三峡船闸通过能力计算及提升策略

王多银，黄海津，程梦瑶，陈 明

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

1 研究背景

三峡船闸通过能力是三峡工程后续工作的研究重点。目前，三峡船闸通过能力逐渐饱和，研究其挖潜、扩能至关重要。迄今为止，国内外学者从不同角度对船闸通过能力进行了大量研究，详见廖鹏[1]及商剑平等[2]的综述性文章。依据研究对象和方法的不同，船闸通过能力研究方法可分为规范公式法、单位船型法、仿真模拟法、排队论及基于服务水平的通过能力确定等。虽然各学者从设计、运行和管理等多方面对船闸通过能力进行了大量研究，但限于问题的复杂性，仍未取得较为一致的结果[3]。

长期实践经验表明，《船闸总体设计规范》(JTJ 350—2011)建议的计算公式结构合理，考虑因素全面，有相当的经验积累，基本可以满足工程实际的需求[4]，但实际运用中仍存在一些不足之处，有待进一步修正。一方面，规范公式法在计算一次过闸平均吨位时，推荐采用静态的船队排列法[5]，不能反映船舶实载的动态过程，实际上船舶实载率受船舶吃水控制标准影响较大[6]；另一方面，船舶载重吨位与允许船舶安全通航的船闸上、下游通航水位及门槛水深有关[7]，在运用规范公式法计算船闸通过能力时，十分有必要考虑船闸上、下游通航水位及门槛水深与船舶载重吨位的关系。鉴于此，本文根据三峡船闸历年统计数据，建立其通航水位与船舶配载的动态关系，进而分时段计算三峡船闸通过能力，旨在更精准地预测三峡船闸通过能力，为后续三峡船闸挖潜及新通道建设提供支持。

图1 2010—2015年三峡船闸上、下游通航水位变化过程Fig.1 Changes in upstream and downstream water levelsof Three Gorges shiplock in 2010-2015

2 三峡船闸历年上、下游通航水位

图1给出了2010—2015年三峡船闸上、下游通航水位变化过程。由图1(a)可知，2010—2015年，三峡船闸上游通航水位变化趋势相同，除汛期外过程线基本重合。三峡船闸上游通航水位通常在每年的1月底开始下降，至5月底前下降到155 m左右，6月初迅速下降至145 m，整个汛期(6月10日—9月10日)保持在145 m，汛期结束后，三峡枢纽开始蓄水，三峡船闸上游通航水位开始升高，至9月底上游通航水位一般不超过165 m，至10月底上游通航水位升高至设计最高通航水位175 m，之后保持该水位运行。三峡船闸上游通航水位的变化过程与2012年国家防汛抗旱总指挥部批复的三峡水库坝前水位调度一致，受汛期洪峰影响，些许年份出现陡涨陡降。由图1(b)可知，三峡船闸下游通航水位的变化与上游情况类似，即历年三峡船闸下游通航水位变化趋势相同，除汛期外过程线基本重合。历年下游通航水位始终保持不低于63 m。

3 三峡船闸历年平均最小门槛水深

船舶分时段吃水控制标准受三峡船闸最小门槛水深控制。因此，本文选用张义军等[8]提出的多级船闸门槛水深计算模型，推导了三峡船闸历年(2010—2015年)平均最小门槛水深随上、下游通航水位的变化过程。如图2所示，三峡船闸历年平均最小门槛水深变化过程大致可分为5个时段：①1月1日至2月25日，受三峡水库防洪调度影响，平均最小门槛水深逐步递减，期间最小值为5.649 m；②2月26日至5月27日，平均最小门槛水深基本保持稳定，期间最小值为5.591 m；③5月28日至7月25日，受汛期洪峰影响，平均最小门槛水深变化幅度较大，期间最小值为6.168 m；④7月26日至10月1日，最初平均最小门槛水深保持稳定，到9月中下旬，三峡水库开始蓄水，平均最小门槛水深迅速上升，期间最小值为5.863 m；⑤10月2日至12月31日，三峡水库蓄水基本完成，保持175 m水位运行，平均最小门槛水深基本保持稳定，期间最小值为7.256 m。

图2 平均最小门槛水深变化过程Fig.2 Change of average minimum water depth onshiplock sill

4 过闸船舶分时段吃水控制标准

船舶吃水控制标准与船闸最小门槛水深直接相关，其相互关系式为[9]

H=T+ΔH+δ+t。

(1)

式中：H为船闸最小门槛水深；T为船舶吃水控制标准；ΔH为安全富余水深；δ为船舶综合航行下沉量，与船舶航行下沉、推移波及非恒定流引起的水面波动等因素有关；t为船舶纵倾。

根据三峡船闸实船试验成果[9]，δ、H及船舶航速v之间的计算式为：

(2)

(3)

式中：ζ为断面系数，即闸室水下断面面积与船舶水下断面面积之比；g为重力加速度。

根据《三峡-葛洲坝枢纽河段通航管理办法》，计算船舶吃水控制标准时船舶航速取1.3 m/s，安全富余水深取0.3 m，船舶纵倾取0.15 m。过闸船舶最大宽度根据实际统计资料取19.2 m[7]，闸室有效宽度取34 m。联立式(1)—式(3)，可求出船舶分时段吃水控制标准，即

根据分时段三峡船闸历年平均最小门槛水深，即可求得船舶分时段吃水控制标准,如表1所示。由表1可知，当三峡船闸最小门槛水深分别为5.649、5.591、6.168、5.863、7.256 m时，对应的船舶吃水控制标准分别为4.403、4.350、4.880、4.599、5.888 m。考虑到5 000 t级船舶满载吃水4.5 m时，其闸室船舶系缆力普遍超标[7]，因此，下文计算三峡船闸通过能力时，船舶吃水控制标准分别按<4.5 m和>4.5 m考虑。

表1 三峡船闸船舶分时段吃水控制标准Table 1 Time-divided ship draft control standardfor Three Gorges shiplock

5 船闸分时段通过能力计算方法

船闸分时段通过能力计算的思路是：根据船闸历年平均最小门槛水深变化过程，确定船舶分时段吃水控制标准，进而分时段给过闸船舶配重，计算船闸通过能力。基于规范公式法[5]，提出了船闸分时段通过能力计算新公式，即

(5)

式中：P为年过闸货运量；Pi为年分时段过闸货运量；ni为年分时段日平均过闸次数；ni0为年分时段非客、货运船过闸次数；αi为年分时段船舶装载系数；βi为年分时段货物运量不均衡系数；Ni为年分时段通航天数；Gi为年分时段单次过闸平均载重吨位；γ为通航保证率;n为时段数。

6 三峡船闸通过能力计算

鉴于三峡船闸实际运行统计资料的不完善，本文在运用上述新公式计算三峡船闸通过能力时，做了2点简化：其一，日平均过闸次数、单次过闸平均载重吨位及货物运量不均衡系数均按年平均最高水平考虑；其二，考虑通过船舶装载系数来反映过闸船舶动态配重。第一点假设是为了预测三峡船闸最大通过能力；第二点假设考虑了船舶实际配重不仅仅与船舶吃水控制标准有关，还与船舶设计载质量、船闸水工建筑物系缆设施承载力等因素相关，即当达到船舶设计载质量或通航建筑物系缆设施设计承载力时，即使有富余的船舶吃水，船舶也不能持续加载。因此，当船舶吃水控制标准较小时，船舶装载系数取小值；当船舶吃水控制标准较大时，船舶装载系数取大值。

根据2010—2015年三峡船闸实际运行统计资料[10-11]，三峡船闸日运行为28.69～31.01次，本次计算取ni=31；考虑到目前船舶大型化、标准化的实际情况，单次过闸平均载重吨位以2015年实际统计的16 718 t为基准，考虑2.26%的年增长率[10]，增长到2018年，则本次计算取Gi=17 851 t；货物运量不均衡系数基本稳定在1.18左右，本次计算取βi=1.18；年通航天数一般为343～358 d左右，本次计算取γ=0.98，即98%通航保证率；船舶平均装载系数一般≤0.75，因此，当船舶吃水控制标准<4.5 m时，取αi=0.75，当船舶吃水控制标准>4.5 m时，取αi=1.00，即理想情况下，过闸船舶载重不受船舶吃水控制标准影响，全部满载；分时段通航天数Ni按表1统计的各时段天数取值；取ni0=0，即忽略非客、货船过闸次数。将上述各参数代入式(5)，得三峡船闸最大通过能力约为1.51亿t(详见表2)，较三峡船闸设计通过能力1亿t提高了51%，较2019年三峡船闸实际通过量1.46亿t仍有一定的提升空间。值得说明的是，1.51亿t为本文的预测值，三峡船闸实际运行采取的是分时段控制原则，这与本文所提的计算公式相符，由此可认为本文的预测结果基本符合实际。

表2 三峡船闸最大通过能力预测Table 2 Predicted maximum capacity for Three Gorges shiplock

7 三峡船闸通过能力提升策略

从船闸角度来讲，自2011年以来，船闸通过能力长期超设计运行，满负荷运行已常态化。从现有运行数据来看，无论是船闸通航保障率、闸室面积利用率还是单次过闸平均载重吨位均已远超设计值，因此，进一步挖潜的空间有限，且安全隐患和社会风险极大。从船舶角度来讲，在船舶大型化的同时，闸室面积利用率有可能降低，加之大型船舶受两坝间通航水流条件及船闸设备的影响，且目前船舶标准化率已经超过90%[10]；因此，船舶大型化、标准化的提升空间越来越小。由上述统计资料，船舶装载系数较低仍是一个问题，存在一定的提升空间。从管理角度来讲，船闸通过能力不足，船舶待闸已是常态，且疏散较慢，遇恶劣自然条件及船闸大修时，船闸停航，将进一步加大船闸通航组织压力；因此，一支专业化的运行管理队伍对保障船闸通过力必不可少。随着三峡船闸多年的运行，这样的一支队伍基本形成，对船闸通过能力提升有限。

通过上述分析，在现今情况下，单独的船闸、船舶及管理措施对三峡船闸通过能力挖潜空间不大。而多家单位预测[12]，至2030年三峡船闸过闸货运量将突破2亿t，至2050年则将突破3亿t。基于此，笔者从近期和远期两个层面分别提出提升三峡船闸通过能力的建议：对于近期，笔者认为可采用“船舶分时段配载运输及船闸动态运营管理”的措施提升三峡船闸通过能力，通过上述算例可见，该方法可有效地对三峡船闸通过能力进行挖潜，同时可以预见，若细化分时控制标准，三峡船闸通过能力可得到更大幅度的提升；对于远期，笔者认为“三峡新通道建设，同时实施葛洲坝船闸扩能工程及长江中游航道通过能力提升工程”[12-13]是解决三峡船闸通过能力不足的根本出路，只有这样才能从根本上解决三峡船闸通过能力瓶颈制约，充分发挥长江黄金水道的黄金效益，更好地服务国家长江经济带发展战略。

8 结 论

(1)考虑到《船闸总体设计规范》(JTJ 305—2001)中，船闸通过能力计算公式不能反应船舶实载动态变化过程，依据船舶分时段吃水控制标准，提出了船闸分时段通过能力计算新公式。

(2)根据三峡船闸历年上、下游通航水位，导出了其船舶分时段吃水控制标准，采用提出的新公式对其通过能力进行了计算，预计三峡船闸最大通过能力约为1.51亿t。

(3)针对三峡船闸通过能力不足的现状，创新性地提出了“船舶分时段配载运输及船闸动态运营管理”的近期提升措施，再次重申了“三峡新通道建设，同时实施葛洲坝船闸扩能工程及长江中游航道通过能力提升工程”的远期提升措施。