论文部分内容阅读
摘 要：三堡船闸年设计通航能力为850万吨，目前实际过闸量近4000万吨。钱塘江的大潮水使得三堡船闸运行安全及通
航能力受到很大的影响。通过建挡潮闸改善候闸条件，可保障运行安全，提高船闸通过能力。
关键词：三堡船闸 挡潮闸 安全 效率
京杭大运河，是我国内河水运唯一的南北向骨干航道，杭州三堡船闸位于京杭运河的最南端，是京杭运河沟通钱塘江的唯一枢纽工程，由一线船闸和二线船闸组成。一线船闸于1989年2月建成通航，年设计通过能力为300万吨，它的建成结束了江河相望、咫尺不通的历史，拓展航程400千米。随着过闸量的不断增加，一线船闸超负荷运行，二线船闸于1993年开工兴建，1996年12月投入运行，设计年通过能力为550万吨。两闸室轴线水平距离为100米，年设计总通过能力850万吨。三堡船闸当年建造时地处杭州城的东南郊，现随着城市的快速发展，船闸所处区域逐渐成了市中心，成了“城闸”。三堡船闸的过闸量也快速增长，现在已达十几年前的3--4倍，并且呈现出有增无减的增长趋势。1999年平均过闸船舶吨位只有93.5吨，至2010年已提高到450吨，一、二线的总通过能力调整为1500万吨，2012年过闸量近4000万吨，也还远远超过了调整后的设计通过能力。
根据运量发展及杭州市总体规划发展的要求，目前京杭运河沟通钱塘江第二通道工程的前期可行性研究工作已开展，但因该工程项目规模大、技术复杂要穿3条高速路和1条沪杭铁路，国省道、城市快速路若干条，前期研究工作时间和项目建设期都将较长；从目前至京杭运河沟通钱塘江第二通道工程建成投入运行的相当一段时间中，三堡船闸仍为沟通两大水系的唯一通道。通过对现有船闸的改扩建，提高通过能力，适应日益增长的过闸量要求，已进入前期实质性的研究阶段。
挡潮闸方案选择
2011年浙江省交通规划设计研究院就三堡船闸改建扩能工程进行了方案设计。方案有①扩大闸室尺度；②保留上闸首，新建闸室、下闸首；③将上、下闸首及闸室全部拆除后重建；④接长现有闸室，保留部分尺度，接长部分增加尺度；⑤设置挡潮闸，船闸尺度不变等五大方案。经过从：改造后船闸年通过能力提高幅度，工程建设总投资，施工期停航时间的长短，工程实施难度大小，及改造后船舶过闸的便利程度进行了详细的方案比选。不同方案的：投资资金从0.5亿---2.9亿；对现有船闸运行的影响从不0停航到需停航28个月；通过能力提高幅度从5.5%----156.8%。经过多方案比较，方案⑤设置挡潮闸保障运行安全提高通航能力，在5个改造方案中脱颖而出，该方案在国内还属首创。
在一线上游引航道设置挡潮闸船闸尺度不变通过计算：船闸年通过能力提高幅度在大潮较少年为5.5%，大潮较多年为24.5%，投资概算为7500万元，施工期为10个月，无需停航，对通航有一定影响。2012年，浙江水利河口研究院对该项目进行了数模实验，并通过了专家组的评审。
具体方案
三堡船闸的过闸能力受潮水的影响非常大，在大潮汛期间，船舶只能在离船闸上游27公里的之江锚地避潮，一般情况是潮前3小时就不放船舶进入引航道，而潮水过后船舶从避潮锚地行驶至上游引航道应是潮水过后4小时以上了，如果不是这样船舶受潮水的作用将会出现险情，在船闸刚开始运行期间，由于对潮水的认识不足，常有船舶出现海损事故。这样的情况在潮水大的月份每月有10—15天，每天2次将影响船闸通行时间达6—10小时。因此，潮水在提高钱塘江水位的同时，也使船闸的运行时间大打折扣。如果能在水工设施上加以改进，建造挡潮闸，最大限度地减小潮水对船闸运行时间带来的影响，在潮水来前可以把在27公里外的避潮船舶安排到上游引航道避潮。只要调度科学合理，在潮水到达前1—2小时关上坝闸，使上游引航道500×60米长的水域成避潮候闸区。 挡潮闸大门关闭后的几个小时之内可以连续单向把停留在上游引航道的船舶放入京杭运河，也可以把运河的船放到该水域避潮，使船闸达到24小时运行的效果，从而较大地提高船闸的通过能力。
1、挡潮闸主体布置及尺度
根据三堡船闸上游引航道的地形位置及格局，尽量扩大候闸锚地范围，结合施工围堰及施工期临时通航通道的布置，同时结合该项目水文泥沙数值模拟试验，将挡潮闸布置在距上闸首550米处。经比较挡潮闸通航孔宽采用单孔23米比采用双孔2×16米的要合理些，闸孔中心线分布在上游引航道中心线偏东侧。通航建筑物采用连接重力坝结构与防洪堤相接。
2、候闸锚地布置及尺度
根据上游引航道尺度、挡潮闸的位置及避潮船舶数量，在挡潮闸内共布置避潮船舶停泊段长650m，其中有效长东侧300 m、西侧350 m。现有东侧靠墩275m，靠船墙155 m，共计430m，考虑闸门口预留一段100 m左右供船舶通行用，现有的东侧靠船建筑物已满足锚地300m的使用要求，不需再新建 ；西侧350 m为新增靠船墙。
上游引航道底宽60m，计划单侧停靠两挡300—500t级船舶，则两侧四档船舶总宽度30—35米，中间能通航水域宽25—30米，可满足单列船舶进出闸的要求。大涌潮期间，考虑船闸运行、上下游引航道船舶交换，候闸锚地可提供4个闸次（12条）出闸船舶及5个闸次（15条）进闸船舶避潮。
3、施工期通航通道布置
施工期间对船闸运行影响尽量小，是重要的方案比选依据。挡潮闸施工期间，进出一线船闸的船舶将从一、二线上游引航道分隔堤中局部开挖的施工临时通道通航。临时通道底宽25m，距离上闸首口门约430m，轴线与一游引航道中心线夹角暂定30°。
通过能力计算
1、 一次过闸平均吨位（G）
三堡船闸一线闸室长160m，过闸船舶平均长50m，每一闸次只能通过3条船，根据近年来的运量统计，平均每闸次运量取：1260吨/闸次。 2、 一次过闸时间（T）
按照三堡船闸目前运营实际情况，经多次测时得：一次双向过闸时间T双=54分钟，一次单向过闸时间T单=36分钟。挡潮闸建成后，过闸将不受涌潮的影响，为全天候双向过闸提供了强有力的硬件基础。
3、 船闸的日工作小时（τ）
钱塘江中、小潮汛期间，潮差高度在1米以内，船闸可全天24小时运行。大中潮汛期间，采用挡潮闸内的引航道避潮候闸锚地，船闸运行不再受潮水影响，理论上也可24小时运行。考虑某些时段水位较低，及船舶的流量的峰谷影响，实际计算日工作取22小时。
4、日平均过闸次数（n）
中、小潮汛期间，日平均双向过闸次数（n）
N=τ×60/ T=22.0×60/54=24.44次，取24次。
5、船闸年通航天数
三堡船闸运行受钱塘江、京杭运河二大水系水位的常规影响外，还受涌潮、台风等特殊气象条件的影响，根据近年统计取310天/年。
6、运量不均匀系数（β）与船舶装载系数（α）
根据三堡船闸运行的实际情况：β=1.15 α=0.85
7、年过闸船舶总载重吨位
P1=nNG=24×310×1260=937.4万吨。双向年通过能力可达1870万吨，考虑到β=1.15 和α=0.85，单向年过闸货运量为：P2= P1×α/β=692.9万吨。由此可见，能保持24小时通航，一线船闸运力将有很大提升空间。如在二线船闸上游引航道也建挡潮闸，二线船闸的双向年通过能力可达2500万吨。这样三堡船闸的年总通过能力保守估计可达4300万吨以上。
挡潮闸建设的综合影响
1、国内首创，论证可行
利用在船闸引航道建挡潮闸来提高船闸运行效率，在国内尚无可借鉴的经验，浙江省河口海岸重点实验室做了该项目的水文泥沙数值模拟，对闸坝不同位置可能引起的上游引航道的内淤积、口门区冲淤问题进行了研究，结论是可行的。
2、过闸难度有所增加
挡潮闸的建成，对进出闸的船舶通过该区域增加了难度，闸门的设置已从方案阶段的2×16米的双闸门改20米以上宽底的单闸门，已完成了实船试验大纲的编写，将进行实船试验后进行通航安全认证。
3、对周边建构筑物影响
对周边敏感点的分析，挡潮闸建成后：对二线上游引航道的淤积情况影响，对两岸堤防前沿冲淤分析，对分隔堤及沿江公路隧道的影响均在可接受范围内。
4、可结合新城建设成为新景观
挡潮闸建成后通过建筑设计可以把启闭机房设计成一个亮点，把它和整个钱江新城融合在一起，成为钱江新城的有机组成部分。二线的挡潮闸也建成后，可结合规划中的人行景观桥，把两条挡潮闸变为钱江新城过河的人行景观通道，一举两得，在取得政府大力支持的同时还可以争取部分拼盘建设资金。
5、可作为二通道备用锚地
在三堡船闸下游8公里左右的京杭运河与钱塘江沟通的二通道----八堡船闸建成后受潮水的影响将更大，在大潮期间有效通航时间将更少，当然它可以在建设中就考虑到把上游引航道建成带挡潮闸的锚地，但三堡船闸上游锚地可以作为八堡船闸锚地的有力补充，成为一处备用锚地，以致三堡船闸成为备用船闸后，其引航道还能为提高八堡船闸的通过能力提供硬件保障。
结语
挡潮闸的建设还有防洪影响评价等要完成，还有一些物模、数模需要相关科研、设计单位落实，还有一些技术前期问题要沟通，但作为全国首例运用挡潮闸提高船闸通过能力、保障运行安全，使既有的交通基础设施为国民经济发展提供强有力的保证，值得我们水运工程技术人员为之探索。
（作者单位：同济大学）
航能力受到很大的影响。通过建挡潮闸改善候闸条件，可保障运行安全，提高船闸通过能力。
关键词：三堡船闸 挡潮闸 安全 效率
京杭大运河，是我国内河水运唯一的南北向骨干航道，杭州三堡船闸位于京杭运河的最南端，是京杭运河沟通钱塘江的唯一枢纽工程，由一线船闸和二线船闸组成。一线船闸于1989年2月建成通航，年设计通过能力为300万吨，它的建成结束了江河相望、咫尺不通的历史，拓展航程400千米。随着过闸量的不断增加，一线船闸超负荷运行，二线船闸于1993年开工兴建，1996年12月投入运行，设计年通过能力为550万吨。两闸室轴线水平距离为100米，年设计总通过能力850万吨。三堡船闸当年建造时地处杭州城的东南郊，现随着城市的快速发展，船闸所处区域逐渐成了市中心，成了“城闸”。三堡船闸的过闸量也快速增长，现在已达十几年前的3--4倍，并且呈现出有增无减的增长趋势。1999年平均过闸船舶吨位只有93.5吨，至2010年已提高到450吨，一、二线的总通过能力调整为1500万吨，2012年过闸量近4000万吨，也还远远超过了调整后的设计通过能力。
根据运量发展及杭州市总体规划发展的要求，目前京杭运河沟通钱塘江第二通道工程的前期可行性研究工作已开展，但因该工程项目规模大、技术复杂要穿3条高速路和1条沪杭铁路，国省道、城市快速路若干条，前期研究工作时间和项目建设期都将较长；从目前至京杭运河沟通钱塘江第二通道工程建成投入运行的相当一段时间中，三堡船闸仍为沟通两大水系的唯一通道。通过对现有船闸的改扩建，提高通过能力，适应日益增长的过闸量要求，已进入前期实质性的研究阶段。
挡潮闸方案选择
2011年浙江省交通规划设计研究院就三堡船闸改建扩能工程进行了方案设计。方案有①扩大闸室尺度；②保留上闸首，新建闸室、下闸首；③将上、下闸首及闸室全部拆除后重建；④接长现有闸室，保留部分尺度，接长部分增加尺度；⑤设置挡潮闸，船闸尺度不变等五大方案。经过从：改造后船闸年通过能力提高幅度，工程建设总投资，施工期停航时间的长短，工程实施难度大小，及改造后船舶过闸的便利程度进行了详细的方案比选。不同方案的：投资资金从0.5亿---2.9亿；对现有船闸运行的影响从不0停航到需停航28个月；通过能力提高幅度从5.5%----156.8%。经过多方案比较，方案⑤设置挡潮闸保障运行安全提高通航能力，在5个改造方案中脱颖而出，该方案在国内还属首创。
在一线上游引航道设置挡潮闸船闸尺度不变通过计算：船闸年通过能力提高幅度在大潮较少年为5.5%，大潮较多年为24.5%，投资概算为7500万元，施工期为10个月，无需停航，对通航有一定影响。2012年，浙江水利河口研究院对该项目进行了数模实验，并通过了专家组的评审。
具体方案
三堡船闸的过闸能力受潮水的影响非常大，在大潮汛期间，船舶只能在离船闸上游27公里的之江锚地避潮，一般情况是潮前3小时就不放船舶进入引航道，而潮水过后船舶从避潮锚地行驶至上游引航道应是潮水过后4小时以上了，如果不是这样船舶受潮水的作用将会出现险情，在船闸刚开始运行期间，由于对潮水的认识不足，常有船舶出现海损事故。这样的情况在潮水大的月份每月有10—15天，每天2次将影响船闸通行时间达6—10小时。因此，潮水在提高钱塘江水位的同时，也使船闸的运行时间大打折扣。如果能在水工设施上加以改进，建造挡潮闸，最大限度地减小潮水对船闸运行时间带来的影响，在潮水来前可以把在27公里外的避潮船舶安排到上游引航道避潮。只要调度科学合理，在潮水到达前1—2小时关上坝闸，使上游引航道500×60米长的水域成避潮候闸区。 挡潮闸大门关闭后的几个小时之内可以连续单向把停留在上游引航道的船舶放入京杭运河，也可以把运河的船放到该水域避潮，使船闸达到24小时运行的效果，从而较大地提高船闸的通过能力。
1、挡潮闸主体布置及尺度
根据三堡船闸上游引航道的地形位置及格局，尽量扩大候闸锚地范围，结合施工围堰及施工期临时通航通道的布置，同时结合该项目水文泥沙数值模拟试验，将挡潮闸布置在距上闸首550米处。经比较挡潮闸通航孔宽采用单孔23米比采用双孔2×16米的要合理些，闸孔中心线分布在上游引航道中心线偏东侧。通航建筑物采用连接重力坝结构与防洪堤相接。
2、候闸锚地布置及尺度
根据上游引航道尺度、挡潮闸的位置及避潮船舶数量，在挡潮闸内共布置避潮船舶停泊段长650m，其中有效长东侧300 m、西侧350 m。现有东侧靠墩275m，靠船墙155 m，共计430m，考虑闸门口预留一段100 m左右供船舶通行用，现有的东侧靠船建筑物已满足锚地300m的使用要求，不需再新建 ；西侧350 m为新增靠船墙。
上游引航道底宽60m，计划单侧停靠两挡300—500t级船舶，则两侧四档船舶总宽度30—35米，中间能通航水域宽25—30米，可满足单列船舶进出闸的要求。大涌潮期间，考虑船闸运行、上下游引航道船舶交换，候闸锚地可提供4个闸次（12条）出闸船舶及5个闸次（15条）进闸船舶避潮。
3、施工期通航通道布置
施工期间对船闸运行影响尽量小，是重要的方案比选依据。挡潮闸施工期间，进出一线船闸的船舶将从一、二线上游引航道分隔堤中局部开挖的施工临时通道通航。临时通道底宽25m，距离上闸首口门约430m，轴线与一游引航道中心线夹角暂定30°。
通过能力计算
1、 一次过闸平均吨位（G）
三堡船闸一线闸室长160m，过闸船舶平均长50m，每一闸次只能通过3条船，根据近年来的运量统计，平均每闸次运量取：1260吨/闸次。 2、 一次过闸时间（T）
按照三堡船闸目前运营实际情况，经多次测时得：一次双向过闸时间T双=54分钟，一次单向过闸时间T单=36分钟。挡潮闸建成后，过闸将不受涌潮的影响，为全天候双向过闸提供了强有力的硬件基础。
3、 船闸的日工作小时（τ）
钱塘江中、小潮汛期间，潮差高度在1米以内，船闸可全天24小时运行。大中潮汛期间，采用挡潮闸内的引航道避潮候闸锚地，船闸运行不再受潮水影响，理论上也可24小时运行。考虑某些时段水位较低，及船舶的流量的峰谷影响，实际计算日工作取22小时。
4、日平均过闸次数（n）
中、小潮汛期间，日平均双向过闸次数（n）
N=τ×60/ T=22.0×60/54=24.44次，取24次。
5、船闸年通航天数
三堡船闸运行受钱塘江、京杭运河二大水系水位的常规影响外，还受涌潮、台风等特殊气象条件的影响，根据近年统计取310天/年。
6、运量不均匀系数（β）与船舶装载系数（α）
根据三堡船闸运行的实际情况：β=1.15 α=0.85
7、年过闸船舶总载重吨位
P1=nNG=24×310×1260=937.4万吨。双向年通过能力可达1870万吨，考虑到β=1.15 和α=0.85，单向年过闸货运量为：P2= P1×α/β=692.9万吨。由此可见，能保持24小时通航，一线船闸运力将有很大提升空间。如在二线船闸上游引航道也建挡潮闸，二线船闸的双向年通过能力可达2500万吨。这样三堡船闸的年总通过能力保守估计可达4300万吨以上。
挡潮闸建设的综合影响
1、国内首创，论证可行
利用在船闸引航道建挡潮闸来提高船闸运行效率，在国内尚无可借鉴的经验，浙江省河口海岸重点实验室做了该项目的水文泥沙数值模拟，对闸坝不同位置可能引起的上游引航道的内淤积、口门区冲淤问题进行了研究，结论是可行的。
2、过闸难度有所增加
挡潮闸的建成，对进出闸的船舶通过该区域增加了难度，闸门的设置已从方案阶段的2×16米的双闸门改20米以上宽底的单闸门，已完成了实船试验大纲的编写，将进行实船试验后进行通航安全认证。
3、对周边建构筑物影响
对周边敏感点的分析，挡潮闸建成后：对二线上游引航道的淤积情况影响，对两岸堤防前沿冲淤分析，对分隔堤及沿江公路隧道的影响均在可接受范围内。
4、可结合新城建设成为新景观
挡潮闸建成后通过建筑设计可以把启闭机房设计成一个亮点，把它和整个钱江新城融合在一起，成为钱江新城的有机组成部分。二线的挡潮闸也建成后，可结合规划中的人行景观桥，把两条挡潮闸变为钱江新城过河的人行景观通道，一举两得，在取得政府大力支持的同时还可以争取部分拼盘建设资金。
5、可作为二通道备用锚地
在三堡船闸下游8公里左右的京杭运河与钱塘江沟通的二通道----八堡船闸建成后受潮水的影响将更大，在大潮期间有效通航时间将更少，当然它可以在建设中就考虑到把上游引航道建成带挡潮闸的锚地，但三堡船闸上游锚地可以作为八堡船闸锚地的有力补充，成为一处备用锚地，以致三堡船闸成为备用船闸后，其引航道还能为提高八堡船闸的通过能力提供硬件保障。
结语
挡潮闸的建设还有防洪影响评价等要完成，还有一些物模、数模需要相关科研、设计单位落实，还有一些技术前期问题要沟通，但作为全国首例运用挡潮闸提高船闸通过能力、保障运行安全，使既有的交通基础设施为国民经济发展提供强有力的保证，值得我们水运工程技术人员为之探索。
（作者单位：同济大学）