一種不停船快速過閘船閘的設計與研究

肖柏青 鞠汶倩

摘要：

為了緩解船閘超負荷運行現(xiàn)象，提高船閘運輸效率，從最根本上簡化船舶過閘程序入手，針對水頭差不大的河段設計了一種不停船快速過閘船閘。該船閘的設計是基于連通器原理和力矩平衡原理，將旋轉門式閘門和特殊的輸水系統(tǒng)相結合，來實現(xiàn)閘室水位自主調(diào)節(jié)和船舶快速不間斷通行，其中閘門設計是將動靜閘門相結合，利用上下游水位差輔助推動船閘運行，節(jié)約電能。多次模型過船試驗表明：閘門在轉動的過程中閘室的水位能夠逐漸變化，船舶跟隨閘門轉動而向前行駛，實現(xiàn)了不停船而直接過閘的效果，同時還可以上下游同時通航。此種船閘設計極大提高了船閘運輸效率，是一個新的嘗試，但有待實際工程驗證。

關 鍵 詞：

船閘; 旋轉式閘門; 過閘效率; 輸水系統(tǒng); 智慧船閘

中圖法分類號： TV691

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.021

1 研究背景

船閘是為了克服航道上下游集中水位落差而設置的一種通航建筑物，目前常用的船閘是通過向兩端有閘門控制的閘室內(nèi)充水、泄水來升降閘室內(nèi)水位，從而保證船舶通過河道上集中水位差區(qū)域。船舶在通過船閘時要經(jīng)過關閘、系錨、充水或泄水、閘門打開、松開錨繩、船舶通過等多個程序，且每個程序都要耗費較長時間，導致整個過閘時間較長。船舶通過一般的船閘需要將近1 h，通過多級船閘的時間更長[1]。而近年來各項數(shù)據(jù)顯示，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，中國對水運的需求快速增加，越來越多的船閘提前達到甚至超過設計通過能力而呈現(xiàn)超負荷運行狀態(tài)，運行效率低下。三峽船閘已經(jīng)超負荷運行8 a以上，京杭大運河上多個船閘如三堡船閘、萬年閘船閘、芒稻船閘等也早已超過了設計通航能力，持續(xù)超負荷運行。單以三峽船閘為例，過長的待閘時間對中國造成的經(jīng)濟損失就已經(jīng)高達每年30億元左右[2-3]。從長遠來看，水運需求量在未來很有可能還會繼續(xù)加速增長，如何提高過閘效率已成為急需解決的問題。

目前為了解決過閘時間過長而采取的方法主要有以下3種：

（1） 如寶應船閘、秦淮河船閘等，通過增加一次過閘所能容納的船舶數(shù)，減少船舶待閘時間，提高過閘效率。但這個解決方案存在一定的弊端：① 增大閘室容量確實會一定程度上提高通航效率，但效果有限，且對于先入閘室的船舶來說需要等到后面船舶全部駛入閘室后才能過閘，不能從根本上解決問題;② 不能無限量地增大閘室容量，增大容量的同時，船閘的工程量也相應地增加，而增加的過閘效率所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益與增加的工程量所消耗的經(jīng)濟成本相比并不可觀[4]。

（2） 如漢江興隆船閘和三峽船閘，通過推行標準化船型增強對過閘船型的管理，從而提高閘室面積利用率，提高通航效率。但此方法只能在現(xiàn)有模式中進行優(yōu)化，對于過閘效率的提升是很有限的，且標準化船型不是短期內(nèi)可以實現(xiàn)的。同時標準化船型同樣也可提高不停船快速船閘的閘室利用效率[5-7]，不可作為解決過閘問題唯一依靠的方法。

（3） 如京杭大運河中的邵伯船閘、三堡船閘等，通過建設二線三線船閘分流來緩解船閘的通航壓力，雖然在一定程度上確實提高了通航效率，但沒有從根本上解決問題，不能無休止地增加通航線路，仍會很快達到設計通航量。

為了從根本上解決船舶過閘時間長的問題[8-10]，本文從簡化船閘的過閘程序入手，以酒店旋轉門為設計靈感，結合連通器原理和力矩平衡原理，設計了一種不停船快速過閘船閘。

2 船閘結構

2.1 船閘總體設計

船閘是由上、下游引航道，閘室，輸水系統(tǒng)等部分所組成，結構如圖1所示。

整個模型的靈感來源于酒店門口的旋轉門式結構，具有穩(wěn)定、可控速、密封性好、可內(nèi)外同行等諸多優(yōu)點，同樣這些優(yōu)點也可能適用于船閘通航。另外，筆者還設計了一種沒有閥門的輸水系統(tǒng)與旋轉門式結構相結合，使閘室水位隨著閘門旋轉而平穩(wěn)自動升降，解決了船舶過閘時集中水位差的問題。

2.2 閘室與閘門

閘室由大閘室邊墻和小閘室邊墻所圍成，閘室的中心位置是一個圓柱形的旋轉內(nèi)墻，旋轉內(nèi)墻包裹電機，旋轉內(nèi)墻上均勻布設有6個閘門，每個閘門由動閘門和靜閘門組成，小閘室處的半徑比大閘室的半徑要短，半徑之差恰好為動閘門的長度。船閘運行旋轉過程中，電機帶動旋轉內(nèi)墻旋轉，動閘門在大閘室邊墻一側伸展，而在小閘室邊墻一側收縮。如此6個閘門由于上下游水位差而受到的水壓力不同，從而形成力矩差，進一步推動閘門旋轉，減少電機的電能消耗。

2.3 輸水系統(tǒng)

該船閘的輸水系統(tǒng)由過水孔群和輸水調(diào)節(jié)池組成。過水孔群由閘室底板的若干小孔構成，小孔設計在上游門檻和下游門檻附近位置，過水孔群下方有一個水槽構成輸水調(diào)節(jié)池，過水孔群和輸水調(diào)節(jié)池構成連通器，在上、下游水位差的作用下實現(xiàn)船舶運行時閘室水位的自動升降。

輸水系統(tǒng)很好地利用了連通器原理：兩端開口底部相通的容器中只有一種均質(zhì)液體時，兩端液面總會趨于相平狀態(tài)。通過在船閘底部修建輸水調(diào)節(jié)池，使船閘運行旋轉過程中船舶所在閘室隔間到達輸水孔群區(qū)間時通過小孔和其下方的輸水調(diào)節(jié)池和上（下）游相連，在壓力差的作用下實現(xiàn)水位自動調(diào)節(jié)，使船舶到達上（下）游時，其所在隔間水位與上（下）游相平，從而使船舶能夠平穩(wěn)駛出閘室。充分利用連通器原理克服地形高度差，使水可以從高水頭處運送至低水頭處。

3 原型計算與分析

本文介紹的船閘是以應用在淮河上為背景設計的，主要適用于上、下游水位差較小，地勢相對平坦開闊的流域地區(qū)。假設該船閘按照Ⅳ級航道標準設計，即滿足500 t級船舶通航，在此標準下船閘設計參數(shù)為：閘室門檻設計水深4 m，閘室最大半徑r為90 m，閘門總寬度60 m，其中靜閘門寬B為52 m，動閘門寬b為8 m，旋轉內(nèi)墻的半徑r為30 m，閘門采用鋼架結構的鑄鐵材料，閘門高H為16 m，閘門等效實體厚度t為0.5 m，在靜閘門和動閘門下均安裝有若干個滾輪，在閘室底板上鋪設鋼軌，閘門滾輪在鋼軌上運行。

下面推算當上、下游水位差為多少時，可以完全憑靠上下游水壓力驅動船閘運行。

閘門鑄鐵材料的密度ρ鐵取7 850 kg/m3。閘門轉動所需推力（即滾輪滾動阻力）與滾輪荷載（即閘門有效重量）有關，車輪滾動所需推力與車輪荷載之比稱為滾動阻力系數(shù)，它是一個概括了滾輪變形、道路變形及接觸面的摩擦等因素的系數(shù)，汽車在碎石路面的滾動阻力系數(shù)一般為0.020～0.025，鑄鐵輪在鋼軌上的滾動阻力系數(shù)為0.006～0.008[5]?？紤]到上閘室內(nèi)會存在一些細沙，該閘門滾輪在鋼軌上的滾動阻力系數(shù)f會比0.008稍大一些，同時為保險起見，這里滾動阻力系數(shù)f取0.020。

不管閘門轉到何處，在大、小閘室邊墻兩側由于上下游存在水位差Δh，水體總是對閘門產(chǎn)生壓差力，設下游水深為h，在大閘室邊墻上游水體對閘門產(chǎn)生的水壓力為0.5×ρ水g（h+Δh）2（B+b），

該船閘主要適用于上下游水位差比較小的情況，所以在船閘旋轉運行過程中水流不會產(chǎn)生大的沖擊。該船閘采用Ⅳ級船閘標準設計，閘室圓心角為60°，半徑長90 m，可視作等邊三角形，中間則長45 m，對于一般的船舶來說，閘室空間還有富余，船舶閘室內(nèi)稍微發(fā)生移動也不會發(fā)生碰撞。在閘室的中心部位有一個電機，既可以在上下游水位差較小的時候推動閘門旋轉，也可以在上下游水位差稍大的時候阻止閘門旋轉，使船閘可以實現(xiàn)恒定低速運轉，減少由于上下游水位差產(chǎn)生的波動對船舶的影響。

4 模型試驗

以船舶下行為例（船舶上行原理相同），

船舶從上游引航道駛入閘室，此時船舶所在隔間的水位與上游水位齊平，如圖2所示。

當船舶后方的閘門運動到大閘室邊墻一側后，船舶所在隔間的水體開始通過輸水系統(tǒng)與下游水體相連通，此隔間的水位不斷下降，如圖3所示，直至與下游水位保持齊平。

到合適位置之后船舶駛出閘室進入下游引航道，如圖4所示。

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圖2 船舶駛入閘室

Fig.2 Ship entering the lock chamber

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通過模型試驗測試船閘運行過程中閘室內(nèi)水位變化情況，所得結果如圖5所示。

由圖5可見，在閘室水位自動變化區(qū)域（船舶下行時為90°～150°，船舶上行時為270°～330°），閘室水位隨閘門旋轉角度的變化是接近線性的，沒有陡漲陡落，說明閘室水位變化平穩(wěn)，有利于船舶的通行。

5 船閘經(jīng)濟型分析

（1） 船閘通過動靜閘門的設計，充分利用了上下游水位差所產(chǎn)生的勢能輔助推動船閘運行，減少電機運行損耗的電能。在上文的推算中可知：理論上當以淮河為背景，Ⅳ級船閘標準設計時上下游水位差為5.2 m 時水位差便能夠完全提供船閘運行所需的動能，可見對于電能的節(jié)約很可觀。

（2） 船閘可借助自動扶梯的原理，安置紅外線檢測等裝置，在長時間沒有船舶通過時進入低速低耗能的“睡眠”運行狀態(tài)，當檢測到有船舶經(jīng)過時再緩慢提升到正常速度，節(jié)約能源的同時同樣也給船舶一個安全的變速時間。

（3） 不停船快速船閘預計相比于現(xiàn)有船閘節(jié)省80%以上的過閘時間，且允許船舶上下行同時過閘，極大提高了通航效率。

6 實際建造預計問題及解決方案

6.1 預計問題

（1） 不停船快速船閘相比于現(xiàn)有船閘占地面積更大，寬度大約是現(xiàn)有船閘的2～3倍。

（2） 電機房大部分沒于水中，需要嚴格密封，否則容易進水生銹從而減少壽命，電機在水中也不易修理。需要安置電機及水下輸水池，以及保證動靜閘門之間的良好連接，工程難度和施工量都相對更大。

（3） 船閘運行過程中若出現(xiàn)突發(fā)故障導致船只停止運行，會卡住正在過閘的船只，可能會產(chǎn)生安全問題。

6.2 解決方案

（1） 不停船快速船閘主要針對于淮河等地勢較平坦開闊、水頭較小的河流，有足夠的面積可供使用。且船閘建設在引航道，可根據(jù)船閘需要拓寬引航道，不影響河道的其他工作。

（2） 淮河流域有天然的低洼段，方便輸水調(diào)節(jié)池的建造。雖然施工量增加，但一個不停船快速船閘的建造可以在大幅提高通航效率的同時，允許船舶上行下行同時過閘，且目前的施工技術完全滿足所需工程要求。

（3） 船閘配有備用制動和電力系統(tǒng)，保證在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時啟動制動系統(tǒng)，推動船閘繼續(xù)運作，保證船舶安全通過。電機外設有電機室，是一個密閉空間，當出現(xiàn)故障或檢修時，打開電機室頂面通風保證工作人員進出安全，可運用現(xiàn)有的船閘檢修方案，如排水泵、起重船等設備對船閘進行檢修。

7 結 語

不停船快速船閘打破了傳統(tǒng)船閘的運行模式，過閘時間短、同行效率高、運行管理十分的方便。同時，該船閘可以同現(xiàn)有的人工智能、自動化控制、定位導航等現(xiàn)代科技相結合，實現(xiàn)與無人駕駛船舶協(xié)同作業(yè)，真正符合智慧船閘的發(fā)展方向。該船閘的特色主要體現(xiàn)在以下3個方面。

（1） 從外觀上可以看出，船閘采用旋轉門式結構，相比于傳統(tǒng)船閘來說，不需要等待一艘或一批船舶全部經(jīng)過繁瑣過閘程序通過后才能讓后續(xù)船舶通行，隨到隨過，極大縮短了待閘時間;另一方面船閘可以實現(xiàn)船舶上行和下行的同時通行。

（2） 該船閘采用動閘門和靜閘門相結合的方式，最大化地利用了上下游水位差產(chǎn)生的推力，將上下游原本的水的壓載變成動力輔助推動船閘運行，減少了能量的消耗。

（3） 該船閘采用無閥門的輸水系統(tǒng)和旋轉閘門相結合，使船閘在旋轉過程中實現(xiàn)閘室水位的自動升降，沒有繁瑣過閘程序的同時解放了人力，船舶能夠自主過閘，只需要人力監(jiān)控和特殊情況下的調(diào)試，運行管理非常方便，符合智慧水利、智慧船閘的要求。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

肖柏青，鞠汶倩.一種不停船快速過閘船閘的設計與研究

[J].人民長江，2021，52（7）：124-128.

Design and research of one kind of fast ship lock without stopping

XIAO Baiqing，JU Wenqian

（School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：

In order to alleviate the overload operation of ship locks and improve the transport efficiency，starting from fundamentally simplifying the lock passing program，one kind of fast ship lock without stopping was designed for the river reach with similar upstream and downstream water heads.The design scheme was based on the principle of connector principle and torque balance principle.The rotating gate and the special water conveyance system were combined to realize the self-regulation of the water level in the lock chamber and the rapid and uninterrupted passage of the ship.Combining the moving gate with the static gate，the upstream and downstream water level difference was used to assist the ship lock operation and save energy.Several indoor model tests showed that the water level of the lock chamber can gradually change during the rotation of the gate，and the ship moves forward during gate rotation，which realized directly passing the ship lock without stopping and the upstream downstream simultaneous navigation.The ship lock design greatly improves the efficiency of ship lock transportation，which is a new attempt，but needs to be verified by practical engineering.

Key words：

ship lock;rotating lock gate;ship lock operation efficiency;water conveyance system;intelligent ship lock