三峡船闸允许过闸船舶最大吃水的确定
【摘 要】 针对三峡船闸过闸需求增加和船舶大型化发展对允许过闸船舶的最大吃水需求的问题，在相关管理规范基础上结合模型研究，分析三峡船闸门槛水深、船舶航行下沉量及安全富余水深要求，以三峡船闸门槛水深5.125 m、5.5 m和6 m为参考，分别确定该水深期间允许过闸船舶的最大吃水，为对外发布吃水控制标准提供依据，对过闸船舶配载发挥指导和参考作用。
【关键词】 三峡；船闸；船舶；吃水
0 引 言
三峡工程蓄水后，库区港口、航道等通航条件得到了较大改善。2003年三峡船闸开始投入运行，加速推进了沿江经济的快速发展，过闸货运量以年均16.6%的速度增长；2011 年三峡船闸过闸货物运量突破亿t，实现设计的目标值。得益于船型标准化政策，过闸船舶大型化发展明显提速，过闸货船平均载质量从2003年的 t/艘，提高到2012年的 t/艘。过闸大型船舶所占比例增加，吨级以上船舶所占比例由2003年的不足1%，增长到2012年的49.3%；吨级以上船舶自2008年以来呈现连年成倍增长的趋势。随着船舶大型化的发展，船舶吃水深度也在增加。吨级以上船舶满载吃水普遍超过3.7 m，吨级以上船舶满载吃水一般超过4.3 m；最大的干散货船载质量已达 t，其满载吃水达6 m。这些变化对船舶通过船闸时的吃水控制管理提出了新的要求。
船闸是通航河流枢纽的重要组成部分，是用以保证船舶顺利通过航道上集中水位落差的箱形水工建筑物。只有根据航道管理规范[1]，合理确定允许过闸船舶的最大吃水，留足富余水深，为过闸船舶的配载提供指导和参考，才能保证船舶过闸和船闸运行的安全。
1 影响过闸船舶最大吃水确定的主要因素
过闸船舶吃水的增加将产生两大风险：（1）船舶富余水深的减少可导致船舶擦底，危及船舶和船闸的安全；（2）船舶在闸室充水过程中受到水动力作用的增大，危及船舶停泊和船闸设施安全。因此，在确定允许过闸船舶的最大吃水时，应同时保证富余水深及满足闸室停泊条件的要求。
1.1 船闸门槛水深
在不同的闸室门槛水深条件下，允许通过船舶的吃水有所不同。三峡船闸运行过程中，船闸门槛水深和船闸的运行方式与上下游水位密切相关，三峡船闸上下游水位的变化呈现一定的规律性，目前已有参数为三峡船闸上下游水位的门槛水深计算模型。[2]
1.1.1 上游水位
自2010年三峡水库首次蓄水至175 m以来，船闸上游水位变化规律与规程[3]要求基本一致。船闸上游水位一般在每年的1月底开始下降，至5月30日前水位升至155 m以上，6月1日至10日快速下降至汛限水位145 m，6月10日至9月15日为汛期，维持在145 m运行。汛末提前蓄水，通常每年的9月10日左右起蓄水，并进行蓄水过程控制，9月底一般不超过165 m，10月底蓄水至最高水位175 m以后保持高水位运行。
1.1.2 下游水位
现有通航调度规程[4]规定，三峡船闸下游水位按枯水期不低于62.5 m、汛期不低于63 m控制。根据统计资料，三峡船闸运行以来坝下水位没有低于规程规定的记录。
1.1.3 门槛水深计算
由图1可知，每年大体可分为4个时段，分别为： 10月17日～次年4月8日的174天期间，门槛水深不低于6 m； 4月9日～5月31日的53天内，门槛水深为5.125 m； 6月1日～9月30日的122天内，门槛水深为5.5 m； 10月1日～10月16日的16天内，门槛水深为5.125 m。
1.2 船舶航行下沉量
船舶在深水区航行时，与之相对运动的水流是从船的两舷和底部由船首流向船尾的三元水流；当船舶驶入浅水区时，由于流入船底的水流受到限制而被推向船舶的左右两侧，使船底过水断面减小，流速增加，作用于船底的压力降低，致使船体下沉和产生纵倾。对于深水区域和浅水区域的划分，目前尚无统一标准，但从水深影响船体阻力的相关研究成果来看，通常水深与吃水之比小于4时，为浅水区域。目前，过闸船舶吃水普遍在3 m以上，相比于三峡船闸的门槛水深，船舶过闸被认为是在限制水域内的浅水航行过程，此过程中的船舶航行下沉量不可忽略。
1.3 安全富余量
安全富余水深除考虑船舶航行下沉量、水位波动影响、纵倾等外，为避免船舶触底和增加船舶的可操控性，也应考虑航道的底质特性、运营特性、船舶操作特性等因素。针对三峡船闸闸首、闸室底面结构、过闸船舶特性及船舶触底后果等因素，综合考虑过闸船舶触底受损的可能性，触底安全富余量取值0.3 m。若在水动力作用下因安全富余量偏低而危及船舶停泊安全和船闸设施安全时，需要在实船试验的基础上合理增加安全富余量。
2 允许过闸船舶最大吃水的计算
对外公布的允许过闸船舶最大吃水必须有一定的稳定性，能有效地维持一段时间，才能对过闸船舶配载发挥真正的指导作用。从图1可以看出，全年三峡船闸门槛水深均不低于5.125 m，门槛水深7 m的时间仅为1个月左右，且分布零散，稳定性不强， 5.5 m和6 m的门槛水深持续时间相对较长。因此，分别以5.125 m、5.5 m和6 m典型门槛水深为参考，确定允许过闸船舶的最大吃水。
2.1 普通船舶允许过闸的吃水
2.1.1 计算参数的选取
（1）航速 根据现有通航管理办法[5]等有关法规规定，过闸船舶进出闸最大航速为1 m/s，在闸室间移泊的航速不得超过0.6 m/s。取过闸船舶对岸速度1 m/s计算，按照观测数据，船闸口门处存在约0.3 m/s的回流，因此，选取计算吃水控制标准的速度为1.3 m/s。
（2）闸室水下横断面面积 闸室有效尺度稳定不变（34 m），水下横断面面积S为34€譎 （m2）。
（3）船舶中断面的水下部分面积 将H为5.125 m、5.5 m和6 m分别代入公式（3），得出船舶最大下沉量的s值分别为115.4、125.8和139.8 m2。
2.1.3 满足水动力作用下安全停泊的吃水要求
三峡船闸系船柱设计纵向系缆力为8 t，横向系缆力为5 t （允许的合力值约为9.43 t）。实船测试结果表明，实载 t以下船舶闸室停泊条件可以满足设计要求，而吃水4.5 m的实载5 000 t大型船舶系缆力普遍超过10 t，超过浮式系船柱的设计极限，威胁到船舶停泊及闸室结构的安全，须进一步增加安全富余量。因此，水动力作用下安全停泊的吃水要求为当船闸门槛水深6 m时，允许过闸船舶的吃水可按4.5 m控制，但实载必须小于 t。
2.2 危险品船舶允许过闸的吃水要求
近年来，危险品船舶过闸流量快速增加，船舶大型化现象亦日趋显现。为确保危险品船舶过闸安全，相关管理规定对危险品船舶过闸提出了特殊要求。吃水控制管理方面，《船舶航行长江富余水深规定（试行）》提出了“装载危险货物时另加0.1 m”的要求。因此，为保证过闸安全，按照这一要求，危险品船舶允许过闸的吃水须在普通船舶基础上减小0.1 m。
3 结 语
根据管理规范，结合模型研究，科学分析三峡船闸门槛水深、船舶航行下沉量及安全富余水深的要求，合理地确定允许过闸船舶的最大吃水，为对外公布吃水控制标准提供依据，进而为过闸船舶配载发挥指导和参考作用。
参考文献：
[1] 中华人民共和国建设部.内河通航标准（GB 50139―2004）[S].北京：中国计划出版社，2004.
[2] 张义军，杜嘉立.多级船闸槛上水深计算模型[J].大连海事大学学报，2012，38（4）：23-25.
[3] 国务院三峡建设委员会.三峡（初期运行期）―葛洲坝水利枢纽梯级调度规程[S].2007.
[4] 长江三峡通航管理局.三峡（初期运行期）―葛洲坝水利枢纽通航调度规程[S].2006.
[5]交通部长江航务管理局.三峡工程初期运行期通航管理办法[S].2006.
【摘 要】 针对三峡船闸过闸需求增加和船舶大型化发展对允许过闸船舶的最大吃水需求的问题，在相关管理规范基础上结合模型研究，分析三峡船闸门槛水深、船舶航行下沉量及安全富余水深要求，以三峡船闸门槛水深5.125 m、5.5 m和6 m为参考，分别确定该水深期间允许过闸船舶的最大吃水，为对外发布吃水控制标准提供依据，对过闸船舶配载发挥指导和参考作用。
【关键词】 三峡；船闸；船舶；吃水
0 引 言
三峡工程蓄水后，库区港口、航道等通航条件得到了较大改善。2003年三峡船闸开始投入运行，加速推进了沿江经济的快速发展，过闸货运量以年均16.6%的速度增长；2011 年三峡船闸过闸货物运量突破亿t，实现设计的目标值。得益于船型标准化政策，过闸船舶大型化发展明显提速，过闸货船平均载质量从2003年的 t/艘，提高到2012年的 t/艘。过闸大型船舶所占比例增加，吨级以上船舶所占比例由2003年的不足1%，增长到2012年的49.3%；吨级以上船舶自2008年以来呈现连年成倍增长的趋势。随着船舶大型化的发展，船舶吃水深度也在增加。吨级以上船舶满载吃水普遍超过3.7 m，吨级以上船舶满载吃水一般超过4.3 m；最大的干散货船载质量已达 t，其满载吃水达6 m。这些变化对船舶通过船闸时的吃水控制管理提出了新的要求。
船闸是通航河流枢纽的重要组成部分，是用以保证船舶顺利通过航道上集中水位落差的箱形水工建筑物。只有根据航道管理规范[1]，合理确定允许过闸船舶的最大吃水，留足富余水深，为过闸船舶的配载提供指导和参考，才能保证船舶过闸和船闸运行的安全。
1 影响过闸船舶最大吃水确定的主要因素
过闸船舶吃水的增加将产生两大风险：（1）船舶富余水深的减少可导致船舶擦底，危及船舶和船闸的安全；（2）船舶在闸室充水过程中受到水动力作用的增大，危及船舶停泊和船闸设施安全。因此，在确定允许过闸船舶的最大吃水时，应同时保证富余水深及满足闸室停泊条件的要求。
1.1 船闸门槛水深
在不同的闸室门槛水深条件下，允许通过船舶的吃水有所不同。三峡船闸运行过程中，船闸门槛水深和船闸的运行方式与上下游水位密切相关，三峡船闸上下游水位的变化呈现一定的规律性，目前已有参数为三峡船闸上下游水位的门槛水深计算模型。[2]
1.1.1 上游水位
自2010年三峡水库首次蓄水至175 m以来，船闸上游水位变化规律与规程[3]要求基本一致。船闸上游水位一般在每年的1月底开始下降，至5月30日前水位升至155 m以上，6月1日至10日快速下降至汛限水位145 m，6月10日至9月15日为汛期，维持在145 m运行。汛末提前蓄水，通常每年的9月10日左右起蓄水，并进行蓄水过程控制，9月底一般不超过165 m，10月底蓄水至最高水位175 m以后保持高水位运行。
1.1.2 下游水位
现有通航调度规程[4]规定，三峡船闸下游水位按枯水期不低于62.5 m、汛期不低于63 m控制。根据统计资料，三峡船闸运行以来坝下水位没有低于规程规定的记录。
1.1.3 门槛水深计算
由图1可知，每年大体可分为4个时段，分别为： 10月17日～次年4月8日的174天期间，门槛水深不低于6 m； 4月9日～5月31日的53天内，门槛水深为5.125 m； 6月1日～9月30日的122天内，门槛水深为5.5 m； 10月1日～10月16日的16天内，门槛水深为5.125 m。
1.2 船舶航行下沉量
船舶在深水区航行时，与之相对运动的水流是从船的两舷和底部由船首流向船尾的三元水流；当船舶驶入浅水区时，由于流入船底的水流受到限制而被推向船舶的左右两侧，使船底过水断面减小，流速增加，作用于船底的压力降低，致使船体下沉和产生纵倾。对于深水区域和浅水区域的划分，目前尚无统一标准，但从水深影响船体阻力的相关研究成果来看，通常水深与吃水之比小于4时，为浅水区域。目前，过闸船舶吃水普遍在3 m以上，相比于三峡船闸的门槛水深，船舶过闸被认为是在限制水域内的浅水航行过程，此过程中的船舶航行下沉量不可忽略。
1.3 安全富余量
安全富余水深除考虑船舶航行下沉量、水位波动影响、纵倾等外，为避免船舶触底和增加船舶的可操控性，也应考虑航道的底质特性、运营特性、船舶操作特性等因素。针对三峡船闸闸首、闸室底面结构、过闸船舶特性及船舶触底后果等因素，综合考虑过闸船舶触底受损的可能性，触底安全富余量取值0.3 m。若在水动力作用下因安全富余量偏低而危及船舶停泊安全和船闸设施安全时，需要在实船试验的基础上合理增加安全富余量。
2 允许过闸船舶最大吃水的计算
对外公布的允许过闸船舶最大吃水必须有一定的稳定性，能有效地维持一段时间，才能对过闸船舶配载发挥真正的指导作用。从图1可以看出，全年三峡船闸门槛水深均不低于5.125 m，门槛水深7 m的时间仅为1个月左右，且分布零散，稳定性不强， 5.5 m和6 m的门槛水深持续时间相对较长。因此，分别以5.125 m、5.5 m和6 m典型门槛水深为参考，确定允许过闸船舶的最大吃水。
2.1 普通船舶允许过闸的吃水
2.1.1 计算参数的选取
（1）航速 根据现有通航管理办法[5]等有关法规规定，过闸船舶进出闸最大航速为1 m/s，在闸室间移泊的航速不得超过0.6 m/s。取过闸船舶对岸速度1 m/s计算，按照观测数据，船闸口门处存在约0.3 m/s的回流，因此，选取计算吃水控制标准的速度为1.3 m/s。
（2）闸室水下横断面面积 闸室有效尺度稳定不变（34 m），水下横断面面积S为34€譎 （m2）。
（3）船舶中断面的水下部分面积 将H为5.125 m、5.5 m和6 m分别代入公式（3），得出船舶最大下沉量的s值分别为115.4、125.8和139.8 m2。
2.1.3 满足水动力作用下安全停泊的吃水要求
三峡船闸系船柱设计纵向系缆力为8 t，横向系缆力为5 t （允许的合力值约为9.43 t）。实船测试结果表明，实载 t以下船舶闸室停泊条件可以满足设计要求，而吃水4.5 m的实载5 000 t大型船舶系缆力普遍超过10 t，超过浮式系船柱的设计极限，威胁到船舶停泊及闸室结构的安全，须进一步增加安全富余量。因此，水动力作用下安全停泊的吃水要求为当船闸门槛水深6 m时，允许过闸船舶的吃水可按4.5 m控制，但实载必须小于 t。
2.2 危险品船舶允许过闸的吃水要求
近年来，危险品船舶过闸流量快速增加，船舶大型化现象亦日趋显现。为确保危险品船舶过闸安全，相关管理规定对危险品船舶过闸提出了特殊要求。吃水控制管理方面，《船舶航行长江富余水深规定（试行）》提出了“装载危险货物时另加0.1 m”的要求。因此，为保证过闸安全，按照这一要求，危险品船舶允许过闸的吃水须在普通船舶基础上减小0.1 m。
3 结 语
根据管理规范，结合模型研究，科学分析三峡船闸门槛水深、船舶航行下沉量及安全富余水深的要求，合理地确定允许过闸船舶的最大吃水，为对外公布吃水控制标准提供依据，进而为过闸船舶配载发挥指导和参考作用。
参考文献：
[1] 中华人民共和国建设部.内河通航标准（GB 50139―2004）[S].北京：中国计划出版社，2004.
[2] 张义军，杜嘉立.多级船闸槛上水深计算模型[J].大连海事大学学报，2012，38（4）：23-25.
[3] 国务院三峡建设委员会.三峡（初期运行期）―葛洲坝水利枢纽梯级调度规程[S].2007.
[4] 长江三峡通航管理局.三峡（初期运行期）―葛洲坝水利枢纽通航调度规程[S].2006.
[5]交通部长江航务管理局.三峡工程初期运行期通航管理办法[S].2006.
【摘 要】 针对三峡船闸过闸需求增加和船舶大型化发展对允许过闸船舶的最大吃水需求的问题，在相关管理规范基础上结合模型研究，分析三峡船闸门槛水深、船舶航行下沉量及安全富余水深要求，以三峡船闸门槛水深5.125 m、5.5 m和6 m为参考，分别确定该水深期间允许过闸船舶的最大吃水，为对外发布吃水控制标准提供依据，对过闸船舶配载发挥指导和参考作用。
【关键词】 三峡；船闸；船舶；吃水
0 引 言
三峡工程蓄水后，库区港口、航道等通航条件得到了较大改善。2003年三峡船闸开始投入运行，加速推进了沿江经济的快速发展，过闸货运量以年均16.6%的速度增长；2011 年三峡船闸过闸货物运量突破亿t，实现设计的目标值。得益于船型标准化政策，过闸船舶大型化发展明显提速，过闸货船平均载质量从2003年的 t/艘，提高到2012年的 t/艘。过闸大型船舶所占比例增加，吨级以上船舶所占比例由2003年的不足1%，增长到2012年的49.3%；吨级以上船舶自2008年以来呈现连年成倍增长的趋势。随着船舶大型化的发展，船舶吃水深度也在增加。吨级以上船舶满载吃水普遍超过3.7 m，吨级以上船舶满载吃水一般超过4.3 m；最大的干散货船载质量已达 t，其满载吃水达6 m。这些变化对船舶通过船闸时的吃水控制管理提出了新的要求。
船闸是通航河流枢纽的重要组成部分，是用以保证船舶顺利通过航道上集中水位落差的箱形水工建筑物。只有根据航道管理规范[1]，合理确定允许过闸船舶的最大吃水，留足富余水深，为过闸船舶的配载提供指导和参考，才能保证船舶过闸和船闸运行的安全。
1 影响过闸船舶最大吃水确定的主要因素
过闸船舶吃水的增加将产生两大风险：（1）船舶富余水深的减少可导致船舶擦底，危及船舶和船闸的安全；（2）船舶在闸室充水过程中受到水动力作用的增大，危及船舶停泊和船闸设施安全。因此，在确定允许过闸船舶的最大吃水时，应同时保证富余水深及满足闸室停泊条件的要求。
1.1 船闸门槛水深
在不同的闸室门槛水深条件下，允许通过船舶的吃水有所不同。三峡船闸运行过程中，船闸门槛水深和船闸的运行方式与上下游水位密切相关，三峡船闸上下游水位的变化呈现一定的规律性，目前已有参数为三峡船闸上下游水位的门槛水深计算模型。[2]
1.1.1 上游水位
自2010年三峡水库首次蓄水至175 m以来，船闸上游水位变化规律与规程[3]要求基本一致。船闸上游水位一般在每年的1月底开始下降，至5月30日前水位升至155 m以上，6月1日至10日快速下降至汛限水位145 m，6月10日至9月15日为汛期，维持在145 m运行。汛末提前蓄水，通常每年的9月10日左右起蓄水，并进行蓄水过程控制，9月底一般不超过165 m，10月底蓄水至最高水位175 m以后保持高水位运行。
1.1.2 下游水位
现有通航调度规程[4]规定，三峡船闸下游水位按枯水期不低于62.5 m、汛期不低于63 m控制。根据统计资料，三峡船闸运行以来坝下水位没有低于规程规定的记录。
1.1.3 门槛水深计算
由图1可知，每年大体可分为4个时段，分别为： 10月17日～次年4月8日的174天期间，门槛水深不低于6 m； 4月9日～5月31日的53天内，门槛水深为5.125 m； 6月1日～9月30日的122天内，门槛水深为5.5 m； 10月1日～10月16日的16天内，门槛水深为5.125 m。
1.2 船舶航行下沉量
船舶在深水区航行时，与之相对运动的水流是从船的两舷和底部由船首流向船尾的三元水流；当船舶驶入浅水区时，由于流入船底的水流受到限制而被推向船舶的左右两侧，使船底过水断面减小，流速增加，作用于船底的压力降低，致使船体下沉和产生纵倾。对于深水区域和浅水区域的划分，目前尚无统一标准，但从水深影响船体阻力的相关研究成果来看，通常水深与吃水之比小于4时，为浅水区域。目前，过闸船舶吃水普遍在3 m以上，相比于三峡船闸的门槛水深，船舶过闸被认为是在限制水域内的浅水航行过程，此过程中的船舶航行下沉量不可忽略。
1.3 安全富余量
安全富余水深除考虑船舶航行下沉量、水位波动影响、纵倾等外，为避免船舶触底和增加船舶的可操控性，也应考虑航道的底质特性、运营特性、船舶操作特性等因素。针对三峡船闸闸首、闸室底面结构、过闸船舶特性及船舶触底后果等因素，综合考虑过闸船舶触底受损的可能性，触底安全富余量取值0.3 m。若在水动力作用下因安全富余量偏低而危及船舶停泊安全和船闸设施安全时，需要在实船试验的基础上合理增加安全富余量。
2 允许过闸船舶最大吃水的计算
对外公布的允许过闸船舶最大吃水必须有一定的稳定性，能有效地维持一段时间，才能对过闸船舶配载发挥真正的指导作用。从图1可以看出，全年三峡船闸门槛水深均不低于5.125 m，门槛水深7 m的时间仅为1个月左右，且分布零散，稳定性不强， 5.5 m和6 m的门槛水深持续时间相对较长。因此，分别以5.125 m、5.5 m和6 m典型门槛水深为参考，确定允许过闸船舶的最大吃水。
2.1 普通船舶允许过闸的吃水
2.1.1 计算参数的选取
（1）航速 根据现有通航管理办法[5]等有关法规规定，过闸船舶进出闸最大航速为1 m/s，在闸室间移泊的航速不得超过0.6 m/s。取过闸船舶对岸速度1 m/s计算，按照观测数据，船闸口门处存在约0.3 m/s的回流，因此，选取计算吃水控制标准的速度为1.3 m/s。
（2）闸室水下横断面面积 闸室有效尺度稳定不变（34 m），水下横断面面积S为34€譎 （m2）。
（3）船舶中断面的水下部分面积 将H为5.125 m、5.5 m和6 m分别代入公式（3），得出船舶最大下沉量的s值分别为115.4、125.8和139.8 m2。
2.1.3 满足水动力作用下安全停泊的吃水要求
三峡船闸系船柱设计纵向系缆力为8 t，横向系缆力为5 t （允许的合力值约为9.43 t）。实船测试结果表明，实载 t以下船舶闸室停泊条件可以满足设计要求，而吃水4.5 m的实载5 000 t大型船舶系缆力普遍超过10 t，超过浮式系船柱的设计极限，威胁到船舶停泊及闸室结构的安全，须进一步增加安全富余量。因此，水动力作用下安全停泊的吃水要求为当船闸门槛水深6 m时，允许过闸船舶的吃水可按4.5 m控制，但实载必须小于 t。
2.2 危险品船舶允许过闸的吃水要求
近年来，危险品船舶过闸流量快速增加，船舶大型化现象亦日趋显现。为确保危险品船舶过闸安全，相关管理规定对危险品船舶过闸提出了特殊要求。吃水控制管理方面，《船舶航行长江富余水深规定（试行）》提出了“装载危险货物时另加0.1 m”的要求。因此，为保证过闸安全，按照这一要求，危险品船舶允许过闸的吃水须在普通船舶基础上减小0.1 m。
3 结 语
根据管理规范，结合模型研究，科学分析三峡船闸门槛水深、船舶航行下沉量及安全富余水深的要求，合理地确定允许过闸船舶的最大吃水，为对外公布吃水控制标准提供依据，进而为过闸船舶配载发挥指导和参考作用。
参考文献：
[1] 中华人民共和国建设部.内河通航标准（GB 50139―2004）[S].北京：中国计划出版社，2004.
[2] 张义军，杜嘉立.多级船闸槛上水深计算模型[J].大连海事大学学报，2012，38（4）：23-25.
[3] 国务院三峡建设委员会.三峡（初期运行期）―葛洲坝水利枢纽梯级调度规程[S].2007.
[4] 长江三峡通航管理局.三峡（初期运行期）―葛洲坝水利枢纽通航调度规程[S].2006.
[5]交通部长江航务管理局.三峡工程初期运行期通航管理办法[S].2006.
