船舶進出船廂對三峽升船機對接鎖定機構(gòu)受力的影響分析*

郭 超，李中華，胡亞安

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

三峽升船機是三峽樞紐兩大過壩通道之一，設(shè)計過船規(guī)模為3 000噸級，船廂有效尺寸120 m×18 m×3.5 m(長×寬×水深)，提升質(zhì)量15 500 t，最大提升高度113 m。三峽升船機采用齒輪齒條爬升式全平衡垂直升船機形式，主要為客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道。

船舶進出三峽升船機船廂過程中，由于船舶的阻塞效應(yīng)，會將大量水體推入或推出船廂，引起船廂內(nèi)水體質(zhì)量發(fā)生變化；同時船舶首尾的水面壅高和降低會在船廂內(nèi)形成縱向水面坡降，對船廂產(chǎn)生縱向傾斜力矩。船廂側(cè)水體質(zhì)量變化和水面波動產(chǎn)生的縱向傾斜力矩均由船廂對接鎖定機構(gòu)承擔，如果船廂側(cè)的荷載變化超過對接鎖定裝置的允許值，將影響船廂的對接安全[1]。

1 對接鎖定機構(gòu)工作原理

船廂對接鎖定機構(gòu)在船廂與上下閘首對接期間，承擔船廂側(cè)的豎直荷載變化[2]。三峽升船機船廂側(cè)翼上共有4套螺桿式鎖定機構(gòu)，裝設(shè)在4套安全機構(gòu)旋轉(zhuǎn)螺桿的正上方，螺桿由可開、合的上下兩段鎖定塊構(gòu)成。當船廂在空中正常運行時，鎖定塊閉合后隨安全機構(gòu)螺桿旋轉(zhuǎn)；在升船機船廂上下游對接過程中，鎖定塊張開將船廂鎖定，船廂不平衡力經(jīng)安全機構(gòu)傳至鎖定機構(gòu)。受樞紐非恒定流水位波動、船舶進出廂水面波動等諸多因素影響，船廂側(cè)荷載可能會發(fā)生較大變化，進而導(dǎo)致鎖定機構(gòu)受力較大，因此，在升船機對接過程中，鎖定機構(gòu)的受力是否會超過其設(shè)計承載力是普遍關(guān)心的問題。

據(jù)三峽升船機總體設(shè)計報告，對接鎖定機構(gòu)允許的最大荷載為船廂水深±0.6 m的水體所受重力變化，每套鎖定機構(gòu)的設(shè)計載荷為3 700 kN。

2 船舶進出船廂模型試驗設(shè)計

建立了比尺為1:12的三峽升船機船廂及下游引航道物理模型，針對現(xiàn)有長江流域通行較多的3 000 t散貨船開展船舶進出船廂的水動力模型試驗，分析船舶吃水、水面波動、船舶進出船廂的速度與鎖定機構(gòu)受力間的關(guān)系，以確定合理的船舶進出船廂的航速。模型模擬范圍包括升船機船廂、下閘首、船舶停泊段以及700 m左右的下游引航道(圖1)，模型平面尺寸為90 m×20 m。

圖1 三峽升船機船廂及下游引航道物理模型

采用牽引系統(tǒng)拖曳船舶模型進行船舶進出船廂的水力學(xué)測試，在船廂及引航道模型航線的上方設(shè)置兩道導(dǎo)向軌道，通過在軌道上運行的牽引裝置，拖曳船舶模型按設(shè)定的速度和航線航行，保證船舶在船廂及引航道模型航行時航速恒定，避免碰壁[3]。在船廂及下游引航道模型內(nèi)共布置了20只波高儀，用于測量船模航行過程船廂及下游引航道內(nèi)的水位波動特性。試驗船舶采用3 500 t散貨船，船舶模型幾何比尺也為1:12。船舶原型設(shè)計尺度及試驗尺度見表1。

表1 試驗船型設(shè)計尺度及試驗尺度

3 船舶進出船廂時對接鎖定機構(gòu)水動力荷載變化

圖2是上述1:12三峽升船機船廂及下游引航道物理模型實測的3 500 t散貨船以v=0.5 ms出船廂不同時刻船廂內(nèi)的瞬時水面線。由圖2可見，船舶出廂時船廂內(nèi)水面線呈周期性變化。對船廂內(nèi)瞬時水面線沿船廂長度方向進行積分，可以得出船廂總體水體所受重力和縱向傾斜力矩瞬時變化，由船廂4套對接安全鎖定機構(gòu)位置可以計算出鎖定機構(gòu)所受豎向荷載。根據(jù)三峽升船機總體設(shè)計報告，對接鎖定機構(gòu)允許的最大荷載為船廂水深±0.6 m的水體所受重力變化，對應(yīng)單個對接鎖定機構(gòu)允許最大荷載折合水體質(zhì)量約為360 t左右，為保障船廂對接鎖定機構(gòu)安全，船舶進出船廂時水面波動變化引起的荷載變化折合水體質(zhì)量不應(yīng)超過360 t。

圖2 典型船舶出船廂時船廂內(nèi)不同時刻瞬時水面線

圖3為物理模型實測的船廂水深3.5 m時3 500 t散貨船進出船廂時船廂內(nèi)水體所受重力變化和傾斜力矩作用于鎖定機構(gòu)的最大荷載對比，表2為物理模型實測的船廂水深3.5 m時3 500 t散貨船以不同航速出船廂時船廂內(nèi)水體所受重力變化和傾斜力矩作用于鎖定機構(gòu)的最大荷載。

圖3 典型船型進出船廂鎖定機構(gòu)最大荷載變化折合水體質(zhì)量對比

由圖表可知，3 500 t散貨船(船舶吃水h=2.5 m)以0.3、0.5、0.8 ms速度出船廂，計算得鎖定機構(gòu)最大荷載變化折合水體質(zhì)量分別為64.2、109.2、240.3 t；以0.3、0.5、0.8 ms的相同速度進船廂，鎖定機構(gòu)最大荷載折合水體質(zhì)量分別僅為46.0、79.8、96.2 t。相同航速及船舶吃水條件下，船舶出廂時船廂側(cè)水動力變化作用在鎖定機構(gòu)上的荷載要大于船舶進廂時的荷載。可見，相同進出廂條件下，船舶出廂過程是船廂對接鎖定機構(gòu)的水動力荷載設(shè)計控制工況，并且船舶出廂過程水動力荷載與船舶航速正相關(guān)。

船舶進出船廂時船廂水體質(zhì)量變化及水面波動產(chǎn)生的傾斜力矩均會對4個對接鎖定機構(gòu)產(chǎn)生水動力荷載，對接鎖定機構(gòu)荷載變化可以等效用船廂內(nèi)水深平均變化hf表示。將等效荷載水深變化hf(m)、船速v(ms)、船廂水深H(m)和斷面系數(shù)n等變量無量綱化，并記繪制的hf-K關(guān)系曲線見圖4。根據(jù)表2中試驗資料[4]，將上述hf-K關(guān)系通過最小二乘法進行擬合，得到3 500 t散貨船等效荷載水深變化hf與v、H、n間存在以下關(guān)系：

表2 物理模型實測3 500 t散貨船出廂過程水動力荷載變化

圖4 典型3 500 t散貨船出船廂時等效荷載水深變化與特征參數(shù)關(guān)系

(1)

可以根據(jù)公式(1)對3 500 t散貨船不同吃水和航速進出船廂時三峽升船機對接鎖定機構(gòu)最大水動力荷載進行快速估算。

4 考慮鎖定機構(gòu)荷載受力的船舶進出船廂吃水控制標準

根據(jù)式(1)計算的不同船廂水深條件下，船舶不同吃水出船廂時鎖定機構(gòu)受到的等效荷載水深變化見表3、圖5。

圖5 3 500 t散貨船吃水與鎖定機構(gòu)附加水動力荷載關(guān)系(v=0.5 ms)

船廂與下游對接時，由于非恒定流變化產(chǎn)生的船廂失水對于船廂鎖定機構(gòu)受力是較為危險的工況[5]。三峽升船機對接過程引航道非恒定流允許最大水位變化為0.5 mh，根據(jù)模型試驗及現(xiàn)場觀測資料，船舶進出船廂過程應(yīng)考慮20 cm的非恒定水位變化。三峽升船機對接船廂內(nèi)外最大允許水位差10 cm，船廂水深應(yīng)考慮對接產(chǎn)生的水位誤差10 cm。結(jié)合三峽升船機對接鎖定機構(gòu)允許荷載折合為船廂水深±0.6 m水體質(zhì)量變化，船廂對接過程船舶出船廂時可能出現(xiàn)以下3種狀況：

1)船廂水深為設(shè)計水深3.5 m。船舶出廂時出現(xiàn)0.2 m非恒定流水面波動，則船舶出船廂過程船廂側(cè)產(chǎn)生的等效荷載變化折合船廂水體質(zhì)量不應(yīng)超過0.4 m。

2)若船廂門開啟前出現(xiàn)設(shè)計允許±0.1 m水位差，則船廂水深最低為3.4 m，考慮船舶出廂過程出現(xiàn)0.1 m非恒定流水面波動，船廂側(cè)產(chǎn)生的等效荷載變化折合船廂水體質(zhì)量不應(yīng)超過0.4 m。

3)若船舶出廂前出現(xiàn)0.2 m非恒定水流波動，則船廂水深最低為3.3 m，船廂側(cè)產(chǎn)生的等效荷載變化折合船廂水體質(zhì)量不應(yīng)超過0.4 m。

綜合上述船舶進出船廂水深變化情況，確定船廂側(cè)產(chǎn)生的等效水深變化不應(yīng)大于0.4 m。結(jié)合表3中船舶吃水和鎖定機構(gòu)附加水動力荷載的關(guān)系可知：船廂水深為3.3 m、3 500 t散貨船吃水2.75 m、船舶以0.5 ms速度出船廂時，鎖定機構(gòu)所受最大荷載等效于船廂均勻失水0.413 m，已達到三峽升船機設(shè)計極限工況。因此，僅考慮鎖定機構(gòu)荷載受力情況，3 500 t散貨船進出船廂速度0.5 ms時，建議船舶吃水≤2.70 m。

表3 3 500 t散貨船吃水與鎖定機構(gòu)附加水動力荷載關(guān)系

5 結(jié)語

1)船舶進出船廂過程中，在相同的航速和船廂水深等進出廂條件下，船舶出廂過程是對船廂對接鎖定機構(gòu)船廂水動力荷載的設(shè)計控制工況。

3)考慮可能的船舶進出船廂水位變化情況，為保證鎖定機構(gòu)荷載受力安全，建議3 500 t散貨船進出船廂速度0.5 ms時，船舶吃水≤2.70 m。

4)船舶進出三峽升船機船廂航速標準的確定還須全面考慮船型參數(shù)、船舶吃水、船舶下沉量、船底安全富裕量等多方面因素。