三峡升船机闸首工作门位与通航水位关系研究

龚国庆，徐 刚，徐 渊

(长江三峡通航管理局，宜昌 443000)

表1 三峡升船机运行条件Tab.1 Operation conditions of Three Gorges Shiplift

三峡升船机是目前世界上规模最大、技术难度最高、运行工艺最复杂的全平衡垂直升船机，其过船规模为3 000 t级，最大提升高度为113 m，上游通航水位变幅30 m，下游通航水位变幅11.8 m[1]。三峡升船机正常运行时上、下游水位条件如表1所示。

现代化大型升船机出现在20世纪，国外升船机大多建于人工运河上，航道水位变幅很小，船厢与闸首一般在固定位置对接。而三峡水利枢纽具有较大的防洪库容，且枯水期和汛期过坝流量差异大，使得上、下游水位变幅大；同时，三峡水电站具有较大的调峰容量，受枢纽水库调度[2]、三峡船闸泄水[3]等诸多因素影响，造成上下游涌浪高、下游水位变率快[4]。因而，三峡升船机的运行条件比其他水利枢纽或运河设置的升船机要复杂得多。该类升船机国内外尚无运行的先例，缺乏工程实践经验。鉴于此，本文通过三峡升船机船厢与闸首工作门正常对接运行的条件，分析闸首工作门在不同门位对应设计通航水位的临界水位附近变化时，三峡升船机可靠运行的极限水位和最高挡水水位，为三峡升船机安全运行提供理论依据。

1 三峡升船机闸首工作门

三峡升船机在上、下闸首分别布置有一套工作门，由于上、下游水位变幅和变率不同，两套工作门的结构形式和调整方式均不相同。

上闸首工作门由一扇工作大门和7节工作叠梁门组成，工作大门置于叠梁门的顶部，如图1所示。上闸首工作大门可适应单节工作叠梁门高度(±3.75 m)的水位变化，当上游水位变幅超出工作大门的适应范围时，通过增加或减少工作叠梁门的方式适应上游的水位变化[5]。上闸首工作门设计适应水位范围如表2所示。

图1 上闸首工作门Fig.1 Working door of upper gate head

表2 上闸首工作门设计适应水位Tab.2 Design of upper gate head working door to adapt to water level m

图2 下闸首工作门Fig.2 Working door of lower gate head

下闸首工作大门共设置有6个锁定位，自上而下依次编号为：1#锁定位、2#锁定位、3#锁定位、4#锁定位、5#锁定位、6#锁定位，如图2所示。下闸首工作大门可适应1.97 m通航水位变化，当下游水位变幅超过工作大门的适应范围时，由工作大门顶部的液压启闭机操作，通过升降工作大门改变锁定位的方式适应下游的水位变化。下闸首工作门设计适应水位范围如表3所示。

表3 下闸首工作门设计适应水位Tab.3 Design of lower gate head working door to adapt to water level m

上下游引航道水位变化对运行的影响主要有四个方面：

(1)是水位变化超出了闸首工作门的适应范围，需要对闸首工作门门位进行调整，影响通航效率；

(2)是闸首卧倒小门处于挡水状态时，引航道涌浪或水位变幅超过±0.5 m，可能会漫过闸首工作门进入承船厢；

(3)是船厢在向闸首上行或下行过程中，如果接近目标点时航道水位发生较大变化，将导致对接失败；

(4)是当船厢与闸首处于对接状态时[6]，引航道水位变化会导致船厢误载水深增大，船厢水深超出一定范围就需要通过船厢水深调节系统进行调节，增加了运行时间，如果船厢水深进一步变化就会导致安全结构动作，过厢船舶有搁浅和触底风险。

2 水位变化对闸首工作门调整的影响

表2、表3中规定的设计水位范围是连续的区间，工作门调整水位都是一个临界值。但是在实际运行中，由于上、下游水位不断变化中，特别是下游水位变率达0.5 m/h，并且工作门调整需要一定时间，尤其是上闸首调整工作叠梁门数量，所需时间更长，因此，我们对实际运行中调整闸首工作门位的极限水位以及闸首卧倒小门处于关闭状态下的最高挡水位进行分析。

影响闸首工作门门位的主要因素有：

(1)闸首工作大门门顶必须高于上/下游水位0.5 m以上；

(2)船厢内水位始终为3.5 m；

(3)船厢内水位须与上/下游水位齐平；

(4)船厢与闸首工作大门对接后船厢间隙密封机构上P形止水橡皮须位于工作大门U形不锈钢止水座板范围内；

(5)闸首卧倒小门打开后槛上水深须满足最小通航水位3.5 m。

3 上闸首工作门门位与上游通航水位对应关系

以门位8(不加叠梁门)为例。

门位8时上游设计适应通航水位变化范围是145.0～148.75 m。

3.1 上游水位145 m

图3 上游水位为145 m时船厢与上闸首工作大门对接示意图(图中尺寸单位为mm，高程单位为m)Fig.3 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the upstream water level is 145 m

当上游水位为145 m时船厢与上闸首工作大门对接后如图3所示。

船厢与上闸首工作大门对接后，船厢间隙密封机构上的P型止水橡皮中心距大门上U形不锈钢止水座板下沿0.155 m，此时卧倒小门槛上水深3.7 m，大门门顶距上游水位5.45 m。

不调整工作门位，水位可进一步下降，当船厢间隙密封机构上的P型止水橡皮中心刚好与大门上U形不锈钢止水座板下沿齐平时，为门位8时的下极限水位：145 m-0.155 m=144.845 m，此时卧倒小门槛上水深3.545 m，大门门顶距上游水位5.605 m。

3.2 上游水位148.75 m

图4 上游水位为148.75 m时船厢与上闸首工作大门对接示意图(图中尺寸单位为mm，高程单位为m)Fig.4 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the upstream water level is 148.75 m

当上游水位为148.75 m时，船厢与上闸首工作大门对接后如图4所示。

船厢与上闸首工作大门对接后，船厢间隙密封机构上的P型止水橡皮中心距大门上U形不锈钢止水座板上沿0.2 m，此时卧倒小门槛上水深7.45 m，大门门顶距上游水位1.7 m。

不调整工作门位，水位可进一步上升，当船厢间隙密封机构上的P型止水橡皮中心刚好与大门上U形不锈钢止水座板上沿齐平时，为门位8时的上极限水位：148.75 m+0.2 m=148.95 m，此时卧倒小门槛上水深7.65 m，大门门顶距上游水位1.5 m。

由于上游最大涌浪高为0.5 m，则上闸首卧倒小门在关闭状态下的最高挡水位为：148.75 m+1.2 m=149.95 m，此时大门门顶距上游水位0.5 m。

因此，当上闸首工作门处于门位8时，船厢与上闸首工作门正常对接的上游极限通航水位范围是144.845 ～148.95 m，上闸首卧倒小门处于关闭状态下的最高挡水位为149.95 m。

以此类推，可分别得出上闸首工作门处于不同门位时，船厢与上闸首工作门正常对接的上游极限通航水位以及上闸首卧倒小门处于关闭状态下的最高挡水位如表4所示。

表4 上闸首工作门极限通航水位与最高挡水位Tab.4 Limit navigable water level and maximum retaining water level of upper gate head working door m

相邻两个门位极限通航水位的重叠运行区间为0.355 m。当上游水位在重叠区间内时，工作门无论处于这两个门位中的哪个状态，均满足船厢与上闸首对接的运行要求。以门位7和门位8为例，如图5所示。

4 下闸首工作门门位与下游通航水位对应关系

以6#锁定位为例。

6#锁定位时下游设计适应通航水位变化范围是61.98～63.95 m。

4.1 下游水位61.98 m

当下游水位为61.98 m时，船厢与下闸首工作大门对接后如图6所示。

图5 相邻两个门位极限通航水位的重叠运行区间Fig.5 Overlapping operation interval of limit navigable water level at two adjacent gate positions图6 下游水位为61.98 m时船厢与上闸首工作大门对接示意图(图中尺寸单位为mm,高程单位为m)Fig.6 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the downstream water level is 61.98 m

船厢与下闸首工作大门对接后，船厢间隙密封机构上的P型止水橡皮中心距大门上U形不锈钢止水座板下沿0.405 m，此时卧倒小门槛上水深3.58 m，大门门顶距下游水位3.02 m。

不调整工作门位，水位可进一步下降，此时，水位制约条件不是止水与止水座板，而是卧倒小门槛上水深。当闸首卧倒小门打开后槛上水深刚好3.4 m时(运行工艺流程中下闸首卧倒小门开启的闭锁条件为“3.4 m≤下闸首工作大门槛上水深≤5.95 m”)，为6#锁定位时的下极限水位：61.98 m-0.18 m=61.8 m，此时卧倒小门槛上水深3.4 m，大门门顶距下游水位3.2 m。

4.2 下游水位63.95 m

当下游水位为63.95 m时，船厢与下闸首工作大门对接后如图7所示。

船厢与下闸首工作大门对接后，船厢间隙密封机构上的P型止水橡皮中心距大门上U形不锈钢止水座板下沿2.375 m，距止水座板上沿1.625 m，此时卧倒小门槛上水深5.55 m，大门门顶距下游航道水位1.05 m。

不调整工作门位，水位可进一步上升，由于下闸首不锈钢止水面余量较大，此时，水位制约条件是运行工艺流程中的闭锁条件。当闸首卧倒小门打开后槛上水深刚好5.95 m时，为6#锁定位时的上极限水位：63.95 m+0.4 m=64.35 m，此时卧倒小门槛上水深5.95 m，大门门顶距下游水位0.65 m。

由于下游最大涌浪高为0.5 m，则下闸首卧倒小门在关闭状态下的最高挡水位为：63.95 m+0.55 m=64.5 m，此时大门门顶距上游水位0.5 m。

表5 下闸首工作门极限通航水位与最高挡水位Tab.5 Limit navigable water level and maximum retaining water level of lower gate head working door m

因此，当下闸首工作门处于6#锁定位时，船厢与下闸首工作门正常对接的下游极限通航水位范围是61.8～64.35 m，下闸首卧倒小门处于关闭状态下的最高挡水位为64.5 m。

以此类推，可分别得出下闸首工作门处于不同门位时，船厢与下闸首工作门正常对接的下游极限通航水位以及下闸首卧倒小门处于关闭状态下的最高挡水位如表5所示。

相邻两个锁定位极限通航水位的重叠运行区间为0.58 m。当下游水位在重叠区间内时，工作门无论处于这两个锁定位中的哪个状态，均满足船厢与下闸首对接的运行要求。以5#和6#锁定位为例，如图8所示。

图7 下游水位为63.95 m时船厢与上闸首工作大门对接示意图(图中尺寸单位为mm,高程单位为m)Fig. 7 Schematic diagram of docking between the ship cabin and the upper gate head working gate when the downstream water level is 63.95 m图8 相邻两个锁定位极限通航水位的重叠运行区间Fig.8 Overlapping operation intervals of limit navigable water level at two adjacent locking positions

5 结论

本文通过船厢与闸首工作门正常对接运行的条件，计算闸首工作门处于不同门位时升船机可靠运行的极限水位和最高挡水水位，结论如下：

(1)上闸首的重叠运行区间为0.355 m，下闸首的重叠运行区间为0.58 m，下闸首适应水位的裕度更大一些，而且下闸首工作门的调整操作时间远小于上闸首，因此水位变化对工作门调整的影响主要反映在上闸首。

(2)在每一节叠梁门和每一个锁定位的设计水位运行区间内，工作门门顶与最高设计运行水位都有较大的余量，上游为1.7 m，下游为1.05 m，大于最大涌浪0.5的运行要求，因此发生航道水漫过闸首工作门的可能性较小。

(3)上下游水位在重叠区间内运行时，水位波动很容易导致超出极限水位范围，船厢与闸首工作门不能正常对接，如果不能正确地判断是短时的水位波动还是水位的持续变化，就会陷入两难，不知道是应该停下来等候水位恢复还是立即调整门位，因此后续还需通过长时间观测分析上下游水位变化规律进一步研究讨论。