提高三峽船閘過閘效率的通航組織模式

程升鵬，阮榮斌，王銳鋒

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

由于船舶過壩需求旺盛、三峽船閘通過能力有限，三峽壩區(qū)待閘船舶較長時(shí)間滯留近壩水域已成常態(tài)。緩解待閘壓力是三峽通航管理機(jī)構(gòu)長期面臨的課題，即在復(fù)雜氣象條件下減少停閘時(shí)間、正常運(yùn)行條件下增加運(yùn)行閘次，以提高樞紐運(yùn)行效率。

1 三峽船閘引航道增加待閘設(shè)施必要性

在出現(xiàn)大風(fēng)大霧天氣時(shí)，三峽船閘引航道以外水域6級(jí)以上大風(fēng)或能見度低于500 m，實(shí)施禁航措施；同時(shí)，三峽船閘引航道水域大風(fēng)風(fēng)力低于6級(jí)且能見度超過500 m，仍可正常通航。以下是假設(shè)上述情況下正常通航時(shí)，可增加的閘次情況。

1.1 三峽船閘下游大風(fēng)大霧時(shí)閘室滯航情況

三峽船閘下游大風(fēng)大霧(閘室能見度滿足通航條件)時(shí)，按照現(xiàn)行工作要求，南線下行暫緩發(fā)船，北線上行停止發(fā)船。船舶出閘后在靠船墩或?qū)Ш綁坎础Ｄ暇€上游導(dǎo)航墻待閘船舶不得進(jìn)入一閘室，仍在浮式導(dǎo)航墻待閘。且中間級(jí)閘室船舶往末級(jí)閘室移泊，盡量保證閘室內(nèi)無船舶滯留。北線導(dǎo)航墻待閘上行船舶均可正常過閘。

在未增設(shè)靠船設(shè)施時(shí)，假設(shè)南線滿載運(yùn)行情況下(即五級(jí)運(yùn)行條件下，南線3個(gè)閘室都有船)，下游大風(fēng)或者大霧，船舶無法下行，只能在導(dǎo)航墻靠泊等候通知時(shí)，必然有兩個(gè)閘次的船舶滯留在末級(jí)閘室和次末級(jí)閘室；即使船舶能行駛至靠船墩靠泊，也至少有一閘船滯留在末級(jí)閘室,見圖1。

圖1 三峽船閘下游大風(fēng)大霧時(shí)閘室滯航情況

1.2 延長上下引航道靠船設(shè)施可增加運(yùn)行閘次估算

在原導(dǎo)航墻和靠船墩之間增設(shè)靠船設(shè)施(即導(dǎo)航墻延長至靠船墩)后，南線上游靠泊設(shè)施總長780 m，北線上游靠泊設(shè)施總長930 m；南線下游靠泊設(shè)施總長930 m，北線下游靠泊設(shè)施總長930 m(南、北兩線靠泊總長以實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn))。延長后的導(dǎo)航墻和靠船墩可同時(shí)供3個(gè)閘次的船舶?？俊Ｄ敲串?dāng)船閘滿載運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)大風(fēng)大霧天氣，則3個(gè)閘次的船舶均可出閘并安全停靠，不會(huì)導(dǎo)致船舶滯留閘室。

以南線船閘為例，大風(fēng)大霧持續(xù)7 h以上氣象條件下，南線滿載運(yùn)行時(shí)，下游因大風(fēng)或者大霧控制性運(yùn)行。延長導(dǎo)航墻后，3個(gè)閘次的船舶均可出閘，在靠船墩及導(dǎo)航墻靠泊，閘室無船舶滯留，見圖2。

圖2 延長上下引航道靠船設(shè)施

同理，三峽船閘上游大風(fēng)大霧天氣時(shí)，北線可增加5個(gè)閘次，南線可增加2個(gè)閘次。即北線停航時(shí)間可減少7.5 h，南線停航時(shí)間減少3 h。若上下游同時(shí)大風(fēng)大霧，則南北兩線可增加2個(gè)閘次，停航時(shí)間減少3 h。

1.3 增加靠船設(shè)施后風(fēng)霧天氣封閉通航增加的閘次

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013—2017年三峽船閘大風(fēng)大霧天氣下的停航時(shí)間見表1。

表1 延長導(dǎo)航墻后風(fēng)霧天氣停航時(shí)間

由此可知，延長導(dǎo)航墻后南線平均停航時(shí)間減少104.94 h，約70個(gè)閘次；北線平均停航時(shí)間減少98.81 h，約66個(gè)閘次，見表2。

表2 延長導(dǎo)航墻前后平均停航時(shí)間對(duì)比

綜上所述，延長導(dǎo)航墻后的優(yōu)點(diǎn)為：1)提高船舶過閘安全性。大風(fēng)大霧天氣下，閘室無滯留船舶，降低船舶滯留閘室風(fēng)險(xiǎn)。2)提高船閘運(yùn)行效率。上(下)游大風(fēng)大霧天氣持續(xù)時(shí)間低于7.5 h，則有北(南)線船閘無須停航；上、下游同時(shí)大風(fēng)大霧天氣持續(xù)時(shí)間低于3 h，則兩線無須停航。3)提高船閘年平均閘次。試運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，大風(fēng)大霧天氣下南北兩線平均每年共可增加136個(gè)閘次。

2 三峽船閘引航道增加待閘設(shè)施可行性

2.1 增加待閘設(shè)施船閘引航道滿足三線通航寬度需求

船舶在船閘引航道水域通航，大風(fēng)氣象對(duì)其影響最大。船閘引航道風(fēng)力在6級(jí)以下時(shí)，經(jīng)多年原型觀測(cè)和《船舶原理》中相關(guān)數(shù)模計(jì)算[1]，風(fēng)力導(dǎo)致的船舶漂移量對(duì)其航跡帶影響較小，可忽略。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中直線航段航跡帶等計(jì)算模型公式[2]，在該類大風(fēng)影響的情況下，進(jìn)出船閘引航道所需航寬的表達(dá)式如下：

單向通航：

Bd=Lsinβ+bcosβ+2d+ΔB1+ΔB

(1)

雙向通航：

BS=2(Lsinβ+bcosβ+d)+c+ΔB1+ΔB

(2)

式中：L為船長(m)；b為船寬(m)；c為船與船之間的安全距離(m)，c=(b+Lsinβ)2；d為船與航道邊界之間的安全距離(m)，d=(b+Lsinβ)4；β為偏航角，取5°；ΔB1、ΔB分別為考慮風(fēng)、流影響的富裕量。

經(jīng)計(jì)算，不同蓄水位時(shí)，船舶進(jìn)出引航道單向通航所需寬度約為2.46b～3.0b，約60 m；雙向通航所需寬度為4.0b～5.0b,約100 m。若三峽船閘出現(xiàn)三線通航情形，既有南北線船舶進(jìn)出閘，又有引航道外船舶駛?cè)胍降罆r(shí)，引航道設(shè)計(jì)航寬180 m仍能滿足其需求[3]。

但即便如此，從偏安全角度出發(fā)，當(dāng)船閘引航道測(cè)風(fēng)儀顯示風(fēng)力在6級(jí)以下且經(jīng)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)認(rèn)可通報(bào)時(shí)，三峽通航管理機(jī)構(gòu)均嚴(yán)格實(shí)施單向控制性通航，且效果良好。

2.2 增加待閘設(shè)施后船閘引航道縱向水域滿足通航安全領(lǐng)域需求

南線上游靠泊設(shè)施連線兩端總長780 m，北線上游靠泊設(shè)施連線兩端總長930 m；南線下游靠泊設(shè)施連線兩端總長930 m，北線下游靠泊設(shè)施連線兩端總長930 m。

以三峽樞紐上引航道為例，壩上航道2 600 m,減去780 m，剩余1 820 m。按照船舶操縱安全領(lǐng)域理論及多年來船舶過閘運(yùn)行實(shí)踐證明，船舶進(jìn)入引航道后有保向航行及留出安全間距的需求，且船舶下行駛?cè)胍降罆r(shí)，靠船設(shè)施上方水域長度須滿足1個(gè)閘次船舶交通流安全排列，考慮到目前過閘交通流長度為1 300～1 500 m，再減去此長度，剩余可靠泊船舶水域長度為300～500 m，因而只能增加1個(gè)閘次靠泊泊位。同理，上引航道北線也只能增加1個(gè)閘次泊位，下引航道北線無相應(yīng)水域可供增加泊位，下引航道南線也只能增加1個(gè)閘次泊位。

綜上所述，三峽樞紐上下引航道能增加3個(gè)閘次泊位后，船閘引航道縱向水域滿足通航安全領(lǐng)域需求，航寬滿足三線通航需求。即未改變?nèi)龒{樞紐原設(shè)計(jì)船閘上下引航道的功能作用。

3 增加待閘設(shè)施后可進(jìn)一步優(yōu)化的通航組織模式

三峽樞紐現(xiàn)行運(yùn)行模式有四級(jí)、五級(jí)不補(bǔ)水和補(bǔ)水運(yùn)行共4種過閘運(yùn)行模式。近年來的運(yùn)行模式得出的啟示是：南線一閘室待閘使用時(shí)，加上浮式靠船墩、靠船墩，共三級(jí)待閘匹配四級(jí)船閘運(yùn)行，相對(duì)于二級(jí)待閘五級(jí)過閘運(yùn)行模式,平均每天可增加近1個(gè)閘次的運(yùn)行時(shí)間。

待閘停泊船舶是否匹配運(yùn)行船閘需求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，就是當(dāng)船閘人字門開終到位后，與之銜接的待閘靠泊船舶的數(shù)量、當(dāng)前閘次計(jì)劃平面布置方位是否整體排擋到位，兩者缺一不可。否則，就會(huì)打亂過閘計(jì)劃或耽誤過閘時(shí)間。

為何南線一閘室待閘使用時(shí)，就能基本保障上述整體排擋需求，這是因?yàn)榇l級(jí)數(shù)越多，給當(dāng)前船舶進(jìn)閘前整體排擋時(shí)間越多。當(dāng)南線一閘室作為待閘水域使用時(shí)，該閘室船舶移泊至南線二閘室時(shí)，還有至少兩級(jí)待閘船舶移泊時(shí)間，即自靠船墩兩個(gè)閘次船舶移泊至浮式導(dǎo)航墻的時(shí)間，共計(jì)44 min×2，可供錨地船舶駛至引航道水域。

同理，當(dāng)五級(jí)運(yùn)行二級(jí)待閘時(shí)，船舶駛?cè)敫∈娇看照w排擋時(shí)間只有44 min，而過閘船舶交通流自壩上不同錨地始發(fā)進(jìn)入靠船墩水域的時(shí)間往往超過44 min，因而船閘等待船舶的現(xiàn)象難以避免。因此，現(xiàn)行二級(jí)待閘模式難以匹配五級(jí)過閘運(yùn)行。

實(shí)施五級(jí)運(yùn)行五級(jí)待閘的通航組織模式后，試運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，全天普貨船至少可增加60 min運(yùn)行時(shí)間；改變危險(xiǎn)品船舶進(jìn)閘移泊模式，至少擠出20 min運(yùn)行時(shí)間?？傆?jì)可增加60 min+20 min=80 min，即在正常天氣氣象條件下，每天可增加1個(gè)閘次運(yùn)行時(shí)間。

4 三峽樞紐上下引航道增設(shè)靠船設(shè)施平面布置方案

4.1 建筑物主要尺度初步估算

4.1.1增設(shè)靠船設(shè)施第1方案

根據(jù)《開敞式碼頭設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》[4]，第1方案墩式靠船結(jié)構(gòu)中，為便于船舶的靠泊作業(yè)，第3待閘區(qū)靠船設(shè)施考慮由5組靠船墩直線排列構(gòu)成；兩墩中心間距可為設(shè)計(jì)船長的30%～45%。參照設(shè)計(jì)船型，考慮到直立靠船墩能適應(yīng)各種船型的靠泊，故將兩側(cè)的墩間距定為40 m。又因考慮靠泊2列船舶，順岸靠泊的船舶間需要一定的富裕長度，根據(jù)《河港工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，富裕長度d一般取為0.10L～0.15L。對(duì)于5 000噸級(jí)干散貨船，d值取為11～16.5 m。故將中間的墩間距定為45 m，以滿足船舶的靠泊要求。

4.1.2增設(shè)靠船設(shè)施第2方案

根據(jù)總平面布置，該方案主要由2個(gè)躉船組成，每個(gè)躉船用4個(gè)低水位地牛系固，滿足單側(cè)靠船功能。兩個(gè)躉船采用20 m 鋼棧橋相連，120 m×12 m×2.5 m，總長260 m，采用地牛固定。

4.2 水文、地質(zhì)條件

4.2.1設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位(壩上正常蓄水位)175.00 m,設(shè)計(jì)低水位(175 m水位運(yùn)行期防洪限制水位)145.00 m。

4.2.2設(shè)計(jì)水流速度

三峽成庫后，多次進(jìn)行壩上近壩河段水域的流速測(cè)量，最大流速< 0.4 ms。為安全計(jì)，設(shè)計(jì)水工建筑物計(jì)算按流速1.0 ms進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2.3設(shè)計(jì)風(fēng)速

4.3 主要外力計(jì)算

4.3.1系纜力

按水流流速v=1.0 ms和風(fēng)速v=26.0 ms組合，根據(jù)靠船墩最大靠泊的設(shè)計(jì)船型，按2組4艘5 000 DWT的散貨船進(jìn)行計(jì)算。

4.3.2撞擊力

按設(shè)計(jì)代表船型滿載排水量及法向靠泊速度計(jì)算船舶有效撞擊能量計(jì)算[6]。

船舶靠泊能量按下列公式計(jì)算：

(3)

式中：E0為船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量(kJ)；ρ為有效動(dòng)能系數(shù)，取0.8；M為船舶質(zhì)量(t)；vn為船舶靠岸法向速度(ms)。

4.4 建設(shè)方案比較及推薦方案

兩建設(shè)方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見表3。

表3 建設(shè)方案對(duì)比

考慮到三峽樞紐運(yùn)行水位變化影響，第2方案須保障常年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，且使用強(qiáng)度略差，因而推薦第1方案。

5 結(jié)語

1)在三峽船閘上下引航道，增加靠船墩式待閘設(shè)施未改變其三峽樞紐原設(shè)計(jì)功能作用，且技術(shù)上是可行的。

2)通過增加待閘設(shè)施增加待閘級(jí)數(shù)，從而改變通航組織模式，形成進(jìn)閘船舶排隊(duì)的擠壓效應(yīng)，縮短進(jìn)閘移泊時(shí)間，增加運(yùn)行閘次。按照290 d正常天氣運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，南北兩線平均每年共可增加290×2=580個(gè)閘次；加上遇風(fēng)霧天氣增加的136個(gè)閘次，全年可增加約716個(gè)閘次。