葛洲壩樞紐船閘擴(kuò)能工程平面尺度方案對比

劉春澤，曹鳳帥，唐 穎，商劍平

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

三峽樞紐蓄水后，在西部大開發(fā)、中部崛起等國家發(fā)展戰(zhàn)略和其他眾多政策條件下，中西部區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會得到快速發(fā)展，三峽樞紐過壩貨運量呈現(xiàn)跳躍式發(fā)展態(tài)勢。三峽船閘自2003年運行，至2011年船閘通過能力已趨飽和，提前19 a實現(xiàn)三峽工程的航運規(guī)劃目標(biāo)，船舶待閘現(xiàn)象嚴(yán)重。未來，區(qū)域內(nèi)貨運量、水運需求將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長態(tài)勢，因此只有通過實施三峽樞紐水運新通道建設(shè)和葛洲壩樞紐船閘擴(kuò)能工程，才能從根本解決當(dāng)前困境。

進(jìn)行船閘規(guī)劃設(shè)計時先要確定閘室尺度、計算船閘的通過能力。確定船閘通過能力可以采用的方法有《船閘總體設(shè)計規(guī)范(JTJ 305-2001)》的公式計算、單位船型法、系統(tǒng)仿真等[1]。廖鵬[2]指出船閘作為內(nèi)河航運系統(tǒng)中的服務(wù)節(jié)點，其通過能力不僅是船閘通過船舶數(shù)量的表達(dá)，而且還是船舶通過船閘質(zhì)量的描述。齊俊麟[3]基于規(guī)范的計算公式，緊密結(jié)合三峽船閘和葛洲壩船閘的布置形式，確定了葛洲壩船閘在不同運行模式和船舶過閘組織方式下的參數(shù)取值并計算了船閘通過能力。黃巖等[4]以江蘇已運行的某船閘為例，指出在規(guī)劃階段對船型、船閘上下游水位差以及貨物流量、流向等3個關(guān)鍵參數(shù)選用與實際情況存在較大偏差，導(dǎo)致預(yù)測的船閘通過能力與實際運行數(shù)據(jù)存在較大差異?？浊f等[5]構(gòu)建了雙線船閘仿真模型，研究了船閘在基本調(diào)度規(guī)則、優(yōu)化調(diào)度規(guī)則和應(yīng)急調(diào)度規(guī)則下的船閘貨運量與平均排隊長度的關(guān)系。郭子堅等[6]構(gòu)建了三峽庫區(qū)船舶過閘仿真模型，研究了不同船型標(biāo)準(zhǔn)化率下三峽船閘的實際通過能力。劉清等[7-8]結(jié)合排隊論建立三峽船閘運行的仿真模型，分析管控線的設(shè)置對三峽船舶過閘積壓問題的緩解效果。商劍平等[9]構(gòu)建了長洲水利樞紐四線船閘聯(lián)合調(diào)度排擋仿真模型，分析了在不同聯(lián)合調(diào)度方案(包括船舶排隊規(guī)則和船閘選擇規(guī)則)下的船閘通過能力和運營效果。

圖1 船閘單向運行仿真流程

葛洲壩樞紐船閘擴(kuò)能工程現(xiàn)處于工程論證階段，需要解決的重要問題之一是確定合理的船閘建設(shè)平面尺度。本研究基于系統(tǒng)仿真方法，構(gòu)建了單級單線船閘仿真模型，仿真計算葛洲壩樞紐船閘擴(kuò)能工程(以下簡稱“葛洲壩新船閘”)在不同預(yù)測船型和比例、運行方式下的多個閘室平面尺度方案的通過能力，分析船型和比例、運行方式對船閘通過能力的影響，從通過能力的角度對比不同閘室平面尺度方案。此外，考慮到三峽樞紐船閘和葛洲壩船閘已實現(xiàn)了聯(lián)合調(diào)度，二者運行有很強的相關(guān)性，因此利用單級單線船閘仿真模型，研究三峽樞紐新通道(以下簡稱“三峽新船閘”)在不同預(yù)測船型和比例下的多個閘室尺度方案的通過能力，并分析葛洲壩新船閘與三峽新船閘通過能力的匹配性。

1 仿真建模與模型驗證

1.1 模型邊界和范圍

仿真模型對船舶過閘全過程進(jìn)行模擬，模型邊界為船閘的上下游錨地，模型范圍包括上下游錨地、上下游引航道、靠船建筑物和閘首、閘室。

1.2 船舶過閘流程

圖2 船閘雙向運行仿真流程

單級船閘運行的基本方式有單向和雙向兩種，單向運行以船舶下行為例，其仿真流程如圖1所示，以下行方向為例；雙向運行的仿真流程如圖2。

多級船閘一般單向運行，其單向通過能力取決于通過時間最長的那一級閘室，根據(jù)經(jīng)驗為第一級。船舶通過第一級閘室的過程與船舶通過單級船閘類似，只是出閘過程實際上為駛?cè)胂乱患夐l室的過程。其仿真流程參考圖1。

船舶過閘時一般按到閘先后順序逐條依次過閘，而在三峽雙線五級船閘，為了提高船閘通過能力，采取了兩條船并排同時行駛進(jìn)閘的同步移泊方式。三峽新船閘考慮可能采取以上兩種船舶過閘方式。

1.3 主要算法和假設(shè)

船舶過閘排擋的算法以二維裝箱算法為基礎(chǔ)，具體可參考商劍平等[8]在研究中采用的單閘室排擋算法。

模型假設(shè)如下：船舶按批次到達(dá)錨地，每批次多艘船舶；按照“船寬越大越優(yōu)先”的原則，從錨地內(nèi)的待閘船舶中依次選擇船舶過閘排擋；排檔時總是盡可能地將閘室裝滿；不模擬船舶從錨地駛向靠船墩；船舶進(jìn)出閘時勻速航行，且前后船的速度一致；若錨地中無待閘船舶可以排入閘室，則認(rèn)為該閘次結(jié)束，已排擋船舶通過船閘，并開始下一閘次排檔；當(dāng)錨地中所有船舶通過船閘后，自動生成一批船舶到錨地待閘。

1.4 模型驗證

以2013年三峽船閘實際上行方向的通過貨運量及有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為模型驗證的依據(jù)。驗證模型的輸入船型及比例詳見表1。根據(jù)統(tǒng)計資料，2013年三峽船閘上行方向?qū)嶋H運行339 d，每天運行24 h，裝載系數(shù)為0.75，不均勻系數(shù)為1.19。選取閘室利用率、日均運行閘次、單向年貨運通過能力作為模型驗證評價指標(biāo)。各指標(biāo)實際統(tǒng)計結(jié)果和模型計算結(jié)果見表2，且可知二者偏差均在7%以下，可認(rèn)為模型的計算結(jié)果正確可信。

表1 驗證模型的輸入船型及比例

表2 驗證模型的結(jié)果

2 仿真試驗設(shè)計

2.1 仿真試驗方案

分別對不同閘室尺度方案、不同船型和比例下的葛洲壩新船閘單向和雙向運行，以及三峽新船閘單向運行、依次過閘和同步移泊方式進(jìn)行仿真試驗，仿真試驗?zāi)M運行1 a時間，并統(tǒng)計各試驗方案的船閘通過能力。

2.2 模型輸入?yún)?shù)

2.2.1 平面布置

葛洲壩新船閘閘室平面尺度考慮280 m×40 m、400 m×40 m(閘室長度×閘室寬度)兩個方案。對于這兩個方案，閘首長度均為43 m，雙向運行時船舶進(jìn)閘待閘位置距離閘首223 m，且出閘時需駛離閘首223 m(即行駛到待閘位置)才允許下一閘次船舶進(jìn)閘(圖3)。

圖3 葛洲壩新船閘示意圖

借鑒三峽既有的雙線五級船閘建設(shè)和運行經(jīng)驗，三峽新船閘仍考慮為五級船閘、單向運行，閘室尺度考慮280 m×40 m、400 m×40 m(閘室長度×閘室寬度)兩個方案，閘首長度43 m。

2.2.2 過閘船型及比例

對于長江干線過閘船舶，未來主要船舶類型不會有太大改變，但船舶大型化仍有發(fā)展空間。尤其是對于散貨船、集裝箱船等專業(yè)化船舶來說，未來仍有充足的貨源，且運輸市場競爭激烈，因此若航道條件改善、其他條件允許，為了追求利潤，將有越來越多的大型船舶投入運營，同時倒逼小噸位船舶退出。

對于支線過閘船舶，主要為千噸級以下小型船，隨著上游支流整治渠化的逐步推進(jìn)，支流的通航水平將明顯提高，與長江干線形成長江上游水網(wǎng)。水運經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢將吸引支線沿線貨物采用水路運輸，其中運輸批量較小的貨物對干支直達(dá)有一定的需求，因此，小型船仍將有過閘需求，但占比將很小。

對于未來船舶大型化發(fā)展趨勢、過閘船型和比例的合理、準(zhǔn)確的預(yù)測是非常困難的。以《長江水系過閘運輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》和三峽樞紐水運新通道代表船型研究成果為基礎(chǔ)，將船寬超過16.3 m(即指19.2 m及22 m)的船型作為未來船舶大型化發(fā)展的趨勢，定義其為“大型船”。結(jié)合上述分析，且為了使預(yù)測的結(jié)果能覆蓋更多的可能性，對未來葛洲壩及三峽的過閘船型和比例作出6組預(yù)測，且每組包括若干個船型比例方案。方案序列1～方案序列5的大型船占比分別為20%～40%、50%、60%、70%、80%、90%，詳見表3～表6。

表3 方案序列1各方案船型及比例

表4 方案序列2、3各方案船型及比例

表5 方案序列4、5各方案船型及比例

表6 方案序列6各方案船型及比例

2.2.3 運行參數(shù)

(1)船舶過閘行駛距離、速度和安全間隔。船舶過閘行駛距離、速度和安全間隔詳見表7。

(2)船閘設(shè)備平均運行時間。葛洲壩新船閘開關(guān)人字門時間為6 min，閘室灌、泄水時間為14.5 min。三峽新船閘開關(guān)人字門時間為6 min，閘室灌、泄水時間為14 min。

(3)其他參數(shù)。葛洲壩新船閘、三峽新船閘，年運行天數(shù)335 d，日運行24 h，船舶裝載系數(shù)α為0.75，運量不均勻系數(shù)β為1.1。

表7 葛洲壩新船閘、三峽新船閘進(jìn)出閘行駛距離、速度以及安全間隔

圖4 葛洲壩新船閘單向運行時通過能力

Fig.4 Throughput capacities of the Gezhouba newly planned lock in one-way operation mode

圖5 葛洲壩新船閘雙向運行時的單向通過能力

Fig.5 Throughput capacities of the Gezhouba newly planned lock in round-way operation mode

表8 葛洲壩新船閘通過能力統(tǒng)計

3 仿真結(jié)果分析

3.1 船型組合對葛洲壩新船閘通過能力的影響

不同組合下，兩種閘室平面尺度方案以及在單向和雙向運行方式下的葛洲壩新船閘通過能力見圖4和圖5。統(tǒng)計結(jié)果見表8。

從圖中可以看出，對于某一平面尺度，無論是單向運行還是雙向運行，隨著大型船占比增加，船閘通過能力可能增大、減小或先增大后減小，這主要是受大型船中各船型的比例的影響：如對于方案1-1、1-5、1-8、1-10，大型船占比分別為20%、30%、35%、40%(其中19.2 m寬的船舶占比均為15%)，船閘通過能力依次增加；對于方案2-1、3-2、4-2、5-3，大型船占比分別為50%、60%、70%、80%(19.2 m寬的船舶占比均為40%)，船閘通過能力先增加后減?。粚τ诜桨?-5、3-5、4-5、5-5、6-5，大型船占比分別為50%、60%、70%、80%、90%(19.2 m寬的船舶占比均為10%)，船閘通過能力依次減小。

此外，對于某一平面尺度，無論是單向運行還是雙向運行，當(dāng)大型船占比50%時(方案序列2)，隨著22 m寬船舶占比增加，船閘通過能力增加；當(dāng)大型船占比60%時(方案序列3)，隨著22 m寬船舶占比增加，船閘通過能力先增加后減小，在其占比30%左右最大；當(dāng)大型船占比大于60%時(方案序列4、5、6)，隨著22 m寬船舶占比增加，船閘通過能力減小。

3.2 不同船閘運行方式、閘室尺度的葛洲壩新船閘通過能力對比

單向運行時，相同船型比例方案下，葛洲壩新船閘400 m×40 m方案的通過能力為280 m×40 m方案的通過能力的1.28～1.32倍；雙向運行時，相同船型比例方案，葛洲壩新船閘400 m×40 m方案的通過能力為280 m×40 m方案的通過能力的1.24～1.28倍。

對于葛洲壩新船閘的280 m×40 m方案，相同船型比例方案下，雙向運行的船閘通過能力是單向運行的1.38～1.43倍；對于400 m×40 m方案，相同船型比例方案下，雙向運行的船閘通過能力是單向運行的1.32～1.39倍。

3.3 葛洲壩新船閘與三峽新船閘通過能力對比

表9 三峽新船閘通過能力統(tǒng)計

三峽新船閘不同平面尺度、不同過閘方式下的通過能力詳見表9。葛洲壩樞紐船閘的運行應(yīng)與三峽樞紐船閘的運行相匹配，為了運行時的簡便，在閘室平面尺度相同的條件下，將三峽新船閘的通過能力與葛洲壩新船閘單向運行時的通過能力進(jìn)行對比分析。對于閘室尺度280 m×40 m方案，三峽新船閘同步移泊方式的通過能力是葛洲壩新船閘單向運行通過能力的0.84～0.89倍，依次過閘方式的通過能力是其0.88～0.91倍。對于閘室尺度400 m×40 m方案，三峽新船閘同步移泊方式的通過能力是葛洲壩新船閘單向運行通過能力的0.81～0.88倍，依次過閘方式的通過能力是其0.86～0.90倍。

4 結(jié)論

(1)船閘通過能力受船型和比例的影響，且閘室尺度與船型和比例存在一定的適配性。對于葛洲壩新船閘(閘室尺度為280 m×40 m和400 m×40 m)來說，當(dāng)大型船占比50%時船閘通過能力隨著22 m寬船舶占比增加而增加；當(dāng)大型船占比60%時船閘通過能力隨著22 m寬船舶占比增加而先增加后減?。划?dāng)大型船占比大于60%時船閘通過能力隨著22 m寬船舶占比增加而減小。

(2)在相同運行方式和船型比例方案下，葛洲壩新船閘400 m×40 m方案的通過能力為280 m×40 m方案的通過能力的1.24～1.32倍。

(3)在相同閘室尺度和船型比例方案下，雙向運行的船閘的通過能力比單向運行的更大。當(dāng)葛洲壩新船閘平面尺度為400 m×40 m時，雙向運行的通過能力是單向運行的1.32～1.39倍；當(dāng)葛洲壩新船閘平面尺度為280 m×40 m時，雙向運行的通過能力是單向運行的1.38～1.43倍。

(4)葛洲壩新船閘能夠匹配三峽新船閘運行。在葛洲壩新船閘單向運行條件下，當(dāng)葛洲壩新船閘與三峽新船閘閘室尺度同為400 m×40 m時，三峽新船閘通過能力是葛洲壩新船閘的0.81～0.90倍；當(dāng)葛洲壩新船閘與三峽新船閘閘室尺度同為280 m×40 m時，三峽新船閘通過能力是葛洲壩新船閘的0.84～0.91倍。