三峽升船機(jī)145 m水位上游對(duì)接廂內(nèi)水面波動(dòng)特性實(shí)船試驗(yàn)研究*

胡亞安，王 新，陳瑩穎，傅陸志丹

(南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

三峽升船機(jī)是三峽樞紐兩大通航建筑物之一，主要為客船和特種船舶提供快速過(guò)壩通道，由上游引航道、上閘首、升船機(jī)主體、下閘首和下游引航道等建筑物組成。三峽升船機(jī)采用齒輪齒條爬升式，最大提升高度113 m，提升質(zhì)量約1.55萬(wàn)t，船廂有效水域?yàn)?20 m×18 m×3.5 m(長(zhǎng)×寬×水深)，通航3 000噸級(jí)船舶，是目前建成的規(guī)模最大的升船機(jī)。三峽升船機(jī)上游通航水位變幅30 m(145～175 m)，下游通航水位變幅11.8 m，與國(guó)內(nèi)外升船機(jī)相比，上游通航水位具有變幅大的突出特點(diǎn)[1]。

目前關(guān)于三峽升船機(jī)對(duì)接運(yùn)行方面的研究，多為下游非恒定流波動(dòng)問(wèn)題。三峽樞紐大壩泄洪、電站調(diào)峰、船閘泄水、葛洲壩反調(diào)節(jié)及各因素疊加，在升船機(jī)下游引航道造成復(fù)雜的水位波動(dòng)[2]，實(shí)測(cè)最大波動(dòng)約0.9 m/h，超過(guò)了升船機(jī)總體設(shè)計(jì)規(guī)定，對(duì)升船機(jī)下游對(duì)接運(yùn)行產(chǎn)生明顯的影響[3]；針對(duì)三峽樞紐下游非恒定流波動(dòng)問(wèn)題，曾采用物模、數(shù)模等多種手段，探討其對(duì)升船機(jī)運(yùn)行的影響及應(yīng)對(duì)措施[4-5]。通常認(rèn)為升船機(jī)上游對(duì)接不存在相關(guān)問(wèn)題，故少有研究報(bào)道，但三峽升船機(jī)上游水位變幅大，同時(shí)受雙線船閘充水影響，上游對(duì)接運(yùn)行須關(guān)注。圖1為三峽升船機(jī)上游引航道布置。從圖1可以看出，由于三峽船閘充水過(guò)程直接在引航道內(nèi)取水，當(dāng)上游水位低于150 m時(shí)，上游隔流堤露出水面，受其影響，船閘充水時(shí)只能從上游引航道口門(mén)區(qū)補(bǔ)水，將導(dǎo)致升船機(jī)上游引航道水位出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而影響升船機(jī)上游對(duì)接。本文通過(guò)實(shí)船試驗(yàn)，研究三峽升船機(jī)上游145 m低水位、雙線船閘同時(shí)充水條件下，上游引航道水位變化對(duì)船廂上游對(duì)接過(guò)程廂內(nèi)水面波動(dòng)的影響，可為升船機(jī)運(yùn)行管理提供依據(jù)。

圖1 三峽升船機(jī)上游引航道布置

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)船舶

試驗(yàn)根據(jù)三峽升船機(jī)船廂規(guī)模及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，選取4條不同類(lèi)型和尺度的典型船舶。試驗(yàn)船舶特征見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)船舶特征

1.2 試驗(yàn)工況

實(shí)船試驗(yàn)期間每天安排1艘/類(lèi)船舶進(jìn)行試驗(yàn)，重點(diǎn)研究三峽升船機(jī)上游低水位運(yùn)行時(shí)船廂上游對(duì)接過(guò)程的廂內(nèi)水面波動(dòng)及變化特性，試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)工況

續(xù)表2

1.3 試驗(yàn)方法

在船廂右側(cè)沿程布置11支量程1.5 m的高精度波高儀，測(cè)量船廂內(nèi)水面波動(dòng)特性，通過(guò)分析船廂水面波動(dòng)，計(jì)算船廂水面波動(dòng)產(chǎn)生的船廂重力及鎖定機(jī)構(gòu)荷載變化。11支波高儀信號(hào)線沿船廂甲板集中到承船廂-1層測(cè)站，信號(hào)經(jīng)濾波放大后進(jìn)入WaveBook數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。其中，4組鎖定機(jī)構(gòu)與圖中4個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的位置相同，在船廂對(duì)接過(guò)程中，鎖定機(jī)構(gòu)承擔(dān)了船廂內(nèi)水位變化及水面波動(dòng)產(chǎn)生的不平衡荷載。

圖2 船廂水動(dòng)力特性測(cè)站布置及測(cè)試系統(tǒng)

2 船舶進(jìn)、出船廂時(shí)廂內(nèi)水面波動(dòng)特性

2.1 廂內(nèi)水面波動(dòng)特性

圖3為“重輪15”進(jìn)廂過(guò)程廂內(nèi)流速變化曲線?？梢钥闯觯?dāng)船舶航速達(dá)到0.35 m/s左右時(shí)，廂內(nèi)流速已達(dá)到0.7～1.1 m/s，如果船舶航速或排水量進(jìn)一步增加，將會(huì)對(duì)船舶進(jìn)出船廂操作帶來(lái)不利影響。

圖3 “重輪15”進(jìn)船廂時(shí)廂內(nèi)流速變化曲線(工況11)

圖4和表3分別為“重輪15”進(jìn)、出船廂過(guò)程船廂內(nèi)水面典型變化及波動(dòng)特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。在船舶下行進(jìn)廂過(guò)程中，船廂內(nèi)最大水位波動(dòng)幅值為50.6 cm，船廂水位最低小于標(biāo)準(zhǔn)水深49.0 cm，最高大于標(biāo)準(zhǔn)水深2.5 cm。船舶上行出廂過(guò)程中，船廂內(nèi)最大水位波動(dòng)幅值為35.3 cm，船廂水位最低小于船廂標(biāo)準(zhǔn)水深41.5 cm，最高大于標(biāo)準(zhǔn)水深0.5 cm。對(duì)比船廂沿程測(cè)點(diǎn)水位變化，船舶進(jìn)出廂過(guò)程廂內(nèi)水面波動(dòng)變化規(guī)律類(lèi)似，越靠近船廂封閉端，廂內(nèi)水面波動(dòng)變化幅值越大。

圖4 “重輪15”上游進(jìn)、出船廂典型水位波動(dòng)變化過(guò)程線

表3 “重輪15”上游進(jìn)船廂水面波動(dòng)統(tǒng)計(jì)

為反映上游不同水位條件下升船機(jī)對(duì)接船廂波動(dòng)特性，圖5給出三峽升船機(jī)上游155 m水位和145 m水位時(shí)船舶下行過(guò)機(jī)船廂2#測(cè)點(diǎn)水面波動(dòng)曲線。當(dāng)上游水位155 m時(shí)，船舶上游進(jìn)廂過(guò)程廂內(nèi)水面波動(dòng)變化幅值相對(duì)較小，僅10 cm左右，且波動(dòng)周期較短，約為2 min；當(dāng)上游水位145 m時(shí)，“重輪15”在上游進(jìn)廂過(guò)程中，廂內(nèi)水面波動(dòng)變化幅值較大，最大達(dá)50.6 cm，且波動(dòng)周期相對(duì)較長(zhǎng)，在20 min左右?？梢?jiàn)，與上游水位155 m相比，上游水位145 m時(shí)，上游引航道水位變化對(duì)船廂上游對(duì)接影響明顯加劇。

圖5 船舶下行過(guò)機(jī)全程船廂2#測(cè)點(diǎn)水面波動(dòng)變化曲線

分析上述2次不同上游水位條件實(shí)船試驗(yàn)可知，當(dāng)上游水位為145 m時(shí)，上游引航道隔流堤完全露出水面，上游引航道與庫(kù)區(qū)基本隔離，僅在上游口門(mén)區(qū)與水庫(kù)連接；而當(dāng)庫(kù)水位約為155 m時(shí)，上游引航道隔流堤已完全淹沒(méi)在庫(kù)水位以下，引航道補(bǔ)水區(qū)域顯著擴(kuò)大，船閘充水不會(huì)造成明顯的水面跌落和非恒定水面波動(dòng)。因此，當(dāng)上游水位為145 m時(shí)，雙線船閘充水過(guò)程導(dǎo)致的升船機(jī)上游引航道水面波動(dòng)會(huì)對(duì)船廂上游對(duì)接產(chǎn)生不利影響。

本次低水位試驗(yàn)13個(gè)工況船舶上游進(jìn)、出廂廂內(nèi)水面波動(dòng)變化幅值見(jiàn)表4。從表4可知，船舶進(jìn)、出廂過(guò)程中，廂內(nèi)水面波動(dòng)變化最大幅值大部分超過(guò)30 cm(僅1次小于30 cm)，最大值為50.6 cm，最小值為26.7 cm。

表4 船舶進(jìn)、出廂廂內(nèi)水面波動(dòng)變化幅值

綜上分析，上游水位在145 m時(shí)，受雙線船閘充水影響，上游引航道水位變化對(duì)船廂上游對(duì)接影響明顯加劇，且易導(dǎo)致船廂水深不足，影響升船機(jī)及船舶安全，須進(jìn)一步研究上游145～150 m時(shí)，船閘充水對(duì)升船機(jī)上游對(duì)接的影響。此外，當(dāng)上游庫(kù)水位略高于隔流堤頂0.2～0.5 m時(shí)，船舶進(jìn)出上游航槽口門(mén)時(shí)可能會(huì)受庫(kù)區(qū)向引航道區(qū)補(bǔ)水產(chǎn)生的橫向水流影響，應(yīng)加強(qiáng)船舶航行安全觀測(cè)。

2.2 船廂重力及鎖定機(jī)構(gòu)受力變化

根據(jù)船廂水面波動(dòng)實(shí)測(cè)資料，計(jì)算船廂水體重力變化和鎖定機(jī)構(gòu)荷載，見(jiàn)表5。本次試驗(yàn)13個(gè)航次，船舶上行進(jìn)廂過(guò)程船廂重力最大減小1.279 MN，最大增加4.346 MN，根據(jù)水動(dòng)力特性估算鎖定機(jī)構(gòu)最大荷載4.030 MN。船廂上游對(duì)接過(guò)程，每種船型均出現(xiàn)船廂側(cè)重力減少11.000 MN以上的現(xiàn)象，估算的鎖定機(jī)構(gòu)受力達(dá)到3.500～4.000 MN，上游低水位船舶進(jìn)出廂過(guò)程中，鎖定機(jī)構(gòu)受力2次出現(xiàn)最大值超過(guò)其理論上的承載力3.700 MN的情況，進(jìn)一步說(shuō)明在145 m水位下，上游水位變化對(duì)升船機(jī)的對(duì)接與安全影響較為顯著且出現(xiàn)次數(shù)較為頻繁，應(yīng)引起高度重視，尚須結(jié)合引航道水面波動(dòng)特性、船廂對(duì)接水位差等作進(jìn)一步的研究[6]。

表5 船舶進(jìn)船廂水面波動(dòng)計(jì)算船廂重力及鎖定機(jī)構(gòu)荷載

3 船廂臥倒門(mén)開(kāi)啟廂內(nèi)水面波動(dòng)特性

表6為船廂上游臥倒門(mén)開(kāi)啟廂內(nèi)水面波動(dòng)、船廂重力及鎖定機(jī)構(gòu)荷載變化統(tǒng)計(jì)值。其中，工況8船廂內(nèi)最大水位變化為35.0 cm，明顯比其他工況的大，主要因?yàn)樯嫌伍_(kāi)啟臥倒門(mén)時(shí)，船廂內(nèi)外水位差較大，上游引航道水位比船廂內(nèi)低，當(dāng)臥倒門(mén)打開(kāi)后，廂內(nèi)水體大幅減少。此外，上游臥倒門(mén)開(kāi)啟廂內(nèi)水位波動(dòng)最大未超過(guò)24 cm。觀察船廂沿程測(cè)點(diǎn)水位變化，越靠近船廂封閉端水位變幅越大。與船舶進(jìn)出船廂過(guò)程相比，臥倒門(mén)開(kāi)啟過(guò)程廂內(nèi)水位波動(dòng)相對(duì)較小，船廂側(cè)重力變化及鎖定機(jī)構(gòu)荷載也小于船舶進(jìn)出廂過(guò)程，不考慮工況8對(duì)接水位差的影響，船廂側(cè)重力變化最大為5.926 MN，鎖定機(jī)構(gòu)荷載最大為1.765 MN。

表6 船廂臥倒門(mén)開(kāi)啟廂內(nèi)水面波動(dòng)、船廂重力及鎖定機(jī)構(gòu)荷載變化

4 船廂升降運(yùn)行水面波動(dòng)特性

試驗(yàn)13個(gè)航次船廂升降運(yùn)行階段，船廂內(nèi)水面平穩(wěn)(圖6)，船廂水面波動(dòng)幅值一般在3～7 cm，不會(huì)對(duì)船舶及升船機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響；其大小與船廂關(guān)門(mén)前廂內(nèi)初始波動(dòng)幅值有關(guān)。船廂門(mén)關(guān)閉后，船廂水面在3～5 min內(nèi)可基本恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。船廂調(diào)整水深，未在船廂內(nèi)產(chǎn)生不良流態(tài)，船廂水面波動(dòng)幅值為3～5 cm，水面平穩(wěn)，廂內(nèi)水面波動(dòng)較小。

圖6 船廂調(diào)整水深和升降運(yùn)行過(guò)程水面波動(dòng)變化曲線

5 結(jié)論

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)13組實(shí)船試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三峽升船機(jī)上游145 m水位時(shí)，受雙線船閘充水影響，上游引航道水位變化對(duì)船廂上游對(duì)接影響明顯加劇，升船機(jī)上游低水位運(yùn)行安全應(yīng)引起重視。

2)船舶進(jìn)出船廂過(guò)程中，船廂水面變化最大波動(dòng)幅值大部分超過(guò)30 cm，最大值為50.6 cm，最小值為26.7 cm。此外，每種船型均出現(xiàn)了船廂側(cè)重力減少11.000 MN以上的現(xiàn)象，鎖定機(jī)構(gòu)受力2次出現(xiàn)了最大值超過(guò)其理論上的承載力3.700 MN的情況，對(duì)船舶和升船機(jī)安全運(yùn)行都有影響。

3)船廂臥倒門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中，僅在有對(duì)接水位差時(shí)廂內(nèi)波動(dòng)達(dá)到最大為35 cm。除此之外，廂內(nèi)水面波動(dòng)最大不超過(guò)24 cm。船廂側(cè)重力變化最大為5.926 MN，鎖定機(jī)構(gòu)荷載最大為1.765 MN。

4)升降運(yùn)行過(guò)程中廂內(nèi)水面平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)船舶及升船機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。