三峡船闸4.5 m 吃水大长宽比船舶同步移舶过闸实船试验*

胡亚安， 王 新， 李中华

(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)

三峡船闸过闸货运量逐年攀升， 从建成通航后2004 年的3 431 万t， 到2011 年首次突破1 亿t， 提前19 年达到了设计通过能力， 到2019 年已近1.5 亿t， 但在超负荷运行的情况下， 依然有大量船舶长时间排队积压。 《国务院关于依托黄金水道推动长江经济带发展的指导意见》[1]明确指出:“扩大三峡枢纽通过能力。 挖掘三峡及葛洲坝既有船闸潜力， ……”。 因此， 在三峡船闸目前运行管理水平较高的情况下， 如何进一步提高其通过能力， 满足高速发展的航运需求， 是一项重大的研究课题。

船闸通过能力与船闸、 船舶、 管理等多种因素相关， 提高通过能力的措施较多。 关于三峡船闸通过能力提升的措施， 已开展了大量的研究工作[2]， 并取得了很好的效果。 在船闸自身运行方面， 提出了不同水位条件下四级补水、 四级不补水和五级不补水多种运行方式； 不断优化闸阀门启闭方式， 以节约运行时间[3]； 采用单边输水技术， 实现检修不停航； 加强设备设施维护和监测， 保持设备良好的技术状态[4]； 发展快速检修技术， 缩短大修停航时间。 在船舶方面， 引导和发展标准船型， 以适应船闸尺寸， 提高闸室面积利用率[5]； 合理提升船舶吃水控制标准， 增大一次过闸货运量[6]。 在运行管理方面， 提出了虚拟闸室、 第一闸室待闸、 同步移舶、 船舶优化排档等一系列创新管理措施[7-8]。 可以看出， 三峡船闸通过能力提升技术已相对完善， 进一步挖潜的难度较大， 需要考虑多种措施之间的融合。 为此， 从标准化船型、 船舶吃水标准、 同步移舶等方面出发， 提出了4.5 m 吃水大长宽比标准船舶同步移舶增大船闸通过能力的新思路。

基于前期大量研究， 三峡船闸船舶吃水控制标准不断提高， 目前最大吃水按4.3 m 控制， 门槛水深须达到5.5 m； 另外， 大长宽比标准船舶两艘并排占满闸室宽度， 考虑到船舶航行下沉量增大， 尚未采取同步移舶技术。 因此， 4.5 m 吃水大长宽比船舶同步移舶的可行性需要论证， 而最直接、 最具有指导意义的研究手段是开展实船试验。 本文通过4 艘4.5 m 吃水大长宽比船舶两次上行和一次下行经过三峡船闸、 包括同步移舶和闸室停泊共38 个工况的实船试验， 重点考察船舶停泊安全和航行安全， 从而掌握船舶系缆力特性及影响因素和船舶的下沉量特性， 探讨该通过能力提升措施的可行性。

1 实船试验设计

1.1 试验船舶

选取大长宽比130 m×16.3 m(总长×总宽)的船型作为试验船型。 组织该船型4 艘船舶组成一个闸次， 均载货至船舶吃水4.5 m。 空船排水量约1 615 t， 吃水4.5 m 时总排水量8 039 t， 载货量6 424 t。 试验船舶闸室停泊和同步移舶如图1所示。

图1 试验船舶

试验船舶上行、 下行、 再上行共3 次通过三峡船闸， 船舶在闸室内的排档情况见图2。 4 艘船舶编号为A～D， 同时测量A、 B 和C 3 条船舶的系缆力， 重点测试船舶B 的航速和下沉量。

图2 船舶排档

1.2 船舶系缆方式

从三峡船闸已有的系缆力观测成果可知， 随着船舶大型化发展， 过闸船舶的系缆力已超过了其设计值， 船舶系缆力直接作用于系船设施， 系缆力超标会威胁系船设施(系船柱、缆绳等)甚至闸墙结构的安全。 因此， 掌握系缆力的特性及其影响因素， 探讨系缆力减小措施具有重要意义。

本次试验为探讨系缆方式对船舶系缆力影响，根据船舶通常系缆方式、 可操作性等实际情况，提出以下4 种基本系缆方式， 进行对比试验， 如图3 所示。 方式1 为船首尾2 根缆系2 个系船柱(船首倒缆、船尾座缆)； 方式2 为3 根缆系2 个系船柱(船首倒缆、船首座缆、船尾缆)； 方式3 为3根缆系3 个系船柱(船首倒缆、船中座缆、船尾缆)；方式4 为4 根缆系4 个系船柱(2 根倒缆、2 根座缆间隔布置)。 其中， 方式1 和2 是船舶常用的系缆方式， 船舶A 主要按方式1 系缆， 船舶B 主要按方式2 系缆， 船舶C 主要按方式3 和4 系缆， 在第2 次上行试验过程中改变系缆方式进行对比。

1.3 试验条件

实船试验期间， 上下游水位基本稳定， 上游库水位162.5 m、 下游水位65 m， 采用五级运行， 阀门按正常启闭方式双充双泄。 按实船试验过程， 试验条件见表1， 除一闸首门槛水深很大外， 其他闸首正常门槛水深在7.05 ～8.40 m， 在船舶第1 次下行和第2 次上行过程中， 均调整了三闸首门槛水深至5.5 m， 以考察闸室初始水深对船舶系缆力的影响以及低门槛水深情况下船舶同步移舶特性。

1.4 观测内容及方法

实船试验重点观测的内容包括船舶系缆力、船舶航速、 船舶下沉量及闸室水位。 船舶系缆力采用拉力传感器及数据采集系统测试， 同时采用3 套设备对3 艘船舶进行全过程测试； 船舶航速和下沉量采用自动跟踪式全站仪测试， 测试精度可达毫米级； 闸室水位采用水位计及数据采集系统测试， 重点分析闸室的惯性超高(降)及其与船舶系缆力之间的关系。

2 船舶系缆力

2.1 系缆力特性

船舶从驶入一个闸室(包括进闸)到从该闸室(包括出闸)驶出， 整个过程典型的船舶系缆力过程线见图4， 为了清晰展现受力过程， 将座缆的受力取负， 绘制于坐标系的下半区。 可以将整个过程分为船舶制动停靠、 闸室充泄水、 人字门开启3 个时段。 在船舶制动停靠时段， 系缆力表现为较大的船舶制动力， 往往是整个过程船舶系缆力的最大值， 在前方船舶停靠完成后， 受后方船舶进闸航行推进波的影响， 也会出现相对较大的系缆力； 在闸室充水过程中， 船舶受水流、 波动作用， 出现持续性的系缆力， 倒缆和座缆交替受力， 充水结束前系缆力较小； 在充水结束、 人字门立刻开启后， 船舶再次出现相对较大的系缆力， 与闸室充泄水惯性超高(降)有关。 从过程线可看出， 船舶两种常用系缆方式的效果相当， 主要是倒缆和座缆受力， 方式2 缆绳中的尾缆基本不受力。

图4 典型船舶系缆力过程线

2.2 最大系缆力统计

按上述3 个时段， 对3 艘测试船舶各工况的最大系缆力进行统计， 见表2。 可以看出， 3 个阶段船舶最大系缆力均有超过200 kN 的情况，制动停靠时段最大值为263 kN， 充泄水时段最大值为235 kN， 开人字门时段最大值为219 kN，制动停靠时段系缆力超过200 kN 的工况数明显多于另外两个阶段。 闸室泄水过程船舶最大系缆力总体小于充水过程， 泄水过程闸室内水流条件较优， 但泄水结束后开启人字门时段的最大系缆力总体大于充水后人字门开启时段， 这与闸室内的水深有关。

表2 测试船舶最大系缆力

2.3 系缆力影响因素分析

船舶系缆力影响因素较多， 与船舶排水量、闸室水流条件、 系缆设施等密切相关。 根据实船试验观测资料， 重点对船舶排水量、 闸室惯性超高(降)、 初始水深、 系缆方式进行分析， 探讨各因素的影响程度。

2.3.1 船舶排水量

通过本次实船试验， 并结合以往多次实船试验实测系缆力资料， 统计不同排水量船舶在第四和第五闸室的最大系缆力， 如图5 所示。 可以看出， 最大系缆力随船舶的排水量增大而增大，当船舶排水量5 000 t 左右时， 最大系缆力约100 kN， 而当排水量为7 000 ～8 000 t 时， 最大系缆力超过200 kN。

图5 最大系缆力与船舶排水量关系

2.3.2 惯性超高(降)

根据三峡船闸闸室水位实测资料， 充泄水惯性超高(降)基本能够控制在0.2 m 内， 满足船闸输水系统设计规范的要求， 但从船舶系缆力实测资料看， 惯性超高(降)对船舶系缆力影响较为明显， 这与船舶排水量较大有关。 泄水下行船舶受惯性超降影响较大， 系缆力基本在100～200 kN， 而充水上行船舶受惯性超高影响相对较小， 系缆力基本在100 kN以内。 试验期间， 为调整门槛水深， 在第二闸室向第三闸室调水过程中， 三闸首人字门平水开门， 但未采取提前关闭阀门的措施， 人字门开启过程出现了明显的惯性超高(降)现象， 最大惯性超降达0.278 m， 导致靠近三闸首的试验船舶C 的4 根钢缆相继绷断， 断裂时系缆力在250～300 kN， 其他试验船舶也出现了缆绳绷断情况。 因此， 闸室输水末期采用提前关闭输水阀门且人字门平水开启的措施降低闸室超高(降)十分重要。

2.3.3 初始水深

三峡船闸中间级闸室充水过程船舶最大系缆力与初始水深的关系见图6。 可以看出， 中间级闸室充水过程， 闸室初始水深对船舶系缆力影响较为明显， 在初始水深5.5～8.0 m 范围， 船舶系缆力与闸室初始水深总体呈反比例关系。 在试验条件中间级41 m 水头下， 闸室初始水深接近8.0 m 时， 船舶系缆力最大仅为90 kN， 当初始水深降低到5.5 m， 系缆力已达到235 kN。 因此， 应重视闸室初始水深较小条件下的中间级充水问题， 最大系缆力已接近缆绳破断荷载(本次试验实测断缆荷载约250 kN)。 中间级泄水过程闸室内船舶受力相对较小， 最大系缆力为124 kN， 泄水过程船舶停泊条件不是控制因素。

图6 中间级闸室充水过程船舶最大系缆力与初始水深关系

2.3.4 系缆方式

从图4 已可看出， 方式1 的2 根缆绳与方式2的3 根缆绳受力差别不大， 均为倒缆和座缆交替受力， 尾缆基本不受力。 对于方式3 和4 有2 根倒缆或2 根座缆的情况， 缆绳拉力受系缆效果影响较大， 当缆绳系紧程度不同时， 往往仍是单根倒缆或座缆受力， 试验过程中， 测试船舶C 的4 根缆绳相继绷断现象也说明了这一点。 统计3 条测试船舶系缆绳数量与最大系缆力， 如图7 所示(为避免图中数据过多重叠，不同船舶3 根缆绳情况进行了左右偏移)， 可见系缆方式(缆绳数量)对系缆力大小无明显影响。

图7 缆绳数量与系缆力关系

3 船舶下沉量

3.1 最大下沉量

各工况船舶航速及下沉量见表3。 在船舶启动加速行驶过程中， 船尾出现明显的下降， 在行驶过程中及停泊后均存在上下浮动； 下游进闸和上游出闸下沉量相对略大， 与引航道水位波动影响有关； 中间闸室同步移舶过程中， 在门槛水深7 m以上、 最大航速约1 m∕s 情况下， 最大下沉量在0.2 m 以内， 在门槛水深5.5 m 左右、 航速较小的情况下， 船舶下沉量相对较大。 总体上看， 大长宽比船舶同步移舶的下沉量不大。

表3 航速及下沉量

续表3

3.2 下沉量公式

船舶进出闸室航行下沉量主要与过水断面面积、 船舶舯断面水下面积、 船舶航速及闸室宽度等因素有关， 其中过水断面面积与宽度和初始水深有关， 船舶舯断面水下部分的面积与船舶吃水及船型有关。 国内前期三峡、 向家坝、 思林、 构皮滩等大量升船机工程模型试验表明， 船舶进出升船机承船厢过程下沉量、 船速、 船厢水深和断面系数等变量之间存在如下关系[9]:

式中: δ 为下沉量； v 为船速； H 为船厢水深；n 为断面系数， 其值为F∕f， 其中F 为过水断面面积， f 为船舶舯断面水面以下部分的面积； α、 b为相关系数。则根据试验实测数据， 绘制的P-K 关系见图8。 可以看出， 二者近似线性关系， 根据拟合的公式P=0.425 1K+0.006 5， 可以对不同条件下大长宽比船舶同步移舶的航行下沉量进行预测。

4 讨论

本次实船试验重点从船舶停泊安全和航行安全两个方面来探讨4.5 m 吃水大长宽比船舶同步移舶通过三峡船闸的可行性。 首先， 在船舶停泊安全方面， 三峡船闸设计船舶允许系缆力为纵向46 kN、 横向23 kN， 船闸浮式系船柱设计拉力值为纵向80 kN、 横向50 kN， 而本次试验实测船舶制动停靠、 闸室充泄水、 开人字门3 个时段最大系缆力均已超过了200 kN， 大幅超出了设计值，船舶缆绳拉力对系船设施及闸墙结构安全将产生一定的威胁， 三峡船闸实际运行情况也表明， 随着船舶排水量的增大， 浮式系船柱损坏非常频繁， 浮式系船柱的轨道磨损加剧。 其次， 在船舶吃水由4.3 m 提高至4.5 m、 两艘船舶同步移舶的条件下，实测船舶的下沉量不大， 根据拟合的经验公式预测， 在门槛水深5.5 m、 最大航速1 m∕s 时， 同步移舶船舶最大下沉量在0.4～0.5 m， 考虑不触底的安全水深0.3 m， 则4.5 m 吃水大长宽比船舶同步移舶航速小于1 m∕s 时， 不存在触底的风险， 当然，因枢纽调度引起的上下游水位变幅及波动影响需要关注。 因此， 欲推行4.5 m 吃水大长宽比船舶同步移舶技术、 进一步提高三峡船闸的通过能力， 需要解决大型船舶的系缆停泊安全问题， 船舶的航行安全不是控制因素。 建议提高船闸浮式系船柱的受力标准， 同时论证轨道、 闸墙的受力安全； 另一方面， 研究船舶系缆力的减小措施， 如进一步优化阀门的开启方式、 采用柔性带缓冲的系缆绳等。

5 结论

1)4.5 m 吃水大长宽比船舶同步移舶通过三峡船闸过程中， 船舶制动停靠、 闸室充泄水、 人字门开启3 个典型时段实测最大系缆力均超过了200 kN， 制动停靠时段的系缆力明显大于另外两个阶段； 闸室泄水过程船舶最大系缆力总体小于充水过程， 但泄水结束后开启人字门时段的最大系缆力总体大于充水后人字门开启时段。

2)船舶系缆力与排水量有最直接的关系， 闸室惯性超高(降)和初始水深对船舶系缆力影响较为明显， 系缆方式(缆绳数量)对系缆力大小无明显影响。

3)在船舶吃水提高至4.5 m、 两艘船舶同步移舶的条件下， 实测船舶的下沉量不大； 基于实测数据建立的下沉量公式， 在门槛水深5.5 m、最大航速1 m∕s 时， 同步移舶船舶最大下沉量在0.4 ～0.5 m， 无触底风险。

4)欲推行4.5 m 吃水大长宽比船舶同步移舶技术、 进一步提高三峡船闸的通过能力， 需要解决大型船舶的停泊安全问题， 船舶的航行安全不是控制因素。