三峡船闸浮式系缆桩系泊安全性分析及实船试验

，，，

(中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022)

近年来，随着三峡蓄水成库，三峡库区的通航条件得到了显著改善，进而推动了过闸船舶大型化的快速发展。三峡过闸船舶货运总量年均增长保持在12%左右，2011年过闸货运量就已突破1亿t大关，2016年过闸货运量达到1.305亿t。三峡过闸货运船舶平均吨位也已由2004年的1 048 t增长至2016年的4 236 t，增长趋势明显。

然而，三峡船闸闸室现有系缆设施承载能力是按照4×3 000 t船队过闸情况进行设计和校核的。随着三峡库区船舶的大型化发展，在三峡船闸实际营运过程中发现，过闸船舶与船闸闸室内的浮式系缆桩相互作用力增加，常常出现浮式系缆桩被拉坏或拉断的情况。根据现场调研了解得知，每年发生的闸室系缆安全事故约20余起，且有逐年增长的趋势。由于船闸属于封闭水域，运行过程中水动力情况复杂，一旦出现系缆安全问题，船舶将失去控制，严重影响船舶自身、同闸次船舶及船闸建筑物的安全。因此，本文对目前三峡船闸的过闸方式以及船闸内的浮式系缆桩承载能力的现状进行分析，针对过闸船舶系缆力的大小，采用国内外允许系缆力经验公式，根据能量守恒的系缆力理论分析方法和过闸船舶系缆力实船试验3种方法，分析三峡船闸浮式系缆桩改造前后安全过闸所能适应的大致船舶吨级；针对大型过闸船舶，升级改造浮式系缆桩，提高浮式系缆桩承载能力和安全系泊水平；根据实地调研和计算分析结果，对三峡船闸浮式系缆桩实际系泊操作有益若干建议。

1 三峡船闸过闸方式

1.1 船舶过闸运行方式

三峡船闸为双线五级船闸，是目前世界上已建成船闸中连续级数最多、总水头和级间输水水头最高的内河船闸[1]。南线通行下水船舶，北线通行上水船舶，每线船闸均有5个闸室，每个闸室内对称布置有11对浮式系缆桩，浮式系缆桩纵向间距为21～27 m不等，系缆桩可随着闸室水位的上升和下降自行上下运动。

船舶在每个闸室内的过闸过程包括以下几个步骤：进闸→靠泊→关门→充(泄)水→开门→离泊→出闸[2- 3]。其中，在靠泊→离泊过程中，船舶与浮式系缆桩之间始终通过缆绳进行系泊，系泊点视船舶长度而定，一般为2点(艏缆、艉缆)或3点(艏缆、坐缆、艉缆)。首缆通常位于船艏，在进闸移泊的过程中，船舶由于自身惯性，前进的势能尚未完全消失，在接近挂靠位置时，完成出缆系靠，待船泊稳后完成各缆绳的系挂。图1为过闸船舶系泊浮式系缆桩示意图。

图1 船舶系泊示意

1.2 浮式系缆桩设计承载能力现况

三峡船闸的浮式系缆桩是针对万吨级船队设计的，由于大型船队平面尺度充满整个闸室，可以实现左右侧多点系泊，与浮式系缆桩的相对运动及承载能力较小。浮式系缆桩设计的纵向许用系缆力为80 kN，横向许用系缆力为50 kN，许用合力为94.3 kN[4- 5]。为满足不同装载情况下船舶的系缆要求，每个闸室均设置两层浮式系缆桩，第一层系缆桩离水面高1 m，第二层系缆桩离水面高2.8 m。

随着库区船舶自航化、大型化发展，对船闸浮式系缆桩的系缆高度和系缆强度提出了新的要求。为此，为提高船闸通过能力，保障船闸安全运行，三峡通航管理局对北线第五闸室浮式系缆桩进行了加强改造。改造完工后，该闸室浮式系缆桩纵向、横向许用系缆力均为250 kN，许用合力353.5 kN。改造后上下层系缆桩距水面高度分别为4.7 m和2.1 m，可兼顾大型船舶载货和空载状态下安全快捷系泊，对船闸安全、高效运行具有重要意义。

目前仅对北线五闸室进行了改造，未来将根据运行实际效果，逐步对其余闸室进行改造。因此，在本研究中，充分考虑了改造前后的浮式系缆桩承载能力，并进行了系泊安全分析。

改造前和改造后浮式系缆桩承载能力和离水面高度汇总见表1。

表1 浮式系缆桩承载能力和离水面高度

2 系缆桩系泊安全性

船舶过闸系缆安全性指船舶驶入闸室完成系缆靠泊至船舶驶出闸室过程中船舶停泊的安全状况。对于在闸室中系缆的船舶，当过闸系缆力不超过闸室系缆设施承载能力时，安全系泊能降低船舶发生碰撞的风险，因此过闸系缆力的大小，能充分反映船舶过闸系缆的安全性。由于闸室内水动力情况复杂，要精确计算和确定不同过闸船舶的系缆力数值很困难，本文通过船闸内船舶停泊标准里的经验公式估算、基于能量守恒的理论公式推导，以及实船试验这3种方式来计算船舶过闸时的系缆力，再根据三峡船闸浮式系缆桩许用拉力值，进而反推浮式系缆桩改造前后可承受的过闸船舶排水量吨级。

2.1 船闸内船舶停泊标准

停泊在闸室内的过闸船舶是靠船上的系船设备用缆绳同闸室系船设备相联结，当船闸闸室内灌(泄)水时，在不稳定流的作用下船舶所受的水流作用力，大部分传到系缆绳索上，并通过它传到系船设备上，故船舶的停泊条件可以用停泊船舶的系缆力来表示。这一参数也是通航船闸的最主要指标之一。

2.1.1 我国标准

根据我国交通部发布的《船闸输水系统设计规范》(JTJ 306—2001)[7]，闸室与引航道内停泊船舶的允许系缆力，可按表2选取。

表2 闸室内船舶允许系缆力

允许系缆拉力值由缆绳破断强度和安全系数确定，不同吨位船舶配备的系缆尺寸，在《钢质内河船舶入级与建造规范》中有所规定[2]，是由船型尺度和上层建筑侧面积等算得的船舶舾装数来确定的。将缆绳的破断力除以安全系数就可得到系船缆绳允许受力值：对排水量为500 t及以上的船舶的安全系数可取4；对50 t及以下船舶允许系缆力的安全系数取为8。500 t到50 t的安全系数定在4～8之间线性变化。

2.1.2 国外标准

1959年苏联西马诺夫提出了船舶过闸允许系缆拉力值计算公式，此公式应用于苏联国家建委1965年3月批准的《船闸设计规范》中。该规范有如下规定。

PL=3W1/3

(1)

PT=0.5PL

(2)

式中：PL为允许系缆力纵向水平分力，kN；PT为允许系缆力横向系缆水平分力，kN；W为船舶排水量，t。

2.1.3 允许系缆力规范标准对比

将允许纵向系缆拉力进行对比可知，我国规范标准与苏联规范标准基本相当，见表3。

表3 允许系缆力标准对比情况

2.1.4 升级改造前三峡船闸浮式系缆桩承载能力分析

我国标准与苏联标准基本相当，允许系缆力值与西马诺夫公式结果相差不大，故可作为参考。根据舾装数得到缆绳尺寸及破断负荷，考虑n=4的安全系数，可初步计算得到排水量8 000 t以下船舶的允许系缆力(见表4)，可以看出，排水量8 000 t船舶的系缆力计算值已接近现浮式系缆桩许用值94.3 kN。因此，根据船闸内船舶停泊标准，取安全系数为4来分析，目前船闸系缆桩适应排水量8 000 t左右的船舶。

表4 升级改造前允许系缆力计算分析

2.1.5 升级改造后三峡船闸浮式系缆桩承载能力分析

目前，北线五闸室改造升级后，纵向、横向许用负荷为250 kN，许用合力为353.5 kN。如其它闸室均按此进行改造升级，足够满足15 000 t以下排水量的船舶安全停泊，见表5。

表5 升级改造后允许系缆力计算分析

2.2 浮式系缆桩安全性理论分析

船舶在闸室内系泊浮式系缆桩时，存在以下3种较为危险的工况：船舶进入闸室后的制动工况、充(泄)水过程中的系缆工况、闸门打开过程中的系缆工况。在这3种工况中，充(泄)水工况和闸门打开工况很难从理论上进行定量分析，必须进行实船试验；船舶进入闸室后的制动工况，可根据能量守恒定律，船舶的动能等于缆绳的弹性势能与系缆柱的变形能之和，来做一定的定量分析。

虽然有规定要求不允许船舶采用闸内系缆柱进行制动，但由于闸室内空间狭小，实际中常借用系缆柱来对船舶进行制动。此时船舶具有速度，当系泊缆绳突然瞬间系紧时，此时船舶的动能全部转化为系缆柱的变形能和缆绳的弹性势能(偏安全考虑，实际过程还有其他的能量损耗)。当船舶速度较大时，即船舶动能较大，会使缆绳产生较大的变形，此时缆绳受力较大；当缆绳拉力超过系缆柱的安全负荷时，造成系缆柱产生塑性破坏甚至拉断。

本文分析最为危险的情况，即船舶具有一定的速度时(取为0.15 m/s)[9]，缆绳突然系紧。根据能量守恒，船舶的动能Es等于缆绳的弹性势能El与系缆柱的变形能Ez之和。

(3)

缆绳的负荷与伸长率之间存在着非线性的函数关系，系泊操纵用缆过程中缆绳所吸收的外力能量与缆绳的伸长率也有着密切的关系。根据做功原理，缆绳吸收的能量即缆绳的弹性势能按下式计算。

El=TΔL

(4)

式中：ΔL为缆绳的伸长量；T为缆绳的拉力，采用Wilson公式进行计算。

T=Cpd2δn

(5)

式中：Cp为弹性系数；d为缆绳直径；δ为应变；n为表征弹性变形非线性的无量纲参数。对钢缆，Cp=2.75×105MPa，n=1.5；对尼龙缆，Cp=1.56×104MPa，n=3。

由于缆绳的弹性因素，缆绳在外力作用下是逐渐伸长的，其拉力T为ΔL的函数，因而缆绳吸收的能量计算公式可进一步改写为

(6)

式中：ΔL=δL0，L0为缆绳的原长度。

(7)

计算可得

(8)

系缆桩变形能计算应通过系缆柱的受力变形分析，得到其变形量S，然后根据外力功计算得到其变形能为

(9)

2.2.1 闸室系缆柱改造后，纵向、横向系缆力均为250 kN

计算时选取某型合成纤维缆。该缆绳所受拉力达到50%最小破断力时，其可保证在弹性范围内不失效，并且此时缆绳的伸缩率为10%，分3种直径进行分析，其具体参数如下。

直径：42、46、48 mm；

50%最小破断力分别为：170、212.5、236 kN；

对应缆绳的伸缩率：10%；

缆绳数量：2根；

缆绳的原长度：8 m；

船舶系泊时的速度：0.15 m/s；

n=1.5。

缆绳直径取42 mm，缆绳长度8 m时，可系泊排水量为9 500 t左右的船舶；

缆绳直径取46 mm，缆绳长度8 m时，可系泊排水量为12 000 t的船舶；

缆绳直径取48 mm，缆绳长度8 m时，可系泊排水量为13 000 t左右的船舶。

2.2.2 现有闸室系缆柱(未改造)，纵向系缆力80 kN、横向系缆力50 kN

同样选取某型合成纤维缆，分3种直径分析该缆绳所受拉力达到50%最小破断力，并且此时缆绳的伸缩率为10%时的船舶排水量情况，缆绳具体参数如下。

直径： 28、32、36 mm；

50%最小破断力分别为：52.5、66、128 kN；

此时缆绳的伸缩率：10%；

缆绳数量：2根；

缆绳的原长度取：8 m；

船舶系泊时的速度：0.15 m/s；

n=1.5。

结论如下。

缆绳直径取28 mm，缆绳长度8 m时，可系泊排水量为3 000 t左右的船舶；

缆绳直径取32 mm，缆绳长度8 m时，可系泊排水量为3 800 t的船舶；

缆绳直径取36 mm，缆绳长度8 m时，可系泊排水量为5 000 t左右的船舶。

2.3 三峡船闸系缆力实船试验

2015年4月，进行了三峡船闸闸室系缆力实船试验，测试船舶为6 000 t级船舶，测试结果见表6。测试结果显示，靠泊、充水和开门时的最大系缆力分别为205.8、222.5、149.9 kN，均超过了浮式系缆桩原许用力94.3 kN，但小于北线第五闸室浮式系缆桩改造后(仅该闸室浮式系缆桩进行了改造)的许用力353.5 kN。

表6 系缆力测试结果 kN

分析船舶在闸室内的运动可知，浮式系缆桩承受的靠泊力与递缆时船舶的速度相关；充(泄)水时的系缆力主要受船舶与系缆桩相对运动的同步性影响、以及缆绳与缆桩的磨合情况影响。因此，可采用配置柔性缆绳、控制靠泊速度、控制缆绳系缆夹角、定期清理系缆桩四周的方式予以改善。闸室改造前，测试的最大系缆力超过了浮式系缆桩原许用力94.3 kN，但试验过程中，未出现浮式系缆桩损坏的情况，初步分析试验测得的系缆力的峰值为瞬时力，闸室改造前的浮式系缆桩基本可满足6 000 t级船舶安全系泊的要求；对于大型船舶，还应考虑适当加大浮式系缆桩尺寸，改善浮式系缆桩结构形式，以提高其承载能力。

3 结论

1)我国船闸规范中的允许系缆力标准与前苏联规范标准基本相当，根据规范标准里的允许系缆力经验公式来估算，船闸系缆桩改造前适应排水量8 000 t左右的船舶，改造后可适应排水量15 000 t以下船舶安全过闸。

2)根据能量守恒定律，对船舶进入闸室后的制动工况进行一定的定量理论分析，当船舶进闸初始速度为0.15 m/s时，船闸系缆桩改造前适应排水量5 000 t左右的船舶，改造后可适应排水量13 000 t左右船舶安全过闸。

3)根据三峡船闸系缆力实船试验结果，闸室改造前浮式系缆桩基本可满足6 000 t级船舶安全系泊的要求；由于实船试验目标船有限，对于闸室改造后浮式系缆桩的极限承载能力，建议参照经验公式及理论分析的结果确定。对于万t级以上的大型船舶，还应按北线五闸室标准适当加大浮式系缆桩尺寸，改善浮式系缆桩结构形式，以提高其承载能力。

4)浮式系缆桩承受的系泊力与递缆时船舶的速度相关；充(泄)水时的系缆力主要受船舶与系缆桩相对运动的同步性影响、以及缆绳与缆桩的磨合情况影响，因此，可采用配置柔性缆绳、控制靠泊速度、控制缆绳系缆夹角、定期清理系缆桩四周的方式予以改善。

[1] 倪鹏.风险管理技术在三峡船闸通航安全应急反应关键技术研究中的应用[D].北京：北京邮电大学,2008．

[2] 陈磊.三峡永久船闸设计技术问题综述[J].人民长江,2001(8):4- 5.

[3] 李家熹.多级船闸船舶过闸安全初探[J].水运工程,2003(4):46- 49.

[4] 三峡船闸通航调度技术规程：JTS 196—6—2012[S].北京：人民交通出版社，2012.

[5] 船闸总体设计规范：JTJ 305—2001[S].北京：人民交通出版社，2001.

[6] JTJ 306- 2001,船闸输水系统设计规范[S].北京：人民交通出版社，2001.

[7] 中国船级社.钢质内河船舶入级与建造规范[M].北京：人民交通出版社，2016.

[8] 赵德志.船闸中船舶允许系缆拉力的确定[J].水道港口,1981(1):11- 20.

[9] 周华兴.船舶进、出闸室(或船厢)速度的商榷[J].水道港口,2001(1):14- 17.