肖柏青 鞠汶倩

摘要：

為了緩解船閘超負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)象，提高船閘運(yùn)輸效率，從最根本上簡化船舶過閘程序入手，針對(duì)水頭差不大的河段設(shè)計(jì)了一種不停船快速過閘船閘。該船閘的設(shè)計(jì)是基于連通器原理和力矩平衡原理，將旋轉(zhuǎn)門式閘門和特殊的輸水系統(tǒng)相結(jié)合，來實(shí)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(shè)計(jì)是將動(dòng)靜閘門相結(jié)合，利用上下游水位差輔助推動(dòng)船閘運(yùn)行，節(jié)約電能。多次模型過船試驗(yàn)表明：閘門在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中閘室的水位能夠逐漸變化，船舶跟隨閘門轉(zhuǎn)動(dòng)而向前行駛，實(shí)現(xiàn)了不停船而直接過閘的效果，同時(shí)還可以上下游同時(shí)通航。此種船閘設(shè)計(jì)極大提高了船閘運(yùn)輸效率，是一個(gè)新的嘗試，但有待實(shí)際工程驗(yàn)證。

關(guān) 鍵 詞：

船閘; 旋轉(zhuǎn)式閘門; 過閘效率; 輸水系統(tǒng); 智慧船閘

中圖法分類號(hào)： TV691

文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)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(shí)要經(jīng)過關(guān)閘、系錨、充水或泄水、閘門打開、松開錨繩、船舶通過等多個(gè)程序，且每個(gè)程序都要耗費(fèi)較長時(shí)間，導(dǎo)致整個(gè)過閘時(shí)間較長。船舶通過一般的船閘需要將近1 h，通過多級(jí)船閘的時(shí)間更長[1]。而近年來各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，中國對(duì)水運(yùn)的需求快速增加，越來越多的船閘提前達(dá)到甚至超過設(shè)計(jì)通過能力而呈現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行效率低下。三峽船閘已經(jīng)超負(fù)荷運(yùn)行8 a以上，京杭大運(yùn)河上多個(gè)船閘如三堡船閘、萬年閘船閘、芒稻船閘等也早已超過了設(shè)計(jì)通航能力，持續(xù)超負(fù)荷運(yùn)行。單以三峽船閘為例，過長的待閘時(shí)間對(duì)中國造成的經(jīng)濟(jì)損失就已經(jīng)高達(dá)每年30億元左右[2-3]。從長遠(yuǎn)來看，水運(yùn)需求量在未來很有可能還會(huì)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(shí)間過長而采取的方法主要有以下3種：

（1） 如寶應(yīng)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(shí)間，提高過閘效率。但這個(gè)解決方案存在一定的弊端：① 增大閘室容量確實(shí)會(huì)一定程度上提高通航效率，但效果有限，且對(duì)于先入閘室的船舶來說需要等到后面船舶全部駛?cè)腴l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(shí)，船閘的工程量也相應(yīng)地增加，而增加的過閘效率所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與增加的工程量所消耗的經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)化船型增強(qiáng)對(duì)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(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于過閘效率的提升是很有限的，且標(biāo)準(zhǔn)化船型不是短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)河中的邵伯船閘、三堡船閘等，通過建設(shè)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(shí)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(huì)很快達(dá)到設(shè)計(jì)通航量。

為了從根本上解決船舶過閘時(shí)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(zhuǎn)門為設(shè)計(jì)靈感，結(jié)合連通器原理和力矩平衡原理，設(shè)計(jì)了一種不停船快速過閘船閘。

2 船閘結(jié)構(gòu)

2.1 船閘總體設(shè)計(jì)

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

整個(gè)模型的靈感來源于酒店門口的旋轉(zhuǎn)門式結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定、可控速、密封性好、可內(nèi)外同行等諸多優(yōu)點(diǎn)，同樣這些優(yōu)點(diǎn)也可能適用于船閘通航。另外，筆者還設(shè)計(jì)了一種沒有閥門的輸水系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)門式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使閘室水位隨著閘門旋轉(zhuǎn)而平穩(wěn)自動(dòng)升降，解決了船舶過閘時(shí)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(gè)圓柱形的旋轉(zhuǎn)內(nèi)墻，旋轉(zhuǎn)內(nèi)墻包裹電機(jī)，旋轉(zhuǎn)內(nèi)墻上均勻布設(shè)有6個(gè)閘門，每個(gè)閘門由動(dòng)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(dòng)閘門的長度。船閘運(yùn)行旋轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)內(nèi)墻旋轉(zhuǎn)，動(dòng)閘門在大閘室邊墻一側(cè)伸展，而在小閘室邊墻一側(cè)收縮。如此6個(gè)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(jìn)一步推動(dòng)閘門旋轉(zhuǎn)，減少電機(jī)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(gòu)成，小孔設(shè)計(jì)在上游門檻和下游門檻附近位置，過水孔群下方有一個(gè)水槽構(gòu)成輸水調(diào)節(jié)池，過水孔群和輸水調(diào)節(jié)池構(gòu)成連通器，在上、下游水位差的作用下實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)行時(shí)閘室水位的自動(dòng)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(shí)，兩端液面總會(huì)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(yùn)行旋轉(zhuǎn)過程中船舶所在閘室隔間到達(dá)輸水孔群區(qū)間時(shí)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(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，使船舶到達(dá)上（下）游時(shí)，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(yùn)送至低水頭處。

3 原型計(jì)算與分析

本文介紹的船閘是以應(yīng)用在淮河上為背景設(shè)計(jì)的，主要適用于上、下游水位差較小，地勢(shì)相對(duì)平坦開闊的流域地區(qū)。假設(shè)該船閘按照Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，即滿足500 t級(jí)船舶通航，在此標(biāo)準(zhǔn)下船閘設(shè)計(jì)參數(shù)為：閘室門檻設(shè)計(jì)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(dòng)閘門寬b為8 m，旋轉(zhuǎn)內(nèi)墻的半徑r為30 m，閘門采用鋼架結(jié)構(gòu)的鑄鐵材料，閘門高H為16 m，閘門等效實(shí)體厚度t為0.5 m，在靜閘門和動(dòng)閘門下均安裝有若干個(gè)滾輪，在閘室底板上鋪設(shè)鋼軌，閘門滾輪在鋼軌上運(yùn)行。

下面推算當(dāng)上、下游水位差為多少時(shí)，可以完全憑靠上下游水壓力驅(qū)動(dòng)船閘運(yùn)行。

閘門鑄鐵材料的密度ρ鐵取7 850 kg/m3。閘門轉(zhuǎn)動(dòng)所需推力（即滾輪滾動(dòng)阻力）與滾輪荷載（即閘門有效重量）有關(guān)，車輪滾動(dòng)所需推力與車輪荷載之比稱為滾動(dòng)阻力系數(shù)，它是一個(gè)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(dòng)阻力系數(shù)一般為0.020～0.025，鑄鐵輪在鋼軌上的滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.006～0.008[5]?？紤]到上閘室內(nèi)會(huì)存在一些細(xì)沙，該閘門滾輪在鋼軌上的滾動(dòng)阻力系數(shù)f會(huì)比0.008稍大一些，同時(shí)為保險(xiǎn)起見，這里滾動(dòng)阻力系數(shù)f取0.020。

不管閘門轉(zhuǎn)到何處，在大、小閘室邊墻兩側(cè)由于上下游存在水位差Δh，水體總是對(duì)閘門產(chǎn)生壓差力，設(shè)下游水深為h，在大閘室邊墻上游水體對(duì)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(zhuǎn)運(yùn)行過程中水流不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊。該船閘采用Ⅳ級(jí)船閘標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，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(duì)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(dòng)也不會(huì)發(fā)生碰撞。在閘室的中心部位有一個(gè)電機(jī)，既可以在上下游水位差較小的時(shí)候推動(dòng)閘門旋轉(zhuǎn)，也可以在上下游水位差稍大的時(shí)候阻止閘門旋轉(zhuǎn)，使船閘可以實(shí)現(xiàn)恒定低速運(yùn)轉(zhuǎn)，減少由于上下游水位差產(chǎn)生的波動(dòng)對(duì)船舶的影響。

4 模型試驗(yàn)

以船舶下行為例（船舶上行原理相同），

船舶從上游引航道駛?cè)腴l室，此時(shí)船舶所在隔間的水位與上游水位齊平，如圖2所示。

當(dāng)船舶后方的閘門運(yùn)動(dòng)到大閘室邊墻一側(cè)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(jìn)入下游引航道，如圖4所示。

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圖2 船舶駛?cè)腴l室

Fig.2 Ship entering the lock chamber

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通過模型試驗(yàn)測(cè)試船閘運(yùn)行過程中閘室內(nèi)水位變化情況，所得結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，在閘室水位自動(dòng)變化區(qū)域（船舶下行時(shí)為90°～150°，船舶上行時(shí)為270°～330°），閘室水位隨閘門旋轉(zhuǎn)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(jì)型分析

（1） 船閘通過動(dòng)靜閘門的設(shè)計(jì)，充分利用了上下游水位差所產(chǎn)生的勢(shì)能輔助推動(dòng)船閘運(yùn)行，減少電機(jī)運(yùn)行損耗的電能。在上文的推算中可知：理論上當(dāng)以淮河為背景，Ⅳ級(jí)船閘標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)上下游水位差為5.2 m 時(shí)水位差便能夠完全提供船閘運(yùn)行所需的動(dòng)能，可見對(duì)于電能的節(jié)約很可觀。

（2） 船閘可借助自動(dòng)扶梯的原理，安置紅外線檢測(cè)等裝置，在長時(shí)間沒有船舶通過時(shí)進(jìn)入低速低耗能的“睡眠”運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到有船舶經(jīng)過時(shí)再緩慢提升到正常速度，節(jié)約能源的同時(shí)同樣也給船舶一個(gè)安全的變速時(shí)間。

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

6 實(shí)際建造預(yù)計(jì)問題及解決方案

6.1 預(yù)計(jì)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(jī)房大部分沒于水中，需要嚴(yán)格密封，否則容易進(jìn)水生銹從而減少壽命，電機(jī)在水中也不易修理。需要安置電機(jī)及水下輸水池，以及保證動(dòng)靜閘門之間的良好連接，工程難度和施工量都相對(duì)更大。

（3） 船閘運(yùn)行過程中若出現(xiàn)突發(fā)故障導(dǎo)致船只停止運(yùn)行，會(huì)卡住正在過閘的船只，可能會(huì)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(duì)于淮河等地勢(shì)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(shè)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(gè)不停船快速船閘的建造可以在大幅提高通航效率的同時(shí)，允許船舶上行下行同時(shí)過閘，且目前的施工技術(shù)完全滿足所需工程要求。

（3） 船閘配有備用制動(dòng)和電力系統(tǒng)，保證在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，推動(dòng)船閘繼續(xù)運(yùn)作，保證船舶安全通過。電機(jī)外設(shè)有電機(jī)室，是一個(gè)密閉空間，當(dāng)出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，打開電機(jī)室頂面通風(fēng)保證工作人員進(jìn)出安全，可運(yùn)用現(xiàn)有的船閘檢修方案，如排水泵、起重船等設(shè)備對(duì)船閘進(jìn)行檢修。

7 結(jié) 語

不停船快速船閘打破了傳統(tǒng)船閘的運(yùn)行模式，過閘時(shí)間短、同行效率高、運(yùn)行管理十分的方便。同時(shí)，該船閘可以同現(xiàn)有的人工智能、自動(dòng)化控制、定位導(dǎo)航等現(xiàn)代科技相結(jié)合，實(shí)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(gè)方面。

（1） 從外觀上可以看出，船閘采用旋轉(zhuǎn)門式結(jié)構(gòu)，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(shí)間;另一方面船閘可以實(shí)現(xiàn)船舶上行和下行的同時(shí)通行。

（2） 該船閘采用動(dòng)閘門和靜閘門相結(jié)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(dòng)力輔助推動(dòng)船閘運(yùn)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(zhuǎn)閘門相結(jié)合，使船閘在旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)現(xiàn)閘室水位的自動(dòng)升降，沒有繁瑣過閘程序的同時(shí)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(yùn)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(shè)計(jì)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