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我国内河通航建筑物技术的“光荣与梦想”
作者:向鹏 发表时间:2022年06月08日

  内河水运是现代综合运输体系的重要组成部分,具有成本低、运量大、能耗小的独特优势,是国家经济的重要命脉,其发展对交通建设具有重要意义。我国内河水运网上建有上千座水电枢纽,通航建筑物是实现枢纽的防洪、发电和航运效益的三大主体工程之一,是船舶克服水位落差、通过大坝的唯一通道。 

    

  中国工程院院士胡亚安在“创新与新兴产业发展国际会议”现代交通工程技术与产业专题会上表示,改革开放以来,我国内河水运事业实现了蓬勃发展,一大批世界级大型通航建筑物建成,解决了内河水运网控制性节点的高效通航难题。以下为报告整理。 

    

  通航建筑物:制约内河水运网的“通”和“畅” 

  我国通航建筑物技术历史悠久,最早的记录可追溯到公元元年。新中国成立后,通航建筑物技术得到快速发展。改革开放以来,我国在高等级航道网兴建了百余座现代化大型通航建筑物,通航建筑物技术进入了高速发展时期。 

    

  通航建筑物分为船闸和升船机两大类,船闸是历史最悠久、数量最多的通航建筑物,全世界约有4000座船闸,中国有1100多座。20世纪8090年代,我国相继建成葛洲坝、万安、水口等160多座船闸,其中长江航运葛洲坝船闸是我国第一批高水头船闸,30年来实现了近40万闸次安全运行,在2011年时与三峡同步达到货运量过亿吨;2000年以后的二十年间,内河航运基础设施建设进入新发展阶段,全国共建成船闸200多座,其中包括三峡、大藤峡、长洲三四线、京杭运河三线等举世闻名的大型船闸。三峡双线连续五级船闸,总水头113米,中间级达到45.2米,闸室平面尺度超过10000平方米,2011年三峡船闸双向年过闸货运量实现1亿吨,提前19年实现了设计指标;在位于珠三角航道网的西江航运干线上,黄金水道总投资700多亿,建设目标年货运量将超过1亿吨,最大船舶3000吨;20203月开始试通航的大藤峡船闸水头超过40.25米,是世界上船闸水头最高的,闸室平面尺度和三峡相当。大藤峡工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程的标志性项目,也是珠江流域关键控制性水利枢纽,目前在规划建设二线和三线。毫无疑问,我国的船闸建设技术已全面领跑世界。 

    

  升船机是我国中西部地区高库大坝、水资源稀缺河流、人工运河实现传播过坝的重要通航设施。20世纪80年代以前,中国虽建有60多座升船机,但那时建设和管理水平都很落后。近40年来,我国建设升船机20余座,目前最大提升高度已达127米,最大提升重量达到15500吨,长江三峡、景洪、乌江思林等一系列大型升船机建设标志着我国升船机建设水平跃居世界前列。三峡升船机被认为是世界上技术难度最复杂、规模最大的升船机,它的提升高度达113米,提升重量达15500吨,可通过3000吨级的船舶过坝;世界首创、中国原创的景洪水力式升船机,从原理上更新了用电能提升的传统升船机,改用水能作为提升动力,规避了传统升船机船舱漏水的倾覆风险;刚刚通航的乌江构皮滩枢纽是国内外首座采用三级垂直升船机方案、首次采用隧洞穿越山体方案的通航建筑物,主要由上下游引航道、三级垂直升船机和两级中间渠道组成,线路总长2306m,年单向设计通过能力为142.1万吨,是当今世界通航水头最高、单级提升高度最大、主提升设备规模最大的通航建筑物。 

    

  我国干支航道交错,河流水位变幅大,运行环境复杂,船闸水头高、规模大,这既是特点也是难点。随着我国内河货运量的爆发式增长,通航建筑物的高速度、巨型化发展趋势显著,水力指标倍增,船闸高效疏水、升船机安全控制技术创新需求迫切。同时,我国还有一批建于20世纪80年代以前的老船闸,如何使老船闸焕发新活力?改建后的老旧船闸如何发挥新作用?这都是需要进一步解决的问题。 

    

  高水头船闸水动力安全的“难”与“新” 

  一是枢纽布置。我国河段形态复杂,在大弯段、S90度转弯的河段做好枢纽布置,是保障船舶安全通过大弯的基础;此外,多线船闸扩改扩建时,新老船闸的水力协调以及流域整个梯级的总体布置和运行协调也非常关键。 

    

  二是船闸高效输水与其本身的闸室效能及阀门安全问题。船闸上每分钟输水超2万立方米,水力指标高,阀门的防空化、闸室消能成为船闸向更高水头发展的技术瓶颈。 

    

  三是闸门在水动力作用下启闭过程中的安全问题。大型闸门如大藤峡,单扇门超过1000吨、在47米的高度下如何保障安全,是船闸设计中最重要的环节之一。 

    

  四是如何对老旧船闸实施扩能改造和提升船闸通过能力,老旧船闸碍航、拆建难度大,复线船闸和既有船闸存在水力干扰,这类问题亟待解决。 

    

  围绕上述“难”题,我们研发出了“新”技术。一是提出了复杂河段枢纽通航水流条件的综合优化技术,通过采取一系列工程建筑物、整治建筑物开挖、整顿等,减弱了河流弯道的斜流效应。首创四线船闸群集中布置技术,通过加革流灯、导航墙来解决4座船闸相互运行和独立运行的水力条件问题。 

    

  二是研发了一系列高效输水系统,确保大型船舶在闸室里能够安全停留。 

    

  三是建立了非恒定流减压试验理论和方法,研发出全球唯一的超大型非恒定流减压试验装备,实现了船闸里面阀门的空化模拟;构建了一个阀门的防空化技术体系,解决了船闸的阀门空化率和结构诊断难题;我们还提出了大型闸门结构优化和抗震设计方法,通过一系列水力学模型和水弹性模型来解决大型闸门的结构安全和启闭系统的运行优化问题。 

    

  四是构建了提升已建船闸通过能力的技术体系。在老旧船闸基础上提出了船舶吃水控制新标准,即充分挖掘现有船闸通航潜力,既要满足船舶航线安全,也要满足船舶在闸室的停泊安全。以三峡船闸为例,最早三峡船闸设计过3000吨船舶,通过对三峡船闸进行技术挖潜,三峡船闸可以通过5000吨船舶,使货运量从7000万吨一跃而上突破了1亿吨。 

    

  升船机:核心技术难题已有完整体系应对 

  升船机分为钢丝绳卷扬(与电梯一样)、以三峡为代表的齿轮齿条爬升式和景洪的水力驱动式三种类型。 

    

  升船机运行过程中,10000多吨的重量不是靠电机提升,而是在旁边配有同样重量的平衡块。如遇船厢漏水、船厢变轻,可能会发生飞车和倾覆事故,因此船厢的安全运行显得尤为重要。对此,我们研发了升船机船厢多元耦合的稳定控制技术,构建了不同类型的110大尺度升船机动态模拟平台,揭示了多点驱动、多点悬吊、--耦合的船厢复杂系统失稳机理。此外,我们研发的船厢抗倾技术将原来不可控的重力平衡改造为能够可控的安全平衡重,以保障船厢在吃水2300吨的情况下仍然能够稳定,目前在乌江试点效果很好。 

    

  我国天然河道下游水位变化幅度大,水位变化可达10米以上,每小时变幅可达到1米以上,因此整个船厢和引航道可能由于对接不成功而发生一系列安全问题,动态对接的控制成为技术难题。难题的解决是大水位变幅船厢的动态精准对接技术——即船厢直接入水,入水后船厢货吨变化可达几千吨,以此应对船厢输水过程中的吸附力问题。同时,我们在三峡建立了河流波动预警预报系统,用来预测升船机的对接时机。 

    

  此外,当航行漂角超过40度时,船舶安全将成为问题。为解决引航道的波动,确保大泄量通航安全,我们在向家坝建立了辅助闸室,下面设计了工作门,在船厢对接过程中工作门关闭,当船厢运行的时候工作门打开,船舶开始进出。 

    

  在国家现有建设需求的牵引下,我国升船机水动力学基础理论不断完善,通航水力学学科发展取得长足进步,核心技术难题已有完整体系应对。20161218日上午,云南景洪水电站迎来了第一艘社会船舶,客船如同坐电梯般被提升60多米,过程仅用时17分钟,中断12年、全长350公里的澜沧江-湄公河航道因此恢复了全程通航。这项水力驱动式新型升船机技术是我们团队历时15年不辍努力的结果,既是世界首创,也是百年来中国水电第一项完全自主的原创性整体技术,极大地推进了世界升船机技术的进步和发展。 

    

  根据中共中央、国务院于20199月印发实施的《交通强国建设纲要》,到2035年我国将基本建成交通强国。内河航运是国家综合交通运输体系的重要组成部分,目前,国家高等级航道网建设目标已从两横一纵两网提高到了四横四纵两网,即在原来的长江、西江航运干线上增加淮河干线和黑龙江水域两横,在原来横穿东西南北向的京杭大运河基础上增加江淮干线、浙赣粤通道、汉湘桂通道这三纵。四横四纵两网建设在加快水运大通道扩能升级的基础上主攻高等级航道网的畅通延伸,从而逐步推动运河沟通工程。 

    

  在这一发展机遇下,通航建筑工程规模将越来越大。如何结合互联网+、大数据、人工智能等跨界技术,探索并形成适应我国航运特点的通航建筑物智慧调度管理与运维技术,是目前面临的新挑战。目前,全国通航建筑的基础设施长期性能检测网和大数据中心建设作为交通强国的试点工作已在快速推进中,我国将通过构建通航建筑一级网、二级网和三级网性能监测网的建设,实现内河航运成网,发挥更好、更大作用。 

    

  个人名片 

  胡亚安:通航建筑物专家,1983年毕业于葛洲坝水电工程学院,1986年、2011年毕业于南京水利科学研究院,获硕士、博士学位。现任水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院水工水力学研究所所长,兼任通航建筑物建设技术交通行业重点实验室主任、国际航运协会(PIANC)升船机工作组主席,2021年当选中国工程院院士。 

  长期致力于内河水运通航建筑物前沿技术攻关、核心装备研发和重大工程实践。研发了世界唯一的超大型非恒定流减压试验装备,创建了阀门分级防空化技术体系,创新了高通过能力船闸输水系统,突破了超高水头船闸安全高效输水技术瓶颈。发展了升船机水动力安全控制理论,创新了升船机多元耦合稳定控制技术,与团队共同发明了一种利用水能作为提升动力的新型升船机—水力式升船机,引领了升船机创新技术发展。获国家科技进步二等奖3项,国家技术发明二等奖1项;省部级特等奖7项、一等奖13项;授权发明专利46项;编制通航建筑物模拟技术、原型调试、运行维护、安全评价等行业标准10部。荣获首届全国创新争先奖状、第十三届光华工程科技奖、杰出工程师奖等。 

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