葛洲壩船閘船舶同步出閘運行組織

張 勃，萬 韜，楊 玨

(長江三峽通航管理局 湖北 宜昌 443002)

隨著沿江經(jīng)濟的不斷發(fā)展，船舶日益增長的過壩需求和兩壩船閘通過能力不足之間的矛盾日益突出，需要進一步深挖通航潛力、提高通航效率。船閘閘次運行時間是影響船閘運行效率的重要因素。閘次運行時間包括：船舶進出閘時間、船閘設(shè)備運行時間、船閘充泄水時間等。2011年葛洲壩船閘電氣系統(tǒng)升級改造后，船閘控制水平有了很大的提高，船閘設(shè)備工況良好，船閘設(shè)備設(shè)施運行時間均在設(shè)計值以內(nèi)。目前，為縮短船舶進出閘時間，葛洲壩船閘已經(jīng)采用了導航墻待閘、船舶同步進閘等有效手段，運行效率有了很大提高[1]，但船舶出閘依然采用的是單船逐一出閘的方式，船舶出閘單元多、船舶預留間隔較大。

為縮短船舶出閘時間，本文提出同步出閘方式，即并排停靠的船舶同步移泊到閘室外面，并將這種出閘方式分別命名為“全同步出閘”和“半同步出閘”。“全同步出閘”即船舶出閘均采用兩兩并排的出閘方式；“半同步出閘”即閘室前排船舶采取逐一出閘方式，后排船舶采取同步出閘方式。

1 通航調(diào)度組織研究

1.1 同步出閘的船閘運行方式及應用范圍

1.1.1同步出閘的船閘運行方式

葛洲壩船閘運行有單向和迎向運行兩種方式。因通航建筑物尺寸限制，同步出閘僅在葛洲壩一號船閘和二號船閘實施。一號閘上游設(shè)有躉船供船舶臨時停靠，二號閘上、下游均設(shè)有靠船墩。若船舶采用同步出閘的方式，須解隊后再向航道中心轉(zhuǎn)向。靠船墩上停靠的船舶會影響出閘船舶轉(zhuǎn)向的航跡，加大船舶駕駛難度，增加船舶碰撞的風險。因此組織船舶同步出閘的船閘運行方式宜為單向運行。

1.1.2同步出閘的應用范圍

一號閘所處的大江航道受出、入庫流量影響較大，因此在長江主汛期不宜采用同步出閘方式組織船舶出閘。一號閘下游受二江泄水閘出流折沖大江航道的影響，下游航道流速和波浪很大，加上航道彎曲，船舶同步出閘駕引難度高。因此一號閘下行時只有設(shè)立“虛擬閘室”(即在副導航墻以外沿著導航墻劃設(shè)一塊尺寸和閘室大小一樣的區(qū)域)來實施船舶同步出閘。一號閘處于非汛期時，船舶上行可以實施同步出閘，但由于導航墻長度的限制，不能滿足虛擬閘室停靠的方式來進行同步出閘。

二號閘所處三江航道，水流條件相對穩(wěn)定，能滿足組織船舶上、下行同步出閘的要求。二號閘下行可考慮虛擬閘室停靠來實施船舶同步出閘，但二號閘下游導航墻延長線上有淺點，出閘船舶須考慮淺水效應影響，謹防擱淺。二號閘上行可以實施船舶同步出閘，但由于導航墻長度的限制，不能滿足虛擬閘室停靠的方式來進行同步出閘。

1.2 船舶過閘調(diào)度組織

1.2.1過閘船型選取

為了降低船舶出閘時的擠卡風險和同步出閘時船間效應的影響，同步出閘前期應用時宜通過調(diào)度手段選取干舷高度、吃水、長度相近的船型實施，以免側(cè)壓擠碰損壞船舶設(shè)施。

1.2.2各船閘間船舶過閘調(diào)度

三號閘和二號閘共處三江航道，二號閘若實施同步出閘須通過調(diào)度手段避免出現(xiàn)進出二、三號閘的船舶在航道會船的情況。

1.3 船舶同步航行的組織方式

并排船舶若相綁成船隊行進，可以減少相互碰撞，但船舶間相綁和解綁耗時，且隨著船舶大型化，一閘四船的模式下，兩兩相綁形成的船隊載質(zhì)量較大，現(xiàn)有浮式系船柱不能滿足部分船隊系纜要求。所以船舶并排出閘宜采取不相綁的出閘方式。

1.4 設(shè)置“虛擬閘室”停靠船舶

為防止第一排船舶在副導航墻解隊過程對第二排船舶的出閘時機和船舶出閘總歷時造成影響，出閘船舶同步移泊到“虛擬閘室”之后，即可關(guān)閉人字門，進行后續(xù)集控運行操作，即船舶解隊過程不計入過閘總歷時。但這種出閘方式可能存在以下問題:1)出閘船舶移泊距離較長，移泊過程受導航墻之間的岸壁效應和船舶間的船間效應影響較大，且第二排船舶因受前排船舶在虛擬閘室停靠和航行安全距離的的影響，其出閘速度較慢，較單船出閘效率低。2)一、二號閘上游受導航墻長度的限制，若按照“一閘四船”船舶單元對其出閘實行虛擬閘室停靠，前排船舶船體的回轉(zhuǎn)中心超出導航墻外，前排船舶無法系纜，不便于船舶姿態(tài)的調(diào)整。船舶停靠受側(cè)風、浪涌等環(huán)境因素影響較大，特別是集裝箱、滾裝船等受風面積較大的船舶很難穩(wěn)定停靠。鑒于此，本文不研究在同步出閘模式中實施虛擬閘室停靠的情形。

1.5 船舶解隊位置的選取

同步出閘的兩條船舶只有通過副導航墻后才具備解隊條件。由于船間效應影響，并排行駛的兩船之間有吸力，并排出閘的船舶若駛出導航墻區(qū)域之后，船舶在航道中沒有支點，兩船分開的難度較大，遇側(cè)風則更難分開。若駛出引航道水域之后，受水流條件和一號閘上游航道向家嘴彎道的影響，解隊操作難度更大。鑒于一、二號閘上游導航墻的長度限制，對于解隊位置的選取有以下兩種建議：1)在副導航墻解隊。存在的問題：若第二排船舶動車時機選取不當，第一排船舶的解隊過程可能延誤第二排船舶出閘的時間，影響整體出閘效率。2)在導航墻末端解隊。存在的問題：船舶沿著導航墻航行，會延長船舶受岸壁效應影響的時間，也會增加船舶間碰撞的風險。尤其是危化品船舶同步出閘更應盡量降低船舶碰撞風險。二號閘下游導航墻延長線上有淺點，若內(nèi)檔船舶在此向航道中心轉(zhuǎn)向有擱淺風險。

綜上所述，同步出閘船舶的解隊位置選取是有限制的，對進一步確定可行的組織方案劃定了范圍。兼顧效率和安全考慮，在副導航墻解隊方案可行。

2 同步出閘效率分析

2.1 同步出閘數(shù)學模型

結(jié)合目前過閘船舶主尺度和應用推廣前景，本文以船舶設(shè)計總長度為130 m、寬16.2 m的“大長寬比船型”為代表的“一閘四船”為研究對象[2]，模擬船舶同步出閘的工況。對船舶同步出閘的理論分析進行以下設(shè)定：1)參照《三峽—葛洲壩水利樞紐通航管理辦法》對三峽船閘閘室內(nèi)船舶同步移泊和單船出閘的速度規(guī)定，船舶同步出閘按照v1=0.6 ms速度控制，單船出閘按照v2=1.0 ms速度控制。船舶主機功率不同，各船加速度不同，為簡化分析流程，建立理想數(shù)學模型，不考慮船舶加速和減速的過程。2)船舶在閘室內(nèi)的靠泊狀態(tài)見圖1。4艘船舶成兩排，其中1、2、3、4分別為4艘船舶編號，船長為130 m，用L表示。頭排船舶的船頭位置與閘室禁停線平齊，設(shè)為B點；兩排船間距設(shè)定為5 m，用L0表示；后排船舶船尾位置設(shè)為A點。根據(jù)船閘運行實際，后排船舶船尾過副導航墻，即出閘結(jié)束[3]，該點設(shè)為C。A、C之間為船舶同步出閘段，距離設(shè)為d。同時，根據(jù)1.5節(jié)的分析，C點為本文選取的船舶解隊點。

圖1 出閘之前船舶位置

2.2 全同步出閘理論分析

船舶全同步出閘，頭排兩條船舶先同步出閘，后排船舶原地等待，拉開一段安全距離再出閘。前排船舶到達副導航墻開始解隊，兩排船距越來越小。設(shè)兩排船的臨界距離等于初始間距L0，若前排船舶解隊完成之前，兩排船間距縮短至L0，則后排船舶需要等待前排船舶解隊完成，且前排內(nèi)檔船拉開一段安全距離，再動車。分析可知，船舶全同步出閘用時公式：

(1)

式中：T為船舶全同步出閘總歷時；d為船舶同步出閘段長度，由船閘尺寸決定；v1為船舶同步出閘速度；t1為前排船舶開始出閘后，后排船舶在閘室初始位置等待拉開安全距離的時間；t2為頭排船舶解隊過程總耗時；t3為頭排船舶解隊后，內(nèi)檔船舶與后排船舶拉開安全距離的時間。

2.3 半同步出閘理論分析

船舶半同步出閘，頭排船舶出閘采用逐一出閘的方式，參照對船舶出閘實際情況的觀測，第1條船舶船尾到達副導航墻時，第2條船舶開始出閘。第2條船舶與后排船舶拉開一定的安全距離后，后排船舶開始同步出閘，船尾越過副導航墻本次出閘結(jié)束。分析可知，船舶半同步出閘用時公式：

T′=(d-L-L0)v2+t4+dv1

(2)

式中：T′為船舶半同步出閘總歷時；t4為前排第2條船舶與后排船舶拉開安全距離的時間；d為船舶同步出閘段長度，由船閘建筑決定；L為船舶長度；L0為兩排船舶初始停靠固定間距；v2為船舶單船出閘速度；v1為船舶同步出閘速度。

2.4 4條大長寬比船舶逐一出閘理論分析

4條船舶逐一出閘，參考船閘運行實際建立模型，當前1條船舶到達副導航墻時，后1條船舶開始動；直至船尾越過副導航墻，出閘結(jié)束。分析可知逐一出閘時間公式：

T″=2(2d-L-L0)v2

(3)

式中：T″為船舶逐一出閘總歷時；d為船舶同步出閘段長度，由船閘建筑決定；L為船舶長度；L0為兩排船舶初始停靠固定間距；v2為船舶單船出閘速度。

2.5 3種方式出閘時間對比

全同步出閘方式，同時滿足以下3個條件時，理論出閘時間最短：1)后排船舶在閘室初始位置等待的時間不超過前排解隊耗時；2)解隊時外檔船舶越過內(nèi)檔船舶船頭，內(nèi)檔船立即動車；3)頭排船舶解隊后，后排船舶立即動車。半同步出閘方式，后排船舶與第2條船同時動車時，理論出閘時間最短。根據(jù)上述公式計算出不同出閘方式下的船舶出閘時間，同時對比分析逐一出閘方式的理論計算時間和實際統(tǒng)計值，結(jié)果見表1。

表1 不同方式出閘時間 min

注：逐一出閘統(tǒng)計平均時間選取2017年4—7月大長寬比船舶過閘試驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，均為4條船舶單元。

由表1可知，葛洲壩一、二號船閘船舶逐一出閘統(tǒng)計平均時間均大于理論計算時間。模型計算值與實際統(tǒng)計值之間存在誤差的原因：1)船舶實際出閘速度和理想化模型不一定完全一致。2)理論分析未考慮船舶出閘的解纜繩時間以及船舶的加速、減速過程。3)大長寬比船型逐一出閘實際原型觀測樣本數(shù)量較少。

根據(jù)建立的數(shù)學模型中公式(1)和(2)可知，船舶經(jīng)一號閘上行、一號閘下行、二號閘上行、二號閘下行出閘時：1)在半同步出閘過程中，當前排第2條船舶與后排船舶拉開安全距離時間分別小于5.60、5.55、6.72、5.15 min時，半同步出閘耗時比逐一出閘時間耗時短。2)在全同步出閘過程中，當后排船舶出閘過程中等待的總時間分別小于9.24、9.15、11.20、8.45 min時，全同步出閘耗時比逐一出閘耗時短。3)在全同步出閘過程中，后排船舶出閘過程中等待的總時間與半同步出閘過程中前排第2條船舶與后排船舶拉開安全距離的耗時差分別小于3.64、3.60、4.48、3.30 min時，全同步出閘耗時比半同步出閘耗時短。

3 結(jié)論

1)根據(jù)理論分析研究，選取合適的方案在葛洲壩船閘實施同步出閘可以縮短船舶的出閘時間，提高船閘的通航效率。

2)同步出閘總歷時受后排船舶出閘等待時間的影響較大，若等待耗時過長，同步出閘效率就會降低。全同步出閘總歷時受第1排船舶解隊時間的影響較大，若船舶解隊過程耗時過長，全同步出閘的效率就會降低。

3)理論計算時間與實際時間之間存在誤差，且葛洲壩一號船閘受流量的影響較大，需要進行實船試驗驗證同步出閘的效率，并研究不同流量對同步出閘運行組織的影響。