水位變動(dòng)對三峽升船機(jī)船廂下游對接運(yùn)行操作的影響

尚 樺,李 若

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽升船機(jī)是三峽水利樞紐永久通航建筑之一，其主要作用是為客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道[1]。三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)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[2]，下游水位變化率±0.5 mh。具有提升高度和提升質(zhì)量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化快的特點(diǎn)[3]，是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的升船機(jī)[4]。其船廂有效水域?yàn)?20 m×18 m×3.5 m(長×寬×水深)，根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《三峽升船機(jī)通航船舶船廂技術(shù)要求(試行)》，通過升船機(jī)的船舶總長≤110.0 m、總寬≤17.2 m，船舶最大吃水控制為2.7 m。

三峽升船機(jī)與上、下游對接過程船廂及引航道水力問題是升船機(jī)運(yùn)行過程中較為關(guān)鍵的問題[5]。運(yùn)行操作的安全可靠，對確保三峽升船機(jī)安全運(yùn)行具有重要意義。

1 船廂下游對接時(shí)水位變動(dòng)情況

三峽升船機(jī)下游引航道具有水位波動(dòng)大、變化快的特點(diǎn)，對升船機(jī)的運(yùn)行帶來不利影響，如船廂下行停位時(shí)須實(shí)時(shí)跟蹤下游引航道水位變化，以調(diào)整船廂對接位置[6]，增加了對接難度和對接次數(shù)，降低了升船機(jī)運(yùn)行效率；船舶進(jìn)出廂時(shí)，下游引航道水位快速變化，增加船舶觸底或設(shè)備漫水的風(fēng)險(xiǎn)，影響升船機(jī)和船舶安全。

從三峽升船機(jī)試通航以來水位引起的礙航故障(故障時(shí)間超過30 min)看，船廂與下游保持對接狀態(tài)時(shí)間較長，下游引航道水位短時(shí)漲落變動(dòng)較快，會(huì)導(dǎo)致船舶進(jìn)廂過程中船廂水深上漲，隨之產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)點(diǎn)對接鎖定機(jī)構(gòu)鎖定到位信號丟失、對接機(jī)構(gòu)退讓、安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作、船廂水深過高排水超時(shí)以及下廂頭密封框油缸偏差過大等一系列故障。對接時(shí)間越長、水位變動(dòng)越大，越容易出現(xiàn)以上故障，以致擴(kuò)大成礙航故障，嚴(yán)重影響通航效率，加大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。目前，三峽升船機(jī)下行船舶出廂歷時(shí)約9 min30 s，上行船舶進(jìn)廂歷時(shí)約19 min，若升船機(jī)雙向運(yùn)行，上行船舶須等待會(huì)船結(jié)束后才可進(jìn)廂。為保證船舶正常進(jìn)出廂，船廂與下游保持對接狀態(tài)須持續(xù)30 min以上。

正常情況下，即三峽樞紐電廠未調(diào)峰、泄洪時(shí)，下游水位波動(dòng)較小，船廂與下游保持對接狀態(tài)時(shí)船廂水深在3.4～3.6 m之間波動(dòng)，漲落平穩(wěn)。若三峽樞紐電廠調(diào)峰、泄洪時(shí)，下游水位波動(dòng)較大，船廂與下游保持對接狀態(tài)時(shí)船廂水深漲落較快，易快速上漲至3.8 m，繼續(xù)上漲有設(shè)備漫水的危險(xiǎn)。本文選取三峽樞紐電廠調(diào)峰下游水位波動(dòng)較大時(shí)期，船廂與下游保持對接狀態(tài)30 min內(nèi)等待上行船舶進(jìn)廂時(shí)的船廂水深數(shù)據(jù)，其船廂水深變化趨勢如圖1所示。從圖1可知，船廂與下游水位保持連通時(shí)船廂水深波動(dòng)劇烈。

圖1 船廂與下游對接時(shí)船廂水深變化趨勢

船廂與下游對接時(shí)，集控室界面會(huì)同時(shí)顯示船廂水深、船廂與下游偏差等數(shù)值，可直接觀察到船廂水深、船廂與下游偏差變化，兩者有一定的隨動(dòng)關(guān)系。

隨后，對船廂與下游對接時(shí)的船廂水深、船廂與下游偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行大量采集，發(fā)現(xiàn)船廂水深、船廂與下游偏差數(shù)據(jù)都在一定數(shù)值范圍內(nèi)變化，且數(shù)值在小范圍內(nèi)變化不大。為分析兩者之間的關(guān)系，選取具有代表性的220個(gè)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 船廂與下游對接時(shí)船廂與下游偏差數(shù)據(jù)

對船廂與下游對接時(shí)的船廂水深、船廂與下游偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，擬合曲線如圖3所示。

圖3 船廂與下游對接時(shí)船廂與下游偏差數(shù)據(jù)擬合曲線

擬合得出：

Δd=-0.948 8sd+3.269 7

(1)

式中：Δd為船廂與下游偏差(m)；sd為船廂水深(m)。

通過曲線擬合可以得到，船廂與下游對接時(shí)，船廂水深、船廂與下游偏差兩者之間是線性對應(yīng)的。根據(jù)擬合數(shù)學(xué)表達(dá)式(1)，可預(yù)測出船廂水深、船廂與下游偏差數(shù)值。船廂水深3.3～3.8 m時(shí)船廂與下游偏差值如表1所示。

表1 船廂水深3.3～3.8 m時(shí)船廂與下游偏差 m

2 船廂下游對接時(shí)的運(yùn)行操作

與三峽船閘類似，三峽升船機(jī)以集控運(yùn)行操作為主。集控室是升船機(jī)的控制中樞，集控操作員負(fù)責(zé)三峽升船機(jī)的集控操作、船舶排擋指揮工作，按照運(yùn)行流程，進(jìn)行升船機(jī)整體運(yùn)行的控制與操作[9]。根據(jù)三峽升船機(jī)下游引航道水位變化速率快的特點(diǎn)，運(yùn)行操作時(shí)須密切關(guān)注三峽升船機(jī)下游引航道、船廂水深變化，跟蹤升船機(jī)下游水位變化情況，確保運(yùn)行安全。

根據(jù)三峽升船機(jī)的設(shè)計(jì)，船廂能隨下游引航道水位變化自動(dòng)地尋找合適的減速點(diǎn)和準(zhǔn)確的停位點(diǎn)，當(dāng)船廂即將在下閘首?？繒r(shí)，浮動(dòng)標(biāo)志鏡分別與船廂下游端的紅外光電開關(guān)發(fā)生作用[10]，控制船廂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐步減速停機(jī)，使船廂準(zhǔn)確地停在目標(biāo)位置上。在實(shí)際正常運(yùn)行中，若出現(xiàn)準(zhǔn)確停位信號，則認(rèn)為船廂準(zhǔn)確停位。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確停位時(shí)船廂水面與航道水面線齊平。

三峽升船機(jī)試通航期間，由于下游引航道水位變動(dòng)較大，船廂停位時(shí)常常出現(xiàn)無準(zhǔn)確停位信號或停位不準(zhǔn)的情況，此時(shí)船廂還未與下游對接，運(yùn)行中采取重新對位，水位變動(dòng)較惡劣時(shí)，待水位穩(wěn)定之后再次對位，使船廂準(zhǔn)確停位，延長了運(yùn)行時(shí)間。

船廂下行停位后執(zhí)行船廂對接、船廂與下游對接，歷時(shí)約6 min20 s。在船廂與下游對接過程中，因水位變動(dòng)導(dǎo)致船廂水深較小，船廂位置高于下游引航道水位，船廂與下游偏差為正值。船廂與下游偏差越大，船廂水深越易低于3.3 m，引起開下廂頭船廂門動(dòng)作停止，此時(shí)須關(guān)閉船廂門，進(jìn)行船廂補(bǔ)水調(diào)整船廂水深。因水位變動(dòng)導(dǎo)致船廂水深較大，船廂位置低于下游引航道水位，船廂與下游偏差為負(fù)值。船廂與下游偏差(絕對值)越大，船廂水深越易高于3.8 m，此時(shí)須關(guān)閉船廂門，進(jìn)行船廂排水調(diào)整船廂水深，待下游引航道水位穩(wěn)定后，再開門對接。頻繁啟動(dòng)船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)調(diào)整船廂水深及等待水位穩(wěn)定時(shí)間，均延長了升船機(jī)對接時(shí)間。若下游引航道水位持續(xù)波動(dòng)劇烈，則須關(guān)閉下閘首臥倒門，船廂重新對接，更加延長了運(yùn)行時(shí)間，降低運(yùn)行效率。

船廂與下游保持對接狀態(tài)等待船舶進(jìn)出廂過程中，若觀察下游引航道水位變化劇烈，導(dǎo)致船廂水深波動(dòng)較大，正在下行出廂的船舶離開門區(qū)后關(guān)門解除對接，正在上行進(jìn)廂的船舶在就近的系船柱靠泊后關(guān)門解除對接，盡快解除船廂與下游對接，還沒發(fā)進(jìn)廂令時(shí)暫緩發(fā)令，解除對接后，操作船廂小行程上行后重新進(jìn)行下行對接。若下游水位發(fā)展趨勢為上漲，且接近下閘首設(shè)計(jì)通航水位，按照操作規(guī)定及時(shí)做好調(diào)整下閘首工作門門位準(zhǔn)備。

3 運(yùn)行操作應(yīng)對策略

三峽升船機(jī)下游引航道水位變動(dòng)較大，15 min最大變幅有時(shí)超過0.5 m，對升船機(jī)運(yùn)行影響較大，水位突然變動(dòng)或者在臨界點(diǎn)變動(dòng)時(shí)，給升船機(jī)運(yùn)行帶來很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，三峽升船機(jī)在下游引航道水位變化趨勢不明運(yùn)行時(shí)，操作員須多觀察，有把握后再操作，避免出現(xiàn)安全事故。根據(jù)下游引航道水位變動(dòng)對升船機(jī)運(yùn)行操作的影響提出以下應(yīng)對策略：

1)運(yùn)行期間，須密切關(guān)注水位信息系統(tǒng)中下游引航道水位變幅情況，若下游水位變幅達(dá)0.25 m以上，且下游4個(gè)水位計(jì)大部分出現(xiàn)變幅報(bào)警，則停止下游對接以及升船機(jī)運(yùn)行，待水位波動(dòng)平穩(wěn)后再恢復(fù)運(yùn)行。

2)船廂下行停位后，船廂與下游對接未開門時(shí)，應(yīng)觀察下游引航道水位以及船廂與下游偏差。通過本文船廂水深、船廂與下游偏差的擬合數(shù)學(xué)表達(dá)式及對應(yīng)表預(yù)測出船廂與下游引航道連通時(shí)的船廂水深值，選擇合適的時(shí)機(jī)開下廂頭船廂門和下閘首臥倒門，避免開門時(shí)船廂水深漲落較大。

3)船廂與下游對接開下廂頭船廂門，船廂與下游偏差(絕對值)較大時(shí)，開門過程中會(huì)在船廂內(nèi)形成較大的水位波動(dòng)，影響船廂內(nèi)船舶的?？堪踩４瑤恢酶哂谙掠我降浪?，船廂與下游偏差為正值，開門時(shí)船廂內(nèi)的水向外流，船廂內(nèi)船舶可能向前移動(dòng)；船廂位置低于下游引航道水位，船廂與下游偏差為負(fù)值，開門時(shí)下游水涌進(jìn)船廂，船廂內(nèi)的船舶可能向后移動(dòng)。

在開下廂頭船廂門時(shí)，應(yīng)確保船廂與下游偏差(絕對值)在0.15 m內(nèi)，使船廂水深在3.3～3.6 m范圍內(nèi)波動(dòng)，繼續(xù)執(zhí)行開下廂頭船廂門動(dòng)作，確保開門后船廂水深不會(huì)波動(dòng)很大，對船廂內(nèi)船舶影響較小。

若船廂與下游偏差(絕對值)大于0.15 m，船廂水深會(huì)小于3.3 m或大于3.6 m，重點(diǎn)觀察下游引航道水位變化、船廂與下游偏差以及水位信息系統(tǒng)中的下游1#、3#水位；若下游引航道水位持續(xù)下降或上漲，船廂與下游偏差(絕對值)逐漸大于0.2 m，停止開下廂頭船廂門，轉(zhuǎn)為關(guān)閉下廂頭船廂門、下閘首臥倒門，待船廂與下游偏差(絕對值)小于0.15 m后，再手動(dòng)開船廂門和臥倒門。

4)下廂頭船廂門及下閘首臥倒門開到位后，即船廂與下游保持連通狀態(tài)，船廂水深快速上漲超過3.7 m(船廂與下游偏差為-0.24 m)，通過高頻通知船舶不要解纜繩出廂，在船廂內(nèi)等候通知。

應(yīng)密切關(guān)注下游引航道水位，若下游水位呈緩慢下降趨勢，當(dāng)船廂水深低于3.6 m(船廂與下游偏差為-0.15 m)時(shí)，可通知船舶抓緊時(shí)間出廂；若下游水位沒有下降，而是呈上升趨勢，應(yīng)將船廂門和臥倒門關(guān)閉。在關(guān)閉船廂門和臥倒門期間若下游水位下降，船廂與下游偏差(絕對值)持續(xù)在0.15 m以內(nèi)，手動(dòng)開船廂門和臥倒門，通知船舶出廂；若下游水位沒有下降，而是呈持續(xù)上升趨勢，船廂與下游偏差(絕對值)逐漸變大，船廂與下游解除對接，小行程上升后再重新下行對接。

5)目前，三峽升船機(jī)雙向運(yùn)行，上行船舶須等會(huì)船結(jié)束后才可進(jìn)廂。為保證船舶正常進(jìn)出廂，船廂與下游保持連通狀態(tài)須持續(xù)30 min以上。在這段時(shí)間內(nèi)，須實(shí)時(shí)關(guān)注船廂水深、船廂與下游偏差，確保其在正常范圍內(nèi)。同時(shí)，須關(guān)注下游密封框及驅(qū)動(dòng)點(diǎn)對接鎖定機(jī)構(gòu)，避免對接時(shí)間過長，出現(xiàn)密封框油缸行程偏差過大故障及對接鎖定機(jī)構(gòu)鎖定到位信號丟失故障等。

4 結(jié)語

1)運(yùn)行期間，下游引航道水位變幅達(dá)0.25 m以上，且下游4個(gè)水位計(jì)大多出現(xiàn)變幅報(bào)警時(shí)，須停止升船機(jī)運(yùn)行，待水位平穩(wěn)后再恢復(fù)運(yùn)行。

2)船廂下行停位及開下廂頭船廂門和下閘首臥倒門期間，由船廂與下游偏差值預(yù)測船廂水深，選擇合適的時(shí)機(jī)操作，確保船廂水深波動(dòng)不大。

3)船廂與下游保持連通狀態(tài)期間，船廂水深上漲較快時(shí)，及時(shí)聯(lián)系船舶做好應(yīng)對，同時(shí)關(guān)注設(shè)備狀態(tài)，避免出現(xiàn)設(shè)備故障。