三峡—葛洲坝船闸通过能力分析及扩能工程对策

2019-07-03

船海工程 2019年3期

(长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002)

三峡船闸闸室平面有效尺寸为280 m×34 m(长×宽，下同)，每闸次通过4艘船舶。上游导航墙采用浮式导航墙，布置在第1闸首上游引航道左、右两侧，全长250 m，南线上游导航墙尾端设置浮式趸船一艘。下游导航墙布置在第6闸首下游引航道左、右两侧，全长196 m，北线下游导航墙尾端新增5个间距24 m的圆形靠船墩，总靠泊长度320 m。上下游导航墙及其增设设施可供一个闸室的船舶靠泊，船闸一般实施单向运行，船舶采用同步移泊方式从导航墙处进出船闸。

葛洲坝工程的通航建筑物为典型单级船闸[1]，在布置上采取两线三闸总格局。两线分居枢纽两侧的大江和三江，葛洲坝一号船闸坐落于大江航道, 葛洲坝二、三号船闸位于葛洲坝三江航道。葛洲坝一、二号闸室有效尺寸为280 m×34 m，每次可通过约4艘船舶。一号船闸上游引航道左侧为长1 000 m的防淤堤，下游引航道左侧为390 m长的导航隔流墙，右侧为大江冲沙闸下游430 m长的混凝土护坡；二号船闸轴线与坝轴线斜变，交角为81.5°，由桥墩段，上、下闸首，闸室，上、下游导航墙，上、下游靠船墩等建筑物组成。上、下游导墙长度分别为193 m和240 m，上、下游靠船墩段各长200 m。三号船闸闸室有效尺寸120 m×18 m，每次可通过约1或2艘小型船舶；三号船闸轴线与坝轴线正交，由桥墩段，上、下闸首，闸室，上、下游导航墙，上、下游靠船墩和下游导水墩等建筑物组成；上游主导墙长70 m，下游主导墙长135 m；上、下游靠船墩和下游导水墩布置长度均为100 m。目前，三峡—葛洲坝枢纽通过能力不足[2]，为兴建三峡枢纽和水运新通道以及葛洲坝枢纽航运扩能工程[3]，分析葛洲坝枢纽船闸不同运行方式下的通过能力。

1 船闸通过能力衡量指标

根据《船闸总体设计规范》[4]，年单向过闸通过量为

P=(n-n0)NGα/β

(1)

式中:P为过闸货运量，t；n为日均过闸次数，次/d；n0为非运客、货船舶过闸次数，次/d；N为通航天数，d；G为一次过闸平均吨位，t/闸；α为船舶装载系数，β为运量不均匀系数。

其他参数固定的前提下，将日运行闸次数n作为衡量船闸通过能力的一个直接指标。三峡及葛洲坝船闸设计日运行时间为22 h[5]，实际运行中没有开展停航保养或检修的情况下，每天工作时间为24 h，测算通过能力时将停航的时间从通航天数中予以扣除。船闸的日运行闸次数n=24×60/闸次运行间隔时间，显示出日运行闸次数与闸次运行间隔时间成反比，缩短闸次运行间隔时间可以有效提高船闸通过能力。

1.1 三峡船闸指标状况

三峡南北两线船闸采取单向连续过闸的运行方式，一线上行，一线下行。在不同水位条件下，三峡船闸采取四级或五级运行方式，五级运行时，船舶从导航墙采用成组同步移泊方式[6]进出闸，闸次间隔时间与四级运行时基本一致，闸次运行间隔时间约90 min，运行16闸次,见表1。

表1 三峡船闸设计指标与实际情况对比 min

1.2 葛洲坝船闸匹配运行通过能力状况

目前，三峡—葛洲坝枢纽水域两坝间供物流周转的码头数量极少，统计数据显示， 2018年葛洲坝枢纽共通过48 425艘次船舶，其中45 202艘次为连续通过三峡大坝和葛洲坝枢纽的船舶，仅通过葛洲坝一坝的船舶数量仅为3 223艘次，仅占总过闸量的6.66%。船舶9成以上有通过三峡大坝和葛洲坝两坝的需求，自三峡船闸运行以来，长江三峡通航管理机构对过坝船舶实施统一调度，两坝通航建筑物匹配运行，三峡两线船闸和葛洲坝三座船闸的通过能力基本一致。

2 葛洲坝船闸通过能力指标测算

葛洲坝船闸一、二号船闸平面尺度与三峡船闸相当[7]，通航天数、一次过闸平均吨位、船舶装载系数和运量不均匀系数在优化后可实现与三峡船闸一致。

2.1 闸次间隔时间的计算方法

《船闸总体设计规范》中提出一次过闸时间指标的计算方法，按照实际情况分析，闸次间隔时间计算方法如下。

2.1.1 单向运行

单向运行条件下，船舶单向过闸，单级船闸每运行1个来回，则通过1个有载闸次的船舶。闸次运行间隔时间(T)即一次过闸时间。

T=T1=4t1+t2+2t3+t4+2t5

(2)

式中：T1为单向一次过闸时间，min；t1为开门或关门时间，min；t2为单向第一个船队进闸时间，min；t3为闸室灌水或泄水时间，min；t4为单向第一个船队出闸时间,min；t5为船舶、船队进闸或出闸间隔时间，min。

2.1.2 双向过闸

双向运行条件下，船舶双向过闸，单级船闸每运行1个来回，则可通过2个有载闸次的船舶。闸次间隔时间为一次过闸时间的一半。

(3)

(4)

T=Te+Ts

(5)

式中：Te为设备总时间，min;Ts为船舶总时间，min。

2.2 设备总时间(Te)

通过对式(2)、式(4)指标相比较，单向每运行一个有载闸次，设备设施需要增加一个“倒空闸”设备运行环节和一个闸次的水量消耗，即双向运行每一有载闸次，可以将设备总时间缩短到单向运行的一半。据此初步判断葛洲坝船闸采用双向运行的通过能力将高于单向运行。根据《船闸总体设计规范》条文说明“单向通过能力系指客、货运量多的方向的通过能力”，单级船闸的设计通过能力，一般按照双向运行进行核算。

近年来，三峡通航管理部门通过采取多种措施改善船闸运行条件，使得人字门启闭时间、输水时间总体达到设计水平。单向运行时每一闸次其设备总时间约为40 min，双向运行约20 min。设备总时间有所缩短，但还需重点分析双向运行由于待闸点的变化延长较单向运行带来的船舶总时间增加带来的影响。

2.3 船舶总时间(Ts)

船舶总时间与进闸的距离、平均速度、进闸及移泊时的船舶或船队数量相关。

2.3.1 船舶进船闸距离

根据《船闸总体设计规范》，三峡及葛洲坝船闸船舶、船队进出闸运行距离可按下列情况分别确定。

1)单向过闸，进闸为船舶、船队的船艏自引航道停靠位置(导航墙)至闸室内停泊位置之间的距离;出闸为船舶、船队的船艉自闸室内停泊位置至闸门外侧边缘的距离。

2)双向过闸，进闸为船舶、船队自引航道停靠位置(靠船墩)至闸室内停泊位置之间的距离;出闸为船舶、船队自闸室内停泊位置至靠船建筑物之间的距离。

2.3.2 葛洲坝船闸不同运行模式下进出闸距离

目前三峡船舶过闸有依次过闸和成组同步移泊两种组织方式。依次过闸是指船舶根据船闸调度指令按照顺序各自驶入及驶出船闸；成组同步移泊是指船舶根据船闸指令和闸室排档图，两两并排同步启动，同步驶入、驶出船闸；成组同步移泊方式下，同步并排行驶的2艘船舶过闸组织上可视为一个船队整体进、出闸。

1)葛洲坝一、三号船闸情况。一号参考布置图见图1。

图1 葛洲坝一号船闸参考布置示意

葛洲坝一号船闸上下游均无靠船墩设施，在三峡通航管理部门的主动努力下，在上游设置了2艘40 m趸船供船舶进闸待闸，缩短了船舶进闸距离。因环保要求，下游设置靠船设施辅助进闸的难度大，即引航道内没有合适的供双向运行的停靠设施。因此，实施双向运行时，为保障船舶在引航道内安全航行，需要前一闸次船舶全部驶出闸室并进入安全航行状态后，下一闸次的进闸船舶方可调度依次进闸。由于一号船闸通航流量流态条件较差，为保障安全，进闸船舶一般在引航道以外水域等待，待前一闸次船舶全部驶出大江引航道后方可进入引航道，增加了双向运行的船舶进出闸时间。目前，葛洲坝一号船闸单向运行时闸次间隔时间为90 min，由运行上行闸次换向为运行下行闸次，每次换向需要另外增加闸次间隔时间约30 min；反之一号船闸由运行下行闸次换向为运行上行闸次，每次换向需要另外增加闸次间隔时间约60 min；均超出了双向运行设备总时间节约的20 min。双向运行时每天运行闸次数量为10～11个，而单向运行日运行闸次数则可达到15～16个，因此，葛洲坝一号闸宜以单向运行为主，基本匹配三峡一线船闸运行。

葛洲坝三号船闸以双向运行为主，葛洲坝枢纽航运扩能工程初步计划拆除葛洲坝坝三号闸，因此，重点分析葛洲坝二号船闸不同运行条件下的进闸距离。

2)葛洲坝二号船闸单向运行进出闸距离。二号船闸参考布置图见图2。

采取工程措施延伸葛洲坝二号闸船闸上、下游导航墙长度，使得导航墙段可以供一个闸次的船舶进闸停靠，则单向运行条件下船舶可以在导航墙待闸，船艏距离闸首约50 m，船闸闸首长约50 m，船艏进入闸室的距离按照船闸集泊长度计为266 m，因此进闸距离约为366 m。

图2 葛洲坝二号船闸参考布置示意

出闸距离包括船首在闸室内的剩余距离、另一侧闸首长度以及船舶总长，根据船型主尺度系列规定，未来船舶总长将提高至130 m，剩余距离为280-266=14 m，闸首长度50 m，即出闸距离约为194 m。即单向运行条件下船舶进出闸总距离为560 m。

3)葛洲坝二号船闸双向运行进出闸距离。双向运行条件下船舶必须在靠船墩待闸，以上行为例，下游第一个靠船墩到下闸首距离683.7 m(上游600 m)，闸首长度50 m，船首进入闸室距离266 m，因此上行进闸距离约为999.7 m(下行916 m)。出闸距离包括船艏在闸室内的剩余距离14 m、另一侧闸首长度50 m、船舶总长130 m、上游靠船墩到上闸首距离600 m(下游683.7 m)，靠船墩长度200 m，即上行出闸距离994 m(下行1 077.7 m)。

出闸距离包括船艏在闸室内的剩余距离、另一侧闸首长度以及船舶总长，根据船型主尺度系列规定以及新通道船型尺度研究情况，未来船舶总长将提高至130 m，剩余距离为14 m，闸首长度50 m，即出闸距离约为194 m。即双向运行条件下船舶进出闸总距离为1 993.7 m。

4)进出闸期间船舶、船队前后安全距离.。交通运输部建设科技项目“复杂条件下三峡船闸通过能力提升技术研究”成果显示，进闸过程中前后两排船舶(船队)纵向间距应大于0.5×(L1+L2)(L1、L2分别为前后排船舶(船队)船长，即1个平均船舶(船队)长度)。

2.3.3 船舶速度

现行通航管理办法[8]规定，进出船闸的航速不得超过1.0 m/s。双向运行条件下，为保障船舶进出闸不因航路交叉引发的安全事故，进闸停靠点选定在靠船墩，距离闸室较远，考虑到加速及减速的距离较短，其进出闸过程靠船墩至闸首之间的水域平均速度1 m/s取，船舶驶入闸首、通过闸室、直到从另一侧闸首驶出的过程(约380 m)中平均速度将降至0.5 m/s，综合全过程，取平均速度0.9 m/s。

单向运行条件下，船舶停靠点选定在导航墙进闸位置离闸室很近，平均速度0.5 m/s。

2.3.4 船舶总时间

近年来，三峡船闸和葛洲坝一、二号船闸的平均每闸次通过的船舶艘数约为4艘，理论测算船舶时间每闸次的船舶数量取4艘。

船舶大型化[9]带来了惯性大、舵效差、减速困难和受风、流、水深的影响突出等操纵难题，船闸水域为内河航道中的典型受限水域，双向运行船舶进闸点远离闸室，如果采用成组同步移泊方式过闸，船舶航行过程中的受限水域效应和船间效应加剧，对操纵影响进一步加大。为保障安全，船舶同步移泊的航速会进一步下降，观测情况显示，进出闸平均速度甚至降至0.5 m/s以下，远不及按序依次过闸方式下的效率。因此双向运行不具备成组同步移泊的条件，仅采用按序依次过闸的方式。闸室内共4艘船舶，进闸及移泊过程中各有3个间隔时间(13 min)，即：2t5=26 min。

3)船舶总时间。每一有载闸次运行过程中，还需要另外考虑首尾船舶解系缆(解缆、系缆各按1 min计)，不同运行模式及过闸组织方式下船舶总时间计算见表2。

表2 舶总时间计算表 min

单向运行模式下，船舶成组同步移泊方式过闸，船舶总时间约为30 min，如果实际过闸船舶总长达不到130 m则船舶总时间将会更短，预期在25～30 min之间。采用牵引[10]进出闸、船舶自适应跟随操纵进出闸等技术实现船舶整体成组同步移泊，则单向运行模式下，船舶、船队进闸及出闸间隔时间(t5)有望缩短到0 min，则船舶总时间有望进一步缩短到23 min左右。

2.4 葛洲坝船闸闸次间隔时间及日运行闸次

将上节分析所得的数据代入式(5)，计算结果见表3。

表3 葛洲坝二号船闸日均运行闸次测算表 min

从测算结果来看，通过工程措施延伸葛洲坝二号闸船闸上、下游导航墙长度，单向运行条件下采用成组同步移泊过闸方式，葛洲坝二号闸闸次间隔时间约为70 min，日运行最高21闸次。如果实际过闸船舶总长不到130 m，闸次运行间隔时间约为65～70 min，日均运行闸次数较目前存在提高3～4个的可能。

通过技术研发及创新，采取硬布线牵引或船舶自适应跟随操纵等牵引技术实现船舶整体成组同步移泊方式进出葛洲坝二号闸，日均运行闸次数将可进一步增加。

双向运行条件下，葛洲坝二号闸闸次间隔时间约为84.9 min，日运行最高17闸次。

3 葛洲坝船闸运行实绩

2018年3月份以来，长江三峡通航管理机构根据葛洲坝二号船闸实际运行情况，组织对葛洲坝二号船闸单向运行与双向运行方式闸次间隔时间进行了统计分析，共详细记录了93组船舶进出葛洲坝二号船闸的过闸时间记录，其中单向运行61组，双向运行32组。

3.1 双向运行情况

双向运行船舶待闸点为靠船墩，与理论计算选取点一致，船舶过闸过程中受各种因素干扰多，船舶依次按序驶入或驶出船闸，每闸次约可安排4-6艘船舶,共观测了32个闸次的双向运行情况见表4。

表4 双向运行闸次间隔时间统计

统计显示，观测双向平均闸次间隔时间为95.22 min，推算日运行15.1闸次。其中，一次过闸船舶艘次为4艘的闸次10个，平均闸次间隔时间92.4 min，推算日运行15.6闸次，最长闸次间隔时间为105 min，最短时间为78 min。按照运行原理双向运行的闸次间隔时间无法有效缩短。

3.2 单向运行情况

单向运行船舶在导航墙待闸，与理论计算选取点一致，船舶进出闸采用成组同步移泊方式，每闸次安排4艘船舶通过，共观测了61个闸次的单向运行情况见表5。

采用成组同步移泊方式进出闸，葛洲坝二号船闸的平均闸次间隔时间为83.2 min，日运行17.3闸次。其中，闸次间隔时间70 min以内的14闸次，占观测闸次数量的23%，平均间隔时间为67.21 min。闸次间隔时间85 min以内42闸次，接近观测闸次数量的70%，平均间隔时间为74.4 min。闸次间隔时间70 min以上的主要原因是船舶长度偏长，葛洲坝二号闸导航墙长度不足，不能满足停靠一闸次的4艘船舶，后2艘船舶不能直接从导航墙进闸，不能达到完全同步移泊过闸的效果，导致效率下降所致。

表5 单向运行闸次间隔时间统计表

通过工程措施和采取合理的过闸组织模式，葛洲坝二号船闸单向运行每天运行闸次数量有比现在增加3～4个的可能。

4 两坝枢纽匹配运行分析

当前，以每闸次4艘船舶为例，三峡每线船闸日运行16闸次，两线船闸合计日运行32闸次。综合观测分析情况，葛洲坝船闸双向运行时，二号船闸日运行15.6闸次，葛一号闸运行仅10～11闸次，两座船闸日运行闸次数合计约26闸次，无法与三峡船闸实现匹配运行；葛洲坝船闸单向运行时，二号船闸日运行17.4闸次，一号闸日运行15～16闸次，两线船闸合计日运行可超过32闸次，可以匹配三峡船闸通过能力。近阶段，葛洲坝一、二号船闸宜采用单向运行为主的方式匹配三峡两线船闸运行。