船舶進出船廂對三峽升船機對接鎖定機構受力的影響分析*

郭 超，李中華，胡亞安

(南京水利科學研究院，通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029)

三峽升船機是三峽樞紐兩大過壩通道之一，設計過船規模為3 000噸級，船廂有效尺寸120 m×18 m×3.5 m(長×寬×水深)，提升質量15 500 t，最大提升高度113 m。三峽升船機采用齒輪齒條爬升式全平衡垂直升船機形式，主要為客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道。

船舶進出三峽升船機船廂過程中，由于船舶的阻塞效應，會將大量水體推入或推出船廂，引起船廂內水體質量發生變化；同時船舶首尾的水面壅高和降低會在船廂內形成縱向水面坡降，對船廂產生縱向傾斜力矩。船廂側水體質量變化和水面波動產生的縱向傾斜力矩均由船廂對接鎖定機構承擔，如果船廂側的荷載變化超過對接鎖定裝置的允許值，將影響船廂的對接安全[1]。

1 對接鎖定機構工作原理

船廂對接鎖定機構在船廂與上下閘首對接期間，承擔船廂側的豎直荷載變化[2]。三峽升船機船廂側翼上共有4套螺桿式鎖定機構，裝設在4套安全機構旋轉螺桿的正上方，螺桿由可開、合的上下兩段鎖定塊構成。當船廂在空中正常運行時，鎖定塊閉合后隨安全機構螺桿旋轉；在升船機船廂上下游對接過程中，鎖定塊張開將船廂鎖定，船廂不平衡力經安全機構傳至鎖定機構。受樞紐非恒定流水位波動、船舶進出廂水面波動等諸多因素影響，船廂側荷載可能會發生較大變化，進而導致鎖定機構受力較大，因此，在升船機對接過程中，鎖定機構的受力是否會超過其設計承載力是普遍關心的問題。

據三峽升船機總體設計報告，對接鎖定機構允許的最大荷載為船廂水深±0.6 m的水體所受重力變化，每套鎖定機構的設計載荷為3 700 kN。

2 船舶進出船廂模型試驗設計

建立了比尺為1:12的三峽升船機船廂及下游引航道物理模型，針對現有長江流域通行較多的3 000 t散貨船開展船舶進出船廂的水動力模型試驗，分析船舶吃水、水面波動、船舶進出船廂的速度與鎖定機構受力間的關系，以確定合理的船舶進出船廂的航速。模型模擬范圍包括升船機船廂、下閘首、船舶停泊段以及700 m左右的下游引航道(圖1)，模型平面尺寸為90 m×20 m。

圖1 三峽升船機船廂及下游引航道物理模型

采用牽引系統拖曳船舶模型進行船舶進出船廂的水力學測試，在船廂及引航道模型航線的上方設置兩道導向軌道，通過在軌道上運行的牽引裝置，拖曳船舶模型按設定的速度和航線航行，保證船舶在船廂及引航道模型航行時航速恒定，避免碰壁[3]。在船廂及下游引航道模型內共布置了20只波高儀，用于測量船模航行過程船廂及下游引航道內的水位波動特性。試驗船舶采用3 500 t散貨船，船舶模型幾何比尺也為1:12。船舶原型設計尺度及試驗尺度見表1。

表1 試驗船型設計尺度及試驗尺度

3 船舶進出船廂時對接鎖定機構水動力荷載變化

圖2是上述1:12三峽升船機船廂及下游引航道物理模型實測的3 500 t散貨船以v=0.5 ms出船廂不同時刻船廂內的瞬時水面線。由圖2可見，船舶出廂時船廂內水面線呈周期性變化。對船廂內瞬時水面線沿船廂長度方向進行積分，可以得出船廂總體水體所受重力和縱向傾斜力矩瞬時變化，由船廂4套對接安全鎖定機構位置可以計算出鎖定機構所受豎向荷載。根據三峽升船機總體設計報告，對接鎖定機構允許的最大荷載為船廂水深±0.6 m的水體所受重力變化，對應單個對接鎖定機構允許最大荷載折合水體質量約為360 t左右，為保障船廂對接鎖定機構安全，船舶進出船廂時水面波動變化引起的荷載變化折合水體質量不應超過360 t。

圖2 典型船舶出船廂時船廂內不同時刻瞬時水面線

圖3為物理模型實測的船廂水深3.5 m時3 500 t散貨船進出船廂時船廂內水體所受重力變化和傾斜力矩作用于鎖定機構的最大荷載對比，表2為物理模型實測的船廂水深3.5 m時3 500 t散貨船以不同航速出船廂時船廂內水體所受重力變化和傾斜力矩作用于鎖定機構的最大荷載。

圖3 典型船型進出船廂鎖定機構最大荷載變化折合水體質量對比

由圖表可知，3 500 t散貨船(船舶吃水h=2.5 m)以0.3、0.5、0.8 ms速度出船廂，計算得鎖定機構最大荷載變化折合水體質量分別為64.2、109.2、240.3 t；以0.3、0.5、0.8 ms的相同速度進船廂，鎖定機構最大荷載折合水體質量分別僅為46.0、79.8、96.2 t。相同航速及船舶吃水條件下，船舶出廂時船廂側水動力變化作用在鎖定機構上的荷載要大于船舶進廂時的荷載。可見，相同進出廂條件下，船舶出廂過程是船廂對接鎖定機構的水動力荷載設計控制工況，并且船舶出廂過程水動力荷載與船舶航速正相關。

船舶進出船廂時船廂水體質量變化及水面波動產生的傾斜力矩均會對4個對接鎖定機構產生水動力荷載，對接鎖定機構荷載變化可以等效用船廂內水深平均變化hf表示。將等效荷載水深變化hf(m)、船速v(ms)、船廂水深H(m)和斷面系數n等變量無量綱化，并記繪制的hf-K關系曲線見圖4。根據表2中試驗資料[4]，將上述hf-K關系通過最小二乘法進行擬合，得到3 500 t散貨船等效荷載水深變化hf與v、H、n間存在以下關系：

表2 物理模型實測3 500 t散貨船出廂過程水動力荷載變化

圖4 典型3 500 t散貨船出船廂時等效荷載水深變化與特征參數關系

(1)

可以根據公式(1)對3 500 t散貨船不同吃水和航速進出船廂時三峽升船機對接鎖定機構最大水動力荷載進行快速估算。

4 考慮鎖定機構荷載受力的船舶進出船廂吃水控制標準

根據式(1)計算的不同船廂水深條件下，船舶不同吃水出船廂時鎖定機構受到的等效荷載水深變化見表3、圖5。

圖5 3 500 t散貨船吃水與鎖定機構附加水動力荷載關系(v=0.5 ms)

船廂與下游對接時，由于非恒定流變化產生的船廂失水對于船廂鎖定機構受力是較為危險的工況[5]。三峽升船機對接過程引航道非恒定流允許最大水位變化為0.5 mh，根據模型試驗及現場觀測資料，船舶進出船廂過程應考慮20 cm的非恒定水位變化。三峽升船機對接船廂內外最大允許水位差10 cm，船廂水深應考慮對接產生的水位誤差10 cm。結合三峽升船機對接鎖定機構允許荷載折合為船廂水深±0.6 m水體質量變化，船廂對接過程船舶出船廂時可能出現以下3種狀況：

1)船廂水深為設計水深3.5 m。船舶出廂時出現0.2 m非恒定流水面波動，則船舶出船廂過程船廂側產生的等效荷載變化折合船廂水體質量不應超過0.4 m。

2)若船廂門開啟前出現設計允許±0.1 m水位差，則船廂水深最低為3.4 m，考慮船舶出廂過程出現0.1 m非恒定流水面波動，船廂側產生的等效荷載變化折合船廂水體質量不應超過0.4 m。

3)若船舶出廂前出現0.2 m非恒定水流波動，則船廂水深最低為3.3 m，船廂側產生的等效荷載變化折合船廂水體質量不應超過0.4 m。

綜合上述船舶進出船廂水深變化情況，確定船廂側產生的等效水深變化不應大于0.4 m。結合表3中船舶吃水和鎖定機構附加水動力荷載的關系可知：船廂水深為3.3 m、3 500 t散貨船吃水2.75 m、船舶以0.5 ms速度出船廂時，鎖定機構所受最大荷載等效于船廂均勻失水0.413 m，已達到三峽升船機設計極限工況。因此，僅考慮鎖定機構荷載受力情況，3 500 t散貨船進出船廂速度0.5 ms時，建議船舶吃水≤2.70 m。

表3 3 500 t散貨船吃水與鎖定機構附加水動力荷載關系

5 結語

1)船舶進出船廂過程中，在相同的航速和船廂水深等進出廂條件下，船舶出廂過程是對船廂對接鎖定機構船廂水動力荷載的設計控制工況。

3)考慮可能的船舶進出船廂水位變化情況，為保證鎖定機構荷載受力安全，建議3 500 t散貨船進出船廂速度0.5 ms時，船舶吃水≤2.70 m。

4)船舶進出三峽升船機船廂航速標準的確定還須全面考慮船型參數、船舶吃水、船舶下沉量、船底安全富裕量等多方面因素。