孫志峰，高 策，陳 誠

(中國長江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

向家壩水電站一級(jí)升船機(jī)位于四川省宜賓市和云南省水富市交界的金沙江下游河段，主要由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等5部分組成，最大提升高度114.20 m，機(jī)型采用全平衡齒輪齒條爬升、長螺母柱短螺桿保安式。按IV級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1]，設(shè)計(jì)代表船型為2×500 t級(jí)一頂二駁船隊(duì)，船型尺寸為111.0 m×10.8 m×1.6 m(長×寬×吃水深，下同)，同時(shí)兼顧1 000 t級(jí)單船(85.0 m×10.8 m×2.0 m)[2]，船廂設(shè)計(jì)水深3.0 m，過機(jī)船舶設(shè)計(jì)最大吃水深度2.0 m，進(jìn)出船廂航速控制在0.5 m/s以內(nèi)。2016年12月開始船廂全行程運(yùn)行調(diào)試，2017年9月完成過船聯(lián)合調(diào)試，2018年1月完成第一階段實(shí)船試驗(yàn)。2018年5月，向家壩水電站升船機(jī)通過試通航驗(yàn)收，進(jìn)入試運(yùn)行階段。2018年～2019年汛期補(bǔ)充完成了多組泄洪工況下的實(shí)船試驗(yàn)工作，目前升船機(jī)運(yùn)行總體安全、平穩(wěn)、暢通[1]。

1 運(yùn)行準(zhǔn)備工作

1.1 明確升船機(jī)安全運(yùn)行相關(guān)參數(shù)要求

編制完成并申報(bào)的《金沙江向家壩水電站水庫運(yùn)用與電站運(yùn)行調(diào)度規(guī)程(試行)》明確了電站航運(yùn)調(diào)度相關(guān)規(guī)定：上游最高通航水位為380 m，最低通航水位為370 m；下游最高通航水位為277.25 m，相應(yīng)流量12 000 m3(升船機(jī)試運(yùn)行期間經(jīng)實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，最大通航流量暫為8 500 m3/s，其中泄洪流量不超過2 200 m3/s)。最低通航水位為265.8 m，相應(yīng)流量1 200 m3/s。下游最小通航流量應(yīng)以滿足最低通航水位為原則，在升船機(jī)投運(yùn)前觀測后核定(實(shí)際觀測后最小通航流量按不低于1 500 m3/s控制，滿足交通運(yùn)輸主管部門要求)。運(yùn)行初期向家壩水電站日調(diào)峰運(yùn)行時(shí)下游水位最大日變幅暫按不超過4.5 m/d控制(實(shí)際運(yùn)用過程中按照交通運(yùn)輸主管部門意見，不超過3.0 m/d)，最大小時(shí)變幅暫按不超過1.0 m/h試運(yùn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，提出了通航建筑物運(yùn)用要求：船舶過機(jī)期間，應(yīng)避免下游引航道內(nèi)及口門區(qū)水流流態(tài)劇烈變化，使船舶能安全進(jìn)出下游引航道。當(dāng)下游引航道內(nèi)的水位變幅在20 min內(nèi)達(dá)到或超過0.5 m時(shí)，應(yīng)即刻啟動(dòng)引航道輔助閘首的工作閘門，以保障升船機(jī)承船廂與下閘首工作閘門安全對(duì)接；船舶進(jìn)出承船廂航速應(yīng)控制在0.5 m/s以內(nèi)。

圖1 向家壩水電站水上管理區(qū)和禁航區(qū)平面示意

1.2 建立企地深度融合的樞紐通航聯(lián)合管理新模式

向家壩水利樞紐通航河段屬川滇兩省界河，涉及行政管理主體多，地方利益訴求多樣，協(xié)調(diào)難度大；樞紐水域港口碼頭林立，船舶航路交叉，安全影響因素多；升船機(jī)運(yùn)行管理過程中涉及大量行政報(bào)批事項(xiàng)需積極探索、協(xié)調(diào)解決。為厘清涉及各方管理分工及職責(zé)，凝聚共識(shí)、增加合力，加強(qiáng)通航安全管理，在交通運(yùn)輸部、長江航務(wù)管理局、川滇省市航運(yùn)主管部門的大力指導(dǎo)支持下，明確了向家壩樞紐通航、升船機(jī)運(yùn)行有關(guān)行政管理事項(xiàng)，由四川省交通運(yùn)輸廳牽頭負(fù)責(zé)，并書面征求云南省交通運(yùn)輸廳意見，重大問題報(bào)交通運(yùn)輸部，長江航務(wù)管理局對(duì)向家壩樞紐河段管理有關(guān)問題進(jìn)行協(xié)調(diào)、指導(dǎo)。探索建立了企地聯(lián)合的向家壩樞紐通航管理工作機(jī)制，即電站業(yè)主牽頭，昭通、宜賓市級(jí)航務(wù)海事部門參與組建向家壩樞紐通航聯(lián)合管理機(jī)構(gòu)，統(tǒng)籌負(fù)責(zé)向家壩升船機(jī)過機(jī)船舶安檢、通航秩序維護(hù)、海事應(yīng)急救助、違章處理等。

劃定通航管理水域：為營造向家壩樞紐河段安全、有序的通航環(huán)境，防止船舶開展危害樞紐及附屬建筑物安全的活動(dòng)，防止船舶誤入近壩流態(tài)危險(xiǎn)區(qū)域，保證船舶和樞紐建筑物的安全，在行業(yè)主管部門的大力支持下，完成了向家壩樞紐水上管理區(qū)與禁航區(qū)規(guī)劃及設(shè)置工作，并通過行業(yè)主管部門審批。水上管理區(qū)共設(shè)置2處，禁航區(qū)共設(shè)置3處。通航管理水域劃定示意如圖1所示。目前該模式已正式運(yùn)轉(zhuǎn)3年，實(shí)現(xiàn)了向家壩樞紐河段安全、高效通航。

1.3 建管結(jié)合、無縫交接

一是建章立制。為協(xié)調(diào)好電站發(fā)電與航運(yùn)之間的關(guān)系，保證向家壩樞紐河段過機(jī)船舶的航行安全和升船機(jī)安全、高效運(yùn)行，針對(duì)外部通航環(huán)境，編制了《金沙江向家壩水電站升船機(jī)運(yùn)行期航運(yùn)調(diào)度方案》，推動(dòng)發(fā)布了《金沙江向家壩樞紐河段通航管理暫行辦法》《金沙江向家壩升船機(jī)通航調(diào)度規(guī)程》，結(jié)合樞紐河段通航條件變化情況，編制升船機(jī)年度運(yùn)行方案向四川、云南兩省交通運(yùn)輸廳報(bào)批，用于指導(dǎo)本年度升船機(jī)運(yùn)行管理各項(xiàng)工作；針對(duì)升船機(jī)設(shè)備運(yùn)行，按照標(biāo)準(zhǔn)化體系完成了貫標(biāo)工作，取得了標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證證書，建立了設(shè)備、臺(tái)賬、技術(shù)管理、物資采購、計(jì)劃合同、信息安全等規(guī)章制度，編寫升船機(jī)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行操作規(guī)程共計(jì)21部，升船機(jī)應(yīng)急預(yù)案4部。二是機(jī)構(gòu)組建。提前介入：升船機(jī)建設(shè)期，提前組建運(yùn)行管理單位，主要負(fù)責(zé)航運(yùn)關(guān)系協(xié)調(diào)，實(shí)船試驗(yàn)，通航安全保障，升船機(jī)運(yùn)行操作、維護(hù)檢修和船舶過機(jī)調(diào)度安檢工作等，選派人員深度參與升船機(jī)設(shè)備安裝與調(diào)試工作，開展實(shí)操培訓(xùn)；同時(shí)積極開展各項(xiàng)內(nèi)部培訓(xùn)、外部培訓(xùn)與專家培訓(xùn)，安排部分人員到監(jiān)理單位，直接參與現(xiàn)場管理工作。三是過機(jī)船員培訓(xùn)。編制了《向家壩水電站船舶過機(jī)培訓(xùn)教材升船機(jī)篇》、《向家壩水電站船舶過機(jī)培訓(xùn)教材法律法規(guī)摘抄》、《向家壩通過升船機(jī)船舶過機(jī)操作指南》、《向家壩升船機(jī)過機(jī)十問》等，制作了過機(jī)培訓(xùn)視頻動(dòng)畫，采取“現(xiàn)場講解+閉卷考核”方式對(duì)擬過機(jī)船員進(jìn)行培訓(xùn)，首批培訓(xùn)擬過機(jī)船員122名，培訓(xùn)通過率98.3%。

1.4 枯水期實(shí)船試驗(yàn)

2018年1月，組織完成了向家壩升船機(jī)第一階段試航工作[3- 4]，參試船舶共5艘，試驗(yàn)組次共22組次，包括輔助閘室投用與不投用兩種工況下貨船(空載、重載)、客船過機(jī)試驗(yàn)，船舶超設(shè)計(jì)吃水試驗(yàn)，船舶夜航試驗(yàn)，防撞裝置撞擊試驗(yàn)等。主要測試內(nèi)容包括升船機(jī)運(yùn)行性能測試、枯期小流量下引航道及口門區(qū)水力學(xué)測試、船舶測試等。試航期間向家壩下泄流量1 642～4 557 m3/s，下游引航道水位265.96～269.45 m。試驗(yàn)結(jié)論為：上下游引航道及口門區(qū)水流平緩，波動(dòng)大都在10 cm以內(nèi)，下游引航道口門區(qū)最大縱向流速均小于1.0 m/s，最大橫向流速均小于0.3 m/s，滿足規(guī)范要求，回流流速局部超過規(guī)范規(guī)定的0.4 m/s，但超標(biāo)區(qū)域集中在口門區(qū)下游岸坡附近，橫向?qū)挾燃s15m，該區(qū)域已遠(yuǎn)離航線，對(duì)船舶進(jìn)出引航道的航行安全無影響，通航水流條件良好；升船機(jī)整體運(yùn)行平穩(wěn)，升船機(jī)及助導(dǎo)航設(shè)備設(shè)施性能良好，船舶通過性較好(包括夜航)。

2 運(yùn)行管理

2.1 設(shè)備設(shè)施運(yùn)行維護(hù)

向家壩升船機(jī)是由金結(jié)、機(jī)械、液壓、電氣等多種專業(yè)設(shè)備集成的復(fù)雜系統(tǒng)工程[5]，其中任何一個(gè)設(shè)備甚至傳感器故障，都有可能造成升船機(jī)非計(jì)劃性停航，從而對(duì)該江段通航產(chǎn)生較大影響。為提高通航保證率，做到規(guī)范化制度化管理，升船機(jī)運(yùn)行管理單位編制了升船機(jī)運(yùn)行、檢修規(guī)程及作業(yè)指導(dǎo)書，在日常運(yùn)行過程中嚴(yán)格執(zhí)行，通過升船機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)各主要設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，并結(jié)合人工巡視巡查，做到早發(fā)現(xiàn)、早處置；建立了“日常保養(yǎng)+定期維護(hù)+年度檢修”的運(yùn)行維護(hù)模式，日常保養(yǎng)和定期維護(hù)穿插在試通航期間開展(每周三下午)，年度檢修與超通航流量標(biāo)準(zhǔn)洪水期相結(jié)合，充分利用泄洪停航期開展年度檢修工作，提高升船機(jī)通航天數(shù)。試通航運(yùn)行以來，故障搶修停航天數(shù)約占總通航天數(shù)2%，升船機(jī)運(yùn)行安全可靠。

2.2 通航調(diào)度管理

向家壩樞紐河段下游水富港碼頭、上游新灘壩翻壩碼頭船舶作業(yè)頻繁，與過升船機(jī)船舶航路交叉，電站業(yè)主與昭通市、宜賓市級(jí)航務(wù)海事部門共同組建向家壩通航指揮中心，對(duì)進(jìn)入樞紐河段的船舶進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理。過升船機(jī)船舶需經(jīng)向家壩通航指揮中心同意后，方可進(jìn)入安檢區(qū)等待安檢，安檢遵循每船必檢原則，地方海事部門對(duì)船舶適航、船員適任情況進(jìn)行檢查，升船機(jī)運(yùn)行管理單位對(duì)船舶尺寸(船舶長、寬、高、吃水)、船艏甲板插杠固定裝置、貨物覆蓋、主輔機(jī)冷卻水擋板、系纜繩及軟靠把等進(jìn)行查驗(yàn)，聯(lián)合安檢合格后，由升船機(jī)調(diào)控室調(diào)度船舶過機(jī)。為營造良好通航環(huán)境，規(guī)范船舶申報(bào)過機(jī)排隊(duì)秩序，升船機(jī)運(yùn)行管理單位優(yōu)化申報(bào)確認(rèn)方式，實(shí)行“到錨申報(bào)”制，通過自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)船載設(shè)備對(duì)過機(jī)船舶進(jìn)行到錨監(jiān)管，增強(qiáng)了過機(jī)申報(bào)及調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行嚴(yán)肅性，試通航運(yùn)行以來，累計(jì)調(diào)度船舶8 035艘次，安檢不合格率1.36%，過機(jī)計(jì)劃取消率8.23%。

2.3 安全管理

升船機(jī)運(yùn)行管理單位針對(duì)升船機(jī)運(yùn)行中可能發(fā)生的突發(fā)事件事故風(fēng)險(xiǎn)，編制了火災(zāi)、船舶撞擊、運(yùn)行突發(fā)故障及緊急停電4部應(yīng)急預(yù)案，并定期組織人員進(jìn)行演練。為保障樞紐河段通航安全，定期開展水上應(yīng)急救援演練，2018年～2020年，每年聯(lián)合宜賓、昭通市航務(wù)管理等部門，在向家壩樞紐河段開展水上應(yīng)急救援演練，演練主要內(nèi)容為過機(jī)船舶安檢突發(fā)情況處置、失控船舶海事應(yīng)急救援、江面溢油應(yīng)急處置。通過演練進(jìn)一步夯實(shí)了金沙江水上安全監(jiān)管工作基礎(chǔ)，提升了金沙江水上應(yīng)急救援處置能力，檢驗(yàn)了應(yīng)對(duì)水上交通重大突發(fā)事件時(shí)的綜合協(xié)調(diào)能力。同時(shí)還配備了應(yīng)急處置裝備，如汛期在向家壩壩前租賃應(yīng)急拖帶船舶加強(qiáng)值守，防止大型漂浮物撞擊大壩，在向家壩下游租賃大馬力拖輪，強(qiáng)化失控船舶處置，購置了吸油機(jī)、吸油氈、儲(chǔ)油囊等油污染應(yīng)急處理裝備等。

2.4 設(shè)備設(shè)施優(yōu)化改造

2.4.1 加裝航速及吃水檢測裝置

為更加直觀的反應(yīng)過機(jī)船舶吃水及進(jìn)出廂航速，降低船舶觸底風(fēng)險(xiǎn)，在升船機(jī)上游90 m鋼質(zhì)浮堤(仰掃)、下游輔助閘首(側(cè)掃)處安裝2套吃水檢測裝置，在承船廂廂頭處安裝了1套富裕水深檢測裝置，在承船廂內(nèi)安裝2套航速檢測裝置，吃水及富余水深檢測精度為0.2 cm，航速檢測精度為0.01 m/s，實(shí)現(xiàn)所有過機(jī)船舶全覆蓋檢測。

2.4.2 承船廂部分設(shè)施改造

實(shí)船試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原有承船廂系船柱設(shè)置偏低，空載船舶進(jìn)廂后船員無法自行解系纜，且系纜柱上部翼緣無法很好地卡住纜繩，存在纜繩脫落的安全隱患。升船機(jī)運(yùn)行管理單位將船廂內(nèi)部分單檔檐系船柱改造成組合式系船柱(自帶鋼制護(hù)舷)，船廂增加的重量在平衡重塊側(cè)進(jìn)行配平；在承船廂和輔助閘室內(nèi)增設(shè)距離和禁停范圍標(biāo)識(shí)，對(duì)系纜柱進(jìn)行編號(hào)，為船舶在船廂或輔助閘室內(nèi)?？刻峁┪恢脜⒖肌?/p>

3 多措并舉，持續(xù)提升通過能力

3.1 會(huì)同交通主管部門積極推動(dòng)過機(jī)標(biāo)準(zhǔn)船型推廣

金沙江在航船舶能滿足過機(jī)尺度要求的參差不齊，普遍短而吃水深，船長一般在55 m左右，滿載吃水在2.6～3.8 m之間(升船機(jī)設(shè)計(jì)1 000 t代表船型船長85 m，滿載吃水2.0 m)，過機(jī)時(shí)普遍呈半載狀態(tài)，過機(jī)船舶標(biāo)準(zhǔn)化推廣基本零起步。2019年，川滇兩省交通運(yùn)輸廳航務(wù)局、三峽集團(tuán)公司共同開展了過機(jī)標(biāo)準(zhǔn)船型的研究工作，推廣的標(biāo)準(zhǔn)船型長70～85 m，船寬11 m，吃水2.2～2.3 m，過機(jī)裝載量950～1 200 t，目前過機(jī)船舶中已有標(biāo)準(zhǔn)船型9艘，占過機(jī)船舶比例達(dá)30%，正在打造的有17艘。

3.2 開展超過設(shè)計(jì)吃水標(biāo)準(zhǔn)的通航試驗(yàn)

向家壩升船機(jī)設(shè)計(jì)吃水為2.0 m，目前在航的金沙江過機(jī)千噸級(jí)船舶，在吃水2.0 m時(shí)裝載僅400～500 t。為更好發(fā)揮升船機(jī)航運(yùn)效益，在實(shí)船試驗(yàn)期間開展了提高過機(jī)船舶吃水研究工作，通過原型觀測及物理模型試驗(yàn)[6-7]，2～2.3 m吃水船舶正常出廂時(shí)，平均速度為0.274 m/s，最大速度均值為0.465 m/s(下沉量在18 cm以內(nèi))，千噸級(jí)2.3 m吃水重載船舶能夠到達(dá)的最大出廂速度為0.7～0.8 m/s(下沉量在30 cm以內(nèi))。結(jié)合向家壩升船機(jī)船廂設(shè)計(jì)富裕水深，并經(jīng)過廣泛征求意見，將過機(jī)船舶吃水從2.0 m提高到2.2 m，航運(yùn)綜合效益提升30%以上。

3.3 開展升船機(jī)夜間試運(yùn)行試驗(yàn)

為進(jìn)一步提高通航效率，探索延長升船機(jī)通航時(shí)間的途徑和方法，開展了向家壩升船機(jī)夜間試運(yùn)行。試運(yùn)行分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段(第一周)運(yùn)行時(shí)間為8∶00～22∶00；第二階段(第二周)開展全天(不超過22 h)連續(xù)運(yùn)行。夜間試運(yùn)行期間，升船機(jī)通過貨物87 666 t，平均日通過貨物6 261.86 t，單日最大載貨量9 715 t，單日最大運(yùn)行30廂次(達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))。

3.4 優(yōu)化過機(jī)調(diào)度方式

向家壩水電站調(diào)峰運(yùn)行或泄洪時(shí)，下游水位波動(dòng)較大，為確保升船機(jī)船廂與下游水位精準(zhǔn)對(duì)接，通過在下游設(shè)置輔助閘室和輔助閘首來解決該問題。實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果表明，輔助閘室投運(yùn)工況下，升船機(jī)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間將增加，相應(yīng)地，過機(jī)總時(shí)長將增加13～15 min。為提高升船機(jī)過機(jī)效率，采用在輔助閘室“錯(cuò)船”調(diào)度方式，即在船舶下行過程中，將上行船舶調(diào)到輔助閘室內(nèi)等待，下行船舶出廂后，上行船舶再進(jìn)廂，在輔助閘室內(nèi)完成錯(cuò)船。實(shí)際調(diào)度表明，輔助閘室“錯(cuò)船”調(diào)度大大降低了輔助閘室使用對(duì)船舶過機(jī)效率影響。

4 通航數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

自2018年5月26日試通航以來，截至2021年8月31日，向家壩升船機(jī)已安全平穩(wěn)運(yùn)行868 d，累計(jì)運(yùn)行8 386廂次，過船8 417艘次(上行4 247艘次，下行4 170艘次)，通過貨物311.77萬t(上行62.56萬t，下行249.21萬t)。通過的貨物種類有碎石、人工砂、磷酸一銨、硫磺、煤炭、天然砂、卵石、磷渣、水泥、礦建材料、煤渣和其他貨物。試通航運(yùn)行期間，升船機(jī)日最大貨運(yùn)量為106 40 t，月最大貨運(yùn)量16.38萬t，試通航第二年貨運(yùn)量就達(dá)到并超過設(shè)計(jì)年貨運(yùn)規(guī)劃量112萬t(提前16 a)，試通航第3年貨運(yùn)量達(dá)138萬t。

表1 向家壩升船機(jī)通過貨種及貨運(yùn)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(2018年5月26日～2021年8月31日)

上行貨種以硫磺為主，占上行貨物總量91.49%，因向家壩庫區(qū)有3家大型化肥生產(chǎn)廠，硫磺作為生產(chǎn)化肥主要原料，需從宜賓、瀘州等地外購；下行貨種以砂石料、磷酸一銨、煤等貨物為主，其中砂石料(碎石、人工砂、天然砂、卵石)占下行貨物總量近50%，主要由于長江河道禁采及長江大保護(hù)日益嚴(yán)格，宜賓以下江段砂石開采市場逐步壓縮，導(dǎo)致庫區(qū)砂石量外運(yùn)需求量大；下行貨物量遠(yuǎn)超上行貨物量，說明庫區(qū)沿江各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠資源輸出[8]。由于金沙江向家壩庫區(qū)客運(yùn)市場尚未開發(fā)，客運(yùn)量為0。

5 結(jié) 論

(1)提出了界河通航管理新模式，建立了宜賓、昭通航務(wù)部門與電站業(yè)主三方企地共管的升船機(jī)運(yùn)行管理工作機(jī)制，構(gòu)建了向家壩樞紐通航聯(lián)合管理機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了樞紐河段航運(yùn)統(tǒng)一調(diào)度、過機(jī)船舶聯(lián)合安檢、樞紐水域安全聯(lián)合管理，向家壩通航管理、應(yīng)急救助等工作有序開展。

(2)通過實(shí)船試驗(yàn)，首次探索并建立了山區(qū)河流升船機(jī)通航安全綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及體系，提出了向家壩升船機(jī)機(jī)組出流和泄洪流量的雙控標(biāo)準(zhǔn)，積極開展過機(jī)標(biāo)準(zhǔn)船型研究并推廣、過機(jī)船舶吃水提升及夜間試運(yùn)行試驗(yàn)，研究下游水位變幅(波幅)變化規(guī)律和輔助閘室投運(yùn)條件，相應(yīng)創(chuàng)新成果在升船機(jī)運(yùn)行管理中得到應(yīng)用，并取得良好效果，升船機(jī)航運(yùn)效益發(fā)揮顯著，得到了川滇省市航運(yùn)主管部門及行業(yè)專家認(rèn)可，升船機(jī)運(yùn)行管理整體達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。