三峽升船機閘首工作門位與通航水位關系研究

龔國慶，徐 剛，徐 淵

(長江三峽通航管理局，宜昌 443000)

表1 三峽升船機運行條件Tab.1 Operation conditions of Three Gorges Shiplift

三峽升船機是目前世界上規模最大、技術難度最高、運行工藝最復雜的全平衡垂直升船機，其過船規模為3 000 t級，最大提升高度為113 m，上游通航水位變幅30 m，下游通航水位變幅11.8 m[1]。三峽升船機正常運行時上、下游水位條件如表1所示。

現代化大型升船機出現在20世紀，國外升船機大多建于人工運河上，航道水位變幅很小，船廂與閘首一般在固定位置對接。而三峽水利樞紐具有較大的防洪庫容，且枯水期和汛期過壩流量差異大，使得上、下游水位變幅大；同時，三峽水電站具有較大的調峰容量，受樞紐水庫調度[2]、三峽船閘泄水[3]等諸多因素影響，造成上下游涌浪高、下游水位變率快[4]。因而，三峽升船機的運行條件比其他水利樞紐或運河設置的升船機要復雜得多。該類升船機國內外尚無運行的先例，缺乏工程實踐經驗。鑒于此，本文通過三峽升船機船廂與閘首工作門正常對接運行的條件，分析閘首工作門在不同門位對應設計通航水位的臨界水位附近變化時，三峽升船機可靠運行的極限水位和最高擋水水位，為三峽升船機安全運行提供理論依據。

1 三峽升船機閘首工作門

三峽升船機在上、下閘首分別布置有一套工作門，由于上、下游水位變幅和變率不同，兩套工作門的結構形式和調整方式均不相同。

上閘首工作門由一扇工作大門和7節工作疊梁門組成，工作大門置于疊梁門的頂部，如圖1所示。上閘首工作大門可適應單節工作疊梁門高度(±3.75 m)的水位變化，當上游水位變幅超出工作大門的適應范圍時，通過增加或減少工作疊梁門的方式適應上游的水位變化[5]。上閘首工作門設計適應水位范圍如表2所示。

圖1 上閘首工作門Fig.1 Working door of upper gate head

表2 上閘首工作門設計適應水位Tab.2 Design of upper gate head working door to adapt to water level m

圖2 下閘首工作門Fig.2 Working door of lower gate head

下閘首工作大門共設置有6個鎖定位，自上而下依次編號為：1#鎖定位、2#鎖定位、3#鎖定位、4#鎖定位、5#鎖定位、6#鎖定位，如圖2所示。下閘首工作大門可適應1.97 m通航水位變化，當下游水位變幅超過工作大門的適應范圍時，由工作大門頂部的液壓啟閉機操作，通過升降工作大門改變鎖定位的方式適應下游的水位變化。下閘首工作門設計適應水位范圍如表3所示。

表3 下閘首工作門設計適應水位Tab.3 Design of lower gate head working door to adapt to water level m

上下游引航道水位變化對運行的影響主要有四個方面：

(1)是水位變化超出了閘首工作門的適應范圍，需要對閘首工作門門位進行調整，影響通航效率；

(2)是閘首臥倒小門處于擋水狀態時，引航道涌浪或水位變幅超過±0.5 m，可能會漫過閘首工作門進入承船廂；

(3)是船廂在向閘首上行或下行過程中，如果接近目標點時航道水位發生較大變化，將導致對接失敗；

(4)是當船廂與閘首處于對接狀態時[6]，引航道水位變化會導致船廂誤載水深增大，船廂水深超出一定范圍就需要通過船廂水深調節系統進行調節，增加了運行時間，如果船廂水深進一步變化就會導致安全結構動作，過廂船舶有擱淺和觸底風險。

2 水位變化對閘首工作門調整的影響

表2、表3中規定的設計水位范圍是連續的區間，工作門調整水位都是一個臨界值。但是在實際運行中，由于上、下游水位不斷變化中，特別是下游水位變率達0.5 m/h，并且工作門調整需要一定時間，尤其是上閘首調整工作疊梁門數量，所需時間更長，因此，我們對實際運行中調整閘首工作門位的極限水位以及閘首臥倒小門處于關閉狀態下的最高擋水位進行分析。

影響閘首工作門門位的主要因素有：

(1)閘首工作大門門頂必須高于上/下游水位0.5 m以上；

(2)船廂內水位始終為3.5 m；

(3)船廂內水位須與上/下游水位齊平；

(4)船廂與閘首工作大門對接后船廂間隙密封機構上P形止水橡皮須位于工作大門U形不銹鋼止水座板范圍內；

(5)閘首臥倒小門打開后檻上水深須滿足最小通航水位3.5 m。

3 上閘首工作門門位與上游通航水位對應關系

以門位8(不加疊梁門)為例。

門位8時上游設計適應通航水位變化范圍是145.0～148.75 m。

3.1 上游水位145 m

圖3 上游水位為145 m時船廂與上閘首工作大門對接示意圖(圖中尺寸單位為mm，高程單位為m)Fig.3 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the upstream water level is 145 m

當上游水位為145 m時船廂與上閘首工作大門對接后如圖3所示。

船廂與上閘首工作大門對接后，船廂間隙密封機構上的P型止水橡皮中心距大門上U形不銹鋼止水座板下沿0.155 m，此時臥倒小門檻上水深3.7 m，大門門頂距上游水位5.45 m。

不調整工作門位，水位可進一步下降，當船廂間隙密封機構上的P型止水橡皮中心剛好與大門上U形不銹鋼止水座板下沿齊平時，為門位8時的下極限水位：145 m-0.155 m=144.845 m，此時臥倒小門檻上水深3.545 m，大門門頂距上游水位5.605 m。

3.2 上游水位148.75 m

圖4 上游水位為148.75 m時船廂與上閘首工作大門對接示意圖(圖中尺寸單位為mm，高程單位為m)Fig.4 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the upstream water level is 148.75 m

當上游水位為148.75 m時，船廂與上閘首工作大門對接后如圖4所示。

船廂與上閘首工作大門對接后，船廂間隙密封機構上的P型止水橡皮中心距大門上U形不銹鋼止水座板上沿0.2 m，此時臥倒小門檻上水深7.45 m，大門門頂距上游水位1.7 m。

不調整工作門位，水位可進一步上升，當船廂間隙密封機構上的P型止水橡皮中心剛好與大門上U形不銹鋼止水座板上沿齊平時，為門位8時的上極限水位：148.75 m+0.2 m=148.95 m，此時臥倒小門檻上水深7.65 m，大門門頂距上游水位1.5 m。

由于上游最大涌浪高為0.5 m，則上閘首臥倒小門在關閉狀態下的最高擋水位為：148.75 m+1.2 m=149.95 m，此時大門門頂距上游水位0.5 m。

因此，當上閘首工作門處于門位8時，船廂與上閘首工作門正常對接的上游極限通航水位范圍是144.845 ～148.95 m，上閘首臥倒小門處于關閉狀態下的最高擋水位為149.95 m。

以此類推，可分別得出上閘首工作門處于不同門位時，船廂與上閘首工作門正常對接的上游極限通航水位以及上閘首臥倒小門處于關閉狀態下的最高擋水位如表4所示。

表4 上閘首工作門極限通航水位與最高擋水位Tab.4 Limit navigable water level and maximum retaining water level of upper gate head working door m

相鄰兩個門位極限通航水位的重疊運行區間為0.355 m。當上游水位在重疊區間內時，工作門無論處于這兩個門位中的哪個狀態，均滿足船廂與上閘首對接的運行要求。以門位7和門位8為例，如圖5所示。

4 下閘首工作門門位與下游通航水位對應關系

以6#鎖定位為例。

6#鎖定位時下游設計適應通航水位變化范圍是61.98～63.95 m。

4.1 下游水位61.98 m

當下游水位為61.98 m時，船廂與下閘首工作大門對接后如圖6所示。

圖5 相鄰兩個門位極限通航水位的重疊運行區間Fig.5 Overlapping operation interval of limit navigable water level at two adjacent gate positions圖6 下游水位為61.98 m時船廂與上閘首工作大門對接示意圖(圖中尺寸單位為mm,高程單位為m)Fig.6 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the downstream water level is 61.98 m

船廂與下閘首工作大門對接后，船廂間隙密封機構上的P型止水橡皮中心距大門上U形不銹鋼止水座板下沿0.405 m，此時臥倒小門檻上水深3.58 m，大門門頂距下游水位3.02 m。

不調整工作門位，水位可進一步下降，此時，水位制約條件不是止水與止水座板，而是臥倒小門檻上水深。當閘首臥倒小門打開后檻上水深剛好3.4 m時(運行工藝流程中下閘首臥倒小門開啟的閉鎖條件為“3.4 m≤下閘首工作大門檻上水深≤5.95 m”)，為6#鎖定位時的下極限水位：61.98 m-0.18 m=61.8 m，此時臥倒小門檻上水深3.4 m，大門門頂距下游水位3.2 m。

4.2 下游水位63.95 m

當下游水位為63.95 m時，船廂與下閘首工作大門對接后如圖7所示。

船廂與下閘首工作大門對接后，船廂間隙密封機構上的P型止水橡皮中心距大門上U形不銹鋼止水座板下沿2.375 m，距止水座板上沿1.625 m，此時臥倒小門檻上水深5.55 m，大門門頂距下游航道水位1.05 m。

不調整工作門位，水位可進一步上升，由于下閘首不銹鋼止水面余量較大，此時，水位制約條件是運行工藝流程中的閉鎖條件。當閘首臥倒小門打開后檻上水深剛好5.95 m時，為6#鎖定位時的上極限水位：63.95 m+0.4 m=64.35 m，此時臥倒小門檻上水深5.95 m，大門門頂距下游水位0.65 m。

由于下游最大涌浪高為0.5 m，則下閘首臥倒小門在關閉狀態下的最高擋水位為：63.95 m+0.55 m=64.5 m，此時大門門頂距上游水位0.5 m。

表5 下閘首工作門極限通航水位與最高擋水位Tab.5 Limit navigable water level and maximum retaining water level of lower gate head working door m

因此，當下閘首工作門處于6#鎖定位時，船廂與下閘首工作門正常對接的下游極限通航水位范圍是61.8～64.35 m，下閘首臥倒小門處于關閉狀態下的最高擋水位為64.5 m。

以此類推，可分別得出下閘首工作門處于不同門位時，船廂與下閘首工作門正常對接的下游極限通航水位以及下閘首臥倒小門處于關閉狀態下的最高擋水位如表5所示。

相鄰兩個鎖定位極限通航水位的重疊運行區間為0.58 m。當下游水位在重疊區間內時，工作門無論處于這兩個鎖定位中的哪個狀態，均滿足船廂與下閘首對接的運行要求。以5#和6#鎖定位為例，如圖8所示。

圖7 下游水位為63.95 m時船廂與上閘首工作大門對接示意圖(圖中尺寸單位為mm,高程單位為m)Fig. 7 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the downstream water level is 63.95 m圖8 相鄰兩個鎖定位極限通航水位的重疊運行區間Fig.8 Overlapping operation intervals of limit navigable water level at two adjacent locking positions

5 結論

本文通過船廂與閘首工作門正常對接運行的條件，計算閘首工作門處于不同門位時升船機可靠運行的極限水位和最高擋水水位，結論如下：

(1)上閘首的重疊運行區間為0.355 m，下閘首的重疊運行區間為0.58 m，下閘首適應水位的裕度更大一些，而且下閘首工作門的調整操作時間遠小于上閘首，因此水位變化對工作門調整的影響主要反映在上閘首。

(2)在每一節疊梁門和每一個鎖定位的設計水位運行區間內，工作門門頂與最高設計運行水位都有較大的余量，上游為1.7 m，下游為1.05 m，大于最大涌浪0.5的運行要求，因此發生航道水漫過閘首工作門的可能性較小。

(3)上下游水位在重疊區間內運行時，水位波動很容易導致超出極限水位范圍，船廂與閘首工作門不能正常對接，如果不能正確地判斷是短時的水位波動還是水位的持續變化，就會陷入兩難，不知道是應該停下來等候水位恢復還是立即調整門位，因此后續還需通過長時間觀測分析上下游水位變化規律進一步研究討論。