葛洲壩樞紐船閘擴(kuò)能工程平面尺度方案對(duì)比

劉春澤，曹鳳帥，唐 穎，商劍平

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(huì)得到快速發(fā)展，三峽樞紐過壩貨運(yùn)量呈現(xiàn)跳躍式發(fā)展態(tài)勢。三峽船閘自2003年運(yùn)行，至2011年船閘通過能力已趨飽和，提前19 a實(shí)現(xiàn)三峽工程的航運(yùn)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(yùn)量、水運(yùn)需求將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長態(tài)勢，因此只有通過實(shí)施三峽樞紐水運(yùn)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(jì)時(shí)先要確定閘室尺度、計(jì)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(jì)規(guī)范(JTJ 305-2001)》的公式計(jì)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(yùn)系統(tǒng)中的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，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(jì)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(yùn)行模式和船舶過閘組織方式下的參數(shù)取值并計(jì)算了船閘通過能力。黃巖等[4]以江蘇已運(yùn)行的某船閘為例，指出在規(guī)劃階段對(duì)船型、船閘上下游水位差以及貨物流量、流向等3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)選用與實(shí)際情況存在較大偏差，導(dǎo)致預(yù)測的船閘通過能力與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)存在較大差異。孔莊等[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(yùn)量與平均排隊(duì)長度的關(guān)系。郭子堅(jiān)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(shí)際通過能力。劉清等[7-8]結(jié)合排隊(duì)論建立三峽船閘運(yùn)行的仿真模型，分析管控線的設(shè)置對(duì)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(duì)規(guī)則和船閘選擇規(guī)則)下的船閘通過能力和運(yùn)營效果。

圖1 船閘單向運(yùn)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(jí)單線船閘仿真模型，仿真計(jì)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(yùn)行方式下的多個(gè)閘室平面尺度方案的通過能力，分析船型和比例、運(yùn)行方式對(duì)船閘通過能力的影響，從通過能力的角度對(duì)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(shí)現(xiàn)了聯(lián)合調(diào)度，二者運(yùn)行有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此利用單級(jí)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(gè)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(yàn)證

1.1 模型邊界和范圍

仿真模型對(duì)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(yùn)行仿真流程

單級(jí)船閘運(yùn)行的基本方式有單向和雙向兩種，單向運(yùn)行以船舶下行為例，其仿真流程如圖1所示，以下行方向?yàn)槔浑p向運(yùn)行的仿真流程如圖2。

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

船舶過閘時(shí)一般按到閘先后順序逐條依次過閘，而在三峽雙線五級(jí)船閘，為了提高船閘通過能力，采取了兩條船并排同時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)生成一批船舶到錨地待閘。

1.4 模型驗(yàn)證

以2013年三峽船閘實(shí)際上行方向的通過貨運(yùn)量及有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為模型驗(yàn)證的依據(jù)。驗(yàn)證模型的輸入船型及比例詳見表1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，2013年三峽船閘上行方向?qū)嶋H運(yùn)行339 d，每天運(yùn)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(yùn)行閘次、單向年貨運(yùn)通過能力作為模型驗(yàn)證評(píng)價(jià)指標(biāo)。各指標(biāo)實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果和模型計(jì)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(jì)算結(jié)果正確可信。

表1 驗(yàn)證模型的輸入船型及比例

表2 驗(yàn)證模型的結(jié)果

2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 仿真試驗(yàn)方案

分別對(duì)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(yùn)行，以及三峽新船閘單向運(yùn)行、依次過閘和同步移泊方式進(jìn)行仿真試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行1 a時(shí)間，并統(tǒng)計(jì)各試驗(yàn)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(gè)方案。對(duì)于這兩個(gè)方案，閘首長度均為43 m，雙向運(yùn)行時(shí)船舶進(jìn)閘待閘位置距離閘首223 m，且出閘時(shí)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(jí)船閘建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，三峽新船閘仍考慮為五級(jí)船閘、單向運(yùn)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(gè)方案，閘首長度43 m。

2.2.2 過閘船型及比例

對(duì)于長江干線過閘船舶，未來主要船舶類型不會(huì)有太大改變，但船舶大型化仍有發(fā)展空間。尤其是對(duì)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(yùn)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(yùn)營，同時(shí)倒逼小噸位船舶退出。

對(duì)于支線過閘船舶，主要為千噸級(jí)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(yùn)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢將吸引支線沿線貨物采用水路運(yùn)輸，其中運(yùn)輸批量較小的貨物對(duì)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(duì)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(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》和三峽樞紐水運(yùn)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(duì)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(gè)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(yùn)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(yùn)行時(shí)間。葛洲壩新船閘開關(guān)人字門時(shí)間為6 min，閘室灌、泄水時(shí)間為14.5 min。三峽新船閘開關(guān)人字門時(shí)間為6 min，閘室灌、泄水時(shí)間為14 min。

(3)其他參數(shù)。葛洲壩新船閘、三峽新船閘，年運(yùn)行天數(shù)335 d，日運(yùn)行24 h，船舶裝載系數(shù)α為0.75，運(yùn)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(jì)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 船型組合對(duì)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(yùn)行方式下的葛洲壩新船閘通過能力見圖4和圖5。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表8。

從圖中可以看出，對(duì)于某一平面尺度，無論是單向運(yùn)行還是雙向運(yùn)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(duì)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(duì)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小；對(duì)于方案2-5、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(duì)于某一平面尺度，無論是單向運(yùn)行還是雙向運(yùn)行，當(dāng)大型船占比50%時(shí)(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(shí)(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(shí)(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(yùn)行方式、閘室尺度的葛洲壩新船閘通過能力對(duì)比

單向運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(duì)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(yùn)行的船閘通過能力是單向運(yùn)行的1.38～1.43倍；對(duì)于400 m×40 m方案，相同船型比例方案下，雙向運(yùn)行的船閘通過能力是單向運(yùn)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(duì)比

表9 三峽新船閘通過能力統(tǒng)計(jì)

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(yùn)行應(yīng)與三峽樞紐船閘的運(yùn)行相匹配，為了運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)的通過能力進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)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(yùn)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(duì)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(yùn)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(duì)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(shí)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(shí)船閘通過能力隨著22 m寬船舶占比增加而先增加后減小；當(dāng)大型船占比大于60%時(shí)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(yùn)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(yùn)行的船閘的通過能力比單向運(yùn)行的更大。當(dāng)葛洲壩新船閘平面尺度為400 m×40 m時(shí)，雙向運(yùn)行的通過能力是單向運(yùn)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(shí)，雙向運(yùn)行的通過能力是單向運(yùn)行的1.38～1.43倍。

(4)葛洲壩新船閘能夠匹配三峽新船閘運(yùn)行。在葛洲壩新船閘單向運(yùn)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(shí)，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(shí)，三峽新船閘通過能力是葛洲壩新船閘的0.84～0.91倍。