胡亞安，王 新，陳瑩穎，傅陸志丹

(南京水利科學研究院，通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

三峽升船機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壩通道，由上游引航道、上閘首、升船機主體、下閘首和下游引航道等建筑物組成。三峽升船機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t，船廂有效水域為120 m×18 m×3.5 m(長×寬×水深)，通航3 000噸級船舶，是目前建成的規(guī)模最大的升船機。三峽升船機上游通航水位變幅30 m(145～175 m)，下游通航水位變幅11.8 m，與國內(nèi)外升船機相比，上游通航水位具有變幅大的突出特點[1]。

目前關于三峽升船機對接運行方面的研究，多為下游非恒定流波動問題。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，在升船機下游引航道造成復雜的水位波動[2]，實測最大波動約0.9 m/h，超過了升船機總體設計規(guī)定，對升船機下游對接運行產(chǎn)生明顯的影響[3]；針對三峽樞紐下游非恒定流波動問題，曾采用物模、數(shù)模等多種手段，探討其對升船機運行的影響及應對措施[4-5]。通常認為升船機上游對接不存在相關問題，故少有研究報道，但三峽升船機上游水位變幅大，同時受雙線船閘充水影響，上游對接運行須關注。圖1為三峽升船機上游引航道布置。從圖1可以看出，由于三峽船閘充水過程直接在引航道內(nèi)取水，當上游水位低于150 m時，上游隔流堤露出水面，受其影響，船閘充水時只能從上游引航道口門區(qū)補水，將導致升船機上游引航道水位出現(xiàn)波動，進而影響升船機上游對接。本文通過實船試驗，研究三峽升船機上游145 m低水位、雙線船閘同時充水條件下，上游引航道水位變化對船廂上游對接過程廂內(nèi)水面波動的影響，可為升船機運行管理提供依據(jù)。

圖1 三峽升船機上游引航道布置

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗船舶

試驗根據(jù)三峽升船機船廂規(guī)模及現(xiàn)場試驗條件，選取4條不同類型和尺度的典型船舶。試驗船舶特征見表1。

表1 試驗船舶特征

1.2 試驗工況

實船試驗期間每天安排1艘/類船舶進行試驗，重點研究三峽升船機上游低水位運行時船廂上游對接過程的廂內(nèi)水面波動及變化特性，試驗工況見表2。

表2 試驗工況

續(xù)表2

1.3 試驗方法

在船廂右側沿程布置11支量程1.5 m的高精度波高儀，測量船廂內(nèi)水面波動特性，通過分析船廂水面波動，計算船廂水面波動產(chǎn)生的船廂重力及鎖定機構荷載變化。11支波高儀信號線沿船廂甲板集中到承船廂-1層測站，信號經(jīng)濾波放大后進入WaveBook數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測點布置及測試系統(tǒng)如圖2所示。其中，4組鎖定機構與圖中4個驅(qū)動點的位置相同，在船廂對接過程中，鎖定機構承擔了船廂內(nèi)水位變化及水面波動產(chǎn)生的不平衡荷載。

圖2 船廂水動力特性測站布置及測試系統(tǒng)

2 船舶進、出船廂時廂內(nèi)水面波動特性

2.1 廂內(nèi)水面波動特性

圖3為“重輪15”進廂過程廂內(nèi)流速變化曲線。可以看出，當船舶航速達到0.35 m/s左右時，廂內(nèi)流速已達到0.7～1.1 m/s，如果船舶航速或排水量進一步增加，將會對船舶進出船廂操作帶來不利影響。

圖3 “重輪15”進船廂時廂內(nèi)流速變化曲線(工況11)

圖4和表3分別為“重輪15”進、出船廂過程船廂內(nèi)水面典型變化及波動特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計。在船舶下行進廂過程中，船廂內(nèi)最大水位波動幅值為50.6 cm，船廂水位最低小于標準水深49.0 cm，最高大于標準水深2.5 cm。船舶上行出廂過程中，船廂內(nèi)最大水位波動幅值為35.3 cm，船廂水位最低小于船廂標準水深41.5 cm，最高大于標準水深0.5 cm。對比船廂沿程測點水位變化，船舶進出廂過程廂內(nèi)水面波動變化規(guī)律類似，越靠近船廂封閉端，廂內(nèi)水面波動變化幅值越大。

圖4 “重輪15”上游進、出船廂典型水位波動變化過程線

表3 “重輪15”上游進船廂水面波動統(tǒng)計

為反映上游不同水位條件下升船機對接船廂波動特性，圖5給出三峽升船機上游155 m水位和145 m水位時船舶下行過機船廂2#測點水面波動曲線。當上游水位155 m時，船舶上游進廂過程廂內(nèi)水面波動變化幅值相對較小，僅10 cm左右，且波動周期較短，約為2 min；當上游水位145 m時，“重輪15”在上游進廂過程中，廂內(nèi)水面波動變化幅值較大，最大達50.6 cm，且波動周期相對較長，在20 min左右?？梢姡c上游水位155 m相比，上游水位145 m時，上游引航道水位變化對船廂上游對接影響明顯加劇。

圖5 船舶下行過機全程船廂2#測點水面波動變化曲線

分析上述2次不同上游水位條件實船試驗可知，當上游水位為145 m時，上游引航道隔流堤完全露出水面，上游引航道與庫區(qū)基本隔離，僅在上游口門區(qū)與水庫連接；而當庫水位約為155 m時，上游引航道隔流堤已完全淹沒在庫水位以下，引航道補水區(qū)域顯著擴大，船閘充水不會造成明顯的水面跌落和非恒定水面波動。因此，當上游水位為145 m時，雙線船閘充水過程導致的升船機上游引航道水面波動會對船廂上游對接產(chǎn)生不利影響。

本次低水位試驗13個工況船舶上游進、出廂廂內(nèi)水面波動變化幅值見表4。從表4可知，船舶進、出廂過程中，廂內(nèi)水面波動變化最大幅值大部分超過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、出廂廂內(nèi)水面波動變化幅值

綜上分析，上游水位在145 m時，受雙線船閘充水影響，上游引航道水位變化對船廂上游對接影響明顯加劇，且易導致船廂水深不足，影響升船機及船舶安全，須進一步研究上游145～150 m時，船閘充水對升船機上游對接的影響。此外，當上游庫水位略高于隔流堤頂0.2～0.5 m時，船舶進出上游航槽口門時可能會受庫區(qū)向引航道區(qū)補水產(chǎn)生的橫向水流影響，應加強船舶航行安全觀測。

2.2 船廂重力及鎖定機構受力變化

根據(jù)船廂水面波動實測資料，計算船廂水體重力變化和鎖定機構荷載，見表5。本次試驗13個航次，船舶上行進廂過程船廂重力最大減小1.279 MN，最大增加4.346 MN，根據(jù)水動力特性估算鎖定機構最大荷載4.030 MN。船廂上游對接過程，每種船型均出現(xiàn)船廂側重力減少11.000 MN以上的現(xiàn)象，估算的鎖定機構受力達到3.500～4.000 MN，上游低水位船舶進出廂過程中，鎖定機構受力2次出現(xiàn)最大值超過其理論上的承載力3.700 MN的情況，進一步說明在145 m水位下，上游水位變化對升船機的對接與安全影響較為顯著且出現(xiàn)次數(shù)較為頻繁，應引起高度重視，尚須結合引航道水面波動特性、船廂對接水位差等作進一步的研究[6]。

表5 船舶進船廂水面波動計算船廂重力及鎖定機構荷載

3 船廂臥倒門開啟廂內(nèi)水面波動特性

表6為船廂上游臥倒門開啟廂內(nèi)水面波動、船廂重力及鎖定機構荷載變化統(tǒng)計值。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，主要因為上游開啟臥倒門時，船廂內(nèi)外水位差較大，上游引航道水位比船廂內(nèi)低，當臥倒門打開后，廂內(nèi)水體大幅減少。此外，上游臥倒門開啟廂內(nèi)水位波動最大未超過24 cm。觀察船廂沿程測點水位變化，越靠近船廂封閉端水位變幅越大。與船舶進出船廂過程相比，臥倒門開啟過程廂內(nèi)水位波動相對較小，船廂側重力變化及鎖定機構荷載也小于船舶進出廂過程，不考慮工況8對接水位差的影響，船廂側重力變化最大為5.926 MN，鎖定機構荷載最大為1.765 MN。

表6 船廂臥倒門開啟廂內(nèi)水面波動、船廂重力及鎖定機構荷載變化

4 船廂升降運行水面波動特性

試驗13個航次船廂升降運行階段，船廂內(nèi)水面平穩(wěn)(圖6)，船廂水面波動幅值一般在3～7 cm，不會對船舶及升船機運行產(chǎn)生不利影響；其大小與船廂關門前廂內(nèi)初始波動幅值有關。船廂門關閉后，船廂水面在3～5 min內(nèi)可基本恢復平穩(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)，船廂水面波動幅值為3～5 cm，水面平穩(wěn)，廂內(nèi)水面波動較小。

圖6 船廂調(diào)整水深和升降運行過程水面波動變化曲線

5 結論

1)通過現(xiàn)場13組實船試驗發(fā)現(xiàn)，三峽升船機上游145 m水位時，受雙線船閘充水影響，上游引航道水位變化對船廂上游對接影響明顯加劇，升船機上游低水位運行安全應引起重視。

2)船舶進出船廂過程中，船廂水面變化最大波動幅值大部分超過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)了船廂側重力減少11.000 MN以上的現(xiàn)象，鎖定機構受力2次出現(xiàn)了最大值超過其理論上的承載力3.700 MN的情況，對船舶和升船機安全運行都有影響。

3)船廂臥倒門開啟過程中，僅在有對接水位差時廂內(nèi)波動達到最大為35 cm。除此之外，廂內(nèi)水面波動最大不超過24 cm。船廂側重力變化最大為5.926 MN，鎖定機構荷載最大為1.765 MN。

4)升降運行過程中廂內(nèi)水面平穩(wěn)，不會對船舶及升船機運行產(chǎn)生不利影響。