船閘門檻水深研究進(jìn)展

曹鳳帥，黃 瑤

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

門檻水深為設(shè)計最低通航水位至門檻頂部的垂直距離，又稱閘檻水深或檻上水深[1]。船閘門檻水深取值直接影響了船閘的斷面系數(shù)，其與船舶的進(jìn)閘速度、航行阻力、船閘通過能力和安全運(yùn)行等都有密切關(guān)系。較小的斷面系數(shù)將降低船舶進(jìn)閘速度，加大航行阻力，增加進(jìn)閘難度和事故，延長進(jìn)閘時間，降低船閘通過能力。而較大的斷面系數(shù)往往會增加工程投資，造成浪費(fèi)[2]。因此，必須選取合理的船閘門檻水深。

關(guān)于船閘門檻水深的確定，國內(nèi)外許多國家和地區(qū)都給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和方法。近年來，隨著內(nèi)河航運(yùn)的不斷發(fā)展，內(nèi)河船舶大型化趨勢顯著，國內(nèi)外許多已建船閘(升船機(jī))都進(jìn)行了允許過閘(升船機(jī))船舶的最大吃水研究工作。

1 國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 我國設(shè)計規(guī)范

1.1.1 《船閘總體設(shè)計規(guī)范》

我國《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ305-2001)中指出[3]，船閘門檻水深應(yīng)滿足設(shè)計船舶、船隊滿載時的最大吃水加富裕深度的要求，按照下式計算

H/T≥1.6

(1)

式中：H為門檻最小水深,m；T為設(shè)計船舶、船隊滿載時的最大吃水,m。

其中還指出，閘室最小水深應(yīng)為設(shè)計最低通航水位至閘室底板頂部的最小水深，其值應(yīng)不小于門檻最小水深。設(shè)計采用的門檻最小水深和閘室最小水深，在滿足計算的最小水深值基礎(chǔ)上，應(yīng)充分考慮船舶、船隊采用變吃水多載時吃水增大以及相鄰互通航道上較大吃水船舶、船隊需通過船閘的因素，綜合分析確定。該規(guī)定取值較大是為了減少船舶航行阻力、提高過閘速度，同時也為未來船舶大型化發(fā)展，吃水更大的船舶可以過閘留有一定富裕。

1.1.2 《升船機(jī)設(shè)計規(guī)范》

我國《升船機(jī)設(shè)計規(guī)范》(SL660-2013)中[4]，規(guī)定承船廂或承船車有效水深，應(yīng)滿足設(shè)計船舶(隊)滿載條件下順利進(jìn)出升船機(jī)的要求，按下式計算

H=T+△H

(2)

式中：△H為富裕水深，可取0.25～0.40T，必要時可通過船模試驗檢驗。

1.2 美國設(shè)計手冊

美國土木工程師協(xié)會出版的《Inland Navigation: Locks, Dams, and Channels》(1998)[5]和美國陸軍工程師團(tuán)出版的《Hydraulic Design of Navigation Locks》(2006)[6]中指出：在選擇門檻水深時需要考慮安全和經(jīng)濟(jì)因素。為安全起見門檻水深吃水比不應(yīng)小于1.5，極低水頭(0～10 ft)船閘除外。通常入閘速度為3 kn時(約1.54 m/s)，門檻水深需要2倍的吃水以應(yīng)對船舶下沉量增大和船速出現(xiàn)難以控制的情況。

1.3 國際航運(yùn)協(xié)會設(shè)計指南

國際航運(yùn)協(xié)會(PIANC)在《Innovations in Navigation Lock Design》(2009)[7]中介紹了歐洲關(guān)于船閘尺寸的相關(guān)要求(見表1)。

表1 歐洲內(nèi)河船閘尺度Tab.1 Dimensions of lock chambers in Europe

其中門檻水深考慮了船舶吃水、下沉量、龍骨下富裕水深，沒有考慮推移波的影響。表1中船舶吃水給出的是吃水范圍，門檻水深給的是定值，按門檻水深是對應(yīng)所給吃水范圍中的下限值，其最小水深吃水比為1.24。

國際航運(yùn)協(xié)會給出的各級船閘門檻水深，考慮了船舶吃水、船舶航行下沉量、龍骨下富裕水深，但推移波的影響需另外考慮。這主要是因為船舶過閘時閘室內(nèi)的推移波即與閘室水深、閘室寬度等閘室條件有關(guān)，又與船舶吃水、船寬、航速等船舶條件有關(guān)，還與過閘船舶的排擋有關(guān)，影響推移波大小的因素較為復(fù)雜，而且對過閘船舶安全影響較大，就具體情況單獨(dú)考慮更為合理。

1.4 荷蘭設(shè)計手冊

荷蘭Rijkswaterstaat出版的《Design of locks》(2000)中指出[8]，對于內(nèi)河小型船閘(船舶通航量較低)，船閘的尺度如表2所示。

表2 荷蘭航道等級、船舶及船閘尺度Tab.2 Channel class, ship and ship scale in Netherlands

其中認(rèn)為船閘的門檻水深構(gòu)成主要包括：推移波等水面波動范圍、船舶滿載吃水、船舶航行下沉量、保證船舶舵效和安全航行的水深、安全富裕水深，其中船舶航行下沉量、保證船舶舵效和安全航行的水深、安全富裕水深總和為總的龍骨下富裕水深。

基于現(xiàn)場測量，對于小型船閘總的龍骨下富裕水深可?。?.6 m(I、II和III級)，0.7 m(IV和V級)。總的龍骨下富裕水深大約為20%的吃水?；谧钚碌难芯砍晒?，總的龍骨下富裕水深是可以取得更小的，但要嚴(yán)格控制船舶航行速度。

1.5 海船閘

國際航運(yùn)協(xié)會(PIANC)《Innovations in Navigation Lock Design》(2009)[7]中指出，海船閘的門檻水深應(yīng)由過閘設(shè)計船型的最大吃水和閘室的最低通航水深確定，并保證龍骨下的靜水深至少為1 m。

巴拿馬船閘明確給出了可通過船舶的尺度。大型船舶通過巴拿馬船閘時，采用岸上的機(jī)車牽引輔助過閘，其門檻水深為12.8 m，允許通過最大船舶吃水為12.04 m，門檻水深與船舶吃水比為1.06。目前，只有巴拿馬船閘采用這種由岸上車輛牽引過閘的方式，其余海船閘基本采用自航或者拖輪牽引過閘的方式。巴拿馬新船閘采用了拖輪牽引船舶過閘的方式，其門檻水深為18.3 m，允許通過最大船舶吃水為15.2 m，門檻水深與船舶吃水比為1.2。通常海輪的操控性能和船舶動力都較好，同時當(dāng)大型海輪通過海船閘時都有拖輪輔助作業(yè)進(jìn)出閘，故其門檻水深可取相對小一些。

對比國內(nèi)外相關(guān)規(guī)定，我國和美國要求船閘門檻水深與船舶吃水比取值較大，這主要是考慮船隊通過船閘的情況，歐洲的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都是針對單船過閘的情況。船閘門檻水深與船舶吃水比值較大，一方面有利于船舶進(jìn)出閘行進(jìn)中減小阻力，提高行進(jìn)速度，從而提高船閘通過能力；另一方面也是考慮到航道條件不斷改善，船舶大型化發(fā)展，為將來發(fā)展留有一定富裕。

2 國內(nèi)外相關(guān)研究

2.1 三峽實船試驗研究成果

在西部交通建設(shè)科技項目“三峽船閘過閘船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究”中[9]，對三峽船閘過閘船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

研究中指出，過閘船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)直接取決于船舶綜合航行下沉量和不觸底富裕水深的大小。船舶綜合航行下沉量由船舶航行下沉量、推移波、非恒定流引起的水位波動及船舶縱傾等四部分組成。

H=T+ΔH+δ+t

(3)

δ=δs+ΔHw+δw

(4)

式中：H為閘室門檻水深 ；T為允許過閘船舶的最大吃水；δs為船舶實際下沉量；δW為推移波；ΔHw為非恒定流引起的水面波動；ΔH為安全富裕；t為船舶縱傾。

研究中進(jìn)行了多組次的實船觀測，并結(jié)合相關(guān)模型研究，指出船舶綜合下沉量δ主要與閘室過水?dāng)嗝婷娣eF、船舶中斷面水面以下部分面積f，船舶航速v等因素有關(guān)，建立了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系

(5)

(6)

式中：δ為船舶綜合下沉量，m；H為閘室水深，m；v為船舶對水相對航速，m/s；F為閘室水下橫斷面面積，m2；f為船舯水下橫斷面面積，m2；g為重力加速度，m/s2；由上式計算所得的下沉量包含了推移波以及閘室內(nèi)非恒定流引起的水位波動。

《三峽—葛洲壩樞紐河段通航管理辦法》中規(guī)定過閘船舶進(jìn)出閘最大航速為1 m/s，在閘室間移泊的航速不得超過0.6 m/s。由于公式中的速度為相對速度，過閘船舶對岸速度按1 m/s計。考慮回流影響，回流速度按0.3 m/s計，因此計算吃水控制標(biāo)準(zhǔn)的速度均按1.3 m/s取值。該研究中已考慮閘室水位波動等因素，三峽船閘過閘船舶的不觸底安全富裕量ΔH按0.3 m取。根據(jù)三峽船閘過閘船舶可能存在初始裝載縱傾的實際情況，在不觸底安全富?；A(chǔ)上另外增加船舶裝載縱傾安全富裕，取0.15 m。

基于上述研究成果，根據(jù)三峽船閘過閘船舶及船閘運(yùn)行情況，可通過的船舶控制吃水情況見表3[10]。

表3 三峽船閘控制吃水標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Draft control standard for Three Gorges ship lock

注：船舶實際載重量不大于5 000 t。

2.2 三峽船閘模型試驗研究成果

在西部交通建設(shè)科技項目“三峽及長江上游特大型水庫群聯(lián)合調(diào)度對下游航道的影響研究”項目中[11]，建立了1:36的三峽船閘物理模型和相同比尺5 000 t級的典型船舶模型，采用牽引船模進(jìn)行了系列物理模型試驗，對三峽船閘典型大型化船舶在不同水深和不同航速情況下進(jìn)、出閘時船舶的下沉量進(jìn)行了模型試驗研究。

試驗成果表明：在其它條件相同時，典型船舶出閘時的下沉量均大于其進(jìn)閘時的下沉量；典型船舶進(jìn)出閘室時，航速對下沉量的影響很大，相同條件下，航速小于1.2 m/s時，其下沉量隨著航速的增大緩慢增大，當(dāng)速度大于1.2 m/s時，其下沉量快速變大；典型船舶進(jìn)、出閘室時，閘室內(nèi)水深越大，船舶進(jìn)出閘室時的下沉量越??；船舶吃水越大，其進(jìn)、出閘室時的下沉量越大；斷面系數(shù)為一綜合性影響因素，典型船舶在同一工況下，斷面系數(shù)相同，其下沉量也相同；斷面系數(shù)越大，下沉量越??；當(dāng)航速小于1.2 m/s時，斷面系數(shù)對下沉量的影響較小，當(dāng)航速大于1.2 m/s時，其對下沉量的影響較大。

根據(jù)理論分析，同時結(jié)合以往的試驗成果，提出三峽船閘過閘船舶航行下沉量的計算公式

δ/H=-14.226×K12-4.028 6×K1+0.031 5

(7)

(8)

式中：m為閘室寬度與船舶寬度之比，其它變量同前。

2.3 三峽升船機(jī)模型試驗研究

三峽升船機(jī)的承船廂有效長度為120 m，有效寬度為18 m，水深為3.5 m。三峽升船機(jī)的設(shè)計文件中的設(shè)計代表船型吃水分別為：單船2.65 m，船隊2.78 m，在顧及能通過升船機(jī)的船舶數(shù)量的情況下，可以考慮將通過升船機(jī)的船舶或船隊最大吃水定為不超過2.8 m[12]。

在“三峽升船機(jī)標(biāo)準(zhǔn)船型尺度及技術(shù)要求研究”中，對升船機(jī)通行船舶航行控制標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)研究[13]，通過模型試驗給出了典型船舶出廂時下沉量計算公式。綜合考慮，船舶安全通過三峽升船機(jī)的速度為0.5 m/s，升船機(jī)對接船廂內(nèi)外最大允許水位差為±10 cm，三峽樞紐運(yùn)行影響升船機(jī)引航道內(nèi)非恒定流水面波動區(qū)±20 cm，提出了通過三峽升船機(jī)船舶最大吃水為2.65 m。

2.4 荷蘭頂推船隊研究成果

荷蘭Ir.C.KOOMAN對船隊進(jìn)出船閘進(jìn)行了系列的載人船模試驗和原型試驗，對船隊進(jìn)出閘過程的水力特性進(jìn)行了深入的分析和研究，在其編著并作為歐洲船閘標(biāo)準(zhǔn)的《Navigation Locks for Push Tows》(1973)中指出：對于供大型頂推船隊使用的平底船閘，水深吃水比為1.6～1.7較為適宜。船閘設(shè)有門檻時，檻上水深吃水比應(yīng)大致在1.5～1.6之間[14]。

2.5 德國呂內(nèi)堡升船機(jī)的現(xiàn)場試驗研究

德國聯(lián)邦航道設(shè)計研究院針對現(xiàn)代大型內(nèi)河船舶進(jìn)出呂內(nèi)堡升船機(jī)的問題，開展了大型船舶進(jìn)出呂內(nèi)堡升船機(jī)的現(xiàn)場試驗研究和數(shù)值計算研究工作[15]。提出的船舶出廂(船閘)時最大航行下沉量的計算公式

(9)

式中：Δdmax為船艉最大下沉量，m；h為船廂內(nèi)水深，m；n為斷面系數(shù)；CB為船舶方形系數(shù)；Frh為水深弗洛德數(shù)，各參數(shù)的使用范圍為1.17≤n≤3.26，0.018≤Frh≤3.26，0.83≤CB≤0.96。

為了驗證船舶出閘下沉量的計算公式，將公式(9)計算結(jié)果與在呂內(nèi)堡升船機(jī)、內(nèi)卡河的Marback船閘進(jìn)行的現(xiàn)場試驗結(jié)果以及其他船舶出閘下沉量計算方法和船舶在運(yùn)河航行時下沉量計算方法進(jìn)行了對比，結(jié)果表明新的經(jīng)驗公式所得結(jié)果與觀測值吻合良好。

圖1 船閘門檻水深構(gòu)成Fig.1 Composition of water depth above sill of ship lock

2.6 國內(nèi)其他研究成果

基于相關(guān)研究成果[16]，我國《升船機(jī)設(shè)計規(guī)范》的條文說明中給出了船舶駛出承船廂時船艉下沉量計算的推薦公式

D=7.07(1/n)2.3Fr1.5T

(10)

式中：D為船艉最大下沉量；n為斷面系數(shù)；Fr為弗洛德數(shù)；T為船舶吃水。

3 船閘門檻水深確定方法

根據(jù)上述研究成果，船閘的門檻水深可由以下幾部分構(gòu)成：(1)船舶滿載吃水；(2)非恒定流引起的水面波動；(3)船舶縱傾；(4)船舶航行下沉量；(5)不觸底的安全富裕水深，如圖1所示。

非恒定流引起的水面波動，可由觀測或相關(guān)模型試驗研究確定。在三峽船閘過閘船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)中，對三峽船閘上下游引航道的水位波動進(jìn)行了連續(xù)觀測，船閘灌泄水時最大的水面波動為0.1～0.4 m，研究認(rèn)為取0.3 m可以達(dá)到較高的安全保證率。由于上游船閘泄水產(chǎn)生推移波，在德國呂內(nèi)堡升船機(jī)觀測到的非恒定流引起的水平波動為0.2 m。船舶縱傾應(yīng)根據(jù)過閘船舶的實際情況分析確定。船舶航行下沉量，通常在出閘時達(dá)到最大值，可參考相關(guān)公式計算，在計算時船舶航行下沉量時應(yīng)仔細(xì)分析船舶可能達(dá)到速度。對于通航5 000 t船舶，三峽船閘不觸底的安全富裕水深取0.3 m，更大船舶過閘的不觸底安全富裕水深應(yīng)進(jìn)一步分析論證。

4 結(jié)論

我國現(xiàn)行規(guī)范船閘門檻水深與船舶吃水比值取1.6，主要是考慮到航道條件改善，船舶大型化發(fā)展，為將來發(fā)展留有一定富裕。本文分析了船閘門檻水深的構(gòu)成，提出了船閘門檻水深確定的建議和計算方法，可供船閘設(shè)計時參考使用。對于已建船閘，在門檻水深已定的情況下，也可參考本文方法計算允許通過的最大吃水船舶。

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