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第八章升船机
第一节升船机的类型及其工作原理
一、升船机的特点
升船机和船闸一样，都是用来克服航道上的集中落差，以便船舶顺利通过的通
航建筑物。
升船机和船闸的根本不同点是：
船闸是直接借闸室的水面升降，使停泊
在闸室内约船舶完成垂直运动；升船机则是用机械的方法，升降装载船舶的承船厢，
以克服集中落差。
因此。
两者在结构及设备方面，均有所不同。
这首先表现在建筑
物的躯体结构上。
船闸和升船机的躯体，都是用来完成船舶升降克服集中落差的。
船闸的躯体结构是固定的闸室，而升船机的躯体结构，则由运动部分和固定部分（承
船厢的支承导向结构）所组成（图8-l）。
图8-1升船机示意图
为了实现承船厢的升降，保证运行的安全，在升船机的躯体结构上设置有下列
设备：
驱动承船厢升降的驱动装置；在事故状态下，阻止承船厢运动并支承船厢的事故装置；减少驱动功率的平衡装置；实现承船厢与闸首衔接的拉紧、密封、充、泄水等设备；保证承船厢在运行过程中平稳的支承导向设备等。
此外，还没有相应的输、配电及控制系统等电气设备。
升船机的闸首，和船闸一样，也是把躯体与上下游航道隔开的挡水建筑物，衔
1
接承船厢与航道，保证船舶在两者之间安全可靠地进出。
不同的是，在升船机的闸首上没有复杂的输水系统，同时闸首的工作条件，只受上游或下游水位的影响。
至于升船机的引航道和前港，则与船闸几乎是完全相同的。
与船闸相比，升船机有以下特点：
1.在运转时基本上不耗水，在水量不充沛的河流和运河上，建造升船机较为有
利；
2.升船视的升降速度远较船闸闸室灌泄水速度快，船舶通过升船机所需的时间较船船通过船闸的时间要短；
3.在高水头的通航建筑物中升船机的造价一般较小；
4.机电设备是保证升船机安全运行的一个重要部分，升船机的建造与安装要求有较高的设计与工艺水平。
各国建设和科研工作经验表明：
当水头在70m以上，宜建造升船机；水头在40～
70m之间应进行升船机与船闸的比选；在40m以下，采用船闸通常比升船机优越。
升船机的建造已经有20O多年的历史，由于整个工业水平的限制，18世纪末和
19世纪初建造的升船机，无论提升高度或通过船舶的吨技均较小，一般在100t以
下，提升高度大都在15m以下。
20世纪30年代德国尼德芬诺垂直升船机建造以来，
升船机发展到一个新阶段，提升高度和船舶的吨位显著增大，类型也不断增多。
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年代以来，随着整个工业水平提高，西德、苏联、比利时、法国均相继建造了一些
大型的现代化的升船机；通过的船舶吨位可达1350～200Ot，提升高度到百米以上。
1949年以来，我国因地制宜建造了六十余座升船枫，其中绝大多数升船机通过船舶
的吨位在50t以下。
50年代以来开始进行现代化大型升船机的研究和设计工作。
二、升船机的类型
升船机的类型很多，大体可分为以下几类：
根据承船厢载运船船的方式，升船机可分为干运和湿运两类。
湿运升船机是将承船厢充水，船舶浮载在承船厢内水体上。
干运升船机则是船舶支承在承船厢的承
2
台上。
干运升船机因不需要浮载水，升船机运动部分总重减小，可以减少升船机的
驱动装置的驱动功率，并使升船机闸首，支承导向结构及其相应的设备简化，但对
船体结构不利。
一般只用于船舶吨位不大的情况，多为小型斜面升船机。
湿运升船
视运动部分的总重量较大，但不论每次通过船舶吨位大小如何，这个总重量是不变
的，便于采用平衡设备，减少驱动功率；同时在运转过程中，船舶浮载在水上，船
体的受力状态没有变化。
因此，现代建造的通过数百吨以上船舶的升船机均为湿运。
根据装载船船的承船厢的运行方向，升船机可分为垂直升船机和斜面升船机两
大类。
斜面升船机的承船厢接斜坡道作升降运动，其支承导向结构为倾斜的轨道（图
8-la、b）。
垂直升般机的承船厢，则沿垂直方向升降，其支承导向结构是直立的支
架（图8-1c）。
斜面升船机和垂直升船机相比，在结构施工方面的技术问题较为简单，由于承船厢是在地面上行驶，事故装置比较简单，对地基的要求较低，抗地震能力较好。
但其适应水位变化的能力较低；在提升高度大的情况下，线路长，通过能力受到限制；变速行驶影响船舶在承船厢内停泊的平稳。
垂直升船机需要建造高大的支架，或开挖很深的竖井，同时还须建筑高大的闸首，其技术问题较复杂，但它易于适应上、下游水位的变化，通过能力较高。
应当指出：
升船机的选型，与当地的地形地质、水文条件、枢纽总体布置、航道的客货运量、船舶吨位以及机电、建筑结构的工艺水平等有密切关系，须经技术经济比较分析来决定。
第二节斜面升船机
一、斜面升船机的型式
斜面升船机一般由载运承船厢的承船车，供承船车行驶而铺设的斜坡道，驱动承船车的驱动机构，电气控制系统以及闸首等构成。
斜面升船机载运船舶的承船车沿斜坡轨道作升降运动。
3
按上、下游是否均设置斜坡道可分为一面坡斜面升船机和两面坡斜面升船机。
一面
坡斜面升船机系指只在挡水闸坝的下游设置斜坡道的升船机（见图8—2）。
图8-2一面坡斜面升船机
它一般用上、下闸首将承船车、斜坡道等主体结构与上、下游航道隔开，承船车沿
斜坡道上下行驶。
也有只在上游端设置闸首，而在下游端不设闸首，承船车沿斜坡道直接驶入下游航道，至承船厢内水面与航道水面齐平时，开启承船厢的厢头门，船舶驶进（出）承船厢。
两面坡斜面升船机系在挡水闸坝上、下游均建有斜坡道的升船机，承船车
均直接下水。
承船车由上（下）游航道进入上（下）游斜坡道，沿斜坡道驶向坝顶并进入转
盘，借助转盘旋转将承船车转向，使其沿下（上）游斜坡道下驶，直接驶入下（上）游航道
的水中。
转盘的作用是承船车过坝时能使载运的船舶保持水平，调换上、下游不同的斜
坡道。
上下游斜坡道可布置在同一条直线上，也可以相互间有一个角度。
根据升降船舶的方向，斜面升船机可分为纵向斜面升船机与横向斜面升船机。
纵向
斜面升船机在升降过程中，船体纵轴线与斜坡道的方向一致；横向斜面升船机在升降过
程中船体纵轴线则与斜坡道方向垂直。
纵向斜面升船机的斜坡道宽度可比横向斜面升船
机窄，导引比较简单，适于建造在地形较坦的地区，其坡度一般在1：
10~1：
25之间。
横向斜面升船机的斜坡道长度较纵向斜面升船机为短，但斜坡道宽度及轨道数均较纵向
式为大。
在工程实际中，一般多采用纵向斜面升船机。
斜面升船机的驱动方式有自行式和钢绳卷扬曳引两种。
前者是将驱动动力装置设在
承船车上；后者是在坡顶设置卷扬机用钢绳曳引承船车升降。
为减少驱动功率，有的升
船机还设置沿斜坡道升降的平衡重来均衡承船车的运动重量，此时驱动机构只需克服运
动系统的阻力。
4
目前世界上最大的纵向斜面升船机为前苏联1967建成的克拉斯诺雅尔斯克升船机
（图8-3），它克服水位差l0lm，最大升程115m，该升船机为两面坡式，上、下游斜坡道
坡度均为1：
10，上游坡道长度为306m，下游为1196m。
上、下游斜坡道交会处设有直
径105m、坡度为1：
10的转盘。
根据地形条件，两斜面坡道布置在夹角140°的折线
上。
承船厢尺寸为90m×l8m×2.5m，可通过1500t船舶，当厢中水深3.3m时，可供2000t
船舶通过，承厢加水重为6700t。
图8-3克拉斯诺雅尔斯克纵向斜面升船机
1—转盘；2-轨道；3-承船厢
由于上下游水位变幅分别为13m和6.3m，因而采用能直接下水的承船车。
承船车
利用齿轮沿齿轨滚动的方式运行，4排齿轨固定在斜坡道上的钢筋混凝土轨道梁上，相
应地在承船车上设置了4排156个齿轮，由18部高压油泵和156部75kW的电动机驱
动，在电动机的转动轴上设有制动器，以便事故时刹车制动固定承船车。
斜坡轨道的轨
道梁上设有滑线，作为供给自行式承船车电源用，当承船车下滑时，可以反馈部分电能。
承船车起动与停止阶段的加速度为0.008m／s2，上行速度为1.0m／s，下行速度为1.38m
／s。
船舶通过升船机的时间是98min。
目前世界上最大的横向斜面升船机为1967年建成的法国阿尔兹维累升船机（图
8-4）。
该升船机为一面斜坡式，上、下闸首之间的斜坡道的长度为108.45m，坡度为41％，
5
克服水头差44.55m。
承船厢的有效尺寸为长40.4m，宽5.22m，水深2.52~3.2m，船厢
加水总重约900t，船厢自重240t，可承运350t级船舶。
船厢有主承台车8组；共有32
个车轮在2条双轨斜坡轨道上运行，轨距为25.72m。
平衡重在承船厢下面运行，平衡
重车有2个，每个重约440t，其支承机构与船厢相同，其轨距为10.40m。
船厢与平衡
重由24根直径28mm的钢丝绳相连，钢丝绳的一端通过液压平衡系统与船厢相连，为
一端绕过卷扬机构的摩擦卷筒后与平衡重车相连。
卷扬机构为两台双摩擦卷筒，直径
2
3.3m，由两台直流电动机（100HP）驱动。
承船厢运行速度0.6m／s，加速度为0.02m／s，往返一次历时40min。
传动机构高速轴上设有电磁闸瓦制动器，卷筒上装有重锤式空气
制动器为安全制动器。
图8—4阿尔兹维累横向斜面升船机
1-轨道；2-平衡重；3-承船厢
1973年法国在加龙支运河的蒙特西地区建造的水坡升船机，是世界上第一座水坡
升船机。
它没有承船厢，而是利用一块宽6米、高4.35米的活动挡板，推动一段长125
米，高3.75米的三角形水体，沿着坡度为3度的矩形钢筋混凝土水槽向上、下游运行，
推动楔形水体上升或下降，从而使浮在楔形水体上的船舶作升降运动。
克服水头为13.3
6
米。
能通航38.5×5.5×5.5米的350吨的船舶。
活动挡板由设在矩形槽两侧的柴油—电
力机车驱动。
两台机车有电气同步系统使之同步运转。
坡长443米，全程约需6分钟。
活动挡板两侧和底部设有止水设备，以防止与矩形槽之间的间隙漏水。
图8-5为水坡式
升船机的运行原理图。
水坡式升船机不需要承船厢，建造费用较省，在运行过程中水面
波动较小，运行速度快，但运转费较高，适宜建在水位变幅小，过坝船型以自航驳为主
的航道上。
我国根据水坡升船机的原理，于70年代后期先后在安徽的龙湾、江苏的沭
阳建造了水坡升船机。
图8-5水坡式升船机示意图
二、斜面升船机设计
斜面升船机的基本尺度主要是指斜面坡度、承船厢尺寸、闸首尺寸等。
1.斜面坡度
斜面坡度直接影响着工程造价、营运费用及运转条件。
在选择时应考虑以下一些因
素：
首先应考虑承船厢的驱动方式，当为自行方式时，采用较缓的坡度，一般为1：
10～
1：
20；当采用齿轨爬升时可用较陡的坡度；当依靠行轮与轨道之间摩擦力运行时，应
取较缓的坡度；当采用钢绳曳引时，坡度可以较陡，一般为1：
5～1：
10，其最小坡度
要保证靠重力的分力能使承船厢自动下滑。
其次，对于纵向斜面升船机和横向斜面升船
机，采用的坡度也不同，横向斜面升船机的坡度，一般在1：
2～1：
8的范围以内，其
7
坡度的大小应根据斜坡的稳定来决定。
第三，要考虑升船机载运船舶的大小，一般通过
船舶的吨位较大时，采用的坡度较缓，通过的船舶吨位较小时，采用的坡度可以较陡。
第四，应考虑地形条件，避免过大的挖方与填方。
不难理解在一定条件下，若选用的坡
度较陡，虽可减少开挖土方的数量，缩短坡道长度从而减少轨道部分的投资，但将使承
船厢及闸首结构的工程量加大，并将增大驱动功率，从而增加运转费用。
反之，采用的
坡度较缓，虽可减少运转费用，降低承船厢及闸首结构的投资，但又将增加轨道部分的
工程量。
因此合理的坡度，只有在考虑到上述有关因素，对土建投资和运转费用进行综
合比较后，才能确定。
2．承船厢的结构
斜面升船机承船厢的构造方式，根据运船方式和承船厢与斜架车的关系而定。
斜面升船机的承船厢一般是一个连续的刚性结构，支承行走设备采用轮系系统，图
8-6即为这种型式的一例。
这种支承行走机构构造简单，常用4台平衡小车的轮系系统。
当承船厢尺寸较大时，可采用等距多支点的平衡小车。
但由于铺轨不平整、轮系制造和安装的误差、轮轴机构的弹性变形和轨道基础的不均匀沉陷等，均可能导致轮压不定，引起承船厢结构内力的变化、运行阻力不均以及运行过程中产生的振动等问题。
在设计大型斜面升船机时，为使支承行走机构能适应轨道的不平整等情况，并能在运行中将承
船厢的荷载和横向摆动力均匀传到每台小车和行轮上，在工程实践中曾提出把承船厢在纵向分段，每段支承在4点上，各段刚性的厢体结构与支承行走机构间设置缓冲设备，
以调整作用在支承行走机构上的荷载。
但该方案段与段之间的连接较复杂，湿运时容易漏水。
因此目前的承船厢一般还是采用连续刚性结构，而通过设置轮压平衡系统，用以保证各支点荷载及每一个支点内各轮轮压相等。
8
图8-6承船厢横剖图
a）湿运的船厢结构；b）干运的船厢结构
3.承船厢尺寸
承船厢尺寸包括有效尺寸和外轮廓尺寸。
湿运时承船厢的有效尺寸，系指充水空间
的有效长度lk、有效宽度bk和有效水深hk等，它们决定于设计船型的尺寸、船舶进出
厢的方式和速度以及经济要求等。
承船厢的外轮廓尺寸，在满足所要求的有效尺寸的前
提下，根据承船厢的构造、使用要求、强度和刚度条件等决定。
当承船厢与斜架车连接
成整体结构时，其上游端的厢头高度主要与水位的变化及其适应方式，承船厢厢头闸门
的形式以及承船厢的支承行走机构的形式等有关（见图8—7），可按下式确定：
hBhkhshc
hoh
（8－
1）
式中hk——承船厢内的有效水深，
m；
hs——设置厢头闸门门库所需的结构高度，m；其值视门型及门库的设置方式而
定；
hc——构造要求的高度，m；
ho——支承行走系统要求的结构高度，m；其值取决于支承行走系统在厢头附近
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的结构要求；
h——承船厢的超高，m；当承船厢起船闸的作用，以适应水位变幅时，此超
高应根据水位变化情况来定，在一般情况下，h应大于承船厢在刹车过程中可能产生
的水面壅高。
图8－7厢头结构高度图
根据华西里也夫的研究，当厢中无船时，承船厢突然停止所产生的水面平均壅高值
h1为：
h1Vx
hk
（8-2
）
g
式中：
Vx——承船厢运动的水平分速度，m／s；
g——重力加速度，m／s2。
当承船厢中有船时，厢头门端的最大水面壅高值hm，及靠近船首处的水面最大壅
高值hc，分别为：
hcmch1
hm（2mc1）h
（8-3）
10
x
2
k
mc
1（1x）（1bc）
kbk
式中：
bc——船宽，m；
x——船中横断面浸水断面面积，m2；
bk——承船厢的有效宽度，m；
k——承船厢的充水断面面积，m2。
当承船厢以等加（减）速度停车，并且制动时间大于或等于半个波动周期时，在承船
厢两端的水面最大壅高
（降低）值
hN：
l
acos
hN
（8-4）
g
asin
式中：
l——承船厢沿运动方向的水面长度，m；
——斜坡道的坡度，（°）；
a——承船厢的等加（减）速度，m／s2。
承船厢下游端的厢头高度hH，除取决于与上游端的厢头高度相同的有关因素外，
还与船厢沿运动方向的长度l1及坡道的坡度tan有关，可按下式计算：
hHhBl1tan
（8-5）
如果承船厢与其下的斜架车不连在一起，或者采用干运时，按上述方法也不难定出
承船厢和承船车的高度。
关于上下闸首尺度、闸首与承船厢衔接处的尺度，以及承船厢下水时坡度末端的高
程等，在已知承船厢尺寸后，可根据闸首布置及构造要求及修造船滑道等有关的类似方
法加以确定。
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第三节垂直升船机
一、垂直升船机的类型
垂直升船机承船厢沿垂直方向升降要克服重力作功。
当采用湿运方式时，承船
厢的运动重量力（包括厢体自重力和厢内水重力）很大，驱动功率也大。
因此，垂直
升船机多采用平衡承船厢运动重量力的平衡装置。
不同平衡系统构成了不同型式的
垂直升船机。
根据平衡方式，主要可分为均衡重式垂直升船机、浮筒式垂直升船机
以及利用水压来平衡承船厢运动重量力的水压式垂直升船机。
均衡重式垂直升船机（图8-8a）），是垂直升船机中最早出现的一种型式。
它采
用与承船厢运动重量力相等的平衡重作为承船厢的平衡系统。
驱动机构仅需克服整
个系统的运动阻力，使承船厢垂直升降。
平衡重力与承船厢之间多以绕过绳轮的钢
缆来连接。
浮筒式垂直升船机（图8-3b），是利用淹没在浮筒井中的浮筒的浮力来平衡升船
机承船厢等的运动部分（包括承船厢、浮筒及支撑等）的重量力。
承船厢通过支与
浮筒连接成一个体，在驱动机构驱动下，作升降运动，驱动机构也仅需克服整个
系统的运动阻力。
水压式垂直升降机（图8-8c）是利用作用在活塞上的水压力来平衡升船机运动部分的
量力。
为避免设置专门产生水压力的设备，通常是建双线，两线活塞缸用连接管连通传
递水压。
在驱动机构的驱动下，一线承船厢上升，另一线承船厢则下降。
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1-支架;2-平衡重;3-绳轮;4-浮筒;5-活塞;6-承船厢
图8-8垂直升船机示意图
二、垂直升船机的设计
垂直升船机水工建筑物主要由上下闸首、承船厢室及承重塔柱组成。
1．升船机的闸首
升船机的闸首，是将升船机的承船厢、支承导向结构等躯体结构与上、下游航道隔开的挡水建筑物。
根据运转要求，闸首上一般设有闸门、闸首的输水系统、承船厢的充泄水设备、承船厢室的排水系统、闸首与承船厢的连接设备、交通和管理房屋等。
升船机闸首一般设置两道闸门，即工作闸门与检修闸门。
上闸首的检修闸门通常兼
作事故闸门，工作闸门一般与承船厢直接衔接。
下闸首检修门设在工作门的下游侧，供工作门检修时使用，当发生洪水时检修门还可阻挡下游洪水，使其不至淹没承船厢室。
闸首上的工作闸门的形式很多，一般分为单一的整体式闸门和由过船小门与挡水门组合的组合门两类。
工作闸门门型选择与上、下游河段的水文条件，闸首与承船厢的连接方式有关。
当上、下游水位变幅较小时，多用单一的整体式闸门，常用的门型有提升式平面闸门和卧倒闸门等。
当上、下游水位变幅较大时，若采用单一的整体式闸门，则
会加大经常启闭运转的门体的尺寸，增加承船厢厢头的高度，因此多采用由过船小门与
挡水门组合的组合门，在工作门下部增设叠梁门来调整工作门的高度，以便适应变化后
的上游水位，使承船厢能与调整后的工作门及变化后的上游水位实现对接过船。
工作门的起吊和叠梁门的增减，一般用设在闸首的桥式启闭机进行操作。
根据承船厢与闸首的相互关系，组合门又可分为两种体系：
当承船厢伸进闸首时，
工作闸门采用过船小门和挡水门构成的组合门（图8-9a）；当承船厢不伸进闸首时，工作
闸门采用过船小门、挡水门和渡槽构成的组合门（图8-9b）。
挡水闸门可看作是一活动闸
首，主要起挡水作用。
当为前一种形式时，在挡水门上部设有由过船小门控制启闭的通航孔口。
过船小门是工作闸门中经常运转部分，挡水门仅在水位变化超过过船小门所能适应的幅度时才调整升降，以保证通航孔口有足够的通航水深。
当为后一种形式时，过
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船小门与渡槽组成过船部分，此时通航孔口设在渡槽上。
渡槽也可看成是一段特殊形状的挡水门，跨在挡水门上，其迎水面与挡水门具有同一止水轮廓，位于同一平面，其背水面伸至闸首端，以便与承船厢衔接，过船小门即设在这一端。
图8-9闸首工作闸门的布置
a）船厢伸进闸首；b）船厢不伸进闸首
过船小门通常采用提升式平面闸门或卧倒闸门。
过船小门的高度除满足通航水深的
要求外，尚应有一定的调节富余高度。
此富余高度不宜过小，以免需要经常调整升降挡水门，但又不宜过大，否则将增加运转费用。
一般根据上、下游水位情况和运转方面的要求而定，通常在1.5m左右。
承船厢伸进闸首的连接方式，可以简化工作闸门的构造，节省渡槽结构。
但将增加
工作闸门的跨度，对平衡重沿承船厢长度均匀布置的均衡重式垂直升船机，可能影响承
船厢正常运转时的受力条件。
因此，承船厢是否伸进闸首，工作闸门采用哪种形式，应视升船机的形式与支架的布置，上、下游的水位情况以及过船小门的形式等条件而定。
组合式工作闸门，通常是在无压下启闭，并采用机械止水，以减少启闭力和保证止水密封。
当需要调整升降时，先关闭工作闸门前的辅助闸门，泄空工作闸门前的水体，松开工作闸门的止水，使闸门处于无压的情况，然后开始调整升降。
待调整完毕，重新将止水压紧在闸门上，进行充水，开启辅助闸门，升船机又重新开始运转。
因此，当工作闸门为组合门时，闸首上的检修闸门可以兼作辅助闸门。
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闸首的输水系统用来充、泄工作闸门与检修闸门之间的水体，以便进行工作闸门的检修工作和在无压情况下启闭工作闸门，一般采用自流的输水管道。
为了保证承船厢的正常运转，便于向承船厢补水，一般在上闸首上还设有泵站和充水管道。
承船厢室的排水系统包括水泵站、管道及明渠等。
闸门与承船厢的连接设备是指承船厢的拉紧装置、充泄水装置、密封装置等，它们是否设置在闸首上以及如何设置均视这些设备的形式及其与闸首的关系确定。
上闸首与引航道之间的连接方式主要决定于地质条件。
由于升船机克服的水位差常很大，因此上闸首顶至升船机室底面的高度也就很大。
在软土地基上，一般多用渡槽结
构把闸首与引航道连结起来；在岩基上，可建衬砌墙，闸首就建在衬砌墙上，与衬砌墙连成一体，也可采用渡槽来连接。
当升船机位于水利枢纽时，若升船机轴线经过大坝，且坝底高程与升船机室底的高程基本一致，则可采用上闸首与坝结合的方式，两者共同组成挡水线，将设置上闸首的
坝段的下游面作成垂直面，以实现与承船厢衔接。
若坝底高程与升船机室底高程相差较大，则可用渡槽衔接。
2．承重塔柱
承重塔柱是升船机的承重设施，升
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