設置輔助閘室解決下引航道非恒定流對三峽升船機運行影響初探

摘 要：三峽升船機按計劃將于2015年建成并投入運行，下引航道非恒定流對升船機運行的影響受到有關各方的高度關注。本文根據現有研究成果分析了下引航道非恒定流對三峽升船機運行的影響，論證了設置輔助閘室對解決升船機下游非恒定流影響的必要性。初步確定了輔助閘室總體布置的原則，探討了利用升船機對接誤載水深提高過機船舶吃水控制標準對通航的影響，提出了相關研究建議。

關鍵詞：輔助閘室 非恒定流 三峽升船機 運行

引言

三峽升船機是三峽水利樞紐的永久通航設施之一，布置在樞紐左岸，位于永久船閘右側和左岸7#、8#非溢流壩段之間。升船機由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等部分組成，全線總長約6000m。升船機船廂有效尺寸為120m×18m×3.5m，最大提升高度113m，上游通航水位變幅30m，下游通航水位變幅11.8m。受樞紐電站調峰影響，下游水位最大日變幅3.5 m，變率±0.50m/h。三峽升船機具有提升高度大、提升重量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化速率快的特點，是目前世界上技術難度和規模最大的升船機。

三峽樞紐泄洪、電站運行和三峽船閘旁側泄水產生的波浪下行，繞過下游隔流堤頭經口門傳入下引航道，產生重力長波，與三峽船閘輔助泄水系統產生的泄水波交峰，在引航道內形成了往復波流運動的非恒定流。近年來，多家研究單位通過模型試驗及數值計算，研究成果表明：受非恒定流影響，下引航道產生的波浪傳遞至升船機下閘首及船廂時，涌浪高度將會超過設計值。通過在升船機下閘首下游設置輔助閘室，阻隔下引航道涌浪到達船廂部位，可有效解決非恒定流對升船機運行的不利影響，保障升船機運行安全。

設置輔助閘室的必要性

1、下游引航道非恒定流影響初步分析

下游引航道（見圖1）是指升船機下閘首以下航道，總長約4400m，分為兩段。從口門至升船機與船閘引航道分叉部位約1800m，底寬180m，口門拓寬為200m，航道底面高程56.5m。分叉部分往上游至升船機下閘首約2600m，航道底寬80.0～90.0m，航道底面高程58.0m。引航道右側設有隔流堤以阻隔主流，形成靜水航道。

三峽樞紐下引航道非恒流產生的涌浪問題，與樞紐泄洪、電站運行調度及三峽船閘泄水有關，須結合樞紐運行實際進行研究。《三峽升船機總體設計報告》明確指出：“下游引航道的涌浪，目前的模型試驗主要針對船閘泄水的影響，而樞紐泄洪和電站日調節對下游引航道及口門區的影響目前尚未進行深入的研究分析，建議下階段進行原型觀測分析。”

南京水利科學院通過在下游引航道口門區人工設定不同波幅大小和不同傳播周期的長波，利用數學模型研究這些長波傳遞到升船機船廂時引起的水面變化規律。研究表明：升船機船廂處的水位變化與口門區水位變幅和引航道水深有關。按照升船機引航道設計涌浪高度不超過±0.50m，反算出下游引航道口門區相應的允許水位波動值：下游水位62m時，口門區的水面波動只能在±0.15～0.20m左右；下游水位73m時，口門區允許的最大波動只能在±0.15m左右。下引航道不同水位條件時航道下口門區允許水位波動幅度見下圖2。

有關研究單位通過數值計算及模型試驗表明，按照目前樞紐運行調度方式，升船機下閘首及承船廂水位變幅將會超過±1m，已大大超過升船機下引航道及船廂允許水位波動值，這對升船機的正常運行將會產生極為不利的影響。

2、設置輔助閘室的作用

在升船機下閘首下游端設置輔助閘室，將下引航道非恒定流產生的涌浪阻隔在輔助閘室下閘首下游，能夠有效避免下引航道非恒定流形成的涌浪對升船機運行的影響。其主要作用有：在輔助閘室至升船機之間形成靜水航道，確保升船機下閘首涌浪高度滿足設計要求；可以保障船廂對接時船廂及過機船舶的安全；可以保證船廂對接時的運行效率；可以保障船舶吃水檢測工作的順利進行。

輔助閘室總體布置

1、總平面布置原則

確保下引航道整體功能不受影響；確保設置輔助閘室以后形成靜水航道；會航道確保升船機通航效率；確保輔助閘室能夠正常維護與檢修。

2、輔助閘室運行工藝

為保證升船機運行效率，在升船機上升或下降運行過程中，下一循環過機船舶須在輔助閘室內靠泊等待，輔助閘室運行工藝（初始條件是船舶下行進入船廂、輔助閘室下游閘首工作門開啟）見圖3：

受三峽電站日調節的影響，輔助閘室須與升船機同步運行，輔助閘室內船舶會讓及航速要求執行船閘設計現行規范，確保船舶及輔助閘室設施安全。

3、總體布置方案

輔助閘室范圍為升船機下閘首至輔助閘室下閘首之間區域，閘室上閘首共用升船機的下閘首。左側閘墻利用已建的主導航墻及護坡，右側閘墻上游部分利用已建的下游輔導航墻，下游端平行于水流方向興建閘墻與下閘首右邊墩相連，盡量保證沖沙閘的過流斷面，減少輔助閘室布置對沖沙閘運行的影響。左右側閘墻根據過機船舶尺度增加靠系船設施。

設置輔助閘室后提高升船機船廂通航水深分析

按照升船機設計船型，通過升船機船舶的最大吃水不得超過2.78m，而目前長江干線船舶大型化趨勢明顯，自2013年開始，600總噸以下船舶禁止通過三峽船閘，適宜通過升船機的船舶日趨減少。設置輔助閘室后，升船機下閘首水位基本恒定，可以提高船廂對接時的船廂水深，增加適宜通過升船機的船舶數量。

1、升船機對接狀態時提高船廂水深的可行性

三峽升船機為全平衡式升船機，船廂總重（含3.5m水體）15500t，平衡重重量與船廂總重相等。船廂上下運動時，驅動機構僅需克服誤載水深、系統摩擦阻力、機構慣性力矩等載荷。

船廂處于對接狀態時，驅動機構小齒輪卸載，船廂由對接鎖定裝置進行豎向支承，對接鎖定機構的設計載荷按照船廂水深3.5m加上±0.5m的水位波動，并計入±0.1m的附加水載荷考慮，因此升船機船廂和下閘首工作門對接時，船廂最大水深可以達到4 m。如果船廂與下閘首工作門對接時水深為4m，船廂需比設計正常工況多向下運行0.5m。當驅動機構運行至 62m高程時，螺母柱和齒條至最下端有2.5m，下緩沖裝置距離船廂室段底板有0.7m，平衡重可上行4m，因此在下游最低通航水位時，船廂的運行可以滿足水深4m的對接要求。

受船閘充泄水影響，升船機上引航道也存在一定的涌浪，上引航道的涌浪高度決定了船廂以多大的水深與上閘首工作門對接，為了盡可能提高船廂對接時的水深，可以通過采取工程措施、優化調度等方式降低上游引航道涌浪高度的影響。

2、提高船廂水深后升船機運行工藝的調整

如果提高船廂對接狀態時的水深，升船機對接的工藝流程也要作相應的調整。以上行為例，船舶進入船廂后（假設船廂水深為4m），關閉船廂門及下游閘首工作門，排出船廂內的多余水體，船廂水位滿足運行誤載水深3.5±0.1m的要求，船廂向上提升，當船廂水位低于上游水位0.5m時與上游閘首工作門對接，然后船廂充水使船廂內水位和上游水位平齊，開啟船廂門和上閘首工作門，船舶駛出船廂。

結論及建議

1、結論

在升船機下閘首下游布置輔助閘室將下引航波浪擋在輔助閘室以下，在升船機下閘首及承船廂之間形成靜水航道，可以確保升船機下閘首及船廂與下閘首對接時涌浪高度滿足設計要求。

設置輔助閘室后，降低了升船機下閘首及其船廂對接時的波浪高度，可有效減小對接誤載水深處理時間；波浪減少以后船舶進出升船機更為安全便捷。

設置輔助閘室后，可以提高船廂對接時的水深和通過船舶的吃水標準，增加通過升船機的適航船舶數量。

2、建議

輔助閘室下閘首及右側延伸段閘墻水工結構受工作門布置、航道尺度、沖沙閘運行等因素制約，結構設計和運行使用條件復雜。建議專題研究下閘首水工結構及其工作閘門方案和輔助閘室的通航條件，確保輔助閘室的運行安全。

上游引航道涌浪高度決定了船廂的對接水深和過機船舶的吃水控制標準，建議專題研究上游引航道涌浪對船廂對接水深的影響。

提高船廂對接水深后可以增加適宜通過升船機船舶的數量，但同時降低了通航效率，建議專題研究提高船廂對接水深后對升船機通過能力的影響。

（作者單位：長江三峽通航管理局）