優(yōu)化船閘設(shè)計(jì)提高通航能力

姜紅權(quán)

摘 要：三堡船閘年設(shè)計(jì)通航能力為850萬(wàn)噸，目前實(shí)際過(guò)閘量近4000萬(wàn)噸。錢塘江的大潮水使得三堡船閘運(yùn)行安全及通

航能力受到很大的影響。通過(guò)建擋潮閘改善候閘條件，可保障運(yùn)行安全，提高船閘通過(guò)能力。

關(guān)鍵詞：三堡船閘 擋潮閘 安全 效率

京杭大運(yùn)河，是我國(guó)內(nèi)河水運(yùn)唯一的南北向骨干航道，杭州三堡船閘位于京杭運(yùn)河的最南端，是京杭運(yùn)河溝通錢塘江的唯一樞紐工程，由一線船閘和二線船閘組成。一線船閘于1989年2月建成通航，年設(shè)計(jì)通過(guò)能力為300萬(wàn)噸，它的建成結(jié)束了江河相望、咫尺不通的歷史，拓展航程400千米。隨著過(guò)閘量的不斷增加，一線船閘超負(fù)荷運(yùn)行，二線船閘于1993年開工興建，1996年12月投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力為550萬(wàn)噸。兩閘室軸線水平距離為100米，年設(shè)計(jì)總通過(guò)能力850萬(wàn)噸。三堡船閘當(dāng)年建造時(shí)地處杭州城的東南郊，現(xiàn)隨著城市的快速發(fā)展，船閘所處區(qū)域逐漸成了市中心，成了“城閘”。三堡船閘的過(guò)閘量也快速增長(zhǎng)，現(xiàn)在已達(dá)十幾年前的3--4倍，并且呈現(xiàn)出有增無(wú)減的增長(zhǎng)趨勢(shì)。1999年平均過(guò)閘船舶噸位只有93.5噸，至2010年已提高到450噸，一、二線的總通過(guò)能力調(diào)整為1500萬(wàn)噸，2012年過(guò)閘量近4000萬(wàn)噸，也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了調(diào)整后的設(shè)計(jì)通過(guò)能力。

根據(jù)運(yùn)量發(fā)展及杭州市總體規(guī)劃發(fā)展的要求，目前京杭運(yùn)河溝通錢塘江第二通道工程的前期可行性研究工作已開展，但因該工程項(xiàng)目規(guī)模大、技術(shù)復(fù)雜要穿3條高速路和1條滬杭鐵路，國(guó)省道、城市快速路若干條，前期研究工作時(shí)間和項(xiàng)目建設(shè)期都將較長(zhǎng)；從目前至京杭運(yùn)河溝通錢塘江第二通道工程建成投入運(yùn)行的相當(dāng)一段時(shí)間中，三堡船閘仍為溝通兩大水系的唯一通道。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有船閘的改擴(kuò)建，提高通過(guò)能力，適應(yīng)日益增長(zhǎng)的過(guò)閘量要求，已進(jìn)入前期實(shí)質(zhì)性的研究階段。

擋潮閘方案選擇

2011年浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院就三堡船閘改建擴(kuò)能工程進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。方案有①擴(kuò)大閘室尺度；②保留上閘首，新建閘室、下閘首；③將上、下閘首及閘室全部拆除后重建；④接長(zhǎng)現(xiàn)有閘室，保留部分尺度，接長(zhǎng)部分增加尺度；⑤設(shè)置擋潮閘，船閘尺度不變等五大方案。經(jīng)過(guò)從：改造后船閘年通過(guò)能力提高幅度，工程建設(shè)總投資，施工期停航時(shí)間的長(zhǎng)短，工程實(shí)施難度大小，及改造后船舶過(guò)閘的便利程度進(jìn)行了詳細(xì)的方案比選。不同方案的：投資資金從0.5億---2.9億；對(duì)現(xiàn)有船閘運(yùn)行的影響從不0停航到需停航28個(gè)月；通過(guò)能力提高幅度從5.5%----156.8%。經(jīng)過(guò)多方案比較，方案⑤設(shè)置擋潮閘保障運(yùn)行安全提高通航能力，在5個(gè)改造方案中脫穎而出，該方案在國(guó)內(nèi)還屬首創(chuàng)。

在一線上游引航道設(shè)置擋潮閘船閘尺度不變通過(guò)計(jì)算：船閘年通過(guò)能力提高幅度在大潮較少年為5.5%，大潮較多年為24.5%，投資概算為7500萬(wàn)元，施工期為10個(gè)月，無(wú)需停航，對(duì)通航有一定影響。2012年，浙江水利河口研究院對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了數(shù)模實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)了專家組的評(píng)審。

具體方案

三堡船閘的過(guò)閘能力受潮水的影響非常大，在大潮汛期間，船舶只能在離船閘上游27公里的之江錨地避潮，一般情況是潮前3小時(shí)就不放船舶進(jìn)入引航道，而潮水過(guò)后船舶從避潮錨地行駛至上游引航道應(yīng)是潮水過(guò)后4小時(shí)以上了，如果不是這樣船舶受潮水的作用將會(huì)出現(xiàn)險(xiǎn)情，在船閘剛開始運(yùn)行期間，由于對(duì)潮水的認(rèn)識(shí)不足，常有船舶出現(xiàn)海損事故。這樣的情況在潮水大的月份每月有10—15天，每天2次將影響船閘通行時(shí)間達(dá)6—10小時(shí)。因此，潮水在提高錢塘江水位的同時(shí)，也使船閘的運(yùn)行時(shí)間大打折扣。如果能在水工設(shè)施上加以改進(jìn)，建造擋潮閘，最大限度地減小潮水對(duì)船閘運(yùn)行時(shí)間帶來(lái)的影響，在潮水來(lái)前可以把在27公里外的避潮船舶安排到上游引航道避潮。只要調(diào)度科學(xué)合理，在潮水到達(dá)前1—2小時(shí)關(guān)上壩閘，使上游引航道500×60米長(zhǎng)的水域成避潮候閘區(qū)。 擋潮閘大門關(guān)閉后的幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)可以連續(xù)單向把停留在上游引航道的船舶放入京杭運(yùn)河，也可以把運(yùn)河的船放到該水域避潮，使船閘達(dá)到24小時(shí)運(yùn)行的效果，從而較大地提高船閘的通過(guò)能力。

1、擋潮閘主體布置及尺度

根據(jù)三堡船閘上游引航道的地形位置及格局，盡量擴(kuò)大候閘錨地范圍，結(jié)合施工圍堰及施工期臨時(shí)通航通道的布置，同時(shí)結(jié)合該項(xiàng)目水文泥沙數(shù)值模擬試驗(yàn)，將擋潮閘布置在距上閘首550米處。經(jīng)比較擋潮閘通航孔寬采用單孔23米比采用雙孔2×16米的要合理些，閘孔中心線分布在上游引航道中心線偏東側(cè)。通航建筑物采用連接重力壩結(jié)構(gòu)與防洪堤相接。

2、候閘錨地布置及尺度

根據(jù)上游引航道尺度、擋潮閘的位置及避潮船舶數(shù)量，在擋潮閘內(nèi)共布置避潮船舶停泊段長(zhǎng)650m，其中有效長(zhǎng)東側(cè)300 m、西側(cè)350 m。現(xiàn)有東側(cè)靠墩275m，靠船墻155 m，共計(jì)430m，考慮閘門口預(yù)留一段100 m左右供船舶通行用，現(xiàn)有的東側(cè)靠船建筑物已滿足錨地300m的使用要求，不需再新建 ；西側(cè)350 m為新增靠船墻。

上游引航道底寬60m，計(jì)劃單側(cè)停靠?jī)蓳?00—500t級(jí)船舶，則兩側(cè)四檔船舶總寬度30—35米，中間能通航水域?qū)?5—30米，可滿足單列船舶進(jìn)出閘的要求。大涌潮期間，考慮船閘運(yùn)行、上下游引航道船舶交換，候閘錨地可提供4個(gè)閘次（12條）出閘船舶及5個(gè)閘次（15條）進(jìn)閘船舶避潮。

3、施工期通航通道布置

施工期間對(duì)船閘運(yùn)行影響盡量小，是重要的方案比選依據(jù)。擋潮閘施工期間，進(jìn)出一線船閘的船舶將從一、二線上游引航道分隔堤中局部開挖的施工臨時(shí)通道通航。臨時(shí)通道底寬25m，距離上閘首口門約430m，軸線與一游引航道中心線夾角暫定30°。

通過(guò)能力計(jì)算

1、 一次過(guò)閘平均噸位（G）

三堡船閘一線閘室長(zhǎng)160m，過(guò)閘船舶平均長(zhǎng)50m，每一閘次只能通過(guò)3條船，根據(jù)近年來(lái)的運(yùn)量統(tǒng)計(jì)，平均每閘次運(yùn)量取：1260噸/閘次。

2、 一次過(guò)閘時(shí)間（T）

按照三堡船閘目前運(yùn)營(yíng)實(shí)際情況，經(jīng)多次測(cè)時(shí)得：一次雙向過(guò)閘時(shí)間T雙=54分鐘，一次單向過(guò)閘時(shí)間T單=36分鐘。擋潮閘建成后，過(guò)閘將不受涌潮的影響，為全天候雙向過(guò)閘提供了強(qiáng)有力的硬件基礎(chǔ)。

3、 船閘的日工作小時(shí)（τ）

錢塘江中、小潮汛期間，潮差高度在1米以內(nèi)，船閘可全天24小時(shí)運(yùn)行。大中潮汛期間，采用擋潮閘內(nèi)的引航道避潮候閘錨地，船閘運(yùn)行不再受潮水影響，理論上也可24小時(shí)運(yùn)行。考慮某些時(shí)段水位較低，及船舶的流量的峰谷影響，實(shí)際計(jì)算日工作取22小時(shí)。

4、日平均過(guò)閘次數(shù)（n）

中、小潮汛期間，日平均雙向過(guò)閘次數(shù)（n）

N=τ×60/ T=22.0×60/54=24.44次，取24次。

5、船閘年通航天數(shù)

三堡船閘運(yùn)行受錢塘江、京杭運(yùn)河二大水系水位的常規(guī)影響外，還受涌潮、臺(tái)風(fēng)等特殊氣象條件的影響，根據(jù)近年統(tǒng)計(jì)取310天/年。

6、運(yùn)量不均勻系數(shù)（β）與船舶裝載系數(shù)（α）

根據(jù)三堡船閘運(yùn)行的實(shí)際情況：β=1.15 α=0.85

7、年過(guò)閘船舶總載重噸位

P1=nNG=24×310×1260=937.4萬(wàn)噸。雙向年通過(guò)能力可達(dá)1870萬(wàn)噸，考慮到β=1.15 和α=0.85，單向年過(guò)閘貨運(yùn)量為：P2= P1×α/β=692.9萬(wàn)噸。由此可見，能保持24小時(shí)通航，一線船閘運(yùn)力將有很大提升空間。如在二線船閘上游引航道也建擋潮閘，二線船閘的雙向年通過(guò)能力可達(dá)2500萬(wàn)噸。這樣三堡船閘的年總通過(guò)能力保守估計(jì)可達(dá)4300萬(wàn)噸以上。

擋潮閘建設(shè)的綜合影響

1、國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，論證可行

利用在船閘引航道建擋潮閘來(lái)提高船閘運(yùn)行效率，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做了該項(xiàng)目的水文泥沙數(shù)值模擬，對(duì)閘壩不同位置可能引起的上游引航道的內(nèi)淤積、口門區(qū)沖淤問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)論是可行的。

2、過(guò)閘難度有所增加

擋潮閘的建成，對(duì)進(jìn)出閘的船舶通過(guò)該區(qū)域增加了難度，閘門的設(shè)置已從方案階段的2×16米的雙閘門改20米以上寬底的單閘門，已完成了實(shí)船試驗(yàn)大綱的編寫，將進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)后進(jìn)行通航安全認(rèn)證。

3、對(duì)周邊建構(gòu)筑物影響

對(duì)周邊敏感點(diǎn)的分析，擋潮閘建成后：對(duì)二線上游引航道的淤積情況影響，對(duì)兩岸堤防前沿沖淤分析，對(duì)分隔堤及沿江公路隧道的影響均在可接受范圍內(nèi)。

4、可結(jié)合新城建設(shè)成為新景觀

擋潮閘建成后通過(guò)建筑設(shè)計(jì)可以把啟閉機(jī)房設(shè)計(jì)成一個(gè)亮點(diǎn)，把它和整個(gè)錢江新城融合在一起，成為錢江新城的有機(jī)組成部分。二線的擋潮閘也建成后，可結(jié)合規(guī)劃中的人行景觀橋，把兩條擋潮閘變?yōu)殄X江新城過(guò)河的人行景觀通道，一舉兩得，在取得政府大力支持的同時(shí)還可以爭(zhēng)取部分拼盤建設(shè)資金。

5、可作為二通道備用錨地

在三堡船閘下游8公里左右的京杭運(yùn)河與錢塘江溝通的二通道----八堡船閘建成后受潮水的影響將更大，在大潮期間有效通航時(shí)間將更少，當(dāng)然它可以在建設(shè)中就考慮到把上游引航道建成帶擋潮閘的錨地，但三堡船閘上游錨地可以作為八堡船閘錨地的有力補(bǔ)充，成為一處備用錨地，以致三堡船閘成為備用船閘后，其引航道還能為提高八堡船閘的通過(guò)能力提供硬件保障。

結(jié)語(yǔ)

擋潮閘的建設(shè)還有防洪影響評(píng)價(jià)等要完成，還有一些物模、數(shù)模需要相關(guān)科研、設(shè)計(jì)單位落實(shí)，還有一些技術(shù)前期問(wèn)題要溝通，但作為全國(guó)首例運(yùn)用擋潮閘提高船閘通過(guò)能力、保障運(yùn)行安全，使既有的交通基礎(chǔ)設(shè)施為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)有力的保證，值得我們水運(yùn)工程技術(shù)人員為之探索。

（作者單位：同濟(jì)大學(xué)）