三峡升船机日运行厢次分析

张义军

(长江航运发展研究中心，武汉 430014)

三峡工程蓄水后，三峡库区的通航条件发生了重大变化，促进了长江航运发展[1-2]。三峡枢纽通航建筑物是长江中西部咽喉要道，已经成为长江黄金水道的关键节点。三峡升船机是三峡水利枢纽的永久通航设施之一， 2016年9月18日起三峡升船机投入试通航[3]。受升船机通过船舶排水量不超过3 000 t的限制[4]，通过货物总量受限，主要通过客船及装载应急物资船舶及抢险救灾物资等重点船舶。截至2019年底三峡升船机累计通过旅客35.8万人次，货物通过量323.0万t，较好的为重点船舶提供快速过坝通道和分流功能。随着沿江经济社会的平稳较快发展，过坝需求将继续保持快速增长，需要充分掌握升船机的通航效率情况，为指导相关工作开展提供支撑。

三峡升船机设计[5]日双向运行36厢次，但该设计值未考虑升船机每次运行转步状态确认时间(指集控人员发“船厢上/下游解除对接”令及“船厢上/下行对接”令前对升船机运行初始状态进行调整及信息确认所需时间，是保障升船机运行安全和设备设施安全必须耗费的时间，需3～4 min)，同时从升船机设计布置实际来看，船舶进出厢总距离超过1 000 m，对照设计文件对进出升船机船舶速度控制要求[6]，船舶无法在设计时间15.67 min内完成通过升船机。上述情况可能导致未来升船机无法达到设计运行水平，需要结合运行实际，科学测算其可能达到的日运行厢次数。

1 升船机日运行厢次指标

日运行厢次数是衡量升船机通过能力和运行效率的重要指标，日运行厢次数为升船机日工作时间除以每厢次运行间隔时间。设计上三峡升船机日工作小时数为一固定值，因此厢次运行间隔时间是三峡升船机运行效率的决定性要素，日运行厢次数与厢次运行间隔时间成反比，间隔时间越短，日运行厢次数越多，同等条件下升船机的通过量就越大，则相应的升船机运行效率越高。

三峡升船机相关设计参数如下：年工作天数335 d，日工作小时22 h，日运行18个循环、双向运行36厢次，设计设备运行历时21 min。推算得出设计三峡升船机双向运行厢次间隔时间约为36.67 min，船舶进出厢历时：36.67 min-21 min=15.67 min。试通航以来，正常情况下升船机日均运行有载厢次数一般不低于12个，对于分流日益增长的过坝需求发挥了积极作用。

2 厢次运行间隔时间计算方法

三峡升船机为承船厢不下水式垂直升船机，现行升船机设计规范[7]提出了一次过机时间指标的计算方法，按照实际情况分析，厢次运行间隔时间计算方法如下：

(1)单向运行。

单向运行条件下，船舶单向过机，升船机每运行1个来回则通过1个有载厢次的船舶。厢次运行间隔时间T即一次过机时间。

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

(1)

式中：T1为单向一次过机时间，min；t1为上闸首工作闸门开门或关门时间，min；t2为单向第一个船舶(队)驶入升船机时间，min；t3为承船厢提升或下降时间，min；t4为闸首和承船厢闸门间隙充水或泄水时间，min；t5为闸首和承船厢闸门间隙密封机构推出或收回时间，min；t6为承船厢顶(拉)紧锁定装置推出或收回时间，min；t7为对接锁定装置推出或收回时间，min；t8为单向第一个船舶(队)驶出升船机时间，min；t9为下闸首工作门开门或关门时间，min；t10为船舶(队)驶入或驶出升船机的间隔时间，min。

(2)双向运行。

双向运行条件下，上下行各一次的双向过机时间按下式计算。

(2)

双向运行条件下，船舶双向过机，升船机每运行1个来回可通过2个有载厢次的船舶。厢次运行间隔时间为上下行各一次的双向过机时间的一半。

(3)

T=Te+Ts

(4)

式中：Te为设备运行历时，min;Ts为船舶进出厢历时，min。

3 日运行厢次数分析

3.1 设备运行历时

对比式(1)和式(3)，升船机单向运行，船舶每过机一次，设备设施需要增加一个“倒空厢”设备运行环节，即双向运行每一厢次，可以将设备历时缩短到单向运行的一半。三峡升船机通过2017年实施的达标完善措施[8]后，运行稳定性较初期有了较大的提高。经组织实船测试检验，除去故障时间外，包含每次运行所需转步状态确认等时间后，目前双向运行设备运行历时约为25 min，单向运行设备历时约为50 min。

3.2 船舶进出厢历时

船舶过机历时与船舶进出厢的距离、平均速度、每次通过升船机的船舶或船队数量相关。随着过坝船舶日益大型化[9]，目前升船机运行每厢次仅能安排1艘船舶通过。

3.2.1 三峡升船机进出船厢距离

船舶行驶距离与升船机靠船建筑物布置(图1)和船舶长度密切相关。

根据设计文件，上游靠船墩距上闸首253 m，上闸首长130 m，船厢长132 m(上下端共伸入闸首11 m)，下闸首长37.15 m，下游靠船墩距下闸首300 m,上下游靠船墩水域总长分别约为90 m和100 m(图1)。由于上游靠船墩与升船机轴线存在约26°的夹角，根据船舶的航行路线推算，靠船墩距上闸首距离=256 m+22 m=278 m。设计船型单船平面主尺度为84.5 m(总长)×17.2 m(总宽)×2.65 m(吃水)，为充分发挥升船机通航效益，现行升船机通航技术要求明确船舶集泊最大长度为110 m，新建通过升船机的船舶总长≤105.0 m。105 m长度的船舶将成为未来过升船机的主流船型，测算运行效率时船长取105 m。

图1 三峡升船机布置示意图Fig.1 Sketch of the Three Gorges ship lift

(1)双向运行。

①船舶下行：驶入距离包含靠船墩至闸首之间的距离、闸首长度和船舶在船厢内行驶的距离。如果船厢伸入闸首部分计入闸首长度，则船厢水域的实际长度约为121 m，船舶行驶至厢标识约5 m或115 m处，距另一侧船厢门约6 m。因此驶入距离=278 m+130 m+115 m=523 m；驶出距离包括船首在船厢内的剩余距离、另一侧闸首长度、船舶总长、闸首距下游靠船墩距离以及靠船墩的长度，因此驶出距离=6 m+37.15 m+105 m+300 m+100 m=548.15 m。即下行船舶进出厢总距离约为1 071.15 m。

②船舶上行：同样分析得出，驶入距离=300 m+37.15 m+115 m=452.15 m，驶出距离=6 m+130 m+105 m+278 m+90 m=609 m。即下游上行船舶进出厢总距离1 061.15 m。

(2)单向运行。

当前情况下，船舶驶入距离与双向运行一致，下行523 m，上行452.15 m；驶出距离减少，下行148.15 m，上行241 m。上下行船舶进出厢总距离将分别减少为693.15 m和671.15 m。

3.2.2 设计日运行厢次

三峡-葛洲坝水利枢纽通航设施实行“统一调度、联合运行”的调度方式[10]，三峡升船机一般采取迎向运行(即双向运行)方式。三峡升船机设计文件明确船舶在引航道中行驶速度不超过1.0 m/s，在上下闸首及升船机船厢中行驶速度不超过0.5 m/s。按照各个区间距离进行加权，全过程平均速度约为0.7 m/s，以下简称上限速度。按照设计反推的船舶进出厢历时约为15.67 min反算，船舶进出闸过程中平均速度约为1.14 m/s，已经超过了上限速度，因此船舶无法在设计文件明确的航行速度要求下15.67 min完成进出船厢这一过程，故重新按照设计文件明确的速度控制要求进行船舶进出升船机历时和日运行厢次的测算，设备运行历时双向取25 min，单向取50 min。由此计算得出的升船机单向运行时，上下行日运行厢次分别为19.4厢次、19.5厢次，升船机双向运行时，日运行厢次为26.8厢次。

(1)单向运行。

①上行：Ts=300/1/60+(37.15+132+130+105-11)/0.5/60=18.1 min，日运行19.4厢次；

②下行：Ts=278/1/60+(37.15+132+130+105-11)/0.5/60=17.7 min，日运行19.5厢次。

表1 三峡升船机实际运行情况统计表Tab.1 Statistical table of actual operation of the Three Gorges ship lift

(2)双向运行。

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；

日运行26.8厢次。

3.2.3 实际日运行厢次

三峡升船机自2016年9月18日起投入试通航，截至2020年底，已累计运行11 221厢次，各年度运行情况以及日平均运行厢次见表1。由表可见，2017～2020年升船机实际日均运行厢次数仅分别为9.9厢次、13.4厢次、9.4厢次和7.6厢次。与设计的日运行厢次差距较大。其主要原因是由于过坝船型日益大型化，通航船舶船型技术要求高，目前适合通过升船机的船舶数量相对较少，升船机运行尚未达到满负荷运行状态。

为进一步分析三峡升船机实际运行能力，本文进行了船舶通过升船机的历时统计，根据运行记录显示，2017～2020年船舶通过三峡升船机平均历时分别为65 min、55 min、52 min和53 min，由此可以推算升船机在满负荷状态下的日运行厢次数可分别达到20.3厢次、24厢次、25.4厢次和24.9厢次。

三峡升船机试通航初期(2017～2018年)，交通运输部门组织对船舶进出船厢时间进行了测试，由于升船机在运行初期，船舶驾驶人员经验缺乏以及受人为心理因素的影响，船舶航行速度相对较慢，测试船舶从靠船墩至闸首间航行平均速度约为0.8 m/s，船舶在上下闸首之间和船厢内航行期间的平均速度约为0.3 m/s，全过程的平均速度不到0.5 m/s。根据该实测船速计算得出的升船机单向运行时，上下行日运行厢次分别为16.9厢次、17.0厢次，升船机双向运行时，日运行厢次为21.7厢次，这与基于2017年升船机实际运行历时推算出的日运行厢次(20.3厢次)相差不大。

(1)升船机运行初期船速条件下的单向运行。

①上行：Ts=300/0.8/60+(37.15+132+130+105-11)/0. 3/60=28.1 min，日运行16.9厢次；

②下行：Ts=278/0.8/60+(37.15+132+130+105-11)/0. 3/60=27.6 min，日运行17.0厢次；

(2)升船机运行初期船速条件下的双向运行。

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；

日运行21.7厢次。

随着升船机运行技术日趋成熟，船舶驾驶员操作熟练程度逐步提升，经过一段时间的磨合后，船舶航行及进出升船机速度进一步提升。较理想的条件下，船舶靠船墩至闸首间航行平均速度提升至0.9 m/s，上下闸首及船厢内航行平均速度提升至0.4 m/s，全过程平均速度接近0.6 m/s，根据该船速计算得出的升船机单向运行时，上下行日运行厢次分别为18.4厢次、18.5厢次，升船机双向运行时，日运行厢次为24.5厢次，这与基于2018～2020年升船机实际运行历时推算出的日运行厢次基本一致，表明通过4 a多的运行，升船机运行管理经验、通过升船机船舶操作熟练程度进一步增加，船舶过厢平均速度显著提高，已经实现了较高的运行效率，正常情况下船舶通过三峡升船机历时可以控制在1 h以内，较好地发挥了快速过坝功能和船闸分流作用。

(1)升船机运行技术成熟条件下的单向运行。

①上行：Ts=300/0.9/60+(37.15+132+130+105-11)/0.4/60=21.9 min，日运行18.4厢次；

②下行：Ts=278/0.9/60+(37.15+132+130+105-11)/0.4/60=21.5 min，日运行18.5厢次。

表2 三峡升船机设计与实际日运行厢对比表Tab.2 Comparison between design and actual daily operation of the Three Gorges ship lift

(2)升船机运行技术成熟条件下的双向运行。

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。

日运行24.5厢次。

3.2.3 设计与实际日运行厢次对比

三峡升船机日运行厢次设计计算与实际运行情况的对比见表2。三峡升船机日运行厢次的设计参数为日运行18个循环、双向运行36厢次，根据船舶在引航道和升船机船厢中的航行速度限制要求，重新计算出的升船机设计日运行厢次为单向19.4厢次、双向26.8厢次。实际运行中，在高效的运行条件和满负荷状态下升船机的日运行厢次最大为单向18.4厢次、双向24.5厢次。设计与实际运行厢次的差异主要是因船舶在引航道和升船机船厢中的航行速度不同而致，由于在实际运行过程中受外界条件以及人为因素的影响，船舶在引航道和升船机船厢中的航行速度难以达到设计上限，所以船舶进出船厢的历时要大于设计条件，进而造成日运行厢次小于设计值。此外，由于当前通过三峡大坝的货物上下行流向分布不均衡，实际运行中三峡升船机单向运行的时间较多，以及升船机运行尚未达到满负荷运行状态，这将进一步导致升船机实际日运行厢次的减少。

4 结束语

根据三峡升船机布置实际情况，按照设计每天运行22 h和规定的航速测算，三峡升船机日运行厢次数无法达到设计的36厢次。在比较理想的运行条件下，测算得出三峡升船机日运行厢次数为单向运行18.4厢次或双向运行24.5厢次，经过4 a多的运行积累，已经实现了较高的运行效率。为进一步提高运行效率，可以研究将船舶驶入升船机停靠位置进一步靠拢，通过采取工程措施改进升船机导航墙段停泊条件，将单向运行条件下船舶的驶入停靠位置由靠船墩优化至导航墙距离闸首约50 m处，则上、下行船舶驶入距离可分别进一步缩短至202.15 m和295 m，驶出距离不变。上下行船舶进出厢总距离将缩短至443.15 m，则理想状态下船舶进出厢历时将降至15 min以内，日单向运行厢次数有望从17厢次提高至20厢次。