三峽—葛洲壩船閘通過能力分析及擴能工程對策

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽船閘閘室平面有效尺寸為280 m×34 m(長×寬，下同)，每閘次通過4艘船舶。上游導航墻采用浮式導航墻，布置在第1閘首上游引航道左、右兩側，全長250 m，南線上游導航墻尾端設置浮式躉船一艘。下游導航墻布置在第6閘首下游引航道左、右兩側，全長196 m，北線下游導航墻尾端新增5個間距24 m的圓形靠船墩，總靠泊長度320 m。上下游導航墻及其增設設施可供一個閘室的船舶靠泊，船閘一般實施單向運行，船舶采用同步移泊方式從導航墻處進出船閘。

葛洲壩工程的通航建筑物為典型單級船閘[1]，在布置上采取兩線三閘總格局。兩線分居樞紐兩側的大江和三江，葛洲壩一號船閘坐落于大江航道, 葛洲壩二、三號船閘位于葛洲壩三江航道。葛洲壩一、二號閘室有效尺寸為280 m×34 m，每次可通過約4艘船舶。一號船閘上游引航道左側為長1 000 m的防淤堤，下游引航道左側為390 m長的導航隔流墻，右側為大江沖沙閘下游430 m長的混凝土護坡；二號船閘軸線與壩軸線斜變，交角為81.5°，由橋墩段，上、下閘首，閘室，上、下游導航墻，上、下游靠船墩等建筑物組成。上、下游導墻長度分別為193 m和240 m，上、下游靠船墩段各長200 m。三號船閘閘室有效尺寸120 m×18 m，每次可通過約1或2艘小型船舶；三號船閘軸線與壩軸線正交，由橋墩段，上、下閘首，閘室，上、下游導航墻，上、下游靠船墩和下游導水墩等建筑物組成；上游主導墻長70 m，下游主導墻長135 m；上、下游靠船墩和下游導水墩布置長度均為100 m。目前，三峽—葛洲壩樞紐通過能力不足[2]，為興建三峽樞紐和水運新通道以及葛洲壩樞紐航運擴能工程[3]，分析葛洲壩樞紐船閘不同運行方式下的通過能力。

1 船閘通過能力衡量指標

根據《船閘總體設計規(guī)范》[4]，年單向過閘通過量為

P=(n-n0)NGα/β

(1)

式中:P為過閘貨運量，t；n為日均過閘次數(shù)，次/d；n0為非運客、貨船舶過閘次數(shù)，次/d；N為通航天數(shù)，d；G為一次過閘平均噸位，t/閘；α為船舶裝載系數(shù)，β為運量不均勻系數(shù)。

其他參數(shù)固定的前提下，將日運行閘次數(shù)n作為衡量船閘通過能力的一個直接指標。三峽及葛洲壩船閘設計日運行時間為22 h[5]，實際運行中沒有開展停航保養(yǎng)或檢修的情況下，每天工作時間為24 h，測算通過能力時將停航的時間從通航天數(shù)中予以扣除。船閘的日運行閘次數(shù)n=24×60/閘次運行間隔時間，顯示出日運行閘次數(shù)與閘次運行間隔時間成反比，縮短閘次運行間隔時間可以有效提高船閘通過能力。

1.1 三峽船閘指標狀況

三峽南北兩線船閘采取單向連續(xù)過閘的運行方式，一線上行，一線下行。在不同水位條件下，三峽船閘采取四級或五級運行方式，五級運行時，船舶從導航墻采用成組同步移泊方式[6]進出閘，閘次間隔時間與四級運行時基本一致，閘次運行間隔時間約90 min，運行16閘次,見表1。

表1 三峽船閘設計指標與實際情況對比 min

1.2 葛洲壩船閘匹配運行通過能力狀況

目前，三峽—葛洲壩樞紐水域兩壩間供物流周轉的碼頭數(shù)量極少，統(tǒng)計數(shù)據顯示， 2018年葛洲壩樞紐共通過48 425艘次船舶，其中45 202艘次為連續(xù)通過三峽大壩和葛洲壩樞紐的船舶，僅通過葛洲壩一壩的船舶數(shù)量僅為3 223艘次，僅占總過閘量的6.66%。船舶9成以上有通過三峽大壩和葛洲壩兩壩的需求，自三峽船閘運行以來，長江三峽通航管理機構對過壩船舶實施統(tǒng)一調度，兩壩通航建筑物匹配運行，三峽兩線船閘和葛洲壩三座船閘的通過能力基本一致 。

2 葛洲壩船閘通過能力指標測算

葛洲壩船閘一、二號船閘平面尺度與三峽船閘相當[7]，通航天數(shù)、一次過閘平均噸位、船舶裝載系數(shù)和運量不均勻系數(shù)在優(yōu)化后可實現(xiàn)與三峽船閘一致。

2.1 閘次間隔時間的計算方法

《船閘總體設計規(guī)范》中提出一次過閘時間指標的計算方法，按照實際情況分析，閘次間隔時間計算方法如下。

2.1.1 單向運行

單向運行條件下，船舶單向過閘，單級船閘每運行1個來回，則通過1個有載閘次的船舶。閘次運行間隔時間(T)即一次過閘時間。

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

(2)

式中：T1為單向一次過閘時間，min；t1為開門或關門時間，min；t2為單向第一個船隊進閘時間，min；t3為閘室灌水或泄水時間，min；t4為單向第一個船隊出閘時間,min；t5為船舶、船隊進閘或出閘間隔時間，min。

2.1.2 雙向過閘

雙向運行條件下，船舶雙向過閘，單級船閘每運行1個來回，則可通過2個有載閘次的船舶。閘次間隔時間為一次過閘時間的一半。

(3)

(4)

T=Te+Ts

(5)

式中：Te為設備總時間，min;Ts為船舶總時間，min。

2.2 設備總時間(Te)

通過對式(2)、式(4)指標相比較，單向每運行一個有載閘次，設備設施需要增加一個“倒空閘”設備運行環(huán)節(jié)和一個閘次的水量消耗，即雙向運行每一有載閘次，可以將設備總時間縮短到單向運行的一半。據此初步判斷葛洲壩船閘采用雙向運行的通過能力將高于單向運行。根據《船閘總體設計規(guī)范》條文說明“單向通過能力系指客、貨運量多的方向的通過能力”，單級船閘的設計通過能力，一般按照雙向運行進行核算。

近年來，三峽通航管理部門通過采取多種措施改善船閘運行條件，使得人字門啟閉時間、輸水時間總體達到設計水平。單向運行時每一閘次其設備總時間約為40 min，雙向運行約20 min。設備總時間有所縮短，但還需重點分析雙向運行由于待閘點的變化延長較單向運行帶來的船舶總時間增加帶來的影響。

2.3 船舶總時間(Ts)

船舶總時間與進閘的距離、平均速度、進閘及移泊時的船舶或船隊數(shù)量相關。

2.3.1 船舶進船閘距離

根據《船閘總體設計規(guī)范》，三峽及葛洲壩船閘船舶、船隊進出閘運行距離可按下列情況分別確定。

1)單向過閘，進閘為船舶、船隊的船艏自引航道?？课恢?導航墻)至閘室內停泊位置之間的距離;出閘為船舶、船隊的船艉自閘室內停泊位置至閘門外側邊緣的距離。

2)雙向過閘，進閘為船舶、船隊自引航道?？课恢?靠船墩)至閘室內停泊位置之間的距離;出閘為船舶、船隊自閘室內停泊位置至靠船建筑物之間的距離。

2.3.2 葛洲壩船閘不同運行模式下進出閘距離

目前三峽船舶過閘有依次過閘和成組同步移泊兩種組織方式。依次過閘是指船舶根據船閘調度指令按照順序各自駛入及駛出船閘；成組同步移泊是指船舶根據船閘指令和閘室排檔圖，兩兩并排同步啟動，同步駛入、駛出船閘；成組同步移泊方式下，同步并排行駛的2艘船舶過閘組織上可視為一個船隊整體進、出閘。

1)葛洲壩一、三號船閘情況。一號參考布置圖見圖1。

圖1 葛洲壩一號船閘參考布置示意

葛洲壩一號船閘上下游均無靠船墩設施，在三峽通航管理部門的主動努力下，在上游設置了2艘40 m躉船供船舶進閘待閘，縮短了船舶進閘距離。因環(huán)保要求，下游設置靠船設施輔助進閘的難度大，即引航道內沒有合適的供雙向運行的?？吭O施。因此，實施雙向運行時，為保障船舶在引航道內安全航行，需要前一閘次船舶全部駛出閘室并進入安全航行狀態(tài)后，下一閘次的進閘船舶方可調度依次進閘。由于一號船閘通航流量流態(tài)條件較差，為保障安全，進閘船舶一般在引航道以外水域等待，待前一閘次船舶全部駛出大江引航道后方可進入引航道，增加了雙向運行的船舶進出閘時間。目前，葛洲壩一號船閘單向運行時閘次間隔時間為90 min，由運行上行閘次換向為運行下行閘次，每次換向需要另外增加閘次間隔時間約30 min；反之一號船閘由運行下行閘次換向為運行上行閘次，每次換向需要另外增加閘次間隔時間約60 min；均超出了雙向運行設備總時間節(jié)約的20 min。雙向運行時每天運行閘次數(shù)量為10～11個，而單向運行日運行閘次數(shù)則可達到15～16個，因此，葛洲壩一號閘宜以單向運行為主，基本匹配三峽一線船閘運行。

葛洲壩三號船閘以雙向運行為主，葛洲壩樞紐航運擴能工程初步計劃拆除葛洲壩壩三號閘，因此，重點分析葛洲壩二號船閘不同運行條件下的進閘距離。

2)葛洲壩二號船閘單向運行進出閘距離。二號船閘參考布置圖見圖2。

采取工程措施延伸葛洲壩二號閘船閘上、下游導航墻長度，使得導航墻段可以供一個閘次的船舶進閘?？浚瑒t單向運行條件下船舶可以在導航墻待閘，船艏距離閘首約50 m，船閘閘首長約50 m，船艏進入閘室的距離按照船閘集泊長度計為266 m，因此進閘距離約為366 m。

圖2 葛洲壩二號船閘參考布置示意

出閘距離包括船首在閘室內的剩余距離、另一側閘首長度以及船舶總長，根據船型主尺度系列規(guī)定，未來船舶總長將提高至130 m，剩余距離為280-266=14 m，閘首長度50 m，即出閘距離約為194 m。即單向運行條件下船舶進出閘總距離為560 m。

3)葛洲壩二號船閘雙向運行進出閘距離。雙向運行條件下船舶必須在靠船墩待閘，以上行為例，下游第一個靠船墩到下閘首距離683.7 m(上游600 m)，閘首長度50 m，船首進入閘室距離266 m，因此上行進閘距離約為999.7 m(下行916 m)。出閘距離包括船艏在閘室內的剩余距離14 m、另一側閘首長度50 m、船舶總長130 m、上游靠船墩到上閘首距離600 m(下游683.7 m)，靠船墩長度200 m，即上行出閘距離994 m(下行1 077.7 m)。

出閘距離包括船艏在閘室內的剩余距離、另一側閘首長度以及船舶總長，根據船型主尺度系列規(guī)定以及新通道船型尺度研究情況，未來船舶總長將提高至130 m，剩余距離為14 m，閘首長度50 m，即出閘距離約為194 m。即雙向運行條件下船舶進出閘總距離為1 993.7 m。

4)進出閘期間船舶、船隊前后安全距離.。交通運輸部建設科技項目“復雜條件下三峽船閘通過能力提升技術研究”成果顯示，進閘過程中前后兩排船舶(船隊)縱向間距應大于0.5×(L1+L2)(L1、L2分別為前后排船舶(船隊)船長，即1個平均船舶(船隊)長度)。

2.3.3 船舶速度

現(xiàn)行通航管理辦法[8]規(guī)定，進出船閘的航速不得超過1.0 m/s。雙向運行條件下，為保障船舶進出閘不因航路交叉引發(fā)的安全事故，進閘?？奎c選定在靠船墩，距離閘室較遠，考慮到加速及減速的距離較短，其進出閘過程靠船墩至閘首之間的水域平均速度1 m/s取，船舶駛入閘首、通過閘室、直到從另一側閘首駛出的過程(約380 m)中平均速度將降至0.5 m/s，綜合全過程，取平均速度0.9 m/s。

單向運行條件下，船舶停靠點選定在導航墻進閘位置離閘室很近，平均速度0.5 m/s。

2.3.4 船舶總時間

近年來，三峽船閘和葛洲壩一、二號船閘的平均每閘次通過的船舶艘數(shù)約為4艘，理論測算船舶時間每閘次的船舶數(shù)量取4艘。

船舶大型化[9]帶來了慣性大、舵效差、減速困難和受風、流、水深的影響突出等操縱難題，船閘水域為內河航道中的典型受限水域，雙向運行船舶進閘點遠離閘室，如果采用成組同步移泊方式過閘，船舶航行過程中的受限水域效應和船間效應加劇，對操縱影響進一步加大。為保障安全，船舶同步移泊的航速會進一步下降，觀測情況顯示，進出閘平均速度甚至降至0.5 m/s以下，遠不及按序依次過閘方式下的效率。因此雙向運行不具備成組同步移泊的條件，僅采用按序依次過閘的方式。閘室內共4艘船舶，進閘及移泊過程中各有3個間隔時間(13 min)，即：2t5=26 min。

3)船舶總時間。每一有載閘次運行過程中，還需要另外考慮首尾船舶解系纜(解纜、系纜各按1 min計)，不同運行模式及過閘組織方式下船舶總時間計算見表2。

表2 舶總時間計算表 min

單向運行模式下，船舶成組同步移泊方式過閘，船舶總時間約為30 min，如果實際過閘船舶總長達不到130 m則船舶總時間將會更短，預期在25～30 min之間。采用牽引[10]進出閘、船舶自適應跟隨操縱進出閘等技術實現(xiàn)船舶整體成組同步移泊，則單向運行模式下，船舶、船隊進閘及出閘間隔時間(t5)有望縮短到0 min，則船舶總時間有望進一步縮短到23 min左右。

2.4 葛洲壩船閘閘次間隔時間及日運行閘次

將上節(jié)分析所得的數(shù)據代入式(5)，計算結果見表3。

表3 葛洲壩二號船閘日均運行閘次測算表 min

從測算結果來看，通過工程措施延伸葛洲壩二號閘船閘上、下游導航墻長度，單向運行條件下采用成組同步移泊過閘方式，葛洲壩二號閘閘次間隔時間約為70 min，日運行最高21閘次。如果實際過閘船舶總長不到130 m，閘次運行間隔時間約為65～70 min，日均運行閘次數(shù)較目前存在提高3～4個的可能。

通過技術研發(fā)及創(chuàng)新，采取硬布線牽引或船舶自適應跟隨操縱等牽引技術實現(xiàn)船舶整體成組同步移泊方式進出葛洲壩二號閘，日均運行閘次數(shù)將可進一步增加。

雙向運行條件下，葛洲壩二號閘閘次間隔時間約為84.9 min，日運行最高17閘次。

3 葛洲壩船閘運行實績

2018年3月份以來，長江三峽通航管理機構根據葛洲壩二號船閘實際運行情況，組織對葛洲壩二號船閘單向運行與雙向運行方式閘次間隔時間進行了統(tǒng)計分析，共詳細記錄了93組船舶進出葛洲壩二號船閘的過閘時間記錄，其中單向運行61組，雙向運行32組。

3.1 雙向運行情況

雙向運行船舶待閘點為靠船墩，與理論計算選取點一致，船舶過閘過程中受各種因素干擾多，船舶依次按序駛入或駛出船閘，每閘次約可安排4-6艘船舶,共觀測了32個閘次的雙向運行情況見表4。

表4 雙向運行閘次間隔時間統(tǒng)計

統(tǒng)計顯示，觀測雙向平均閘次間隔時間為95.22 min，推算日運行15.1閘次。其中，一次過閘船舶艘次為4艘的閘次10個，平均閘次間隔時間92.4 min，推算日運行15.6閘次，最長閘次間隔時間為105 min，最短時間為78 min。按照運行原理雙向運行的閘次間隔時間無法有效縮短。

3.2 單向運行情況

單向運行船舶在導航墻待閘，與理論計算選取點一致，船舶進出閘采用成組同步移泊方式，每閘次安排4艘船舶通過，共觀測了61個閘次的單向運行情況見表5。

采用成組同步移泊方式進出閘，葛洲壩二號船閘的平均閘次間隔時間為83.2 min，日運行17.3閘次。其中，閘次間隔時間70 min以內的14閘次，占觀測閘次數(shù)量的23%，平均間隔時間為67.21 min。閘次間隔時間85 min以內42閘次，接近觀測閘次數(shù)量的70%，平均間隔時間為74.4 min。閘次間隔時間70 min以上的主要原因是船舶長度偏長，葛洲壩二號閘導航墻長度不足，不能滿足?？恳婚l次的4艘船舶，后2艘船舶不能直接從導航墻進閘，不能達到完全同步移泊過閘的效果，導致效率下降所致。

表5 單向運行閘次間隔時間統(tǒng)計表

通過工程措施和采取合理的過閘組織模式，葛洲壩二號船閘單向運行每天運行閘次數(shù)量有比現(xiàn)在增加3～4個的可能。

4 兩壩樞紐匹配運行分析

當前，以每閘次4艘船舶為例，三峽每線船閘日運行16閘次，兩線船閘合計日運行32閘次。綜合觀測分析情況，葛洲壩船閘雙向運行時，二號船閘日運行15.6閘次，葛一號閘運行僅10～11閘次，兩座船閘日運行閘次數(shù)合計約26閘次，無法與三峽船閘實現(xiàn)匹配運行；葛洲壩船閘單向運行時，二號船閘日運行17.4閘次，一號閘日運行15～16閘次，兩線船閘合計日運行可超過32閘次，可以匹配三峽船閘通過能力。近階段，葛洲壩一、二號船閘宜采用單向運行為主的方式匹配三峽兩線船閘運行。

5 結論

1)葛洲壩樞紐航運擴能工程選擇左岸方案時，如采取改造三號船閘并建設兩線大船閘匹配三峽雙線新通道，應充分考慮三號船閘取消后，對其通過能力的補償，可采取加長葛洲壩樞紐航運擴能工程中一線船閘的長度，并通過兩壩船閘“統(tǒng)一調度、聯(lián)合運行”和實施船舶同步移泊進出閘方式來補償。

2)加強對船舶過閘同步移泊條件技術實施的進一步研究。在充分論證的基礎上加長船閘上下游導航墻長度；對船舶進出閘自適應跟隨或硬布線牽引等船舶整體進出閘牽引技術進行研究。

3)單級船閘在上下游船舶不積壓運行條件下，應以雙向運行方式為主，以減小船閘設備設施運行的損耗。