三峡升船机下闸首涌浪超限改善工程初步研究

张 勇

（长江三峡通航管理局，宜昌443000）

三峡升船机下闸首涌浪超限改善工程初步研究

张 勇

（长江三峡通航管理局，宜昌443000）

受下游引航道往复流影响，三峡升船机下闸首最大水位变率达0.9 m/h，超过0.5 m/s的设计值。文章提出了在下游引航道内设置防浪闸的思路和初步工程方案，利用MIKE21数学模型，对防浪闸阻隔波浪的效果进行了计算，并对方案进行了优化。初步提出了防浪闸与升船机联合运行工艺。结果表明：设置防浪闸后，可使升船机下闸首最大水位变率降至0.45 m/h以下。

三峡升船机；下游引航道；涌浪超限；水力学计算；防浪闸

三峡升船机下游引航道总长约4 400 m，分为两段，第一段从升船机与船闸分叉部位往上游至升船机下闸首长约2 600 m，航道底宽80.0～90.0 m，航道底面高程58.0 m；第二段从分叉部位至口门段长约1 800 m，底宽180 m，口门拓宽为200 m，航道底面高程56.5 m。升船机下游引航道在分叉部位与船闸引航道汇合后共用同一航道进入长江主河道，具有显著的“盲肠”效应［1］。三峡枢纽泄洪、电站运行和三峡船闸旁侧泄水产生的波浪下行，绕过下游隔流堤堤头经口门传入下引航道内产生重力长波，与三峡船闸辅助泄水系统产生的泄水波交峰，在引航道内形成了往复波流运动的非恒定流。近年来，多家单位进行了下游引航道非恒定流水力学计算，表明三峡枢纽电站调峰和大坝泄洪时，升船机下闸首水位变率达0.9 m/h［2］。

三峡升船机为齿轮齿条爬升式，升船机规模、提升机械、安全装置、控制系统等极为复杂，引航道内水位波动大、变化速率快对升船机船厢对接、船舶进出船厢等影响较大［3-6］，主要表现在以下方面：一是船厢对接时须跟踪引航道水位变化，以随时调整船厢对接位置，如果引航道水位变化太快、变幅太大，将会延长对接时间、增加对接难度，严重时还会导致船厢无法实现对接；二是船厢对接时对船厢内水深控制极为严格，若对接或解除对接时水位变化幅度超过±0.10 m，则须启动补水或排水系统以调整船厢水深，从而延长升船机运行时间，如果对接时水位变化超过±0.60 m时将导致安全机构动作，升船机进入事故状态；三是船舶进出船厢时，如果船厢内水位快速降低，就会存在船舶触底风险，影响至升船机船厢厢体结构和运行船舶的安全［2］。鉴于引航道内水位变化直接影响到升船机的正常安全运行，升船机总体设计规定：下游引航道最大水位变率为±0.50 m/h。水力学试验表明：上游引航道水位变率在设计允许范围内，而下游引航道水位变率及水位变率都存在超过设计值的问题。2016年3月，三峡升船机已进行了首次实船试验，计划于今年6月进行船舶试航及试运行，并即将投入正式运行。为此，升船机下闸首水位变率超过设计值的问题，已经成为升船机能否如期投入使用及正常运行而急待解决的重要问题［6］。

根据下游引航道实际，可在升船机下游引航道内设置“混凝土结构+钢质工作闸门”的工程措施，将非恒定流产生的波浪拦截在升船机下闸首的下游，以起到有效消减升船机下闸首处的水位变率：当工作闸门关闭时，工作闸门和混凝土结构在引航道内起到分隔上下游水体的作用，以消减阻隔波浪进入引船机下闸首区域，确保船厢对接水位变化满足设计要求；当工作闸门处于开启状态时，船舶可以顺畅地进出升船机船厢或下引航道。为叙述方便，本文将采取的这种工程措施暂时称为防浪闸。

本文利用水力学、工程结构、数值计算、船舶过坝运行工艺以及现场勘查等技术手段与方法，提出了防浪闸布置方案，并通过MIKE21数值模型进行了防浪闸的效果检验和方案优化，分析研究了升船机与防浪闸的联合运行工艺。可以解决下闸首水位变率超过设计值影响升船机正常运行的问题，保障升船机的正常运行。

1水力学模型概况

水力学模型的作用包括两个方面，一是检验设置防浪闸以后的消波效果，二是对防浪闸工作闸门布置方式进行优化。由于计算区域岸线比较复杂，因此选择无结构网格模式的MIKE21数值模型，选用MIKE21_FM模块进行涌浪过程的模拟。

模型计算范围为升船机下游引航道和三峡船闸下游引航道的整个区域，包括冲沙闸下游泄流通道和下游引航道口门区等。防浪闸附近及其上游水域为分析结算的重点，网络分辨率小于10 m，其他区域网格分辨率约30 m。

模型主要计算当下游开边界传入非恒定流时，升船机闸首区域的水位波动特征。为全面了解升船机下游引航道内波浪传递过程，重点掌握升船机下闸首及防浪闸工程地点水位变化情况。模型计算选取了4个待计算水位点。其中：point1位于三峡升船机下闸首，point2点位于升船机下游靠船墩下游侧（方案一上游），point3位于覃家沱大桥下游（方案一下游），point4位于下游引航道口门区。数学模型计算范围、网络划分及水位测点位置等见图1。采用2014年原型观测资料中point4实测的水位观测资料，对计算结果进行率定，率定结果表明：模型计算结果与实测资料基本一致，绝对精度在93％以上。

数值计算表明：若不采取任何工程措施，升船机下闸首区域水位小时变动特征值将超过0.5 m/h，按2014年9月18日实测水位资料计算的水位变率达0.9 m/h，大大超过设计允许值。不能满足升船机与下闸首之间的对接要求，影响到升船机的正常运行。

图1 数学模型计算范围及水位测点位置示意图Fig.1 Sketch of calculation range of mathematical model and water level measuring point location

2防浪闸隔浪效果计算分析

2.1防浪闸设置在靠船墩下游侧（方案一）

2.1.1方案布置简述

本方案位于升船机下游靠船墩下游侧，原升船机下游引航道围堰处。主要优势有：一是该处左、右岸地势相对平坦、道路通畅，有利于工程设备设施的布置、工程施工及后期运行维护；二是该方案可在上游形成长约560 m、宽80～100 m水域，且在左右岸均布置有靠船墩，便于船舶停靠、会船，有利于船舶的通航调度与组织；三是该处航道净宽约105 m，平面布置较为灵活，可按上下行船舶分道行驶布置过船通道。为降低对冲砂闸泄水冲砂效率的影响、便于引导船舶进出，墩体上、下游两端采用较细长的抛物线型设计。具体方案为：在航道中心线两侧布置两扇主闸门，靠两岸不通航的水域设置两扇辅助闸门，闸门之间设置3个混凝土闸墩，两岸设置2个混凝土边墩，具体布置示意图详见图2。闸墩及边墩混凝土结构型式及尺寸等根据结构受力、钢闸门布置、便于冲沙泄流和引导船舶进出等因素确定，建议尺寸为：闸墩宽10 m，抛物线净长21 m，为便于布置闸门门槽及启闭机，墩体中部设8 m的直线段，墩体总长50 m；钢质工作闸门宽根据升船机过机船宽、船舶允许速度、通航船舶及水工结构安全等因素通过船舶试验确定，建议工作闸门净宽22 m；辅助闸门宽度根据平面布置情况调整，两扇辅助闸门建议净宽10 m；钢质闸门采用上提式平板门。

本工程暂不考虑设置输水系统，在钢质闸门与航道底部之间预留通道，以自行调节防浪闸上下游两侧水位落差。

2.1.2水力学分析及方案优化情况

针对2014年9月18日水位波动情况，对闸门下沿距河床底部之间预留通道的高度进行了多次试算，结果表明，预留通道高度越大，消波效果就越差，反之则消波效果就越好；为避免底部预留通道太低、水流不畅引起水位壅高等，影响工作闸门的正常开启等问题，将预留通道高度设为1.0 m。

设置防浪闸以后，下游引航道口门区域point4的水位小时变幅0.73 m左右，向上游传至point3时，水位小时变幅逐渐增大至0.75 m左右，进入防浪闸上游的point2和point1两点小时变幅下降至0.44～0.45 m，升船机下闸首水位变幅已经控制在0.5 m/h以下，消波效果完全满足设计要求。

2.1.3防浪闸及升船机运行工艺

防浪闸共有3种运行工况，即：（1）通航状态。船舶通过防浪闸时，该侧钢质闸门处于开启状态；（2）阻隔波浪状态。所有钢闸门关闭时，防浪闸处于阻隔波浪进入上游的状态；（3）冲沙泄流状态。冲砂闸泄水冲砂时，所有闸门全部上提进入门库，确保水流顺畅通过，以免影响冲沙效果。其中前2种工况为升船机正常运行时工艺，防浪闸及升运船联合运行工艺见图3（初始条件是船舶下行进入船厢、防浪闸左侧工作门开启）。

该方案防浪闸上游的航道尺寸较大，上行和下行船舶可在防浪闸上游区域完成停泊会船。在升船机下行与下闸首对接之前的时间段内，上行船舶提前驶入防浪闸上游左侧靠船墩停泊等待上行。船厢与下闸首完成对接，下行船舶驶出船厢后停泊至防浪闸上游右侧靠船墩，待上行船舶进入船厢，船厢与下闸首解除对接锁定、船厢上升以后，再打开防浪闸工作闸，下行船舶驶出防浪闸。因此，采用该方案对升船机运行效率基本没有影响。

2.2防浪闸设置在升船机下辅助墙（方案二）

2.2.1方案布置简述

该方案位于升船机下游辅助导航墙附近，具体布置可按至升船机下闸首之间的距离能够确保升船机过机船舶安全靠泊的有效长度要求，同时根据平面布置要求、施工难度、以及对已有设施的影响程度等因素综合确定。该方案具有离升船机下闸首近，船舶调度、运行管理、设备维修方便等优点。具体布置如下：

该处航道宽约40 m，在航道中心线布置一道工作闸门，闸门两侧设置闸墩，具体布置详见图4。闸墩水工混凝土结构及尺寸、钢质工作闸门尺寸等应根据现有设施布置、结构受力、以及便于过机船舶进出等因素确定，在原建筑物两边侧墙岸壁上设置门槽及闸墩；钢质闸门采用上提式平板门。

本工程暂不考虑设置输水系统，在钢质闸门与航道底部之间预留通道，以自行调节防浪闸上下游水位落差，确保钢质闸门的正常开启。

图2 方案一平面布置示意图Fig.2 Sketch of scheme one layout

图3 方案一防浪闸和升船联合运行工艺流程图Fig.3 Combined operating process flowchart of wave resistance gate and ship lift in scheme one

2.2.2水力学分析及方案优化情况

针对2014年9月18日水位波动情况，对闸门下沿距河床底部之间预留高度在3 m、2 m、1 m的情况下计算了消波效果。其中，若闸门下沿距河床底部为1 m，当下游口门区域point4的水位小时变幅0.73 m左右，经防浪闸传至point1时，水位小时变幅基本维持在0.71 m左右，预留通道越高，水位小时变幅值则越大。数值计算表明：如闸门下沿与河床之间留有距离，对水位小时变幅无明显控制作用，下闸首小时水位变幅不能满足设计要求。

为此，本方案工作闸门只能采取与河底底部接触的方案，这样就能在升船机下闸首处形成静水区，彻底解决涌浪对下闸首的影响。为了克服防浪闸上下游之间的水位落差，可采用格栅式钢质平板门，格栅处于关闭状态时，起到阻隔波浪进入升船机上闸首的作用；格栅门开启时，则成为防浪闸上下游之间的水流通道，起到平衡水位的作用。

2.2.3防浪闸及升船机运行工艺

运行工况：（1）通航状态。船舶通过防浪闸时，闸门处于开启状态；（2）阻隔波浪状态。闸门及其格栅处于关闭时，阻隔波浪进入防浪闸上游侧；（3）水位调节状态。闸门开启前，先打开闸门上的格栅使其成为上下游之间的水流通道，直到上下游水位平齐；（4）冲沙泄流状态。冲砂闸泄水冲砂时，工作闸门及其格栅关闭，防止泥沙带入防浪闸上游区域。其中前3种工况为升船机正常运行时工艺，船舶单向和双向通过升船机，其运行工艺均有所不同，船舶双向通过时防浪闸及升运船联合运行工艺见图5（初始条件是船舶下行进入船厢、防浪闸工作闸门及格栅关闭）。

升船机船厢下行对接前，防浪闸工作闸门及格栅处于关闭阻隔波浪状态，至船厢完成对接动作、并打开船厢下游闸门及下闸首工作闸门以后，在下行船舶驶出船厢的同时打开防浪闸工作闸门格栅调节其上下游水位差，再开启工作闸门以后，下行船舶并驶出防浪闸。这样就既能保证船厢对接时下闸首波浪完全满足要求，又可利用船舶驶出船厢这段时间进行防浪闸上下游水位差调节及防浪闸工作闸门的提升，以缩短总的运行时间。

上行船舶通过防浪闸驶入升船机船厢时，关闭工作闸门及格栅阻隔波浪，在下闸首波浪值完全符合设计要求时，解对接锁定状态，船厢上行。

由于该方案不能在防浪闸上游水域内完成通过升船机的船舶会船过程，只能成为上行或下行船舶的单向航行通道，故会影响升船机的运行效率。

图4 方案二平面布置示意图Fig.4 Sketch of scheme two layout

图5 防浪闸和升船联合运行工艺流程图Fig.5 Combined operating process of wave resistance gate and ship lift

3消减涌浪高度对升船机运行的影响

3.1船厢水深提高至4 m的可行性

升船机船厢总重（含3.5 m水体）15 500 t，平衡重重量与船厢总重相等。船厢上下运动时，驱动机构仅需克服误载水深、系统摩擦阻力、机构惯性力矩等载荷。船厢处于对接状态时，驱动机构小齿轮卸载，船厢由对接锁定装置进行竖向支承，对接锁定机构的设计载荷按照船厢水深3.5 m加上±0.5 m的水位波动，并计入±0.1 m的附加水载荷考虑，因此升船机船厢和闸首工作门处于对接状态时，船厢最大水深可以达到4 m。

当船厢与下闸首工作门对接时水深为4 m时，船厢需比设计正常工况多向下运行0.5 m，即驱动机构将运行至62 m高程，螺母柱和齿条至最下端还余2.5 m，下缓冲装置距船厢室段底板还余0.7 m，平衡重可以上行4 m。因此，即使在下游最低通航水位62 m时，船厢运行仍然满足4 m水深的对接要求［7］。

提高船厢对接状态时的水深，升船机对接工艺流程也要作相应的调整。以上行为例，船舶进入船厢后（假设船厢水深为4 m），关闭船厢门及下游闸首工作门以后，为确保平衡重量与船厢总重相等，还需排出船厢内的多余水体，待船厢水位满足允许误载水深3.5±0.1 m的要求时，船厢向上提升。当船厢水位低于上游水位0.5 m时与上游闸首工作门对接，然后船厢充水使船厢内水位和上游水位平齐以后，再开启船厢门和上闸首工作门，船舶驶出船厢。

3.2提升船厢水深可增加升船机过机船舶数量

随着长江干线船舶标准化的持续推进，船舶正朝着“大型化、深吃水”方向发展，能够通过升船的船舶数量越来越少。以2011年通过三峡船闸的船舶为例，通过三峡船闸的船舶总数为3 375艘，符合升船机平面尺度的船舶总数为2 979艘，这些船舶的满载吃水分布情况见表1。可见，受船厢水深限制，一些平面尺度满足要求、吃水深度较大的船舶无法通过升船机。

研究表明，船舶驶离船厢是升船机的过机船舶最大下沉量的控制工况，也是确定过机船舶吃水深度的限定条件。设置防波体、降低船厢对接时的水位变幅以后，即可将船舶驶离船厢时的水深提高至4 m，从而有效提高过机船舶的吃水标准。按照升船机设计船型吃水控制标准2.78 m的船舶数量为577艘，如将吃水控制标准提高至3.0 m及3.2 m时，那满载通过升船机的船舶数量将分别增加278艘及250艘，通过升船机的船舶数量增加了近1倍（表1）。

表1 船舶满载吃水分布图Tab.1 Draught distribution diagram of full⁃laden ship

4结语

（1）三峡工程建成并投入运行以后，受枢纽水库调度、三峡船闸泄水等诸多因素的影响，下游引航道水位变率及变率将超过设计允许值，必须采取有效的消波措施，使升船机下闸首涌浪满足设计要求，才能确保升船机的正常运行。

（2）本文提出两种工程措施的消波效果均能满足设计要求，但仅提出了解决问题的思路，并未对防浪闸总体布置及结构设计等进行论证。建议下一步对总体布置、混凝土结构和门体结构、船舶安全进出、运行调度方式等有关问题进行深入研究，使防浪闸工程措施更为具体、方案更为可行。

（3）建议结合三峡枢纽水库调度、三峡船闸泄水、下引航水深等因素，深入分析下游引航道往复流规律，优化防浪闸的运行方式，尽量避免设置防浪闸以后对升船机运行的影响。比如：当三峡升船机下闸首水位变率及变率满足设计要求时，即可使防浪闸工作闸门处于开启、船舶正常通航的状态。

致谢：我局升船机管理处郑卫力、金锋、胡睿以及三峡大学彭刚、杨忠勇、陈灯红、柳琪等同志对本文的写作提供了很多帮助，在此谨致以诚挚的谢意!

［1］朱虹,邓润兴.三峡升船机总体布置设计［J］.人民长江,2009,40（23）:49-50,92. ZHU H,DENG R X.The general arrangement design of ship lift of the Three Gorge［J］.Yangtze River,2009,40（23）:49-50,92.

［2］谢佩珍.水工枢纽泄洪及电站负荷调节对垂直升船机运行的影响［J］.水利学报,2000,31（7）:0077-0086.XIE P Z.Effects of flood discharge and regulation of power load on operation of vertical ship lift in hydropower station［J］.Journal of Hydraulic Engineering,2000,31（7）:0077-0086.

［3］李焱,孟祥玮,李金合,等.三峡工程下游引航道通航水流条件试验［J］.水道港口,2003,24（3）:121-125. LI Y,MENG X W,LI J H,et al.Navigation conditions of downstream approach channel of the Three Gorge Project［J］.Journal of Wa⁃terway and Harbor,2003,24（3）:121-125.

［4］梁应辰.三峡工程通航建筑物技术设计审查［J］.中国工程科学,2000,2（5）:32-34. LIANG Y C.The examination of the technical design of the navigation construction in the Three Gorges Project［J］.Engineering Sciences,2000,2（5）:32-34.

［5］沈紫坪.三峡升船机特点浅析［J］.工程建设与设计,2010（6）:125-127. SHEN Z P.Character analysis of the Three Gorges ship lift［J］.Construction and Design for project,2010（6）:125-127.

［6］钮新强,覃利明,于庆奎.三峡工程齿轮齿条爬升式升船机设计［J］.中国工程科学,2011,13（7）:96-103. NIU X Q,QIN L M,YU Q K.The design of gear⁃rack climbing type ship⁃lift of Three Gorges Project［J］.Engineering Sciences,2011, 13（7）:96-103.

［7］齐俊麟,张勇,冯小俭,等.设置辅助闸室解决下引航道非恒定流对三峡升船机运行影响初探［J］.中国水运,2003（3）:46-47. QI J L,ZHANG Y,FENG X J,et al.Preliminary study on setting the auxiliary chamber to solve the unsteady flow in the downs ap⁃proaches on the running of Three Gorges ship lift［J］.China Water Transport,2003（3）:46-47.

Primary analysis of improved measures for overrunning waves at tail⁃bay of Three Gorges ship lift

ZHANG Yong
（Changjiang Three Gorges Navigation Authority，Yichang 443000，China）

The height of the waves at tail⁃bay of Three Gorges ship lift will exceed the design value 0.5m/h be⁃cause of the influence of reciprocating flow in downstream channel.In this paper,the wave resistance gate was ar⁃ranged according to the approach channel and spot physical truth.The effect of the wave resistance gate was calcu⁃lated by establishing the MIKE21 mathematical model,and the arrangement of the scheme was optimized.The com⁃bined operation technology of wave resistance gate and ship lift was preliminarily put forward.The results show that the height of the waves at tail⁃bay of ship lift will be reduced to less than 0.45m/h after setting the wave resistance gate.

Three Gorges ship lift;downstream approach channel;wave⁃overrunning;hydraulic calculation; wave resistance gate

U 61；U 642

A

1005-8443（2016）04-0416-06

2016-03-03；

2016-04-12

张勇（1965-），男，重庆人，高级工程师，主要从事通航建筑物通航技术管理和建设管理工作。

Biography：ZHANG Yong（1965-）,male,senior engineer.