張 勃，萬(wàn) 韜，楊 玨

(長(zhǎng)江三峽通航管理局 湖北 宜昌 443002)

隨著沿江經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，船舶日益增長(zhǎng)的過(guò)壩需求和兩壩船閘通過(guò)能力不足之間的矛盾日益突出，需要進(jìn)一步深挖通航潛力、提高通航效率。船閘閘次運(yùn)行時(shí)間是影響船閘運(yùn)行效率的重要因素。閘次運(yùn)行時(shí)間包括：船舶進(jìn)出閘時(shí)間、船閘設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、船閘充泄水時(shí)間等。2011年葛洲壩船閘電氣系統(tǒng)升級(jí)改造后，船閘控制水平有了很大的提高，船閘設(shè)備工況良好，船閘設(shè)備設(shè)施運(yùn)行時(shí)間均在設(shè)計(jì)值以內(nèi)。目前，為縮短船舶進(jìn)出閘時(shí)間，葛洲壩船閘已經(jīng)采用了導(dǎo)航墻待閘、船舶同步進(jìn)閘等有效手段，運(yùn)行效率有了很大提高[1]，但船舶出閘依然采用的是單船逐一出閘的方式，船舶出閘單元多、船舶預(yù)留間隔較大。

為縮短船舶出閘時(shí)間，本文提出同步出閘方式，即并排停靠的船舶同步移泊到閘室外面，并將這種出閘方式分別命名為“全同步出閘”和“半同步出閘”?！叭匠鲩l”即船舶出閘均采用兩兩并排的出閘方式；“半同步出閘”即閘室前排船舶采取逐一出閘方式，后排船舶采取同步出閘方式。

1 通航調(diào)度組織研究

1.1 同步出閘的船閘運(yùn)行方式及應(yīng)用范圍

1.1.1同步出閘的船閘運(yùn)行方式

葛洲壩船閘運(yùn)行有單向和迎向運(yùn)行兩種方式。因通航建筑物尺寸限制，同步出閘僅在葛洲壩一號(hào)船閘和二號(hào)船閘實(shí)施。一號(hào)閘上游設(shè)有躉船供船舶臨時(shí)?？浚?hào)閘上、下游均設(shè)有靠船墩。若船舶采用同步出閘的方式，須解隊(duì)后再向航道中心轉(zhuǎn)向。靠船墩上?？康拇皶?huì)影響出閘船舶轉(zhuǎn)向的航跡，加大船舶駕駛難度，增加船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。因此組織船舶同步出閘的船閘運(yùn)行方式宜為單向運(yùn)行。

1.1.2同步出閘的應(yīng)用范圍

一號(hào)閘所處的大江航道受出、入庫(kù)流量影響較大，因此在長(zhǎng)江主汛期不宜采用同步出閘方式組織船舶出閘。一號(hào)閘下游受二江泄水閘出流折沖大江航道的影響，下游航道流速和波浪很大，加上航道彎曲，船舶同步出閘駕引難度高。因此一號(hào)閘下行時(shí)只有設(shè)立“虛擬閘室”(即在副導(dǎo)航墻以外沿著導(dǎo)航墻劃設(shè)一塊尺寸和閘室大小一樣的區(qū)域)來(lái)實(shí)施船舶同步出閘。一號(hào)閘處于非汛期時(shí)，船舶上行可以實(shí)施同步出閘，但由于導(dǎo)航墻長(zhǎng)度的限制，不能滿足虛擬閘室?？康姆绞絹?lái)進(jìn)行同步出閘。

二號(hào)閘所處三江航道，水流條件相對(duì)穩(wěn)定，能滿足組織船舶上、下行同步出閘的要求。二號(hào)閘下行可考慮虛擬閘室?？縼?lái)實(shí)施船舶同步出閘，但二號(hào)閘下游導(dǎo)航墻延長(zhǎng)線上有淺點(diǎn)，出閘船舶須考慮淺水效應(yīng)影響，謹(jǐn)防擱淺。二號(hào)閘上行可以實(shí)施船舶同步出閘，但由于導(dǎo)航墻長(zhǎng)度的限制，不能滿足虛擬閘室?？康姆绞絹?lái)進(jìn)行同步出閘。

1.2 船舶過(guò)閘調(diào)度組織

1.2.1過(guò)閘船型選取

為了降低船舶出閘時(shí)的擠卡風(fēng)險(xiǎn)和同步出閘時(shí)船間效應(yīng)的影響，同步出閘前期應(yīng)用時(shí)宜通過(guò)調(diào)度手段選取干舷高度、吃水、長(zhǎng)度相近的船型實(shí)施，以免側(cè)壓擠碰損壞船舶設(shè)施。

1.2.2各船閘間船舶過(guò)閘調(diào)度

三號(hào)閘和二號(hào)閘共處三江航道，二號(hào)閘若實(shí)施同步出閘須通過(guò)調(diào)度手段避免出現(xiàn)進(jìn)出二、三號(hào)閘的船舶在航道會(huì)船的情況。

1.3 船舶同步航行的組織方式

并排船舶若相綁成船隊(duì)行進(jìn)，可以減少相互碰撞，但船舶間相綁和解綁耗時(shí)，且隨著船舶大型化，一閘四船的模式下，兩兩相綁形成的船隊(duì)載質(zhì)量較大，現(xiàn)有浮式系船柱不能滿足部分船隊(duì)系纜要求。所以船舶并排出閘宜采取不相綁的出閘方式。

1.4 設(shè)置“虛擬閘室”?？看?/h3>

為防止第一排船舶在副導(dǎo)航墻解隊(duì)過(guò)程對(duì)第二排船舶的出閘時(shí)機(jī)和船舶出閘總歷時(shí)造成影響，出閘船舶同步移泊到“虛擬閘室”之后，即可關(guān)閉人字門，進(jìn)行后續(xù)集控運(yùn)行操作，即船舶解隊(duì)過(guò)程不計(jì)入過(guò)閘總歷時(shí)。但這種出閘方式可能存在以下問(wèn)題:1)出閘船舶移泊距離較長(zhǎng)，移泊過(guò)程受導(dǎo)航墻之間的岸壁效應(yīng)和船舶間的船間效應(yīng)影響較大，且第二排船舶因受前排船舶在虛擬閘室?？亢秃叫邪踩嚯x的的影響，其出閘速度較慢，較單船出閘效率低。2)一、二號(hào)閘上游受導(dǎo)航墻長(zhǎng)度的限制，若按照“一閘四船”船舶單元對(duì)其出閘實(shí)行虛擬閘室?？?，前排船舶船體的回轉(zhuǎn)中心超出導(dǎo)航墻外，前排船舶無(wú)法系纜，不便于船舶姿態(tài)的調(diào)整。船舶?？渴軅?cè)風(fēng)、浪涌等環(huán)境因素影響較大，特別是集裝箱、滾裝船等受風(fēng)面積較大的船舶很難穩(wěn)定?？?。鑒于此，本文不研究在同步出閘模式中實(shí)施虛擬閘室?？康那樾?。

1.5 船舶解隊(duì)位置的選取

同步出閘的兩條船舶只有通過(guò)副導(dǎo)航墻后才具備解隊(duì)條件。由于船間效應(yīng)影響，并排行駛的兩船之間有吸力，并排出閘的船舶若駛出導(dǎo)航墻區(qū)域之后，船舶在航道中沒(méi)有支點(diǎn)，兩船分開(kāi)的難度較大，遇側(cè)風(fēng)則更難分開(kāi)。若駛出引航道水域之后，受水流條件和一號(hào)閘上游航道向家嘴彎道的影響，解隊(duì)操作難度更大。鑒于一、二號(hào)閘上游導(dǎo)航墻的長(zhǎng)度限制，對(duì)于解隊(duì)位置的選取有以下兩種建議：1)在副導(dǎo)航墻解隊(duì)。存在的問(wèn)題：若第二排船舶動(dòng)車時(shí)機(jī)選取不當(dāng)，第一排船舶的解隊(duì)過(guò)程可能延誤第二排船舶出閘的時(shí)間，影響整體出閘效率。2)在導(dǎo)航墻末端解隊(duì)。存在的問(wèn)題：船舶沿著導(dǎo)航墻航行，會(huì)延長(zhǎng)船舶受岸壁效應(yīng)影響的時(shí)間，也會(huì)增加船舶間碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是?；反巴匠鲩l更應(yīng)盡量降低船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)。二號(hào)閘下游導(dǎo)航墻延長(zhǎng)線上有淺點(diǎn)，若內(nèi)檔船舶在此向航道中心轉(zhuǎn)向有擱淺風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，同步出閘船舶的解隊(duì)位置選取是有限制的，對(duì)進(jìn)一步確定可行的組織方案劃定了范圍。兼顧效率和安全考慮，在副導(dǎo)航墻解隊(duì)方案可行。

2 同步出閘效率分析

2.1 同步出閘數(shù)學(xué)模型

結(jié)合目前過(guò)閘船舶主尺度和應(yīng)用推廣前景，本文以船舶設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為130 m、寬16.2 m的“大長(zhǎng)寬比船型”為代表的“一閘四船”為研究對(duì)象[2]，模擬船舶同步出閘的工況。對(duì)船舶同步出閘的理論分析進(jìn)行以下設(shè)定：1)參照《三峽—葛洲壩水利樞紐通航管理辦法》對(duì)三峽船閘閘室內(nèi)船舶同步移泊和單船出閘的速度規(guī)定，船舶同步出閘按照v1=0.6 ms速度控制，單船出閘按照v2=1.0 ms速度控制。船舶主機(jī)功率不同，各船加速度不同，為簡(jiǎn)化分析流程，建立理想數(shù)學(xué)模型，不考慮船舶加速和減速的過(guò)程。2)船舶在閘室內(nèi)的靠泊狀態(tài)見(jiàn)圖1。4艘船舶成兩排，其中1、2、3、4分別為4艘船舶編號(hào)，船長(zhǎng)為130 m，用L表示。頭排船舶的船頭位置與閘室禁停線平齊，設(shè)為B點(diǎn)；兩排船間距設(shè)定為5 m，用L0表示；后排船舶船尾位置設(shè)為A點(diǎn)。根據(jù)船閘運(yùn)行實(shí)際，后排船舶船尾過(guò)副導(dǎo)航墻，即出閘結(jié)束[3]，該點(diǎn)設(shè)為C。A、C之間為船舶同步出閘段，距離設(shè)為d。同時(shí)，根據(jù)1.5節(jié)的分析，C點(diǎn)為本文選取的船舶解隊(duì)點(diǎn)。

圖1 出閘之前船舶位置

2.2 全同步出閘理論分析

船舶全同步出閘，頭排兩條船舶先同步出閘，后排船舶原地等待，拉開(kāi)一段安全距離再出閘。前排船舶到達(dá)副導(dǎo)航墻開(kāi)始解隊(duì)，兩排船距越來(lái)越小。設(shè)兩排船的臨界距離等于初始間距L0，若前排船舶解隊(duì)完成之前，兩排船間距縮短至L0，則后排船舶需要等待前排船舶解隊(duì)完成，且前排內(nèi)檔船拉開(kāi)一段安全距離，再動(dòng)車。分析可知，船舶全同步出閘用時(shí)公式：

(1)

式中：T為船舶全同步出閘總歷時(shí)；d為船舶同步出閘段長(zhǎng)度，由船閘尺寸決定；v1為船舶同步出閘速度；t1為前排船舶開(kāi)始出閘后，后排船舶在閘室初始位置等待拉開(kāi)安全距離的時(shí)間；t2為頭排船舶解隊(duì)過(guò)程總耗時(shí)；t3為頭排船舶解隊(duì)后，內(nèi)檔船舶與后排船舶拉開(kāi)安全距離的時(shí)間。

2.3 半同步出閘理論分析

船舶半同步出閘，頭排船舶出閘采用逐一出閘的方式，參照對(duì)船舶出閘實(shí)際情況的觀測(cè)，第1條船舶船尾到達(dá)副導(dǎo)航墻時(shí)，第2條船舶開(kāi)始出閘。第2條船舶與后排船舶拉開(kāi)一定的安全距離后，后排船舶開(kāi)始同步出閘，船尾越過(guò)副導(dǎo)航墻本次出閘結(jié)束。分析可知，船舶半同步出閘用時(shí)公式：

T′=(d-L-L0)v2+t4+dv1

(2)

式中：T′為船舶半同步出閘總歷時(shí)；t4為前排第2條船舶與后排船舶拉開(kāi)安全距離的時(shí)間；d為船舶同步出閘段長(zhǎng)度，由船閘建筑決定；L為船舶長(zhǎng)度；L0為兩排船舶初始?？抗潭ㄩg距；v2為船舶單船出閘速度；v1為船舶同步出閘速度。

2.4 4條大長(zhǎng)寬比船舶逐一出閘理論分析

4條船舶逐一出閘，參考船閘運(yùn)行實(shí)際建立模型，當(dāng)前1條船舶到達(dá)副導(dǎo)航墻時(shí)，后1條船舶開(kāi)始動(dòng)；直至船尾越過(guò)副導(dǎo)航墻，出閘結(jié)束。分析可知逐一出閘時(shí)間公式：

T″=2(2d-L-L0)v2

(3)

式中：T″為船舶逐一出閘總歷時(shí)；d為船舶同步出閘段長(zhǎng)度，由船閘建筑決定；L為船舶長(zhǎng)度；L0為兩排船舶初始停靠固定間距；v2為船舶單船出閘速度。

2.5 3種方式出閘時(shí)間對(duì)比

全同步出閘方式，同時(shí)滿足以下3個(gè)條件時(shí)，理論出閘時(shí)間最短：1)后排船舶在閘室初始位置等待的時(shí)間不超過(guò)前排解隊(duì)耗時(shí)；2)解隊(duì)時(shí)外檔船舶越過(guò)內(nèi)檔船舶船頭，內(nèi)檔船立即動(dòng)車；3)頭排船舶解隊(duì)后，后排船舶立即動(dòng)車。半同步出閘方式，后排船舶與第2條船同時(shí)動(dòng)車時(shí)，理論出閘時(shí)間最短。根據(jù)上述公式計(jì)算出不同出閘方式下的船舶出閘時(shí)間，同時(shí)對(duì)比分析逐一出閘方式的理論計(jì)算時(shí)間和實(shí)際統(tǒng)計(jì)值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同方式出閘時(shí)間 min

注：逐一出閘統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間選取2017年4—7月大長(zhǎng)寬比船舶過(guò)閘試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，均為4條船舶單元。

由表1可知，葛洲壩一、二號(hào)船閘船舶逐一出閘統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間均大于理論計(jì)算時(shí)間。模型計(jì)算值與實(shí)際統(tǒng)計(jì)值之間存在誤差的原因：1)船舶實(shí)際出閘速度和理想化模型不一定完全一致。2)理論分析未考慮船舶出閘的解纜繩時(shí)間以及船舶的加速、減速過(guò)程。3)大長(zhǎng)寬比船型逐一出閘實(shí)際原型觀測(cè)樣本數(shù)量較少。

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型中公式(1)和(2)可知，船舶經(jīng)一號(hào)閘上行、一號(hào)閘下行、二號(hào)閘上行、二號(hào)閘下行出閘時(shí)：1)在半同步出閘過(guò)程中，當(dāng)前排第2條船舶與后排船舶拉開(kāi)安全距離時(shí)間分別小于5.60、5.55、6.72、5.15 min時(shí)，半同步出閘耗時(shí)比逐一出閘時(shí)間耗時(shí)短。2)在全同步出閘過(guò)程中，當(dāng)后排船舶出閘過(guò)程中等待的總時(shí)間分別小于9.24、9.15、11.20、8.45 min時(shí)，全同步出閘耗時(shí)比逐一出閘耗時(shí)短。3)在全同步出閘過(guò)程中，后排船舶出閘過(guò)程中等待的總時(shí)間與半同步出閘過(guò)程中前排第2條船舶與后排船舶拉開(kāi)安全距離的耗時(shí)差分別小于3.64、3.60、4.48、3.30 min時(shí)，全同步出閘耗時(shí)比半同步出閘耗時(shí)短。

3 結(jié)論

1)根據(jù)理論分析研究，選取合適的方案在葛洲壩船閘實(shí)施同步出閘可以縮短船舶的出閘時(shí)間，提高船閘的通航效率。

2)同步出閘總歷時(shí)受后排船舶出閘等待時(shí)間的影響較大，若等待耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，同步出閘效率就會(huì)降低。全同步出閘總歷時(shí)受第1排船舶解隊(duì)時(shí)間的影響較大，若船舶解隊(duì)過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，全同步出閘的效率就會(huì)降低。

3)理論計(jì)算時(shí)間與實(shí)際時(shí)間之間存在誤差，且葛洲壩一號(hào)船閘受流量的影響較大，需要進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證同步出閘的效率，并研究不同流量對(duì)同步出閘運(yùn)行組織的影響。