新建長江三峽通航水梯的設(shè)想

摘 要：三峽船閘貨物通過量提前20年達(dá)到設(shè)計(jì)值，現(xiàn)有船閘通航壓力越來越大。為了保證三峽大壩通航能力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)，文章利用相關(guān)理論與數(shù)據(jù)論證了新建三峽通航設(shè)施的必要性，提出再建長江三峽通航水梯的初步構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：三峽船閘 貨物通過量 通航設(shè)施 水梯

三峽工程促進(jìn)了長江航運(yùn)的快速發(fā)展，2003年來三峽船閘通過量保持14%的高速增長，2011年底達(dá)到一億噸的設(shè)計(jì)通過量。今年3月南線船閘計(jì)劃性歲修與葛洲壩一號船閘大修期間，三峽壩區(qū)上下游日均積壓船舶超過600艘，非應(yīng)急物資船舶平均待閘時(shí)間達(dá)7天，創(chuàng)出待閘船舶數(shù)量、待閘時(shí)間的歷史記錄，三峽船閘通過能力船閘通航能力成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，研究船舶過壩新通道問題，對保障三峽航運(yùn)安全暢通具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

新建三峽通航設(shè)施的必要性論證

葛洲壩船閘與三峽船閘通航能力不匹配。葛洲壩與三峽船閘對應(yīng)的閘室面積相當(dāng)，數(shù)量相同，船舶通過效率相等，實(shí)際上由于級數(shù)的差別，船閘通過能力存在差異。船閘通過能力由一次過閘平均噸位、日過閘次數(shù)、船舶裝載系數(shù)、年通航天數(shù)、運(yùn)量不均衡系數(shù)五種因素決定。不考慮葛洲壩一號船閘最低水深5.5m和三峽船閘5m之間差異的影響，兩壩的實(shí)際通過能力比值由各自的日過閘次數(shù)、年通航天數(shù)決定。實(shí)際聯(lián)合運(yùn)行中兩壩通過量比值僅為1.04倍，緣于葛洲壩船閘通航潛力尚未挖掘，一號船閘維修期間，二、三號船閘通過量同比分別增加56.2%、68.9%，如果更新葛洲壩船閘其控制系統(tǒng)、啟閉動(dòng)力，增加閘前靠泊設(shè)施，優(yōu)化調(diào)度和錨地管理，拓寬引航道寬度，保證兩壩船閘相同設(shè)備性能、保養(yǎng)管理技術(shù)水平，葛洲壩實(shí)際通航能力與三峽大壩比值可達(dá)2倍。

三峽船閘通過能力不及過閘需求。在充分保障船閘運(yùn)行效率、運(yùn)輸組織效率之下，影響船閘通過能力在于閘室平面尺度利用率與閘室水深利用率。采取縮短船舶進(jìn)出閘室時(shí)間等措施，日均閘次最多增加2次，年總閘次由10347次提高至11000次。近年閘室平面尺度利用率達(dá)90%以上，閘室水深還有一定的富裕，2010年下行船舶平均吃水為3.42m，如果改善過閘船舶的船型結(jié)構(gòu)，降低過閘吃水控制系數(shù)，年平均吃水可提高至4.2m。由此測算三峽船閘年通過量極限值為1.83億噸。現(xiàn)有通航設(shè)施通航能力與過閘需求達(dá)到平衡的時(shí)間不晚于2018年底，2020年三峽大壩將面臨2561萬噸貨物的通航壓力，2030年將有2.6億噸貨物的通航壓力。

三峽與葛洲壩船閘平面尺度限制大型船舶的通過率。航道建設(shè)的投入和成庫后三峽航行條件的改善，為船舶大型化提供了客觀條件，過度的市場競爭加快推進(jìn)了船舶大型化，同時(shí)也提高了各類船舶的經(jīng)營保本載重噸位，干散類船舶保本噸位已至3000噸，船舶大型化趨勢難以改變，過閘船舶大型化在所難免。目前過閘船舶中額定載重5000噸級以上的比重超過13%，3000噸級以上船舶比重提高至28%以上，而1000噸級以下船舶比例減少至20%，過閘船舶超過3000載重噸的趨勢日趨明顯。十二五期，隨著技術(shù)升級與資金投入，長江干線高等級深水航道將延伸，干線全程航道水深可能提高1m，中游航道豐水期達(dá)5m以上，現(xiàn)有船閘尺度將是大型標(biāo)準(zhǔn)船型不可回避的唯一的約束條件，三峽與葛洲壩船閘寬度限制船舶大型化問題必須引起高層管理者的重視。

三峽船閘吃水控制與中游水位不同步。三峽大壩發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)的綜合功能，為了調(diào)節(jié)汛期洪水，三峽大壩于每年5月開始騰庫迎汛，三峽水位從175 m消落至145m，此時(shí)第一閘首門檻水深僅有5.5m，按照放寬后的新吃水控制標(biāo)準(zhǔn)，船舶限制吃水為3.5m左右，而中游河段水深可達(dá)5m。為了確保下半年枯水季節(jié)的發(fā)電量，每年9月至11月三峽大壩蓄水至175m，第一閘首門檻水深最大達(dá)35m，此時(shí)船舶吃水由閘室水深控制，可達(dá)4.5m，但中游河段處于最低水位，船舶控制吃水3米左右。兩者水位不同步時(shí)間累計(jì)長達(dá)6個(gè)月以上。枯水期水位不同步的問題可以通過中游航道整治來解決，而豐水期水位不同步的問題必須新建三峽通航設(shè)施才能彌補(bǔ)。

新建通航水梯的設(shè)想

1、水梯的主要構(gòu)造

在長江干線再建三峽通航設(shè)施，一定要揚(yáng)長避短，吸納三峽升船機(jī)、葛洲壩船閘的級數(shù)少、過閘快、通航能力強(qiáng)的優(yōu)勢以及五級船閘建設(shè)技術(shù)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，避免三峽船閘級數(shù)多、通過保障率不高、寬度不恰當(dāng)?shù)牧觿荩Ｕ闲峦ê皆O(shè)施在未來50年甚至更長時(shí)間內(nèi)符合發(fā)展要求。

新通航設(shè)施的閘室尺度取決于設(shè)計(jì)船型的組合寬度和吃水，基本經(jīng)濟(jì)制度保證了民營經(jīng)濟(jì)長期發(fā)展，從而確定了自航船在將來很長時(shí)間內(nèi)的主流地位，設(shè)計(jì)船型必定為自航船。適度競爭趨勢不可逆轉(zhuǎn)，船舶經(jīng)營保本噸位繼續(xù)緩慢提高，如果船舶經(jīng)營保本噸位每十年提高1000噸，50年后將達(dá)8000噸。因而設(shè)計(jì)船型可選定為8000噸標(biāo)準(zhǔn)自航船，過閘組合方式為4x8000t。據(jù)此，新通航設(shè)施的閘室寬度為46m，長度為280m，最低水深7.5m。

新建通航設(shè)施級數(shù)無疑要選擇單級，以保障過閘時(shí)間和設(shè)備保障率。單級通航設(shè)施上下水位差接近120m，大于其設(shè)計(jì)寬度，而且下閘門高度不可能達(dá)120 m，必須設(shè)計(jì)成封閉式閘門，新建通航設(shè)施的外形與閘門類似于一般電梯，本文姑且稱其為水梯。水梯與三峽船閘臨同一水庫，水梯頂部高程與三峽第一閘首應(yīng)一致。水梯上引航道最低水深必須達(dá)到7.5m，而三峽船閘第一閘首檻上最小水深為5.5m，所以水梯上閘門門檻高程較三峽船閘第一閘首門檻低2m。

水梯的閘門可參照船閘設(shè)計(jì)總規(guī)范，設(shè)計(jì)成對開人字型梯門，其寬度均為水梯寬度的一半，即23m。上梯門的高度由三峽水庫高低水位、船舶最低吃水決定，依照三峽閘門高38.5 m、寬20.2 m、厚3m的尺度和水梯上閘門門檻與三峽船閘2m的高程差，可以測算水梯上閘門高度為40.5m。下梯門為封閉式閘門，其高度與過閘船舶的型高有關(guān)，8000噸位船舶型高約為28m，依照內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮豐水期下引航道水位的抬高的影響，通航凈空高度取10m，下梯門的高度至少要達(dá)38m。

梯井高度由枯水期上下水位的落差決定，而落差與選址密切相關(guān)。如果選擇在現(xiàn)有兩線船閘附近新建水梯，則梯井的高度稍大于豐水期的落差112m，約為115m。如果水梯選址遠(yuǎn)離現(xiàn)有兩線船閘，梯井下部水位受下引航道的走向、比降、水深等因素影響，兩壩相距56公里，水位差達(dá)10m，水梯下引航道的比降應(yīng)少于兩壩間比降，下引航道最大水位差不應(yīng)大于5m，此時(shí)梯井的高度大約為120m，本文按此最大值計(jì)算梯井高度。

2、水梯的通航性能

過閘時(shí)間方面，水梯類似單級船閘，迎向運(yùn)行的通航效率最好，迎向運(yùn)行時(shí)每梯次船舶進(jìn)梯、出梯共約25分鐘，開關(guān)梯門約10分鐘，如果輸水時(shí)間與三峽五個(gè)船閘泄或沖水時(shí)間相當(dāng)，約60分鐘（此時(shí)水面升降速度為3.39cm/s），則船舶過梯時(shí)間共計(jì)95分鐘，比通過三峽大壩縮短145分鐘。如果輸水技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，水梯水面升降速度達(dá)到5cm/s，船舶過梯時(shí)間將縮短至75分鐘，節(jié)省過閘時(shí)間達(dá)165分鐘。

通過能力方面，按照每天保養(yǎng)2小時(shí)，運(yùn)行22小時(shí)，則每天每梯最多運(yùn)行17梯次，每年單向運(yùn)行6205梯次。每梯次可實(shí)現(xiàn)船舶4000-5000噸船舶與萬噸級船舶組合，5000-7000噸級與9000-10000噸級組合，解決5000噸級以上船舶組合過壩問題。水梯雙向年通過能力可達(dá)3.9億噸，極限能力達(dá)4.5億噸。

水梯通過水面快速升降而保障船舶快速過閘，所以水梯在耗水量方面相比五級船閘稍大，為了節(jié)省每梯次的耗水量，南北水梯之間可設(shè)有閘門，實(shí)行南北梯交替上下運(yùn)行，下行梯為上行梯輸水，根據(jù)船閘規(guī)范公式Q=q+nV/86400 （q為梯門漏水損失，V為一次過梯用水量），計(jì)算出水梯的每天平均耗水量為309每秒立方。

3、幾個(gè)關(guān)鍵問題

選址方面，一般要考慮綜合水文、地質(zhì)、地貌安全技術(shù)要求和文物古跡、名勝游覽地和生態(tài)資源保護(hù)要求，而再建項(xiàng)目更多考慮施工擾動(dòng)問題，確保新項(xiàng)目不影響現(xiàn)有通航實(shí)施安全運(yùn)行。根據(jù)衛(wèi)星地圖的數(shù)據(jù)，筆者試選三峽壩上龍?zhí)镀航?jīng)混丘、廟溝至樂天溪大橋，水梯建在廟溝，與大壩直線距離4800m，上引航道約為5300m下引航道約為1500m，巖石開挖量為1.28億立方。如果在保證安全爆破施工的前提下，于北線船閘北面附近新建水梯，開挖量僅需0.125億立方。兩種選址方案各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)投資額度、建設(shè)周期、新址花崗巖裂隙以及施工技術(shù)等情況綜合比選確定。

水梯的水頭較大，有自身特殊的技術(shù)難題：①梯門構(gòu)造問題，梯門面積達(dá)1600㎡，根據(jù)現(xiàn)行船閘規(guī)范，當(dāng)閘門或封閉孔口面積大于400㎡，需專門研究。尤其下梯門承受的壓力較大，除外形上可設(shè)計(jì)成反向弧形外，還必須應(yīng)用新合金材料，滿足剛度與強(qiáng)度要求。②水梯主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，水梯外形較大，運(yùn)行荷載大，花崗巖的底部持力層可以保證底部抗壓、抗彎性能本，但也需滿足抗抗傾、抗浮穩(wěn)定性能要求。③梯門啟閉機(jī)布置問題，下閘門工作時(shí)梯井面完全被水覆蓋，梯門啟閉機(jī)僅能布置其外側(cè)，需要精心設(shè)計(jì)。④水壓發(fā)電技術(shù)問題。南北水梯之間，梯上與梯井、梯井與下引航道之間存在較大的落差，每梯次每水道的落差水壓存續(xù)時(shí)間約為25分鐘，如能利用發(fā)電，既可通過發(fā)電機(jī)組消能而保障梯井水面流態(tài)平穩(wěn)，又能解決電機(jī)啟動(dòng)、照明、控制系統(tǒng)用電，但需要解決水壓漸變、發(fā)電儲備等技術(shù)問題。

配套建設(shè)方面，新建水梯后，三峽大壩設(shè)計(jì)通航能力達(dá)到4.9億噸，極限能力達(dá)到6.3億噸，而葛洲壩正常通航能力到2億噸，極限能力約為3億噸，將出現(xiàn)明顯反差。為了平衡兩壩通過能力，可以改建葛洲壩三號船閘，將其寬度拓展到46m，長度延長至540 m，同時(shí)提高三江航道水深；或者在葛洲壩南岸新建雙線單級船閘。