三峽船閘4.5 m 吃水大長寬比船舶同步移舶過閘實船試驗*

胡亞安， 王 新， 李中華

(南京水利科學研究院， 通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室， 江蘇 南京210029)

三峽船閘過閘貨運量逐年攀升， 從建成通航后2004 年的3 431 萬t， 到2011 年首次突破1 億t， 提前19 年達到了設計通過能力， 到2019 年已近1.5 億t， 但在超負荷運行的情況下， 依然有大量船舶長時間排隊積壓。 《國務院關于依托黃金水道推動長江經濟帶發(fā)展的指導意見》[1]明確指出:“擴大三峽樞紐通過能力。 挖掘三峽及葛洲壩既有船閘潛力， ……”。 因此， 在三峽船閘目前運行管理水平較高的情況下， 如何進一步提高其通過能力， 滿足高速發(fā)展的航運需求， 是一項重大的研究課題。

船閘通過能力與船閘、 船舶、 管理等多種因素相關， 提高通過能力的措施較多。 關于三峽船閘通過能力提升的措施， 已開展了大量的研究工作[2]， 并取得了很好的效果。 在船閘自身運行方面， 提出了不同水位條件下四級補水、 四級不補水和五級不補水多種運行方式； 不斷優(yōu)化閘閥門啟閉方式， 以節(jié)約運行時間[3]； 采用單邊輸水技術， 實現(xiàn)檢修不停航； 加強設備設施維護和監(jiān)測， 保持設備良好的技術狀態(tài)[4]； 發(fā)展快速檢修技術， 縮短大修停航時間。 在船舶方面， 引導和發(fā)展標準船型， 以適應船閘尺寸， 提高閘室面積利用率[5]； 合理提升船舶吃水控制標準， 增大一次過閘貨運量[6]。 在運行管理方面， 提出了虛擬閘室、 第一閘室待閘、 同步移舶、 船舶優(yōu)化排檔等一系列創(chuàng)新管理措施[7-8]。 可以看出， 三峽船閘通過能力提升技術已相對完善， 進一步挖潛的難度較大， 需要考慮多種措施之間的融合。 為此， 從標準化船型、 船舶吃水標準、 同步移舶等方面出發(fā)， 提出了4.5 m 吃水大長寬比標準船舶同步移舶增大船閘通過能力的新思路。

基于前期大量研究， 三峽船閘船舶吃水控制標準不斷提高， 目前最大吃水按4.3 m 控制， 門檻水深須達到5.5 m； 另外， 大長寬比標準船舶兩艘并排占滿閘室寬度， 考慮到船舶航行下沉量增大， 尚未采取同步移舶技術。 因此， 4.5 m 吃水大長寬比船舶同步移舶的可行性需要論證， 而最直接、 最具有指導意義的研究手段是開展實船試驗。 本文通過4 艘4.5 m 吃水大長寬比船舶兩次上行和一次下行經過三峽船閘、 包括同步移舶和閘室停泊共38 個工況的實船試驗， 重點考察船舶停泊安全和航行安全， 從而掌握船舶系纜力特性及影響因素和船舶的下沉量特性， 探討該通過能力提升措施的可行性。

1 實船試驗設計

1.1 試驗船舶

選取大長寬比130 m×16.3 m(總長×總寬)的船型作為試驗船型。 組織該船型4 艘船舶組成一個閘次， 均載貨至船舶吃水4.5 m。 空船排水量約1 615 t， 吃水4.5 m 時總排水量8 039 t， 載貨量6 424 t。 試驗船舶閘室停泊和同步移舶如圖1所示。

圖1 試驗船舶

試驗船舶上行、 下行、 再上行共3 次通過三峽船閘， 船舶在閘室內的排檔情況見圖2。 4 艘船舶編號為A～D， 同時測量A、 B 和C 3 條船舶的系纜力， 重點測試船舶B 的航速和下沉量。

圖2 船舶排檔

1.2 船舶系纜方式

從三峽船閘已有的系纜力觀測成果可知， 隨著船舶大型化發(fā)展， 過閘船舶的系纜力已超過了其設計值， 船舶系纜力直接作用于系船設施， 系纜力超標會威脅系船設施(系船柱、纜繩等)甚至閘墻結構的安全。 因此， 掌握系纜力的特性及其影響因素， 探討系纜力減小措施具有重要意義。

本次試驗為探討系纜方式對船舶系纜力影響，根據船舶通常系纜方式、 可操作性等實際情況，提出以下4 種基本系纜方式， 進行對比試驗， 如圖3 所示。 方式1 為船首尾2 根纜系2 個系船柱(船首倒纜、船尾座纜)； 方式2 為3 根纜系2 個系船柱(船首倒纜、船首座纜、船尾纜)； 方式3 為3根纜系3 個系船柱(船首倒纜、船中座纜、船尾纜)；方式4 為4 根纜系4 個系船柱(2 根倒纜、2 根座纜間隔布置)。 其中， 方式1 和2 是船舶常用的系纜方式， 船舶A 主要按方式1 系纜， 船舶B 主要按方式2 系纜， 船舶C 主要按方式3 和4 系纜， 在第2 次上行試驗過程中改變系纜方式進行對比。

1.3 試驗條件

實船試驗期間， 上下游水位基本穩(wěn)定， 上游庫水位162.5 m、 下游水位65 m， 采用五級運行， 閥門按正常啟閉方式雙充雙泄。 按實船試驗過程， 試驗條件見表1， 除一閘首門檻水深很大外， 其他閘首正常門檻水深在7.05 ～8.40 m， 在船舶第1 次下行和第2 次上行過程中， 均調整了三閘首門檻水深至5.5 m， 以考察閘室初始水深對船舶系纜力的影響以及低門檻水深情況下船舶同步移舶特性。

1.4 觀測內容及方法

實船試驗重點觀測的內容包括船舶系纜力、船舶航速、 船舶下沉量及閘室水位。 船舶系纜力采用拉力傳感器及數據采集系統(tǒng)測試， 同時采用3 套設備對3 艘船舶進行全過程測試； 船舶航速和下沉量采用自動跟蹤式全站儀測試， 測試精度可達毫米級； 閘室水位采用水位計及數據采集系統(tǒng)測試， 重點分析閘室的慣性超高(降)及其與船舶系纜力之間的關系。

2 船舶系纜力

2.1 系纜力特性

船舶從駛入一個閘室(包括進閘)到從該閘室(包括出閘)駛出， 整個過程典型的船舶系纜力過程線見圖4， 為了清晰展現(xiàn)受力過程， 將座纜的受力取負， 繪制于坐標系的下半區(qū)。 可以將整個過程分為船舶制動?？?、 閘室充泄水、 人字門開啟3 個時段。 在船舶制動?？繒r段， 系纜力表現(xiàn)為較大的船舶制動力， 往往是整個過程船舶系纜力的最大值， 在前方船舶?？客瓿珊?， 受后方船舶進閘航行推進波的影響， 也會出現(xiàn)相對較大的系纜力； 在閘室充水過程中， 船舶受水流、 波動作用， 出現(xiàn)持續(xù)性的系纜力， 倒纜和座纜交替受力， 充水結束前系纜力較??； 在充水結束、 人字門立刻開啟后， 船舶再次出現(xiàn)相對較大的系纜力， 與閘室充泄水慣性超高(降)有關。 從過程線可看出， 船舶兩種常用系纜方式的效果相當， 主要是倒纜和座纜受力， 方式2 纜繩中的尾纜基本不受力。

圖4 典型船舶系纜力過程線

2.2 最大系纜力統(tǒng)計

按上述3 個時段， 對3 艘測試船舶各工況的最大系纜力進行統(tǒng)計， 見表2。 可以看出， 3 個階段船舶最大系纜力均有超過200 kN 的情況，制動停靠時段最大值為263 kN， 充泄水時段最大值為235 kN， 開人字門時段最大值為219 kN，制動?？繒r段系纜力超過200 kN 的工況數明顯多于另外兩個階段。 閘室泄水過程船舶最大系纜力總體小于充水過程， 泄水過程閘室內水流條件較優(yōu)， 但泄水結束后開啟人字門時段的最大系纜力總體大于充水后人字門開啟時段， 這與閘室內的水深有關。

表2 測試船舶最大系纜力

2.3 系纜力影響因素分析

船舶系纜力影響因素較多， 與船舶排水量、閘室水流條件、 系纜設施等密切相關。 根據實船試驗觀測資料， 重點對船舶排水量、 閘室慣性超高(降)、 初始水深、 系纜方式進行分析， 探討各因素的影響程度。

2.3.1 船舶排水量

通過本次實船試驗， 并結合以往多次實船試驗實測系纜力資料， 統(tǒng)計不同排水量船舶在第四和第五閘室的最大系纜力， 如圖5 所示。 可以看出， 最大系纜力隨船舶的排水量增大而增大，當船舶排水量5 000 t 左右時， 最大系纜力約100 kN， 而當排水量為7 000 ～8 000 t 時， 最大系纜力超過200 kN。

圖5 最大系纜力與船舶排水量關系

2.3.2 慣性超高(降)

根據三峽船閘閘室水位實測資料， 充泄水慣性超高(降)基本能夠控制在0.2 m 內， 滿足船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范的要求， 但從船舶系纜力實測資料看， 慣性超高(降)對船舶系纜力影響較為明顯， 這與船舶排水量較大有關。 泄水下行船舶受慣性超降影響較大， 系纜力基本在100～200 kN， 而充水上行船舶受慣性超高影響相對較小， 系纜力基本在100 kN以內。 試驗期間， 為調整門檻水深， 在第二閘室向第三閘室調水過程中， 三閘首人字門平水開門， 但未采取提前關閉閥門的措施， 人字門開啟過程出現(xiàn)了明顯的慣性超高(降)現(xiàn)象， 最大慣性超降達0.278 m， 導致靠近三閘首的試驗船舶C 的4 根鋼纜相繼繃斷， 斷裂時系纜力在250～300 kN， 其他試驗船舶也出現(xiàn)了纜繩繃斷情況。 因此， 閘室輸水末期采用提前關閉輸水閥門且人字門平水開啟的措施降低閘室超高(降)十分重要。

2.3.3 初始水深

三峽船閘中間級閘室充水過程船舶最大系纜力與初始水深的關系見圖6。 可以看出， 中間級閘室充水過程， 閘室初始水深對船舶系纜力影響較為明顯， 在初始水深5.5～8.0 m 范圍， 船舶系纜力與閘室初始水深總體呈反比例關系。 在試驗條件中間級41 m 水頭下， 閘室初始水深接近8.0 m 時， 船舶系纜力最大僅為90 kN， 當初始水深降低到5.5 m， 系纜力已達到235 kN。 因此， 應重視閘室初始水深較小條件下的中間級充水問題， 最大系纜力已接近纜繩破斷荷載(本次試驗實測斷纜荷載約250 kN)。 中間級泄水過程閘室內船舶受力相對較小， 最大系纜力為124 kN， 泄水過程船舶停泊條件不是控制因素。

圖6 中間級閘室充水過程船舶最大系纜力與初始水深關系

2.3.4 系纜方式

從圖4 已可看出， 方式1 的2 根纜繩與方式2的3 根纜繩受力差別不大， 均為倒纜和座纜交替受力， 尾纜基本不受力。 對于方式3 和4 有2 根倒纜或2 根座纜的情況， 纜繩拉力受系纜效果影響較大， 當纜繩系緊程度不同時， 往往仍是單根倒纜或座纜受力， 試驗過程中， 測試船舶C 的4 根纜繩相繼繃斷現(xiàn)象也說明了這一點。 統(tǒng)計3 條測試船舶系纜繩數量與最大系纜力， 如圖7 所示(為避免圖中數據過多重疊，不同船舶3 根纜繩情況進行了左右偏移)， 可見系纜方式(纜繩數量)對系纜力大小無明顯影響。

圖7 纜繩數量與系纜力關系

3 船舶下沉量

3.1 最大下沉量

各工況船舶航速及下沉量見表3。 在船舶啟動加速行駛過程中， 船尾出現(xiàn)明顯的下降， 在行駛過程中及停泊后均存在上下浮動； 下游進閘和上游出閘下沉量相對略大， 與引航道水位波動影響有關； 中間閘室同步移舶過程中， 在門檻水深7 m以上、 最大航速約1 m∕s 情況下， 最大下沉量在0.2 m 以內， 在門檻水深5.5 m 左右、 航速較小的情況下， 船舶下沉量相對較大。 總體上看， 大長寬比船舶同步移舶的下沉量不大。

表3 航速及下沉量

續(xù)表3

3.2 下沉量公式

船舶進出閘室航行下沉量主要與過水斷面面積、 船舶舯斷面水下面積、 船舶航速及閘室寬度等因素有關， 其中過水斷面面積與寬度和初始水深有關， 船舶舯斷面水下部分的面積與船舶吃水及船型有關。 國內前期三峽、 向家壩、 思林、 構皮灘等大量升船機工程模型試驗表明， 船舶進出升船機承船廂過程下沉量、 船速、 船廂水深和斷面系數等變量之間存在如下關系[9]:

式中: δ 為下沉量； v 為船速； H 為船廂水深；n 為斷面系數， 其值為F∕f， 其中F 為過水斷面面積， f 為船舶舯斷面水面以下部分的面積； α、 b為相關系數。則根據試驗實測數據， 繪制的P-K 關系見圖8。 可以看出， 二者近似線性關系， 根據擬合的公式P=0.425 1K+0.006 5， 可以對不同條件下大長寬比船舶同步移舶的航行下沉量進行預測。

4 討論

本次實船試驗重點從船舶停泊安全和航行安全兩個方面來探討4.5 m 吃水大長寬比船舶同步移舶通過三峽船閘的可行性。 首先， 在船舶停泊安全方面， 三峽船閘設計船舶允許系纜力為縱向46 kN、 橫向23 kN， 船閘浮式系船柱設計拉力值為縱向80 kN、 橫向50 kN， 而本次試驗實測船舶制動?？俊?閘室充泄水、 開人字門3 個時段最大系纜力均已超過了200 kN， 大幅超出了設計值，船舶纜繩拉力對系船設施及閘墻結構安全將產生一定的威脅， 三峽船閘實際運行情況也表明， 隨著船舶排水量的增大， 浮式系船柱損壞非常頻繁， 浮式系船柱的軌道磨損加劇。 其次， 在船舶吃水由4.3 m 提高至4.5 m、 兩艘船舶同步移舶的條件下，實測船舶的下沉量不大， 根據擬合的經驗公式預測， 在門檻水深5.5 m、 最大航速1 m∕s 時， 同步移舶船舶最大下沉量在0.4～0.5 m， 考慮不觸底的安全水深0.3 m， 則4.5 m 吃水大長寬比船舶同步移舶航速小于1 m∕s 時， 不存在觸底的風險， 當然，因樞紐調度引起的上下游水位變幅及波動影響需要關注。 因此， 欲推行4.5 m 吃水大長寬比船舶同步移舶技術、 進一步提高三峽船閘的通過能力， 需要解決大型船舶的系纜停泊安全問題， 船舶的航行安全不是控制因素。 建議提高船閘浮式系船柱的受力標準， 同時論證軌道、 閘墻的受力安全； 另一方面， 研究船舶系纜力的減小措施， 如進一步優(yōu)化閥門的開啟方式、 采用柔性帶緩沖的系纜繩等。

5 結論

1)4.5 m 吃水大長寬比船舶同步移舶通過三峽船閘過程中， 船舶制動停靠、 閘室充泄水、 人字門開啟3 個典型時段實測最大系纜力均超過了200 kN， 制動停靠時段的系纜力明顯大于另外兩個階段； 閘室泄水過程船舶最大系纜力總體小于充水過程， 但泄水結束后開啟人字門時段的最大系纜力總體大于充水后人字門開啟時段。

2)船舶系纜力與排水量有最直接的關系， 閘室慣性超高(降)和初始水深對船舶系纜力影響較為明顯， 系纜方式(纜繩數量)對系纜力大小無明顯影響。

3)在船舶吃水提高至4.5 m、 兩艘船舶同步移舶的條件下， 實測船舶的下沉量不大； 基于實測數據建立的下沉量公式， 在門檻水深5.5 m、最大航速1 m∕s 時， 同步移舶船舶最大下沉量在0.4 ～0.5 m， 無觸底風險。

4)欲推行4.5 m 吃水大長寬比船舶同步移舶技術、 進一步提高三峽船閘的通過能力， 需要解決大型船舶的停泊安全問題， 船舶的航行安全不是控制因素。