葛洲坝枢纽船闸扩能工程平面尺度方案对比

刘春泽，曹凤帅，唐 颖，商剑平

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

三峡枢纽蓄水后，在西部大开发、中部崛起等国家发展战略和其他众多政策条件下，中西部区域经济社会得到快速发展，三峡枢纽过坝货运量呈现跳跃式发展态势。三峡船闸自2003年运行，至2011年船闸通过能力已趋饱和，提前19 a实现三峡工程的航运规划目标，船舶待闸现象严重。未来，区域内货运量、水运需求将继续保持稳定增长态势，因此只有通过实施三峡枢纽水运新通道建设和葛洲坝枢纽船闸扩能工程，才能从根本解决当前困境。

进行船闸规划设计时先要确定闸室尺度、计算船闸的通过能力。确定船闸通过能力可以采用的方法有《船闸总体设计规范(JTJ 305-2001)》的公式计算、单位船型法、系统仿真等[1]。廖鹏[2]指出船闸作为内河航运系统中的服务节点，其通过能力不仅是船闸通过船舶数量的表达，而且还是船舶通过船闸质量的描述。齐俊麟[3]基于规范的计算公式，紧密结合三峡船闸和葛洲坝船闸的布置形式，确定了葛洲坝船闸在不同运行模式和船舶过闸组织方式下的参数取值并计算了船闸通过能力。黄岩等[4]以江苏已运行的某船闸为例，指出在规划阶段对船型、船闸上下游水位差以及货物流量、流向等3个关键参数选用与实际情况存在较大偏差，导致预测的船闸通过能力与实际运行数据存在较大差异。孔庄等[5]构建了双线船闸仿真模型，研究了船闸在基本调度规则、优化调度规则和应急调度规则下的船闸货运量与平均排队长度的关系。郭子坚等[6]构建了三峡库区船舶过闸仿真模型，研究了不同船型标准化率下三峡船闸的实际通过能力。刘清等[7-8]结合排队论建立三峡船闸运行的仿真模型，分析管控线的设置对三峡船舶过闸积压问题的缓解效果。商剑平等[9]构建了长洲水利枢纽四线船闸联合调度排挡仿真模型，分析了在不同联合调度方案(包括船舶排队规则和船闸选择规则)下的船闸通过能力和运营效果。

图1 船闸单向运行仿真流程

葛洲坝枢纽船闸扩能工程现处于工程论证阶段，需要解决的重要问题之一是确定合理的船闸建设平面尺度。本研究基于系统仿真方法，构建了单级单线船闸仿真模型，仿真计算葛洲坝枢纽船闸扩能工程(以下简称“葛洲坝新船闸”)在不同预测船型和比例、运行方式下的多个闸室平面尺度方案的通过能力，分析船型和比例、运行方式对船闸通过能力的影响，从通过能力的角度对比不同闸室平面尺度方案。此外，考虑到三峡枢纽船闸和葛洲坝船闸已实现了联合调度，二者运行有很强的相关性，因此利用单级单线船闸仿真模型，研究三峡枢纽新通道(以下简称“三峡新船闸”)在不同预测船型和比例下的多个闸室尺度方案的通过能力，并分析葛洲坝新船闸与三峡新船闸通过能力的匹配性。

1 仿真建模与模型验证

1.1 模型边界和范围

仿真模型对船舶过闸全过程进行模拟，模型边界为船闸的上下游锚地，模型范围包括上下游锚地、上下游引航道、靠船建筑物和闸首、闸室。

1.2 船舶过闸流程

图2 船闸双向运行仿真流程

单级船闸运行的基本方式有单向和双向两种，单向运行以船舶下行为例，其仿真流程如图1所示，以下行方向为例；双向运行的仿真流程如图2。

多级船闸一般单向运行，其单向通过能力取决于通过时间最长的那一级闸室，根据经验为第一级。船舶通过第一级闸室的过程与船舶通过单级船闸类似，只是出闸过程实际上为驶入下一级闸室的过程。其仿真流程参考图1。

船舶过闸时一般按到闸先后顺序逐条依次过闸，而在三峡双线五级船闸，为了提高船闸通过能力，采取了两条船并排同时行驶进闸的同步移泊方式。三峡新船闸考虑可能采取以上两种船舶过闸方式。

1.3 主要算法和假设

船舶过闸排挡的算法以二维装箱算法为基础，具体可参考商剑平等[8]在研究中采用的单闸室排挡算法。

模型假设如下：船舶按批次到达锚地，每批次多艘船舶；按照“船宽越大越优先”的原则，从锚地内的待闸船舶中依次选择船舶过闸排挡；排档时总是尽可能地将闸室装满；不模拟船舶从锚地驶向靠船墩；船舶进出闸时匀速航行，且前后船的速度一致；若锚地中无待闸船舶可以排入闸室，则认为该闸次结束，已排挡船舶通过船闸，并开始下一闸次排档；当锚地中所有船舶通过船闸后，自动生成一批船舶到锚地待闸。

1.4 模型验证

以2013年三峡船闸实际上行方向的通过货运量及有关统计数据作为模型验证的依据。验证模型的输入船型及比例详见表1。根据统计资料，2013年三峡船闸上行方向实际运行339 d，每天运行24 h，装载系数为0.75，不均匀系数为1.19。选取闸室利用率、日均运行闸次、单向年货运通过能力作为模型验证评价指标。各指标实际统计结果和模型计算结果见表2，且可知二者偏差均在7%以下，可认为模型的计算结果正确可信。

表1 验证模型的输入船型及比例

表2 验证模型的结果

2 仿真试验设计

2.1 仿真试验方案

分别对不同闸室尺度方案、不同船型和比例下的葛洲坝新船闸单向和双向运行，以及三峡新船闸单向运行、依次过闸和同步移泊方式进行仿真试验，仿真试验模拟运行1 a时间，并统计各试验方案的船闸通过能力。

2.2 模型输入参数

2.2.1 平面布置

葛洲坝新船闸闸室平面尺度考虑280 m×40 m、400 m×40 m(闸室长度×闸室宽度)两个方案。对于这两个方案，闸首长度均为43 m，双向运行时船舶进闸待闸位置距离闸首223 m，且出闸时需驶离闸首223 m(即行驶到待闸位置)才允许下一闸次船舶进闸(图3)。

图3 葛洲坝新船闸示意图

借鉴三峡既有的双线五级船闸建设和运行经验，三峡新船闸仍考虑为五级船闸、单向运行，闸室尺度考虑280 m×40 m、400 m×40 m(闸室长度×闸室宽度)两个方案，闸首长度43 m。

2.2.2 过闸船型及比例

对于长江干线过闸船舶，未来主要船舶类型不会有太大改变，但船舶大型化仍有发展空间。尤其是对于散货船、集装箱船等专业化船舶来说，未来仍有充足的货源，且运输市场竞争激烈，因此若航道条件改善、其他条件允许，为了追求利润，将有越来越多的大型船舶投入运营，同时倒逼小吨位船舶退出。

对于支线过闸船舶，主要为千吨级以下小型船，随着上游支流整治渠化的逐步推进，支流的通航水平将明显提高，与长江干线形成长江上游水网。水运经济性优势将吸引支线沿线货物采用水路运输，其中运输批量较小的货物对干支直达有一定的需求，因此，小型船仍将有过闸需求，但占比将很小。

对于未来船舶大型化发展趋势、过闸船型和比例的合理、准确的预测是非常困难的。以《长江水系过闸运输船舶标准船型主尺度系列》和三峡枢纽水运新通道代表船型研究成果为基础，将船宽超过16.3 m(即指19.2 m及22 m)的船型作为未来船舶大型化发展的趋势，定义其为“大型船”。结合上述分析，且为了使预测的结果能覆盖更多的可能性，对未来葛洲坝及三峡的过闸船型和比例作出6组预测，且每组包括若干个船型比例方案。方案序列1～方案序列5的大型船占比分别为20%～40%、50%、60%、70%、80%、90%，详见表3～表6。

表3 方案序列1各方案船型及比例

表4 方案序列2、3各方案船型及比例

表5 方案序列4、5各方案船型及比例

表6 方案序列6各方案船型及比例

2.2.3 运行参数

(1)船舶过闸行驶距离、速度和安全间隔。船舶过闸行驶距离、速度和安全间隔详见表7。

(2)船闸设备平均运行时间。葛洲坝新船闸开关人字门时间为6 min，闸室灌、泄水时间为14.5 min。三峡新船闸开关人字门时间为6 min，闸室灌、泄水时间为14 min。

(3)其他参数。葛洲坝新船闸、三峡新船闸，年运行天数335 d，日运行24 h，船舶装载系数α为0.75，运量不均匀系数β为1.1。

表7 葛洲坝新船闸、三峡新船闸进出闸行驶距离、速度以及安全间隔

图4 葛洲坝新船闸单向运行时通过能力

Fig.4 Throughput capacities of the Gezhouba newly planned lock in one-way operation mode

图5 葛洲坝新船闸双向运行时的单向通过能力

Fig.5 Throughput capacities of the Gezhouba newly planned lock in round-way operation mode

表8 葛洲坝新船闸通过能力统计

3 仿真结果分析

3.1 船型组合对葛洲坝新船闸通过能力的影响

不同组合下，两种闸室平面尺度方案以及在单向和双向运行方式下的葛洲坝新船闸通过能力见图4和图5。统计结果见表8。

从图中可以看出，对于某一平面尺度，无论是单向运行还是双向运行，随着大型船占比增加，船闸通过能力可能增大、减小或先增大后减小，这主要是受大型船中各船型的比例的影响：如对于方案1-1、1-5、1-8、1-10，大型船占比分别为20%、30%、35%、40%(其中19.2 m宽的船舶占比均为15%)，船闸通过能力依次增加；对于方案2-1、3-2、4-2、5-3，大型船占比分别为50%、60%、70%、80%(19.2 m宽的船舶占比均为40%)，船闸通过能力先增加后减小；对于方案2-5、3-5、4-5、5-5、6-5，大型船占比分别为50%、60%、70%、80%、90%(19.2 m宽的船舶占比均为10%)，船闸通过能力依次减小。

此外，对于某一平面尺度，无论是单向运行还是双向运行，当大型船占比50%时(方案序列2)，随着22 m宽船舶占比增加，船闸通过能力增加；当大型船占比60%时(方案序列3)，随着22 m宽船舶占比增加，船闸通过能力先增加后减小，在其占比30%左右最大；当大型船占比大于60%时(方案序列4、5、6)，随着22 m宽船舶占比增加，船闸通过能力减小。

3.2 不同船闸运行方式、闸室尺度的葛洲坝新船闸通过能力对比

单向运行时，相同船型比例方案下，葛洲坝新船闸400 m×40 m方案的通过能力为280 m×40 m方案的通过能力的1.28～1.32倍；双向运行时，相同船型比例方案，葛洲坝新船闸400 m×40 m方案的通过能力为280 m×40 m方案的通过能力的1.24～1.28倍。

对于葛洲坝新船闸的280 m×40 m方案，相同船型比例方案下，双向运行的船闸通过能力是单向运行的1.38～1.43倍；对于400 m×40 m方案，相同船型比例方案下，双向运行的船闸通过能力是单向运行的1.32～1.39倍。

3.3 葛洲坝新船闸与三峡新船闸通过能力对比

表9 三峡新船闸通过能力统计

三峡新船闸不同平面尺度、不同过闸方式下的通过能力详见表9。葛洲坝枢纽船闸的运行应与三峡枢纽船闸的运行相匹配，为了运行时的简便，在闸室平面尺度相同的条件下，将三峡新船闸的通过能力与葛洲坝新船闸单向运行时的通过能力进行对比分析。对于闸室尺度280 m×40 m方案，三峡新船闸同步移泊方式的通过能力是葛洲坝新船闸单向运行通过能力的0.84～0.89倍，依次过闸方式的通过能力是其0.88～0.91倍。对于闸室尺度400 m×40 m方案，三峡新船闸同步移泊方式的通过能力是葛洲坝新船闸单向运行通过能力的0.81～0.88倍，依次过闸方式的通过能力是其0.86～0.90倍。

4 结论

(1)船闸通过能力受船型和比例的影响，且闸室尺度与船型和比例存在一定的适配性。对于葛洲坝新船闸(闸室尺度为280 m×40 m和400 m×40 m)来说，当大型船占比50%时船闸通过能力随着22 m宽船舶占比增加而增加；当大型船占比60%时船闸通过能力随着22 m宽船舶占比增加而先增加后减小；当大型船占比大于60%时船闸通过能力随着22 m宽船舶占比增加而减小。

(2)在相同运行方式和船型比例方案下，葛洲坝新船闸400 m×40 m方案的通过能力为280 m×40 m方案的通过能力的1.24～1.32倍。

(3)在相同闸室尺度和船型比例方案下，双向运行的船闸的通过能力比单向运行的更大。当葛洲坝新船闸平面尺度为400 m×40 m时，双向运行的通过能力是单向运行的1.32～1.39倍；当葛洲坝新船闸平面尺度为280 m×40 m时，双向运行的通过能力是单向运行的1.38～1.43倍。

(4)葛洲坝新船闸能够匹配三峡新船闸运行。在葛洲坝新船闸单向运行条件下，当葛洲坝新船闸与三峡新船闸闸室尺度同为400 m×40 m时，三峡新船闸通过能力是葛洲坝新船闸的0.81～0.90倍；当葛洲坝新船闸与三峡新船闸闸室尺度同为280 m×40 m时，三峡新船闸通过能力是葛洲坝新船闸的0.84～0.91倍。