銅灣水電站船閘通過能力計(jì)算分析

葛國華 林海泉

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

銅灣水電站工程位于沅水干流中游湖南省懷化市中方縣境內(nèi)，壩址位于中方縣銅灣鎮(zhèn)上游0.5km處，距懷化市49km。本工程為《沅水河流規(guī)劃報(bào)告》（湖南省境內(nèi)部分）中沅水干流梯級(jí)開發(fā)方案中湖南省境內(nèi)第五級(jí)電站，下接清水塘電站庫尾，上與安江電站尾水銜接，是一個(gè)以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)等綜合利用的水電工程。工程壩址控制流域面積41720km2，占全流域面積的46.8%，壩址多年平均流量863m3/s。

沅水航道歷來是聯(lián)結(jié)湘黔兩省水上運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，目前干流中下游大江口至德山段的貨運(yùn)量超過600萬t，隨著兩省經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)沅水航運(yùn)干線要求越來越高，因此進(jìn)一步加速沅水航運(yùn)干線的建設(shè)是沅水開發(fā)的任務(wù)之一。

銅灣水電站工程位于洪江～江口河段，湖南省航務(wù)管理局湘航務(wù)函字［2004］21號(hào)《關(guān)于銅灣水電站樞紐有關(guān)通航問題的復(fù)函》稱：銅灣水電站所在航道已評(píng)定為Ⅳ級(jí)航道，因此銅灣水電站通航建筑物應(yīng)按Ⅳ級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通航設(shè)計(jì)。通航500t級(jí)船舶。

1.2 基本參數(shù)

1.2.1 船閘基本參數(shù)

設(shè)計(jì)船型：500t級(jí)船舶或300t級(jí)1頂2駁船隊(duì)閘室有效尺度：100m×12m×3m（長×寬×門檻水深）引航道直線段最小長度：200m；引航道底寬：30m。

1.2.2 設(shè)計(jì)水位

根據(jù)交通部《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》和本工程水庫調(diào)度運(yùn)行原則，當(dāng)天然流量大于2年一遇的洪水流量Q=8900m3/s時(shí)，此時(shí)航道停航。

船閘設(shè)計(jì)水位取定如下（國家85高程）：

下游設(shè)計(jì)最高通航水位按下泄2年一遇的洪水流量Q=8900m3/s確定為：▽145.55m。

上游設(shè)計(jì)最高通航水位按水庫正常蓄水位為：▽152.50m。

下游設(shè)計(jì)最低通航水位按通航保證率95%取為：▽138.10m。

上游設(shè)計(jì)最低通航水位按水庫死水位為：▽150.50m。

上游校核洪水位按洪水重現(xiàn)期500年取定為：▽158.41m。

上游設(shè)計(jì)洪水位按洪水重現(xiàn)期50年取定為：▽154.02m

上游檢修水位取樞紐正常蓄水位為：▽152.50m。

下游檢修最高水位按枯水期5年一遇洪水定為：▽142.45m。

2 船閘通過能力分析

船閘通過能力是船閘的一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它是指單位時(shí)間內(nèi)船閘通過的貨物總噸數(shù)。為了便于衡量船閘通過貨物能力是否滿足客運(yùn)、貨運(yùn)輸過閘的需要，通常以年為單位，即船閘1年通過貨物的總噸數(shù)。此外還有船舶通過能力，即船閘1年通過的船舶總噸數(shù)。

2.1 影響船閘通過能力的因素

影響船閘通過能力的因素很多。首先是內(nèi)部因素，即設(shè)計(jì)確定的技術(shù)條件，或稱技術(shù)指標(biāo)。包括船閘設(shè)計(jì)水頭和灌泄水時(shí)間、閘門形式和啟閉時(shí)間、閘室有效尺度、引航道尺度和布置、導(dǎo)航和靠船建筑物布置等。其次是外部因素，是由客觀條件決定的。如過閘船型、船隊(duì)的類型和組成、各類船舶的尺度、載量及技術(shù)條件；洪枯水期天數(shù)以及氣象條件，如風(fēng)、雪、冰凍對(duì)通船期的影響。其三是管理因素。如管理人員的技術(shù)水平、熟練程度、工作效率、控制系統(tǒng)的靈敏性、事故處理及檢修能力及技術(shù)水平等。

2.2 船閘過閘方式和時(shí)間

單級(jí)船閘過閘方式有單向和雙向兩種，連續(xù)多級(jí)船閘還有成批過閘，本船閘屬單級(jí)船閘。

2.2.1 船舶過閘各項(xiàng)操作指標(biāo)

（1）船舶進(jìn)出閘時(shí)間。根據(jù)船舶進(jìn)出閘速度和運(yùn)行距離確定。

a.船舶進(jìn)出閘運(yùn)行距離：

單向過閘：

進(jìn)閘：L1=Lc（1+α1）

出閘：L1’=Lc（1+α1’）

雙向過閘：L2=Lc（1+α2）+l1+l2

式中Lc——閘室有效長度（m），Lc=100m；

α1、α1’、α2——系數(shù)，可取 α1=0.4～0.5，α1’=0.1～0.2，α2=0.1～0.2，此處各取 0.45、0.15、0.15；

l1、l2——引航道第一、二段長度（m），此處各取100m。

經(jīng)計(jì)算，L1=145m，L1’=115m，L2=315m。

b.船舶進(jìn)、出閘時(shí)間：

單向過閘：

進(jìn)閘：t1=L1/v1

出閘：t4=L1’/v1’

雙向過閘：

進(jìn)閘：t1’=L2/v2

出閘：t4’=L2/v2’

式中v1、v1’、v2、v2’——船舶進(jìn)、出閘平均速度（m/s）。

查表知：v1=0.5，v1’=0.7，v2=0.7，v2’=1.0。

經(jīng)計(jì)算，t1=4.8s，t4=2.7s，t1’=7.5s，t4’=5.3s。

（2）閘門啟閉時(shí)間。閘門啟閉時(shí)間與閘門形式和閘首口門寬度有關(guān)，閘首口門寬度小于20m時(shí)，閘門啟閉時(shí)間約為（1～2）min。

此處閘門啟閉時(shí)間t2取2min。

式中H——船閘設(shè)計(jì)水頭（m），此處取最大工作水頭，H=152.5-138.1=14.4m；

LC——閘室計(jì)算長度（m）；

Bc——閘室有效寬度（m），Bc=12m；

k——系數(shù)，本船閘為集中輸水系統(tǒng)，集中輸水系統(tǒng)采用0.27。

經(jīng)計(jì)算，t3=7min。

（4）船舶進(jìn)出閘時(shí)間間隔。當(dāng)同一閘次容納兩只或兩只以上的船舶通過時(shí)，就需計(jì)算第一船隊(duì)（船只）啟動(dòng)時(shí)間間隔，其間隔時(shí)間與船型、駕駛員技術(shù)水平以及引航道尺度和布置等因素有關(guān)，一般可取（3～10）min。 此處船閘進(jìn)出閘時(shí)間間隔 t5取 7min。

2.2.2 一次過閘時(shí)間

一次過閘時(shí)間是指船舶過閘時(shí)，船閘完成循環(huán)運(yùn)行操作所需時(shí)間，決定于船舶進(jìn)出船閘時(shí)的運(yùn)行速度和船閘的技術(shù)指標(biāo)。

（1）單向一次過閘時(shí)間。船舶單向連續(xù)通過單級(jí)船閘，按閘室水位與下游水位平齊，下閘門已開，船舶由下游駛向上游的操作程序和所需時(shí)間如下：

船舶從下游進(jìn)入閘室—→關(guān)閉下閘門—→閘室灌水—→開上閘門—→船舶。

駛出閘室進(jìn)入上游—→關(guān)上閘門—→閘室泄水—→開下閘門。

按以上程序，單向一次過閘時(shí)間為：

式中T1——單向一次過閘時(shí)間（min）；

t1——單向第一個(gè)船隊(duì)進(jìn)閘時(shí)間（min）；t2——開門或關(guān)門時(shí)間（min）；

t3——閘室灌水或泄水時(shí)間（min）；

t4——單向第一個(gè)船隊(duì)出閘時(shí)間（min）；

t5——船舶、船隊(duì)進(jìn)閘或出閘閘隔時(shí)間（min）。

（2）雙向一次過閘時(shí)間。雙向過閘是指一個(gè)方向的過閘船舶出閘后，停靠在靠船碼頭等候過閘（或根據(jù)控制系統(tǒng)安排的船隊(duì)已到達(dá)）的相反方向的船舶迎向進(jìn)閘，故又稱迎向過閘。按閘室水位與下游水位平齊，下閘門已開，從船舶由下游駛向上游開始，其程序如下：

船舶從下游進(jìn)入閘室—→關(guān)閉下閘門—→閘室灌水—→開上閘門—→船舶駛出閘室進(jìn)入上游—→船舶自上游駛?cè)腴l室—→關(guān)上閘門—→閘室泄水—→開下閘門—→船舶駛出閘室進(jìn)入下游。

按以上程序，雙向一次過閘時(shí)間為：

式中T2——上、下行各一次的雙向過閘時(shí)間（min）；

t1’——雙向第一個(gè)船隊(duì)進(jìn)閘時(shí)間（min）；

t4’——雙向第一個(gè)船隊(duì)出閘時(shí)間（min）。

經(jīng)計(jì)算，船舶單向成批過閘一次歷時(shí)T1=43.5 min，船閘雙向一次過閘時(shí)間T2=75.5min。

經(jīng)計(jì)算，得T=40.6min。

2.3 船閘通過能力計(jì)算

2.3.1 參 數(shù)

（1）船閘日工作小時(shí)（τ）。應(yīng)根據(jù)船閘的具體條件確定。在晝夜均可通航的條件下一般采用（20～22）h。此處船閘日工作小時(shí)τ取21h。

式中 τ——日工作小時(shí)。

經(jīng)計(jì)算，得n=31。

（3）船閘年工作天數(shù)（N）。船閘不可能做到全年365天都工作，而應(yīng)從全年日歷天數(shù)減去檢修、事故、清淤、洪水和枯水、封凍、風(fēng)、霧等因素造成的停航天數(shù)。

式中N1——高于最高通航水位斷航天數(shù),取12d；

N2——低于最低通航水位斷航天數(shù)，取11d；

N3——天氣影響斷航天數(shù)，取5d；

N4——檢修斷航天數(shù)，N4=（365-N1）×2%=7d。

經(jīng)計(jì)算，年過閘天數(shù)N=330d。

（4）貨運(yùn)量不平衡系數(shù)（β）。影響貨物不平衡的因素很多，各地區(qū)差別也很大，可根據(jù)船閘規(guī)劃設(shè)計(jì)運(yùn)量調(diào)查分析資料確定，一般采用β=1.3～1.5。

此處貨運(yùn)量不平衡系數(shù)β取1.4。

（5）船舶裝載系數(shù)（α）。它是船舶設(shè)計(jì)裝載量的利用率。與貨運(yùn)品種、批量等因素有關(guān)根據(jù)實(shí)際調(diào)查資料選用，一般可取α=0.55～0.8。

此處船舶裝載系數(shù)α取0.7。

（6）一次過閘平均載重噸位（G）。由于每次通過船閘的船舶不全部是設(shè)計(jì)船隊(duì)（船只），而是由各種噸位不同、尺度不同的船隊(duì)（船只）組成的。所以計(jì)算船閘通過能力時(shí)，不能用設(shè)計(jì)船隊(duì)（船只）計(jì)算，而須用一次過閘平均載重噸位計(jì)算。在一般情況下，一次過閘平均噸位可采用設(shè)計(jì)最大船隊(duì)噸位的25%～70%。

貨運(yùn)船舶一次過閘平均噸位G，此處取G=300t非貨運(yùn)船舶一次過閘平均噸位G’，此處取G’=200t

2.3.2 船閘通過能力計(jì)算

（1）船閘通過貨運(yùn)能力（t）。計(jì)算公式為：

式中n0——晝夜非貨運(yùn)船舶過閘次數(shù)，取n0=4次/d。

經(jīng)計(jì)算，本船閘的年過貨運(yùn)能力為：P=133萬t/a。

（2）年過船舶總噸位。

① 年通過貨船總噸位：P2'=（n-n0）NG

經(jīng)計(jì)算，本船閘的通過貨船總噸位為：P2'=267萬t/a。

② 年通過非貨船總噸位：P2''=n0NG’

經(jīng)計(jì)算，本船閘的通過非貨船總噸位為：P2''=26萬t/a。

③ 年通過船舶總噸位：P2=P2'+P2''

經(jīng)計(jì)算，本船閘的通過船舶總噸位為：P2=293萬t/a。

3 結(jié) 論

經(jīng)計(jì)算，本船閘的年過貨運(yùn)能力為133萬t/a（雙向），通過船舶總噸位為：P2=293 萬 t/a（雙向），其中：通過貨船總噸位為267萬t/a，通過非貨船總噸位為26萬t/a。