新建長(zhǎng)江三峽通航水梯的設(shè)想

摘 要：三峽船閘貨物通過(guò)量提前20年達(dá)到設(shè)計(jì)值，現(xiàn)有船閘通航壓力越來(lái)越大。為了保證三峽大壩通航能力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)，文章利用相關(guān)理論與數(shù)據(jù)論證了新建三峽通航設(shè)施的必要性，提出再建長(zhǎng)江三峽通航水梯的初步構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：三峽船閘 貨物通過(guò)量 通航設(shè)施 水梯

三峽工程促進(jìn)了長(zhǎng)江航運(yùn)的快速發(fā)展，2003年來(lái)三峽船閘通過(guò)量保持14%的高速增長(zhǎng)，2011年底達(dá)到一億噸的設(shè)計(jì)通過(guò)量。今年3月南線船閘計(jì)劃性歲修與葛洲壩一號(hào)船閘大修期間，三峽壩區(qū)上下游日均積壓船舶超過(guò)600艘，非應(yīng)急物資船舶平均待閘時(shí)間達(dá)7天，創(chuàng)出待閘船舶數(shù)量、待閘時(shí)間的歷史記錄，三峽船閘通過(guò)能力船閘通航能力成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，研究船舶過(guò)壩新通道問(wèn)題，對(duì)保障三峽航運(yùn)安全暢通具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

新建三峽通航設(shè)施的必要性論證

葛洲壩船閘與三峽船閘通航能力不匹配。葛洲壩與三峽船閘對(duì)應(yīng)的閘室面積相當(dāng)，數(shù)量相同，船舶通過(guò)效率相等，實(shí)際上由于級(jí)數(shù)的差別，船閘通過(guò)能力存在差異。船閘通過(guò)能力由一次過(guò)閘平均噸位、日過(guò)閘次數(shù)、船舶裝載系數(shù)、年通航天數(shù)、運(yùn)量不均衡系數(shù)五種因素決定。不考慮葛洲壩一號(hào)船閘最低水深5.5m和三峽船閘5m之間差異的影響，兩壩的實(shí)際通過(guò)能力比值由各自的日過(guò)閘次數(shù)、年通航天數(shù)決定。實(shí)際聯(lián)合運(yùn)行中兩壩通過(guò)量比值僅為1.04倍，緣于葛洲壩船閘通航潛力尚未挖掘，一號(hào)船閘維修期間，二、三號(hào)船閘通過(guò)量同比分別增加56.2%、68.9%，如果更新葛洲壩船閘其控制系統(tǒng)、啟閉動(dòng)力，增加閘前靠泊設(shè)施，優(yōu)化調(diào)度和錨地管理，拓寬引航道寬度，保證兩壩船閘相同設(shè)備性能、保養(yǎng)管理技術(shù)水平，葛洲壩實(shí)際通航能力與三峽大壩比值可達(dá)2倍。

三峽船閘通過(guò)能力不及過(guò)閘需求。在充分保障船閘運(yùn)行效率、運(yùn)輸組織效率之下，影響船閘通過(guò)能力在于閘室平面尺度利用率與閘室水深利用率。采取縮短船舶進(jìn)出閘室時(shí)間等措施，日均閘次最多增加2次，年總閘次由10347次提高至11000次。近年閘室平面尺度利用率達(dá)90%以上，閘室水深還有一定的富裕，2010年下行船舶平均吃水為3.42m，如果改善過(guò)閘船舶的船型結(jié)構(gòu)，降低過(guò)閘吃水控制系數(shù)，年平均吃水可提高至4.2m。由此測(cè)算三峽船閘年通過(guò)量極限值為1.83億噸。現(xiàn)有通航設(shè)施通航能力與過(guò)閘需求達(dá)到平衡的時(shí)間不晚于2018年底，2020年三峽大壩將面臨2561萬(wàn)噸貨物的通航壓力，2030年將有2.6億噸貨物的通航壓力。

三峽與葛洲壩船閘平面尺度限制大型船舶的通過(guò)率。航道建設(shè)的投入和成庫(kù)后三峽航行條件的改善，為船舶大型化提供了客觀條件，過(guò)度的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加快推進(jìn)了船舶大型化，同時(shí)也提高了各類(lèi)船舶的經(jīng)營(yíng)保本載重噸位，干散類(lèi)船舶保本噸位已至3000噸，船舶大型化趨勢(shì)難以改變，過(guò)閘船舶大型化在所難免。目前過(guò)閘船舶中額定載重5000噸級(jí)以上的比重超過(guò)13%，3000噸級(jí)以上船舶比重提高至28%以上，而1000噸級(jí)以下船舶比例減少至20%，過(guò)閘船舶超過(guò)3000載重噸的趨勢(shì)日趨明顯。十二五期，隨著技術(shù)升級(jí)與資金投入，長(zhǎng)江干線高等級(jí)深水航道將延伸，干線全程航道水深可能提高1m，中游航道豐水期達(dá)5m以上，現(xiàn)有船閘尺度將是大型標(biāo)準(zhǔn)船型不可回避的唯一的約束條件，三峽與葛洲壩船閘寬度限制船舶大型化問(wèn)題必須引起高層管理者的重視。

三峽船閘吃水控制與中游水位不同步。三峽大壩發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)的綜合功能，為了調(diào)節(jié)汛期洪水，三峽大壩于每年5月開(kāi)始騰庫(kù)迎汛，三峽水位從175 m消落至145m，此時(shí)第一閘首門(mén)檻水深僅有5.5m，按照放寬后的新吃水控制標(biāo)準(zhǔn)，船舶限制吃水為3.5m左右，而中游河段水深可達(dá)5m。為了確保下半年枯水季節(jié)的發(fā)電量，每年9月至11月三峽大壩蓄水至175m，第一閘首門(mén)檻水深最大達(dá)35m，此時(shí)船舶吃水由閘室水深控制，可達(dá)4.5m，但中游河段處于最低水位，船舶控制吃水3米左右。兩者水位不同步時(shí)間累計(jì)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月以上?？菟谒徊煌降膯?wèn)題可以通過(guò)中游航道整治來(lái)解決，而豐水期水位不同步的問(wèn)題必須新建三峽通航設(shè)施才能彌補(bǔ)。

新建通航水梯的設(shè)想

1、水梯的主要構(gòu)造

在長(zhǎng)江干線再建三峽通航設(shè)施，一定要揚(yáng)長(zhǎng)避短，吸納三峽升船機(jī)、葛洲壩船閘的級(jí)數(shù)少、過(guò)閘快、通航能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)以及五級(jí)船閘建設(shè)技術(shù)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，避免三峽船閘級(jí)數(shù)多、通過(guò)保障率不高、寬度不恰當(dāng)?shù)牧觿?shì)，保障新通航設(shè)施在未來(lái)50年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)符合發(fā)展要求。

新通航設(shè)施的閘室尺度取決于設(shè)計(jì)船型的組合寬度和吃水，基本經(jīng)濟(jì)制度保證了民營(yíng)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期發(fā)展，從而確定了自航船在將來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的主流地位，設(shè)計(jì)船型必定為自航船。適度競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，船舶經(jīng)營(yíng)保本噸位繼續(xù)緩慢提高，如果船舶經(jīng)營(yíng)保本噸位每十年提高1000噸，50年后將達(dá)8000噸。因而設(shè)計(jì)船型可選定為8000噸標(biāo)準(zhǔn)自航船，過(guò)閘組合方式為4x8000t。據(jù)此，新通航設(shè)施的閘室寬度為46m，長(zhǎng)度為280m，最低水深7.5m。

新建通航設(shè)施級(jí)數(shù)無(wú)疑要選擇單級(jí)，以保障過(guò)閘時(shí)間和設(shè)備保障率。單級(jí)通航設(shè)施上下水位差接近120m，大于其設(shè)計(jì)寬度，而且下閘門(mén)高度不可能達(dá)120 m，必須設(shè)計(jì)成封閉式閘門(mén)，新建通航設(shè)施的外形與閘門(mén)類(lèi)似于一般電梯，本文姑且稱(chēng)其為水梯。水梯與三峽船閘臨同一水庫(kù)，水梯頂部高程與三峽第一閘首應(yīng)一致。水梯上引航道最低水深必須達(dá)到7.5m，而三峽船閘第一閘首檻上最小水深為5.5m，所以水梯上閘門(mén)門(mén)檻高程較三峽船閘第一閘首門(mén)檻低2m。

水梯的閘門(mén)可參照船閘設(shè)計(jì)總規(guī)范，設(shè)計(jì)成對(duì)開(kāi)人字型梯門(mén)，其寬度均為水梯寬度的一半，即23m。上梯門(mén)的高度由三峽水庫(kù)高低水位、船舶最低吃水決定，依照三峽閘門(mén)高38.5 m、寬20.2 m、厚3m的尺度和水梯上閘門(mén)門(mén)檻與三峽船閘2m的高程差，可以測(cè)算水梯上閘門(mén)高度為40.5m。下梯門(mén)為封閉式閘門(mén)，其高度與過(guò)閘船舶的型高有關(guān)，8000噸位船舶型高約為28m，依照內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮豐水期下引航道水位的抬高的影響，通航凈空高度取10m，下梯門(mén)的高度至少要達(dá)38m。

梯井高度由枯水期上下水位的落差決定，而落差與選址密切相關(guān)。如果選擇在現(xiàn)有兩線船閘附近新建水梯，則梯井的高度稍大于豐水期的落差112m，約為115m。如果水梯選址遠(yuǎn)離現(xiàn)有兩線船閘，梯井下部水位受下引航道的走向、比降、水深等因素影響，兩壩相距56公里，水位差達(dá)10m，水梯下引航道的比降應(yīng)少于兩壩間比降，下引航道最大水位差不應(yīng)大于5m，此時(shí)梯井的高度大約為120m，本文按此最大值計(jì)算梯井高度。

2、水梯的通航性能

過(guò)閘時(shí)間方面，水梯類(lèi)似單級(jí)船閘，迎向運(yùn)行的通航效率最好，迎向運(yùn)行時(shí)每梯次船舶進(jìn)梯、出梯共約25分鐘，開(kāi)關(guān)梯門(mén)約10分鐘，如果輸水時(shí)間與三峽五個(gè)船閘泄或沖水時(shí)間相當(dāng)，約60分鐘（此時(shí)水面升降速度為3.39cm/s），則船舶過(guò)梯時(shí)間共計(jì)95分鐘，比通過(guò)三峽大壩縮短145分鐘。如果輸水技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，水梯水面升降速度達(dá)到5cm/s，船舶過(guò)梯時(shí)間將縮短至75分鐘，節(jié)省過(guò)閘時(shí)間達(dá)165分鐘。

通過(guò)能力方面，按照每天保養(yǎng)2小時(shí)，運(yùn)行22小時(shí)，則每天每梯最多運(yùn)行17梯次，每年單向運(yùn)行6205梯次。每梯次可實(shí)現(xiàn)船舶4000-5000噸船舶與萬(wàn)噸級(jí)船舶組合，5000-7000噸級(jí)與9000-10000噸級(jí)組合，解決5000噸級(jí)以上船舶組合過(guò)壩問(wèn)題。水梯雙向年通過(guò)能力可達(dá)3.9億噸，極限能力達(dá)4.5億噸。

水梯通過(guò)水面快速升降而保障船舶快速過(guò)閘，所以水梯在耗水量方面相比五級(jí)船閘稍大，為了節(jié)省每梯次的耗水量，南北水梯之間可設(shè)有閘門(mén)，實(shí)行南北梯交替上下運(yùn)行，下行梯為上行梯輸水，根據(jù)船閘規(guī)范公式Q=q+nV/86400 （q為梯門(mén)漏水損失，V為一次過(guò)梯用水量），計(jì)算出水梯的每天平均耗水量為309每秒立方。

3、幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

選址方面，一般要考慮綜合水文、地質(zhì)、地貌安全技術(shù)要求和文物古跡、名勝游覽地和生態(tài)資源保護(hù)要求，而再建項(xiàng)目更多考慮施工擾動(dòng)問(wèn)題，確保新項(xiàng)目不影響現(xiàn)有通航實(shí)施安全運(yùn)行。根據(jù)衛(wèi)星地圖的數(shù)據(jù)，筆者試選三峽壩上龍?zhí)镀航?jīng)混丘、廟溝至樂(lè)天溪大橋，水梯建在廟溝，與大壩直線距離4800m，上引航道約為5300m下引航道約為1500m，巖石開(kāi)挖量為1.28億立方。如果在保證安全爆破施工的前提下，于北線船閘北面附近新建水梯，開(kāi)挖量?jī)H需0.125億立方。兩種選址方案各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)投資額度、建設(shè)周期、新址花崗巖裂隙以及施工技術(shù)等情況綜合比選確定。

水梯的水頭較大，有自身特殊的技術(shù)難題：①梯門(mén)構(gòu)造問(wèn)題，梯門(mén)面積達(dá)1600㎡，根據(jù)現(xiàn)行船閘規(guī)范，當(dāng)閘門(mén)或封閉孔口面積大于400㎡，需專(zhuān)門(mén)研究。尤其下梯門(mén)承受的壓力較大，除外形上可設(shè)計(jì)成反向弧形外，還必須應(yīng)用新合金材料，滿足剛度與強(qiáng)度要求。②水梯主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題，水梯外形較大，運(yùn)行荷載大，花崗巖的底部持力層可以保證底部抗壓、抗彎性能本，但也需滿足抗抗傾、抗浮穩(wěn)定性能要求。③梯門(mén)啟閉機(jī)布置問(wèn)題，下閘門(mén)工作時(shí)梯井面完全被水覆蓋，梯門(mén)啟閉機(jī)僅能布置其外側(cè)，需要精心設(shè)計(jì)。④水壓發(fā)電技術(shù)問(wèn)題。南北水梯之間，梯上與梯井、梯井與下引航道之間存在較大的落差，每梯次每水道的落差水壓存續(xù)時(shí)間約為25分鐘，如能利用發(fā)電，既可通過(guò)發(fā)電機(jī)組消能而保障梯井水面流態(tài)平穩(wěn)，又能解決電機(jī)啟動(dòng)、照明、控制系統(tǒng)用電，但需要解決水壓漸變、發(fā)電儲(chǔ)備等技術(shù)問(wèn)題。

配套建設(shè)方面，新建水梯后，三峽大壩設(shè)計(jì)通航能力達(dá)到4.9億噸，極限能力達(dá)到6.3億噸，而葛洲壩正常通航能力到2億噸，極限能力約為3億噸，將出現(xiàn)明顯反差。為了平衡兩壩通過(guò)能力，可以改建葛洲壩三號(hào)船閘，將其寬度拓展到46m，長(zhǎng)度延長(zhǎng)至540 m，同時(shí)提高三江航道水深；或者在葛洲壩南岸新建雙線單級(jí)船閘。