提高三峽船閘過閘效率的通航組織模式

程升鵬，阮榮斌，王銳鋒

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

由于船舶過壩需求旺盛、三峽船閘通過能力有限，三峽壩區待閘船舶較長時間滯留近壩水域已成常態。緩解待閘壓力是三峽通航管理機構長期面臨的課題，即在復雜氣象條件下減少停閘時間、正常運行條件下增加運行閘次，以提高樞紐運行效率。

1 三峽船閘引航道增加待閘設施必要性

在出現大風大霧天氣時，三峽船閘引航道以外水域6級以上大風或能見度低于500 m，實施禁航措施；同時，三峽船閘引航道水域大風風力低于6級且能見度超過500 m，仍可正常通航。以下是假設上述情況下正常通航時，可增加的閘次情況。

1.1 三峽船閘下游大風大霧時閘室滯航情況

三峽船閘下游大風大霧(閘室能見度滿足通航條件)時，按照現行工作要求，南線下行暫緩發船，北線上行停止發船。船舶出閘后在靠船墩或導航墻靠泊。南線上游導航墻待閘船舶不得進入一閘室，仍在浮式導航墻待閘。且中間級閘室船舶往末級閘室移泊，盡量保證閘室內無船舶滯留。北線導航墻待閘上行船舶均可正常過閘。

在未增設靠船設施時，假設南線滿載運行情況下(即五級運行條件下，南線3個閘室都有船)，下游大風或者大霧，船舶無法下行，只能在導航墻靠泊等候通知時，必然有兩個閘次的船舶滯留在末級閘室和次末級閘室；即使船舶能行駛至靠船墩靠泊，也至少有一閘船滯留在末級閘室,見圖1。

圖1 三峽船閘下游大風大霧時閘室滯航情況

1.2 延長上下引航道靠船設施可增加運行閘次估算

在原導航墻和靠船墩之間增設靠船設施(即導航墻延長至靠船墩)后，南線上游靠泊設施總長780 m，北線上游靠泊設施總長930 m；南線下游靠泊設施總長930 m，北線下游靠泊設施總長930 m(南、北兩線靠泊總長以實際測量為準)。延長后的導航墻和靠船墩可同時供3個閘次的船舶停靠。那么當船閘滿載運行時，若出現大風大霧天氣，則3個閘次的船舶均可出閘并安全停靠，不會導致船舶滯留閘室。

以南線船閘為例，大風大霧持續7 h以上氣象條件下，南線滿載運行時，下游因大風或者大霧控制性運行。延長導航墻后，3個閘次的船舶均可出閘，在靠船墩及導航墻靠泊，閘室無船舶滯留，見圖2。

圖2 延長上下引航道靠船設施

同理，三峽船閘上游大風大霧天氣時，北線可增加5個閘次，南線可增加2個閘次。即北線停航時間可減少7.5 h，南線停航時間減少3 h。若上下游同時大風大霧，則南北兩線可增加2個閘次，停航時間減少3 h。

1.3 增加靠船設施后風霧天氣封閉通航增加的閘次

據統計，2013—2017年三峽船閘大風大霧天氣下的停航時間見表1。

表1 延長導航墻后風霧天氣停航時間

由此可知，延長導航墻后南線平均停航時間減少104.94 h，約70個閘次；北線平均停航時間減少98.81 h，約66個閘次，見表2。

表2 延長導航墻前后平均停航時間對比

綜上所述，延長導航墻后的優點為：1)提高船舶過閘安全性。大風大霧天氣下，閘室無滯留船舶，降低船舶滯留閘室風險。2)提高船閘運行效率。上(下)游大風大霧天氣持續時間低于7.5 h，則有北(南)線船閘無須停航；上、下游同時大風大霧天氣持續時間低于3 h，則兩線無須停航。3)提高船閘年平均閘次。試運行數據表明，大風大霧天氣下南北兩線平均每年共可增加136個閘次。

2 三峽船閘引航道增加待閘設施可行性

2.1 增加待閘設施船閘引航道滿足三線通航寬度需求

船舶在船閘引航道水域通航，大風氣象對其影響最大。船閘引航道風力在6級以下時，經多年原型觀測和《船舶原理》中相關數模計算[1]，風力導致的船舶漂移量對其航跡帶影響較小，可忽略。

根據《內河通航標準》中直線航段航跡帶等計算模型公式[2]，在該類大風影響的情況下，進出船閘引航道所需航寬的表達式如下：

單向通航：

Bd=Lsinβ+bcosβ+2d+ΔB1+ΔB

(1)

雙向通航：

BS=2(Lsinβ+bcosβ+d)+c+ΔB1+ΔB

(2)

式中：L為船長(m)；b為船寬(m)；c為船與船之間的安全距離(m)，c=(b+Lsinβ)2；d為船與航道邊界之間的安全距離(m)，d=(b+Lsinβ)4；β為偏航角，取5°；ΔB1、ΔB分別為考慮風、流影響的富裕量。

經計算，不同蓄水位時，船舶進出引航道單向通航所需寬度約為2.46b～3.0b，約60 m；雙向通航所需寬度為4.0b～5.0b,約100 m。若三峽船閘出現三線通航情形，既有南北線船舶進出閘，又有引航道外船舶駛入引航道時，引航道設計航寬180 m仍能滿足其需求[3]。

但即便如此，從偏安全角度出發，當船閘引航道測風儀顯示風力在6級以下且經當地氣象臺認可通報時，三峽通航管理機構均嚴格實施單向控制性通航，且效果良好。

2.2 增加待閘設施后船閘引航道縱向水域滿足通航安全領域需求

南線上游靠泊設施連線兩端總長780 m，北線上游靠泊設施連線兩端總長930 m；南線下游靠泊設施連線兩端總長930 m，北線下游靠泊設施連線兩端總長930 m。

以三峽樞紐上引航道為例，壩上航道2 600 m,減去780 m，剩余1 820 m。按照船舶操縱安全領域理論及多年來船舶過閘運行實踐證明，船舶進入引航道后有保向航行及留出安全間距的需求，且船舶下行駛入引航道時，靠船設施上方水域長度須滿足1個閘次船舶交通流安全排列，考慮到目前過閘交通流長度為1 300～1 500 m，再減去此長度，剩余可靠泊船舶水域長度為300～500 m，因而只能增加1個閘次靠泊泊位。同理，上引航道北線也只能增加1個閘次泊位，下引航道北線無相應水域可供增加泊位，下引航道南線也只能增加1個閘次泊位。

綜上所述，三峽樞紐上下引航道能增加3個閘次泊位后，船閘引航道縱向水域滿足通航安全領域需求，航寬滿足三線通航需求。即未改變三峽樞紐原設計船閘上下引航道的功能作用。

3 增加待閘設施后可進一步優化的通航組織模式

三峽樞紐現行運行模式有四級、五級不補水和補水運行共4種過閘運行模式。近年來的運行模式得出的啟示是：南線一閘室待閘使用時，加上浮式靠船墩、靠船墩，共三級待閘匹配四級船閘運行，相對于二級待閘五級過閘運行模式,平均每天可增加近1個閘次的運行時間。

待閘停泊船舶是否匹配運行船閘需求的關鍵環節，就是當船閘人字門開終到位后，與之銜接的待閘靠泊船舶的數量、當前閘次計劃平面布置方位是否整體排擋到位，兩者缺一不可。否則，就會打亂過閘計劃或耽誤過閘時間。

為何南線一閘室待閘使用時，就能基本保障上述整體排擋需求，這是因為待閘級數越多，給當前船舶進閘前整體排擋時間越多。當南線一閘室作為待閘水域使用時，該閘室船舶移泊至南線二閘室時，還有至少兩級待閘船舶移泊時間，即自靠船墩兩個閘次船舶移泊至浮式導航墻的時間，共計44 min×2，可供錨地船舶駛至引航道水域。

同理，當五級運行二級待閘時，船舶駛入浮式靠船墩整體排擋時間只有44 min，而過閘船舶交通流自壩上不同錨地始發進入靠船墩水域的時間往往超過44 min，因而船閘等待船舶的現象難以避免。因此，現行二級待閘模式難以匹配五級過閘運行。

實施五級運行五級待閘的通航組織模式后，試運行數據表明，全天普貨船至少可增加60 min運行時間；改變危險品船舶進閘移泊模式，至少擠出20 min運行時間。總計可增加60 min+20 min=80 min，即在正常天氣氣象條件下，每天可增加1個閘次運行時間。

4 三峽樞紐上下引航道增設靠船設施平面布置方案

4.1 建筑物主要尺度初步估算

4.1.1增設靠船設施第1方案

根據《開敞式碼頭設計與施工技術規程》[4]，第1方案墩式靠船結構中，為便于船舶的靠泊作業，第3待閘區靠船設施考慮由5組靠船墩直線排列構成；兩墩中心間距可為設計船長的30%～45%。參照設計船型，考慮到直立靠船墩能適應各種船型的靠泊，故將兩側的墩間距定為40 m。又因考慮靠泊2列船舶，順岸靠泊的船舶間需要一定的富裕長度，根據《河港工程設計規范》[5]，富裕長度d一般取為0.10L～0.15L。對于5 000噸級干散貨船，d值取為11～16.5 m。故將中間的墩間距定為45 m，以滿足船舶的靠泊要求。

4.1.2增設靠船設施第2方案

根據總平面布置，該方案主要由2個躉船組成，每個躉船用4個低水位地牛系固，滿足單側靠船功能。兩個躉船采用20 m 鋼棧橋相連，120 m×12 m×2.5 m，總長260 m，采用地牛固定。

4.2 水文、地質條件

4.2.1設計水位

設計高水位(壩上正常蓄水位)175.00 m,設計低水位(175 m水位運行期防洪限制水位)145.00 m。

4.2.2設計水流速度

三峽成庫后，多次進行壩上近壩河段水域的流速測量，最大流速< 0.4 ms。為安全計，設計水工建筑物計算按流速1.0 ms進行設計。

4.2.3設計風速

4.3 主要外力計算

4.3.1系纜力

按水流流速v=1.0 ms和風速v=26.0 ms組合，根據靠船墩最大靠泊的設計船型，按2組4艘5 000 DWT的散貨船進行計算。

4.3.2撞擊力

按設計代表船型滿載排水量及法向靠泊速度計算船舶有效撞擊能量計算[6]。

船舶靠泊能量按下列公式計算：

(3)

式中：E0為船舶靠岸時的有效撞擊能量(kJ)；ρ為有效動能系數，取0.8；M為船舶質量(t)；vn為船舶靠岸法向速度(ms)。

4.4 建設方案比較及推薦方案

兩建設方案的結構特點見表3。

表3 建設方案對比

考慮到三峽樞紐運行水位變化影響，第2方案須保障常年運行維護費用，且使用強度略差，因而推薦第1方案。

5 結語

1)在三峽船閘上下引航道，增加靠船墩式待閘設施未改變其三峽樞紐原設計功能作用，且技術上是可行的。

2)通過增加待閘設施增加待閘級數，從而改變通航組織模式，形成進閘船舶排隊的擠壓效應，縮短進閘移泊時間，增加運行閘次。按照290 d正常天氣運行時間計算，南北兩線平均每年共可增加290×2=580個閘次；加上遇風霧天氣增加的136個閘次，全年可增加約716個閘次。