向家壩水電站升船機運行管理

孫志峰，高 策，陳 誠

(中國長江三峽集團有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

向家壩水電站一級升船機位于四川省宜賓市和云南省水富市交界的金沙江下游河段，主要由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等5部分組成，最大提升高度114.20 m，機型采用全平衡齒輪齒條爬升、長螺母柱短螺桿保安式。按IV級航道標準設計[1]，設計代表船型為2×500 t級一頂二駁船隊，船型尺寸為111.0 m×10.8 m×1.6 m(長×寬×吃水深，下同)，同時兼顧1 000 t級單船(85.0 m×10.8 m×2.0 m)[2]，船廂設計水深3.0 m，過機船舶設計最大吃水深度2.0 m，進出船廂航速控制在0.5 m/s以內。2016年12月開始船廂全行程運行調試，2017年9月完成過船聯合調試，2018年1月完成第一階段實船試驗。2018年5月，向家壩水電站升船機通過試通航驗收，進入試運行階段。2018年～2019年汛期補充完成了多組泄洪工況下的實船試驗工作，目前升船機運行總體安全、平穩、暢通[1]。

1 運行準備工作

1.1 明確升船機安全運行相關參數要求

編制完成并申報的《金沙江向家壩水電站水庫運用與電站運行調度規程(試行)》明確了電站航運調度相關規定：上游最高通航水位為380 m，最低通航水位為370 m；下游最高通航水位為277.25 m，相應流量12 000 m3(升船機試運行期間經實船試驗驗證，最大通航流量暫為8 500 m3/s，其中泄洪流量不超過2 200 m3/s)。最低通航水位為265.8 m，相應流量1 200 m3/s。下游最小通航流量應以滿足最低通航水位為原則，在升船機投運前觀測后核定(實際觀測后最小通航流量按不低于1 500 m3/s控制，滿足交通運輸主管部門要求)。運行初期向家壩水電站日調峰運行時下游水位最大日變幅暫按不超過4.5 m/d控制(實際運用過程中按照交通運輸主管部門意見，不超過3.0 m/d)，最大小時變幅暫按不超過1.0 m/h試運行。根據設計文件要求并結合實際運行情況，提出了通航建筑物運用要求：船舶過機期間，應避免下游引航道內及口門區水流流態劇烈變化，使船舶能安全進出下游引航道。當下游引航道內的水位變幅在20 min內達到或超過0.5 m時，應即刻啟動引航道輔助閘首的工作閘門，以保障升船機承船廂與下閘首工作閘門安全對接；船舶進出承船廂航速應控制在0.5 m/s以內。

圖1 向家壩水電站水上管理區和禁航區平面示意

1.2 建立企地深度融合的樞紐通航聯合管理新模式

向家壩水利樞紐通航河段屬川滇兩省界河，涉及行政管理主體多，地方利益訴求多樣，協調難度大；樞紐水域港口碼頭林立，船舶航路交叉，安全影響因素多；升船機運行管理過程中涉及大量行政報批事項需積極探索、協調解決。為厘清涉及各方管理分工及職責，凝聚共識、增加合力，加強通航安全管理，在交通運輸部、長江航務管理局、川滇省市航運主管部門的大力指導支持下，明確了向家壩樞紐通航、升船機運行有關行政管理事項，由四川省交通運輸廳牽頭負責，并書面征求云南省交通運輸廳意見，重大問題報交通運輸部，長江航務管理局對向家壩樞紐河段管理有關問題進行協調、指導。探索建立了企地聯合的向家壩樞紐通航管理工作機制，即電站業主牽頭，昭通、宜賓市級航務海事部門參與組建向家壩樞紐通航聯合管理機構，統籌負責向家壩升船機過機船舶安檢、通航秩序維護、海事應急救助、違章處理等。

劃定通航管理水域：為營造向家壩樞紐河段安全、有序的通航環境，防止船舶開展危害樞紐及附屬建筑物安全的活動，防止船舶誤入近壩流態危險區域，保證船舶和樞紐建筑物的安全，在行業主管部門的大力支持下，完成了向家壩樞紐水上管理區與禁航區規劃及設置工作，并通過行業主管部門審批。水上管理區共設置2處，禁航區共設置3處。通航管理水域劃定示意如圖1所示。目前該模式已正式運轉3年，實現了向家壩樞紐河段安全、高效通航。

1.3 建管結合、無縫交接

一是建章立制。為協調好電站發電與航運之間的關系，保證向家壩樞紐河段過機船舶的航行安全和升船機安全、高效運行，針對外部通航環境，編制了《金沙江向家壩水電站升船機運行期航運調度方案》，推動發布了《金沙江向家壩樞紐河段通航管理暫行辦法》《金沙江向家壩升船機通航調度規程》，結合樞紐河段通航條件變化情況，編制升船機年度運行方案向四川、云南兩省交通運輸廳報批，用于指導本年度升船機運行管理各項工作；針對升船機設備運行，按照標準化體系完成了貫標工作，取得了標準化認證證書，建立了設備、臺賬、技術管理、物資采購、計劃合同、信息安全等規章制度，編寫升船機設備設施運行操作規程共計21部，升船機應急預案4部。二是機構組建。提前介入：升船機建設期，提前組建運行管理單位，主要負責航運關系協調，實船試驗，通航安全保障，升船機運行操作、維護檢修和船舶過機調度安檢工作等，選派人員深度參與升船機設備安裝與調試工作，開展實操培訓；同時積極開展各項內部培訓、外部培訓與專家培訓，安排部分人員到監理單位，直接參與現場管理工作。三是過機船員培訓。編制了《向家壩水電站船舶過機培訓教材升船機篇》、《向家壩水電站船舶過機培訓教材法律法規摘抄》、《向家壩通過升船機船舶過機操作指南》、《向家壩升船機過機十問》等，制作了過機培訓視頻動畫，采取“現場講解+閉卷考核”方式對擬過機船員進行培訓，首批培訓擬過機船員122名，培訓通過率98.3%。

1.4 枯水期實船試驗

2018年1月，組織完成了向家壩升船機第一階段試航工作[3- 4]，參試船舶共5艘，試驗組次共22組次，包括輔助閘室投用與不投用兩種工況下貨船(空載、重載)、客船過機試驗，船舶超設計吃水試驗，船舶夜航試驗，防撞裝置撞擊試驗等。主要測試內容包括升船機運行性能測試、枯期小流量下引航道及口門區水力學測試、船舶測試等。試航期間向家壩下泄流量1 642～4 557 m3/s，下游引航道水位265.96～269.45 m。試驗結論為：上下游引航道及口門區水流平緩，波動大都在10 cm以內，下游引航道口門區最大縱向流速均小于1.0 m/s，最大橫向流速均小于0.3 m/s，滿足規范要求，回流流速局部超過規范規定的0.4 m/s，但超標區域集中在口門區下游岸坡附近，橫向寬度約15m，該區域已遠離航線，對船舶進出引航道的航行安全無影響，通航水流條件良好；升船機整體運行平穩，升船機及助導航設備設施性能良好，船舶通過性較好(包括夜航)。

2 運行管理

2.1 設備設施運行維護

向家壩升船機是由金結、機械、液壓、電氣等多種專業設備集成的復雜系統工程[5]，其中任何一個設備甚至傳感器故障，都有可能造成升船機非計劃性停航，從而對該江段通航產生較大影響。為提高通航保證率，做到規范化制度化管理，升船機運行管理單位編制了升船機運行、檢修規程及作業指導書，在日常運行過程中嚴格執行，通過升船機運行狀態監控系統，對各主要設備關鍵指標進行實時在線監控，并結合人工巡視巡查，做到早發現、早處置；建立了“日常保養+定期維護+年度檢修”的運行維護模式，日常保養和定期維護穿插在試通航期間開展(每周三下午)，年度檢修與超通航流量標準洪水期相結合，充分利用泄洪停航期開展年度檢修工作，提高升船機通航天數。試通航運行以來，故障搶修停航天數約占總通航天數2%，升船機運行安全可靠。

2.2 通航調度管理

向家壩樞紐河段下游水富港碼頭、上游新灘壩翻壩碼頭船舶作業頻繁，與過升船機船舶航路交叉，電站業主與昭通市、宜賓市級航務海事部門共同組建向家壩通航指揮中心，對進入樞紐河段的船舶進行統一調度管理。過升船機船舶需經向家壩通航指揮中心同意后，方可進入安檢區等待安檢，安檢遵循每船必檢原則，地方海事部門對船舶適航、船員適任情況進行檢查，升船機運行管理單位對船舶尺寸(船舶長、寬、高、吃水)、船艏甲板插杠固定裝置、貨物覆蓋、主輔機冷卻水擋板、系纜繩及軟靠把等進行查驗，聯合安檢合格后，由升船機調控室調度船舶過機。為營造良好通航環境，規范船舶申報過機排隊秩序，升船機運行管理單位優化申報確認方式，實行“到錨申報”制，通過自動識別系統(AIS)船載設備對過機船舶進行到錨監管，增強了過機申報及調度計劃執行嚴肅性，試通航運行以來，累計調度船舶8 035艘次，安檢不合格率1.36%，過機計劃取消率8.23%。

2.3 安全管理

升船機運行管理單位針對升船機運行中可能發生的突發事件事故風險，編制了火災、船舶撞擊、運行突發故障及緊急停電4部應急預案，并定期組織人員進行演練。為保障樞紐河段通航安全，定期開展水上應急救援演練，2018年～2020年，每年聯合宜賓、昭通市航務管理等部門，在向家壩樞紐河段開展水上應急救援演練，演練主要內容為過機船舶安檢突發情況處置、失控船舶海事應急救援、江面溢油應急處置。通過演練進一步夯實了金沙江水上安全監管工作基礎，提升了金沙江水上應急救援處置能力，檢驗了應對水上交通重大突發事件時的綜合協調能力。同時還配備了應急處置裝備，如汛期在向家壩壩前租賃應急拖帶船舶加強值守，防止大型漂浮物撞擊大壩，在向家壩下游租賃大馬力拖輪，強化失控船舶處置，購置了吸油機、吸油氈、儲油囊等油污染應急處理裝備等。

2.4 設備設施優化改造

2.4.1 加裝航速及吃水檢測裝置

為更加直觀的反應過機船舶吃水及進出廂航速，降低船舶觸底風險，在升船機上游90 m鋼質浮堤(仰掃)、下游輔助閘首(側掃)處安裝2套吃水檢測裝置，在承船廂廂頭處安裝了1套富裕水深檢測裝置，在承船廂內安裝2套航速檢測裝置，吃水及富余水深檢測精度為0.2 cm，航速檢測精度為0.01 m/s，實現所有過機船舶全覆蓋檢測。

2.4.2 承船廂部分設施改造

實船試驗發現，原有承船廂系船柱設置偏低，空載船舶進廂后船員無法自行解系纜，且系纜柱上部翼緣無法很好地卡住纜繩，存在纜繩脫落的安全隱患。升船機運行管理單位將船廂內部分單檔檐系船柱改造成組合式系船柱(自帶鋼制護舷)，船廂增加的重量在平衡重塊側進行配平；在承船廂和輔助閘室內增設距離和禁停范圍標識，對系纜柱進行編號，為船舶在船廂或輔助閘室內停靠提供位置參考。

3 多措并舉，持續提升通過能力

3.1 會同交通主管部門積極推動過機標準船型推廣

金沙江在航船舶能滿足過機尺度要求的參差不齊，普遍短而吃水深，船長一般在55 m左右，滿載吃水在2.6～3.8 m之間(升船機設計1 000 t代表船型船長85 m，滿載吃水2.0 m)，過機時普遍呈半載狀態，過機船舶標準化推廣基本零起步。2019年，川滇兩省交通運輸廳航務局、三峽集團公司共同開展了過機標準船型的研究工作，推廣的標準船型長70～85 m，船寬11 m，吃水2.2～2.3 m，過機裝載量950～1 200 t，目前過機船舶中已有標準船型9艘，占過機船舶比例達30%，正在打造的有17艘。

3.2 開展超過設計吃水標準的通航試驗

向家壩升船機設計吃水為2.0 m，目前在航的金沙江過機千噸級船舶，在吃水2.0 m時裝載僅400～500 t。為更好發揮升船機航運效益，在實船試驗期間開展了提高過機船舶吃水研究工作，通過原型觀測及物理模型試驗[6-7]，2～2.3 m吃水船舶正常出廂時，平均速度為0.274 m/s，最大速度均值為0.465 m/s(下沉量在18 cm以內)，千噸級2.3 m吃水重載船舶能夠到達的最大出廂速度為0.7～0.8 m/s(下沉量在30 cm以內)。結合向家壩升船機船廂設計富裕水深，并經過廣泛征求意見，將過機船舶吃水從2.0 m提高到2.2 m，航運綜合效益提升30%以上。

3.3 開展升船機夜間試運行試驗

為進一步提高通航效率，探索延長升船機通航時間的途徑和方法，開展了向家壩升船機夜間試運行。試運行分為兩個階段進行，第一階段(第一周)運行時間為8∶00～22∶00；第二階段(第二周)開展全天(不超過22 h)連續運行。夜間試運行期間，升船機通過貨物87 666 t，平均日通過貨物6 261.86 t，單日最大載貨量9 715 t，單日最大運行30廂次(達到設計標準)。

3.4 優化過機調度方式

向家壩水電站調峰運行或泄洪時，下游水位波動較大，為確保升船機船廂與下游水位精準對接，通過在下游設置輔助閘室和輔助閘首來解決該問題。實船試驗結果表明，輔助閘室投運工況下，升船機設備運行時間將增加，相應地，過機總時長將增加13～15 min。為提高升船機過機效率，采用在輔助閘室“錯船”調度方式，即在船舶下行過程中，將上行船舶調到輔助閘室內等待，下行船舶出廂后，上行船舶再進廂，在輔助閘室內完成錯船。實際調度表明，輔助閘室“錯船”調度大大降低了輔助閘室使用對船舶過機效率影響。

4 通航數據統計分析

自2018年5月26日試通航以來，截至2021年8月31日，向家壩升船機已安全平穩運行868 d，累計運行8 386廂次，過船8 417艘次(上行4 247艘次，下行4 170艘次)，通過貨物311.77萬t(上行62.56萬t，下行249.21萬t)。通過的貨物種類有碎石、人工砂、磷酸一銨、硫磺、煤炭、天然砂、卵石、磷渣、水泥、礦建材料、煤渣和其他貨物。試通航運行期間，升船機日最大貨運量為106 40 t，月最大貨運量16.38萬t，試通航第二年貨運量就達到并超過設計年貨運規劃量112萬t(提前16 a)，試通航第3年貨運量達138萬t。

表1 向家壩升船機通過貨種及貨運量數據統計(2018年5月26日～2021年8月31日)

上行貨種以硫磺為主，占上行貨物總量91.49%，因向家壩庫區有3家大型化肥生產廠，硫磺作為生產化肥主要原料，需從宜賓、瀘州等地外購；下行貨種以砂石料、磷酸一銨、煤等貨物為主，其中砂石料(碎石、人工砂、天然砂、卵石)占下行貨物總量近50%，主要由于長江河道禁采及長江大保護日益嚴格，宜賓以下江段砂石開采市場逐步壓縮，導致庫區砂石量外運需求量大；下行貨物量遠超上行貨物量，說明庫區沿江各地區經濟發展主要依靠資源輸出[8]。由于金沙江向家壩庫區客運市場尚未開發，客運量為0。

5 結 論

(1)提出了界河通航管理新模式，建立了宜賓、昭通航務部門與電站業主三方企地共管的升船機運行管理工作機制，構建了向家壩樞紐通航聯合管理機構，實現了樞紐河段航運統一調度、過機船舶聯合安檢、樞紐水域安全聯合管理，向家壩通航管理、應急救助等工作有序開展。

(2)通過實船試驗，首次探索并建立了山區河流升船機通航安全綜合評價標準及體系，提出了向家壩升船機機組出流和泄洪流量的雙控標準，積極開展過機標準船型研究并推廣、過機船舶吃水提升及夜間試運行試驗，研究下游水位變幅(波幅)變化規律和輔助閘室投運條件，相應創新成果在升船機運行管理中得到應用，并取得良好效果，升船機航運效益發揮顯著，得到了川滇省市航運主管部門及行業專家認可，升船機運行管理整體達到國內領先水平。