三峡工程船闸取水对升船机运行影响与应对策略
龚国庆 徐浩 邓南云 韩越
摘要：
汛期三峡水库上游水位在150 m以下时，受船闸闸室充水运行的影响，与升船机共用的上游引航道水位短时变幅将明显增大，严重时会危及升船机的运行安全。通过收集三峡船闸运行数据和升船机上游引航道水位数据并展开分析，研究了船闸双线四级运行时二闸室取水对升船机上游引航道水位变化的影响。研究结果表明：在三峡水库出入库流量和船闸单次取水量不变的情况下，双线船闸二闸室取水在升船机上游引航道内引发的周期性往复流是导致水位短时大幅变化的主要因素，并就此提出了可行的应对策略。研究成果可为三峡升船机汛期安全运行提供指导。
关 键 词：
三峡升船机; 上游引航道; 三峡双线五级船闸; 闸室取水; 水位变化; 应对策略
中图法分类号：
U642.7+1
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.036
0 引 言
三峡升船机作为三峡枢纽工程的永久通航设施之一，主要作用是为客轮和特种船舶提供快速过坝通道。其过船规模为3 000 t级，最大提升高度为113 m，是目前世界上规模最大、技术难度最高、运行工艺最复杂的齿轮齿条爬升全平衡式垂直升船机[1]。
全平衡式垂直升船机的最大特点是船厢总重量由平衡重全部平衡，船厢升降时驱动设备只需克服船厢的误载水重和悬吊系统的惯性力、摩擦阻力、钢丝绳僵硬阻力等载荷[2]。为减小驱动系统设备规模，一般允许的船厢误载水深相对较小，三峡升船机设计允许船厢误载水深为±0.1 m，当船厢误载水深超过设计允许值时，在升降前需要通过水深调节设备将水深调整到设计允许范围内。在船厢与上下闸首对接、船舶进出船厢期间，船厢水深将随上下游航道水位的波动而发生改变，过大的水深变化有可能会造成船舶触底或水漫出船厢，进而危及升船机的运行安全[3]。
三峡升船机布置在枢纽左岸，与双线五级船闸相邻并共用上游引航道。上游引航道内设有隔流堤，隔流堤位于升船机右侧，总长度2 674 m，堤顶高程150 m[4]，用于在低水位时将上游引航道与河床主流隔离，如图1所示。与国外布置在人工运河上的升船机不同，三峡升船机布置在水电工程上，受三峡枢纽防洪、发电调度和船闸运行的影响，上下游引航道水位变化较大。尤其在汛期时段，三峡枢纽上游水位长期保持在150 m以下，上游隔流堤将露出水面，使上游引航道成为独立的航道，使得引航道水域宽度大幅度减小。在上游水位更低的情况下，受枢纽泄洪、电站调峰、船闸充水等因素影响，上游引航道内的非恒定水流变化更容易引起水位波动[5]。
在短时间内，三峡水库出入库流量及水位变化较小，因此船闸运行是造成升船机上游引航道水位短时产生较大波动的主要因素，影响升船机的安全运行。
本文通过研究三峡船闸在不同取水条件下对升船机上游引航道水位变化的影响，探讨可靠的运行应对策略，对保障升船机安全运行具有重要指导意义。
1 船闸首闸室取水对升船机上游引航道水位的影响
当三峡枢纽上游水位在150 m以下时，双线五级船闸的第一级闸室处于通闸状态，为4级运行[6]，船闸首闸室为第二级闸室。在首闸室自上游引航道取水过程中，取水水流会引起上游引航道尾端的水位波动，取水流量越大，水位变化也越大。当引航道内的运动水体到达升船机上闸首后，受封闭段制约，动能变成势能，表现为水面抬升，随之在重力作用下水体反向运行，如此往复。到升船机船厢内，水面宽度进一步缩小至18 m，水深仅有3.5 m，上闸首的“盲肠”效应十分显著。上游引航道因船闸首闸室取水而产生的往复流涌浪，将导致升船机上游水位短时剧烈波动[7]。
1.1 船闸取水时段的上游实测水位
选取2019年汛期7月份枢纽上游水位不变、船闸首闸室单次取水量基本不变和枢纽出入库流量基本不变的时间段内，升船机引航道水位信息系统上游1号站水位数据和三峡船闸运行数据进行相关分析。
图2～3分别为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时间段内引航道水位信息系统1号站水位数据。
表1为2019年7月6日18：00至7月7日18：00船闸首闸室取水时间。两线1 d取水均为16次，单次取水平均历时北线为19 min 55 s、南线为19 min 25 s;单线取水时间间隔北线为1 h 6 min 23 s、南线为1 h 12 min 12 s。
表2为2019年7月17日18：00至7月18日18：00 船閘首闸室取水时间。北线1 d取水14次、南线1 d取水15次，单次取水平均历时北线为19 min 48 s、南线为19 min 41 s;单线取水时间间隔北线为1 h 21 min 35 s、南线为1 h 17 min 19s。
1.2 船闸不同取水方式对上游水位的影响
提取南、北线船闸二闸室取水时引航道1号水位站对应的水位波形进行分析，发现在取水过程中波形存在先降后升的大致趋势，与取水之前的波形相比，水位变得更加不稳定，变幅更大。取水结束后，水体在黏滞力和渠底摩阻作用下，能量逐渐消耗，水位波动逐渐减小，引航道水体趋于稳定，直到下一次二闸室取水。
根据两线船闸的运行方式、闸室取水时间和上游引航道的水位变化，将船闸二闸室取水对上游水位的影响归纳为以下4类。
（1） 单线取水。
单线取水是指仅有一线船闸的首闸进行取水运行。在单线取水状态下，上游水位波动较小，变幅小于0.25 m。船闸单线取水只发生在一线船闸进行停航检修或保养停止运行时，升船机汛期正常运行时很少遇到该情况。
（2） 两线同时取水。
两线同时取水是指南线、北线船闸二闸室取水基本在同一时段内。如图4（a）波形所示，在进行取水动作之前的一个波形中，波峰和波谷的水位分别为145.806 m和145.758 m，变幅为0.048 m;当南北线同时取水时，波峰和波谷的水位为146.013 m和145.604 m，变幅为0.409 m。如图4（b）波形所示，在进行取水动作之前的一个波形中，波峰和波谷的水位分别为145.942 m和145.785 m，变幅为0.157 m;当南北线同时取水时，波峰和波谷的水位分别为146.064 m和145.587 m，变幅为0.477 m。
南北线同时取水时，上游水位波动明显增大。在取水动作完成后，水位波动会逐渐减小，直至下一次取水时再次产生较大波动。与单线闸室取水相比，南北线同时取水会导致上游水位产生更大波动，变幅超过0.4 m。
（3） 两线连续取水。
两线连续取水是指一线船闸的闸室完成取水后，另一线船闸的闸室接着取水。根据南北线取水时间表，该时段内连续取水时间接近40 min。南北线连续取水时，取水时段内水位变幅较大。相比未取水时的水位情况，单线闸室取水时水位变幅增大，随后另一线船闸的闸室继续取水时，水位变幅比单线闸室取水时的变幅进一步增大。如图5所示，北线、南线4轮连续取水时段内，水位变幅分别为：0.239，0.267 m;0.290，0.312 m;0.156，0.408 m;0.208，0.384 m。连续取水会使水位变幅较大，且后一阶段取水的变幅比前一阶段更大，同时持续时间较长。
（4） 两线间隔取水。
两线间隔取水是指南北线船闸的取水时段具有基本相同的时间间隔。截取上游水位中具有间隔取水特性的两段时间，水位变幅一直维持在较大的幅度，水位波形衰减较慢，持续时间较长。如图6所示。因非取水时段较短，水位变幅尚未稳定时下一次取水已经开始，造成上游水位在较大变幅下持续波动。
1.3 初步分析结果
通过分析船闸首闸室取水过程与升船机上游水位变化关系，可知：
（1） 船闸二闸室取水时间约20 min，单线船闸取水间隔时间约60～90 min。
（2） 单线取水时上游水位存在先降后升的大致趋势，水位变幅比取水前大。取水结束后，水位波动呈现逐渐减小的趋势。
（3） 与单线闸室取水相比，两线同时取水会导致上游水位更大的变幅。
（4） 两线连续取水会使上游水位变幅较大，且后一阶段取水的变幅比前一阶段更大，同时持续时间较长。
（5） 南北线间隔取水会使上游水位变幅一直维持在较大的幅度，非取水时段较短，水位变幅难以稳定。
（6） 取水时段内，上游水位变化的波形周期与取水时间接近，约20 min。
（7） 船闸二闸室取水动作时段内上游水位最大变幅一般发生在第一个水位波形周期。
2 应对上游引航道水位变化的策略
为确保升船机运行安全，当发现水位变动较大时，需及时向梯调中心了解水位变化趋势，并采取以下稳妥应对措施。
（1） 当上游水位低于150 m时，船厢与上游对接前应密切关注上游水位变化趋势。当三峡出入库流量差别不大且未有调峰动作时，若发现上游水位突变，应停止与上游对接。结合水位信息系统，判断是否可能为船闸闸室取水，同时与船闸集控室联络，掌握双线闸室取水时间节点，预判水位变化趋势。当水位信息系统显示上游水位30 min内变幅已超过0.3 m时，应停止船厢与上游对接，避开船闸闸室取水引起的上游水位大幅波动时段。根据以往观测资料，一般船闸闸室取水开始后的20～25 min之内，水位变幅最大，而后逐渐减小。
（2） 船厢进行上行对接前，集控操作员需综合船舶尺寸、吃水、当前船厢水深以及水位信息系统中前1 h水位波形等信息，根据船厢完成上行所需时间和水位波动周期、变幅，判断船厢“合适”的停位点，选择“合适”的发令时机，保证船厢尽量停在水位变幅的中间位置。
通过对水位变化的分析统计，可以看出在水位明显变化期的一段时间内，上游水位波形变化有明显周期性。在升船机上行发令前，运用水位信息系统，查看当前时间前1 h内上游水位变化曲线，根据水位变化周期，估算上行发令时间，避免船厢停位于波峰或波谷位置，确保船厢尽量停位于水位变化波峰与波谷之间的中间值，可以有效减少船厢水位的波动变幅[8]。
升船机上行发令时刻t发令估算公式：
式中：t波峰/波谷为离当前时刻最近的水位波峰或波谷时刻;t运行为船厢上行运行时间;T为水位变化周期;n=1，3，5……。
船厢上行运行时间t运行为
式中：h目标为船厢上行理想目标位，即上游水位变化波峰与波谷之间的中间值;h当前位置为船厢当前停止位置;v为船厢正常运行速度，即0.2 m/s;a为船厢正常运行加速度，即0.01 m/s2。
（3） 船厢上下行过程中，集控操作员也需要密切关注水位变化趋势。当发现当前船厢停止位置过高或过低时，可进行人工干预，取消自动流程。在船厢停位后，视具体情况选择重新对接或小行程、低速调整船厢位置。
船厢上下行过程中，当发现当前水位变化不利于对接，且需把握当前的对接机会时，可采取措施缩短运行时间。当船厢运行至距目标位10 m左右时，发出“主传动停运”指令，让船厢停在距目标位8 m左右的位置，方便船厢在水位变化至适当高程时进行对接。
（4） 三峡升船机上游靠船墩布置在距上闸首253 m处，与升船机中心线成26°夹角，最近端距升船机中心线73 m[9]，如图7所示。
船舶驶入距离为船艏自靠船墩停靠位置，驶至船厢内停泊位置之间的距离[10]。
船舶从上游靠船墩下行进厢的驶入距離为523 m，船舶进出升船机上游引航道采取的是曲线进厢、直线出厢的方式。下行进厢船舶从靠船墩解缆，驶向船厢过程中，首先需调顺船身，待到达上游浮式导航墙后再直线进入船厢，进一步延长了船舶进厢时间。据观测，一般有艏侧推的船舶需5～6 min调顺船身，没有艏侧推的大尺度船舶调顺船身时长甚至达到10 min。
因此，在升船机单向、下行运行时，船厢与上游对接前，提前通知船舶备车，移泊至上游导航墙，合理控制时间，保证集控发进厢令和船舶到达导航墙无缝衔接，船舶无需在导航墙靠泊，船舶驶入距离缩短至260 m，同时船舶在进厢前已调顺船身，直线进厢，可大幅减少船舶进厢时间，降低船厢与上游长时间对接情况下因水位变动带来的风险。
3 結 语
三峡升船机引航道水位变动受多种因素影响，应对水位变化策略尚在逐步摸索总结中。本文通过分析150 m以下水位双线五级船闸首闸室取水对升船机上游引航道水位变化的影响，提出运行操作应对策略，以期能有效应对水位变动，为升船机运行操作积累经验，最大限度地保障升船机的运行安全，提高三峡升船机通航效率。
参考文献：
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[2] 陈锦珍，马光耀.垂直全平衡升船机承船厢的稳定性分析[J].水利水运科学研究，1996（4）：301-308.
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[9] 李江鹰，朱虹.三峡升船机上游浮式导航堤长度优化研究[J].人民长江，2003，34（7）：6-8.
[10] 中华人民共和国交通部.升船机设计规范：SL 660-2013[S].北京：中国水利水电出版社，2013.
（编辑：胡旭东）
引用本文：
龚国庆，徐浩，邓南云，等.三峡工程船闸取水对升船机运行影响与应对策略
[J].人民长江，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
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