三峡-葛洲坝梯级枢纽通航二十年创新发展与实践_齐俊麟.pdf

DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.07.006中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期三峡 葛洲坝梯级枢纽通航二十年创新发展与实践齐俊麟，陈冬元，李然（长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443000）摘要：面对三峡 葛洲坝梯级枢纽通航设计能力逐渐饱和、过坝货运量快速增长的新形势与新常态，积极利用现代信息技术提升通航能力成为当前三峡高质量通航发展的必然选择。本文旨在阐述三峡 葛洲坝梯级枢纽高质量通航的技术体系构建及其工程应用，按照现状分析、技术体系构建、实施成效、存在瓶颈、后续发展措施的总脉络展开研究。在梳理国内外发展现状的基础上，研判了影响三峡高质量通航的主要因素在于通航装备、交通组织、安全保障、环境整治、绿色养护，构建了三峡 葛洲坝梯级枢纽高质量通航的技术体系。立足三峡 葛洲坝梯级枢纽通航20年发展实践，凝练了智能运营、通航组织、安全保障、航道能力、绿色通航等梯级枢纽通航成果；针对高质量通航发展的主要瓶颈，提出了三峡 葛洲坝梯级枢纽智慧绿色通航的中长期发展建议。三峡 葛洲坝梯级枢纽智能化运行及其效率提升，可为内河大型梯级枢纽通航建设提供技术借鉴与管理启示。关键词：三峡工程；梯级枢纽；通航组织；智能通航；绿色建养中图分类号：U64 文献标识码：AInnovation and Practice of High-Quality Navigation of the Three Gorges-Gezhouba Cascade Hub in 20 YearsQi Junlin,Chen Dongyuan,Li Ran(Three Gorges Navigation Authority,Yichang 443000,Hubei,China)Abstract:As the navigation design capacity of the Three GorgesGezhouba cascade hub has been gradually saturated and the volume of transiting cargo has increased rapidly in the past two decades,it is necessary to adopt advanced information technologies to improve the navigation capacity and promote the high-quality navigation of the Three Gorges.This study aims to investigate the technical system and its engineering application for the high-quality navigation of the Three GorgesGezhouba cascade project,and involves the aspects of current situation analysis,technical system construction,implementation results,existing bottlenecks,and follow-up development measures.The study reviews the research status of cascade hubs in China and abroad and explores the major factors affecting the high-quality navigation of the Three Gorges,namely navigation equipment,traffic organization,safety assurance,environmental improvement,and environmental-friendly maintenance.The technical system is also built.The innovative development and practice of the Three GorgesGezhouba cascade hub over the past 20 years are summarized from the aspects of intelligent operation,navigation organization,safety assurance,channel capacity,and green navigation.Moreover,the medium-and long-term suggestions are proposed for the intelligent and green navigation of the GorgesGezhouba cascade hub focusing on the major bottlenecks.收稿日期：2022-09-14；修回日期：2022-10-28通讯作者：齐俊麟，长江三峡通航管理局正高级工程师，研究方向为枢纽通航；E-mail:资助项目：国家自然科学基金项目(71874132)本刊网址： 葛洲坝梯级枢纽通航二十年创新发展与实践The improvement in the intelligent operation level and efficiency of the Three GorgesGezhouba cascade hub can provide a key technical reference for the high-quality navigation construction of large-scale inland river cascade hubs in China.Keywords:Three Gorges project;cascade hub;navigation organization;intelligent navigation;environmental-friendly maintenance一、前言三峡工程是迄今为止世界上规模最大的水利枢纽工程，也是综合效益最广泛的水电工程1；实质性改善了长江中上游的航道条件，推动了长江航运高速发展，在长江经济带建设中的战略地位及作用极为突出2。例如，三峡船闸自2003年6月试通航以来，过闸货运量快速增长，累计过闸货运量为1.483109 t（截至2020年8月），支撑了长江经济带发展。然而，三峡船闸于2011年提前达到设计通过能力，已连续多年超负荷运行；船闸拥堵现象日益严重，船闸通过能力不足成为长江经济带高质量发展的瓶颈环节之一，同时带来了一系列的环保和安全问题3。例如，2011年以来的过闸船舶平均待闸时间由44 h增长到200 h，能力和需求之间的矛盾凸显；船舶运营航次从往年的12航次左右下降到9个航次左右，船舶营运效率逐年下降；每日近千艘船舶、近万名船员、近3105 t危险品在大坝的上/下游集中，带来的环境和生态问题不利于长江生态区保护。梯级枢纽高质量通航组织能够实现船舶安全、有序、便捷地通过大坝/水闸，同步发挥枢纽的综合效益；在通航组织过程中，根据船舶动态、通航设施状况、通航环境及天气等，合理指派船舶进入闸室，确定船舶在闸室的位置，实现内河相邻大坝/水闸的协同运作。国外的相关研究主要涉及多闸、单闸的通航组织49，较多从运筹优化角度给出最优或次优的通航组织方案；很少考虑大型梯级枢纽的运营模式、通航环境、应急安全、绿色建养等，对智能通航、智慧航道、绿色航道的思考和探讨极少。对于三峡 葛洲坝梯级枢纽通航组织而言，面临通航管制分道航行、水流水位变化船舶受限航行、船闸检修双线变单线通航、汛前腾库防洪船闸由五级转四级运行、恶劣天气时船舶交通组织与疏散等情况；只有改善船舶交通流量时空分布，协同三峡大坝、葛洲坝（简称两坝）运作，匹配船舶交通供需关系，才能充分发挥枢纽通航效能，降低通航交通压力及风险，保障长江水道的便捷通畅。国内有关三峡 葛洲坝梯级枢纽的通航研究，集中在船舶交通流演化机理1013、两坝联合调度1417、通航能力评估1820、安全应急2123等方面。随着区域经济快速发展，过闸货运量快速增长，过坝船舶以大型化单船为主，而船队模式因市场竞争力不足而趋于消失，导致船闸运行服务对象出现了根本性转变；单船过闸时间大幅增加、闸室面积利用率降低、船舶间组织调度等系列难题浮现，需要兼顾智慧、高效、安全、绿色等方向2426开展系统研究。在此背景下，长江三峡通航管理局作为三峡高质量通航的牵头单位，着眼“服务三峡工程、确保航运畅通”目标，联合长江设计集团有限公司、南京水利科学研究院、武汉理工大学等进行技术攻关，在梯级枢纽通航装备运维、通航交通组织、通航安全保障、航道环境整治及绿色养护等方面取得了一批创新成果并开展了实践应用。本文立足三峡 葛洲坝梯级枢纽通航20年来的探索与实践，阐述大型梯级枢纽高质量通航技术体系及其实践成效；结合交通强国建设的新形势，探讨工程未来发展规划以及针对性建设举措，以期为我国内河航运智慧绿色高质量发展提供先导方案。二、三峡 葛洲坝梯级枢纽通航技术体系围绕高效、平安、绿色发展主题，着眼梯级枢纽高质量通航目标，构建三峡 葛洲坝梯级枢纽通航技术体系（见图1）。立足坚实技术支撑，将长江三峡建设成为“东西畅通、南北辐射，有效覆盖、立体互联”的长江经济带现代化综合立体交通走廊的重要环节，为长江水道高质量建设及智能运维提供支持。（一）高效运行相关技术1.梯级枢纽通航装备联控为解决高水头输水阀门在高速水流作用下产生空化、振动等现象机理不明问题，开发了高水头船闸输水模拟实验系统，提出了输水系统水力学调控156中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期措施、40 m以上超高水头船闸阀门防空化方法，为闸阀门与启闭机联动控制明确了理论基础。为解决闸室内产生的超灌、超泄严重影响船舶停泊和人字闸门运行的安全问题，研发了“输水阀门6 m动水关阀、人字闸门平水开门”的闸阀门联动控制技术；建立了水位差 动水关阀开度计算模型，用于精确控制输水阀门的关闭时机，实现了闸室超灌超泄量控制精度0.1 m。通过原型观测，掌握了大惯量、大水深条件下人字闸门启闭速度 负载特性，提出了人字闸门启闭控制优化方法，实现大淹没水深人字闸门平稳运行，5000吨级过闸主力船型的系缆力降低了60%。针对多闸联控系统的高可靠性、高响应速率要求，开发了葛洲坝三闸联控运行系统，实现三峡 葛洲坝船闸多闸联控系统的不间断运行。由于船闸运行流程复杂、控制网络系统维护要求高，研发了核心机电控制系统、实训硬件在环仿真系统，为特殊工况下应急控制方案验证提供了基础平台。针对多线多级连续船闸的运行方式多、工艺流程复杂特点，开发了运行工艺流程仿真系统，支持实现船闸运行的预前管控。针对大型船闸人字闸门启闭机高精度运行控制需求，研制了用于人字闸门启闭机的实时激光测距装置，提高了控制精度与可靠性。针对高水头船闸从事后检修、定期检修转向状态检修的应用需求，运用振动检测技术分析低速重载大型人字闸门、反弧门运行状态特征信号，据此界定设备关键部件的运行状态；发展了高水头船闸重要部件运转卡阻情况的检测与分析技术。采用声发射方式检测低速重载大型人字闸门启闭机减速器的运行状态，形成了人字闸门启闭机减速器运转检测及分析技术；开发了三峡 葛洲坝船闸关键设备设施服役状态运行状态监测系统（见图2），使得相关数据平均反馈时间相较传统方式降低80%以上。2.梯级枢纽通航交通组织针对船舶过闸快速化难题，研发了基于同步移泊方法的过闸船舶航行自动控制技术。引入闸室有效面积利用率、船舶的吨位与面积关系、日流量不均衡系数，改进了船闸通过能力的工程计算模型；综合理论计算和实践经验，提出了单向运行与同步移泊的多级船闸交