水位變動對三峽升船機船廂下游對接運行操作的影響

尚 樺,李 若

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽升船機是三峽水利樞紐永久通航建筑之一，其主要作用是為客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道[1]。三峽升船機設計最大提升高度為113 m，上游通航水位變幅30 m，下游通航水位變幅11.8 m[2]，下游水位變化率±0.5 mh。具有提升高度和提升質量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化快的特點[3]，是目前世界上規模最大、技術難度最高的升船機[4]。其船廂有效水域為120 m×18 m×3.5 m(長×寬×水深)，根據交通運輸部發布的《三峽升船機通航船舶船廂技術要求(試行)》，通過升船機的船舶總長≤110.0 m、總寬≤17.2 m，船舶最大吃水控制為2.7 m。

三峽升船機與上、下游對接過程船廂及引航道水力問題是升船機運行過程中較為關鍵的問題[5]。運行操作的安全可靠，對確保三峽升船機安全運行具有重要意義。

1 船廂下游對接時水位變動情況

三峽升船機下游引航道具有水位波動大、變化快的特點，對升船機的運行帶來不利影響，如船廂下行停位時須實時跟蹤下游引航道水位變化，以調整船廂對接位置[6]，增加了對接難度和對接次數，降低了升船機運行效率；船舶進出廂時，下游引航道水位快速變化，增加船舶觸底或設備漫水的風險，影響升船機和船舶安全。

從三峽升船機試通航以來水位引起的礙航故障(故障時間超過30 min)看，船廂與下游保持對接狀態時間較長，下游引航道水位短時漲落變動較快，會導致船舶進廂過程中船廂水深上漲，隨之產生驅動點對接鎖定機構鎖定到位信號丟失、對接機構退讓、安全機構動作、船廂水深過高排水超時以及下廂頭密封框油缸偏差過大等一系列故障。對接時間越長、水位變動越大，越容易出現以上故障，以致擴大成礙航故障，嚴重影響通航效率，加大運行風險。目前，三峽升船機下行船舶出廂歷時約9 min30 s，上行船舶進廂歷時約19 min，若升船機雙向運行，上行船舶須等待會船結束后才可進廂。為保證船舶正常進出廂，船廂與下游保持對接狀態須持續30 min以上。

正常情況下，即三峽樞紐電廠未調峰、泄洪時，下游水位波動較小，船廂與下游保持對接狀態時船廂水深在3.4～3.6 m之間波動，漲落平穩。若三峽樞紐電廠調峰、泄洪時，下游水位波動較大，船廂與下游保持對接狀態時船廂水深漲落較快，易快速上漲至3.8 m，繼續上漲有設備漫水的危險。本文選取三峽樞紐電廠調峰下游水位波動較大時期，船廂與下游保持對接狀態30 min內等待上行船舶進廂時的船廂水深數據，其船廂水深變化趨勢如圖1所示。從圖1可知，船廂與下游水位保持連通時船廂水深波動劇烈。

圖1 船廂與下游對接時船廂水深變化趨勢

船廂與下游對接時，集控室界面會同時顯示船廂水深、船廂與下游偏差等數值，可直接觀察到船廂水深、船廂與下游偏差變化，兩者有一定的隨動關系。

隨后，對船廂與下游對接時的船廂水深、船廂與下游偏差數據進行大量采集，發現船廂水深、船廂與下游偏差數據都在一定數值范圍內變化，且數值在小范圍內變化不大。為分析兩者之間的關系，選取具有代表性的220個數據，如圖2所示。

圖2 船廂與下游對接時船廂與下游偏差數據

對船廂與下游對接時的船廂水深、船廂與下游偏差數據進行最小二乘擬合，擬合曲線如圖3所示。

圖3 船廂與下游對接時船廂與下游偏差數據擬合曲線

擬合得出：

Δd=-0.948 8sd+3.269 7

(1)

式中：Δd為船廂與下游偏差(m)；sd為船廂水深(m)。

通過曲線擬合可以得到，船廂與下游對接時，船廂水深、船廂與下游偏差兩者之間是線性對應的。根據擬合數學表達式(1)，可預測出船廂水深、船廂與下游偏差數值。船廂水深3.3～3.8 m時船廂與下游偏差值如表1所示。

表1 船廂水深3.3～3.8 m時船廂與下游偏差 m

2 船廂下游對接時的運行操作

與三峽船閘類似，三峽升船機以集控運行操作為主。集控室是升船機的控制中樞，集控操作員負責三峽升船機的集控操作、船舶排擋指揮工作，按照運行流程，進行升船機整體運行的控制與操作[9]。根據三峽升船機下游引航道水位變化速率快的特點，運行操作時須密切關注三峽升船機下游引航道、船廂水深變化，跟蹤升船機下游水位變化情況，確保運行安全。

根據三峽升船機的設計，船廂能隨下游引航道水位變化自動地尋找合適的減速點和準確的停位點，當船廂即將在下閘首?？繒r，浮動標志鏡分別與船廂下游端的紅外光電開關發生作用[10]，控制船廂驅動系統逐步減速停機，使船廂準確地停在目標位置上。在實際正常運行中，若出現準確停位信號，則認為船廂準確停位。根據系統設計，準確停位時船廂水面與航道水面線齊平。

三峽升船機試通航期間，由于下游引航道水位變動較大，船廂停位時常常出現無準確停位信號或停位不準的情況，此時船廂還未與下游對接，運行中采取重新對位，水位變動較惡劣時，待水位穩定之后再次對位，使船廂準確停位，延長了運行時間。

船廂下行停位后執行船廂對接、船廂與下游對接，歷時約6 min20 s。在船廂與下游對接過程中，因水位變動導致船廂水深較小，船廂位置高于下游引航道水位，船廂與下游偏差為正值。船廂與下游偏差越大，船廂水深越易低于3.3 m，引起開下廂頭船廂門動作停止，此時須關閉船廂門，進行船廂補水調整船廂水深。因水位變動導致船廂水深較大，船廂位置低于下游引航道水位，船廂與下游偏差為負值。船廂與下游偏差(絕對值)越大，船廂水深越易高于3.8 m，此時須關閉船廂門，進行船廂排水調整船廂水深，待下游引航道水位穩定后，再開門對接。頻繁啟動船廂補排水系統調整船廂水深及等待水位穩定時間，均延長了升船機對接時間。若下游引航道水位持續波動劇烈，則須關閉下閘首臥倒門，船廂重新對接，更加延長了運行時間，降低運行效率。

船廂與下游保持對接狀態等待船舶進出廂過程中，若觀察下游引航道水位變化劇烈，導致船廂水深波動較大，正在下行出廂的船舶離開門區后關門解除對接，正在上行進廂的船舶在就近的系船柱靠泊后關門解除對接，盡快解除船廂與下游對接，還沒發進廂令時暫緩發令，解除對接后，操作船廂小行程上行后重新進行下行對接。若下游水位發展趨勢為上漲，且接近下閘首設計通航水位，按照操作規定及時做好調整下閘首工作門門位準備。

3 運行操作應對策略

三峽升船機下游引航道水位變動較大，15 min最大變幅有時超過0.5 m，對升船機運行影響較大，水位突然變動或者在臨界點變動時，給升船機運行帶來很大的安全風險。因此，三峽升船機在下游引航道水位變化趨勢不明運行時，操作員須多觀察，有把握后再操作，避免出現安全事故。根據下游引航道水位變動對升船機運行操作的影響提出以下應對策略：

1)運行期間，須密切關注水位信息系統中下游引航道水位變幅情況，若下游水位變幅達0.25 m以上，且下游4個水位計大部分出現變幅報警，則停止下游對接以及升船機運行，待水位波動平穩后再恢復運行。

2)船廂下行停位后，船廂與下游對接未開門時，應觀察下游引航道水位以及船廂與下游偏差。通過本文船廂水深、船廂與下游偏差的擬合數學表達式及對應表預測出船廂與下游引航道連通時的船廂水深值，選擇合適的時機開下廂頭船廂門和下閘首臥倒門，避免開門時船廂水深漲落較大。

3)船廂與下游對接開下廂頭船廂門，船廂與下游偏差(絕對值)較大時，開門過程中會在船廂內形成較大的水位波動，影響船廂內船舶的停靠安全。船廂位置高于下游引航道水位，船廂與下游偏差為正值，開門時船廂內的水向外流，船廂內船舶可能向前移動；船廂位置低于下游引航道水位，船廂與下游偏差為負值，開門時下游水涌進船廂，船廂內的船舶可能向后移動。

在開下廂頭船廂門時，應確保船廂與下游偏差(絕對值)在0.15 m內，使船廂水深在3.3～3.6 m范圍內波動，繼續執行開下廂頭船廂門動作，確保開門后船廂水深不會波動很大，對船廂內船舶影響較小。

若船廂與下游偏差(絕對值)大于0.15 m，船廂水深會小于3.3 m或大于3.6 m，重點觀察下游引航道水位變化、船廂與下游偏差以及水位信息系統中的下游1#、3#水位；若下游引航道水位持續下降或上漲，船廂與下游偏差(絕對值)逐漸大于0.2 m，停止開下廂頭船廂門，轉為關閉下廂頭船廂門、下閘首臥倒門，待船廂與下游偏差(絕對值)小于0.15 m后，再手動開船廂門和臥倒門。

4)下廂頭船廂門及下閘首臥倒門開到位后，即船廂與下游保持連通狀態，船廂水深快速上漲超過3.7 m(船廂與下游偏差為-0.24 m)，通過高頻通知船舶不要解纜繩出廂，在船廂內等候通知。

應密切關注下游引航道水位，若下游水位呈緩慢下降趨勢，當船廂水深低于3.6 m(船廂與下游偏差為-0.15 m)時，可通知船舶抓緊時間出廂；若下游水位沒有下降，而是呈上升趨勢，應將船廂門和臥倒門關閉。在關閉船廂門和臥倒門期間若下游水位下降，船廂與下游偏差(絕對值)持續在0.15 m以內，手動開船廂門和臥倒門，通知船舶出廂；若下游水位沒有下降，而是呈持續上升趨勢，船廂與下游偏差(絕對值)逐漸變大，船廂與下游解除對接，小行程上升后再重新下行對接。

5)目前，三峽升船機雙向運行，上行船舶須等會船結束后才可進廂。為保證船舶正常進出廂，船廂與下游保持連通狀態須持續30 min以上。在這段時間內，須實時關注船廂水深、船廂與下游偏差，確保其在正常范圍內。同時，須關注下游密封框及驅動點對接鎖定機構，避免對接時間過長，出現密封框油缸行程偏差過大故障及對接鎖定機構鎖定到位信號丟失故障等。

4 結語

1)運行期間，下游引航道水位變幅達0.25 m以上，且下游4個水位計大多出現變幅報警時，須停止升船機運行，待水位平穩后再恢復運行。

2)船廂下行停位及開下廂頭船廂門和下閘首臥倒門期間，由船廂與下游偏差值預測船廂水深，選擇合適的時機操作，確保船廂水深波動不大。

3)船廂與下游保持連通狀態期間，船廂水深上漲較快時，及時聯系船舶做好應對，同時關注設備狀態，避免出現設備故障。