加强三峡通航技术研究,促进航运高质量发展

2020-01-01齐俊麟

水运工程 2020年2期

齐俊麟

(长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002)

长江是世界上通航里程最长的河流，长江水系通航总里程7万余公里，占全国内河通航里程的70%，年运量占内河运量的80%，是我国经济发展的东西主轴线，历来是沟通国内东、中、西部三大地区的运输动脉，长江黄金水道已成为世界上最繁忙、运量最大的通航河流，并作为流域综合运输体系的主骨架，对实施西部大开发战略，促进我国经济均衡、和谐发展起着十分重要的作用[1]。三峡工程是综合治理和开发利用长江的关键性水利枢纽工程，集防洪、发电和航运于一体，为长江航运的快速发展创造了条件。三峡-葛洲坝梯级枢纽(三峡船闸、葛洲坝船闸以及三峡升船机)投入运行及三峡库区的形成极大地改善了长江中上游的通航条件，三峡-葛洲坝梯级枢纽成为沟通大西南与华中、华东地区的水运主节点。长江航运的发展对三峡-葛洲坝船闸通航服务水平提出了更高的要求，其船舶通过能力与通航保障能力直接影响着长江黄金水道的总体通过能力[2]。2011年，国务院以国发〔2011〕2号印发《关于加快长江等内河水运发展的意见》，发展长江等内河水运上升为国家战略,“用好”与“管好”三峡-葛洲坝船闸对于支撑长江航运的快速发展意义重大。

1 解决“两个问题”，保障三峡通航安全

运行与调度控制是“用好”三峡-葛洲坝梯级枢纽的首要任务。三峡-葛洲坝梯级枢纽是目前世界上规模最大的梯级枢纽，其中三峡五级船闸水位变幅大、连续运行级数最多、运行方式多变；三峡升船机具有提升高度大、提升质量大、上游通航水位变幅大和下游水位变化速率快的特点，技术难度极高。因此，对三峡-葛洲坝梯级枢纽通航建筑物运行控制系统的可靠性与安全性要求高，研发三峡-葛洲坝船闸可靠与安全运行的集散控制系统、解决三峡升船机运行安全控制技术问题，摸索高水头船闸阀门控制系统运行特性、优化船闸阀门运行控制参数，实现三峡-葛洲坝船闸最优运行控制，保障三峡升船机运行安全，是“用好”三峡-葛洲坝梯级枢纽首先需要解决的问题；三峡-葛洲坝船闸设计单向年通过能力是5 000万t，通过的单体船只最大为3 000 t，万吨级船队可直接通过船闸[3]。但是随着三峡工程航运效益的发挥及过闸船舶大型化与自航化，最大化利用三峡-葛洲坝船闸闸室、寻求船舶过闸最佳组织模式与技术手段、优化三峡-葛洲坝-升船机船舶联合调度措施，提升三峡-葛洲坝船闸通过能力，是“用好”三峡-葛洲坝梯级枢纽需要同步解决的问题。

维修与安全保障是“管好”三峡-葛洲坝梯级枢纽的主要措施。从20世纪90年代初期，葛洲坝船闸计划性大修的周期确定为6 a，一次大修平均停航85.6 d；三峡船闸从2012确定岁修制度以来，已经进行了2次岁修，每次岁修停航期为20 d。船闸检修造成大量的过闸船舶积压，在2012、2013年停航20 d的三峡船闸单线岁修中，停航到第6天，上、下游就积压船舶500多艘。有效识别船闸关键设备的服役状态，创新三峡-葛洲坝船闸维修管理模式，研发三峡-葛洲坝船闸快速检修技术、装备并制定相关的工艺与标准，保障三峡-葛洲坝船闸健康运行，最大限度地减少停航维修时间，是“管好”三峡-葛洲坝船闸首先需要解决的问题。通航安全是水路交通管理永恒的主题，三峡-葛洲坝梯级枢纽既是长江黄金水道的主节点又是航行受限水域，是通航安全高风险水域。特别是随着过闸船舶大型化以及危险品运输船舶的增多，三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航安全压力逐年加大。辨识三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航安全风险致因，制定相应的管理与应急措施，实施三峡-葛洲坝梯级航运枢纽航行船舶动态与行为有效感知与监控，保障三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航安全，实现三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航零事故目标，是“管好”三峡-葛洲坝梯级航运枢纽需要同步解决的问题。

2 构建“四个体系”，提高三峡通航通过能力

三峡-葛洲坝船闸以及三峡升船机是三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航运行核心通航建筑物。船闸通航涉及水、机、电、船舶以及管理等诸多要素，通航运行控制复杂性高、难度大。围绕三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航运行“用”与“管”两方面的关键技术问题，长江三峡通航管理局构建了“四个体系”，确保三峡枢纽的稳定运行，三峡通航通过能力不断提升。

2.1 三峡-葛洲坝梯级航运枢纽可靠与安全运行控制

2.1.1三峡船闸自动运行控制系统优化

1)依据船闸水位变化规律和级间工作水头的限制条件，建立数学模型、编制控制程序。使船闸控制系统能随时根据现场水位信息，自动生成运用级数和运行方式的控制指令，能自动计算补水量并进行精确控制。

2)确定抑制闸室超灌、超泄的定差值控制技术，解决闸室级间输水水头高、中间闸室间水位均相对变化的闸室超灌、超泄问题，将反向水头限制到小于0.1 m的水平，减免了人字闸门承受的反向水头压力，改善启闭机的运行条件和闸室内船舶停泊条件。

3)船闸自动化运行控制系统采用简化运行操作的分项程序和整体运行控制技术，满足船闸单双向运行、换向运行、变级数运行、闸室补水不补水运行、输水阀门单双边运行、船舶同步过闸运行、船舶逐级过闸运行等多变复杂的运行工况。

4)采用同一闸首两侧控制站可编程逻辑控制器(PLC)长距离热备技术，优化冗余配置方案，提高船闸整体运行的可靠性，节省设备投资。

2.1.2三峡船闸运行控制参数优化

1)基于试验观测与数据分析，优化各闸首、各水位组合下人字门、阀门输水末期启闭参数，提出闸、阀门进行调试、调整的方法。

2)试验发现选择适当的动水关阀水头差，使阀门关至停机小开度时，正好处于人字门水平开门的时机是阀门在输水末期最优工作方式。

3)通过对人字门启闭性能进行分析及计算发现：人字门油缸活塞杆受力曲线为下凹马鞍型，合力峰值出现在开门瞬间，即开度在1%～3%之间；人字门关门过程，人字门油缸活塞杆受力曲线为上凸马鞍型，油缸合力峰值出现在门体关终瞬间及关门启动瞬间，即开度1%及99%以内。在开关门中间阶段，受力曲线平稳。

4)提出改变变速曲线拐点位置，优化比例泵控制电压上升、下降梯度等进一步优化人字门变速曲线的方法。

2.1.3葛洲坝船闸三闸一控系统与船闸以及升船机运行仿真控制系统研发

1)基于工业以太网络、PLC和PC工作站的分布式监控系统、管控一体化设计，关键部分采取冗余容错控制，实现葛洲坝三座船闸的统一调度、管理和控制。

2)研发升船机同步运行控制模拟、三峡船闸网络及控制模拟以及三峡双线五级船闸运行仿真系统，为特殊工况下的应急控制方案验证、操作维护人员上岗的岗前培训和实操演练等提供基础平台。

2.2 三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航优化调度

2.2.1三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航特性数字化

1)建立多级多线船闸微观交通仿真模型和梯级枢纽航闸空间资源优化配置方法，为枢纽通航船舶长河段远程管控提供理论基础。

2)通过模拟试验发现，不同的船闸服务水平对应不同的船闸通过能力，取6 h的船舶平均等待时间为服务水平指标，三峡船闸的合理通过能力约为7 000万t，极限通过能力约为7 500万t。

3)通过理论计算和运行实践分析得知，单级船闸与连续多级船闸在单向运行时通过能力最大。

2.2.2三峡-葛洲坝梯级航运枢纽通航调度方法优化

1)基于升船机引航道的通航环境和升船机通航后的实际需求，制定三峡升船机和三峡船闸联合运行通航指挥方案和三峡升船机引航道航标配布以及信号布置方案，规划三峡升船机引航道的航路航法。

2)在建立两坝联合调度数学模型(升船机投入运行后)的基础上，提出梯级枢纽联合调度算法，设计开发了联合调度验证软件，验证了不同工况下的调度方案。

2.2.3船舶同步进出闸控制方法

1)提出虚拟闸室的概念，提出并排虚拟成组、梭形成组2种适用于三峡过闸船舶的成组方式，经测试可以提高1～2闸次[4]。

2)建立船舶同步进出闸跟随控制模型，开发闸区水域船舶航行动态高精度感知系统，开展船舶过闸多船同步航行控制试验，船舶间距可以缩短至20 m以内。

2.3 三峡-葛洲坝船闸关键设备、设施服役状态评估与快速检修

2.3.1三峡-葛洲坝船闸关键设备、设施服役状态检测与评估方法

1)形成针对高水头船闸人字闸门顶、底枢和反向弧形门支铰运转卡阻情况的检测与分析技术，采用波形分析、时域参数分析、小波包分析及冲击峰值-时刻坐标延时等方法有效界定设备关键部件运行状态。

2)形成针对高水头船闸人字闸门启闭机减速器运行情况的检测与分析技术。运用声发射技术检测间歇运动的低速重载大型人字闸门启闭机减速器运行状态，综合采用时域参数分析、小波包络谱分析和自相关分析等方法准确地识别该类设备运行状态。

3)形成针对船闸液压启闭机磨损情况的检测与分析技术。根据光谱分析长于精确检测各磨损物的元素及其含量，铁谱分析长于判断磨损故障的部位、严重程度的特点，综合应用光谱分析和铁谱分析对三峡船闸液压启闭机的磨损情况进行检测分析，全面准确地评判其磨损情况。

2.3.2三峡船闸快速维修关键技术

1)形成三峡船闸重点检修项目成套工艺。包括：人字门顶、落门，人字门支枕垫块表面修补、输水阀门钢止水修复、输水阀门反弧门整体吊装、输水廊道混凝土表面蚀损修补等重点检修工艺。

2)研发了检修方案计算机辅助生成系统。运用现代软件工程技术，开发出基于三峡船闸检修标准化预案模块的检修方案辅助生成系统，可快速生成检修项目的《施工组织设计》文件。

3)研发快速检修专用装备与工装。完成适用于三峡船闸设备检修特点的人字门顶枢拆装、底枢异形橡皮止水安装等工装的设计，研制出反弧门钢止水修磨专用设备。

2.3.3葛洲坝船闸大修成套技术

1)船闸检修组织创新采用停航期与非停航期相结合的船闸检修组织模式，合理划分非停航期和停航期检修项目，优化停航施工工期，选择合适的检修时机，缩短停航时间，降低对航运的影响。

2)研发葛洲坝船闸大修成套技术装备。应用包括同步升降系统、顶底枢检修装备、人字门固门工装和顶落门工法的人字门检修技术与装备，包括输水廊道施工展布装备、高速水流过流面破损修补和结构缝渗漏灌浆处理的水下水工设施检修技术与装备，包括浮式检修门沉浮自动化控制、深井泵运行远程监控、浮式检修门快速精准对位、闸室排干后快速子堰安装和闸室快速抽排水装置的排水装备与控制技术，实现了船闸检修安全高效，缩短了检修工期[5]。

3)编制《船闸检修技术规程》《葛洲坝船闸检修规程》、三峡船闸检修标准化预案等，规范葛洲坝船闸设备设施检修工作，科学合理地确定检修周期和技术标准，提高了检修效率，保证了检修质量。开发检修方案计算机辅助生成系统，可以自动生成检修方案，减少船闸的检修方案制定时间。

2.4 三峡-葛洲坝梯级航运枢纽零事故通航安全保障

2.4.1多维度的三峡葛洲坝船闸通航风险评估方法

1)分析风险发生的概率和风险对船闸通航安全的影响程度，对主观性和客观性风险因子进行比较分析和综合评价，建立三峡船闸通航安全事故风险识别与评价模型。

2)分析三峡船闸通航安全存在的各种风险源，根据不同事故的特性制定针对性的应急预案和措施，构建通航事故风险预警体系，提高应对三峡船闸通航安全事故的应急反应能力。

3)对三峡船闸闸室船舶事故应急预案的应急响应程序进行设定，提出多项事故应急措施。构建三峡船闸通航安全事故风险预警指标体系和风险预警评判模型，编制三峡船闸通航安全事故风险预警评判系统软件。

4)基于三峡-葛洲坝水域船舶航行数据，结合内河航道和内河船型，采用经验公式、流体力学计算、系统辨识综合预报方法开发内河船舶操纵性数值预报系统。

2.4.2研制三峡-葛洲坝梯级航运枢纽船舶航行行为监控设备

1)研发三峡过闸船舶吃水量快速检测装置。通过数据采取与分析、数据滤波处理、基于多传感器数据融合的船舶吃水建模等研究技术成果的应用，降低三峡船闸通航船舶安全隐患，保障三峡船闸的安全畅通。

2)研发船闸闸室禁停区域船舶越界探测及报警系统，实现船舶过闸全过程的禁停区域自动监控和自动报警，提高船舶过闸效率。

3)研制基于连续波的小型测速测距一体化雷达，解决船舶在低速条件下高精度测速与测距以及三峡升船机安装位置受限等难题。雷达样机与进口测速雷达对比差为0.006 ms，与激光测距测速仪对比差为0.006 ms，与人工测量对比差为0.016 ms，通过中国计量科学研究院的计量测试，速度测量误差≤0.03 ms，距离测量误差≤1.3 m。