将闸室同上下游航道隔开的挡水建筑物，分上闸首和下闸首。

闸首上设有工作闸门、检修闸门、输水系统、闸门和阀门的启闭设备等。

闸首通常采用整体式钢筋混凝土结构，边墩和底板刚性连接在一起。

闸室是由船闸的上、下闸首和两侧的闸墙及闸底板围成的空间。

闸墙上设有系船设施，供船舶在闸室内停泊时系缆用。

过闸船舶在闸室中随着闸室内水面升降而升降。

闸室一般采用钢筋混凝土结构。

闸墙和闸底板有刚性连接在一起的整体式结构和不连接在一起的分离式结构两种。

输水系统是船闸从上游向闸室内充水和从闸室向下游泄水，控制船舶（队）在闸室内升降以克服枢纽上、下游水位落差的重要设施，是决定船闸运行安全和效率的重要因素之一。

船闸输水系统的充、泄水时间，闸室内的停泊条件和廊道、阀门及其启闭机械设备工作的安全可靠性，是评价船闸输水系统技术水平的十分重要的指标，三者既相辅相成，又相互制约。

输水系统主要水力学指标的好坏，是船闸工程建设是否成功的重要标志之一。

闸门和阀门包括工作闸门和输水阀门。

工作闸门是设在上、下闸首上的活动挡水设备。

在闸首前后水位齐平时启闭，运转较为频繁，要求操作灵活，启闭迅速。

常用的门型有人字闸门、平板升降闸门、横拉闸门、扇形闸门（又称三角门）等，以人字闸门应用最广。

输水阀门设在输水廊道上，用来控制充泄水时的流量。

它是在水压力作用下开启的，要求结构简单，启闭力小，操纵方便。

常用的门型有平板提升阀门和反向弧形阀门。

引航道是连接船闸和主航道的一段过渡性航道，分上游引航道和下游引航道，其平面形状和宽度、水深要能使船舶安全迅速地进出闸室。

引航道口门区水流流向与流速要能满足船舶安全进入和驶出的要求，并防止泥沙由于回流的作用而淤积在引航道上。

对于大型船闸，这两者通常要进行模型试验来研究确定。

引航道内一般设有导航建筑物和靠船建筑物。

导航建筑物多为不透水的导航墙，紧靠闸首布置，用以保证船舶安全进出闸室。

靠船建筑物供等待过闸的船舶停靠用。

（二）升船机的组成及功能

升船机是通过动力驱动船厢升降，以克服航道上的集中水位落差的一种通航设施。

通俗讲，升船机就是建在通航河流上的为克服水位落差供船舶乘坐的电梯。

与船闸相比，升船机可适应较大的水头、基本不耗水。

升船机的基本组成部分包括：

承船厢（或承船架、承船车）,用于停放船舶；斜坡道或垂直构架,前者供斜面升船机运行，后者为垂直升船机承船厢的支承和导行设备；连接建筑物，设置在上下游引航道与承船厢的连接处，使船舶自承船厢进入引航道或自引航道进入承船厢；机械传动机构，用于启闭承船厢的厢门和驱动承船厢升降；电气控制系统，用于操纵升船机的运行。

-----摘自《船闸运行维护管理实用知识》