葛洲壩三江下引航道挖潛效果分析

朱旺峰

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000)

葛洲壩三江航道布置在葛洲壩水利樞紐左側(cè)，上起王家溝、下至鎮(zhèn)川門，是長江上第一條人工引航道(圖1)。三江航道總長6.4 km，下引航道長3.9 km，設(shè)計底寬120 m，口門底寬150 m，航道設(shè)計通航水位為39.0～54.5 m(吳淞高程)；引航道底部高程34.5 m，通航最小水深4.5 m，葛洲壩2＃、3＃船閘底檻高程分別為34、35 m，最小檻上水深為5.0、4.0 m?？菟谌幌陆抵?0.2 m以下時，2＃、3＃船閘吃水受限，一定程度上降低了船閘通過能力。

圖1 葛洲壩樞紐布置

近年來，隨著長江航運(yùn)的發(fā)展，船舶大型化發(fā)展迅速，由于枯水期葛洲壩三江吃水不足，越來越多的大吃水船舶過閘受限、積壓現(xiàn)象嚴(yán)重。為深入挖潛樞紐通過能力、提高枯水期葛洲壩船閘通過能力，三峽通航管理部門開展了枯水期葛洲壩三江動態(tài)吃水控制標(biāo)準(zhǔn)研究，結(jié)合現(xiàn)有船閘、航道管理實(shí)際，在深入研究檻上水深、過閘船舶富余水深、船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)等影響因素的基礎(chǔ)上，提出了枯水期葛洲壩三江動態(tài)吃水控制標(biāo)準(zhǔn)，即:在枯水期三江水位39.0～40.2 m 時葛洲壩2＃、3＃船閘吃水根據(jù)三江水位區(qū)間動態(tài)控制。該成果的應(yīng)用極大提高了枯水期葛洲壩樞紐通過量，有效緩解了枯水期大吃水船舶積壓現(xiàn)象。但受三江下引航道底高程高出葛洲壩2＃船閘底檻0.5 m 的制約，葛洲壩2＃船閘的通航潛力還不能完全釋放，為進(jìn)一步提高樞紐通過能力、緩解枯水期大吃水船舶待閘現(xiàn)象，研究提升三江下引航道通過能力顯得十分必要。

當(dāng)前，通過管理措施提升樞紐通過能力已無多少空間，且容易犧牲過閘安全性。相關(guān)研究認(rèn)為[1-3]，提高三江通航水深可有效提升葛洲壩船閘通過量，亟需啟動葛洲壩三江航道、船閘的改造工程，實(shí)現(xiàn)兩壩樞紐通航匹配運(yùn)行。本文在深入研究三峽樞紐水運(yùn)新通道及葛洲壩擴(kuò)能工程方案基礎(chǔ)上[4]，綜合考慮未來船舶在三江航道通航及待閘需求，研究提出葛洲壩三江下引航道擴(kuò)挖尺度及待閘設(shè)施建設(shè)方案，旨在解決枯水期三江動態(tài)不足、船閘通過能力受限問題。

1 葛洲壩三江下引航道挖潛方案

1.1 建設(shè)思路

通過對葛洲壩三江下引航道挖深，有效緩解枯水期三江吃水不足，提高枯水期船舶裝載率和船閘通過能力。同時，考慮三峽水運(yùn)新通道工程建設(shè)后未來航運(yùn)發(fā)展需求，適當(dāng)擴(kuò)寬三江下引航道，滿足未來通航交通組織需要；配套建設(shè)待閘設(shè)施，有效解決葛洲壩壩下配套錨地待閘能力不足及距離較遠(yuǎn)問題，提高船舶過閘效率和待閘安全性。

1.2 三江下引航道待閘泊位需求

三峽通航管理部門采取鏈?zhǔn)秸{(diào)度的方法進(jìn)行調(diào)度組織，即船舶通過葛洲壩船閘時，將船舶從錨地至進(jìn)閘這一過程視為運(yùn)行鏈條，錨地、引航道內(nèi)靠船設(shè)施、導(dǎo)航墻、閘室分別為運(yùn)行鏈條上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，由航運(yùn)調(diào)度部門先從錨地將船舶發(fā)航至引航道靠船設(shè)施，然后按序?qū)⒖看O(shè)施處船舶調(diào)度至導(dǎo)航墻，船閘集控室根據(jù)閘次運(yùn)行情況，組織船舶從導(dǎo)航墻進(jìn)、出閘。

正常運(yùn)行情況下，考慮效率最大化，運(yùn)行鏈條上的錨地、引航道內(nèi)靠船設(shè)施、導(dǎo)航墻、閘室4 個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均應(yīng)各有1 個閘次。

單線船閘引航道靠船設(shè)施所需的閘次數(shù)量N為:

式中:S為錨地至引航道靠船設(shè)施之間距離(km)；v為船舶平均航行速度(km∕h)；T為閘次運(yùn)行間隔時間(h)；C為船舶隊列中首船與尾船到達(dá)間隔時間(h)，根據(jù)運(yùn)行實(shí)際一般取0.5 h；D為因霧進(jìn)行交通管制的平均持續(xù)時間(h)。

上行船舶從臨江坪錨地至葛洲壩船閘平均距離S為17.6 km；根據(jù)運(yùn)行實(shí)際，上行船舶平均航速v為8 km∕h，閘次運(yùn)行間隔時間T為1.5 h；根據(jù)歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，廟嘴水域至宜昌港區(qū)水域因霧進(jìn)行交通管制的持續(xù)時間D平均為3.5 h；計算得N＝3.13，取整數(shù)為3 閘次。綜合考慮應(yīng)急調(diào)度需求，葛洲壩三江下引航道共需提供4 閘次上行船舶待閘。同時，兼顧新通道建設(shè)后未來交通組織需要，葛洲壩下引航道內(nèi)應(yīng)盡可能多建設(shè)靠船系泊設(shè)施，以滿足調(diào)度組織的需求。

1.3 三江下引航道尺度需求分析

綜合考慮船舶過閘安全以及效率需求，三江通航交通組織采取雙向通航，待閘設(shè)施采取一側(cè)并靠2 艘船舶的待閘方式。

根據(jù)《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于報送三峽樞紐水運(yùn)新通道和葛洲壩航運(yùn)擴(kuò)能工程航運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)比較研究第一階段主要成果的函》(交辦水函〔2017〕1415 號)，設(shè)計代表船型選取尺度為130m×22m×5.5 m(總長×型寬×設(shè)計吃水)。

1.3.1 直線段航寬

根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》關(guān)于引航道的寬度計算。船舶雙線雙向過閘時的引航道寬度按下式計算:

式中:B0為雙向船閘引航道寬度；bc、分別為兩座船閘的設(shè)計最大船舶、船隊的寬度(m)；bc1、bc2分別為兩側(cè)等候過閘船舶、船隊的總寬度(m)；Δb為船舶、船隊之間的富余寬度(m)，可相應(yīng)采用bc或。

設(shè)計最大代表船型寬度為22 m，有bc＝＝bc1＝bc2＝Δb＝22 m，葛洲壩—至喜橋航寬B0≥154 m。

1.3.2 三江橋以下轉(zhuǎn)彎段航寬

彎道加寬ΔB按式(3)確定，當(dāng)彎道中心角大于35°時，ΔB應(yīng)適當(dāng)加大。

式中:Lc為設(shè)計最大船隊長或最大船長，取值130 m；R為彎道最小彎曲半徑，按R≥4Lc考慮；B0為引航道寬度，根據(jù)上述分析取值154 m。經(jīng)計算，ΔB約為14.15 m，取15 m。因此，至喜橋下轉(zhuǎn)彎段航寬需169 m。

1.3.3 口門區(qū)航寬

根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》，引航道口門寬度不宜小于1.5 倍引航道寬度。葛洲壩三江下引航道口門區(qū)呈彎曲狀，同時該水域受回流影響，不建議?？看?。引航道兩側(cè)不建設(shè)靠船設(shè)施時所需航寬B0≥110 m，加上轉(zhuǎn)彎段15 m，需125 m，因此口門區(qū)寬度不低于187.5 m，取188 m，航寬需求見圖2。

圖2 三江下引航道寬度需求

1.4 三江下引航道深度需求分析

目前，2＃船閘底高程34.0 m、最小檻上水深5.0 m，三江下引航道設(shè)計底高程為34.5 m、維護(hù)高程35.0 m，廟嘴水位39 m 時航道最小維護(hù)水深4.0 m?？紤]到三江下引航道水位受船閘泄水波影響以及三江航道硬質(zhì)河床的現(xiàn)狀，為充分利用葛洲壩2＃船閘過閘尺度，保證三江下引航道過閘吃水4.3 m 要求，留足備淤深度后，需要將葛洲壩三江航道底高程在現(xiàn)有基礎(chǔ)上降低1.5 m 以上。另為兼顧新通道建設(shè)需求、保證未來5.5 m 吃水船舶通過，航道底高程與葛洲壩擴(kuò)能工程設(shè)計方案保持一致，為31.5 m。

1.5 建設(shè)方案

1)三江下引航道挖深，解決航道吃水不足問題。將三江下引航道從船閘下游至口門區(qū)(鎮(zhèn)江閣)約3.9 km 航道底高程由34.5 m 挖深至31.5 m。

2)三江下引航道擴(kuò)寬，滿足未來新通道建設(shè)后船舶交通組織需要。為了滿足前述航寬需求，須改造葛洲壩2＃閘下游靠船墩以下(斜坡道中間處)至口門區(qū)(鎮(zhèn)江閣)約2.6 km 引航道左右護(hù)岸為衡重式擋墻，擋墻前沿位于現(xiàn)39.4 m 高程處，以滿足三江航道航寬需求。

3)配套錨泊設(shè)施建設(shè)應(yīng)滿足待閘需要。主要包括兩個方面:一是完善既有待閘設(shè)施，解決現(xiàn)有導(dǎo)航墻、靠船墩段長度不足問題；二是新建待閘設(shè)施，解決壩下錨地容量不足及距離較遠(yuǎn)問題，從而提高船舶過閘效率。

①三江橋以上至閘前段。在2＃閘下游引航道9 個靠船墩上游側(cè)新增設(shè)3 個靠船墩，形成275 m靠船段，滿足1 閘次4 艘船舶待閘需求；在2＃閘主導(dǎo)航墻下游增設(shè)2 個中心距為20 m 的靠船墩，形成280 m 靠船段，滿足閘前1 閘次4 艘船舶待閘需求。

②三江橋與至喜橋之間。在三江橋與至喜橋間左右護(hù)岸均布設(shè)320 m 長的?？慷危g隔設(shè)置靠泊及系纜設(shè)施，滿足單側(cè)1 閘次4 艘船舶待閘需求。

③至喜橋以下至口門段。在至喜橋與口門區(qū)間左右護(hù)岸均布設(shè)780 m 長的?？慷?，間隔設(shè)置靠泊及系纜設(shè)施，滿足單側(cè)10 艘船舶待閘需求。

方案實(shí)施后，三江下引航道可提供18 艘船舶的靠泊能力，滿足4 閘次船舶待閘需求，建設(shè)方案見圖3。

圖3 建設(shè)方案

2 航運(yùn)效益分析

2.1 通過量提升影響分析

目前，枯水期三江下引航道水深不足是影響葛洲壩通過量的關(guān)鍵因素。因?yàn)槿畈蛔?，造成大量的大吃水船舶只能排隊通過葛洲壩1＃閘，為均衡大壩上下游船流，枯水期葛洲壩1＃閘被迫實(shí)施定時換向運(yùn)行的方式，從而降低了過閘效率。工程實(shí)施后，當(dāng)三江廟嘴水位在39.0 m 時，三江航道維護(hù)吃水可提高到5.0 m 以上，2＃閘船舶控制吃水可由3.5 m 提高到3.9 m[5]。因此，提升三江航道水深對樞紐通過量產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在兩方面:一是提高通過葛洲壩2＃船閘船舶的裝載量；二是提高葛洲壩船舶交通組織效率，提高1＃、2＃閘運(yùn)行閘次。

2.1.1 船舶裝載量增加對通過量的影響

通過對近年過閘代表船舶統(tǒng)計分析得出，當(dāng)前枯水期受限制船舶大致可分為5 類:(125～130)m×16.3 m(長×寬)、(110～120)m×19.2 m、(100～115)m×16.3 m、(100～115) m×17.2 m、(82～89) m×(14～16) m。吃水3.5 m 以上時，(125～130)m×16.3 m、(110～120)m×19.2 m 船型TPC(每厘米吃水噸數(shù))一般大于18 t、(100～115)m×16.3 m、(100～115)m×17.2 m 船型TPC 一般大于17 t，(82～89)m×(14～16)m 船型TPC 一般大于12 t，上述船型占比分別為8.51%、8.26%、15.95%、22.02%、18.28%。當(dāng)2＃閘吃水由3.5 m 提升至3.9 m后，枯水期可通過2＃船閘船舶量將大大增加。當(dāng)前，2＃閘枯水期日均過閘14 次，一次過閘船舶平均約4.15 艘。因此，2＃船閘通過能力提升量為:

式中:P為通過能力提升量；N為日均過閘次數(shù)；S為次過閘平均艘次數(shù)；T為控制吃水時間，枯水期120 d；Mi為吃水提高0.4m 增加的貨運(yùn)量；Li為過閘船舶艘次占比。經(jīng)計算，P＝325.4 萬t，單閘次運(yùn)量可提高1 940 t，全年即可增加葛洲壩2＃閘通過量325.4 萬t。

2.2.2 運(yùn)行效率提高對通過量的影響

正常情況下，1＃閘由下行閘次換向?yàn)樯闲虚l次所需的倒空時間約為60 min，由上行閘次換向?yàn)橄滦虚l次所需的倒空時間約為30 min，枯水期間每天換向2 次運(yùn)行。如果三江航道吃水提升后，更多大吃水船舶可通過2＃船閘，從而減少1＃閘換向次數(shù)，同時隨著2＃船閘可過閘船舶范圍的增加，日運(yùn)行閘次也可有效提高。經(jīng)分析研究認(rèn)為，三江挖潛后可提高1＃、2＃閘日均運(yùn)行1 閘次。

枯水期1＃閘平均過閘噸位1.53 萬t、2＃閘平均過閘噸位1.15 萬t，2＃閘吃水提升后，平均噸位估算可提高至1.34 萬t。按照枯水期120 d 計算，可提高船閘通過量344.4 萬t。綜上所述，三江下引航道挖潛后，約可提高葛洲壩樞紐年通過量669.8 萬t。

2.2 航運(yùn)效益估算

工程實(shí)施的經(jīng)濟(jì)效益主要表現(xiàn)在航運(yùn)企業(yè)及相應(yīng)港口企業(yè)增加的直接收益，包括客運(yùn)費(fèi)、貨運(yùn)費(fèi)、港口費(fèi)等。船閘通過量增加后，將直接增加相應(yīng)港口、運(yùn)輸企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)估算，通過葛洲壩樞紐的貨運(yùn)量運(yùn)輸效益約為50 元∕t[6]，因此，工程實(shí)施后可產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為3.35 億元∕a。

3 結(jié)論

1)三江下引航道挖潛后，可有效提高2＃閘控制吃水、極大消除枯水期過閘船舶受吃水限制的影響，可有效提高船舶交通組織效率。本文提出的方案是兼顧葛洲壩擴(kuò)能工程實(shí)施的建設(shè)方案，可先期解決葛洲壩擴(kuò)能工程下引航道挖深問題，從而大大縮短葛洲壩擴(kuò)能工程工期，有效提高施工期船閘運(yùn)行效率，保障航運(yùn)效益的發(fā)揮。如不兼顧新通道工程建設(shè)方案，現(xiàn)有的航道寬度、待閘設(shè)施可滿足既有船閘運(yùn)行需要，僅對下引航道挖深可有效解決三江下引航道吃水不足的問題，同時可大大節(jié)省工程投資。

2)關(guān)于提升通過量的測算是基于目前船舶現(xiàn)狀開展的，未來隨著船舶大型化的發(fā)展，3.5 m 以下不受吃水限制的船舶數(shù)量會越來越少，且船舶平均吃水排水量會逐步提高，因此本方案對葛洲壩船閘通過量的提升會逐步增加。

3)工程實(shí)施后，三江引航道深度將不再影響過閘船閘的吃水控制，2＃閘底高程成為決定控制吃水的關(guān)鍵因素。根據(jù)前期相關(guān)研究及運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，隨著航道維護(hù)水深從4.0 m 提高至5.0 m，枯水期2＃閘過閘吃水可提高0.4 m，但能否進(jìn)一步提高需下一步研究論證。

4)本文從航道尺度的角度提出葛洲壩三江下引航道挖深拓寬方案，但方案的成立與優(yōu)化還需要通過數(shù)模、物模研究通航水流條件。