龔國(guó)慶，徐 剛，徐 淵

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，宜昌 443000)

表1 三峽升船機(jī)運(yùn)行條件Tab.1 Operation conditions of Three Gorges Shiplift

三峽升船機(jī)是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)難度最高、運(yùn)行工藝最復(fù)雜的全平衡垂直升船機(jī)，其過(guò)船規(guī)模為3 000 t級(jí)，最大提升高度為113 m，上游通航水位變幅30 m，下游通航水位變幅11.8 m[1]。三峽升船機(jī)正常運(yùn)行時(shí)上、下游水位條件如表1所示。

現(xiàn)代化大型升船機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)，國(guó)外升船機(jī)大多建于人工運(yùn)河上，航道水位變幅很小，船廂與閘首一般在固定位置對(duì)接。而三峽水利樞紐具有較大的防洪庫(kù)容，且枯水期和汛期過(guò)壩流量差異大，使得上、下游水位變幅大；同時(shí)，三峽水電站具有較大的調(diào)峰容量，受樞紐水庫(kù)調(diào)度[2]、三峽船閘泄水[3]等諸多因素影響，造成上下游涌浪高、下游水位變率快[4]。因而，三峽升船機(jī)的運(yùn)行條件比其他水利樞紐或運(yùn)河設(shè)置的升船機(jī)要復(fù)雜得多。該類升船機(jī)國(guó)內(nèi)外尚無(wú)運(yùn)行的先例，缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。鑒于此，本文通過(guò)三峽升船機(jī)船廂與閘首工作門(mén)正常對(duì)接運(yùn)行的條件，分析閘首工作門(mén)在不同門(mén)位對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)通航水位的臨界水位附近變化時(shí)，三峽升船機(jī)可靠運(yùn)行的極限水位和最高擋水水位，為三峽升船機(jī)安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 三峽升船機(jī)閘首工作門(mén)

三峽升船機(jī)在上、下閘首分別布置有一套工作門(mén)，由于上、下游水位變幅和變率不同，兩套工作門(mén)的結(jié)構(gòu)形式和調(diào)整方式均不相同。

上閘首工作門(mén)由一扇工作大門(mén)和7節(jié)工作疊梁門(mén)組成，工作大門(mén)置于疊梁門(mén)的頂部，如圖1所示。上閘首工作大門(mén)可適應(yīng)單節(jié)工作疊梁門(mén)高度(±3.75 m)的水位變化，當(dāng)上游水位變幅超出工作大門(mén)的適應(yīng)范圍時(shí)，通過(guò)增加或減少工作疊梁門(mén)的方式適應(yīng)上游的水位變化[5]。上閘首工作門(mén)設(shè)計(jì)適應(yīng)水位范圍如表2所示。

圖1 上閘首工作門(mén)Fig.1 Working door of upper gate head

表2 上閘首工作門(mén)設(shè)計(jì)適應(yīng)水位Tab.2 Design of upper gate head working door to adapt to water level m

圖2 下閘首工作門(mén)Fig.2 Working door of lower gate head

下閘首工作大門(mén)共設(shè)置有6個(gè)鎖定位，自上而下依次編號(hào)為：1#鎖定位、2#鎖定位、3#鎖定位、4#鎖定位、5#鎖定位、6#鎖定位，如圖2所示。下閘首工作大門(mén)可適應(yīng)1.97 m通航水位變化，當(dāng)下游水位變幅超過(guò)工作大門(mén)的適應(yīng)范圍時(shí)，由工作大門(mén)頂部的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，通過(guò)升降工作大門(mén)改變鎖定位的方式適應(yīng)下游的水位變化。下閘首工作門(mén)設(shè)計(jì)適應(yīng)水位范圍如表3所示。

表3 下閘首工作門(mén)設(shè)計(jì)適應(yīng)水位Tab.3 Design of lower gate head working door to adapt to water level m

上下游引航道水位變化對(duì)運(yùn)行的影響主要有四個(gè)方面：

(1)是水位變化超出了閘首工作門(mén)的適應(yīng)范圍，需要對(duì)閘首工作門(mén)門(mén)位進(jìn)行調(diào)整，影響通航效率；

(2)是閘首臥倒小門(mén)處于擋水狀態(tài)時(shí)，引航道涌浪或水位變幅超過(guò)±0.5 m，可能會(huì)漫過(guò)閘首工作門(mén)進(jìn)入承船廂；

(3)是船廂在向閘首上行或下行過(guò)程中，如果接近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)航道水位發(fā)生較大變化，將導(dǎo)致對(duì)接失?。?/p>

(4)是當(dāng)船廂與閘首處于對(duì)接狀態(tài)時(shí)[6]，引航道水位變化會(huì)導(dǎo)致船廂誤載水深增大，船廂水深超出一定范圍就需要通過(guò)船廂水深調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加了運(yùn)行時(shí)間，如果船廂水深進(jìn)一步變化就會(huì)導(dǎo)致安全結(jié)構(gòu)動(dòng)作，過(guò)廂船舶有擱淺和觸底風(fēng)險(xiǎn)。

2 水位變化對(duì)閘首工作門(mén)調(diào)整的影響

表2、表3中規(guī)定的設(shè)計(jì)水位范圍是連續(xù)的區(qū)間，工作門(mén)調(diào)整水位都是一個(gè)臨界值。但是在實(shí)際運(yùn)行中，由于上、下游水位不斷變化中，特別是下游水位變率達(dá)0.5 m/h，并且工作門(mén)調(diào)整需要一定時(shí)間，尤其是上閘首調(diào)整工作疊梁門(mén)數(shù)量，所需時(shí)間更長(zhǎng)，因此，我們對(duì)實(shí)際運(yùn)行中調(diào)整閘首工作門(mén)位的極限水位以及閘首臥倒小門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)下的最高擋水位進(jìn)行分析。

影響閘首工作門(mén)門(mén)位的主要因素有：

(1)閘首工作大門(mén)門(mén)頂必須高于上/下游水位0.5 m以上；

(2)船廂內(nèi)水位始終為3.5 m；

(3)船廂內(nèi)水位須與上/下游水位齊平；

(4)船廂與閘首工作大門(mén)對(duì)接后船廂間隙密封機(jī)構(gòu)上P形止水橡皮須位于工作大門(mén)U形不銹鋼止水座板范圍內(nèi)；

(5)閘首臥倒小門(mén)打開(kāi)后檻上水深須滿足最小通航水位3.5 m。

3 上閘首工作門(mén)門(mén)位與上游通航水位對(duì)應(yīng)關(guān)系

以門(mén)位8(不加疊梁門(mén))為例。

門(mén)位8時(shí)上游設(shè)計(jì)適應(yīng)通航水位變化范圍是145.0～148.75 m。

3.1 上游水位145 m

圖3 上游水位為145 m時(shí)船廂與上閘首工作大門(mén)對(duì)接示意圖(圖中尺寸單位為mm，高程單位為m)Fig.3 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the upstream water level is 145 m

當(dāng)上游水位為145 m時(shí)船廂與上閘首工作大門(mén)對(duì)接后如圖3所示。

船廂與上閘首工作大門(mén)對(duì)接后，船廂間隙密封機(jī)構(gòu)上的P型止水橡皮中心距大門(mén)上U形不銹鋼止水座板下沿0.155 m，此時(shí)臥倒小門(mén)檻上水深3.7 m，大門(mén)門(mén)頂距上游水位5.45 m。

不調(diào)整工作門(mén)位，水位可進(jìn)一步下降，當(dāng)船廂間隙密封機(jī)構(gòu)上的P型止水橡皮中心剛好與大門(mén)上U形不銹鋼止水座板下沿齊平時(shí)，為門(mén)位8時(shí)的下極限水位：145 m-0.155 m=144.845 m，此時(shí)臥倒小門(mén)檻上水深3.545 m，大門(mén)門(mén)頂距上游水位5.605 m。

3.2 上游水位148.75 m

圖4 上游水位為148.75 m時(shí)船廂與上閘首工作大門(mén)對(duì)接示意圖(圖中尺寸單位為mm，高程單位為m)Fig.4 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the upstream water level is 148.75 m

當(dāng)上游水位為148.75 m時(shí)，船廂與上閘首工作大門(mén)對(duì)接后如圖4所示。

船廂與上閘首工作大門(mén)對(duì)接后，船廂間隙密封機(jī)構(gòu)上的P型止水橡皮中心距大門(mén)上U形不銹鋼止水座板上沿0.2 m，此時(shí)臥倒小門(mén)檻上水深7.45 m，大門(mén)門(mén)頂距上游水位1.7 m。

不調(diào)整工作門(mén)位，水位可進(jìn)一步上升，當(dāng)船廂間隙密封機(jī)構(gòu)上的P型止水橡皮中心剛好與大門(mén)上U形不銹鋼止水座板上沿齊平時(shí)，為門(mén)位8時(shí)的上極限水位：148.75 m+0.2 m=148.95 m，此時(shí)臥倒小門(mén)檻上水深7.65 m，大門(mén)門(mén)頂距上游水位1.5 m。

由于上游最大涌浪高為0.5 m，則上閘首臥倒小門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)下的最高擋水位為：148.75 m+1.2 m=149.95 m，此時(shí)大門(mén)門(mén)頂距上游水位0.5 m。

因此，當(dāng)上閘首工作門(mén)處于門(mén)位8時(shí)，船廂與上閘首工作門(mén)正常對(duì)接的上游極限通航水位范圍是144.845 ～148.95 m，上閘首臥倒小門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)下的最高擋水位為149.95 m。

以此類推，可分別得出上閘首工作門(mén)處于不同門(mén)位時(shí)，船廂與上閘首工作門(mén)正常對(duì)接的上游極限通航水位以及上閘首臥倒小門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)下的最高擋水位如表4所示。

表4 上閘首工作門(mén)極限通航水位與最高擋水位Tab.4 Limit navigable water level and maximum retaining water level of upper gate head working door m

相鄰兩個(gè)門(mén)位極限通航水位的重疊運(yùn)行區(qū)間為0.355 m。當(dāng)上游水位在重疊區(qū)間內(nèi)時(shí)，工作門(mén)無(wú)論處于這兩個(gè)門(mén)位中的哪個(gè)狀態(tài)，均滿足船廂與上閘首對(duì)接的運(yùn)行要求。以門(mén)位7和門(mén)位8為例，如圖5所示。

4 下閘首工作門(mén)門(mén)位與下游通航水位對(duì)應(yīng)關(guān)系

以6#鎖定位為例。

6#鎖定位時(shí)下游設(shè)計(jì)適應(yīng)通航水位變化范圍是61.98～63.95 m。

4.1 下游水位61.98 m

當(dāng)下游水位為61.98 m時(shí)，船廂與下閘首工作大門(mén)對(duì)接后如圖6所示。

圖5 相鄰兩個(gè)門(mén)位極限通航水位的重疊運(yùn)行區(qū)間Fig.5 Overlapping operation interval of limit navigable water level at two adjacent gate positions圖6 下游水位為61.98 m時(shí)船廂與上閘首工作大門(mén)對(duì)接示意圖(圖中尺寸單位為mm,高程單位為m)Fig.6 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the downstream water level is 61.98 m

船廂與下閘首工作大門(mén)對(duì)接后，船廂間隙密封機(jī)構(gòu)上的P型止水橡皮中心距大門(mén)上U形不銹鋼止水座板下沿0.405 m，此時(shí)臥倒小門(mén)檻上水深3.58 m，大門(mén)門(mén)頂距下游水位3.02 m。

不調(diào)整工作門(mén)位，水位可進(jìn)一步下降，此時(shí)，水位制約條件不是止水與止水座板，而是臥倒小門(mén)檻上水深。當(dāng)閘首臥倒小門(mén)打開(kāi)后檻上水深剛好3.4 m時(shí)(運(yùn)行工藝流程中下閘首臥倒小門(mén)開(kāi)啟的閉鎖條件為“3.4 m≤下閘首工作大門(mén)檻上水深≤5.95 m”)，為6#鎖定位時(shí)的下極限水位：61.98 m-0.18 m=61.8 m，此時(shí)臥倒小門(mén)檻上水深3.4 m，大門(mén)門(mén)頂距下游水位3.2 m。

4.2 下游水位63.95 m

當(dāng)下游水位為63.95 m時(shí)，船廂與下閘首工作大門(mén)對(duì)接后如圖7所示。

船廂與下閘首工作大門(mén)對(duì)接后，船廂間隙密封機(jī)構(gòu)上的P型止水橡皮中心距大門(mén)上U形不銹鋼止水座板下沿2.375 m，距止水座板上沿1.625 m，此時(shí)臥倒小門(mén)檻上水深5.55 m，大門(mén)門(mén)頂距下游航道水位1.05 m。

不調(diào)整工作門(mén)位，水位可進(jìn)一步上升，由于下閘首不銹鋼止水面余量較大，此時(shí)，水位制約條件是運(yùn)行工藝流程中的閉鎖條件。當(dāng)閘首臥倒小門(mén)打開(kāi)后檻上水深剛好5.95 m時(shí)，為6#鎖定位時(shí)的上極限水位：63.95 m+0.4 m=64.35 m，此時(shí)臥倒小門(mén)檻上水深5.95 m，大門(mén)門(mén)頂距下游水位0.65 m。

由于下游最大涌浪高為0.5 m，則下閘首臥倒小門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)下的最高擋水位為：63.95 m+0.55 m=64.5 m，此時(shí)大門(mén)門(mén)頂距上游水位0.5 m。

表5 下閘首工作門(mén)極限通航水位與最高擋水位Tab.5 Limit navigable water level and maximum retaining water level of lower gate head working door m

因此，當(dāng)下閘首工作門(mén)處于6#鎖定位時(shí)，船廂與下閘首工作門(mén)正常對(duì)接的下游極限通航水位范圍是61.8～64.35 m，下閘首臥倒小門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)下的最高擋水位為64.5 m。

以此類推，可分別得出下閘首工作門(mén)處于不同門(mén)位時(shí)，船廂與下閘首工作門(mén)正常對(duì)接的下游極限通航水位以及下閘首臥倒小門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)下的最高擋水位如表5所示。

相鄰兩個(gè)鎖定位極限通航水位的重疊運(yùn)行區(qū)間為0.58 m。當(dāng)下游水位在重疊區(qū)間內(nèi)時(shí)，工作門(mén)無(wú)論處于這兩個(gè)鎖定位中的哪個(gè)狀態(tài)，均滿足船廂與下閘首對(duì)接的運(yùn)行要求。以5#和6#鎖定位為例，如圖8所示。

圖7 下游水位為63.95 m時(shí)船廂與上閘首工作大門(mén)對(duì)接示意圖(圖中尺寸單位為mm,高程單位為m)Fig. 7 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the downstream water level is 63.95 m圖8 相鄰兩個(gè)鎖定位極限通航水位的重疊運(yùn)行區(qū)間Fig.8 Overlapping operation intervals of limit navigable water level at two adjacent locking positions

5 結(jié)論

本文通過(guò)船廂與閘首工作門(mén)正常對(duì)接運(yùn)行的條件，計(jì)算閘首工作門(mén)處于不同門(mén)位時(shí)升船機(jī)可靠運(yùn)行的極限水位和最高擋水水位，結(jié)論如下：

(1)上閘首的重疊運(yùn)行區(qū)間為0.355 m，下閘首的重疊運(yùn)行區(qū)間為0.58 m，下閘首適應(yīng)水位的裕度更大一些，而且下閘首工作門(mén)的調(diào)整操作時(shí)間遠(yuǎn)小于上閘首，因此水位變化對(duì)工作門(mén)調(diào)整的影響主要反映在上閘首。

(2)在每一節(jié)疊梁門(mén)和每一個(gè)鎖定位的設(shè)計(jì)水位運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，工作門(mén)門(mén)頂與最高設(shè)計(jì)運(yùn)行水位都有較大的余量，上游為1.7 m，下游為1.05 m，大于最大涌浪0.5的運(yùn)行要求，因此發(fā)生航道水漫過(guò)閘首工作門(mén)的可能性較小。

(3)上下游水位在重疊區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，水位波動(dòng)很容易導(dǎo)致超出極限水位范圍，船廂與閘首工作門(mén)不能正常對(duì)接，如果不能正確地判斷是短時(shí)的水位波動(dòng)還是水位的持續(xù)變化，就會(huì)陷入兩難，不知道是應(yīng)該停下來(lái)等候水位恢復(fù)還是立即調(diào)整門(mén)位，因此后續(xù)還需通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)分析上下游水位變化規(guī)律進(jìn)一步研究討論。