三峽升船機(jī)日運(yùn)行廂次分析

張義軍

(長江航運(yùn)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(jìn)了長江航運(yùn)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(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。三峽升船機(jī)是三峽水利樞紐的永久通航設(shè)施之一， 2016年9月18日起三峽升船機(jī)投入試通航[3]。受升船機(jī)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(yīng)急物資船舶及搶險(xiǎn)救災(zāi)物資等重點(diǎn)船舶。截至2019年底三峽升船機(jī)累計(jì)通過旅客35.8萬人次，貨物通過量323.0萬t，較好的為重點(diǎn)船舶提供快速過壩通道和分流功能。隨著沿江經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jī)的通航效率情況，為指導(dǎo)相關(guān)工作開展提供支撐。

三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)[5]日雙向運(yùn)行36廂次，但該設(shè)計(jì)值未考慮升船機(jī)每次運(yùn)行轉(zhuǎn)步狀態(tài)確認(rèn)時(shí)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(jī)運(yùn)行初始狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整及信息確認(rèn)所需時(shí)間，是保障升船機(jī)運(yùn)行安全和設(shè)備設(shè)施安全必須耗費(fèi)的時(shí)間，需3～4 min)，同時(shí)從升船機(jī)設(shè)計(jì)布置實(shí)際來看，船舶進(jìn)出廂總距離超過1 000 m，對照設(shè)計(jì)文件對進(jìn)出升船機(jī)船舶速度控制要求[6]，船舶無法在設(shè)計(jì)時(shí)間15.67 min內(nèi)完成通過升船機(jī)。上述情況可能導(dǎo)致未來升船機(jī)無法達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行水平，需要結(jié)合運(yùn)行實(shí)際，科學(xué)測算其可能達(dá)到的日運(yùn)行廂次數(shù)。

1 升船機(jī)日運(yùn)行廂次指標(biāo)

日運(yùn)行廂次數(shù)是衡量升船機(jī)通過能力和運(yùn)行效率的重要指標(biāo)，日運(yùn)行廂次數(shù)為升船機(jī)日工作時(shí)間除以每廂次運(yùn)行間隔時(shí)間。設(shè)計(jì)上三峽升船機(jī)日工作小時(shí)數(shù)為一固定值，因此廂次運(yùn)行間隔時(shí)間是三峽升船機(jī)運(yùn)行效率的決定性要素，日運(yùn)行廂次數(shù)與廂次運(yùn)行間隔時(shí)間成反比，間隔時(shí)間越短，日運(yùn)行廂次數(shù)越多，同等條件下升船機(jī)的通過量就越大，則相應(yīng)的升船機(jī)運(yùn)行效率越高。

三峽升船機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：年工作天數(shù)335 d，日工作小時(shí)22 h，日運(yùn)行18個(gè)循環(huán)、雙向運(yùn)行36廂次，設(shè)計(jì)設(shè)備運(yùn)行歷時(shí)21 min。推算得出設(shè)計(jì)三峽升船機(jī)雙向運(yùn)行廂次間隔時(shí)間約為36.67 min，船舶進(jìn)出廂歷時(shí)：36.67 min-21 min=15.67 min。試通航以來，正常情況下升船機(jī)日均運(yùn)行有載廂次數(shù)一般不低于12個(gè)，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(yùn)行間隔時(shí)間計(jì)算方法

三峽升船機(jī)為承船廂不下水式垂直升船機(jī)，現(xiàn)行升船機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[7]提出了一次過機(jī)時(shí)間指標(biāo)的計(jì)算方法，按照實(shí)際情況分析，廂次運(yùn)行間隔時(shí)間計(jì)算方法如下：

(1)單向運(yùn)行。

單向運(yùn)行條件下，船舶單向過機(jī)，升船機(jī)每運(yùn)行1個(gè)來回則通過1個(gè)有載廂次的船舶。廂次運(yùn)行間隔時(shí)間T即一次過機(jī)時(shí)間。

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

(1)

式中：T1為單向一次過機(jī)時(shí)間，min；t1為上閘首工作閘門開門或關(guān)門時(shí)間，min；t2為單向第一個(gè)船舶(隊(duì))駛?cè)肷瑱C(jī)時(shí)間，min；t3為承船廂提升或下降時(shí)間，min；t4為閘首和承船廂閘門間隙充水或泄水時(shí)間，min；t5為閘首和承船廂閘門間隙密封機(jī)構(gòu)推出或收回時(shí)間，min；t6為承船廂頂(拉)緊鎖定裝置推出或收回時(shí)間，min；t7為對接鎖定裝置推出或收回時(shí)間，min；t8為單向第一個(gè)船舶(隊(duì))駛出升船機(jī)時(shí)間，min；t9為下閘首工作門開門或關(guān)門時(shí)間，min；t10為船舶(隊(duì))駛?cè)牖蝰偝錾瑱C(jī)的間隔時(shí)間，min。

(2)雙向運(yùn)行。

雙向運(yùn)行條件下，上下行各一次的雙向過機(jī)時(shí)間按下式計(jì)算。

(2)

雙向運(yùn)行條件下，船舶雙向過機(jī)，升船機(jī)每運(yùn)行1個(gè)來回可通過2個(gè)有載廂次的船舶。廂次運(yùn)行間隔時(shí)間為上下行各一次的雙向過機(jī)時(shí)間的一半。

(3)

T=Te+Ts

(4)

式中：Te為設(shè)備運(yùn)行歷時(shí)，min;Ts為船舶進(jìn)出廂歷時(shí)，min。

3 日運(yùn)行廂次數(shù)分析

3.1 設(shè)備運(yùn)行歷時(shí)

對比式(1)和式(3)，升船機(jī)單向運(yùn)行，船舶每過機(jī)一次，設(shè)備設(shè)施需要增加一個(gè)“倒空廂”設(shè)備運(yùn)行環(huán)節(jié)，即雙向運(yùn)行每一廂次，可以將設(shè)備歷時(shí)縮短到單向運(yùn)行的一半。三峽升船機(jī)通過2017年實(shí)施的達(dá)標(biāo)完善措施[8]后，運(yùn)行穩(wěn)定性較初期有了較大的提高。經(jīng)組織實(shí)船測試檢驗(yàn)，除去故障時(shí)間外，包含每次運(yùn)行所需轉(zhuǎn)步狀態(tài)確認(rèn)等時(shí)間后，目前雙向運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行歷時(shí)約為25 min，單向運(yùn)行設(shè)備歷時(shí)約為50 min。

3.2 船舶進(jìn)出廂歷時(shí)

船舶過機(jī)歷時(shí)與船舶進(jìn)出廂的距離、平均速度、每次通過升船機(jī)的船舶或船隊(duì)數(shù)量相關(guān)。隨著過壩船舶日益大型化[9]，目前升船機(jī)運(yùn)行每廂次僅能安排1艘船舶通過。

3.2.1 三峽升船機(jī)進(jìn)出船廂距離

船舶行駛距離與升船機(jī)靠船建筑物布置(圖1)和船舶長度密切相關(guān)。

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)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(jī)通航效益，現(xiàn)行升船機(jī)通航技術(shù)要求明確船舶集泊最大長度為110 m，新建通過升船機(jī)的船舶總長≤105.0 m。105 m長度的船舶將成為未來過升船機(jī)的主流船型，測算運(yùn)行效率時(shí)船長取105 m。

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

(1)雙向運(yùn)行。

①船舶下行：駛?cè)刖嚯x包含靠船墩至閘首之間的距離、閘首長度和船舶在船廂內(nèi)行駛的距離。如果船廂伸入閘首部分計(jì)入閘首長度，則船廂水域的實(shí)際長度約為121 m，船舶行駛至廂標(biāo)識約5 m或115 m處，距另一側(cè)船廂門約6 m。因此駛?cè)刖嚯x=278 m+130 m+115 m=523 m；駛出距離包括船首在船廂內(nèi)的剩余距離、另一側(cè)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(jìn)出廂總距離約為1 071.15 m。

②船舶上行：同樣分析得出，駛?cè)刖嚯x=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(jìn)出廂總距離1 061.15 m。

(2)單向運(yùn)行。

當(dāng)前情況下，船舶駛?cè)刖嚯x與雙向運(yùn)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(jìn)出廂總距離將分別減少為693.15 m和671.15 m。

3.2.2 設(shè)計(jì)日運(yùn)行廂次

三峽-葛洲壩水利樞紐通航設(shè)施實(shí)行“統(tǒng)一調(diào)度、聯(lián)合運(yùn)行”的調(diào)度方式[10]，三峽升船機(jī)一般采取迎向運(yùn)行(即雙向運(yùn)行)方式。三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)船廂中行駛速度不超過0.5 m/s。按照各個(gè)區(qū)間距離進(jìn)行加權(quán)，全過程平均速度約為0.7 m/s，以下簡稱上限速度。按照設(shè)計(jì)反推的船舶進(jìn)出廂歷時(shí)約為15.67 min反算，船舶進(jìn)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(shè)計(jì)文件明確的航行速度要求下15.67 min完成進(jìn)出船廂這一過程，故重新按照設(shè)計(jì)文件明確的速度控制要求進(jìn)行船舶進(jìn)出升船機(jī)歷時(shí)和日運(yùn)行廂次的測算，設(shè)備運(yùn)行歷時(shí)雙向取25 min，單向取50 min。由此計(jì)算得出的升船機(jī)單向運(yùn)行時(shí)，上下行日運(yùn)行廂次分別為19.4廂次、19.5廂次，升船機(jī)雙向運(yùn)行時(shí)，日運(yùn)行廂次為26.8廂次。

(1)單向運(yùn)行。

①上行：Ts=300/1/60+(37.15+132+130+105-11)/0.5/60=18.1 min，日運(yùn)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(yùn)行19.5廂次。

表1 三峽升船機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of actual operation of the Three Gorges ship lift

(2)雙向運(yùn)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(yùn)行26.8廂次。

3.2.3 實(shí)際日運(yùn)行廂次

三峽升船機(jī)自2016年9月18日起投入試通航，截至2020年底，已累計(jì)運(yùn)行11 221廂次，各年度運(yùn)行情況以及日平均運(yùn)行廂次見表1。由表可見，2017～2020年升船機(jī)實(shí)際日均運(yùn)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(shè)計(jì)的日運(yùn)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(shù)要求高，目前適合通過升船機(jī)的船舶數(shù)量相對較少，升船機(jī)運(yùn)行尚未達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

為進(jìn)一步分析三峽升船機(jī)實(shí)際運(yùn)行能力，本文進(jìn)行了船舶通過升船機(jī)的歷時(shí)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)運(yùn)行記錄顯示，2017～2020年船舶通過三峽升船機(jī)平均歷時(shí)分別為65 min、55 min、52 min和53 min，由此可以推算升船機(jī)在滿負(fù)荷狀態(tài)下的日運(yùn)行廂次數(shù)可分別達(dá)到20.3廂次、24廂次、25.4廂次和24.9廂次。

三峽升船機(jī)試通航初期(2017～2018年)，交通運(yùn)輸部門組織對船舶進(jìn)出船廂時(shí)間進(jìn)行了測試，由于升船機(jī)在運(yùn)行初期，船舶駕駛?cè)藛T經(jīng)驗(yàn)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(nèi)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(shí)測船速計(jì)算得出的升船機(jī)單向運(yùn)行時(shí)，上下行日運(yùn)行廂次分別為16.9廂次、17.0廂次，升船機(jī)雙向運(yùn)行時(shí)，日運(yùn)行廂次為21.7廂次，這與基于2017年升船機(jī)實(shí)際運(yùn)行歷時(shí)推算出的日運(yùn)行廂次(20.3廂次)相差不大。

(1)升船機(jī)運(yùn)行初期船速條件下的單向運(yùn)行。

①上行：Ts=300/0.8/60+(37.15+132+130+105-11)/0. 3/60=28.1 min，日運(yùn)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(yùn)行17.0廂次；

(2)升船機(jī)運(yùn)行初期船速條件下的雙向運(yùn)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(yùn)行21.7廂次。

隨著升船機(jī)運(yùn)行技術(shù)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(shí)間的磨合后，船舶航行及進(jìn)出升船機(jī)速度進(jìn)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(nèi)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(jì)算得出的升船機(jī)單向運(yùn)行時(shí)，上下行日運(yùn)行廂次分別為18.4廂次、18.5廂次，升船機(jī)雙向運(yùn)行時(shí)，日運(yùn)行廂次為24.5廂次，這與基于2018～2020年升船機(jī)實(shí)際運(yùn)行歷時(shí)推算出的日運(yùn)行廂次基本一致，表明通過4 a多的運(yùn)行，升船機(jī)運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)、通過升船機(jī)船舶操作熟練程度進(jìn)一步增加，船舶過廂平均速度顯著提高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高的運(yùn)行效率，正常情況下船舶通過三峽升船機(jī)歷時(shí)可以控制在1 h以內(nèi)，較好地發(fā)揮了快速過壩功能和船閘分流作用。

(1)升船機(jī)運(yùn)行技術(shù)成熟條件下的單向運(yùn)行。

①上行：Ts=300/0.9/60+(37.15+132+130+105-11)/0.4/60=21.9 min，日運(yùn)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(yùn)行18.5廂次。

表2 三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)際日運(yùn)行廂對比表Tab.2 Comparison between design and actual daily operation of the Three Gorges ship lift

(2)升船機(jī)運(yùn)行技術(shù)成熟條件下的雙向運(yùn)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(yùn)行24.5廂次。

3.2.3 設(shè)計(jì)與實(shí)際日運(yùn)行廂次對比

三峽升船機(jī)日運(yùn)行廂次設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行情況的對比見表2。三峽升船機(jī)日運(yùn)行廂次的設(shè)計(jì)參數(shù)為日運(yùn)行18個(gè)循環(huán)、雙向運(yùn)行36廂次，根據(jù)船舶在引航道和升船機(jī)船廂中的航行速度限制要求，重新計(jì)算出的升船機(jī)設(shè)計(jì)日運(yùn)行廂次為單向19.4廂次、雙向26.8廂次。實(shí)際運(yùn)行中，在高效的運(yùn)行條件和滿負(fù)荷狀態(tài)下升船機(jī)的日運(yùn)行廂次最大為單向18.4廂次、雙向24.5廂次。設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行廂次的差異主要是因船舶在引航道和升船機(jī)船廂中的航行速度不同而致，由于在實(shí)際運(yùn)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(jī)船廂中的航行速度難以達(dá)到設(shè)計(jì)上限，所以船舶進(jìn)出船廂的歷時(shí)要大于設(shè)計(jì)條件，進(jìn)而造成日運(yùn)行廂次小于設(shè)計(jì)值。此外，由于當(dāng)前通過三峽大壩的貨物上下行流向分布不均衡，實(shí)際運(yùn)行中三峽升船機(jī)單向運(yùn)行的時(shí)間較多，以及升船機(jī)運(yùn)行尚未達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，這將進(jìn)一步導(dǎo)致升船機(jī)實(shí)際日運(yùn)行廂次的減少。

4 結(jié)束語

根據(jù)三峽升船機(jī)布置實(shí)際情況，按照設(shè)計(jì)每天運(yùn)行22 h和規(guī)定的航速測算，三峽升船機(jī)日運(yùn)行廂次數(shù)無法達(dá)到設(shè)計(jì)的36廂次。在比較理想的運(yùn)行條件下，測算得出三峽升船機(jī)日運(yùn)行廂次數(shù)為單向運(yùn)行18.4廂次或雙向運(yùn)行24.5廂次，經(jīng)過4 a多的運(yùn)行積累，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高的運(yùn)行效率。為進(jìn)一步提高運(yùn)行效率，可以研究將船舶駛?cè)肷瑱C(jī)停靠位置進(jìn)一步靠攏，通過采取工程措施改進(jìn)升船機(jī)導(dǎo)航墻段停泊條件，將單向運(yùn)行條件下船舶的駛?cè)胪？课恢糜煽看諆?yōu)化至導(dǎo)航墻距離閘首約50 m處，則上、下行船舶駛?cè)刖嚯x可分別進(jìn)一步縮短至202.15 m和295 m，駛出距離不變。上下行船舶進(jìn)出廂總距離將縮短至443.15 m，則理想狀態(tài)下船舶進(jìn)出廂歷時(shí)將降至15 min以內(nèi)，日單向運(yùn)行廂次數(shù)有望從17廂次提高至20廂次。