水位变动对三峡升船机船厢下游对接运行操作的影响

2020-02-26尚桦,李若

水运工程 2020年2期

尚桦,李若

(长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002)

三峡升船机是三峡水利枢纽永久通航建筑之一，其主要作用是为客货轮和特种船舶提供快速过坝通道[1]。三峡升船机设计最大提升高度为113 m，上游通航水位变幅30 m，下游通航水位变幅11.8 m[2]，下游水位变化率±0.5 mh。具有提升高度和提升质量大、上游通航水位变幅大和下游水位变化快的特点[3]，是目前世界上规模最大、技术难度最高的升船机[4]。其船厢有效水域为120 m×18 m×3.5 m(长×宽×水深)，根据交通运输部发布的《三峡升船机通航船舶船厢技术要求(试行)》，通过升船机的船舶总长≤110.0 m、总宽≤17.2 m，船舶最大吃水控制为2.7 m。

三峡升船机与上、下游对接过程船厢及引航道水力问题是升船机运行过程中较为关键的问题[5]。运行操作的安全可靠，对确保三峡升船机安全运行具有重要意义。

1 船厢下游对接时水位变动情况

三峡升船机下游引航道具有水位波动大、变化快的特点，对升船机的运行带来不利影响，如船厢下行停位时须实时跟踪下游引航道水位变化，以调整船厢对接位置[6]，增加了对接难度和对接次数，降低了升船机运行效率；船舶进出厢时，下游引航道水位快速变化，增加船舶触底或设备漫水的风险，影响升船机和船舶安全。

从三峡升船机试通航以来水位引起的碍航故障(故障时间超过30 min)看，船厢与下游保持对接状态时间较长，下游引航道水位短时涨落变动较快，会导致船舶进厢过程中船厢水深上涨，随之产生驱动点对接锁定机构锁定到位信号丢失、对接机构退让、安全机构动作、船厢水深过高排水超时以及下厢头密封框油缸偏差过大等一系列故障。对接时间越长、水位变动越大，越容易出现以上故障，以致扩大成碍航故障，严重影响通航效率，加大运行风险。目前，三峡升船机下行船舶出厢历时约9 min30 s，上行船舶进厢历时约19 min，若升船机双向运行，上行船舶须等待会船结束后才可进厢。为保证船舶正常进出厢，船厢与下游保持对接状态须持续30 min以上。

正常情况下，即三峡枢纽电厂未调峰、泄洪时，下游水位波动较小，船厢与下游保持对接状态时船厢水深在3.4～3.6 m之间波动，涨落平稳。若三峡枢纽电厂调峰、泄洪时，下游水位波动较大，船厢与下游保持对接状态时船厢水深涨落较快，易快速上涨至3.8 m，继续上涨有设备漫水的危险。本文选取三峡枢纽电厂调峰下游水位波动较大时期，船厢与下游保持对接状态30 min内等待上行船舶进厢时的船厢水深数据，其船厢水深变化趋势如图1所示。从图1可知，船厢与下游水位保持连通时船厢水深波动剧烈。

图1 船厢与下游对接时船厢水深变化趋势

船厢与下游对接时，集控室界面会同时显示船厢水深、船厢与下游偏差等数值，可直接观察到船厢水深、船厢与下游偏差变化，两者有一定的随动关系。

随后，对船厢与下游对接时的船厢水深、船厢与下游偏差数据进行大量采集，发现船厢水深、船厢与下游偏差数据都在一定数值范围内变化，且数值在小范围内变化不大。为分析两者之间的关系，选取具有代表性的220个数据，如图2所示。

图2 船厢与下游对接时船厢与下游偏差数据

对船厢与下游对接时的船厢水深、船厢与下游偏差数据进行最小二乘拟合，拟合曲线如图3所示。

图3 船厢与下游对接时船厢与下游偏差数据拟合曲线

拟合得出：

Δd=-0.948 8sd+3.269 7

(1)

式中：Δd为船厢与下游偏差(m)；sd为船厢水深(m)。

通过曲线拟合可以得到，船厢与下游对接时，船厢水深、船厢与下游偏差两者之间是线性对应的。根据拟合数学表达式(1)，可预测出船厢水深、船厢与下游偏差数值。船厢水深3.3～3.8 m时船厢与下游偏差值如表1所示。

表1 船厢水深3.3～3.8 m时船厢与下游偏差 m

2 船厢下游对接时的运行操作

与三峡船闸类似，三峡升船机以集控运行操作为主。集控室是升船机的控制中枢，集控操作员负责三峡升船机的集控操作、船舶排挡指挥工作，按照运行流程，进行升船机整体运行的控制与操作[9]。根据三峡升船机下游引航道水位变化速率快的特点，运行操作时须密切关注三峡升船机下游引航道、船厢水深变化，跟踪升船机下游水位变化情况，确保运行安全。

根据三峡升船机的设计，船厢能随下游引航道水位变化自动地寻找合适的减速点和准确的停位点，当船厢即将在下闸首停靠时，浮动标志镜分别与船厢下游端的红外光电开关发生作用[10]，控制船厢驱动系统逐步减速停机，使船厢准确地停在目标位置上。在实际正常运行中，若出现准确停位信号，则认为船厢准确停位。根据系统设计，准确停位时船厢水面与航道水面线齐平。

三峡升船机试通航期间，由于下游引航道水位变动较大，船厢停位时常常出现无准确停位信号或停位不准的情况，此时船厢还未与下游对接，运行中采取重新对位，水位变动较恶劣时，待水位稳定之后再次对位，使船厢准确停位，延长了运行时间。

船厢下行停位后执行船厢对接、船厢与下游对接，历时约6 min20 s。在船厢与下游对接过程中，因水位变动导致船厢水深较小，船厢位置高于下游引航道水位，船厢与下游偏差为正值。船厢与下游偏差越大，船厢水深越易低于3.3 m，引起开下厢头船厢门动作停止，此时须关闭船厢门，进行船厢补水调整船厢水深。因水位变动导致船厢水深较大，船厢位置低于下游引航道水位，船厢与下游偏差为负值。船厢与下游偏差(绝对值)越大，船厢水深越易高于3.8 m，此时须关闭船厢门，进行船厢排水调整船厢水深，待下游引航道水位稳定后，再开门对接。频繁启动船厢补排水系统调整船厢水深及等待水位稳定时间，均延长了升船机对接时间。若下游引航道水位持续波动剧烈，则须关闭下闸首卧倒门，船厢重新对接，更加延长了运行时间，降低运行效率。

船厢与下游保持对接状态等待船舶进出厢过程中，若观察下游引航道水位变化剧烈，导致船厢水深波动较大，正在下行出厢的船舶离开门区后关门解除对接，正在上行进厢的船舶在就近的系船柱靠泊后关门解除对接，尽快解除船厢与下游对接，还没发进厢令时暂缓发令，解除对接后，操作船厢小行程上行后重新进行下行对接。若下游水位发展趋势为上涨，且接近下闸首设计通航水位，按照操作规定及时做好调整下闸首工作门门位准备。

3 运行操作应对策略

三峡升船机下游引航道水位变动较大，15 min最大变幅有时超过0.5 m，对升船机运行影响较大，水位突然变动或者在临界点变动时，给升船机运行带来很大的安全风险。因此，三峡升船机在下游引航道水位变化趋势不明运行时，操作员须多观察，有把握后再操作，避免出现安全事故。根据下游引航道水位变动对升船机运行操作的影响提出以下应对策略：

1)运行期间，须密切关注水位信息系统中下游引航道水位变幅情况，若下游水位变幅达0.25 m以上，且下游4个水位计大部分出现变幅报警，则停止下游对接以及升船机运行，待水位波动平稳后再恢复运行。

2)船厢下行停位后，船厢与下游对接未开门时，应观察下游引航道水位以及船厢与下游偏差。通过本文船厢水深、船厢与下游偏差的拟合数学表达式及对应表预测出船厢与下游引航道连通时的船厢水深值，选择合适的时机开下厢头船厢门和下闸首卧倒门，避免开门时船厢水深涨落较大。

3)船厢与下游对接开下厢头船厢门，船厢与下游偏差(绝对值)较大时，开门过程中会在船厢内形成较大的水位波动，影响船厢内船舶的停靠安全。船厢位置高于下游引航道水位，船厢与下游偏差为正值，开门时船厢内的水向外流，船厢内船舶可能向前移动；船厢位置低于下游引航道水位，船厢与下游偏差为负值，开门时下游水涌进船厢，船厢内的船舶可能向后移动。

在开下厢头船厢门时，应确保船厢与下游偏差(绝对值)在0.15 m内，使船厢水深在3.3～3.6 m范围内波动，继续执行开下厢头船厢门动作，确保开门后船厢水深不会波动很大，对船厢内船舶影响较小。

若船厢与下游偏差(绝对值)大于0.15 m，船厢水深会小于3.3 m或大于3.6 m，重点观察下游引航道水位变化、船厢与下游偏差以及水位信息系统中的下游1#、3#水位；若下游引航道水位持续下降或上涨，船厢与下游偏差(绝对值)逐渐大于0.2 m，停止开下厢头船厢门，转为关闭下厢头船厢门、下闸首卧倒门，待船厢与下游偏差(绝对值)小于0.15 m后，再手动开船厢门和卧倒门。

4)下厢头船厢门及下闸首卧倒门开到位后，即船厢与下游保持连通状态，船厢水深快速上涨超过3.7 m(船厢与下游偏差为-0.24 m)，通过高频通知船舶不要解缆绳出厢，在船厢内等候通知。

应密切关注下游引航道水位，若下游水位呈缓慢下降趋势，当船厢水深低于3.6 m(船厢与下游偏差为-0.15 m)时，可通知船舶抓紧时间出厢；若下游水位没有下降，而是呈上升趋势，应将船厢门和卧倒门关闭。在关闭船厢门和卧倒门期间若下游水位下降，船厢与下游偏差(绝对值)持续在0.15 m以内，手动开船厢门和卧倒门，通知船舶出厢；若下游水位没有下降，而是呈持续上升趋势，船厢与下游偏差(绝对值)逐渐变大，船厢与下游解除对接，小行程上升后再重新下行对接。

5)目前，三峡升船机双向运行，上行船舶须等会船结束后才可进厢。为保证船舶正常进出厢，船厢与下游保持连通状态须持续30 min以上。在这段时间内，须实时关注船厢水深、船厢与下游偏差，确保其在正常范围内。同时，须关注下游密封框及驱动点对接锁定机构，避免对接时间过长，出现密封框油缸行程偏差过大故障及对接锁定机构锁定到位信号丢失故障等。