周君亮
(江苏省水利厅,江苏南京 210029)
现在所有型式的通航建筑物与自然通航的航道比较都有碍航作用。常用的船闸如何加大过船能力,是内河航运枢纽建设中首要研究的问题。研究涉及主要问题有以下几点:
内河是航船来往于各大小相通的航道,不同种类货物运输量短途与长途调运,与多类船型如顶推船队,拖带船队,自航船等搭配,与大、中、小不同吨位航船配合,发展成航运网。内河航运发展规律是航船周转加快,运输量增加,运输网扩大,货物转驳次数减少。运输量增加促使航船大型化,加大过闸单船吨位可以提高过船闸运输量,但航船大型化要与运输量发展相适应,如果不符合内河航运运输网发展规律和发展需要,人为加大过船闸航船的后果是单船运输量增大,造成航船周转缓慢,货物转驳次数增加,转驳货物损耗增高,运输成本加大,不利与其它交通运输行业竞争,不利水运行业发展,水运最终将造成萎缩冷清[1]。
上世纪50年代京杭运河江苏段建设,船闸的闸首宽20 m,闸室200 m×23 m×5 m,推行 2×2000 t顶推船队运煤,船队尺度为185 m×14 m×2.8 m,直接进、出闸室。上世纪80年代初,经调查有70%货运量在两岸集散,航行船只来自全国九省一市,内河航运30年来有了很大发展。随着运输量增加,航船大型化也在发展,但2×2000 t顶推船队没有发展,它除运煤外很难参与其它货物运输,因该船体长达185 m,调顺航向进、出船闸困难,运行时容易发生岸吸,造成事故,转弯时占航线宽,不适宜应用于运河航运运输网发展扩大。
上世纪70年代长江葛洲坝大型船闸建设[5],船闸的闸首宽 34 m,闸室 280 m×34 m×5 m,推广使用 1+9×1000 t万吨顶推船队,船队尺度为264 m×32.4 m×2.8 m,但该型船队在长江航运中没有发展。葛洲坝船闸是按双线单级设计,可各自双向过闸运行,也可各自单向过闸运行。30多年后三峡船闸也按此万吨级船队标准,按双线连续5级设计,各自只能单向过闸运行。
(1)船闸运行设计决定于船型、航船吨位、运输方式和今后若干年内货物运输量的增加。货物运输量确定船的不同吨位、不同船型。
(2)为利用闸室墙纠正航船岸吸现象,维持航向,闸室宽度设计一般按过闸室的小船排成三行,中船排成二行,小船与大船排成二行。闸室长度设计要满足一次过闸需要总吨位的多类船型长度,再加上过闸最长船型在出闸室的航向调顺段长度,同时满足保持该船运行所需的船行舵效纵距和停船惯性冲程。
(3)船闸运行有两种方式:①船闸运行一次,有上行、下行双线航船过闸。②船闸运行一次,只有上行或下行单线航船过闸。
(4)平面布置:①根据水级,采用分散的单级船闸,每单级船闸的船室上、下游都连接有航船交错导航的引航道和航道,可双向过闸运行,也可单向过闸运行。如:京杭运河船闸和长江葛洲坝船闸等。②根据水级,采用连续多级船闸,除上、下游的闸室连接引航道和通航道外,其余每级船闸闸室直接连接,不设引航道和航道,只可单向过闸运行。如:南斯拉夫多瑙河连续2级铁门船闸和连续5级长江三峡船闸等。
在京杭运河江苏段建设船闸设计中首次提出:①要求航船进、出船闸有舵效,保持航向过闸,纠正和防止与闸门、闸墙或闸室停船岸吸,航船顺序过闸,船速可较快。②要求在引航道航船进、出船闸的调顺航向侧移最小,容易过闸首。③在静水中利用航船后倒缆甩首,缩短航船调顺航向的行程,闸室内可多停过闸航船。④要求航船在进、出闸首时调顺航向,不与闸门和闸墙相撞或摩擦,不发生事故。⑤过闸室的船宽,要求容易纠正航船岸吸。⑥期望最长运煤的顶推船队可顺利进、出船闸。以及要求阀门变速开门,缩短过闸输、泄水时间。闸首的闸门和阀门开、关要连锁,人字门开、关要同步,防止事故。上述措施综合达到闸室内多停过闸航船,缩短航船过闸运行时间,提高船行过闸安全。
由此,研究以行驶2×2000 t顶推船队过闸来比较船闸运行方式。分散的单级船闸双向过闸运行,每次闸室过船数量比单向过闸运行多一倍,期望运煤的最长顶推船队能顺利双向过闸。
(1)研究:分散的单级船闸的双向过闸运行:①航船过闸时,每开、关上、下游闸门和阀门一次,闸室每灌水、泄水一次,航船有上行和下行两条航线在同一闸室过闸。②推广航船采用后倒缆甩首,缩短调顺航向行程,使顶推船队顺利进、出船闸闸室。闸室内可多停过闸航船,增加运输量。③过闸航船停在引航道,离开闸首一个闸室长处,调顺航向慢行过闸首停在闸室,输水后再调顺航向驶过另一闸首直线出闸。④快速错过引航道内待过闸停船后驶入航道。
分散的单级船闸的单向过闸运行:①航船过闸时,每开、关上、下游闸门和阀门一次,闸室每灌水、泄水一次,航船在上行或下行航线闸室过闸。②航船慢行过闸,每次上行或下行要各过5个闸室长的行程,其中,停、过1个闸室长行程和3个闸室长的引航道,调顺航向2次。③从过闸运输量比较,双向比单向过闸约多一倍。④单向过闸只在特殊情况下使用,如需过特殊航船,不要与其它航船在闸室内相伴。
(2)研究:连续多级船闸:①连续多级船闸只能单向过闸运行。航船过闸,要每级每一次开、关上、下游闸门和阀门,每一次闸室灌水、泄水。②船闸有上行或下行一条航线的各级闸室船过闸。③过闸船慢速行驶停在闸室内或编队后停在闸室内。④航船过闸室后又停在连续的闸室内,过闸的航船行程都在闸室内,每级各停、过1个闸室。⑤为增加单向过闸运输量,如采用与闸室近似同宽同长的顶推船队直接进、出船闸,不使用调顺航向,不一定能使用调顺航向,航船不一定已有舵效,且多会发生岸吸,过闸困难,费时可能更多。
(3)分散的单级船闸双向过闸与连续多级船闸单向过闸每次运行比较:①从航船过船闸的慢行航线比较,后者比前者少一条,即过船闸运输量约少一半。②后者船闸每级运行慢行行程比前者船闸慢行行程少3个闸室长的行程。③前、后两者航船进、出闸室的调顺航向侧移条件相同,运行花费时间与采用船型有关。如两者在同一枢纽中,则每次闸室过船船型相同,闸室运输量相同。④从闸、阀门开关和闸室灌、泄水时间相比,后者比前者增加约一倍时间。⑤前者引航道内航船出闸在进闸的停船船边的侧移调向航速可以加快,不会增加多少过闸时间。⑥期望后者在缩短航船过闸运行时间内,增加航船过闸次数,由此来增加运输量达到与前者相等,实际运行已证实不可能,后者船闸连续级数越多,年运输量比前者减少越多。
(4)上世纪80年代京杭运河江苏段船闸续建时,采用分散的单级船闸。①推广航船后倒缆,船闸闸室长改为230 m,期望2×2000 t顶推船队过闸可以保持舵效,调整航向进、出闸室,减少岸吸,能正常双向运行。②更主要是航船每运行一次,双向过闸有上行和下行两闸室货船,而单向过闸只有上行或下行一闸室货船,运输量约少一半。③如期望编成与闸室基本同宽同长的船队,编队和过闸难度大,花费时间更多。④如过闸船型正常,船长小于顶推船队,船宽小于闸室宽较多,顺序过船闸容易,花费时间更少。⑤比较后决定建分散的单级船闸,采用双向过闸运行。
此项研究1984年曾以论文“京杭运河苏北段船闸引航道布置的讨论”[2]组织参加江苏段船闸续建设计人员讨论执行。论文转载在1989年中国水力发电学会通航专业委员会第一、二次会议论文集《通航文集》。
航船船速约在0.5 m/s时舵效(即方向盘)才能起作用,航船要驶到一定航速有一个延时,即:航船从静止到行驶有舵效能保持航向运行有一个船行纵距行程。上世纪50年代京杭运河船闸设计时采用双向过闸,航船停在引航道内离开闸首一个闸室长处,首次要求航船达到闸首时经过调顺航向段舵效已起作用,顺着闸首的中心航线和保持航向进闸,过闸时航船慢行,经过闸首,进入闸室,航船与闸门或与已停靠在闸室内的其他船只减少碰撞,减少摩擦闸室墙。在闸室内,停船后淌航或再开倒车减小船行的惯性冲程,冲速减小后由系船设备将船停靠在指定的位置。闸室内可以多停船,费时少。出闸时航船经调顺航向后,保持航向顺着闸首的中心航线出闸,到引航道停船处,再经快速调顺航向错过停船后顺着航道中心线驶入航道。
航船的船行纵距行程和惯性冲程要实测确定。航船在进、出闸首预留的航行行程要大于它对准航向的调顺段行程,还要大于能够实现保持航向运行的船行纵距行程和惯性冲程。
航船进入闸室有一定航速时,如航船船体靠近闸室墙一侧,排水流速加大,水面降低,则船体该侧所受的水压力减小,船体靠拢碰撞闸门或摩擦闸室墙;如另一侧所受的水压力减小,则靠拢碰撞停在闸室内的航船,称为岸吸。因闸室与航船比较船行的断面系数小很多,闸室为有限水域,船的航行阻力大,船行纵距和停船冲程都大,船在闸室内空位小,容易发生岸吸,在过大船或船速快时更容易发生。
双向过闸的航船停在引航道内,过闸首时航船已有一定船速和舵效,依靠导航设备保持航向进闸。在闸室内航船停船后靠惯性运动时,由系船设备将船停靠在指定位置。航船顺序进船闸,闸室外接引航道,航船顺序出闸。上行和下行航船各经停、过1个闸室,由于靠舵效过闸,可以减少发生岸吸,在引航道内也不会发生岸吸,船速可较快。连续多级船闸单向过闸是利用闸室充作引航道,出闸室又入闸室,一条航线经停、过1个闸室,如组成大型船队,又直接过闸,更增加发生岸吸,航船过闸的船速更慢。仅此比较,双向过闸,航船过闸慢行行程虽长但过闸船速可较快,单向过闸,航船过闸慢行行程虽短,但过闸船速相对更慢。
1958年京杭运河船闸建设。研究:①在航船进、出闸室前能使它既有舵效,又要调顺航向,保持航向过闸。②缩短预留调顺航向的航行行程。③不踫撞闸门和闸墙。④在闸室内行驶减少岸吸,在航船进、出闸首舵效已起作用,要求船行变速从0加大到0.5 m/s慢速过闸。⑤按顶推船队长lc=185 m考虑。⑥为计算安全,不考虑船行变速,以3倍船长作为行程曲率半径R=3lcm=555 m表示过闸船行慢速。
(1)采用完全不对称引航道,①进闸航船停在引航道直线侧。②航船在引航道停船处曲线调顺航向后直线进入闸室,进闸首时航船中心线到闸首中心线航向侧移c=3.0 m,调顺航向行程长度为船长加航向侧移曲线的弦长l2,计算简化得l2={[lc+≈200 m。③航船曲线调顺航向后直线出船闸,出闸首时航船中心线到闸首中心线航向侧移c=4.5 m,简化计算得l2≈210 m。④引航道进闸停船船边与出闸船边相离10 m,大于错开航船航行的安全距离4~5 m。⑤出闸航船过停船边的曲线侧移21 m到引航道中心线,它与平行航道中心线的调顺段l2,简化计算为l2≈283.6 m。⑥计算得引航道直线净长约483.60 m。⑦在引航道内调顺航向前、后断面相同又很宽,因侧移大,航船船体与停船船边虽斜向,不会摩擦,此行距可缩短,停船区航船到闸首的行距计算约为468.60 m。⑧停船区航船到闸首的行距为两个闸室长行程。
如果要求航船调顺航向直线进、出闸首,进闸首段为完全对称引航道,又为维持航船直线经过进闸停船船边,停船区为不完全对称引航道,进闸航船停在引航道停船区宽15 m,曲线侧移c=18 m,简化计算得 l2≈271.80 m。计算得引航道直线约为471.80 m。停船区航船到闸首为稍长于两个闸室长行程。
(2)采用不完全对称引航道,①进闸航船停在引航道不完全对称侧,停船区宽15 m。航船调顺航向依闸室中心线直线进引航道和航道,曲线进闸室。②航船出船闸经引航道时船边与进闸停船船边相离4 m。③航船由引航道停船中心线进入闸室中心线曲线侧移c=18 m,简化计算得l2≈271.80 m。④航船曲线出船闸闸室进入引航道侧移c=4.5 m,简化计算得l2≈210 m。⑤计算得引航道直线净长约471.80 m,停船区航船到闸首为稍长于两个闸室长行程。
(3)采用完全对称引航道,①进闸航船停在引航道完全对称侧,航船可以直线出船闸闸室进入航道。②保持在引航道内出闸航船直线出闸,与进闸停船两侧相距14 m。③航船曲线进船闸闸室的航行中心线与停船时中心线侧移c=21 m,计算得l2≈283.60 m。④计算得引航道直线净长约483.60 m,停船区航船到闸首为稍长于两个闸室长行程。
(4)采用完全不对称引航道,如船闸的闸首与闸室同宽,航船进、出船闸闸室的调顺航向曲线侧移很小,采用后倒缆措施,l2可计入待航船长或部分待航船船长,航船进、出船闸闸室方便,增大闸室运量,设计应优先考虑。
(5)采用完全或不完全对称引航道,航船进船闸闸室的调顺航向曲线侧移很大,为减少船体与船闸中心航线方向调顺段斜向较大,即使采用后倒缆措施,要求不让船体摩擦闸室墙或碰撞闸门,l2中应计入航船船长。
(6)如过船闸航船长度小于顶推船队,计算调顺航向行程长度为船长加航向侧移曲线的弦长l2小于上述数值很多,所需引航道直线长小于上述数值,减少双向过船闸的航程,又使双向过船闸的慢行航速加快,运输量增加。
研究在静水中利用后倒缆(如示意图1),使航船船尾紧靠导航设备或闸室墙,船首外对准航向调顺航向运行。
图1 航船航向侧移及调顺航向行程示意图
(1)采用完全不对称引航道:航船后倒揽操纵,调顺航向段行程长度可以包括待航船长,近似为侧移曲线的弦长,平行船闸中心线的调顺段长l2简化计算,①进船闸c=3.0 m,l2≈200 m;②出船闸c=4.5 m,l2≈210 m。
(2)因侧移c值小,航船出闸室时,船体与船闸中心航线方向虽有斜向,仍不会与船闸闸门、闸墙摩擦,可以实现航船保持航向进、出船闸闸首,提高过闸航船安全和增加闸室过船数量。
(3)1984年京杭运河续建工程船闸的闸室为此由200 m加长至230 m,计入部分航船长度和船停惯性冲程,以满足船行舵效纵距。
(4)在侧移值c较小时,采用后倒缆措施能减小l2,适用于内河多类型航船,航船双向过闸或单向过闸运行都可使用。
(5)①按1976年《西德内河船闸前港布置准则》[3]规定,航船双向过闸运行,采用对称或完全不对称引航道,航船调顺船向直线出闸室入引航道和航道,曲线进闸室,由停船区宽16 m放大4~5倍成调顺行程直线长l2,最大为 80 m,即 l2≈80m(64~80 m),不再计入停船长度。②我国《船闸设计规范 JTJ 287-266-87(试行)》按停船区宽放大5~6倍确定,没有规定最小值,调顺船向直接进、出船闸。③京杭运河船闸设计根据航船后倒缆操纵调顺航向侧移大小和进、出待航的船只长度确定。
连续多级船闸单向运行如另设航船编队区,编成与闸室宽度相差不大的大型顶推船队,不用顺航向,直接进、出船闸,期望减少船只过闸时间,增加过闸航次,以达到增大运输量。参考美国标准,采用按宽度相同、吃水深度分大、中、小三类船型组成船队,可以组成运输量相差约3倍的多种大型船队,长江实际船型现在虽然做不到,但不影响过闸。问题是由于内河运输货物多样,船型种类多,吨位大小不一,要完全编成大型顶推船队过船闸,不仅增加过船闸编队时间,实现操作也有难度,关键是编成与闸室宽度相差不大的大型顶推船队要减少发生岸吸,提高运输安全性,船队过闸的船速要减慢,但如减慢船速后不能保持航向,反尔会增加岸吸,这成为无法解决的难题。已证实连续多级船闸单向运行,无法由提高船速增加船行次数来弥补过船闸运输量减少,造成与双向过闸相比每次运行减少了一条航线的运输量,年运输量减少约一半。
三峡船闸和葛洲坝船闸都是内河航运船闸,各闸室的尺寸相同、闸室的水级数值平均相同,但采用的运行方式不同。葛洲坝船闸是单级船闸,虽有要求大型顶推船队直接过闸,实际可按双向过闸运行,也可按单向过闸运行。三峡船闸是连续多级船闸,只能单向过闸运行。三峡船闸2003年建成通航之初三年记录统计,每年经葛洲坝船闸双向过闸运输的货物,要加用30万辆次汽车驳运过三峡船闸。近年为便于汽车驳运,发展集装箱运输,增大船型以满足运输量的增加,如用比原来航船大约2倍吨位的集装箱船运输,经过葛洲坝船闸的运量中要加用汽车驳运过三峡船闸的约增加2倍。有报导2013年长江年运输量已达19.2亿t,三峡船闸运行以来,年运输量包括2013年,有三年达到1.0亿t。表明该枢纽航船周转慢,运输量增加不大。
如果三峡船闸按分散几级船闸建设,双向过闸运行,船闸每级过闸运输量相同,比现在的连续多级船闸每级单向过闸运输量增加,增加至葛洲坝船闸运输量相同,即使过三峡船闸的总过闸时间可能要增加,但年运输量不会减少太多,这是内河航运的发展之路。
1976年《西德内河船闸前港布置准则》和1987年交通部《船闸设计规范 JTJ 287-266-87(试行)》[4]研究分散单级船闸的双向过船运行,都不介绍连续多级船闸,因它运行条件差,运输能力太小,内河航运已不使用这种型式。1972年4月交通部召开葛州坝船闸人字门设计会议,张体学指挥曾主持讨论连续两级船闸设计方案,因运输能力大小而否定。
京杭运河船闸一期和续建工程采用闸室变速灌、泄输水设计,加快了船闸运输速度。闸室变速灌、泄输水管道中水流流速的摩擦阻力系数kf与输水管断面的相对粗糙度Ra/d和水流流速雷诺数Re有关,式中粗糙度Ra表示流道表面不平的高度,d为圆管直径。如果在同一管道中Re数较大,表示水流流态在粗糙紊流区,即使水流流速不同即Re不同,但kf相同;如水流流速较小,表示水流流态在光滑紊流区,如水流流速越小即Re越小,但kf越大。当输水管内水流流态在光滑紊流区,将输水阀门的开门速度加快,不仅阀门输水流量增大,且管道中的摩擦阻力系数kf减小,闸室灌、泄输水时间缩短较多。1959年京杭运河船闸设计输水阀门的开门变速为1∶2,1989年无锡犊山船闸为1∶3,缩短了航船过船闸时间。
闸门和阀门运行的电气开关控制设手动和自动,通过切换选择,实现现场分散操作和现场集中控制,上闸首的闸门和阀门开、关与下闸首的电气自动连锁,防止发生误操作。京杭运河船闸各人字门启闭机电机的转子带共用电阻变速电轴同步拖动,无锡犊山船闸的闸门启闭机是电机转子带共同电阻的异步变频机和双馈机的变速电轴同步拖动,由主电机实现电轴调速,在停机时断开主电动机接线后三相整步,使电轴牵着电机同步停机,起动时再整步定相,不因多次开关闸门而相位角累加。
内河船闸设计:①采用分散单级船闸双向过闸运行,航船控制航向进、出船闸,提高运行安全。与连续多级船闸单向过闸运输量比较,每次过闸航线增加一条,每次过船闸的运输量增加约一倍。②采用连续多级船闸单向过闸设计,即使将航船组成接近与闸室同宽同长的大型顶推船队直接过闸,期望减少航船过船闸的慢行行程长度和时间,但不调正航向,直接进、出船闸,会降低航船过船闸的安全性,且船队编排困难,岸吸发生多,不适合内河航运,实际运输量比双向过闸减少很多。③如水级很高的山区水利枢纽,原来没有水运或水运很困难的,依地形布置连续多级船闸,实行单向过闸运行的,即使航船利用舵效、后倒缆和顺序过闸运行,与分散单级船闸相比会更慢。④在上世纪70年代曾有报道法国创新设计双向运行“水坡式”节水船闸,替代山区连续多级船闸运煤,自此世界各国再未有连续多级船闸建设的报导,只有为提高运输量而拆除多级连续船闸,改成分散建设。⑤双向过闸的船闸发展与航道航行一致,采用分散单级船闸由单线向双线发展建设比连续多级船闸发展容易做到。⑥从任何改进船闸运行方式看,双向过闸的收益都比单向过闸的收益大很多,内河船闸运行的改进,不可能提高单向与双向过闸船闸运输承载能力的比例数。⑦航道是航船双向运行的河道,船闸双向运行可使航船在行驶航道内分布均匀,提高河道运输能力。⑧内河航运船闸应采用双向运行,航船进、出船闸应利用舵效、后倒缆和顺序过闸,航船过闸平均航速与连续多级船闸单向运行相比更快。
对内河航运船闸提高航船过闸安全,缩短过闸时间,增大运输量等三方面研究船闸运行:①航船大型化增加运输量,如符合内河航运发展规律,航船周转加快。如航船周转缓慢,运输量不增长或增长很慢,则应研究改进。②应采用双向过闸运行方式,每次运行有上行和下行两条航线的航船过闸,运输量比单向过闸约大一倍。③静水中操纵航船后倒缆甩首,减少航船过闸调顺航向行程,增加闸室的过闸停船数量,又保持航向过闸,提高运行安全性。④为利用闸室墙导航,纠正航船岸吸,维持航向,闸室宽度设计按过闸室的小船排成三行,中船排成二行,或小船与大船排成二行,少用几乎与闸室同宽的大船一行过闸。如单行进、出闸室,提高过闸室航船速度,减少岸吸,以适应内河多类型航船发展和大幅增加运输量的要求。大型船闸可参照美国标准,闸室宽度按吃水深度分大、中、小3类和运输量相差3倍的同宽多种船型排成三行,单行进、出闸室,减少岸吸。⑤根据内河航运特点,尽量不采用与闸室长、宽尺寸相差不多的大型顶推船队过船闸,特别在运输繁忙的内河更应不用。船闸设计规范JTJ 287-266-87规定,该船队长应比闸室长少1/3。⑥大型顶推航船队过闸船速要减慢,减慢船速后如不能保持航向,反会增加岸吸,这成为无法解决的困难。⑦不要推广直接进、出闸室,航船要有舵效过闸和调顺航向进、出闸室。⑧推广采用闸首与闸室同宽,减少航船进、出船闸的调顺航向行程。⑨采用完全不对称引航道,进闸航船停在引航道直线侧,利用后倒缆甩首,航船进、出船闸的调顺航向侧移小,航船调顺航向行程中可以计入待航船长或部分船长,缩短调顺航向长度,增加闸室运输量,减少航船进、出船闸难度和时间。⑩在引航道内可加快船速调顺航向错开停船驶入航道。11○如采用完全或不完全对称引航道,航船进船闸的调顺航向的侧移大,调顺航向段不能计入待航船长,增加航船进船闸难度和时间。12○采用闸室变速输、泄水,使输水系统中水流尽可能多的处在粗糙紊流区,利用阀门变速开启实现。13○上闸首的闸门和阀门开、关与下上闸首的要连锁。14○人字门或其它同步启闭闸、阀门的启闭机要各自电轴同步,同步电轴要调相整步,以防止发生事故。
[1] 周君亮.京杭大运河的整治和发展.江苏水利科技,1982(2).
[2] 周君亮.京杭大运河苏北段船闸引航道布置的研讨.通航文集(中国水力发电学会通航专业委员会第一次、第二次会议论文集),1989.
[3] 联邦德国交通部.西德内河船闸前港布置准则.1976.
[4] 交通部.船闸设计规范JTJ 287-266-87(试行).北京:人民交通出版社,1987.
[5] 梁应晨,涂启明,魏京昌.长江、三峡、葛洲坝水利枢纽通航建筑物总体布置研究.北京:人民交通出版社,2003.