通航建筑物规模|船闸与升船机设计

通航建筑物规模是开展通航建筑物设计工作前必须确定的一个重要指标。通航建筑物规模的大小，直接影响到工程投资的合理性和河道航运的发展。国家在对一条河流的水能进行开发利用规划的同时，应根据国民经济发展对河道航运的要求和对河道的治理，河道通航条件的改善程度提出航运规划，作为河流航运发展和通航建筑物设计的依据。在一条河流已有航运规划的情况下，原则上通航建筑物的规模，应按规划的要求执行。

我国在过去几十年里，根据国民经济建设发展的需要，虽然对一些主要河流进行了相当规模的规划工作，也编制了船闸的设计规范。但由于编制一个能够切实规范航运工程建设的指导性文件，需要掌握有关国民经济和航运发展方面的大量基础资料，进行大量的分析论证工作，由于这项工作既有技术性又有政策性和客观条件的复杂性，过去所能进行的规划工作，往往难以取得比较理想的效果，有时由于编制规划的资料不全、经济发展变化太快、航运规划编制的时间太久等原因，在通航建筑物设计时，这些规划乃至规范有时并不能完全适应所在河流航运工程建设的实际情况，规划的规定往往与现实发展之间不相一致，难以直接引用，以致在通航建筑物设计工作开始前，需要对一些规划因素的变化和在航运规划中已规定的指标，进行必要的复核、论证，甚至进行补充和修改。因而往往使对通航建筑物规模的分析论证，成为在设计工作一开始就必须首先进行的一项十分艰巨的基础性工作；使确定通航建筑物规模，主要是通航建筑物有效尺寸和线数的问题，成为各有关部门在审查设计时争论的焦点，通常需要利用尽可能收集到的各种资料，进行专题研究和反复的分析论证，甚至必须通过各有关部门之间的协商进行解决。

在实际工作中确定船闸的规模时，有时会遇到以下一些问题。一种情况是存在着船型、船队不能随着河流的渠化开发和运量的增长，相应地逐步实现大型化和标准化。过坝运量的发展，往往来自大量中、小型船舶（队）的发展，以及船舶（队）尺寸、河流全线通航条件的改善，一般与运量的快速发展不相协调。因此，在大、中型通航建筑物与水利枢纽同期建成后，由于河道中仍主要通行中、小船队，有较长的一段时间内，既不能有效地利用建筑物的有效尺度，充分发挥通航建筑物的通过能力，也不能充分利用建坝后河道通航条件的改善，提高河道的通过能力和获取更好的航运效益。不能合理使用通航建筑物尺度的后果，在表面上看是通航建筑物的线数和有效尺度制约了航运的发展。实际上则是过坝船舶（队）未能相应地得到发展和船舶过闸的运行方式不能相应地进行优化，通过船舶的吨位小，船闸的通过能力无法充分发挥，甚至存在船舶（队）的过坝次数已接近甚至超过设计指标，而通航建筑物的通过能力尚小于设计通过能力的不正常现象；另一种情况是在确定通航建筑物规模时，忽视了一条河流航运事业发展的艰巨性和通航建筑物规模发展的阶段性，往往不能科学地运用工程设计中有关设计水平年的概念，在一条河流的第一个水利枢纽开始设计时，就希望按河流完全实现梯级渠化后，河道最终可能达到的等级，或远超过设计水平年以后才可能出现的条件确定通航建筑物的规模。使通航建筑物的规模与河道航运实际的发展速度不相协调，造成工程资金的积压，在工程建成后，长期不能充分地发挥效益。

由上可见，我国需要在加强对全国和各地区进行经济发展规划的同时，相应地加紧对主要河流的航运规划，在修建大中型水利枢纽，使河道的通航条件获得改善的同时，相应地做好河道的补充整治和船舶的更新改造等项工作，使通航建筑物的规模能较为客观地与河道的运量发展和航运的全面发展相对应。这对在大中型水利枢纽上更加合理地建好用好通航建筑物，提高工程投资的效益，充分发挥水运的优势，合理地开发利用我国的水运资源，具有十分重要的意义。

根据水利枢纽的具体条件，需要对如下与通航建筑物规模有关的主要问题进行复核和补充论证。

2.3.1.1 规划运量

影响确定通航建筑物规模的基本因素是设计水平年的长短、设计水平年规划过坝的运量和运输采用的船型、船队。在难以直接利用航运规划确定通航建筑物规模的情况下，首先需确定通航建筑物的设计水平年和规划运量。按照通航建筑物的设计水平年，要较准确地推算规划运量，需要尽可能充分地掌握与运量发展有关的各种资料，以货运为例：包括各种主要货种的产量、货物运销的目的地、水陆运量的配额、从工厂到水运船舶中间各种设备和设施的能力等。在缺乏资料的情况下，有以下两种获取规划运量近似值的方法可供参考。

（1）按年运量增长率推算法。在通航河流上，根据对逐年通过坝址的上、下水运量进行统计，得出过去河道运量的年增长率，经过分析概化后，确定规划的年增长率，往前推算至规划水平年，即可获得近似的规划过坝运量。采用这种方法推算规划运量的准确性，主要取决于推算所确定的年增长率的准确程度。在选定增长率时，有以下几方面的因素应予以考虑。

河道过去的运量，在不同时段，有时会随社会经济发展因素的变化有明显的起伏，简单地用系列首末年的运量，不考虑中间年份增长率的变化，统计的运量年增长率会有片面性，不一定能够客观地反映运量增长的总趋势。对于这种情况，通常可以先将有明显差别的、不同时段的增长率分别计算后，再按照往后运量发展阶段的趋势，进行综合分析，确定整个系列的增长率。

从国内外河道运量增长的一般性规律可以知道，在枢纽工程建成后的一定年限内，不同枢纽运量的发展快慢不尽相同，甚至截然不同。一种是在工程建成后，过坝运量较建坝前有较快的发展，至一定年限后运量又逐渐转入一个较为平稳的发展期；另一种是在工程建成以后，运量发展的速度很缓慢，在较长的时间以后，才有较大的发展。发生这种情况的原因可能有很多，其中主要的往往与河流原有通航基础的好坏、在工程施工期间对施工期通航问题解决得是否充分和航运设施随运量发展配套快慢的程度有较明显的关系。因此，在分析确定年增长率时，要进一步分析不同年份运量变化的原因，尽可能联系沿河相关地区经济发展的趋势，找出运量变化的大致规律，以提高预测规划运量的准确度。在实际工作中，有时也可分不同时段统计分析运量的增长率，按分段采用不同的增长率，推算设计水平年的规划运量。

（2）调查统计法。直接对沿河地区国民经济可能发展的情况和可能增加河道运量的资料，以及随着今后运量的增长，相应的航运设施可能发展的情况进行调查、统计和分析，得出在规划水平年内可能发生的过坝运量。

采用以上两种方法估算规划运量，其结果和参与人员对问题的认识和分析问题的角度，有十分密切的关系。要使所确定的规划运量，较好地符合客观实际的情况，在工作中必需防止主观片面性。尤其重要的是在确定规划年运量时，要对从发展经济提高产量的计划，到实际的工农业产量，再从工农业产量形成水运运量之间的各个重要环节，逐一调查核实，防止简单地把经济发展规划的工农业产量当作水运的运量，而忽略了落实各种产品产量增长和由产量形成水运运量过程中各个环节协调发展的切实可能性。

2.3.1.2 通过能力

计算通航建筑物的通过能力，是比较确定通航建筑物规模的一项重要工作。具体步骤如下：（1）论证确定设计船型、船队尺度。确定通航建筑物的通过能力的研修基本要素是通航建筑物的尺度及其主要运行指标，通过通航建筑物的船型、船队和通航建筑物的运行管理。合理的船型、船队的吨位和尺度，决定于水利枢纽建成后上、下游河道的通航尺度和通航水流条件以及河道运量发展的要求，应通过技术经济比较论证确定。设计水平年的规划运量与设计船型、船队之间必须相互对应。

（2）确定闸室的有效尺寸。通航建筑物的有效尺寸是指过坝船舶（队）在克服上、下游水位落差过程中，可以有效利用的长度、宽度和闸槛上的最小水深。

船闸闸室的有效尺寸，一般可根据《船闸设计规范》或GBJ139 《内河通航标准》的规定直接采用。但在目前由于各条河流，对船舶的标准化工作尚在进行的过程中，各河道上船舶的种类较多，需根据工程建成后的设计船型、船队及在枢纽建成后继续营运船舶（队）的情况，对通航建筑物的有效尺寸，按照满足设计水平年运量、通过一个最大设计船队和兼顾大多数现有船队有较好过闸效率，拟定多个可能的方案通过比较论证确定。

1）有效长度。通航建筑物的有效长度，对船闸是指闸室从上一闸首底坎的下缘，至下一闸首闸门的门龛（或门槽）上缘；对升船机一般是指承船厢上、下闸门之间的净距。但对需要设置防撞装置的通航建筑物，有效长度在下游端计算至防撞装置为止。

式中 Lk——闸室有效长度，m；

lc——最大设计船队长度，m；

Δl——富余长度，m。按照《船闸设计规范》要求：顶推船队Δl ≥2＋0.06lc，拖带船队Δl≥2＋0.03lc，机动驳船和其他船舶Δl≥4＋0.05lc。国内外实际工程统计，Δl 一般应不小于5m。

当在上、下游进船方向需设置防撞或警戒装置时，有效长度应按该装置起算。对采用头部输水系统的船闸，在上游端还应布置镇静段，其长度通过试验或根据经验确定。镇静段长度，可根据情况部分或全部利用该处的富余长度。当按照由多个单船组成的船队拟定有效尺寸时，上式中的lc 应为多个船队的长度与船队间的间距之和。船队间间距的值一般应不小于1.0m。

2）有效宽度。通航建筑物的有效宽度，是指船闸两侧墙面或升船机承船箱两侧舷迎水面间的净距。当设有护木时，为两侧护木间的净距。

式中 Bk——有效宽度，m；

∑bc——最大设计船队的宽度或一次过闸船舶停泊在闸室中的总宽度，m；当为单列船队时，∑bc 即为最大设计船舶的宽度，m；

Δb——富余宽度，m。

《船闸设计规范》要求

式中 Δb′——富余宽度的附加值，m；Δb′一般为1.0～1.2m；

bc——单船宽度，m；

n——闸室中船舶的列数。

按照国内外实际工程统计，过闸船队与每侧闸墙面间的富余宽度一般应不小于0.5m。

3）槛上最小水深。最小水深是指在上、下游在最低通航水位时，通航建筑物在槛上可提供的最小通航水深。《船闸设计规范》规定

式中 hc——设计船队的满载吃水，m。

按照国内外实际工程统计

式中 hc——设计船舶满载吃水，m。

在实际拟定有效尺寸时，对船闸和升船机两种不同型式的有效尺寸，通常在掌握上应有所区别。由于升船机一般通过单船，船舶进出船厢相对比较易于操纵，承船厢系通过机械驱动升降，对富余尺寸的考虑，相对船闸略小。但承船厢与设计船舶的水下横断面之间的比值不能太小，这个比值越小，船舶进出承船厢时的航行阻力和尾部的下沉量越大，将影该响项船比舶值进的出资厢料时，可船箱供的参考速度。和效率，甚至导致船舶擦底。表2-3 为世界上几座升船机

表2-3 欧洲和三峡升船机承船箱与设计船舶水下断面比值

（3）确定运行方式。通航建筑物的通过能力，除主要取决于船闸的有效尺寸及其闸门阀门的运行时间和过闸船舶的载量及其运行性能外，还与通航建筑物所采用的运行方式和船舶的过闸方式有着密切的关系。

通航建筑物的运行方式，主要分为船舶（队）沿一个方向连续通过的单向运行和上、下行船舶（队）交错通过的迎向运行两种基本方式。通航建筑物采用何种运行方式，主要取决于通航建筑物的线数、级数和多级船闸的布置方式，以及通过坝址船舶（队）的来船均匀程度等多种因素。选择运行方式的原则是使通航建筑物获得最大的通过能力。根据通航建筑物不同的布置，通航建筑物可按以下原则选择运行方式：

1）通航建筑物为单线单级时，通常采用迎向运行的方式。当上、下行船舶（队）来船不均匀时，可根据需要采用迎向和单向相结合的方式。

2）通航建筑物为双线单级时，运行方式比较灵活。可根据来船的情况，采用两线均为迎向或单向，或一线为迎向、一线为单向等不同运行方式。

3）通航建筑物为单线多级时，如在级间为分开布置，可视为多个单线单级通航建筑物，运行方式可与单线单级的运行方式相同；如在级间为连续布置时，通常采用单向运行定时换向的运行方式。

4）通航建筑物为双线多级时，如在级间为分开布置，可视为两线多个单级通航建筑物，可选用与之相似的运行方式；如两线在级间均为连续布置时，通常采用每线各自单向运行，一线为上行、另一线为下行的运行方式。如上、下行来船明显不平衡时，也可以根据需要，在某些时段，采用一线为单向，另一线为单向运行定时换向的运行方式。

船舶通过通航建筑物的方式，主要分船队成批通过和单船分散通过两种。船闸设计应以船队成批通过通航建筑物的方式为主，这种方式船舶进出通航建筑物的时间短，船舶通过通航建筑物的效率高，通航建筑物的通过能力大；单船逐条分散通过通航建筑物，由于船舶间航行性能不一，船舶进出通航建筑物的时间为航速较慢的船舶所控制，增加了闸次的间隔时间，使船舶通过通航建筑物的效率明显降低，影响通航建筑物通过能力的充分发挥。这种方式一般在通航建筑物投入运行的初期，船舶需要时间逐步向标准化、大型化船队发展的过渡阶段采用。

（4）计算船舶（队）通过通航建筑物的间隔时间。船舶（队）通过通航建筑物的间隔时间，主要由通航建筑物闸门的运行时间和船闸闸室的充、泄水时间或升船机升降的时间，以及船舶（队）进、出通航建筑物的时间决定，可按如下公式进行计算。

1）单级通航建筑物。

a.单向运行，船舶（队）上行或下行一次的过坝间隔时间为

其中

式中 T1——船舶（队）单向过坝间隔时间，min；

t1——船舶（队）驶入的时间，min；

l1——船舶（队）从靠近上闸首的停靠位置驶入时所走的距离，m；

v1——船舶（队）驶入时的平均航速，一般为0.5～0.8m／s；

t2——闸门启（或闭）的时间，min；船闸一般为2～3min，特殊情况下为5～6min；升船机还需考虑2～3min建立（或解除）承船厢与闸首间的对接的时间；

t3——船闸充（或泄）水或升船机提升（或下降）的时间，min；船闸充泄水时间，视输水系统的型式和布置不同而异，一般为8～15min；升船机一次升降时间，视升船机承船厢的提升高度和升降速度不同而异，需按照升船机的运行指标具体计算；(www.xing528.com)

t4——船舶（队）驶出的时间，min；

l2——船舶（队）从靠近下闸首的停靠位置驶至船尾离开下闸首的距离，m；

v2——船舶（队）驶出时的平均航速，一般为0.7～1.0m／s。

b.迎向运行，船舶（队）上、下行各一次的过坝间隔时间为

其中

式中 t′1——船舶（队）驶入的时间，min；

l′1——船舶（队）从船艏距闸首2.5 倍船舶（队）长度处的停靠位置驶入时，所走的距离，m；

v′1——船舶（队）驶入时的平均航速，一般为0.7～1.2m／s；

t′4——船舶（队）驶出的时间，min；

l′2——船舶（队）从靠近闸首的停靠位置，至船艏驶离开闸首3.5 倍船舶（队）长度处的距离，m；

V2——船舶（队）驶出时的平均航速，一般为1.0～1.6m／s；

其他符号同上。

c.当通航建筑物必须采用单向与迎向相结合的运行方式时，船舶（队）过坝间隔时间按两种运行方式所占时间的比例进行计算。单向、迎向运行结合时，船舶（队）的过坝间隔时间为

式中 nd——单向运行所占的时间百分比，%；

T1、T2 同上。

2）连续多级通航建筑物（通常只用于船闸）。

a.单向运行，船舶（队）过坝间隔时间为

其中

式中 t5——船舶（队）从一个闸室进入相邻闸室的时间，min；

l3——闸首加闸室的长度，m；

v3——一般为0.4～0.8m／s；

其他符号同上。

b.迎向运行，船舶（队）过坝间隔时间为

式中 nj——船闸的级数；

其他符号同上。

c.单向与单向成批过闸定时换向结合时，其平均过坝间隔时间为

式中 nS、nX——分别为成批连续上、下行的闸次；

其他符号同上。

（5）计算通航建筑物的通过能力。通航建筑物的通过能力，取决于通航建筑物的尺度及其设备的运行参数，船舶（队）的尺度、载量及其航行性能，通航建筑物的管理水平乃至河流运输的组织和调度等多种因素，能否充分发挥船闸的通过能力，需视各种有关因素合理组合的程度，通常可用如下的方法经验地、近似地估算通航建筑物的通过能力。

1）理论系数法。

a.通航建筑物的理论通过能力

其中

式中 n——一昼夜理论的过闸次数；

T——过闸间隔时间，min；可根据运行方式，在上述T1～T6 中选用；

N——年通航天数，一般为335～345d；

M——一次通过的设计载货船舶（队）数；

g——设计载货船舶（队）载重吨位，t。

b.实际通过能力

式中 k——根据河道实际可能来船情况和船闸运行可能达到的效率在0.2～0.5之间采用。

2）按经验系数法。

式中 n0——一昼夜内非载货船舶（队）的过闸次数；

α——载重量利用系数，通常在0.6～0.8之间采用；

β——货物的季节不平衡系数，一般为1.2～1.5；

τ——通航建筑物一昼夜工作时间，一般为20～22h；

其他符号同上。

3）运用仿真技术分析通过能力。计算机仿真技术是通过向计算机内输入船舶（队）过坝时的基本参数，由计算机给出有关通航建筑物通过能力的各种指标。

4）提高通航建筑物通过能力的途径。通航建筑物的通过能力，在设计过程中，将影响通航建筑物规模的合理确定；在工程建成后，则影响通航建筑物能力能否与实际过坝的要求相适应。因此，如何提高已建通航建筑物通过能力的问题，具有十分重要的意义。根据已建船闸运行管理的经验，提高按照设计审定的船闸规模建成的通航建筑物通过能力的主要途径为：①提高每次船舶（队）过坝的吨位。有计划地按照规划要求，逐步完成船舶（队）的更新改造，充分利用通航建筑物的有效尺寸，并随着过坝运量的发展，及时对建坝后通航条件尚不能满足规划船队通航要求的河段进行治理，这是大幅度提高通航建筑物通过能力的最有效途径。②优化通航建筑物的运行管理，提高运行操作人员技术熟练的程度，尽可能地缩短船舶（队）过坝的时间，提高船舶（队）过坝的效率。③加强通航建筑物设备和引航道维护，保证设备技术指标的正常发挥和引航道的通航尺度，减少乃至避免计划外断航或碍航，尽可能增加通航建筑物的年运行天数。④合理进行河道的运输调度，使船舶（队）比较均匀地到闸，减少空闸运行的次数。

2.3.1.3 有效尺寸及线数

通航建筑物的有效尺寸，系通过通航建筑物不同有效尺寸的通过能力与规划运量进行对照，在全面考虑影响河道航运发展的各种因素的基础上，通过技术经济比较合理确定。

通航建筑物的线数，主要取决于所在河流航运发达的程度。绝大多数河流在兴建水利枢纽时，通常根据一定设计水平年内航运发展的需要，先修建一线通航建筑物。但在一些航运比较发达的河流上，也可能需要一次修建2线通航建筑物。确定通航建筑物线数的原则是通航建筑物的通过能力，既要满足设计水平年规划运量的要求，又要不使通航建筑物的规模过大，造成建设资金积压。在通航建筑物的通过能力不能满足规划运量要求时，对单级及分开布置的多级通航建筑物，应首先考虑加大通航建筑物的有效尺寸，其次才考虑增加通航建筑物的线数。但如在枢纽中采用连续布置的多级船闸时，由于多级船闸换向运行耗时较多，对船舶（队）过闸运行很不方便，对通过能力有较大影响，为充分发挥多级船闸的过船效率，应在加大船闸有效尺寸与增加船闸线数两者之间，优先采用增加船闸的线数。又如在相当长的时期内，过坝船舶中的客货轮和农副渔船占较大比例时，应对加大有效尺寸和另建小尺寸通航建筑物将过闸船舶进行分流进行比较。在大型水利枢纽工程中，如要一次修建一线以上的通航建筑物时，不论基于何种理由，必须以全面的技术经济论证作为决策的依据。