三峽—葛洲壩船閘通過能力分析及擴(kuò)能工程對策

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽船閘閘室平面有效尺寸為280 m×34 m(長×寬，下同)，每閘次通過4艘船舶。上游導(dǎo)航墻采用浮式導(dǎo)航墻，布置在第1閘首上游引航道左、右兩側(cè)，全長250 m，南線上游導(dǎo)航墻尾端設(shè)置浮式躉船一艘。下游導(dǎo)航墻布置在第6閘首下游引航道左、右兩側(cè)，全長196 m，北線下游導(dǎo)航墻尾端新增5個間距24 m的圓形靠船墩，總靠泊長度320 m。上下游導(dǎo)航墻及其增設(shè)設(shè)施可供一個閘室的船舶靠泊，船閘一般實(shí)施單向運(yùn)行，船舶采用同步移泊方式從導(dǎo)航墻處進(jìn)出船閘。

葛洲壩工程的通航建筑物為典型單級船閘[1]，在布置上采取兩線三閘總格局。兩線分居樞紐兩側(cè)的大江和三江，葛洲壩一號船閘坐落于大江航道, 葛洲壩二、三號船閘位于葛洲壩三江航道。葛洲壩一、二號閘室有效尺寸為280 m×34 m，每次可通過約4艘船舶。一號船閘上游引航道左側(cè)為長1 000 m的防淤堤，下游引航道左側(cè)為390 m長的導(dǎo)航隔流墻，右側(cè)為大江沖沙閘下游430 m長的混凝土護(hù)坡；二號船閘軸線與壩軸線斜變，交角為81.5°，由橋墩段，上、下閘首，閘室，上、下游導(dǎo)航墻，上、下游靠船墩等建筑物組成。上、下游導(dǎo)墻長度分別為193 m和240 m，上、下游靠船墩段各長200 m。三號船閘閘室有效尺寸120 m×18 m，每次可通過約1或2艘小型船舶；三號船閘軸線與壩軸線正交，由橋墩段，上、下閘首，閘室，上、下游導(dǎo)航墻，上、下游靠船墩和下游導(dǎo)水墩等建筑物組成；上游主導(dǎo)墻長70 m，下游主導(dǎo)墻長135 m；上、下游靠船墩和下游導(dǎo)水墩布置長度均為100 m。目前，三峽—葛洲壩樞紐通過能力不足[2]，為興建三峽樞紐和水運(yùn)新通道以及葛洲壩樞紐航運(yùn)擴(kuò)能工程[3]，分析葛洲壩樞紐船閘不同運(yùn)行方式下的通過能力。

1 船閘通過能力衡量指標(biāo)

根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，年單向過閘通過量為

P=(n-n0)NGα/β

(1)

式中:P為過閘貨運(yùn)量，t；n為日均過閘次數(shù)，次/d；n0為非運(yùn)客、貨船舶過閘次數(shù)，次/d；N為通航天數(shù)，d；G為一次過閘平均噸位，t/閘；α為船舶裝載系數(shù)，β為運(yùn)量不均勻系數(shù)。

其他參數(shù)固定的前提下，將日運(yùn)行閘次數(shù)n作為衡量船閘通過能力的一個直接指標(biāo)。三峽及葛洲壩船閘設(shè)計(jì)日運(yùn)行時間為22 h[5]，實(shí)際運(yùn)行中沒有開展停航保養(yǎng)或檢修的情況下，每天工作時間為24 h，測算通過能力時將停航的時間從通航天數(shù)中予以扣除。船閘的日運(yùn)行閘次數(shù)n=24×60/閘次運(yùn)行間隔時間，顯示出日運(yùn)行閘次數(shù)與閘次運(yùn)行間隔時間成反比，縮短閘次運(yùn)行間隔時間可以有效提高船閘通過能力。

1.1 三峽船閘指標(biāo)狀況

三峽南北兩線船閘采取單向連續(xù)過閘的運(yùn)行方式，一線上行，一線下行。在不同水位條件下，三峽船閘采取四級或五級運(yùn)行方式，五級運(yùn)行時，船舶從導(dǎo)航墻采用成組同步移泊方式[6]進(jìn)出閘，閘次間隔時間與四級運(yùn)行時基本一致，閘次運(yùn)行間隔時間約90 min，運(yùn)行16閘次,見表1。

表1 三峽船閘設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)際情況對比 min

1.2 葛洲壩船閘匹配運(yùn)行通過能力狀況

目前，三峽—葛洲壩樞紐水域兩壩間供物流周轉(zhuǎn)的碼頭數(shù)量極少，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示， 2018年葛洲壩樞紐共通過48 425艘次船舶，其中45 202艘次為連續(xù)通過三峽大壩和葛洲壩樞紐的船舶，僅通過葛洲壩一壩的船舶數(shù)量僅為3 223艘次，僅占總過閘量的6.66%。船舶9成以上有通過三峽大壩和葛洲壩兩壩的需求，自三峽船閘運(yùn)行以來，長江三峽通航管理機(jī)構(gòu)對過壩船舶實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度，兩壩通航建筑物匹配運(yùn)行，三峽兩線船閘和葛洲壩三座船閘的通過能力基本一致 。

2 葛洲壩船閘通過能力指標(biāo)測算

葛洲壩船閘一、二號船閘平面尺度與三峽船閘相當(dāng)[7]，通航天數(shù)、一次過閘平均噸位、船舶裝載系數(shù)和運(yùn)量不均勻系數(shù)在優(yōu)化后可實(shí)現(xiàn)與三峽船閘一致。

2.1 閘次間隔時間的計(jì)算方法

《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出一次過閘時間指標(biāo)的計(jì)算方法，按照實(shí)際情況分析，閘次間隔時間計(jì)算方法如下。

2.1.1 單向運(yùn)行

單向運(yùn)行條件下，船舶單向過閘，單級船閘每運(yùn)行1個來回，則通過1個有載閘次的船舶。閘次運(yùn)行間隔時間(T)即一次過閘時間。

T=T1=4t1+t2+2t3+t4+2t5

(2)

式中：T1為單向一次過閘時間，min；t1為開門或關(guān)門時間，min；t2為單向第一個船隊(duì)進(jìn)閘時間，min；t3為閘室灌水或泄水時間，min；t4為單向第一個船隊(duì)出閘時間,min；t5為船舶、船隊(duì)進(jìn)閘或出閘間隔時間，min。

2.1.2 雙向過閘

雙向運(yùn)行條件下，船舶雙向過閘，單級船閘每運(yùn)行1個來回，則可通過2個有載閘次的船舶。閘次間隔時間為一次過閘時間的一半。

(3)

(4)

T=Te+Ts

(5)

式中：Te為設(shè)備總時間，min;Ts為船舶總時間，min。

2.2 設(shè)備總時間(Te)

通過對式(2)、式(4)指標(biāo)相比較，單向每運(yùn)行一個有載閘次，設(shè)備設(shè)施需要增加一個“倒空閘”設(shè)備運(yùn)行環(huán)節(jié)和一個閘次的水量消耗，即雙向運(yùn)行每一有載閘次，可以將設(shè)備總時間縮短到單向運(yùn)行的一半。據(jù)此初步判斷葛洲壩船閘采用雙向運(yùn)行的通過能力將高于單向運(yùn)行。根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明“單向通過能力系指客、貨運(yùn)量多的方向的通過能力”，單級船閘的設(shè)計(jì)通過能力，一般按照雙向運(yùn)行進(jìn)行核算。

近年來，三峽通航管理部門通過采取多種措施改善船閘運(yùn)行條件，使得人字門啟閉時間、輸水時間總體達(dá)到設(shè)計(jì)水平。單向運(yùn)行時每一閘次其設(shè)備總時間約為40 min，雙向運(yùn)行約20 min。設(shè)備總時間有所縮短，但還需重點(diǎn)分析雙向運(yùn)行由于待閘點(diǎn)的變化延長較單向運(yùn)行帶來的船舶總時間增加帶來的影響。

2.3 船舶總時間(Ts)

船舶總時間與進(jìn)閘的距離、平均速度、進(jìn)閘及移泊時的船舶或船隊(duì)數(shù)量相關(guān)。

2.3.1 船舶進(jìn)船閘距離

根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，三峽及葛洲壩船閘船舶、船隊(duì)進(jìn)出閘運(yùn)行距離可按下列情況分別確定。

1)單向過閘，進(jìn)閘為船舶、船隊(duì)的船艏自引航道停靠位置(導(dǎo)航墻)至閘室內(nèi)停泊位置之間的距離;出閘為船舶、船隊(duì)的船艉自閘室內(nèi)停泊位置至閘門外側(cè)邊緣的距離。

2)雙向過閘，進(jìn)閘為船舶、船隊(duì)自引航道停靠位置(靠船墩)至閘室內(nèi)停泊位置之間的距離;出閘為船舶、船隊(duì)自閘室內(nèi)停泊位置至靠船建筑物之間的距離。

2.3.2 葛洲壩船閘不同運(yùn)行模式下進(jìn)出閘距離

目前三峽船舶過閘有依次過閘和成組同步移泊兩種組織方式。依次過閘是指船舶根據(jù)船閘調(diào)度指令按照順序各自駛?cè)爰榜偝龃l；成組同步移泊是指船舶根據(jù)船閘指令和閘室排檔圖，兩兩并排同步啟動，同步駛?cè)搿Ⅰ偝龃l；成組同步移泊方式下，同步并排行駛的2艘船舶過閘組織上可視為一個船隊(duì)整體進(jìn)、出閘。

1)葛洲壩一、三號船閘情況。一號參考布置圖見圖1。

圖1 葛洲壩一號船閘參考布置示意

葛洲壩一號船閘上下游均無靠船墩設(shè)施，在三峽通航管理部門的主動努力下，在上游設(shè)置了2艘40 m躉船供船舶進(jìn)閘待閘，縮短了船舶進(jìn)閘距離。因環(huán)保要求，下游設(shè)置靠船設(shè)施輔助進(jìn)閘的難度大，即引航道內(nèi)沒有合適的供雙向運(yùn)行的停靠設(shè)施。因此，實(shí)施雙向運(yùn)行時，為保障船舶在引航道內(nèi)安全航行，需要前一閘次船舶全部駛出閘室并進(jìn)入安全航行狀態(tài)后，下一閘次的進(jìn)閘船舶方可調(diào)度依次進(jìn)閘。由于一號船閘通航流量流態(tài)條件較差，為保障安全，進(jìn)閘船舶一般在引航道以外水域等待，待前一閘次船舶全部駛出大江引航道后方可進(jìn)入引航道，增加了雙向運(yùn)行的船舶進(jìn)出閘時間。目前，葛洲壩一號船閘單向運(yùn)行時閘次間隔時間為90 min，由運(yùn)行上行閘次換向?yàn)檫\(yùn)行下行閘次，每次換向需要另外增加閘次間隔時間約30 min；反之一號船閘由運(yùn)行下行閘次換向?yàn)檫\(yùn)行上行閘次，每次換向需要另外增加閘次間隔時間約60 min；均超出了雙向運(yùn)行設(shè)備總時間節(jié)約的20 min。雙向運(yùn)行時每天運(yùn)行閘次數(shù)量為10～11個，而單向運(yùn)行日運(yùn)行閘次數(shù)則可達(dá)到15～16個，因此，葛洲壩一號閘宜以單向運(yùn)行為主，基本匹配三峽一線船閘運(yùn)行。

葛洲壩三號船閘以雙向運(yùn)行為主，葛洲壩樞紐航運(yùn)擴(kuò)能工程初步計(jì)劃拆除葛洲壩壩三號閘，因此，重點(diǎn)分析葛洲壩二號船閘不同運(yùn)行條件下的進(jìn)閘距離。

2)葛洲壩二號船閘單向運(yùn)行進(jìn)出閘距離。二號船閘參考布置圖見圖2。

采取工程措施延伸葛洲壩二號閘船閘上、下游導(dǎo)航墻長度，使得導(dǎo)航墻段可以供一個閘次的船舶進(jìn)閘停靠，則單向運(yùn)行條件下船舶可以在導(dǎo)航墻待閘，船艏距離閘首約50 m，船閘閘首長約50 m，船艏進(jìn)入閘室的距離按照船閘集泊長度計(jì)為266 m，因此進(jìn)閘距離約為366 m。

圖2 葛洲壩二號船閘參考布置示意

出閘距離包括船首在閘室內(nèi)的剩余距離、另一側(cè)閘首長度以及船舶總長，根據(jù)船型主尺度系列規(guī)定，未來船舶總長將提高至130 m，剩余距離為280-266=14 m，閘首長度50 m，即出閘距離約為194 m。即單向運(yùn)行條件下船舶進(jìn)出閘總距離為560 m。

3)葛洲壩二號船閘雙向運(yùn)行進(jìn)出閘距離。雙向運(yùn)行條件下船舶必須在靠船墩待閘，以上行為例，下游第一個靠船墩到下閘首距離683.7 m(上游600 m)，閘首長度50 m，船首進(jìn)入閘室距離266 m，因此上行進(jìn)閘距離約為999.7 m(下行916 m)。出閘距離包括船艏在閘室內(nèi)的剩余距離14 m、另一側(cè)閘首長度50 m、船舶總長130 m、上游靠船墩到上閘首距離600 m(下游683.7 m)，靠船墩長度200 m，即上行出閘距離994 m(下行1 077.7 m)。

出閘距離包括船艏在閘室內(nèi)的剩余距離、另一側(cè)閘首長度以及船舶總長，根據(jù)船型主尺度系列規(guī)定以及新通道船型尺度研究情況，未來船舶總長將提高至130 m，剩余距離為14 m，閘首長度50 m，即出閘距離約為194 m。即雙向運(yùn)行條件下船舶進(jìn)出閘總距離為1 993.7 m。

4)進(jìn)出閘期間船舶、船隊(duì)前后安全距離.。交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目“復(fù)雜條件下三峽船閘通過能力提升技術(shù)研究”成果顯示，進(jìn)閘過程中前后兩排船舶(船隊(duì))縱向間距應(yīng)大于0.5×(L1+L2)(L1、L2分別為前后排船舶(船隊(duì))船長，即1個平均船舶(船隊(duì))長度)。

2.3.3 船舶速度

現(xiàn)行通航管理辦法[8]規(guī)定，進(jìn)出船閘的航速不得超過1.0 m/s。雙向運(yùn)行條件下，為保障船舶進(jìn)出閘不因航路交叉引發(fā)的安全事故，進(jìn)閘停靠點(diǎn)選定在靠船墩，距離閘室較遠(yuǎn)，考慮到加速及減速的距離較短，其進(jìn)出閘過程靠船墩至閘首之間的水域平均速度1 m/s取，船舶駛?cè)腴l首、通過閘室、直到從另一側(cè)閘首駛出的過程(約380 m)中平均速度將降至0.5 m/s，綜合全過程，取平均速度0.9 m/s。

單向運(yùn)行條件下，船舶停靠點(diǎn)選定在導(dǎo)航墻進(jìn)閘位置離閘室很近，平均速度0.5 m/s。

2.3.4 船舶總時間

近年來，三峽船閘和葛洲壩一、二號船閘的平均每閘次通過的船舶艘數(shù)約為4艘，理論測算船舶時間每閘次的船舶數(shù)量取4艘。

船舶大型化[9]帶來了慣性大、舵效差、減速困難和受風(fēng)、流、水深的影響突出等操縱難題，船閘水域?yàn)閮?nèi)河航道中的典型受限水域，雙向運(yùn)行船舶進(jìn)閘點(diǎn)遠(yuǎn)離閘室，如果采用成組同步移泊方式過閘，船舶航行過程中的受限水域效應(yīng)和船間效應(yīng)加劇，對操縱影響進(jìn)一步加大。為保障安全，船舶同步移泊的航速會進(jìn)一步下降，觀測情況顯示，進(jìn)出閘平均速度甚至降至0.5 m/s以下，遠(yuǎn)不及按序依次過閘方式下的效率。因此雙向運(yùn)行不具備成組同步移泊的條件，僅采用按序依次過閘的方式。閘室內(nèi)共4艘船舶，進(jìn)閘及移泊過程中各有3個間隔時間(13 min)，即：2t5=26 min。

3)船舶總時間。每一有載閘次運(yùn)行過程中，還需要另外考慮首尾船舶解系纜(解纜、系纜各按1 min計(jì))，不同運(yùn)行模式及過閘組織方式下船舶總時間計(jì)算見表2。

表2 舶總時間計(jì)算表 min

單向運(yùn)行模式下，船舶成組同步移泊方式過閘，船舶總時間約為30 min，如果實(shí)際過閘船舶總長達(dá)不到130 m則船舶總時間將會更短，預(yù)期在25～30 min之間。采用牽引[10]進(jìn)出閘、船舶自適應(yīng)跟隨操縱進(jìn)出閘等技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶整體成組同步移泊，則單向運(yùn)行模式下，船舶、船隊(duì)進(jìn)閘及出閘間隔時間(t5)有望縮短到0 min，則船舶總時間有望進(jìn)一步縮短到23 min左右。

2.4 葛洲壩船閘閘次間隔時間及日運(yùn)行閘次

將上節(jié)分析所得的數(shù)據(jù)代入式(5)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 葛洲壩二號船閘日均運(yùn)行閘次測算表 min

從測算結(jié)果來看，通過工程措施延伸葛洲壩二號閘船閘上、下游導(dǎo)航墻長度，單向運(yùn)行條件下采用成組同步移泊過閘方式，葛洲壩二號閘閘次間隔時間約為70 min，日運(yùn)行最高21閘次。如果實(shí)際過閘船舶總長不到130 m，閘次運(yùn)行間隔時間約為65～70 min，日均運(yùn)行閘次數(shù)較目前存在提高3～4個的可能。

通過技術(shù)研發(fā)及創(chuàng)新，采取硬布線牽引或船舶自適應(yīng)跟隨操縱等牽引技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶整體成組同步移泊方式進(jìn)出葛洲壩二號閘，日均運(yùn)行閘次數(shù)將可進(jìn)一步增加。

雙向運(yùn)行條件下，葛洲壩二號閘閘次間隔時間約為84.9 min，日運(yùn)行最高17閘次。

3 葛洲壩船閘運(yùn)行實(shí)績

2018年3月份以來，長江三峽通航管理機(jī)構(gòu)根據(jù)葛洲壩二號船閘實(shí)際運(yùn)行情況，組織對葛洲壩二號船閘單向運(yùn)行與雙向運(yùn)行方式閘次間隔時間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，共詳細(xì)記錄了93組船舶進(jìn)出葛洲壩二號船閘的過閘時間記錄，其中單向運(yùn)行61組，雙向運(yùn)行32組。

3.1 雙向運(yùn)行情況

雙向運(yùn)行船舶待閘點(diǎn)為靠船墩，與理論計(jì)算選取點(diǎn)一致，船舶過閘過程中受各種因素干擾多，船舶依次按序駛?cè)牖蝰偝龃l，每閘次約可安排4-6艘船舶,共觀測了32個閘次的雙向運(yùn)行情況見表4。

表4 雙向運(yùn)行閘次間隔時間統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)顯示，觀測雙向平均閘次間隔時間為95.22 min，推算日運(yùn)行15.1閘次。其中，一次過閘船舶艘次為4艘的閘次10個，平均閘次間隔時間92.4 min，推算日運(yùn)行15.6閘次，最長閘次間隔時間為105 min，最短時間為78 min。按照運(yùn)行原理雙向運(yùn)行的閘次間隔時間無法有效縮短。

3.2 單向運(yùn)行情況

單向運(yùn)行船舶在導(dǎo)航墻待閘，與理論計(jì)算選取點(diǎn)一致，船舶進(jìn)出閘采用成組同步移泊方式，每閘次安排4艘船舶通過，共觀測了61個閘次的單向運(yùn)行情況見表5。

采用成組同步移泊方式進(jìn)出閘，葛洲壩二號船閘的平均閘次間隔時間為83.2 min，日運(yùn)行17.3閘次。其中，閘次間隔時間70 min以內(nèi)的14閘次，占觀測閘次數(shù)量的23%，平均間隔時間為67.21 min。閘次間隔時間85 min以內(nèi)42閘次，接近觀測閘次數(shù)量的70%，平均間隔時間為74.4 min。閘次間隔時間70 min以上的主要原因是船舶長度偏長，葛洲壩二號閘導(dǎo)航墻長度不足，不能滿足停靠一閘次的4艘船舶，后2艘船舶不能直接從導(dǎo)航墻進(jìn)閘，不能達(dá)到完全同步移泊過閘的效果，導(dǎo)致效率下降所致。

表5 單向運(yùn)行閘次間隔時間統(tǒng)計(jì)表

通過工程措施和采取合理的過閘組織模式，葛洲壩二號船閘單向運(yùn)行每天運(yùn)行閘次數(shù)量有比現(xiàn)在增加3～4個的可能。

4 兩壩樞紐匹配運(yùn)行分析

當(dāng)前，以每閘次4艘船舶為例，三峽每線船閘日運(yùn)行16閘次，兩線船閘合計(jì)日運(yùn)行32閘次。綜合觀測分析情況，葛洲壩船閘雙向運(yùn)行時，二號船閘日運(yùn)行15.6閘次，葛一號閘運(yùn)行僅10～11閘次，兩座船閘日運(yùn)行閘次數(shù)合計(jì)約26閘次，無法與三峽船閘實(shí)現(xiàn)匹配運(yùn)行；葛洲壩船閘單向運(yùn)行時，二號船閘日運(yùn)行17.4閘次，一號閘日運(yùn)行15～16閘次，兩線船閘合計(jì)日運(yùn)行可超過32閘次，可以匹配三峽船閘通過能力。近階段，葛洲壩一、二號船閘宜采用單向運(yùn)行為主的方式匹配三峽兩線船閘運(yùn)行。

5 結(jié)論

1)葛洲壩樞紐航運(yùn)擴(kuò)能工程選擇左岸方案時，如采取改造三號船閘并建設(shè)兩線大船閘匹配三峽雙線新通道，應(yīng)充分考慮三號船閘取消后，對其通過能力的補(bǔ)償，可采取加長葛洲壩樞紐航運(yùn)擴(kuò)能工程中一線船閘的長度，并通過兩壩船閘“統(tǒng)一調(diào)度、聯(lián)合運(yùn)行”和實(shí)施船舶同步移泊進(jìn)出閘方式來補(bǔ)償。

2)加強(qiáng)對船舶過閘同步移泊條件技術(shù)實(shí)施的進(jìn)一步研究。在充分論證的基礎(chǔ)上加長船閘上下游導(dǎo)航墻長度；對船舶進(jìn)出閘自適應(yīng)跟隨或硬布線牽引等船舶整體進(jìn)出閘牽引技術(shù)進(jìn)行研究。

3)單級船閘在上下游船舶不積壓運(yùn)行條件下，應(yīng)以雙向運(yùn)行方式為主，以減小船閘設(shè)備設(shè)施運(yùn)行的損耗。