加強三峽通航技術研究,促進航運高質量發展

齊俊麟

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

長江是世界上通航里程最長的河流，長江水系通航總里程7萬余公里，占全國內河通航里程的70%，年運量占內河運量的80%，是我國經濟發展的東西主軸線，歷來是溝通國內東、中、西部三大地區的運輸動脈，長江黃金水道已成為世界上最繁忙、運量最大的通航河流，并作為流域綜合運輸體系的主骨架，對實施西部大開發戰略，促進我國經濟均衡、和諧發展起著十分重要的作用[1]。三峽工程是綜合治理和開發利用長江的關鍵性水利樞紐工程，集防洪、發電和航運于一體，為長江航運的快速發展創造了條件。三峽-葛洲壩梯級樞紐(三峽船閘、葛洲壩船閘以及三峽升船機)投入運行及三峽庫區的形成極大地改善了長江中上游的通航條件，三峽-葛洲壩梯級樞紐成為溝通大西南與華中、華東地區的水運主節點。長江航運的發展對三峽-葛洲壩船閘通航服務水平提出了更高的要求，其船舶通過能力與通航保障能力直接影響著長江黃金水道的總體通過能力[2]。2011年，國務院以國發〔2011〕2號印發《關于加快長江等內河水運發展的意見》，發展長江等內河水運上升為國家戰略,“用好”與“管好”三峽-葛洲壩船閘對于支撐長江航運的快速發展意義重大。

1 解決“兩個問題”，保障三峽通航安全

運行與調度控制是“用好”三峽-葛洲壩梯級樞紐的首要任務。三峽-葛洲壩梯級樞紐是目前世界上規模最大的梯級樞紐，其中三峽五級船閘水位變幅大、連續運行級數最多、運行方式多變；三峽升船機具有提升高度大、提升質量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化速率快的特點，技術難度極高。因此，對三峽-葛洲壩梯級樞紐通航建筑物運行控制系統的可靠性與安全性要求高，研發三峽-葛洲壩船閘可靠與安全運行的集散控制系統、解決三峽升船機運行安全控制技術問題，摸索高水頭船閘閥門控制系統運行特性、優化船閘閥門運行控制參數，實現三峽-葛洲壩船閘最優運行控制，保障三峽升船機運行安全，是“用好”三峽-葛洲壩梯級樞紐首先需要解決的問題；三峽-葛洲壩船閘設計單向年通過能力是5 000萬t，通過的單體船只最大為3 000 t，萬噸級船隊可直接通過船閘[3]。但是隨著三峽工程航運效益的發揮及過閘船舶大型化與自航化，最大化利用三峽-葛洲壩船閘閘室、尋求船舶過閘最佳組織模式與技術手段、優化三峽-葛洲壩-升船機船舶聯合調度措施，提升三峽-葛洲壩船閘通過能力，是“用好”三峽-葛洲壩梯級樞紐需要同步解決的問題。

維修與安全保障是“管好”三峽-葛洲壩梯級樞紐的主要措施。從20世紀90年代初期，葛洲壩船閘計劃性大修的周期確定為6 a，一次大修平均停航85.6 d；三峽船閘從2012確定歲修制度以來，已經進行了2次歲修，每次歲修停航期為20 d。船閘檢修造成大量的過閘船舶積壓，在2012、2013年停航20 d的三峽船閘單線歲修中，停航到第6天，上、下游就積壓船舶500多艘。有效識別船閘關鍵設備的服役狀態，創新三峽-葛洲壩船閘維修管理模式，研發三峽-葛洲壩船閘快速檢修技術、裝備并制定相關的工藝與標準，保障三峽-葛洲壩船閘健康運行，最大限度地減少停航維修時間，是“管好”三峽-葛洲壩船閘首先需要解決的問題。通航安全是水路交通管理永恒的主題，三峽-葛洲壩梯級樞紐既是長江黃金水道的主節點又是航行受限水域，是通航安全高風險水域。特別是隨著過閘船舶大型化以及危險品運輸船舶的增多，三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航安全壓力逐年加大。辨識三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航安全風險致因，制定相應的管理與應急措施，實施三峽-葛洲壩梯級航運樞紐航行船舶動態與行為有效感知與監控，保障三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航安全，實現三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航零事故目標，是“管好”三峽-葛洲壩梯級航運樞紐需要同步解決的問題。

2 構建“四個體系”，提高三峽通航通過能力

三峽-葛洲壩船閘以及三峽升船機是三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航運行核心通航建筑物。船閘通航涉及水、機、電、船舶以及管理等諸多要素，通航運行控制復雜性高、難度大。圍繞三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航運行“用”與“管”兩方面的關鍵技術問題，長江三峽通航管理局構建了“四個體系”，確保三峽樞紐的穩定運行，三峽通航通過能力不斷提升。

2.1 三峽-葛洲壩梯級航運樞紐可靠與安全運行控制

2.1.1三峽船閘自動運行控制系統優化

1)依據船閘水位變化規律和級間工作水頭的限制條件，建立數學模型、編制控制程序。使船閘控制系統能隨時根據現場水位信息，自動生成運用級數和運行方式的控制指令，能自動計算補水量并進行精確控制。

2)確定抑制閘室超灌、超泄的定差值控制技術，解決閘室級間輸水水頭高、中間閘室間水位均相對變化的閘室超灌、超泄問題，將反向水頭限制到小于0.1 m的水平，減免了人字閘門承受的反向水頭壓力，改善啟閉機的運行條件和閘室內船舶停泊條件。

3)船閘自動化運行控制系統采用簡化運行操作的分項程序和整體運行控制技術，滿足船閘單雙向運行、換向運行、變級數運行、閘室補水不補水運行、輸水閥門單雙邊運行、船舶同步過閘運行、船舶逐級過閘運行等多變復雜的運行工況。

4)采用同一閘首兩側控制站可編程邏輯控制器(PLC)長距離熱備技術，優化冗余配置方案，提高船閘整體運行的可靠性，節省設備投資。

2.1.2三峽船閘運行控制參數優化

1)基于試驗觀測與數據分析，優化各閘首、各水位組合下人字門、閥門輸水末期啟閉參數，提出閘、閥門進行調試、調整的方法。

2)試驗發現選擇適當的動水關閥水頭差，使閥門關至停機小開度時，正好處于人字門水平開門的時機是閥門在輸水末期最優工作方式。

3)通過對人字門啟閉性能進行分析及計算發現：人字門油缸活塞桿受力曲線為下凹馬鞍型，合力峰值出現在開門瞬間，即開度在1%～3%之間；人字門關門過程，人字門油缸活塞桿受力曲線為上凸馬鞍型，油缸合力峰值出現在門體關終瞬間及關門啟動瞬間，即開度1%及99%以內。在開關門中間階段，受力曲線平穩。

4)提出改變變速曲線拐點位置，優化比例泵控制電壓上升、下降梯度等進一步優化人字門變速曲線的方法。

2.1.3葛洲壩船閘三閘一控系統與船閘以及升船機運行仿真控制系統研發

1)基于工業以太網絡、PLC和PC工作站的分布式監控系統、管控一體化設計，關鍵部分采取冗余容錯控制，實現葛洲壩三座船閘的統一調度、管理和控制。

2)研發升船機同步運行控制模擬、三峽船閘網絡及控制模擬以及三峽雙線五級船閘運行仿真系統，為特殊工況下的應急控制方案驗證、操作維護人員上崗的崗前培訓和實操演練等提供基礎平臺。

2.2 三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航優化調度

2.2.1三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航特性數字化

1)建立多級多線船閘微觀交通仿真模型和梯級樞紐航閘空間資源優化配置方法，為樞紐通航船舶長河段遠程管控提供理論基礎。

2)通過模擬試驗發現，不同的船閘服務水平對應不同的船閘通過能力，取6 h的船舶平均等待時間為服務水平指標，三峽船閘的合理通過能力約為7 000萬t，極限通過能力約為7 500萬t。

3)通過理論計算和運行實踐分析得知，單級船閘與連續多級船閘在單向運行時通過能力最大。

2.2.2三峽-葛洲壩梯級航運樞紐通航調度方法優化

1)基于升船機引航道的通航環境和升船機通航后的實際需求，制定三峽升船機和三峽船閘聯合運行通航指揮方案和三峽升船機引航道航標配布以及信號布置方案，規劃三峽升船機引航道的航路航法。

2)在建立兩壩聯合調度數學模型(升船機投入運行后)的基礎上，提出梯級樞紐聯合調度算法，設計開發了聯合調度驗證軟件，驗證了不同工況下的調度方案。

2.2.3船舶同步進出閘控制方法

1)提出虛擬閘室的概念，提出并排虛擬成組、梭形成組2種適用于三峽過閘船舶的成組方式，經測試可以提高1～2閘次[4]。

2)建立船舶同步進出閘跟隨控制模型，開發閘區水域船舶航行動態高精度感知系統，開展船舶過閘多船同步航行控制試驗，船舶間距可以縮短至20 m以內。

2.3 三峽-葛洲壩船閘關鍵設備、設施服役狀態評估與快速檢修

2.3.1三峽-葛洲壩船閘關鍵設備、設施服役狀態檢測與評估方法

1)形成針對高水頭船閘人字閘門頂、底樞和反向弧形門支鉸運轉卡阻情況的檢測與分析技術，采用波形分析、時域參數分析、小波包分析及沖擊峰值-時刻坐標延時等方法有效界定設備關鍵部件運行狀態。

2)形成針對高水頭船閘人字閘門啟閉機減速器運行情況的檢測與分析技術。運用聲發射技術檢測間歇運動的低速重載大型人字閘門啟閉機減速器運行狀態，綜合采用時域參數分析、小波包絡譜分析和自相關分析等方法準確地識別該類設備運行狀態。

3)形成針對船閘液壓啟閉機磨損情況的檢測與分析技術。根據光譜分析長于精確檢測各磨損物的元素及其含量，鐵譜分析長于判斷磨損故障的部位、嚴重程度的特點，綜合應用光譜分析和鐵譜分析對三峽船閘液壓啟閉機的磨損情況進行檢測分析，全面準確地評判其磨損情況。

2.3.2三峽船閘快速維修關鍵技術

1)形成三峽船閘重點檢修項目成套工藝。包括：人字門頂、落門，人字門支枕墊塊表面修補、輸水閥門鋼止水修復、輸水閥門反弧門整體吊裝、輸水廊道混凝土表面蝕損修補等重點檢修工藝。

2)研發了檢修方案計算機輔助生成系統。運用現代軟件工程技術，開發出基于三峽船閘檢修標準化預案模塊的檢修方案輔助生成系統，可快速生成檢修項目的《施工組織設計》文件。

3)研發快速檢修專用裝備與工裝。完成適用于三峽船閘設備檢修特點的人字門頂樞拆裝、底樞異形橡皮止水安裝等工裝的設計，研制出反弧門鋼止水修磨專用設備。

2.3.3葛洲壩船閘大修成套技術

1)船閘檢修組織創新采用停航期與非停航期相結合的船閘檢修組織模式，合理劃分非停航期和停航期檢修項目，優化停航施工工期，選擇合適的檢修時機，縮短停航時間，降低對航運的影響。

2)研發葛洲壩船閘大修成套技術裝備。應用包括同步升降系統、頂底樞檢修裝備、人字門固門工裝和頂落門工法的人字門檢修技術與裝備，包括輸水廊道施工展布裝備、高速水流過流面破損修補和結構縫滲漏灌漿處理的水下水工設施檢修技術與裝備，包括浮式檢修門沉浮自動化控制、深井泵運行遠程監控、浮式檢修門快速精準對位、閘室排干后快速子堰安裝和閘室快速抽排水裝置的排水裝備與控制技術，實現了船閘檢修安全高效，縮短了檢修工期[5]。

3)編制《船閘檢修技術規程》《葛洲壩船閘檢修規程》、三峽船閘檢修標準化預案等，規范葛洲壩船閘設備設施檢修工作，科學合理地確定檢修周期和技術標準，提高了檢修效率，保證了檢修質量。開發檢修方案計算機輔助生成系統，可以自動生成檢修方案，減少船閘的檢修方案制定時間。

2.4 三峽-葛洲壩梯級航運樞紐零事故通航安全保障

2.4.1多維度的三峽葛洲壩船閘通航風險評估方法

1)分析風險發生的概率和風險對船閘通航安全的影響程度，對主觀性和客觀性風險因子進行比較分析和綜合評價，建立三峽船閘通航安全事故風險識別與評價模型。

2)分析三峽船閘通航安全存在的各種風險源，根據不同事故的特性制定針對性的應急預案和措施，構建通航事故風險預警體系，提高應對三峽船閘通航安全事故的應急反應能力。

3)對三峽船閘閘室船舶事故應急預案的應急響應程序進行設定，提出多項事故應急措施。構建三峽船閘通航安全事故風險預警指標體系和風險預警評判模型，編制三峽船閘通航安全事故風險預警評判系統軟件。

4)基于三峽-葛洲壩水域船舶航行數據，結合內河航道和內河船型，采用經驗公式、流體力學計算、系統辨識綜合預報方法開發內河船舶操縱性數值預報系統。

2.4.2研制三峽-葛洲壩梯級航運樞紐船舶航行行為監控設備

1)研發三峽過閘船舶吃水量快速檢測裝置。通過數據采取與分析、數據濾波處理、基于多傳感器數據融合的船舶吃水建模等研究技術成果的應用，降低三峽船閘通航船舶安全隱患，保障三峽船閘的安全暢通。

2)研發船閘閘室禁停區域船舶越界探測及報警系統，實現船舶過閘全過程的禁停區域自動監控和自動報警，提高船舶過閘效率。

3)研制基于連續波的小型測速測距一體化雷達，解決船舶在低速條件下高精度測速與測距以及三峽升船機安裝位置受限等難題。雷達樣機與進口測速雷達對比差為0.006 ms，與激光測距測速儀對比差為0.006 ms，與人工測量對比差為0.016 ms，通過中國計量科學研究院的計量測試，速度測量誤差≤0.03 ms，距離測量誤差≤1.3 m。

3 結語

1)三峽-葛洲壩梯級航運樞紐運行以來，通過科技創新，2018年，三峽船閘通過量1.42億t，超過設計通過能力42%；三峽升船機通過量為200萬t。葛洲壩船閘通過量1.49億t,同比增長6.65%，為發揮長江黃金水道的功能做出巨大的貢獻。

2)通過優化運行與調度控制、維修與安全保障等措施，構建三峽-葛洲壩梯級航運四個體系，不斷提高三峽-葛洲壩通航通過能力，開創更加安全、暢通、高效、和諧的三峽通航新局面。