張義軍

(長江航運發(fā)展研究中心，武漢 430014)

三峽工程蓄水后，三峽庫區(qū)的通航條件發(fā)生了重大變化，促進了長江航運發(fā)展[1-2]。三峽樞紐通航建筑物是長江中西部咽喉要道，已經(jīng)成為長江黃金水道的關鍵節(jié)點。三峽升船機是三峽水利樞紐的永久通航設施之一， 2016年9月18日起三峽升船機投入試通航[3]。受升船機通過船舶排水量不超過3 000 t的限制[4]，通過貨物總量受限，主要通過客船及裝載應急物資船舶及搶險救災物資等重點船舶。截至2019年底三峽升船機累計通過旅客35.8萬人次，貨物通過量323.0萬t，較好的為重點船舶提供快速過壩通道和分流功能。隨著沿江經(jīng)濟社會的平穩(wěn)較快發(fā)展，過壩需求將繼續(xù)保持快速增長，需要充分掌握升船機的通航效率情況，為指導相關工作開展提供支撐。

三峽升船機設計[5]日雙向運行36廂次，但該設計值未考慮升船機每次運行轉步狀態(tài)確認時間(指集控人員發(fā)“船廂上/下游解除對接”令及“船廂上/下行對接”令前對升船機運行初始狀態(tài)進行調整及信息確認所需時間，是保障升船機運行安全和設備設施安全必須耗費的時間，需3～4 min)，同時從升船機設計布置實際來看，船舶進出廂總距離超過1 000 m，對照設計文件對進出升船機船舶速度控制要求[6]，船舶無法在設計時間15.67 min內完成通過升船機。上述情況可能導致未來升船機無法達到設計運行水平，需要結合運行實際，科學測算其可能達到的日運行廂次數(shù)。

1 升船機日運行廂次指標

日運行廂次數(shù)是衡量升船機通過能力和運行效率的重要指標，日運行廂次數(shù)為升船機日工作時間除以每廂次運行間隔時間。設計上三峽升船機日工作小時數(shù)為一固定值，因此廂次運行間隔時間是三峽升船機運行效率的決定性要素，日運行廂次數(shù)與廂次運行間隔時間成反比，間隔時間越短，日運行廂次數(shù)越多，同等條件下升船機的通過量就越大，則相應的升船機運行效率越高。

三峽升船機相關設計參數(shù)如下：年工作天數(shù)335 d，日工作小時22 h，日運行18個循環(huán)、雙向運行36廂次，設計設備運行歷時21 min。推算得出設計三峽升船機雙向運行廂次間隔時間約為36.67 min，船舶進出廂歷時：36.67 min-21 min=15.67 min。試通航以來，正常情況下升船機日均運行有載廂次數(shù)一般不低于12個，對于分流日益增長的過壩需求發(fā)揮了積極作用。

2 廂次運行間隔時間計算方法

三峽升船機為承船廂不下水式垂直升船機，現(xiàn)行升船機設計規(guī)范[7]提出了一次過機時間指標的計算方法，按照實際情況分析，廂次運行間隔時間計算方法如下：

(1)單向運行。

單向運行條件下，船舶單向過機，升船機每運行1個來回則通過1個有載廂次的船舶。廂次運行間隔時間T即一次過機時間。

T1=2t1+t2+2t3+4t4+4t5+4t6+4t7+t8+2t9+2t10

(1)

式中：T1為單向一次過機時間，min；t1為上閘首工作閘門開門或關門時間，min；t2為單向第一個船舶(隊)駛入升船機時間，min；t3為承船廂提升或下降時間，min；t4為閘首和承船廂閘門間隙充水或泄水時間，min；t5為閘首和承船廂閘門間隙密封機構推出或收回時間，min；t6為承船廂頂(拉)緊鎖定裝置推出或收回時間，min；t7為對接鎖定裝置推出或收回時間，min；t8為單向第一個船舶(隊)駛出升船機時間，min；t9為下閘首工作門開門或關門時間，min；t10為船舶(隊)駛入或駛出升船機的間隔時間，min。

(2)雙向運行。

雙向運行條件下，上下行各一次的雙向過機時間按下式計算。

(2)

雙向運行條件下，船舶雙向過機，升船機每運行1個來回可通過2個有載廂次的船舶。廂次運行間隔時間為上下行各一次的雙向過機時間的一半。

(3)

T=Te+Ts

(4)

式中：Te為設備運行歷時，min;Ts為船舶進出廂歷時，min。

3 日運行廂次數(shù)分析

3.1 設備運行歷時

對比式(1)和式(3)，升船機單向運行，船舶每過機一次，設備設施需要增加一個“倒空廂”設備運行環(huán)節(jié)，即雙向運行每一廂次，可以將設備歷時縮短到單向運行的一半。三峽升船機通過2017年實施的達標完善措施[8]后，運行穩(wěn)定性較初期有了較大的提高。經(jīng)組織實船測試檢驗，除去故障時間外，包含每次運行所需轉步狀態(tài)確認等時間后，目前雙向運行設備運行歷時約為25 min，單向運行設備歷時約為50 min。

3.2 船舶進出廂歷時

船舶過機歷時與船舶進出廂的距離、平均速度、每次通過升船機的船舶或船隊數(shù)量相關。隨著過壩船舶日益大型化[9]，目前升船機運行每廂次僅能安排1艘船舶通過。

3.2.1 三峽升船機進出船廂距離

船舶行駛距離與升船機靠船建筑物布置(圖1)和船舶長度密切相關。

根據(jù)設計文件，上游靠船墩距上閘首253 m，上閘首長130 m，船廂長132 m(上下端共伸入閘首11 m)，下閘首長37.15 m，下游靠船墩距下閘首300 m,上下游靠船墩水域總長分別約為90 m和100 m(圖1)。由于上游靠船墩與升船機軸線存在約26°的夾角，根據(jù)船舶的航行路線推算，靠船墩距上閘首距離=256 m+22 m=278 m。設計船型單船平面主尺度為84.5 m(總長)×17.2 m(總寬)×2.65 m(吃水)，為充分發(fā)揮升船機通航效益，現(xiàn)行升船機通航技術要求明確船舶集泊最大長度為110 m，新建通過升船機的船舶總長≤105.0 m。105 m長度的船舶將成為未來過升船機的主流船型，測算運行效率時船長取105 m。

圖1 三峽升船機布置示意圖Fig.1 Sketch of the Three Gorges ship lift

(1)雙向運行。

①船舶下行：駛入距離包含靠船墩至閘首之間的距離、閘首長度和船舶在船廂內行駛的距離。如果船廂伸入閘首部分計入閘首長度，則船廂水域的實際長度約為121 m，船舶行駛至廂標識約5 m或115 m處，距另一側船廂門約6 m。因此駛入距離=278 m+130 m+115 m=523 m；駛出距離包括船首在船廂內的剩余距離、另一側閘首長度、船舶總長、閘首距下游靠船墩距離以及靠船墩的長度，因此駛出距離=6 m+37.15 m+105 m+300 m+100 m=548.15 m。即下行船舶進出廂總距離約為1 071.15 m。

②船舶上行：同樣分析得出，駛入距離=300 m+37.15 m+115 m=452.15 m，駛出距離=6 m+130 m+105 m+278 m+90 m=609 m。即下游上行船舶進出廂總距離1 061.15 m。

(2)單向運行。

當前情況下，船舶駛入距離與雙向運行一致，下行523 m，上行452.15 m；駛出距離減少，下行148.15 m，上行241 m。上下行船舶進出廂總距離將分別減少為693.15 m和671.15 m。

3.2.2 設計日運行廂次

三峽-葛洲壩水利樞紐通航設施實行“統(tǒng)一調度、聯(lián)合運行”的調度方式[10]，三峽升船機一般采取迎向運行(即雙向運行)方式。三峽升船機設計文件明確船舶在引航道中行駛速度不超過1.0 m/s，在上下閘首及升船機船廂中行駛速度不超過0.5 m/s。按照各個區(qū)間距離進行加權，全過程平均速度約為0.7 m/s，以下簡稱上限速度。按照設計反推的船舶進出廂歷時約為15.67 min反算，船舶進出閘過程中平均速度約為1.14 m/s，已經(jīng)超過了上限速度，因此船舶無法在設計文件明確的航行速度要求下15.67 min完成進出船廂這一過程，故重新按照設計文件明確的速度控制要求進行船舶進出升船機歷時和日運行廂次的測算，設備運行歷時雙向取25 min，單向取50 min。由此計算得出的升船機單向運行時，上下行日運行廂次分別為19.4廂次、19.5廂次，升船機雙向運行時，日運行廂次為26.8廂次。

(1)單向運行。

①上行：Ts=300/1/60+(37.15+132+130+105-11)/0.5/60=18.1 min，日運行19.4廂次；

②下行：Ts=278/1/60+(37.15+132+130+105-11)/0.5/60=17.7 min，日運行19.5廂次。

表1 三峽升船機實際運行情況統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of actual operation of the Three Gorges ship lift

(2)雙向運行。

上行：Ts=300/1/60+(37.15+132+130+105-11)/0.5/60+(278+90)/1/60=24.2 min。

下行：Ts=278/1/60+(37.15+132+130+105-11)/0.5/60+(300+100)/1/60=24.4 min；

日運行26.8廂次。

3.2.3 實際日運行廂次

三峽升船機自2016年9月18日起投入試通航，截至2020年底，已累計運行11 221廂次，各年度運行情況以及日平均運行廂次見表1。由表可見，2017～2020年升船機實際日均運行廂次數(shù)僅分別為9.9廂次、13.4廂次、9.4廂次和7.6廂次。與設計的日運行廂次差距較大。其主要原因是由于過壩船型日益大型化，通航船舶船型技術要求高，目前適合通過升船機的船舶數(shù)量相對較少，升船機運行尚未達到滿負荷運行狀態(tài)。

為進一步分析三峽升船機實際運行能力，本文進行了船舶通過升船機的歷時統(tǒng)計，根據(jù)運行記錄顯示，2017～2020年船舶通過三峽升船機平均歷時分別為65 min、55 min、52 min和53 min，由此可以推算升船機在滿負荷狀態(tài)下的日運行廂次數(shù)可分別達到20.3廂次、24廂次、25.4廂次和24.9廂次。

三峽升船機試通航初期(2017～2018年)，交通運輸部門組織對船舶進出船廂時間進行了測試，由于升船機在運行初期，船舶駕駛人員經(jīng)驗缺乏以及受人為心理因素的影響，船舶航行速度相對較慢，測試船舶從靠船墩至閘首間航行平均速度約為0.8 m/s，船舶在上下閘首之間和船廂內航行期間的平均速度約為0.3 m/s，全過程的平均速度不到0.5 m/s。根據(jù)該實測船速計算得出的升船機單向運行時，上下行日運行廂次分別為16.9廂次、17.0廂次，升船機雙向運行時，日運行廂次為21.7廂次，這與基于2017年升船機實際運行歷時推算出的日運行廂次(20.3廂次)相差不大。

(1)升船機運行初期船速條件下的單向運行。

①上行：Ts=300/0.8/60+(37.15+132+130+105-11)/0. 3/60=28.1 min，日運行16.9廂次；

②下行：Ts=278/0.8/60+(37.15+132+130+105-11)/0. 3/60=27.6 min，日運行17.0廂次；

(2)升船機運行初期船速條件下的雙向運行。

上行：Ts=300/0.8/60+(37.15+132+130+105-11)/0. 3/60+(278+90)/0.8/60=35.8 min；

下行：Ts=278/0.8/60+(37.15+132+130+105-11)/0. 3/60+(300+100)/0.8/60=36.0 min；

日運行21.7廂次。

隨著升船機運行技術日趨成熟，船舶駕駛員操作熟練程度逐步提升，經(jīng)過一段時間的磨合后，船舶航行及進出升船機速度進一步提升。較理想的條件下，船舶靠船墩至閘首間航行平均速度提升至0.9 m/s，上下閘首及船廂內航行平均速度提升至0.4 m/s，全過程平均速度接近0.6 m/s，根據(jù)該船速計算得出的升船機單向運行時，上下行日運行廂次分別為18.4廂次、18.5廂次，升船機雙向運行時，日運行廂次為24.5廂次，這與基于2018～2020年升船機實際運行歷時推算出的日運行廂次基本一致，表明通過4 a多的運行，升船機運行管理經(jīng)驗、通過升船機船舶操作熟練程度進一步增加，船舶過廂平均速度顯著提高，已經(jīng)實現(xiàn)了較高的運行效率，正常情況下船舶通過三峽升船機歷時可以控制在1 h以內，較好地發(fā)揮了快速過壩功能和船閘分流作用。

(1)升船機運行技術成熟條件下的單向運行。

①上行：Ts=300/0.9/60+(37.15+132+130+105-11)/0.4/60=21.9 min，日運行18.4廂次；

②下行：Ts=278/0.9/60+(37.15+132+130+105-11)/0.4/60=21.5 min，日運行18.5廂次。

表2 三峽升船機設計與實際日運行廂對比表Tab.2 Comparison between design and actual daily operation of the Three Gorges ship lift

(2)升船機運行技術成熟條件下的雙向運行。

上行：Ts=300/0.9/60+(37.15+132+130+105-11)/0.4/60+(278+90)/0.9/60=28.8 min；

下行：Ts=278/0.9/60+(37.15+132+130+105-11)/0.4/60+(300+100)/0.9/60=28.9 min。

日運行24.5廂次。

3.2.3 設計與實際日運行廂次對比

三峽升船機日運行廂次設計計算與實際運行情況的對比見表2。三峽升船機日運行廂次的設計參數(shù)為日運行18個循環(huán)、雙向運行36廂次，根據(jù)船舶在引航道和升船機船廂中的航行速度限制要求，重新計算出的升船機設計日運行廂次為單向19.4廂次、雙向26.8廂次。實際運行中，在高效的運行條件和滿負荷狀態(tài)下升船機的日運行廂次最大為單向18.4廂次、雙向24.5廂次。設計與實際運行廂次的差異主要是因船舶在引航道和升船機船廂中的航行速度不同而致，由于在實際運行過程中受外界條件以及人為因素的影響，船舶在引航道和升船機船廂中的航行速度難以達到設計上限，所以船舶進出船廂的歷時要大于設計條件，進而造成日運行廂次小于設計值。此外，由于當前通過三峽大壩的貨物上下行流向分布不均衡，實際運行中三峽升船機單向運行的時間較多，以及升船機運行尚未達到滿負荷運行狀態(tài)，這將進一步導致升船機實際日運行廂次的減少。

4 結束語

根據(jù)三峽升船機布置實際情況，按照設計每天運行22 h和規(guī)定的航速測算，三峽升船機日運行廂次數(shù)無法達到設計的36廂次。在比較理想的運行條件下，測算得出三峽升船機日運行廂次數(shù)為單向運行18.4廂次或雙向運行24.5廂次，經(jīng)過4 a多的運行積累，已經(jīng)實現(xiàn)了較高的運行效率。為進一步提高運行效率，可以研究將船舶駛入升船機?？课恢眠M一步靠攏，通過采取工程措施改進升船機導航墻段停泊條件，將單向運行條件下船舶的駛入?？课恢糜煽看諆?yōu)化至導航墻距離閘首約50 m處，則上、下行船舶駛入距離可分別進一步縮短至202.15 m和295 m，駛出距離不變。上下行船舶進出廂總距離將縮短至443.15 m，則理想狀態(tài)下船舶進出廂歷時將降至15 min以內，日單向運行廂次數(shù)有望從17廂次提高至20廂次。