景洪升船机上游对接流程优化*

薛 淑，肖海斌，王 新

(1.南京水利科学研究院，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650214)

景洪升船机是世界首座水力式升船机，自2016年试通航以来，经过调试和不断的消缺，设备设施基本处于正常稳定的工作状态，船厢升降运行时间均已达到设计要求，升船机总体运行情况较好。为进一步提高景洪升船机的通航效率，为未来货运量增长预留一定储备，开展升船机运行流程优化研究十分必要[1-2]。

在升船机运行速度达到设计指标的前提下，提高升船机运行效率重点从对接流程优化着手，景洪水力式升船机下游采用船厢入水对接，船厢下行入水至船池中，船池与引航道连通，船厢内外水位齐平后即可开启厢门，船舶直接驶入引航道，省去了下闸首对接机构和系列对接流程。上游对接过程操作步骤较多、相对复杂，因此本文主要针对景洪升船机上游对接流程优化进行研究。

升船机的对接是指承船厢到达上、下游对接位后，利用对接装置连通承船厢与上、下游引航道水域，使船舶能够顺利驶入(驶出)承船厢，进入上、下游引航道。一般对接流程为：1)承船厢运行到对接位，厢内水位与引航道水位齐平；2)密封框推出，连接承船厢与上闸首；3)上闸首工作门与承船厢厢门之间的间隙充水，直至间隙水位与引航道水位齐平；4)打开上闸首工作门与承船厢厢门，使承船厢与引航道形成连通水域，待承船厢内的防撞梁降落后，船舶准备进、出船厢。承船厢解除对接的流程为上述步骤的倒序。

1 景洪升船机上闸首对接机构特点

不同升船机工程的对接机构、间隙充(泄)水方式各不相同，间隙充水时，一般通过自流、水泵抽水的方式从引航道取水，也可从专门的储水容器取水，间隙泄水时再排入引航道或者储水容器。

景洪升船机在上游对接时，工作小门在开启过程中以门顶过流的方式兼顾间隙水充水，具有快速、便捷的特点，省去了专门的间隙充水时间；解除对接时，利用下水式升船机船厢下面船池与引航道直接连通的特点，在工作大门底部的胸墙预埋排水管道，开启泄水阀即可将间隙水直接泄入下游船池。上闸首对接机构、主要对接状态见图1。

图1 景洪升船机上游主要对接机构及对接状态

景洪升船机上游对接机构及具体工作方式如下：

1)U形密封框：位于承船厢端部，为承船厢厢门与上闸首工作门之间的连通水域提供密封功能。对接时，密封框装置伸出并投入使用，对接密封装置与工作大门贴紧形成完整的止水线，连接船厢与引航道；当承船厢与上游挡水工作闸门解除对接时，止水元件回退，脱离与工作闸门的接触，实现解除对接功能[3]。

2)上闸首工作大门：用于阻挡上游引航道水位，上闸首工作大门启闭机的控制系统能根据上游水引航道水位变化自动调整大门位置，当引航道水位上升或下降使工作小门门槛以上水位小于2.5 m(承船厢设计水深)或大于3 m时，程序自动控制工作大门下降或提升0.5 m，使套内的工作小门门槛以上始终保持2.5～3 m的正常通航水深[4-5]。

3)上闸首工作小门：嵌套在工作大门内，可自动升降，工作行程为3.5 m，工作小门下降(开启)时，引航道水体从门顶流入小门与承船厢上游卧倒门的间隙内，解除对接后工作小门上升(关闭)，与工作大门共同挡水。因此景洪升船机工作小门开启过程中兼顾了间隙充水的作用。

4)承船厢厢门：景洪升船机承船厢采用平板卧倒门形式，间隙水与上游引航道水位齐平是开启、关闭承船厢厢门的前提条件。

2 优化前上游对接流程

景洪水力式升船机船厢上行对接、解除对接下行的操作流程按顺序串行，一步结束后再进行下一步操作。根据现场观测，船厢上行对接耗时419 s，解除对接耗时585 s，见表1。可以看出，工作小门启闭耗时相对较长。

表1 优化前船厢上游对接和解除对接操作时间

续表1

3 上游对接流程优化方案

根据景洪升船机上游对接操作的特点，对上游对接和解除对接流程进行优化。其中，值得关注的是工作小门开启兼顾充间隙水，卧倒门应在间隙水充满后开启。

图2 景洪升船机上游对接优化流程

由于引航道水位随时发生改变，上闸首工作小门与船厢对接时的相对位置也随时发生变化(根据操作规程，小门门顶和引航道水位的高差控制在0.5～1.0 m)，造成间隙充水体积、时间的差异，见图3。原型观测间隙水充满的时间统计仅仅是针对某几个具体的工况，无法确保所有工况下，上游对接时工作小门开启都是控制性线路，下面计算工作小门在各工作状态下，从开始降落到间隙水充满所需要的时间，从理论角度验证上述优化方案的可行性。

图3 工作小门对接位置(单位：m)

工作小门门顶过流补充间隙水的过程如下：工作小门启动后，门顶露出水面匀速运行，在工作小门下降至门顶与上游引航道水位齐平时，门顶开始溢流，形成薄壁堰过流向间隙充水，间隙水位逐渐抬高，直至到达上游引航道水位。在工作小门下降过程中，门顶过流为非恒定流过程，需要对流量进行积分，获得间隙水充满时工作小门的运行时间。

工作小门门顶过流量Q可利用无侧收缩系数的矩形薄壁堰过流公式进行计算：

(1)

式中：B为堰宽(m)；H为堰顶水头(m)；m0为考虑行进流速水头影响的流量系数，可根据雷伯克公式计算：

(2)

式中：P为上游堰高(m)。

(3)

(4)

式中：σ为淹没系数；hs为下游堰上水头(m)；z为上、下游水位差(m)。

景洪升船机工作小门总行程3.5 m，匀速下降速度约为0.018 ms，下面分别计算工作小门门顶露出水面0.5、1.0 m两种典型工况下，门顶过水至间隙水充满的时间。

1)工作小门门顶露出水面0.5 m时，间隙总体积V=55.8 m3。工作小门开始下降至门顶入水的时间t1=27.8 s；对式(3)在时间上进行积分，计算可得工作小门门顶入水后，在水中下降时间t2=23.5 s(图4)，工作小门于卧倒门间隙水位即可达到与上游引航道水位齐平；则工作小门开始下降至间隙水充满的时间t(=t1+t2)=51.3 s，间隙水充满时工作小门门顶到水面的距离为0.42 m。

2)工作小门门顶露出水面1.0 m时，根据设计结构图计算间隙总体积V=46.5 m3。工作小门开始下降至工作小门门顶入水的时间t1=55.6 s；对式(3)在时间上进行积分，计算可得工作小门门顶入水后，在水中下降时间t2=21.4 s(图4)，工作小门于卧倒门间隙水位即可达到与上游引航道水位齐平；则工作小门开始下降至间隙水充满的时间t(=t1+t2)=77.0 s，间隙水充满时工作小门门顶到水面的距离0.39 m。

图4 工作小门门顶过流体积随时间变化过程线

根据计算结果，景洪升船机在上游对接时，工作小门下降时间为51～77 s，间隙水位即可与上游引航道水位齐平，工作小门下降总时间为196 s，两者相减可得工作小门继续下降所需时间为119～145 s。另一方面，“开启承船厢卧倒门+降落防撞梁”两项操作共计耗时107 s，因此，在工作小门继续降落的同时，可完成“开启承船厢卧倒门+降落防撞梁”两项操作。以上从理论计算的角度验证了工作小门启闭是控制线路，优化方案可行。在实际操作时，可安装水位传感器作为判断间隙水位与上游引航道水位齐平的依据，作为触发船厢卧倒门开启的命令。

上游解除对接优化流程中，需要明确的问题是：在卧倒门完全关闭时工作小门门顶是否已升出水面，若工作小门在卧倒门完全关闭前出水，则会导致间隙水升高溢出，影响周围设备。现场原型观测数据显示防撞梁提升时间为32 s，卧倒门关闭时间为80 s，工作小门关闭用时为172 s，“防撞梁提升+卧倒门关闭”共耗时112 s，若工作小门关闭与“防撞梁提升+卧倒门关闭”同时启动，卧倒门可以在工作小门出水前关闭到位，因此优化方案可行。

4 上游对接流程优化效果

升船机运行控制系统按优化运行流程修改后，进行了现场试验，重点检验优化流程的可行性和优化后的运行时间。试验结果表明，优化流程运行良好，到达了预期效果。

上游对接过程共耗时312 s，相比优化前耗时缩短了近107 s，节省对接时间约25%；上游解除对接过程共耗时473 s，工作小门和防撞梁同时开始操作，卧倒门能够在工作小门出水面前完全关闭，相比优化前耗时缩短了112 s，节省解除对接时间近20%。

5 结语

1)景洪升船机在上游对接时，工作小门在开启过程中以门顶过流的方式兼顾间隙水充水，以积分计算工作小门开启过程中间隙水充满所需要的时间作为依据，确定工作小门开启为控制线路。

2)上游对接(解除对接)优化流程为：将工作小门开启(关闭)、卧倒门开启(关闭)和防撞梁降落(提升)3个操作由串联工序，改为并联工序，在工作开启(关闭)过程中，同步完成“卧倒门开启(关闭)+防撞梁降落(提升)”两项操作，优化方案中，卧倒门开启的判断条件是间隙水位与上游引航道水位齐平。

3)原型观测表明，采取优化的对接流程可在确保升船机对接安全的前提下，节省上游对接时间约25%，节省解除对接时间近20%，提高水力式升船机的运行效率。