三峽工程船閘取水對升船機運行影響與應對策略

龔國慶 徐浩 鄧南云 韓越

摘要：

汛期三峽水庫上游水位在150 m以下時，受船閘閘室充水運行的影響，與升船機共用的上游引航道水位短時變幅將明顯增大，嚴重時會危及升船機的運行安全。通過收集三峽船閘運行數據和升船機上游引航道水位數據并展開分析，研究了船閘雙線四級運行時二閘室取水對升船機上游引航道水位變化的影響。研究結果表明：在三峽水庫出入庫流量和船閘單次取水量不變的情況下，雙線船閘二閘室取水在升船機上游引航道內引發的周期性往復流是導致水位短時大幅變化的主要因素，并就此提出了可行的應對策略。研究成果可為三峽升船機汛期安全運行提供指導。

關 鍵 詞：

三峽升船機; 上游引航道; 三峽雙線五級船閘; 閘室取水; 水位變化; 應對策略

中圖法分類號： U642.7+1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.036

0 引 言

三峽升船機作為三峽樞紐工程的永久通航設施之一，主要作用是為客輪和特種船舶提供快速過壩通道。其過船規模為3 000 t級，最大提升高度為113 m，是目前世界上規模最大、技術難度最高、運行工藝最復雜的齒輪齒條爬升全平衡式垂直升船機[1]。

全平衡式垂直升船機的最大特點是船廂總重量由平衡重全部平衡，船廂升降時驅動設備只需克服船廂的誤載水重和懸吊系統的慣性力、摩擦阻力、鋼絲繩僵硬阻力等載荷[2]。為減小驅動系統設備規模，一般允許的船廂誤載水深相對較小，三峽升船機設計允許船廂誤載水深為±0.1 m，當船廂誤載水深超過設計允許值時，在升降前需要通過水深調節設備將水深調整到設計允許范圍內。在船廂與上下閘首對接、船舶進出船廂期間，船廂水深將隨上下游航道水位的波動而發生改變，過大的水深變化有可能會造成船舶觸底或水漫出船廂，進而危及升船機的運行安全[3]。

三峽升船機布置在樞紐左岸，與雙線五級船閘相鄰并共用上游引航道。上游引航道內設有隔流堤，隔流堤位于升船機右側，總長度2 674 m，堤頂高程150 m[4]，用于在低水位時將上游引航道與河床主流隔離，如圖1所示。與國外布置在人工運河上的升船機不同，三峽升船機布置在水電工程上，受三峽樞紐防洪、發電調度和船閘運行的影響，上下游引航道水位變化較大。尤其在汛期時段，三峽樞紐上游水位長期保持在150 m以下，上游隔流堤將露出水面，使上游引航道成為獨立的航道，使得引航道水域寬度大幅度減小。在上游水位更低的情況下，受樞紐泄洪、電站調峰、船閘充水等因素影響，上游引航道內的非恒定水流變化更容易引起水位波動[5]。

在短時間內，三峽水庫出入庫流量及水位變化較小，因此船閘運行是造成升船機上游引航道水位短時產生較大波動的主要因素，影響升船機的安全運行。

本文通過研究三峽船閘在不同取水條件下對升船機上游引航道水位變化的影響，探討可靠的運行應對策略，對保障升船機安全運行具有重要指導意義。

1 船閘首閘室取水對升船機上游引航道水位的影響

當三峽樞紐上游水位在150 m以下時，雙線五級船閘的第一級閘室處于通閘狀態，為4級運行[6]，船閘首閘室為第二級閘室。在首閘室自上游引航道取水過程中，取水水流會引起上游引航道尾端的水位波動，取水流量越大，水位變化也越大。當引航道內的運動水體到達升船機上閘首后，受封閉段制約，動能變成勢能，表現為水面抬升，隨之在重力作用下水體反向運行，如此往復。到升船機船廂內，水面寬度進一步縮小至18 m，水深僅有3.5 m，上閘首的“盲腸”效應十分顯著。上游引航道因船閘首閘室取水而產生的往復流涌浪，將導致升船機上游水位短時劇烈波動[7]。

1.1 船閘取水時段的上游實測水位

選取2019年汛期7月份樞紐上游水位不變、船閘首閘室單次取水量基本不變和樞紐出入庫流量基本不變的時間段內，升船機引航道水位信息系統上游1號站水位數據和三峽船閘運行數據進行相關分析。

圖2～3分別為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時間段內引航道水位信息系統1號站水位數據。

表1為2019年7月6日18：00至7月7日18：00船閘首閘室取水時間。兩線1 d取水均為16次，單次取水平均歷時北線為19 min 55 s、南線為19 min 25 s;單線取水時間間隔北線為1 h 6 min 23 s、南線為1 h 12 min 12 s。

表2為2019年7月17日18：00至7月18日18：00 船閘首閘室取水時間。北線1 d取水14次、南線1 d取水15次，單次取水平均歷時北線為19 min 48 s、南線為19 min 41 s;單線取水時間間隔北線為1 h 21 min 35 s、南線為1 h 17 min 19s。

1.2 船閘不同取水方式對上游水位的影響

提取南、北線船閘二閘室取水時引航道1號水位站對應的水位波形進行分析，發現在取水過程中波形存在先降后升的大致趨勢，與取水之前的波形相比，水位變得更加不穩定，變幅更大。取水結束后，水體在黏滯力和渠底摩阻作用下，能量逐漸消耗，水位波動逐漸減小，引航道水體趨于穩定，直到下一次二閘室取水。

根據兩線船閘的運行方式、閘室取水時間和上游引航道的水位變化，將船閘二閘室取水對上游水位的影響歸納為以下4類。

（1） 單線取水。

單線取水是指僅有一線船閘的首閘進行取水運行。在單線取水狀態下，上游水位波動較小，變幅小于0.25 m。船閘單線取水只發生在一線船閘進行停航檢修或保養停止運行時，升船機汛期正常運行時很少遇到該情況。

（2） 兩線同時取水。

兩線同時取水是指南線、北線船閘二閘室取水基本在同一時段內。如圖4（a）波形所示，在進行取水動作之前的一個波形中，波峰和波谷的水位分別為145.806 m和145.758 m，變幅為0.048 m;當南北線同時取水時，波峰和波谷的水位為146.013 m和145.604 m，變幅為0.409 m。如圖4（b）波形所示，在進行取水動作之前的一個波形中，波峰和波谷的水位分別為145.942 m和145.785 m，變幅為0.157 m;當南北線同時取水時，波峰和波谷的水位分別為146.064 m和145.587 m，變幅為0.477 m。

南北線同時取水時，上游水位波動明顯增大。在取水動作完成后，水位波動會逐漸減小，直至下一次取水時再次產生較大波動。與單線閘室取水相比，南北線同時取水會導致上游水位產生更大波動，變幅超過0.4 m。

（3） 兩線連續取水。

兩線連續取水是指一線船閘的閘室完成取水后，另一線船閘的閘室接著取水。根據南北線取水時間表，該時段內連續取水時間接近40 min。南北線連續取水時，取水時段內水位變幅較大。相比未取水時的水位情況，單線閘室取水時水位變幅增大，隨后另一線船閘的閘室繼續取水時，水位變幅比單線閘室取水時的變幅進一步增大。如圖5所示，北線、南線4輪連續取水時段內，水位變幅分別為：0.239，0.267 m;0.290，0.312 m;0.156，0.408 m;0.208，0.384 m。連續取水會使水位變幅較大，且后一階段取水的變幅比前一階段更大，同時持續時間較長。

（4） 兩線間隔取水。

兩線間隔取水是指南北線船閘的取水時段具有基本相同的時間間隔。截取上游水位中具有間隔取水特性的兩段時間，水位變幅一直維持在較大的幅度，水位波形衰減較慢，持續時間較長。如圖6所示。因非取水時段較短，水位變幅尚未穩定時下一次取水已經開始，造成上游水位在較大變幅下持續波動。

1.3 初步分析結果

通過分析船閘首閘室取水過程與升船機上游水位變化關系，可知：

（1） 船閘二閘室取水時間約20 min，單線船閘取水間隔時間約60～90 min。

（2） 單線取水時上游水位存在先降后升的大致趨勢，水位變幅比取水前大。取水結束后，水位波動呈現逐漸減小的趨勢。

（3） 與單線閘室取水相比，兩線同時取水會導致上游水位更大的變幅。

（4） 兩線連續取水會使上游水位變幅較大，且后一階段取水的變幅比前一階段更大，同時持續時間較長。

（5） 南北線間隔取水會使上游水位變幅一直維持在較大的幅度，非取水時段較短，水位變幅難以穩定。

（6） 取水時段內，上游水位變化的波形周期與取水時間接近，約20 min。

（7） 船閘二閘室取水動作時段內上游水位最大變幅一般發生在第一個水位波形周期。

2 應對上游引航道水位變化的策略

為確保升船機運行安全，當發現水位變動較大時，需及時向梯調中心了解水位變化趨勢，并采取以下穩妥應對措施。

（1） 當上游水位低于150 m時，船廂與上游對接前應密切關注上游水位變化趨勢。當三峽出入庫流量差別不大且未有調峰動作時，若發現上游水位突變，應停止與上游對接。結合水位信息系統，判斷是否可能為船閘閘室取水，同時與船閘集控室聯絡，掌握雙線閘室取水時間節點，預判水位變化趨勢。當水位信息系統顯示上游水位30 min內變幅已超過0.3 m時，應停止船廂與上游對接，避開船閘閘室取水引起的上游水位大幅波動時段。根據以往觀測資料，一般船閘閘室取水開始后的20～25 min之內，水位變幅最大，而后逐漸減小。

（2） 船廂進行上行對接前，集控操作員需綜合船舶尺寸、吃水、當前船廂水深以及水位信息系統中前1 h水位波形等信息，根據船廂完成上行所需時間和水位波動周期、變幅，判斷船廂“合適”的停位點，選擇“合適”的發令時機，保證船廂盡量停在水位變幅的中間位置。

通過對水位變化的分析統計，可以看出在水位明顯變化期的一段時間內，上游水位波形變化有明顯周期性。在升船機上行發令前，運用水位信息系統，查看當前時間前1 h內上游水位變化曲線，根據水位變化周期，估算上行發令時間，避免船廂停位于波峰或波谷位置，確保船廂盡量停位于水位變化波峰與波谷之間的中間值，可以有效減少船廂水位的波動變幅[8]。

升船機上行發令時刻t發令估算公式：

式中：t波峰/波谷為離當前時刻最近的水位波峰或波谷時刻;t運行為船廂上行運行時間;T為水位變化周期;n=1，3，5……。

船廂上行運行時間t運行為

式中：h目標為船廂上行理想目標位，即上游水位變化波峰與波谷之間的中間值;h當前位置為船廂當前停止位置;v為船廂正常運行速度，即0.2 m/s;a為船廂正常運行加速度，即0.01 m/s2。

（3） 船廂上下行過程中，集控操作員也需要密切關注水位變化趨勢。當發現當前船廂停止位置過高或過低時，可進行人工干預，取消自動流程。在船廂停位后，視具體情況選擇重新對接或小行程、低速調整船廂位置。

船廂上下行過程中，當發現當前水位變化不利于對接，且需把握當前的對接機會時，可采取措施縮短運行時間。當船廂運行至距目標位10 m左右時，發出“主傳動停運”指令，讓船廂停在距目標位8 m左右的位置，方便船廂在水位變化至適當高程時進行對接。

（4） 三峽升船機上游靠船墩布置在距上閘首253 m處，與升船機中心線成26°夾角，最近端距升船機中心線73 m[9]，如圖7所示。

船舶駛入距離為船艏自靠船墩停靠位置，駛至船廂內停泊位置之間的距離[10]。

船舶從上游靠船墩下行進廂的駛入距離為523 m，船舶進出升船機上游引航道采取的是曲線進廂、直線出廂的方式。下行進廂船舶從靠船墩解纜，駛向船廂過程中，首先需調順船身，待到達上游浮式導航墻后再直線進入船廂，進一步延長了船舶進廂時間。據觀測，一般有艏側推的船舶需5～6 min調順船身，沒有艏側推的大尺度船舶調順船身時長甚至達到10 min。

因此，在升船機單向、下行運行時，船廂與上游對接前，提前通知船舶備車，移泊至上游導航墻，合理控制時間，保證集控發進廂令和船舶到達導航墻無縫銜接，船舶無需在導航墻靠泊，船舶駛入距離縮短至260 m，同時船舶在進廂前已調順船身，直線進廂，可大幅減少船舶進廂時間，降低船廂與上游長時間對接情況下因水位變動帶來的風險。

3 結 語

三峽升船機引航道水位變動受多種因素影響，應對水位變化策略尚在逐步摸索總結中。本文通過分析150 m以下水位雙線五級船閘首閘室取水對升船機上游引航道水位變化的影響，提出運行操作應對策略，以期能有效應對水位變動，為升船機運行操作積累經驗，最大限度地保障升船機的運行安全，提高三峽升船機通航效率。

參考文獻：

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[9] 李江鷹，朱虹.三峽升船機上游浮式導航堤長度優化研究[J].人民長江，2003，34（7）：6-8.

[10] 中華人民共和國交通部.升船機設計規范：SL 660-2013[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

（編輯：胡旭東）

引用本文：

龔國慶，徐浩，鄧南云，等.三峽工程船閘取水對升船機運行影響與應對策略

[J].人民長江，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