铜湾水电站船闸通过能力计算分析

葛国华 林海泉

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概况

1.1 工程规模

铜湾水电站工程位于沅水干流中游湖南省怀化市中方县境内，坝址位于中方县铜湾镇上游0.5km处，距怀化市49km。本工程为《沅水河流规划报告》（湖南省境内部分）中沅水干流梯级开发方案中湖南省境内第五级电站，下接清水塘电站库尾，上与安江电站尾水衔接，是一个以发电为主，兼顾航运等综合利用的水电工程。工程坝址控制流域面积41720km2，占全流域面积的46.8%，坝址多年平均流量863m3/s。

沅水航道历来是联结湘黔两省水上运输的大动脉，目前干流中下游大江口至德山段的货运量超过600万t，随着两省经济发展对沅水航运干线要求越来越高，因此进一步加速沅水航运干线的建设是沅水开发的任务之一。

铜湾水电站工程位于洪江～江口河段，湖南省航务管理局湘航务函字［2004］21号《关于铜湾水电站枢纽有关通航问题的复函》称：铜湾水电站所在航道已评定为Ⅳ级航道，因此铜湾水电站通航建筑物应按Ⅳ级航道通航标准进行通航设计。通航500t级船舶。

1.2 基本参数

1.2.1 船闸基本参数

设计船型：500t级船舶或300t级1顶2驳船队闸室有效尺度：100m×12m×3m（长×宽×门槛水深）引航道直线段最小长度：200m；引航道底宽：30m。

1.2.2 设计水位

根据交通部《船闸设计规范》和本工程水库调度运行原则，当天然流量大于2年一遇的洪水流量Q=8900m3/s时，此时航道停航。

船闸设计水位取定如下（国家85高程）：

下游设计最高通航水位按下泄2年一遇的洪水流量Q=8900m3/s确定为：▽145.55m。

上游设计最高通航水位按水库正常蓄水位为：▽152.50m。

下游设计最低通航水位按通航保证率95%取为：▽138.10m。

上游设计最低通航水位按水库死水位为：▽150.50m。

上游校核洪水位按洪水重现期500年取定为：▽158.41m。

上游设计洪水位按洪水重现期50年取定为：▽154.02m

上游检修水位取枢纽正常蓄水位为：▽152.50m。

下游检修最高水位按枯水期5年一遇洪水定为：▽142.45m。

2 船闸通过能力分析

船闸通过能力是船闸的一项重要技术经济指标，它是指单位时间内船闸通过的货物总吨数。为了便于衡量船闸通过货物能力是否满足客运、货运输过闸的需要，通常以年为单位，即船闸1年通过货物的总吨数。此外还有船舶通过能力，即船闸1年通过的船舶总吨数。

2.1 影响船闸通过能力的因素

影响船闸通过能力的因素很多。首先是内部因素，即设计确定的技术条件，或称技术指标。包括船闸设计水头和灌泄水时间、闸门形式和启闭时间、闸室有效尺度、引航道尺度和布置、导航和靠船建筑物布置等。其次是外部因素，是由客观条件决定的。如过闸船型、船队的类型和组成、各类船舶的尺度、载量及技术条件；洪枯水期天数以及气象条件，如风、雪、冰冻对通船期的影响。其三是管理因素。如管理人员的技术水平、熟练程度、工作效率、控制系统的灵敏性、事故处理及检修能力及技术水平等。

2.2 船闸过闸方式和时间

单级船闸过闸方式有单向和双向两种，连续多级船闸还有成批过闸，本船闸属单级船闸。

2.2.1 船舶过闸各项操作指标

（1）船舶进出闸时间。根据船舶进出闸速度和运行距离确定。

a.船舶进出闸运行距离：

单向过闸：

进闸：L1=Lc（1+α1）

出闸：L1’=Lc（1+α1’）

双向过闸：L2=Lc（1+α2）+l1+l2

式中Lc——闸室有效长度（m），Lc=100m；

α1、α1’、α2——系数，可取 α1=0.4～0.5，α1’=0.1～0.2，α2=0.1～0.2，此处各取 0.45、0.15、0.15；

l1、l2——引航道第一、二段长度（m），此处各取100m。

经计算，L1=145m，L1’=115m，L2=315m。

b.船舶进、出闸时间：

单向过闸：

进闸：t1=L1/v1

出闸：t4=L1’/v1’

双向过闸：

进闸：t1’=L2/v2

出闸：t4’=L2/v2’

式中v1、v1’、v2、v2’——船舶进、出闸平均速度（m/s）。

查表知：v1=0.5，v1’=0.7，v2=0.7，v2’=1.0。

经计算，t1=4.8s，t4=2.7s，t1’=7.5s，t4’=5.3s。

（2）闸门启闭时间。闸门启闭时间与闸门形式和闸首口门宽度有关，闸首口门宽度小于20m时，闸门启闭时间约为（1～2）min。

此处闸门启闭时间t2取2min。

式中H——船闸设计水头（m），此处取最大工作水头，H=152.5-138.1=14.4m；

LC——闸室计算长度（m）；

Bc——闸室有效宽度（m），Bc=12m；

k——系数，本船闸为集中输水系统，集中输水系统采用0.27。

经计算，t3=7min。

（4）船舶进出闸时间间隔。当同一闸次容纳两只或两只以上的船舶通过时，就需计算第一船队（船只）启动时间间隔，其间隔时间与船型、驾驶员技术水平以及引航道尺度和布置等因素有关，一般可取（3～10）min。 此处船闸进出闸时间间隔 t5取 7min。

2.2.2 一次过闸时间

一次过闸时间是指船舶过闸时，船闸完成循环运行操作所需时间，决定于船舶进出船闸时的运行速度和船闸的技术指标。

（1）单向一次过闸时间。船舶单向连续通过单级船闸，按闸室水位与下游水位平齐，下闸门已开，船舶由下游驶向上游的操作程序和所需时间如下：

船舶从下游进入闸室—→关闭下闸门—→闸室灌水—→开上闸门—→船舶。

驶出闸室进入上游—→关上闸门—→闸室泄水—→开下闸门。

按以上程序，单向一次过闸时间为：

式中T1——单向一次过闸时间（min）；

t1——单向第一个船队进闸时间（min）；t2——开门或关门时间（min）；

t3——闸室灌水或泄水时间（min）；

t4——单向第一个船队出闸时间（min）；

t5——船舶、船队进闸或出闸闸隔时间（min）。

（2）双向一次过闸时间。双向过闸是指一个方向的过闸船舶出闸后，停靠在靠船码头等候过闸（或根据控制系统安排的船队已到达）的相反方向的船舶迎向进闸，故又称迎向过闸。按闸室水位与下游水位平齐，下闸门已开，从船舶由下游驶向上游开始，其程序如下：

船舶从下游进入闸室—→关闭下闸门—→闸室灌水—→开上闸门—→船舶驶出闸室进入上游—→船舶自上游驶入闸室—→关上闸门—→闸室泄水—→开下闸门—→船舶驶出闸室进入下游。

按以上程序，双向一次过闸时间为：

式中T2——上、下行各一次的双向过闸时间（min）；

t1’——双向第一个船队进闸时间（min）；

t4’——双向第一个船队出闸时间（min）。

经计算，船舶单向成批过闸一次历时T1=43.5 min，船闸双向一次过闸时间T2=75.5min。

经计算，得T=40.6min。

2.3 船闸通过能力计算

2.3.1 参 数

（1）船闸日工作小时（τ）。应根据船闸的具体条件确定。在昼夜均可通航的条件下一般采用（20～22）h。此处船闸日工作小时τ取21h。

式中 τ——日工作小时。

经计算，得n=31。

（3）船闸年工作天数（N）。船闸不可能做到全年365天都工作，而应从全年日历天数减去检修、事故、清淤、洪水和枯水、封冻、风、雾等因素造成的停航天数。

式中N1——高于最高通航水位断航天数,取12d；

N2——低于最低通航水位断航天数，取11d；

N3——天气影响断航天数，取5d；

N4——检修断航天数，N4=（365-N1）×2%=7d。

经计算，年过闸天数N=330d。

（4）货运量不平衡系数（β）。影响货物不平衡的因素很多，各地区差别也很大，可根据船闸规划设计运量调查分析资料确定，一般采用β=1.3～1.5。

此处货运量不平衡系数β取1.4。

（5）船舶装载系数（α）。它是船舶设计装载量的利用率。与货运品种、批量等因素有关根据实际调查资料选用，一般可取α=0.55～0.8。

此处船舶装载系数α取0.7。

（6）一次过闸平均载重吨位（G）。由于每次通过船闸的船舶不全部是设计船队（船只），而是由各种吨位不同、尺度不同的船队（船只）组成的。所以计算船闸通过能力时，不能用设计船队（船只）计算，而须用一次过闸平均载重吨位计算。在一般情况下，一次过闸平均吨位可采用设计最大船队吨位的25%～70%。

货运船舶一次过闸平均吨位G，此处取G=300t非货运船舶一次过闸平均吨位G’，此处取G’=200t

2.3.2 船闸通过能力计算

（1）船闸通过货运能力（t）。计算公式为：

式中n0——昼夜非货运船舶过闸次数，取n0=4次/d。

经计算，本船闸的年过货运能力为：P=133万t/a。

（2）年过船舶总吨位。

① 年通过货船总吨位：P2'=（n-n0）NG

经计算，本船闸的通过货船总吨位为：P2'=267万t/a。

② 年通过非货船总吨位：P2''=n0NG’

经计算，本船闸的通过非货船总吨位为：P2''=26万t/a。

③ 年通过船舶总吨位：P2=P2'+P2''

经计算，本船闸的通过船舶总吨位为：P2=293万t/a。

3 结 论

经计算，本船闸的年过货运能力为133万t/a（双向），通过船舶总吨位为：P2=293 万 t/a（双向），其中：通过货船总吨位为267万t/a，通过非货船总吨位为26万t/a。