葛洲坝船闸船舶同步出闸运行组织

2020-02-26张勃，万韬，杨珏

水运工程 2020年2期

张勃，万韬，杨珏

(长江三峡通航管理局湖北宜昌 443002)

随着沿江经济的不断发展，船舶日益增长的过坝需求和两坝船闸通过能力不足之间的矛盾日益突出，需要进一步深挖通航潜力、提高通航效率。船闸闸次运行时间是影响船闸运行效率的重要因素。闸次运行时间包括：船舶进出闸时间、船闸设备运行时间、船闸充泄水时间等。2011年葛洲坝船闸电气系统升级改造后，船闸控制水平有了很大的提高，船闸设备工况良好，船闸设备设施运行时间均在设计值以内。目前，为缩短船舶进出闸时间，葛洲坝船闸已经采用了导航墙待闸、船舶同步进闸等有效手段，运行效率有了很大提高[1]，但船舶出闸依然采用的是单船逐一出闸的方式，船舶出闸单元多、船舶预留间隔较大。

为缩短船舶出闸时间，本文提出同步出闸方式，即并排停靠的船舶同步移泊到闸室外面，并将这种出闸方式分别命名为“全同步出闸”和“半同步出闸”。“全同步出闸”即船舶出闸均采用两两并排的出闸方式；“半同步出闸”即闸室前排船舶采取逐一出闸方式，后排船舶采取同步出闸方式。

1 通航调度组织研究

1.1 同步出闸的船闸运行方式及应用范围

1.1.1同步出闸的船闸运行方式

葛洲坝船闸运行有单向和迎向运行两种方式。因通航建筑物尺寸限制，同步出闸仅在葛洲坝一号船闸和二号船闸实施。一号闸上游设有趸船供船舶临时停靠，二号闸上、下游均设有靠船墩。若船舶采用同步出闸的方式，须解队后再向航道中心转向。靠船墩上停靠的船舶会影响出闸船舶转向的航迹，加大船舶驾驶难度，增加船舶碰撞的风险。因此组织船舶同步出闸的船闸运行方式宜为单向运行。

1.1.2同步出闸的应用范围

一号闸所处的大江航道受出、入库流量影响较大，因此在长江主汛期不宜采用同步出闸方式组织船舶出闸。一号闸下游受二江泄水闸出流折冲大江航道的影响，下游航道流速和波浪很大，加上航道弯曲，船舶同步出闸驾引难度高。因此一号闸下行时只有设立“虚拟闸室”(即在副导航墙以外沿着导航墙划设一块尺寸和闸室大小一样的区域)来实施船舶同步出闸。一号闸处于非汛期时，船舶上行可以实施同步出闸，但由于导航墙长度的限制，不能满足虚拟闸室停靠的方式来进行同步出闸。

二号闸所处三江航道，水流条件相对稳定，能满足组织船舶上、下行同步出闸的要求。二号闸下行可考虑虚拟闸室停靠来实施船舶同步出闸，但二号闸下游导航墙延长线上有浅点，出闸船舶须考虑浅水效应影响，谨防搁浅。二号闸上行可以实施船舶同步出闸，但由于导航墙长度的限制，不能满足虚拟闸室停靠的方式来进行同步出闸。

1.2 船舶过闸调度组织

1.2.1过闸船型选取

为了降低船舶出闸时的挤卡风险和同步出闸时船间效应的影响，同步出闸前期应用时宜通过调度手段选取干舷高度、吃水、长度相近的船型实施，以免侧压挤碰损坏船舶设施。

1.2.2各船闸间船舶过闸调度

三号闸和二号闸共处三江航道，二号闸若实施同步出闸须通过调度手段避免出现进出二、三号闸的船舶在航道会船的情况。

1.3 船舶同步航行的组织方式

并排船舶若相绑成船队行进，可以减少相互碰撞，但船舶间相绑和解绑耗时，且随着船舶大型化，一闸四船的模式下，两两相绑形成的船队载质量较大，现有浮式系船柱不能满足部分船队系缆要求。所以船舶并排出闸宜采取不相绑的出闸方式。

1.4 设置“虚拟闸室”停靠船舶

为防止第一排船舶在副导航墙解队过程对第二排船舶的出闸时机和船舶出闸总历时造成影响，出闸船舶同步移泊到“虚拟闸室”之后，即可关闭人字门，进行后续集控运行操作，即船舶解队过程不计入过闸总历时。但这种出闸方式可能存在以下问题:1)出闸船舶移泊距离较长，移泊过程受导航墙之间的岸壁效应和船舶间的船间效应影响较大，且第二排船舶因受前排船舶在虚拟闸室停靠和航行安全距离的的影响，其出闸速度较慢，较单船出闸效率低。2)一、二号闸上游受导航墙长度的限制，若按照“一闸四船”船舶单元对其出闸实行虚拟闸室停靠，前排船舶船体的回转中心超出导航墙外，前排船舶无法系缆，不便于船舶姿态的调整。船舶停靠受侧风、浪涌等环境因素影响较大，特别是集装箱、滚装船等受风面积较大的船舶很难稳定停靠。鉴于此，本文不研究在同步出闸模式中实施虚拟闸室停靠的情形。

1.5 船舶解队位置的选取

同步出闸的两条船舶只有通过副导航墙后才具备解队条件。由于船间效应影响，并排行驶的两船之间有吸力，并排出闸的船舶若驶出导航墙区域之后，船舶在航道中没有支点，两船分开的难度较大，遇侧风则更难分开。若驶出引航道水域之后，受水流条件和一号闸上游航道向家嘴弯道的影响，解队操作难度更大。鉴于一、二号闸上游导航墙的长度限制，对于解队位置的选取有以下两种建议：1)在副导航墙解队。存在的问题：若第二排船舶动车时机选取不当，第一排船舶的解队过程可能延误第二排船舶出闸的时间，影响整体出闸效率。2)在导航墙末端解队。存在的问题：船舶沿着导航墙航行，会延长船舶受岸壁效应影响的时间，也会增加船舶间碰撞的风险。尤其是危化品船舶同步出闸更应尽量降低船舶碰撞风险。二号闸下游导航墙延长线上有浅点，若内档船舶在此向航道中心转向有搁浅风险。

综上所述，同步出闸船舶的解队位置选取是有限制的，对进一步确定可行的组织方案划定了范围。兼顾效率和安全考虑，在副导航墙解队方案可行。

2 同步出闸效率分析

2.1 同步出闸数学模型

结合目前过闸船舶主尺度和应用推广前景，本文以船舶设计总长度为130 m、宽16.2 m的“大长宽比船型”为代表的“一闸四船”为研究对象[2]，模拟船舶同步出闸的工况。对船舶同步出闸的理论分析进行以下设定：1)参照《三峡—葛洲坝水利枢纽通航管理办法》对三峡船闸闸室内船舶同步移泊和单船出闸的速度规定，船舶同步出闸按照v1=0.6 ms速度控制，单船出闸按照v2=1.0 ms速度控制。船舶主机功率不同，各船加速度不同，为简化分析流程，建立理想数学模型，不考虑船舶加速和减速的过程。2)船舶在闸室内的靠泊状态见图1。4艘船舶成两排，其中1、2、3、4分别为4艘船舶编号，船长为130 m，用L表示。头排船舶的船头位置与闸室禁停线平齐，设为B点；两排船间距设定为5 m，用L0表示；后排船舶船尾位置设为A点。根据船闸运行实际，后排船舶船尾过副导航墙，即出闸结束[3]，该点设为C。A、C之间为船舶同步出闸段，距离设为d。同时，根据1.5节的分析，C点为本文选取的船舶解队点。

图1 出闸之前船舶位置

2.2 全同步出闸理论分析

船舶全同步出闸，头排两条船舶先同步出闸，后排船舶原地等待，拉开一段安全距离再出闸。前排船舶到达副导航墙开始解队，两排船距越来越小。设两排船的临界距离等于初始间距L0，若前排船舶解队完成之前，两排船间距缩短至L0，则后排船舶需要等待前排船舶解队完成，且前排内档船拉开一段安全距离，再动车。分析可知，船舶全同步出闸用时公式：

(1)

式中：T为船舶全同步出闸总历时；d为船舶同步出闸段长度，由船闸尺寸决定；v1为船舶同步出闸速度；t1为前排船舶开始出闸后，后排船舶在闸室初始位置等待拉开安全距离的时间；t2为头排船舶解队过程总耗时；t3为头排船舶解队后，内档船舶与后排船舶拉开安全距离的时间。

2.3 半同步出闸理论分析

船舶半同步出闸，头排船舶出闸采用逐一出闸的方式，参照对船舶出闸实际情况的观测，第1条船舶船尾到达副导航墙时，第2条船舶开始出闸。第2条船舶与后排船舶拉开一定的安全距离后，后排船舶开始同步出闸，船尾越过副导航墙本次出闸结束。分析可知，船舶半同步出闸用时公式：

T′=(d-L-L0)v2+t4+dv1

(2)

式中：T′为船舶半同步出闸总历时；t4为前排第2条船舶与后排船舶拉开安全距离的时间；d为船舶同步出闸段长度，由船闸建筑决定；L为船舶长度；L0为两排船舶初始停靠固定间距；v2为船舶单船出闸速度；v1为船舶同步出闸速度。

2.4 4条大长宽比船舶逐一出闸理论分析

4条船舶逐一出闸，参考船闸运行实际建立模型，当前1条船舶到达副导航墙时，后1条船舶开始动；直至船尾越过副导航墙，出闸结束。分析可知逐一出闸时间公式：

T″=2(2d-L-L0)v2

(3)

式中：T″为船舶逐一出闸总历时；d为船舶同步出闸段长度，由船闸建筑决定；L为船舶长度；L0为两排船舶初始停靠固定间距；v2为船舶单船出闸速度。

2.5 3种方式出闸时间对比

全同步出闸方式，同时满足以下3个条件时，理论出闸时间最短：1)后排船舶在闸室初始位置等待的时间不超过前排解队耗时；2)解队时外档船舶越过内档船舶船头，内档船立即动车；3)头排船舶解队后，后排船舶立即动车。半同步出闸方式，后排船舶与第2条船同时动车时，理论出闸时间最短。根据上述公式计算出不同出闸方式下的船舶出闸时间，同时对比分析逐一出闸方式的理论计算时间和实际统计值，结果见表1。

表1 不同方式出闸时间 min

注：逐一出闸统计平均时间选取2017年4—7月大长宽比船舶过闸试验的统计数据，均为4条船舶单元。

由表1可知，葛洲坝一、二号船闸船舶逐一出闸统计平均时间均大于理论计算时间。模型计算值与实际统计值之间存在误差的原因：1)船舶实际出闸速度和理想化模型不一定完全一致。2)理论分析未考虑船舶出闸的解缆绳时间以及船舶的加速、减速过程。3)大长宽比船型逐一出闸实际原型观测样本数量较少。

根据建立的数学模型中公式(1)和(2)可知，船舶经一号闸上行、一号闸下行、二号闸上行、二号闸下行出闸时：1)在半同步出闸过程中，当前排第2条船舶与后排船舶拉开安全距离时间分别小于5.60、5.55、6.72、5.15 min时，半同步出闸耗时比逐一出闸时间耗时短。2)在全同步出闸过程中，当后排船舶出闸过程中等待的总时间分别小于9.24、9.15、11.20、8.45 min时，全同步出闸耗时比逐一出闸耗时短。3)在全同步出闸过程中，后排船舶出闸过程中等待的总时间与半同步出闸过程中前排第2条船舶与后排船舶拉开安全距离的耗时差分别小于3.64、3.60、4.48、3.30 min时，全同步出闸耗时比半同步出闸耗时短。