三峽船閘浮式系纜樁系泊安全性分析及實船試驗

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(中國船級社 武漢規范研究所，武漢 430022)

近年來，隨著三峽蓄水成庫，三峽庫區的通航條件得到了顯著改善，進而推動了過閘船舶大型化的快速發展。三峽過閘船舶貨運總量年均增長保持在12%左右，2011年過閘貨運量就已突破1億t大關，2016年過閘貨運量達到1.305億t。三峽過閘貨運船舶平均噸位也已由2004年的1 048 t增長至2016年的4 236 t，增長趨勢明顯。

然而，三峽船閘閘室現有系纜設施承載能力是按照4×3 000 t船隊過閘情況進行設計和校核的。隨著三峽庫區船舶的大型化發展，在三峽船閘實際營運過程中發現，過閘船舶與船閘閘室內的浮式系纜樁相互作用力增加，常常出現浮式系纜樁被拉壞或拉斷的情況。根據現場調研了解得知，每年發生的閘室系纜安全事故約20余起，且有逐年增長的趨勢。由于船閘屬于封閉水域，運行過程中水動力情況復雜，一旦出現系纜安全問題，船舶將失去控制，嚴重影響船舶自身、同閘次船舶及船閘建筑物的安全。因此，本文對目前三峽船閘的過閘方式以及船閘內的浮式系纜樁承載能力的現狀進行分析，針對過閘船舶系纜力的大小，采用國內外允許系纜力經驗公式，根據能量守恒的系纜力理論分析方法和過閘船舶系纜力實船試驗3種方法，分析三峽船閘浮式系纜樁改造前后安全過閘所能適應的大致船舶噸級；針對大型過閘船舶，升級改造浮式系纜樁，提高浮式系纜樁承載能力和安全系泊水平；根據實地調研和計算分析結果，對三峽船閘浮式系纜樁實際系泊操作有益若干建議。

1 三峽船閘過閘方式

1.1 船舶過閘運行方式

三峽船閘為雙線五級船閘，是目前世界上已建成船閘中連續級數最多、總水頭和級間輸水水頭最高的內河船閘[1]。南線通行下水船舶，北線通行上水船舶，每線船閘均有5個閘室，每個閘室內對稱布置有11對浮式系纜樁，浮式系纜樁縱向間距為21～27 m不等，系纜樁可隨著閘室水位的上升和下降自行上下運動。

船舶在每個閘室內的過閘過程包括以下幾個步驟：進閘→靠泊→關門→充(泄)水→開門→離泊→出閘[2- 3]。其中，在靠泊→離泊過程中，船舶與浮式系纜樁之間始終通過纜繩進行系泊，系泊點視船舶長度而定，一般為2點(艏纜、艉纜)或3點(艏纜、坐纜、艉纜)。首纜通常位于船艏，在進閘移泊的過程中，船舶由于自身慣性，前進的勢能尚未完全消失，在接近掛靠位置時，完成出纜系靠，待船泊穩后完成各纜繩的系掛。圖1為過閘船舶系泊浮式系纜樁示意圖。

圖1 船舶系泊示意

1.2 浮式系纜樁設計承載能力現況

三峽船閘的浮式系纜樁是針對萬噸級船隊設計的，由于大型船隊平面尺度充滿整個閘室，可以實現左右側多點系泊，與浮式系纜樁的相對運動及承載能力較小。浮式系纜樁設計的縱向許用系纜力為80 kN，橫向許用系纜力為50 kN，許用合力為94.3 kN[4- 5]。為滿足不同裝載情況下船舶的系纜要求，每個閘室均設置兩層浮式系纜樁，第一層系纜樁離水面高1 m，第二層系纜樁離水面高2.8 m。

隨著庫區船舶自航化、大型化發展，對船閘浮式系纜樁的系纜高度和系纜強度提出了新的要求。為此，為提高船閘通過能力，保障船閘安全運行，三峽通航管理局對北線第五閘室浮式系纜樁進行了加強改造。改造完工后，該閘室浮式系纜樁縱向、橫向許用系纜力均為250 kN，許用合力353.5 kN。改造后上下層系纜樁距水面高度分別為4.7 m和2.1 m，可兼顧大型船舶載貨和空載狀態下安全快捷系泊，對船閘安全、高效運行具有重要意義。

目前僅對北線五閘室進行了改造，未來將根據運行實際效果，逐步對其余閘室進行改造。因此，在本研究中，充分考慮了改造前后的浮式系纜樁承載能力，并進行了系泊安全分析。

改造前和改造后浮式系纜樁承載能力和離水面高度匯總見表1。

表1 浮式系纜樁承載能力和離水面高度

2 系纜樁系泊安全性

船舶過閘系纜安全性指船舶駛入閘室完成系纜靠泊至船舶駛出閘室過程中船舶停泊的安全狀況。對于在閘室中系纜的船舶，當過閘系纜力不超過閘室系纜設施承載能力時，安全系泊能降低船舶發生碰撞的風險，因此過閘系纜力的大小，能充分反映船舶過閘系纜的安全性。由于閘室內水動力情況復雜，要精確計算和確定不同過閘船舶的系纜力數值很困難，本文通過船閘內船舶停泊標準里的經驗公式估算、基于能量守恒的理論公式推導，以及實船試驗這3種方式來計算船舶過閘時的系纜力，再根據三峽船閘浮式系纜樁許用拉力值，進而反推浮式系纜樁改造前后可承受的過閘船舶排水量噸級。

2.1 船閘內船舶停泊標準

停泊在閘室內的過閘船舶是靠船上的系船設備用纜繩同閘室系船設備相聯結，當船閘閘室內灌(泄)水時，在不穩定流的作用下船舶所受的水流作用力，大部分傳到系纜繩索上，并通過它傳到系船設備上，故船舶的停泊條件可以用停泊船舶的系纜力來表示。這一參數也是通航船閘的最主要指標之一。

2.1.1 我國標準

根據我國交通部發布的《船閘輸水系統設計規范》(JTJ 306—2001)[7]，閘室與引航道內停泊船舶的允許系纜力，可按表2選取。

表2 閘室內船舶允許系纜力

允許系纜拉力值由纜繩破斷強度和安全系數確定，不同噸位船舶配備的系纜尺寸，在《鋼質內河船舶入級與建造規范》中有所規定[2]，是由船型尺度和上層建筑側面積等算得的船舶舾裝數來確定的。將纜繩的破斷力除以安全系數就可得到系船纜繩允許受力值：對排水量為500 t及以上的船舶的安全系數可取4；對50 t及以下船舶允許系纜力的安全系數取為8。500 t到50 t的安全系數定在4～8之間線性變化。

2.1.2 國外標準

1959年蘇聯西馬諾夫提出了船舶過閘允許系纜拉力值計算公式，此公式應用于蘇聯國家建委1965年3月批準的《船閘設計規范》中。該規范有如下規定。

PL=3W1/3

(1)

PT=0.5PL

(2)

式中：PL為允許系纜力縱向水平分力，kN；PT為允許系纜力橫向系纜水平分力，kN；W為船舶排水量，t。

2.1.3 允許系纜力規范標準對比

將允許縱向系纜拉力進行對比可知，我國規范標準與蘇聯規范標準基本相當，見表3。

表3 允許系纜力標準對比情況

2.1.4 升級改造前三峽船閘浮式系纜樁承載能力分析

我國標準與蘇聯標準基本相當，允許系纜力值與西馬諾夫公式結果相差不大，故可作為參考。根據舾裝數得到纜繩尺寸及破斷負荷，考慮n=4的安全系數，可初步計算得到排水量8 000 t以下船舶的允許系纜力(見表4)，可以看出，排水量8 000 t船舶的系纜力計算值已接近現浮式系纜樁許用值94.3 kN。因此，根據船閘內船舶停泊標準，取安全系數為4來分析，目前船閘系纜樁適應排水量8 000 t左右的船舶。

表4 升級改造前允許系纜力計算分析

2.1.5 升級改造后三峽船閘浮式系纜樁承載能力分析

目前，北線五閘室改造升級后，縱向、橫向許用負荷為250 kN，許用合力為353.5 kN。如其它閘室均按此進行改造升級，足夠滿足15 000 t以下排水量的船舶安全停泊，見表5。

表5 升級改造后允許系纜力計算分析

2.2 浮式系纜樁安全性理論分析

船舶在閘室內系泊浮式系纜樁時，存在以下3種較為危險的工況：船舶進入閘室后的制動工況、充(泄)水過程中的系纜工況、閘門打開過程中的系纜工況。在這3種工況中，充(泄)水工況和閘門打開工況很難從理論上進行定量分析，必須進行實船試驗；船舶進入閘室后的制動工況，可根據能量守恒定律，船舶的動能等于纜繩的彈性勢能與系纜柱的變形能之和，來做一定的定量分析。

雖然有規定要求不允許船舶采用閘內系纜柱進行制動，但由于閘室內空間狹小，實際中常借用系纜柱來對船舶進行制動。此時船舶具有速度，當系泊纜繩突然瞬間系緊時，此時船舶的動能全部轉化為系纜柱的變形能和纜繩的彈性勢能(偏安全考慮，實際過程還有其他的能量損耗)。當船舶速度較大時，即船舶動能較大，會使纜繩產生較大的變形，此時纜繩受力較大；當纜繩拉力超過系纜柱的安全負荷時，造成系纜柱產生塑性破壞甚至拉斷。

本文分析最為危險的情況，即船舶具有一定的速度時(取為0.15 m/s)[9]，纜繩突然系緊。根據能量守恒，船舶的動能Es等于纜繩的彈性勢能El與系纜柱的變形能Ez之和。

(3)

纜繩的負荷與伸長率之間存在著非線性的函數關系，系泊操縱用纜過程中纜繩所吸收的外力能量與纜繩的伸長率也有著密切的關系。根據做功原理，纜繩吸收的能量即纜繩的彈性勢能按下式計算。

El=TΔL

(4)

式中：ΔL為纜繩的伸長量；T為纜繩的拉力，采用Wilson公式進行計算。

T=Cpd2δn

(5)

式中：Cp為彈性系數；d為纜繩直徑；δ為應變；n為表征彈性變形非線性的無量綱參數。對鋼纜，Cp=2.75×105MPa，n=1.5；對尼龍纜，Cp=1.56×104MPa，n=3。

由于纜繩的彈性因素，纜繩在外力作用下是逐漸伸長的，其拉力T為ΔL的函數，因而纜繩吸收的能量計算公式可進一步改寫為

(6)

式中：ΔL=δL0，L0為纜繩的原長度。

(7)

計算可得

(8)

系纜樁變形能計算應通過系纜柱的受力變形分析，得到其變形量S，然后根據外力功計算得到其變形能為

(9)

2.2.1 閘室系纜柱改造后，縱向、橫向系纜力均為250 kN

計算時選取某型合成纖維纜。該纜繩所受拉力達到50%最小破斷力時，其可保證在彈性范圍內不失效，并且此時纜繩的伸縮率為10%，分3種直徑進行分析，其具體參數如下。

直徑：42、46、48 mm；

50%最小破斷力分別為：170、212.5、236 kN；

對應纜繩的伸縮率：10%；

纜繩數量：2根；

纜繩的原長度：8 m；

船舶系泊時的速度：0.15 m/s；

n=1.5。

纜繩直徑取42 mm，纜繩長度8 m時，可系泊排水量為9 500 t左右的船舶；

纜繩直徑取46 mm，纜繩長度8 m時，可系泊排水量為12 000 t的船舶；

纜繩直徑取48 mm，纜繩長度8 m時，可系泊排水量為13 000 t左右的船舶。

2.2.2 現有閘室系纜柱(未改造)，縱向系纜力80 kN、橫向系纜力50 kN

同樣選取某型合成纖維纜，分3種直徑分析該纜繩所受拉力達到50%最小破斷力，并且此時纜繩的伸縮率為10%時的船舶排水量情況，纜繩具體參數如下。

直徑： 28、32、36 mm；

50%最小破斷力分別為：52.5、66、128 kN；

此時纜繩的伸縮率：10%；

纜繩數量：2根；

纜繩的原長度取：8 m；

船舶系泊時的速度：0.15 m/s；

n=1.5。

結論如下。

纜繩直徑取28 mm，纜繩長度8 m時，可系泊排水量為3 000 t左右的船舶；

纜繩直徑取32 mm，纜繩長度8 m時，可系泊排水量為3 800 t的船舶；

纜繩直徑取36 mm，纜繩長度8 m時，可系泊排水量為5 000 t左右的船舶。

2.3 三峽船閘系纜力實船試驗

2015年4月，進行了三峽船閘閘室系纜力實船試驗，測試船舶為6 000 t級船舶，測試結果見表6。測試結果顯示，靠泊、充水和開門時的最大系纜力分別為205.8、222.5、149.9 kN，均超過了浮式系纜樁原許用力94.3 kN，但小于北線第五閘室浮式系纜樁改造后(僅該閘室浮式系纜樁進行了改造)的許用力353.5 kN。

表6 系纜力測試結果 kN

分析船舶在閘室內的運動可知，浮式系纜樁承受的靠泊力與遞纜時船舶的速度相關；充(泄)水時的系纜力主要受船舶與系纜樁相對運動的同步性影響、以及纜繩與纜樁的磨合情況影響。因此，可采用配置柔性纜繩、控制靠泊速度、控制纜繩系纜夾角、定期清理系纜樁四周的方式予以改善。閘室改造前，測試的最大系纜力超過了浮式系纜樁原許用力94.3 kN，但試驗過程中，未出現浮式系纜樁損壞的情況，初步分析試驗測得的系纜力的峰值為瞬時力，閘室改造前的浮式系纜樁基本可滿足6 000 t級船舶安全系泊的要求；對于大型船舶，還應考慮適當加大浮式系纜樁尺寸，改善浮式系纜樁結構形式，以提高其承載能力。

3 結論

1)我國船閘規范中的允許系纜力標準與前蘇聯規范標準基本相當，根據規范標準里的允許系纜力經驗公式來估算，船閘系纜樁改造前適應排水量8 000 t左右的船舶，改造后可適應排水量15 000 t以下船舶安全過閘。

2)根據能量守恒定律，對船舶進入閘室后的制動工況進行一定的定量理論分析，當船舶進閘初始速度為0.15 m/s時，船閘系纜樁改造前適應排水量5 000 t左右的船舶，改造后可適應排水量13 000 t左右船舶安全過閘。

3)根據三峽船閘系纜力實船試驗結果，閘室改造前浮式系纜樁基本可滿足6 000 t級船舶安全系泊的要求；由于實船試驗目標船有限，對于閘室改造后浮式系纜樁的極限承載能力，建議參照經驗公式及理論分析的結果確定。對于萬t級以上的大型船舶，還應按北線五閘室標準適當加大浮式系纜樁尺寸，改善浮式系纜樁結構形式，以提高其承載能力。

4)浮式系纜樁承受的系泊力與遞纜時船舶的速度相關；充(泄)水時的系纜力主要受船舶與系纜樁相對運動的同步性影響、以及纜繩與纜樁的磨合情況影響，因此，可采用配置柔性纜繩、控制靠泊速度、控制纜繩系纜夾角、定期清理系纜樁四周的方式予以改善。

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