船舶进出船厢对三峡升船机对接锁定机构受力的影响分析*

郭 超，李中华，胡亚安

(南京水利科学研究院，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029)

三峡升船机是三峡枢纽两大过坝通道之一，设计过船规模为3 000吨级，船厢有效尺寸120 m×18 m×3.5 m(长×宽×水深)，提升质量15 500 t，最大提升高度113 m。三峡升船机采用齿轮齿条爬升式全平衡垂直升船机形式，主要为客货轮和特种船舶提供快速过坝通道。

船舶进出三峡升船机船厢过程中，由于船舶的阻塞效应，会将大量水体推入或推出船厢，引起船厢内水体质量发生变化；同时船舶首尾的水面壅高和降低会在船厢内形成纵向水面坡降，对船厢产生纵向倾斜力矩。船厢侧水体质量变化和水面波动产生的纵向倾斜力矩均由船厢对接锁定机构承担，如果船厢侧的荷载变化超过对接锁定装置的允许值，将影响船厢的对接安全[1]。

1 对接锁定机构工作原理

船厢对接锁定机构在船厢与上下闸首对接期间，承担船厢侧的竖直荷载变化[2]。三峡升船机船厢侧翼上共有4套螺杆式锁定机构，装设在4套安全机构旋转螺杆的正上方，螺杆由可开、合的上下两段锁定块构成。当船厢在空中正常运行时，锁定块闭合后随安全机构螺杆旋转；在升船机船厢上下游对接过程中，锁定块张开将船厢锁定，船厢不平衡力经安全机构传至锁定机构。受枢纽非恒定流水位波动、船舶进出厢水面波动等诸多因素影响，船厢侧荷载可能会发生较大变化，进而导致锁定机构受力较大，因此，在升船机对接过程中，锁定机构的受力是否会超过其设计承载力是普遍关心的问题。

据三峡升船机总体设计报告，对接锁定机构允许的最大荷载为船厢水深±0.6 m的水体所受重力变化，每套锁定机构的设计载荷为3 700 kN。

2 船舶进出船厢模型试验设计

建立了比尺为1:12的三峡升船机船厢及下游引航道物理模型，针对现有长江流域通行较多的3 000 t散货船开展船舶进出船厢的水动力模型试验，分析船舶吃水、水面波动、船舶进出船厢的速度与锁定机构受力间的关系，以确定合理的船舶进出船厢的航速。模型模拟范围包括升船机船厢、下闸首、船舶停泊段以及700 m左右的下游引航道(图1)，模型平面尺寸为90 m×20 m。

图1 三峡升船机船厢及下游引航道物理模型

采用牵引系统拖曳船舶模型进行船舶进出船厢的水力学测试，在船厢及引航道模型航线的上方设置两道导向轨道，通过在轨道上运行的牵引装置，拖曳船舶模型按设定的速度和航线航行，保证船舶在船厢及引航道模型航行时航速恒定，避免碰壁[3]。在船厢及下游引航道模型内共布置了20只波高仪，用于测量船模航行过程船厢及下游引航道内的水位波动特性。试验船舶采用3 500 t散货船，船舶模型几何比尺也为1:12。船舶原型设计尺度及试验尺度见表1。

表1 试验船型设计尺度及试验尺度

3 船舶进出船厢时对接锁定机构水动力荷载变化

图2是上述1:12三峡升船机船厢及下游引航道物理模型实测的3 500 t散货船以v=0.5 ms出船厢不同时刻船厢内的瞬时水面线。由图2可见，船舶出厢时船厢内水面线呈周期性变化。对船厢内瞬时水面线沿船厢长度方向进行积分，可以得出船厢总体水体所受重力和纵向倾斜力矩瞬时变化，由船厢4套对接安全锁定机构位置可以计算出锁定机构所受竖向荷载。根据三峡升船机总体设计报告，对接锁定机构允许的最大荷载为船厢水深±0.6 m的水体所受重力变化，对应单个对接锁定机构允许最大荷载折合水体质量约为360 t左右，为保障船厢对接锁定机构安全，船舶进出船厢时水面波动变化引起的荷载变化折合水体质量不应超过360 t。

图2 典型船舶出船厢时船厢内不同时刻瞬时水面线

图3为物理模型实测的船厢水深3.5 m时3 500 t散货船进出船厢时船厢内水体所受重力变化和倾斜力矩作用于锁定机构的最大荷载对比，表2为物理模型实测的船厢水深3.5 m时3 500 t散货船以不同航速出船厢时船厢内水体所受重力变化和倾斜力矩作用于锁定机构的最大荷载。

图3 典型船型进出船厢锁定机构最大荷载变化折合水体质量对比

由图表可知，3 500 t散货船(船舶吃水h=2.5 m)以0.3、0.5、0.8 ms速度出船厢，计算得锁定机构最大荷载变化折合水体质量分别为64.2、109.2、240.3 t；以0.3、0.5、0.8 ms的相同速度进船厢，锁定机构最大荷载折合水体质量分别仅为46.0、79.8、96.2 t。相同航速及船舶吃水条件下，船舶出厢时船厢侧水动力变化作用在锁定机构上的荷载要大于船舶进厢时的荷载。可见，相同进出厢条件下，船舶出厢过程是船厢对接锁定机构的水动力荷载设计控制工况，并且船舶出厢过程水动力荷载与船舶航速正相关。

船舶进出船厢时船厢水体质量变化及水面波动产生的倾斜力矩均会对4个对接锁定机构产生水动力荷载，对接锁定机构荷载变化可以等效用船厢内水深平均变化hf表示。将等效荷载水深变化hf(m)、船速v(ms)、船厢水深H(m)和断面系数n等变量无量纲化，并记绘制的hf-K关系曲线见图4。根据表2中试验资料[4]，将上述hf-K关系通过最小二乘法进行拟合，得到3 500 t散货船等效荷载水深变化hf与v、H、n间存在以下关系：

表2 物理模型实测3 500 t散货船出厢过程水动力荷载变化

图4 典型3 500 t散货船出船厢时等效荷载水深变化与特征参数关系

(1)

可以根据公式(1)对3 500 t散货船不同吃水和航速进出船厢时三峡升船机对接锁定机构最大水动力荷载进行快速估算。

4 考虑锁定机构荷载受力的船舶进出船厢吃水控制标准

根据式(1)计算的不同船厢水深条件下，船舶不同吃水出船厢时锁定机构受到的等效荷载水深变化见表3、图5。

图5 3 500 t散货船吃水与锁定机构附加水动力荷载关系(v=0.5 ms)

船厢与下游对接时，由于非恒定流变化产生的船厢失水对于船厢锁定机构受力是较为危险的工况[5]。三峡升船机对接过程引航道非恒定流允许最大水位变化为0.5 mh，根据模型试验及现场观测资料，船舶进出船厢过程应考虑20 cm的非恒定水位变化。三峡升船机对接船厢内外最大允许水位差10 cm，船厢水深应考虑对接产生的水位误差10 cm。结合三峡升船机对接锁定机构允许荷载折合为船厢水深±0.6 m水体质量变化，船厢对接过程船舶出船厢时可能出现以下3种状况：

1)船厢水深为设计水深3.5 m。船舶出厢时出现0.2 m非恒定流水面波动，则船舶出船厢过程船厢侧产生的等效荷载变化折合船厢水体质量不应超过0.4 m。

2)若船厢门开启前出现设计允许±0.1 m水位差，则船厢水深最低为3.4 m，考虑船舶出厢过程出现0.1 m非恒定流水面波动，船厢侧产生的等效荷载变化折合船厢水体质量不应超过0.4 m。

3)若船舶出厢前出现0.2 m非恒定水流波动，则船厢水深最低为3.3 m，船厢侧产生的等效荷载变化折合船厢水体质量不应超过0.4 m。

综合上述船舶进出船厢水深变化情况，确定船厢侧产生的等效水深变化不应大于0.4 m。结合表3中船舶吃水和锁定机构附加水动力荷载的关系可知：船厢水深为3.3 m、3 500 t散货船吃水2.75 m、船舶以0.5 ms速度出船厢时，锁定机构所受最大荷载等效于船厢均匀失水0.413 m，已达到三峡升船机设计极限工况。因此，仅考虑锁定机构荷载受力情况，3 500 t散货船进出船厢速度0.5 ms时，建议船舶吃水≤2.70 m。

表3 3 500 t散货船吃水与锁定机构附加水动力荷载关系

5 结语

1)船舶进出船厢过程中，在相同的航速和船厢水深等进出厢条件下，船舶出厢过程是对船厢对接锁定机构船厢水动力荷载的设计控制工况。

3)考虑可能的船舶进出船厢水位变化情况，为保证锁定机构荷载受力安全，建议3 500 t散货船进出船厢速度0.5 ms时，船舶吃水≤2.70 m。

4)船舶进出三峡升船机船厢航速标准的确定还须全面考虑船型参数、船舶吃水、船舶下沉量、船底安全富裕量等多方面因素。