張 勇

（長江三峽通航管理局，宜昌443000）

三峽升船機下閘首涌浪超限改善工程初步研究

張 勇

（長江三峽通航管理局，宜昌443000）

受下游引航道往復(fù)流影響，三峽升船機下閘首最大水位變率達0.9 m/h，超過0.5 m/s的設(shè)計值。文章提出了在下游引航道內(nèi)設(shè)置防浪閘的思路和初步工程方案，利用MIKE21數(shù)學(xué)模型，對防浪閘阻隔波浪的效果進行了計算，并對方案進行了優(yōu)化。初步提出了防浪閘與升船機聯(lián)合運行工藝。結(jié)果表明：設(shè)置防浪閘后，可使升船機下閘首最大水位變率降至0.45 m/h以下。

三峽升船機；下游引航道；涌浪超限；水力學(xué)計算；防浪閘

三峽升船機下游引航道總長約4 400 m，分為兩段，第一段從升船機與船閘分叉部位往上游至升船機下閘首長約2 600 m，航道底寬80.0～90.0 m，航道底面高程58.0 m；第二段從分叉部位至口門段長約1 800 m，底寬180 m，口門拓寬為200 m，航道底面高程56.5 m。升船機下游引航道在分叉部位與船閘引航道匯合后共用同一航道進入長江主河道，具有顯著的“盲腸”效應(yīng)［1］。三峽樞紐泄洪、電站運行和三峽船閘旁側(cè)泄水產(chǎn)生的波浪下行，繞過下游隔流堤堤頭經(jīng)口門傳入下引航道內(nèi)產(chǎn)生重力長波，與三峽船閘輔助泄水系統(tǒng)產(chǎn)生的泄水波交峰，在引航道內(nèi)形成了往復(fù)波流運動的非恒定流。近年來，多家單位進行了下游引航道非恒定流水力學(xué)計算，表明三峽樞紐電站調(diào)峰和大壩泄洪時，升船機下閘首水位變率達0.9 m/h［2］。

三峽升船機為齒輪齒條爬升式，升船機規(guī)模、提升機械、安全裝置、控制系統(tǒng)等極為復(fù)雜，引航道內(nèi)水位波動大、變化速率快對升船機船廂對接、船舶進出船廂等影響較大［3-6］，主要表現(xiàn)在以下方面：一是船廂對接時須跟蹤引航道水位變化，以隨時調(diào)整船廂對接位置，如果引航道水位變化太快、變幅太大，將會延長對接時間、增加對接難度，嚴重時還會導(dǎo)致船廂無法實現(xiàn)對接；二是船廂對接時對船廂內(nèi)水深控制極為嚴格，若對接或解除對接時水位變化幅度超過±0.10 m，則須啟動補水或排水系統(tǒng)以調(diào)整船廂水深，從而延長升船機運行時間，如果對接時水位變化超過±0.60 m時將導(dǎo)致安全機構(gòu)動作，升船機進入事故狀態(tài)；三是船舶進出船廂時，如果船廂內(nèi)水位快速降低，就會存在船舶觸底風(fēng)險，影響至升船機船廂廂體結(jié)構(gòu)和運行船舶的安全［2］。鑒于引航道內(nèi)水位變化直接影響到升船機的正常安全運行，升船機總體設(shè)計規(guī)定：下游引航道最大水位變率為±0.50 m/h。水力學(xué)試驗表明：上游引航道水位變率在設(shè)計允許范圍內(nèi)，而下游引航道水位變率及水位變率都存在超過設(shè)計值的問題。2016年3月，三峽升船機已進行了首次實船試驗，計劃于今年6月進行船舶試航及試運行，并即將投入正式運行。為此，升船機下閘首水位變率超過設(shè)計值的問題，已經(jīng)成為升船機能否如期投入使用及正常運行而急待解決的重要問題［6］。

根據(jù)下游引航道實際，可在升船機下游引航道內(nèi)設(shè)置“混凝土結(jié)構(gòu)+鋼質(zhì)工作閘門”的工程措施，將非恒定流產(chǎn)生的波浪攔截在升船機下閘首的下游，以起到有效消減升船機下閘首處的水位變率：當(dāng)工作閘門關(guān)閉時，工作閘門和混凝土結(jié)構(gòu)在引航道內(nèi)起到分隔上下游水體的作用，以消減阻隔波浪進入引船機下閘首區(qū)域，確保船廂對接水位變化滿足設(shè)計要求；當(dāng)工作閘門處于開啟狀態(tài)時，船舶可以順暢地進出升船機船廂或下引航道。為敘述方便，本文將采取的這種工程措施暫時稱為防浪閘。

本文利用水力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)、數(shù)值計算、船舶過壩運行工藝以及現(xiàn)場勘查等技術(shù)手段與方法，提出了防浪閘布置方案，并通過MIKE21數(shù)值模型進行了防浪閘的效果檢驗和方案優(yōu)化，分析研究了升船機與防浪閘的聯(lián)合運行工藝?？梢越鉀Q下閘首水位變率超過設(shè)計值影響升船機正常運行的問題，保障升船機的正常運行。

1水力學(xué)模型概況

水力學(xué)模型的作用包括兩個方面，一是檢驗設(shè)置防浪閘以后的消波效果，二是對防浪閘工作閘門布置方式進行優(yōu)化。由于計算區(qū)域岸線比較復(fù)雜，因此選擇無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模式的MIKE21數(shù)值模型，選用MIKE21_FM模塊進行涌浪過程的模擬。

模型計算范圍為升船機下游引航道和三峽船閘下游引航道的整個區(qū)域，包括沖沙閘下游泄流通道和下游引航道口門區(qū)等。防浪閘附近及其上游水域為分析結(jié)算的重點，網(wǎng)絡(luò)分辨率小于10 m，其他區(qū)域網(wǎng)格分辨率約30 m。

模型主要計算當(dāng)下游開邊界傳入非恒定流時，升船機閘首區(qū)域的水位波動特征。為全面了解升船機下游引航道內(nèi)波浪傳遞過程，重點掌握升船機下閘首及防浪閘工程地點水位變化情況。模型計算選取了4個待計算水位點。其中：point1位于三峽升船機下閘首，point2點位于升船機下游靠船墩下游側(cè)（方案一上游），point3位于覃家沱大橋下游（方案一下游），point4位于下游引航道口門區(qū)。數(shù)學(xué)模型計算范圍、網(wǎng)絡(luò)劃分及水位測點位置等見圖1。采用2014年原型觀測資料中point4實測的水位觀測資料，對計算結(jié)果進行率定，率定結(jié)果表明：模型計算結(jié)果與實測資料基本一致，絕對精度在93％以上。

數(shù)值計算表明：若不采取任何工程措施，升船機下閘首區(qū)域水位小時變動特征值將超過0.5 m/h，按2014年9月18日實測水位資料計算的水位變率達0.9 m/h，大大超過設(shè)計允許值。不能滿足升船機與下閘首之間的對接要求，影響到升船機的正常運行。

圖1 數(shù)學(xué)模型計算范圍及水位測點位置示意圖Fig.1 Sketch of calculation range of mathematical model and water level measuring point location

2防浪閘隔浪效果計算分析

2.1防浪閘設(shè)置在靠船墩下游側(cè)（方案一）

2.1.1方案布置簡述

本方案位于升船機下游靠船墩下游側(cè)，原升船機下游引航道圍堰處。主要優(yōu)勢有：一是該處左、右岸地勢相對平坦、道路通暢，有利于工程設(shè)備設(shè)施的布置、工程施工及后期運行維護；二是該方案可在上游形成長約560 m、寬80～100 m水域，且在左右岸均布置有靠船墩，便于船舶?？俊?，有利于船舶的通航調(diào)度與組織；三是該處航道凈寬約105 m，平面布置較為靈活，可按上下行船舶分道行駛布置過船通道。為降低對沖砂閘泄水沖砂效率的影響、便于引導(dǎo)船舶進出，墩體上、下游兩端采用較細長的拋物線型設(shè)計。具體方案為：在航道中心線兩側(cè)布置兩扇主閘門，靠兩岸不通航的水域設(shè)置兩扇輔助閘門，閘門之間設(shè)置3個混凝土閘墩，兩岸設(shè)置2個混凝土邊墩，具體布置示意圖詳見圖2。閘墩及邊墩混凝土結(jié)構(gòu)型式及尺寸等根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、鋼閘門布置、便于沖沙泄流和引導(dǎo)船舶進出等因素確定，建議尺寸為：閘墩寬10 m，拋物線凈長21 m，為便于布置閘門門槽及啟閉機，墩體中部設(shè)8 m的直線段，墩體總長50 m；鋼質(zhì)工作閘門寬根據(jù)升船機過機船寬、船舶允許速度、通航船舶及水工結(jié)構(gòu)安全等因素通過船舶試驗確定，建議工作閘門凈寬22 m；輔助閘門寬度根據(jù)平面布置情況調(diào)整，兩扇輔助閘門建議凈寬10 m；鋼質(zhì)閘門采用上提式平板門。

本工程暫不考慮設(shè)置輸水系統(tǒng)，在鋼質(zhì)閘門與航道底部之間預(yù)留通道，以自行調(diào)節(jié)防浪閘上下游兩側(cè)水位落差。

2.1.2水力學(xué)分析及方案優(yōu)化情況

針對2014年9月18日水位波動情況，對閘門下沿距河床底部之間預(yù)留通道的高度進行了多次試算，結(jié)果表明，預(yù)留通道高度越大，消波效果就越差，反之則消波效果就越好；為避免底部預(yù)留通道太低、水流不暢引起水位壅高等，影響工作閘門的正常開啟等問題，將預(yù)留通道高度設(shè)為1.0 m。

設(shè)置防浪閘以后，下游引航道口門區(qū)域point4的水位小時變幅0.73 m左右，向上游傳至point3時，水位小時變幅逐漸增大至0.75 m左右，進入防浪閘上游的point2和point1兩點小時變幅下降至0.44～0.45 m，升船機下閘首水位變幅已經(jīng)控制在0.5 m/h以下，消波效果完全滿足設(shè)計要求。

2.1.3防浪閘及升船機運行工藝

防浪閘共有3種運行工況，即：（1）通航狀態(tài)。船舶通過防浪閘時，該側(cè)鋼質(zhì)閘門處于開啟狀態(tài)；（2）阻隔波浪狀態(tài)。所有鋼閘門關(guān)閉時，防浪閘處于阻隔波浪進入上游的狀態(tài)；（3）沖沙泄流狀態(tài)。沖砂閘泄水沖砂時，所有閘門全部上提進入門庫，確保水流順暢通過，以免影響沖沙效果。其中前2種工況為升船機正常運行時工藝，防浪閘及升運船聯(lián)合運行工藝見圖3（初始條件是船舶下行進入船廂、防浪閘左側(cè)工作門開啟）。

該方案防浪閘上游的航道尺寸較大，上行和下行船舶可在防浪閘上游區(qū)域完成停泊會船。在升船機下行與下閘首對接之前的時間段內(nèi)，上行船舶提前駛?cè)敕览碎l上游左側(cè)靠船墩停泊等待上行。船廂與下閘首完成對接，下行船舶駛出船廂后停泊至防浪閘上游右側(cè)靠船墩，待上行船舶進入船廂，船廂與下閘首解除對接鎖定、船廂上升以后，再打開防浪閘工作閘，下行船舶駛出防浪閘。因此，采用該方案對升船機運行效率基本沒有影響。

2.2防浪閘設(shè)置在升船機下輔助墻（方案二）

2.2.1方案布置簡述

該方案位于升船機下游輔助導(dǎo)航墻附近，具體布置可按至升船機下閘首之間的距離能夠確保升船機過機船舶安全靠泊的有效長度要求，同時根據(jù)平面布置要求、施工難度、以及對已有設(shè)施的影響程度等因素綜合確定。該方案具有離升船機下閘首近，船舶調(diào)度、運行管理、設(shè)備維修方便等優(yōu)點。具體布置如下：

該處航道寬約40 m，在航道中心線布置一道工作閘門，閘門兩側(cè)設(shè)置閘墩，具體布置詳見圖4。閘墩水工混凝土結(jié)構(gòu)及尺寸、鋼質(zhì)工作閘門尺寸等應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有設(shè)施布置、結(jié)構(gòu)受力、以及便于過機船舶進出等因素確定，在原建筑物兩邊側(cè)墻岸壁上設(shè)置門槽及閘墩；鋼質(zhì)閘門采用上提式平板門。

本工程暫不考慮設(shè)置輸水系統(tǒng)，在鋼質(zhì)閘門與航道底部之間預(yù)留通道，以自行調(diào)節(jié)防浪閘上下游水位落差，確保鋼質(zhì)閘門的正常開啟。

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

圖3 方案一防浪閘和升船聯(lián)合運行工藝流程圖Fig.3 Combined operating process flowchart of wave resistance gate and ship lift in scheme one

2.2.2水力學(xué)分析及方案優(yōu)化情況

針對2014年9月18日水位波動情況，對閘門下沿距河床底部之間預(yù)留高度在3 m、2 m、1 m的情況下計算了消波效果。其中，若閘門下沿距河床底部為1 m，當(dāng)下游口門區(qū)域point4的水位小時變幅0.73 m左右，經(jīng)防浪閘傳至point1時，水位小時變幅基本維持在0.71 m左右，預(yù)留通道越高，水位小時變幅值則越大。數(shù)值計算表明：如閘門下沿與河床之間留有距離，對水位小時變幅無明顯控制作用，下閘首小時水位變幅不能滿足設(shè)計要求。

為此，本方案工作閘門只能采取與河底底部接觸的方案，這樣就能在升船機下閘首處形成靜水區(qū)，徹底解決涌浪對下閘首的影響。為了克服防浪閘上下游之間的水位落差，可采用格柵式鋼質(zhì)平板門，格柵處于關(guān)閉狀態(tài)時，起到阻隔波浪進入升船機上閘首的作用；格柵門開啟時，則成為防浪閘上下游之間的水流通道，起到平衡水位的作用。

2.2.3防浪閘及升船機運行工藝

運行工況：（1）通航狀態(tài)。船舶通過防浪閘時，閘門處于開啟狀態(tài)；（2）阻隔波浪狀態(tài)。閘門及其格柵處于關(guān)閉時，阻隔波浪進入防浪閘上游側(cè)；（3）水位調(diào)節(jié)狀態(tài)。閘門開啟前，先打開閘門上的格柵使其成為上下游之間的水流通道，直到上下游水位平齊；（4）沖沙泄流狀態(tài)。沖砂閘泄水沖砂時，工作閘門及其格柵關(guān)閉，防止泥沙帶入防浪閘上游區(qū)域。其中前3種工況為升船機正常運行時工藝，船舶單向和雙向通過升船機，其運行工藝均有所不同，船舶雙向通過時防浪閘及升運船聯(lián)合運行工藝見圖5（初始條件是船舶下行進入船廂、防浪閘工作閘門及格柵關(guān)閉）。

升船機船廂下行對接前，防浪閘工作閘門及格柵處于關(guān)閉阻隔波浪狀態(tài)，至船廂完成對接動作、并打開船廂下游閘門及下閘首工作閘門以后，在下行船舶駛出船廂的同時打開防浪閘工作閘門格柵調(diào)節(jié)其上下游水位差，再開啟工作閘門以后，下行船舶并駛出防浪閘。這樣就既能保證船廂對接時下閘首波浪完全滿足要求，又可利用船舶駛出船廂這段時間進行防浪閘上下游水位差調(diào)節(jié)及防浪閘工作閘門的提升，以縮短總的運行時間。

上行船舶通過防浪閘駛?cè)肷瑱C船廂時，關(guān)閉工作閘門及格柵阻隔波浪，在下閘首波浪值完全符合設(shè)計要求時，解對接鎖定狀態(tài)，船廂上行。

由于該方案不能在防浪閘上游水域內(nèi)完成通過升船機的船舶會船過程，只能成為上行或下行船舶的單向航行通道，故會影響升船機的運行效率。

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

圖5 防浪閘和升船聯(lián)合運行工藝流程圖Fig.5 Combined operating process of wave resistance gate and ship lift

3消減涌浪高度對升船機運行的影響

3.1船廂水深提高至4 m的可行性

升船機船廂總重（含3.5 m水體）15 500 t，平衡重重量與船廂總重相等。船廂上下運動時，驅(qū)動機構(gòu)僅需克服誤載水深、系統(tǒng)摩擦阻力、機構(gòu)慣性力矩等載荷。船廂處于對接狀態(tài)時，驅(qū)動機構(gòu)小齒輪卸載，船廂由對接鎖定裝置進行豎向支承，對接鎖定機構(gòu)的設(shè)計載荷按照船廂水深3.5 m加上±0.5 m的水位波動，并計入±0.1 m的附加水載荷考慮，因此升船機船廂和閘首工作門處于對接狀態(tài)時，船廂最大水深可以達到4 m。

當(dāng)船廂與下閘首工作門對接時水深為4 m時，船廂需比設(shè)計正常工況多向下運行0.5 m，即驅(qū)動機構(gòu)將運行至62 m高程，螺母柱和齒條至最下端還余2.5 m，下緩沖裝置距船廂室段底板還余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時，船廂運行仍然滿足4 m水深的對接要求［7］。

提高船廂對接狀態(tài)時的水深，升船機對接工藝流程也要作相應(yīng)的調(diào)整。以上行為例，船舶進入船廂后（假設(shè)船廂水深為4 m），關(guān)閉船廂門及下游閘首工作門以后，為確保平衡重量與船廂總重相等，還需排出船廂內(nèi)的多余水體，待船廂水位滿足允許誤載水深3.5±0.1 m的要求時，船廂向上提升。當(dāng)船廂水位低于上游水位0.5 m時與上游閘首工作門對接，然后船廂充水使船廂內(nèi)水位和上游水位平齊以后，再開啟船廂門和上閘首工作門，船舶駛出船廂。

3.2提升船廂水深可增加升船機過機船舶數(shù)量

隨著長江干線船舶標準化的持續(xù)推進，船舶正朝著“大型化、深吃水”方向發(fā)展，能夠通過升船的船舶數(shù)量越來越少。以2011年通過三峽船閘的船舶為例，通過三峽船閘的船舶總數(shù)為3 375艘，符合升船機平面尺度的船舶總數(shù)為2 979艘，這些船舶的滿載吃水分布情況見表1。可見，受船廂水深限制，一些平面尺度滿足要求、吃水深度較大的船舶無法通過升船機。

研究表明，船舶駛離船廂是升船機的過機船舶最大下沉量的控制工況，也是確定過機船舶吃水深度的限定條件。設(shè)置防波體、降低船廂對接時的水位變幅以后，即可將船舶駛離船廂時的水深提高至4 m，從而有效提高過機船舶的吃水標準。按照升船機設(shè)計船型吃水控制標準2.78 m的船舶數(shù)量為577艘，如將吃水控制標準提高至3.0 m及3.2 m時，那滿載通過升船機的船舶數(shù)量將分別增加278艘及250艘，通過升船機的船舶數(shù)量增加了近1倍（表1）。

表1 船舶滿載吃水分布圖Tab.1 Draught distribution diagram of full?laden ship

4結(jié)語

（1）三峽工程建成并投入運行以后，受樞紐水庫調(diào)度、三峽船閘泄水等諸多因素的影響，下游引航道水位變率及變率將超過設(shè)計允許值，必須采取有效的消波措施，使升船機下閘首涌浪滿足設(shè)計要求，才能確保升船機的正常運行。

（2）本文提出兩種工程措施的消波效果均能滿足設(shè)計要求，但僅提出了解決問題的思路，并未對防浪閘總體布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計等進行論證。建議下一步對總體布置、混凝土結(jié)構(gòu)和門體結(jié)構(gòu)、船舶安全進出、運行調(diào)度方式等有關(guān)問題進行深入研究，使防浪閘工程措施更為具體、方案更為可行。

（3）建議結(jié)合三峽樞紐水庫調(diào)度、三峽船閘泄水、下引航水深等因素，深入分析下游引航道往復(fù)流規(guī)律，優(yōu)化防浪閘的運行方式，盡量避免設(shè)置防浪閘以后對升船機運行的影響。比如：當(dāng)三峽升船機下閘首水位變率及變率滿足設(shè)計要求時，即可使防浪閘工作閘門處于開啟、船舶正常通航的狀態(tài)。

致謝：我局升船機管理處鄭衛(wèi)力、金鋒、胡睿以及三峽大學(xué)彭剛、楊忠勇、陳燈紅、柳琪等同志對本文的寫作提供了很多幫助，在此謹致以誠摯的謝意!

［1］朱虹,鄧潤興.三峽升船機總體布置設(shè)計［J］.人民長江,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］謝佩珍.水工樞紐泄洪及電站負荷調(diào)節(jié)對垂直升船機運行的影響［J］.水利學(xué)報,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,孟祥瑋,李金合,等.三峽工程下游引航道通航水流條件試驗［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］梁應(yīng)辰.三峽工程通航建筑物技術(shù)設(shè)計審查［J］.中國工程科學(xué),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.三峽升船機特點淺析［J］.工程建設(shè)與設(shè)計,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］鈕新強,覃利明,于慶奎.三峽工程齒輪齒條爬升式升船機設(shè)計［J］.中國工程科學(xué),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］齊俊麟,張勇,馮小儉,等.設(shè)置輔助閘室解決下引航道非恒定流對三峽升船機運行影響初探［J］.中國水運,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

張勇（1965-），男，重慶人，高級工程師，主要從事通航建筑物通航技術(shù)管理和建設(shè)管理工作。

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