三峽工程船閘取水對(duì)升船機(jī)運(yùn)行影響與應(yīng)對(duì)策略

龔國慶 徐浩 鄧南云 韓越

摘要：

汛期三峽水庫上游水位在150 m以下時(shí)，受船閘閘室充水運(yùn)行的影響，與升船機(jī)共用的上游引航道水位短時(shí)變幅將明顯增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及升船機(jī)的運(yùn)行安全。通過收集三峽船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)和升船機(jī)上游引航道水位數(shù)據(jù)并展開分析，研究了船閘雙線四級(jí)運(yùn)行時(shí)二閘室取水對(duì)升船機(jī)上游引航道水位變化的影響。研究結(jié)果表明：在三峽水庫出入庫流量和船閘單次取水量不變的情況下，雙線船閘二閘室取水在升船機(jī)上游引航道內(nèi)引發(fā)的周期性往復(fù)流是導(dǎo)致水位短時(shí)大幅變化的主要因素，并就此提出了可行的應(yīng)對(duì)策略。研究成果可為三峽升船機(jī)汛期安全運(yùn)行提供指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞：

三峽升船機(jī); 上游引航道; 三峽雙線五級(jí)船閘; 閘室取水; 水位變化; 應(yīng)對(duì)策略

中圖法分類號(hào)： U642.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.036

0 引 言

三峽升船機(jī)作為三峽樞紐工程的永久通航設(shè)施之一，主要作用是為客輪和特種船舶提供快速過壩通道。其過船規(guī)模為3 000 t級(jí)，最大提升高度為113 m，是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)難度最高、運(yùn)行工藝最復(fù)雜的齒輪齒條爬升全平衡式垂直升船機(jī)[1]。

全平衡式垂直升船機(jī)的最大特點(diǎn)是船廂總重量由平衡重全部平衡，船廂升降時(shí)驅(qū)動(dòng)設(shè)備只需克服船廂的誤載水重和懸吊系統(tǒng)的慣性力、摩擦阻力、鋼絲繩僵硬阻力等載荷[2]。為減小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備規(guī)模，一般允許的船廂誤載水深相對(duì)較小，三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)允許船廂誤載水深為±0.1 m，當(dāng)船廂誤載水深超過設(shè)計(jì)允許值時(shí)，在升降前需要通過水深調(diào)節(jié)設(shè)備將水深調(diào)整到設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。在船廂與上下閘首對(duì)接、船舶進(jìn)出船廂期間，船廂水深將隨上下游航道水位的波動(dòng)而發(fā)生改變，過大的水深變化有可能會(huì)造成船舶觸底或水漫出船廂，進(jìn)而危及升船機(jī)的運(yùn)行安全[3]。

三峽升船機(jī)布置在樞紐左岸，與雙線五級(jí)船閘相鄰并共用上游引航道。上游引航道內(nèi)設(shè)有隔流堤，隔流堤位于升船機(jī)右側(cè)，總長度2 674 m，堤頂高程150 m[4]，用于在低水位時(shí)將上游引航道與河床主流隔離，如圖1所示。與國外布置在人工運(yùn)河上的升船機(jī)不同，三峽升船機(jī)布置在水電工程上，受三峽樞紐防洪、發(fā)電調(diào)度和船閘運(yùn)行的影響，上下游引航道水位變化較大。尤其在汛期時(shí)段，三峽樞紐上游水位長期保持在150 m以下，上游隔流堤將露出水面，使上游引航道成為獨(dú)立的航道，使得引航道水域?qū)挾却蠓葴p小。在上游水位更低的情況下，受樞紐泄洪、電站調(diào)峰、船閘充水等因素影響，上游引航道內(nèi)的非恒定水流變化更容易引起水位波動(dòng)[5]。

在短時(shí)間內(nèi)，三峽水庫出入庫流量及水位變化較小，因此船閘運(yùn)行是造成升船機(jī)上游引航道水位短時(shí)產(chǎn)生較大波動(dòng)的主要因素，影響升船機(jī)的安全運(yùn)行。

本文通過研究三峽船閘在不同取水條件下對(duì)升船機(jī)上游引航道水位變化的影響，探討可靠的運(yùn)行應(yīng)對(duì)策略，對(duì)保障升船機(jī)安全運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。

1 船閘首閘室取水對(duì)升船機(jī)上游引航道水位的影響

當(dāng)三峽樞紐上游水位在150 m以下時(shí)，雙線五級(jí)船閘的第一級(jí)閘室處于通閘狀態(tài)，為4級(jí)運(yùn)行[6]，船閘首閘室為第二級(jí)閘室。在首閘室自上游引航道取水過程中，取水水流會(huì)引起上游引航道尾端的水位波動(dòng)，取水流量越大，水位變化也越大。當(dāng)引航道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)水體到達(dá)升船機(jī)上閘首后，受封閉段制約，動(dòng)能變成勢(shì)能，表現(xiàn)為水面抬升，隨之在重力作用下水體反向運(yùn)行，如此往復(fù)。到升船機(jī)船廂內(nèi)，水面寬度進(jìn)一步縮小至18 m，水深僅有3.5 m，上閘首的“盲腸”效應(yīng)十分顯著。上游引航道因船閘首閘室取水而產(chǎn)生的往復(fù)流涌浪，將導(dǎo)致升船機(jī)上游水位短時(shí)劇烈波動(dòng)[7]。

1.1 船閘取水時(shí)段的上游實(shí)測(cè)水位

選取2019年汛期7月份樞紐上游水位不變、船閘首閘室單次取水量基本不變和樞紐出入庫流量基本不變的時(shí)間段內(nèi)，升船機(jī)引航道水位信息系統(tǒng)上游1號(hào)站水位數(shù)據(jù)和三峽船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。

圖2～3分別為2019年7月6日18：00至7月7日18：00和7月17日18：00至7月18日18：00時(shí)間段內(nèi)引航道水位信息系統(tǒng)1號(hào)站水位數(shù)據(jù)。

表1為2019年7月6日18：00至7月7日18：00船閘首閘室取水時(shí)間。兩線1 d取水均為16次，單次取水平均歷時(shí)北線為19 min 55 s、南線為19 min 25 s;單線取水時(shí)間間隔北線為1 h 6 min 23 s、南線為1 h 12 min 12 s。

表2為2019年7月17日18：00至7月18日18：00 船閘首閘室取水時(shí)間。北線1 d取水14次、南線1 d取水15次，單次取水平均歷時(shí)北線為19 min 48 s、南線為19 min 41 s;單線取水時(shí)間間隔北線為1 h 21 min 35 s、南線為1 h 17 min 19s。

1.2 船閘不同取水方式對(duì)上游水位的影響

提取南、北線船閘二閘室取水時(shí)引航道1號(hào)水位站對(duì)應(yīng)的水位波形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在取水過程中波形存在先降后升的大致趨勢(shì)，與取水之前的波形相比，水位變得更加不穩(wěn)定，變幅更大。取水結(jié)束后，水體在黏滯力和渠底摩阻作用下，能量逐漸消耗，水位波動(dòng)逐漸減小，引航道水體趨于穩(wěn)定，直到下一次二閘室取水。

根據(jù)兩線船閘的運(yùn)行方式、閘室取水時(shí)間和上游引航道的水位變化，將船閘二閘室取水對(duì)上游水位的影響歸納為以下4類。

（1） 單線取水。

單線取水是指僅有一線船閘的首閘進(jìn)行取水運(yùn)行。在單線取水狀態(tài)下，上游水位波動(dòng)較小，變幅小于0.25 m。船閘單線取水只發(fā)生在一線船閘進(jìn)行停航檢修或保養(yǎng)停止運(yùn)行時(shí)，升船機(jī)汛期正常運(yùn)行時(shí)很少遇到該情況。

（2） 兩線同時(shí)取水。

兩線同時(shí)取水是指南線、北線船閘二閘室取水基本在同一時(shí)段內(nèi)。如圖4（a）波形所示，在進(jìn)行取水動(dòng)作之前的一個(gè)波形中，波峰和波谷的水位分別為145.806 m和145.758 m，變幅為0.048 m;當(dāng)南北線同時(shí)取水時(shí)，波峰和波谷的水位為146.013 m和145.604 m，變幅為0.409 m。如圖4（b）波形所示，在進(jìn)行取水動(dòng)作之前的一個(gè)波形中，波峰和波谷的水位分別為145.942 m和145.785 m，變幅為0.157 m;當(dāng)南北線同時(shí)取水時(shí)，波峰和波谷的水位分別為146.064 m和145.587 m，變幅為0.477 m。

南北線同時(shí)取水時(shí)，上游水位波動(dòng)明顯增大。在取水動(dòng)作完成后，水位波動(dòng)會(huì)逐漸減小，直至下一次取水時(shí)再次產(chǎn)生較大波動(dòng)。與單線閘室取水相比，南北線同時(shí)取水會(huì)導(dǎo)致上游水位產(chǎn)生更大波動(dòng)，變幅超過0.4 m。

（3） 兩線連續(xù)取水。

兩線連續(xù)取水是指一線船閘的閘室完成取水后，另一線船閘的閘室接著取水。根據(jù)南北線取水時(shí)間表，該時(shí)段內(nèi)連續(xù)取水時(shí)間接近40 min。南北線連續(xù)取水時(shí)，取水時(shí)段內(nèi)水位變幅較大。相比未取水時(shí)的水位情況，單線閘室取水時(shí)水位變幅增大，隨后另一線船閘的閘室繼續(xù)取水時(shí)，水位變幅比單線閘室取水時(shí)的變幅進(jìn)一步增大。如圖5所示，北線、南線4輪連續(xù)取水時(shí)段內(nèi)，水位變幅分別為：0.239，0.267 m;0.290，0.312 m;0.156，0.408 m;0.208，0.384 m。連續(xù)取水會(huì)使水位變幅較大，且后一階段取水的變幅比前一階段更大，同時(shí)持續(xù)時(shí)間較長。

（4） 兩線間隔取水。

兩線間隔取水是指南北線船閘的取水時(shí)段具有基本相同的時(shí)間間隔。截取上游水位中具有間隔取水特性的兩段時(shí)間，水位變幅一直維持在較大的幅度，水位波形衰減較慢，持續(xù)時(shí)間較長。如圖6所示。因非取水時(shí)段較短，水位變幅尚未穩(wěn)定時(shí)下一次取水已經(jīng)開始，造成上游水位在較大變幅下持續(xù)波動(dòng)。

1.3 初步分析結(jié)果

通過分析船閘首閘室取水過程與升船機(jī)上游水位變化關(guān)系，可知：

（1） 船閘二閘室取水時(shí)間約20 min，單線船閘取水間隔時(shí)間約60～90 min。

（2） 單線取水時(shí)上游水位存在先降后升的大致趨勢(shì)，水位變幅比取水前大。取水結(jié)束后，水位波動(dòng)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

（3） 與單線閘室取水相比，兩線同時(shí)取水會(huì)導(dǎo)致上游水位更大的變幅。

（4） 兩線連續(xù)取水會(huì)使上游水位變幅較大，且后一階段取水的變幅比前一階段更大，同時(shí)持續(xù)時(shí)間較長。

（5） 南北線間隔取水會(huì)使上游水位變幅一直維持在較大的幅度，非取水時(shí)段較短，水位變幅難以穩(wěn)定。

（6） 取水時(shí)段內(nèi)，上游水位變化的波形周期與取水時(shí)間接近，約20 min。

（7） 船閘二閘室取水動(dòng)作時(shí)段內(nèi)上游水位最大變幅一般發(fā)生在第一個(gè)水位波形周期。

2 應(yīng)對(duì)上游引航道水位變化的策略

為確保升船機(jī)運(yùn)行安全，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水位變動(dòng)較大時(shí)，需及時(shí)向梯調(diào)中心了解水位變化趨勢(shì)，并采取以下穩(wěn)妥應(yīng)對(duì)措施。

（1） 當(dāng)上游水位低于150 m時(shí)，船廂與上游對(duì)接前應(yīng)密切關(guān)注上游水位變化趨勢(shì)。當(dāng)三峽出入庫流量差別不大且未有調(diào)峰動(dòng)作時(shí)，若發(fā)現(xiàn)上游水位突變，應(yīng)停止與上游對(duì)接。結(jié)合水位信息系統(tǒng)，判斷是否可能為船閘閘室取水，同時(shí)與船閘集控室聯(lián)絡(luò)，掌握雙線閘室取水時(shí)間節(jié)點(diǎn)，預(yù)判水位變化趨勢(shì)。當(dāng)水位信息系統(tǒng)顯示上游水位30 min內(nèi)變幅已超過0.3 m時(shí)，應(yīng)停止船廂與上游對(duì)接，避開船閘閘室取水引起的上游水位大幅波動(dòng)時(shí)段。根據(jù)以往觀測(cè)資料，一般船閘閘室取水開始后的20～25 min之內(nèi)，水位變幅最大，而后逐漸減小。

（2） 船廂進(jìn)行上行對(duì)接前，集控操作員需綜合船舶尺寸、吃水、當(dāng)前船廂水深以及水位信息系統(tǒng)中前1 h水位波形等信息，根據(jù)船廂完成上行所需時(shí)間和水位波動(dòng)周期、變幅，判斷船廂“合適”的停位點(diǎn)，選擇“合適”的發(fā)令時(shí)機(jī)，保證船廂盡量停在水位變幅的中間位置。

通過對(duì)水位變化的分析統(tǒng)計(jì)，可以看出在水位明顯變化期的一段時(shí)間內(nèi)，上游水位波形變化有明顯周期性。在升船機(jī)上行發(fā)令前，運(yùn)用水位信息系統(tǒng)，查看當(dāng)前時(shí)間前1 h內(nèi)上游水位變化曲線，根據(jù)水位變化周期，估算上行發(fā)令時(shí)間，避免船廂停位于波峰或波谷位置，確保船廂盡量停位于水位變化波峰與波谷之間的中間值，可以有效減少船廂水位的波動(dòng)變幅[8]。

升船機(jī)上行發(fā)令時(shí)刻t發(fā)令估算公式：

式中：t波峰/波谷為離當(dāng)前時(shí)刻最近的水位波峰或波谷時(shí)刻;t運(yùn)行為船廂上行運(yùn)行時(shí)間;T為水位變化周期;n=1，3，5……。

船廂上行運(yùn)行時(shí)間t運(yùn)行為

式中：h目標(biāo)為船廂上行理想目標(biāo)位，即上游水位變化波峰與波谷之間的中間值;h當(dāng)前位置為船廂當(dāng)前停止位置;v為船廂正常運(yùn)行速度，即0.2 m/s;a為船廂正常運(yùn)行加速度，即0.01 m/s2。

（3） 船廂上下行過程中，集控操作員也需要密切關(guān)注水位變化趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前船廂停止位置過高或過低時(shí)，可進(jìn)行人工干預(yù)，取消自動(dòng)流程。在船廂停位后，視具體情況選擇重新對(duì)接或小行程、低速調(diào)整船廂位置。

船廂上下行過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前水位變化不利于對(duì)接，且需把握當(dāng)前的對(duì)接機(jī)會(huì)時(shí)，可采取措施縮短運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)船廂運(yùn)行至距目標(biāo)位10 m左右時(shí)，發(fā)出“主傳動(dòng)停運(yùn)”指令，讓船廂停在距目標(biāo)位8 m左右的位置，方便船廂在水位變化至適當(dāng)高程時(shí)進(jìn)行對(duì)接。

（4） 三峽升船機(jī)上游靠船墩布置在距上閘首253 m處，與升船機(jī)中心線成26°夾角，最近端距升船機(jī)中心線73 m[9]，如圖7所示。

船舶駛?cè)刖嚯x為船艏自靠船墩?？课恢?，駛至船廂內(nèi)停泊位置之間的距離[10]。

船舶從上游靠船墩下行進(jìn)廂的駛?cè)刖嚯x為523 m，船舶進(jìn)出升船機(jī)上游引航道采取的是曲線進(jìn)廂、直線出廂的方式。下行進(jìn)廂船舶從靠船墩解纜，駛向船廂過程中，首先需調(diào)順船身，待到達(dá)上游浮式導(dǎo)航墻后再直線進(jìn)入船廂，進(jìn)一步延長了船舶進(jìn)廂時(shí)間。據(jù)觀測(cè)，一般有艏側(cè)推的船舶需5～6 min調(diào)順船身，沒有艏側(cè)推的大尺度船舶調(diào)順船身時(shí)長甚至達(dá)到10 min。

因此，在升船機(jī)單向、下行運(yùn)行時(shí)，船廂與上游對(duì)接前，提前通知船舶備車，移泊至上游導(dǎo)航墻，合理控制時(shí)間，保證集控發(fā)進(jìn)廂令和船舶到達(dá)導(dǎo)航墻無縫銜接，船舶無需在導(dǎo)航墻靠泊，船舶駛?cè)刖嚯x縮短至260 m，同時(shí)船舶在進(jìn)廂前已調(diào)順船身，直線進(jìn)廂，可大幅減少船舶進(jìn)廂時(shí)間，降低船廂與上游長時(shí)間對(duì)接情況下因水位變動(dòng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 語

三峽升船機(jī)引航道水位變動(dòng)受多種因素影響，應(yīng)對(duì)水位變化策略尚在逐步摸索總結(jié)中。本文通過分析150 m以下水位雙線五級(jí)船閘首閘室取水對(duì)升船機(jī)上游引航道水位變化的影響，提出運(yùn)行操作應(yīng)對(duì)策略，以期能有效應(yīng)對(duì)水位變動(dòng)，為升船機(jī)運(yùn)行操作積累經(jīng)驗(yàn)，最大限度地保障升船機(jī)的運(yùn)行安全，提高三峽升船機(jī)通航效率。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

龔國慶，徐浩，鄧南云，等.三峽工程船閘取水對(duì)升船機(jī)運(yùn)行影響與應(yīng)對(duì)策略

[J].人民長江，2021，52（7）：216-220.

Influence on Three Gorges ship lock water intake on ship lift operation and coping strategies

GONG Guoqing，XU Hao，DENG Nanyun，HAN Yue

（Three Gorges Navigation Authority，Yichang 443000，China）

Abstract：

When the upstream water level of the Three Gorges Reservoir is below 150 m in flood season，the short-term variation of water level in the upstream approach channel shared with the ship lift will increase significantly due to the water filling operation of the lock chamber，which will seriously endanger the operation safety of the ship lift.Through the collection and analysis of the operation data of the Three Gorges ship lock and the water level data in the upstream approach channel of the ship lift，the influence of the water intake by the second lock chamber on the water level change in the upstream approach channel of the ship lift was studied.The results showed that under the condition that the inflow and outflow of the Three Gorges Reservoir and the single intake volumeby the ship lock were constant，the water intake by second lock chamber induced periodic reciprocating flow in the upstream approach channel of the ship lift，which caused short-term and large-scale changes of water level，and then feasible countermeasures were put forward.The research results can provide guidance for safe operation of Three Gorges ship lift in flood season.

Key words：

Three Gorges ship lift;upstream approach channel;double-line and five-stage Three Gorges ship lock;water intakeby lock chamber;water level change;coping strategy