船闸门槛水深研究进展

曹凤帅，黄 瑶

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

门槛水深为设计最低通航水位至门槛顶部的垂直距离，又称闸槛水深或槛上水深[1]。船闸门槛水深取值直接影响了船闸的断面系数，其与船舶的进闸速度、航行阻力、船闸通过能力和安全运行等都有密切关系。较小的断面系数将降低船舶进闸速度，加大航行阻力，增加进闸难度和事故，延长进闸时间，降低船闸通过能力。而较大的断面系数往往会增加工程投资，造成浪费[2]。因此，必须选取合理的船闸门槛水深。

关于船闸门槛水深的确定，国内外许多国家和地区都给出了相关标准和方法。近年来，随着内河航运的不断发展，内河船舶大型化趋势显著，国内外许多已建船闸(升船机)都进行了允许过闸(升船机)船舶的最大吃水研究工作。

1 国内外相关标准

1.1 我国设计规范

1.1.1 《船闸总体设计规范》

我国《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)中指出[3]，船闸门槛水深应满足设计船舶、船队满载时的最大吃水加富裕深度的要求，按照下式计算

H/T≥1.6

(1)

式中：H为门槛最小水深,m；T为设计船舶、船队满载时的最大吃水,m。

其中还指出，闸室最小水深应为设计最低通航水位至闸室底板顶部的最小水深，其值应不小于门槛最小水深。设计采用的门槛最小水深和闸室最小水深，在满足计算的最小水深值基础上，应充分考虑船舶、船队采用变吃水多载时吃水增大以及相邻互通航道上较大吃水船舶、船队需通过船闸的因素，综合分析确定。该规定取值较大是为了减少船舶航行阻力、提高过闸速度，同时也为未来船舶大型化发展，吃水更大的船舶可以过闸留有一定富裕。

1.1.2 《升船机设计规范》

我国《升船机设计规范》(SL660-2013)中[4]，规定承船厢或承船车有效水深，应满足设计船舶(队)满载条件下顺利进出升船机的要求，按下式计算

H=T+△H

(2)

式中：△H为富裕水深，可取0.25～0.40T，必要时可通过船模试验检验。

1.2 美国设计手册

美国土木工程师协会出版的《Inland Navigation: Locks, Dams, and Channels》(1998)[5]和美国陆军工程师团出版的《Hydraulic Design of Navigation Locks》(2006)[6]中指出：在选择门槛水深时需要考虑安全和经济因素。为安全起见门槛水深吃水比不应小于1.5，极低水头(0～10 ft)船闸除外。通常入闸速度为3 kn时(约1.54 m/s)，门槛水深需要2倍的吃水以应对船舶下沉量增大和船速出现难以控制的情况。

1.3 国际航运协会设计指南

国际航运协会(PIANC)在《Innovations in Navigation Lock Design》(2009)[7]中介绍了欧洲关于船闸尺寸的相关要求(见表1)。

表1 欧洲内河船闸尺度Tab.1 Dimensions of lock chambers in Europe

其中门槛水深考虑了船舶吃水、下沉量、龙骨下富裕水深，没有考虑推移波的影响。表1中船舶吃水给出的是吃水范围，门槛水深给的是定值，按门槛水深是对应所给吃水范围中的下限值，其最小水深吃水比为1.24。

国际航运协会给出的各级船闸门槛水深，考虑了船舶吃水、船舶航行下沉量、龙骨下富裕水深，但推移波的影响需另外考虑。这主要是因为船舶过闸时闸室内的推移波即与闸室水深、闸室宽度等闸室条件有关，又与船舶吃水、船宽、航速等船舶条件有关，还与过闸船舶的排挡有关，影响推移波大小的因素较为复杂，而且对过闸船舶安全影响较大，就具体情况单独考虑更为合理。

1.4 荷兰设计手册

荷兰Rijkswaterstaat出版的《Design of locks》(2000)中指出[8]，对于内河小型船闸(船舶通航量较低)，船闸的尺度如表2所示。

表2 荷兰航道等级、船舶及船闸尺度Tab.2 Channel class, ship and ship scale in Netherlands

其中认为船闸的门槛水深构成主要包括：推移波等水面波动范围、船舶满载吃水、船舶航行下沉量、保证船舶舵效和安全航行的水深、安全富裕水深，其中船舶航行下沉量、保证船舶舵效和安全航行的水深、安全富裕水深总和为总的龙骨下富裕水深。

基于现场测量，对于小型船闸总的龙骨下富裕水深可取：0.6 m(I、II和III级)，0.7 m(IV和V级)。总的龙骨下富裕水深大约为20%的吃水。基于最新的研究成果，总的龙骨下富裕水深是可以取得更小的，但要严格控制船舶航行速度。

1.5 海船闸

国际航运协会(PIANC)《Innovations in Navigation Lock Design》(2009)[7]中指出，海船闸的门槛水深应由过闸设计船型的最大吃水和闸室的最低通航水深确定，并保证龙骨下的静水深至少为1 m。

巴拿马船闸明确给出了可通过船舶的尺度。大型船舶通过巴拿马船闸时，采用岸上的机车牵引辅助过闸，其门槛水深为12.8 m，允许通过最大船舶吃水为12.04 m，门槛水深与船舶吃水比为1.06。目前，只有巴拿马船闸采用这种由岸上车辆牵引过闸的方式，其余海船闸基本采用自航或者拖轮牵引过闸的方式。巴拿马新船闸采用了拖轮牵引船舶过闸的方式，其门槛水深为18.3 m，允许通过最大船舶吃水为15.2 m，门槛水深与船舶吃水比为1.2。通常海轮的操控性能和船舶动力都较好，同时当大型海轮通过海船闸时都有拖轮辅助作业进出闸，故其门槛水深可取相对小一些。

对比国内外相关规定，我国和美国要求船闸门槛水深与船舶吃水比取值较大，这主要是考虑船队通过船闸的情况，欧洲的相关标准都是针对单船过闸的情况。船闸门槛水深与船舶吃水比值较大，一方面有利于船舶进出闸行进中减小阻力，提高行进速度，从而提高船闸通过能力；另一方面也是考虑到航道条件不断改善，船舶大型化发展，为将来发展留有一定富裕。

2 国内外相关研究

2.1 三峡实船试验研究成果

在西部交通建设科技项目“三峡船闸过闸船舶吃水控制标准关键技术研究”中[9]，对三峡船闸过闸船舶吃水控制标准进行了系统研究。

研究中指出，过闸船舶吃水控制标准直接取决于船舶综合航行下沉量和不触底富裕水深的大小。船舶综合航行下沉量由船舶航行下沉量、推移波、非恒定流引起的水位波动及船舶纵倾等四部分组成。

H=T+ΔH+δ+t

(3)

δ=δs+ΔHw+δw

(4)

式中：H为闸室门槛水深 ；T为允许过闸船舶的最大吃水；δs为船舶实际下沉量；δW为推移波；ΔHw为非恒定流引起的水面波动；ΔH为安全富裕；t为船舶纵倾。

研究中进行了多组次的实船观测，并结合相关模型研究，指出船舶综合下沉量δ主要与闸室过水断面面积F、船舶中断面水面以下部分面积f，船舶航速v等因素有关，建立了相应的函数关系

(5)

(6)

式中：δ为船舶综合下沉量，m；H为闸室水深，m；v为船舶对水相对航速，m/s；F为闸室水下横断面面积，m2；f为船舯水下横断面面积，m2；g为重力加速度，m/s2；由上式计算所得的下沉量包含了推移波以及闸室内非恒定流引起的水位波动。

《三峡—葛洲坝枢纽河段通航管理办法》中规定过闸船舶进出闸最大航速为1 m/s，在闸室间移泊的航速不得超过0.6 m/s。由于公式中的速度为相对速度，过闸船舶对岸速度按1 m/s计。考虑回流影响，回流速度按0.3 m/s计，因此计算吃水控制标准的速度均按1.3 m/s取值。该研究中已考虑闸室水位波动等因素，三峡船闸过闸船舶的不触底安全富裕量ΔH按0.3 m取。根据三峡船闸过闸船舶可能存在初始装载纵倾的实际情况，在不触底安全富裕基础上另外增加船舶装载纵倾安全富裕，取0.15 m。

基于上述研究成果，根据三峡船闸过闸船舶及船闸运行情况，可通过的船舶控制吃水情况见表3[10]。

表3 三峡船闸控制吃水标准Tab.3 Draft control standard for Three Gorges ship lock

注：船舶实际载重量不大于5 000 t。

2.2 三峡船闸模型试验研究成果

在西部交通建设科技项目“三峡及长江上游特大型水库群联合调度对下游航道的影响研究”项目中[11]，建立了1:36的三峡船闸物理模型和相同比尺5 000 t级的典型船舶模型，采用牵引船模进行了系列物理模型试验，对三峡船闸典型大型化船舶在不同水深和不同航速情况下进、出闸时船舶的下沉量进行了模型试验研究。

试验成果表明：在其它条件相同时，典型船舶出闸时的下沉量均大于其进闸时的下沉量；典型船舶进出闸室时，航速对下沉量的影响很大，相同条件下，航速小于1.2 m/s时，其下沉量随着航速的增大缓慢增大，当速度大于1.2 m/s时，其下沉量快速变大；典型船舶进、出闸室时，闸室内水深越大，船舶进出闸室时的下沉量越小；船舶吃水越大，其进、出闸室时的下沉量越大；断面系数为一综合性影响因素，典型船舶在同一工况下，断面系数相同，其下沉量也相同；断面系数越大，下沉量越小；当航速小于1.2 m/s时，断面系数对下沉量的影响较小，当航速大于1.2 m/s时，其对下沉量的影响较大。

根据理论分析，同时结合以往的试验成果，提出三峡船闸过闸船舶航行下沉量的计算公式

δ/H=-14.226×K12-4.028 6×K1+0.031 5

(7)

(8)

式中：m为闸室宽度与船舶宽度之比，其它变量同前。

2.3 三峡升船机模型试验研究

三峡升船机的承船厢有效长度为120 m，有效宽度为18 m，水深为3.5 m。三峡升船机的设计文件中的设计代表船型吃水分别为：单船2.65 m，船队2.78 m，在顾及能通过升船机的船舶数量的情况下，可以考虑将通过升船机的船舶或船队最大吃水定为不超过2.8 m[12]。

在“三峡升船机标准船型尺度及技术要求研究”中，对升船机通行船舶航行控制标准的相关研究[13]，通过模型试验给出了典型船舶出厢时下沉量计算公式。综合考虑，船舶安全通过三峡升船机的速度为0.5 m/s，升船机对接船厢内外最大允许水位差为±10 cm，三峡枢纽运行影响升船机引航道内非恒定流水面波动区±20 cm，提出了通过三峡升船机船舶最大吃水为2.65 m。

2.4 荷兰顶推船队研究成果

荷兰Ir.C.KOOMAN对船队进出船闸进行了系列的载人船模试验和原型试验，对船队进出闸过程的水力特性进行了深入的分析和研究，在其编著并作为欧洲船闸标准的《Navigation Locks for Push Tows》(1973)中指出：对于供大型顶推船队使用的平底船闸，水深吃水比为1.6～1.7较为适宜。船闸设有门槛时，槛上水深吃水比应大致在1.5～1.6之间[14]。

2.5 德国吕内堡升船机的现场试验研究

德国联邦航道设计研究院针对现代大型内河船舶进出吕内堡升船机的问题，开展了大型船舶进出吕内堡升船机的现场试验研究和数值计算研究工作[15]。提出的船舶出厢(船闸)时最大航行下沉量的计算公式

(9)

式中：Δdmax为船艉最大下沉量，m；h为船厢内水深，m；n为断面系数；CB为船舶方形系数；Frh为水深弗洛德数，各参数的使用范围为1.17≤n≤3.26，0.018≤Frh≤3.26，0.83≤CB≤0.96。

为了验证船舶出闸下沉量的计算公式，将公式(9)计算结果与在吕内堡升船机、内卡河的Marback船闸进行的现场试验结果以及其他船舶出闸下沉量计算方法和船舶在运河航行时下沉量计算方法进行了对比，结果表明新的经验公式所得结果与观测值吻合良好。

图1 船闸门槛水深构成Fig.1 Composition of water depth above sill of ship lock

2.6 国内其他研究成果

基于相关研究成果[16]，我国《升船机设计规范》的条文说明中给出了船舶驶出承船厢时船艉下沉量计算的推荐公式

D=7.07(1/n)2.3Fr1.5T

(10)

式中：D为船艉最大下沉量；n为断面系数；Fr为弗洛德数；T为船舶吃水。

3 船闸门槛水深确定方法

根据上述研究成果，船闸的门槛水深可由以下几部分构成：(1)船舶满载吃水；(2)非恒定流引起的水面波动；(3)船舶纵倾；(4)船舶航行下沉量；(5)不触底的安全富裕水深，如图1所示。

非恒定流引起的水面波动，可由观测或相关模型试验研究确定。在三峡船闸过闸船舶吃水控制标准中，对三峡船闸上下游引航道的水位波动进行了连续观测，船闸灌泄水时最大的水面波动为0.1～0.4 m，研究认为取0.3 m可以达到较高的安全保证率。由于上游船闸泄水产生推移波，在德国吕内堡升船机观测到的非恒定流引起的水平波动为0.2 m。船舶纵倾应根据过闸船舶的实际情况分析确定。船舶航行下沉量，通常在出闸时达到最大值，可参考相关公式计算，在计算时船舶航行下沉量时应仔细分析船舶可能达到速度。对于通航5 000 t船舶，三峡船闸不触底的安全富裕水深取0.3 m，更大船舶过闸的不触底安全富裕水深应进一步分析论证。

4 结论

我国现行规范船闸门槛水深与船舶吃水比值取1.6，主要是考虑到航道条件改善，船舶大型化发展，为将来发展留有一定富裕。本文分析了船闸门槛水深的构成，提出了船闸门槛水深确定的建议和计算方法，可供船闸设计时参考使用。对于已建船闸，在门槛水深已定的情况下，也可参考本文方法计算允许通过的最大吃水船舶。

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