內(nèi)河航運(yùn)船閘運(yùn)行研究

周君亮

（江蘇省水利廳，江蘇南京 210029）

現(xiàn)在所有型式的通航建筑物與自然通航的航道比較都有礙航作用。常用的船閘如何加大過船能力，是內(nèi)河航運(yùn)樞紐建設(shè)中首要研究的問題。研究涉及主要問題有以下幾點(diǎn)：

1 按內(nèi)河船閘的特點(diǎn)，研究航運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)發(fā)展

內(nèi)河是航船來往于各大小相通的航道，不同種類貨物運(yùn)輸量短途與長途調(diào)運(yùn)，與多類船型如頂推船隊(duì)，拖帶船隊(duì)，自航船等搭配，與大、中、小不同噸位航船配合，發(fā)展成航運(yùn)網(wǎng)。內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)律是航船周轉(zhuǎn)加快，運(yùn)輸量增加，運(yùn)輸網(wǎng)擴(kuò)大，貨物轉(zhuǎn)駁次數(shù)減少。運(yùn)輸量增加促使航船大型化，加大過閘單船噸位可以提高過船閘運(yùn)輸量，但航船大型化要與運(yùn)輸量發(fā)展相適應(yīng)，如果不符合內(nèi)河航運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)發(fā)展規(guī)律和發(fā)展需要，人為加大過船閘航船的后果是單船運(yùn)輸量增大，造成航船周轉(zhuǎn)緩慢，貨物轉(zhuǎn)駁次數(shù)增加，轉(zhuǎn)駁貨物損耗增高，運(yùn)輸成本加大，不利與其它交通運(yùn)輸行業(yè)競爭，不利水運(yùn)行業(yè)發(fā)展，水運(yùn)最終將造成萎縮冷清［1］。

上世紀(jì)50年代京杭運(yùn)河江蘇段建設(shè)，船閘的閘首寬20 m，閘室200 m×23 m×5 m，推行 2×2000 t頂推船隊(duì)運(yùn)煤，船隊(duì)尺度為185 m×14 m×2.8 m，直接進(jìn)、出閘室。上世紀(jì)80年代初，經(jīng)調(diào)查有70%貨運(yùn)量在兩岸集散，航行船只來自全國九省一市，內(nèi)河航運(yùn)30年來有了很大發(fā)展。隨著運(yùn)輸量增加，航船大型化也在發(fā)展，但2×2000 t頂推船隊(duì)沒有發(fā)展，它除運(yùn)煤外很難參與其它貨物運(yùn)輸，因該船體長達(dá)185 m，調(diào)順航向進(jìn)、出船閘困難，運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生岸吸，造成事故，轉(zhuǎn)彎時(shí)占航線寬，不適宜應(yīng)用于運(yùn)河航運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)發(fā)展擴(kuò)大。

上世紀(jì)70年代長江葛洲壩大型船閘建設(shè)［5］，船閘的閘首寬 34 m，閘室 280 m×34 m×5 m，推廣使用 1+9×1000 t萬噸頂推船隊(duì)，船隊(duì)尺度為264 m×32.4 m×2.8 m，但該型船隊(duì)在長江航運(yùn)中沒有發(fā)展。葛洲壩船閘是按雙線單級(jí)設(shè)計(jì)，可各自雙向過閘運(yùn)行，也可各自單向過閘運(yùn)行。30多年后三峽船閘也按此萬噸級(jí)船隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)，按雙線連續(xù)5級(jí)設(shè)計(jì)，各自只能單向過閘運(yùn)行。

2 船閘運(yùn)行平面設(shè)計(jì)

（1）船閘運(yùn)行設(shè)計(jì)決定于船型、航船噸位、運(yùn)輸方式和今后若干年內(nèi)貨物運(yùn)輸量的增加。貨物運(yùn)輸量確定船的不同噸位、不同船型。

（2）為利用閘室墻糾正航船岸吸現(xiàn)象，維持航向，閘室寬度設(shè)計(jì)一般按過閘室的小船排成三行，中船排成二行，小船與大船排成二行。閘室長度設(shè)計(jì)要滿足一次過閘需要總噸位的多類船型長度，再加上過閘最長船型在出閘室的航向調(diào)順段長度，同時(shí)滿足保持該船運(yùn)行所需的船行舵效縱距和停船慣性沖程。

（3）船閘運(yùn)行有兩種方式：①船閘運(yùn)行一次，有上行、下行雙線航船過閘。②船閘運(yùn)行一次，只有上行或下行單線航船過閘。

（4）平面布置：①根據(jù)水級(jí)，采用分散的單級(jí)船閘，每單級(jí)船閘的船室上、下游都連接有航船交錯(cuò)導(dǎo)航的引航道和航道，可雙向過閘運(yùn)行，也可單向過閘運(yùn)行。如：京杭運(yùn)河船閘和長江葛洲壩船閘等。②根據(jù)水級(jí)，采用連續(xù)多級(jí)船閘，除上、下游的閘室連接引航道和通航道外，其余每級(jí)船閘閘室直接連接，不設(shè)引航道和航道，只可單向過閘運(yùn)行。如：南斯拉夫多瑙河連續(xù)2級(jí)鐵門船閘和連續(xù)5級(jí)長江三峽船閘等。

在京杭運(yùn)河江蘇段建設(shè)船閘設(shè)計(jì)中首次提出：①要求航船進(jìn)、出船閘有舵效，保持航向過閘，糾正和防止與閘門、閘墻或閘室停船岸吸，航船順序過閘，船速可較快。②要求在引航道航船進(jìn)、出船閘的調(diào)順航向側(cè)移最小，容易過閘首。③在靜水中利用航船后倒纜甩首，縮短航船調(diào)順航向的行程，閘室內(nèi)可多停過閘航船。④要求航船在進(jìn)、出閘首時(shí)調(diào)順航向，不與閘門和閘墻相撞或摩擦，不發(fā)生事故。⑤過閘室的船寬，要求容易糾正航船岸吸。⑥期望最長運(yùn)煤的頂推船隊(duì)可順利進(jìn)、出船閘。以及要求閥門變速開門，縮短過閘輸、泄水時(shí)間。閘首的閘門和閥門開、關(guān)要連鎖，人字門開、關(guān)要同步，防止事故。上述措施綜合達(dá)到閘室內(nèi)多停過閘航船，縮短航船過閘運(yùn)行時(shí)間，提高船行過閘安全。

由此，研究以行駛2×2000 t頂推船隊(duì)過閘來比較船閘運(yùn)行方式。分散的單級(jí)船閘雙向過閘運(yùn)行，每次閘室過船數(shù)量比單向過閘運(yùn)行多一倍，期望運(yùn)煤的最長頂推船隊(duì)能順利雙向過閘。

（1）研究：分散的單級(jí)船閘的雙向過閘運(yùn)行：①航船過閘時(shí)，每開、關(guān)上、下游閘門和閥門一次，閘室每灌水、泄水一次，航船有上行和下行兩條航線在同一閘室過閘。②推廣航船采用后倒纜甩首，縮短調(diào)順航向行程，使頂推船隊(duì)順利進(jìn)、出船閘閘室。閘室內(nèi)可多停過閘航船，增加運(yùn)輸量。③過閘航船停在引航道，離開閘首一個(gè)閘室長處，調(diào)順航向慢行過閘首停在閘室，輸水后再調(diào)順航向駛過另一閘首直線出閘。④快速錯(cuò)過引航道內(nèi)待過閘停船后駛?cè)牒降馈?/p>

分散的單級(jí)船閘的單向過閘運(yùn)行：①航船過閘時(shí)，每開、關(guān)上、下游閘門和閥門一次，閘室每灌水、泄水一次，航船在上行或下行航線閘室過閘。②航船慢行過閘，每次上行或下行要各過5個(gè)閘室長的行程，其中，停、過1個(gè)閘室長行程和3個(gè)閘室長的引航道，調(diào)順航向2次。③從過閘運(yùn)輸量比較，雙向比單向過閘約多一倍。④單向過閘只在特殊情況下使用，如需過特殊航船，不要與其它航船在閘室內(nèi)相伴。

（2）研究：連續(xù)多級(jí)船閘：①連續(xù)多級(jí)船閘只能單向過閘運(yùn)行。航船過閘，要每級(jí)每一次開、關(guān)上、下游閘門和閥門，每一次閘室灌水、泄水。②船閘有上行或下行一條航線的各級(jí)閘室船過閘。③過閘船慢速行駛停在閘室內(nèi)或編隊(duì)后停在閘室內(nèi)。④航船過閘室后又停在連續(xù)的閘室內(nèi)，過閘的航船行程都在閘室內(nèi)，每級(jí)各停、過1個(gè)閘室。⑤為增加單向過閘運(yùn)輸量，如采用與閘室近似同寬同長的頂推船隊(duì)直接進(jìn)、出船閘，不使用調(diào)順航向，不一定能使用調(diào)順航向，航船不一定已有舵效，且多會(huì)發(fā)生岸吸，過閘困難，費(fèi)時(shí)可能更多。

（3）分散的單級(jí)船閘雙向過閘與連續(xù)多級(jí)船閘單向過閘每次運(yùn)行比較：①從航船過船閘的慢行航線比較，后者比前者少一條，即過船閘運(yùn)輸量約少一半。②后者船閘每級(jí)運(yùn)行慢行行程比前者船閘慢行行程少3個(gè)閘室長的行程。③前、后兩者航船進(jìn)、出閘室的調(diào)順航向側(cè)移條件相同，運(yùn)行花費(fèi)時(shí)間與采用船型有關(guān)。如兩者在同一樞紐中，則每次閘室過船船型相同，閘室運(yùn)輸量相同。④從閘、閥門開關(guān)和閘室灌、泄水時(shí)間相比，后者比前者增加約一倍時(shí)間。⑤前者引航道內(nèi)航船出閘在進(jìn)閘的停船船邊的側(cè)移調(diào)向航速可以加快，不會(huì)增加多少過閘時(shí)間。⑥期望后者在縮短航船過閘運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，增加航船過閘次數(shù)，由此來增加運(yùn)輸量達(dá)到與前者相等，實(shí)際運(yùn)行已證實(shí)不可能，后者船閘連續(xù)級(jí)數(shù)越多，年運(yùn)輸量比前者減少越多。

（4）上世紀(jì)80年代京杭運(yùn)河江蘇段船閘續(xù)建時(shí)，采用分散的單級(jí)船閘。①推廣航船后倒纜，船閘閘室長改為230 m，期望2×2000 t頂推船隊(duì)過閘可以保持舵效，調(diào)整航向進(jìn)、出閘室，減少岸吸，能正常雙向運(yùn)行。②更主要是航船每運(yùn)行一次，雙向過閘有上行和下行兩閘室貨船，而單向過閘只有上行或下行一閘室貨船，運(yùn)輸量約少一半。③如期望編成與閘室基本同寬同長的船隊(duì)，編隊(duì)和過閘難度大，花費(fèi)時(shí)間更多。④如過閘船型正常，船長小于頂推船隊(duì)，船寬小于閘室寬較多，順序過船閘容易，花費(fèi)時(shí)間更少。⑤比較后決定建分散的單級(jí)船閘，采用雙向過閘運(yùn)行。

此項(xiàng)研究1984年曾以論文“京杭運(yùn)河蘇北段船閘引航道布置的討論”［2］組織參加江蘇段船閘續(xù)建設(shè)計(jì)人員討論執(zhí)行。論文轉(zhuǎn)載在1989年中國水力發(fā)電學(xué)會(huì)通航專業(yè)委員會(huì)第一、二次會(huì)議論文集《通航文集》。

3 船行舵效縱距和船停慣性沖程

航船船速約在0.5 m/s時(shí)舵效（即方向盤）才能起作用，航船要駛到一定航速有一個(gè)延時(shí)，即：航船從靜止到行駛有舵效能保持航向運(yùn)行有一個(gè)船行縱距行程。上世紀(jì)50年代京杭運(yùn)河船閘設(shè)計(jì)時(shí)采用雙向過閘，航船停在引航道內(nèi)離開閘首一個(gè)閘室長處，首次要求航船達(dá)到閘首時(shí)經(jīng)過調(diào)順航向段舵效已起作用，順著閘首的中心航線和保持航向進(jìn)閘，過閘時(shí)航船慢行，經(jīng)過閘首，進(jìn)入閘室，航船與閘門或與已?？吭陂l室內(nèi)的其他船只減少碰撞，減少摩擦閘室墻。在閘室內(nèi)，停船后淌航或再開倒車減小船行的慣性沖程，沖速減小后由系船設(shè)備將船停靠在指定的位置。閘室內(nèi)可以多停船，費(fèi)時(shí)少。出閘時(shí)航船經(jīng)調(diào)順航向后，保持航向順著閘首的中心航線出閘，到引航道停船處，再經(jīng)快速調(diào)順航向錯(cuò)過停船后順著航道中心線駛?cè)牒降馈?/p>

航船的船行縱距行程和慣性沖程要實(shí)測確定。航船在進(jìn)、出閘首預(yù)留的航行行程要大于它對(duì)準(zhǔn)航向的調(diào)順段行程，還要大于能夠?qū)崿F(xiàn)保持航向運(yùn)行的船行縱距行程和慣性沖程。

4 航船岸吸

航船進(jìn)入閘室有一定航速時(shí)，如航船船體靠近閘室墻一側(cè)，排水流速加大，水面降低，則船體該側(cè)所受的水壓力減小，船體靠攏碰撞閘門或摩擦閘室墻；如另一側(cè)所受的水壓力減小，則靠攏碰撞停在閘室內(nèi)的航船，稱為岸吸。因閘室與航船比較船行的斷面系數(shù)小很多，閘室為有限水域，船的航行阻力大，船行縱距和停船沖程都大，船在閘室內(nèi)空位小，容易發(fā)生岸吸，在過大船或船速快時(shí)更容易發(fā)生。

雙向過閘的航船停在引航道內(nèi)，過閘首時(shí)航船已有一定船速和舵效，依靠導(dǎo)航設(shè)備保持航向進(jìn)閘。在閘室內(nèi)航船停船后靠慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)，由系船設(shè)備將船?？吭谥付ㄎ恢?。航船順序進(jìn)船閘，閘室外接引航道，航船順序出閘。上行和下行航船各經(jīng)停、過1個(gè)閘室，由于靠舵效過閘，可以減少發(fā)生岸吸，在引航道內(nèi)也不會(huì)發(fā)生岸吸，船速可較快。連續(xù)多級(jí)船閘單向過閘是利用閘室充作引航道，出閘室又入閘室，一條航線經(jīng)停、過1個(gè)閘室，如組成大型船隊(duì)，又直接過閘，更增加發(fā)生岸吸，航船過閘的船速更慢。僅此比較，雙向過閘，航船過閘慢行行程雖長但過閘船速可較快，單向過閘，航船過閘慢行行程雖短，但過閘船速相對(duì)更慢。

5 航船航向側(cè)移及調(diào)順航向行程

1958年京杭運(yùn)河船閘建設(shè)。研究：①在航船進(jìn)、出閘室前能使它既有舵效，又要調(diào)順航向，保持航向過閘。②縮短預(yù)留調(diào)順航向的航行行程。③不踫撞閘門和閘墻。④在閘室內(nèi)行駛減少岸吸，在航船進(jìn)、出閘首舵效已起作用，要求船行變速從0加大到0.5 m/s慢速過閘。⑤按頂推船隊(duì)長lc=185 m考慮。⑥為計(jì)算安全，不考慮船行變速，以3倍船長作為行程曲率半徑R=3lcm=555 m表示過閘船行慢速。

（1）采用完全不對(duì)稱引航道，①進(jìn)閘航船停在引航道直線側(cè)。②航船在引航道停船處曲線調(diào)順航向后直線進(jìn)入閘室，進(jìn)閘首時(shí)航船中心線到閘首中心線航向側(cè)移c=3.0 m，調(diào)順航向行程長度為船長加航向側(cè)移曲線的弦長l2，計(jì)算簡化得l2=｛［lc+≈200 m。③航船曲線調(diào)順航向后直線出船閘，出閘首時(shí)航船中心線到閘首中心線航向側(cè)移c=4.5 m，簡化計(jì)算得l2≈210 m。④引航道進(jìn)閘停船船邊與出閘船邊相離10 m，大于錯(cuò)開航船航行的安全距離4~5 m。⑤出閘航船過停船邊的曲線側(cè)移21 m到引航道中心線，它與平行航道中心線的調(diào)順段l2，簡化計(jì)算為l2≈283.6 m。⑥計(jì)算得引航道直線凈長約483.60 m。⑦在引航道內(nèi)調(diào)順航向前、后斷面相同又很寬，因側(cè)移大，航船船體與停船船邊雖斜向，不會(huì)摩擦，此行距可縮短，停船區(qū)航船到閘首的行距計(jì)算約為468.60 m。⑧停船區(qū)航船到閘首的行距為兩個(gè)閘室長行程。

如果要求航船調(diào)順航向直線進(jìn)、出閘首，進(jìn)閘首段為完全對(duì)稱引航道，又為維持航船直線經(jīng)過進(jìn)閘停船船邊，停船區(qū)為不完全對(duì)稱引航道，進(jìn)閘航船停在引航道停船區(qū)寬15 m，曲線側(cè)移c=18 m，簡化計(jì)算得 l2≈271.80 m。計(jì)算得引航道直線約為471.80 m。停船區(qū)航船到閘首為稍長于兩個(gè)閘室長行程。

（2）采用不完全對(duì)稱引航道，①進(jìn)閘航船停在引航道不完全對(duì)稱側(cè)，停船區(qū)寬15 m。航船調(diào)順航向依閘室中心線直線進(jìn)引航道和航道，曲線進(jìn)閘室。②航船出船閘經(jīng)引航道時(shí)船邊與進(jìn)閘停船船邊相離4 m。③航船由引航道停船中心線進(jìn)入閘室中心線曲線側(cè)移c=18 m，簡化計(jì)算得l2≈271.80 m。④航船曲線出船閘閘室進(jìn)入引航道側(cè)移c=4.5 m，簡化計(jì)算得l2≈210 m。⑤計(jì)算得引航道直線凈長約471.80 m，停船區(qū)航船到閘首為稍長于兩個(gè)閘室長行程。

（3）采用完全對(duì)稱引航道，①進(jìn)閘航船停在引航道完全對(duì)稱側(cè)，航船可以直線出船閘閘室進(jìn)入航道。②保持在引航道內(nèi)出閘航船直線出閘，與進(jìn)閘停船兩側(cè)相距14 m。③航船曲線進(jìn)船閘閘室的航行中心線與停船時(shí)中心線側(cè)移c=21 m，計(jì)算得l2≈283.60 m。④計(jì)算得引航道直線凈長約483.60 m，停船區(qū)航船到閘首為稍長于兩個(gè)閘室長行程。

（4）采用完全不對(duì)稱引航道，如船閘的閘首與閘室同寬，航船進(jìn)、出船閘閘室的調(diào)順航向曲線側(cè)移很小，采用后倒纜措施，l2可計(jì)入待航船長或部分待航船船長，航船進(jìn)、出船閘閘室方便，增大閘室運(yùn)量，設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮。

（5）采用完全或不完全對(duì)稱引航道，航船進(jìn)船閘閘室的調(diào)順航向曲線側(cè)移很大，為減少船體與船閘中心航線方向調(diào)順段斜向較大，即使采用后倒纜措施，要求不讓船體摩擦閘室墻或碰撞閘門，l2中應(yīng)計(jì)入航船船長。

（6）如過船閘航船長度小于頂推船隊(duì)，計(jì)算調(diào)順航向行程長度為船長加航向側(cè)移曲線的弦長l2小于上述數(shù)值很多，所需引航道直線長小于上述數(shù)值，減少雙向過船閘的航程，又使雙向過船閘的慢行航速加快，運(yùn)輸量增加。

6 航船后倒纜操縱、側(cè)移及變速調(diào)順航向段行程

研究在靜水中利用后倒纜（如示意圖1），使航船船尾緊靠導(dǎo)航設(shè)備或閘室墻，船首外對(duì)準(zhǔn)航向調(diào)順航向運(yùn)行。

圖1 航船航向側(cè)移及調(diào)順航向行程示意圖

（1）采用完全不對(duì)稱引航道：航船后倒攬操縱，調(diào)順航向段行程長度可以包括待航船長，近似為側(cè)移曲線的弦長，平行船閘中心線的調(diào)順段長l2簡化計(jì)算，①進(jìn)船閘c=3.0 m，l2≈200 m；②出船閘c=4.5 m，l2≈210 m。

（2）因側(cè)移c值小，航船出閘室時(shí)，船體與船閘中心航線方向雖有斜向，仍不會(huì)與船閘閘門、閘墻摩擦，可以實(shí)現(xiàn)航船保持航向進(jìn)、出船閘閘首，提高過閘航船安全和增加閘室過船數(shù)量。

（3）1984年京杭運(yùn)河續(xù)建工程船閘的閘室為此由200 m加長至230 m，計(jì)入部分航船長度和船停慣性沖程，以滿足船行舵效縱距。

（4）在側(cè)移值c較小時(shí)，采用后倒纜措施能減小l2，適用于內(nèi)河多類型航船，航船雙向過閘或單向過閘運(yùn)行都可使用。

（5）①按1976年《西德內(nèi)河船閘前港布置準(zhǔn)則》［3］規(guī)定，航船雙向過閘運(yùn)行，采用對(duì)稱或完全不對(duì)稱引航道，航船調(diào)順船向直線出閘室入引航道和航道，曲線進(jìn)閘室，由停船區(qū)寬16 m放大4~5倍成調(diào)順行程直線長l2，最大為 80 m，即 l2≈80m（64~80 m），不再計(jì)入停船長度。②我國《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范 JTJ 287-266-87（試行）》按停船區(qū)寬放大5~6倍確定，沒有規(guī)定最小值，調(diào)順船向直接進(jìn)、出船閘。③京杭運(yùn)河船閘設(shè)計(jì)根據(jù)航船后倒纜操縱調(diào)順航向側(cè)移大小和進(jìn)、出待航的船只長度確定。

7 編成大型船隊(duì)過閘困難，連續(xù)多級(jí)船閘過船運(yùn)輸能力小

連續(xù)多級(jí)船閘單向運(yùn)行如另設(shè)航船編隊(duì)區(qū)，編成與閘室寬度相差不大的大型頂推船隊(duì)，不用順航向，直接進(jìn)、出船閘，期望減少船只過閘時(shí)間，增加過閘航次，以達(dá)到增大運(yùn)輸量。參考美國標(biāo)準(zhǔn)，采用按寬度相同、吃水深度分大、中、小三類船型組成船隊(duì)，可以組成運(yùn)輸量相差約3倍的多種大型船隊(duì)，長江實(shí)際船型現(xiàn)在雖然做不到，但不影響過閘。問題是由于內(nèi)河運(yùn)輸貨物多樣，船型種類多，噸位大小不一，要完全編成大型頂推船隊(duì)過船閘，不僅增加過船閘編隊(duì)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)操作也有難度，關(guān)鍵是編成與閘室寬度相差不大的大型頂推船隊(duì)要減少發(fā)生岸吸，提高運(yùn)輸安全性，船隊(duì)過閘的船速要減慢，但如減慢船速后不能保持航向，反爾會(huì)增加岸吸，這成為無法解決的難題。已證實(shí)連續(xù)多級(jí)船閘單向運(yùn)行，無法由提高船速增加船行次數(shù)來彌補(bǔ)過船閘運(yùn)輸量減少，造成與雙向過閘相比每次運(yùn)行減少了一條航線的運(yùn)輸量，年運(yùn)輸量減少約一半。

三峽船閘和葛洲壩船閘都是內(nèi)河航運(yùn)船閘，各閘室的尺寸相同、閘室的水級(jí)數(shù)值平均相同，但采用的運(yùn)行方式不同。葛洲壩船閘是單級(jí)船閘，雖有要求大型頂推船隊(duì)直接過閘，實(shí)際可按雙向過閘運(yùn)行，也可按單向過閘運(yùn)行。三峽船閘是連續(xù)多級(jí)船閘，只能單向過閘運(yùn)行。三峽船閘2003年建成通航之初三年記錄統(tǒng)計(jì)，每年經(jīng)葛洲壩船閘雙向過閘運(yùn)輸?shù)呢浳?，要加?0萬輛次汽車駁運(yùn)過三峽船閘。近年為便于汽車駁運(yùn)，發(fā)展集裝箱運(yùn)輸，增大船型以滿足運(yùn)輸量的增加，如用比原來航船大約2倍噸位的集裝箱船運(yùn)輸，經(jīng)過葛洲壩船閘的運(yùn)量中要加用汽車駁運(yùn)過三峽船閘的約增加2倍。有報(bào)導(dǎo)2013年長江年運(yùn)輸量已達(dá)19.2億t，三峽船閘運(yùn)行以來，年運(yùn)輸量包括2013年，有三年達(dá)到1.0億t。表明該樞紐航船周轉(zhuǎn)慢，運(yùn)輸量增加不大。

如果三峽船閘按分散幾級(jí)船閘建設(shè)，雙向過閘運(yùn)行，船閘每級(jí)過閘運(yùn)輸量相同，比現(xiàn)在的連續(xù)多級(jí)船閘每級(jí)單向過閘運(yùn)輸量增加，增加至葛洲壩船閘運(yùn)輸量相同，即使過三峽船閘的總過閘時(shí)間可能要增加，但年運(yùn)輸量不會(huì)減少太多，這是內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展之路。

1976年《西德內(nèi)河船閘前港布置準(zhǔn)則》和1987年交通部《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范 JTJ 287-266-87（試行）》［4］研究分散單級(jí)船閘的雙向過船運(yùn)行，都不介紹連續(xù)多級(jí)船閘，因它運(yùn)行條件差，運(yùn)輸能力太小，內(nèi)河航運(yùn)已不使用這種型式。1972年4月交通部召開葛州壩船閘人字門設(shè)計(jì)會(huì)議，張?bào)w學(xué)指揮曾主持討論連續(xù)兩級(jí)船閘設(shè)計(jì)方案，因運(yùn)輸能力大小而否定。

8 閘室變速灌、泄輸水

京杭運(yùn)河船閘一期和續(xù)建工程采用閘室變速灌、泄輸水設(shè)計(jì)，加快了船閘運(yùn)輸速度。閘室變速灌、泄輸水管道中水流流速的摩擦阻力系數(shù)kf與輸水管斷面的相對(duì)粗糙度Ra/d和水流流速雷諾數(shù)Re有關(guān)，式中粗糙度Ra表示流道表面不平的高度，d為圓管直徑。如果在同一管道中Re數(shù)較大，表示水流流態(tài)在粗糙紊流區(qū)，即使水流流速不同即Re不同，但kf相同；如水流流速較小，表示水流流態(tài)在光滑紊流區(qū)，如水流流速越小即Re越小，但kf越大。當(dāng)輸水管內(nèi)水流流態(tài)在光滑紊流區(qū)，將輸水閥門的開門速度加快，不僅閥門輸水流量增大，且管道中的摩擦阻力系數(shù)kf減小，閘室灌、泄輸水時(shí)間縮短較多。1959年京杭運(yùn)河船閘設(shè)計(jì)輸水閥門的開門變速為1∶2，1989年無錫犢山船閘為1∶3，縮短了航船過船閘時(shí)間。

9 上、下閘首的閘門和閥門開關(guān)要連鎖，人字門或閘門要同步

閘門和閥門運(yùn)行的電氣開關(guān)控制設(shè)手動(dòng)和自動(dòng)，通過切換選擇，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場分散操作和現(xiàn)場集中控制，上閘首的閘門和閥門開、關(guān)與下閘首的電氣自動(dòng)連鎖，防止發(fā)生誤操作。京杭運(yùn)河船閘各人字門啟閉機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶共用電阻變速電軸同步拖動(dòng)，無錫犢山船閘的閘門啟閉機(jī)是電機(jī)轉(zhuǎn)子帶共同電阻的異步變頻機(jī)和雙饋機(jī)的變速電軸同步拖動(dòng)，由主電機(jī)實(shí)現(xiàn)電軸調(diào)速，在停機(jī)時(shí)斷開主電動(dòng)機(jī)接線后三相整步，使電軸牽著電機(jī)同步停機(jī)，起動(dòng)時(shí)再整步定相，不因多次開關(guān)閘門而相位角累加。

10 內(nèi)河航運(yùn)應(yīng)用分散單級(jí)船閘雙向過閘運(yùn)行設(shè)計(jì)

內(nèi)河船閘設(shè)計(jì)：①采用分散單級(jí)船閘雙向過閘運(yùn)行，航船控制航向進(jìn)、出船閘，提高運(yùn)行安全。與連續(xù)多級(jí)船閘單向過閘運(yùn)輸量比較，每次過閘航線增加一條，每次過船閘的運(yùn)輸量增加約一倍。②采用連續(xù)多級(jí)船閘單向過閘設(shè)計(jì)，即使將航船組成接近與閘室同寬同長的大型頂推船隊(duì)直接過閘，期望減少航船過船閘的慢行行程長度和時(shí)間，但不調(diào)正航向，直接進(jìn)、出船閘，會(huì)降低航船過船閘的安全性，且船隊(duì)編排困難，岸吸發(fā)生多，不適合內(nèi)河航運(yùn)，實(shí)際運(yùn)輸量比雙向過閘減少很多。③如水級(jí)很高的山區(qū)水利樞紐，原來沒有水運(yùn)或水運(yùn)很困難的，依地形布置連續(xù)多級(jí)船閘，實(shí)行單向過閘運(yùn)行的，即使航船利用舵效、后倒纜和順序過閘運(yùn)行，與分散單級(jí)船閘相比會(huì)更慢。④在上世紀(jì)70年代曾有報(bào)道法國創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙向運(yùn)行“水坡式”節(jié)水船閘，替代山區(qū)連續(xù)多級(jí)船閘運(yùn)煤，自此世界各國再未有連續(xù)多級(jí)船閘建設(shè)的報(bào)導(dǎo)，只有為提高運(yùn)輸量而拆除多級(jí)連續(xù)船閘，改成分散建設(shè)。⑤雙向過閘的船閘發(fā)展與航道航行一致，采用分散單級(jí)船閘由單線向雙線發(fā)展建設(shè)比連續(xù)多級(jí)船閘發(fā)展容易做到。⑥從任何改進(jìn)船閘運(yùn)行方式看，雙向過閘的收益都比單向過閘的收益大很多，內(nèi)河船閘運(yùn)行的改進(jìn)，不可能提高單向與雙向過閘船閘運(yùn)輸承載能力的比例數(shù)。⑦航道是航船雙向運(yùn)行的河道，船閘雙向運(yùn)行可使航船在行駛航道內(nèi)分布均勻，提高河道運(yùn)輸能力。⑧內(nèi)河航運(yùn)船閘應(yīng)采用雙向運(yùn)行，航船進(jìn)、出船閘應(yīng)利用舵效、后倒纜和順序過閘，航船過閘平均航速與連續(xù)多級(jí)船閘單向運(yùn)行相比更快。

11 研究結(jié)論

對(duì)內(nèi)河航運(yùn)船閘提高航船過閘安全，縮短過閘時(shí)間，增大運(yùn)輸量等三方面研究船閘運(yùn)行：①航船大型化增加運(yùn)輸量，如符合內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)律，航船周轉(zhuǎn)加快。如航船周轉(zhuǎn)緩慢，運(yùn)輸量不增長或增長很慢，則應(yīng)研究改進(jìn)。②應(yīng)采用雙向過閘運(yùn)行方式，每次運(yùn)行有上行和下行兩條航線的航船過閘，運(yùn)輸量比單向過閘約大一倍。③靜水中操縱航船后倒纜甩首，減少航船過閘調(diào)順航向行程，增加閘室的過閘停船數(shù)量，又保持航向過閘，提高運(yùn)行安全性。④為利用閘室墻導(dǎo)航，糾正航船岸吸，維持航向，閘室寬度設(shè)計(jì)按過閘室的小船排成三行，中船排成二行，或小船與大船排成二行，少用幾乎與閘室同寬的大船一行過閘。如單行進(jìn)、出閘室，提高過閘室航船速度，減少岸吸，以適應(yīng)內(nèi)河多類型航船發(fā)展和大幅增加運(yùn)輸量的要求。大型船閘可參照美國標(biāo)準(zhǔn)，閘室寬度按吃水深度分大、中、小3類和運(yùn)輸量相差3倍的同寬多種船型排成三行，單行進(jìn)、出閘室，減少岸吸。⑤根據(jù)內(nèi)河航運(yùn)特點(diǎn)，盡量不采用與閘室長、寬尺寸相差不多的大型頂推船隊(duì)過船閘，特別在運(yùn)輸繁忙的內(nèi)河更應(yīng)不用。船閘設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 287-266-87規(guī)定，該船隊(duì)長應(yīng)比閘室長少1/3。⑥大型頂推航船隊(duì)過閘船速要減慢，減慢船速后如不能保持航向，反會(huì)增加岸吸，這成為無法解決的困難。⑦不要推廣直接進(jìn)、出閘室，航船要有舵效過閘和調(diào)順航向進(jìn)、出閘室。⑧推廣采用閘首與閘室同寬，減少航船進(jìn)、出船閘的調(diào)順航向行程。⑨采用完全不對(duì)稱引航道，進(jìn)閘航船停在引航道直線側(cè)，利用后倒纜甩首，航船進(jìn)、出船閘的調(diào)順航向側(cè)移小，航船調(diào)順航向行程中可以計(jì)入待航船長或部分船長，縮短調(diào)順航向長度，增加閘室運(yùn)輸量，減少航船進(jìn)、出船閘難度和時(shí)間。⑩在引航道內(nèi)可加快船速調(diào)順航向錯(cuò)開停船駛?cè)牒降馈?1○如采用完全或不完全對(duì)稱引航道，航船進(jìn)船閘的調(diào)順航向的側(cè)移大，調(diào)順航向段不能計(jì)入待航船長，增加航船進(jìn)船閘難度和時(shí)間。12○采用閘室變速輸、泄水，使輸水系統(tǒng)中水流盡可能多的處在粗糙紊流區(qū)，利用閥門變速開啟實(shí)現(xiàn)。13○上閘首的閘門和閥門開、關(guān)與下上閘首的要連鎖。14○人字門或其它同步啟閉閘、閥門的啟閉機(jī)要各自電軸同步，同步電軸要調(diào)相整步，以防止發(fā)生事故。

［1］ 周君亮.京杭大運(yùn)河的整治和發(fā)展.江蘇水利科技，1982（2）.

［2］ 周君亮.京杭大運(yùn)河蘇北段船閘引航道布置的研討.通航文集（中國水力發(fā)電學(xué)會(huì)通航專業(yè)委員會(huì)第一次、第二次會(huì)議論文集），1989.

［3］ 聯(lián)邦德國交通部.西德內(nèi)河船閘前港布置準(zhǔn)則.1976.

［4］ 交通部.船閘設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 287-266-87（試行）.北京：人民交通出版社，1987.

［5］ 梁應(yīng)晨，涂啟明，魏京昌.長江、三峽、葛洲壩水利樞紐通航建筑物總體布置研究.北京：人民交通出版社，2003.