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1、新建长江三峡通航水梯的设想交通运输部长江航务管理局刘海青本文发表在中国水运2012年第11期摘 要：三峡船闸货物通过量提前20年达到设计值，现有船闸通航压力越来越大。为了 保证三峡大坝通航能力与经济发展相适应，文章利用相关理论与数据论证了新建三峡通航设 施的必要性，提出再建长江三峡通航水梯的初步构想。关键词：三峡船闸货物通过量通航设施水梯三峡工程促进了长江航运的快速发展，2003年来三峡船闸通过量保持14%的高速增长， 2011年底达到一亿吨的设计通过量。今年3月南线船闸计划性岁修与葛洲坝一号船闸大修 期间，三峡坝区上下游日均积压船舶超过600艘，非应急物资船舶平均待闸时间达7天，创 出待闸船
2、舶数量、待闸时间的历史记录，三峡船闸通过能力船闸通航能力成为行业关注的焦 点，研究船舶过坝新通道问题，对保障三峡航运安全畅通具有重要现实意义。新建三峡通航设施的必要性论证葛洲坝船闸与三峡船闸通航能力不匹配。葛洲坝与三峡船闸对应的闸室面积相当，数量 相同，船舶通过效率相等，实际上由于级数的差别，船闸通过能力存在差异。船闸通过能力 由一次过闸平均吨位、日过闸次数、船舶装载系数、年通航天数、运量不均衡系数五种因素 决定。不考虑葛洲坝一号船闸最低水深5.5m和三峡船闸5m之间差异的影响，两坝的实际 通过能力比值由各自的日过闸次数、年通航天数决定。实际联合运行中两坝通过量比值仅为 1.04倍，缘于葛洲坝
3、船闸通航潜力尚未挖掘，一号船闸维修期间，二、三号船闸通过量同比 分别增加56.2%、68.9%，如果更新葛洲坝船闸其控制系统、启闭动力，增加闸前靠泊设施， 优化调度和锚地管理，拓宽引航道宽度，保证两坝船闸相同设备性能、保养管理技术水平， 葛洲坝实际通航能力与三峡大坝比值可达2倍。三峡船闸通过能力不及过闸需求。在充分保障船闸运行效率、运输组织效率之下，影响 船闸通过能力在于闸室平面尺度利用率与闸室水深利用率。采取缩短船舶进出闸室时间等措 施，日均闸次最多增加2次，年总闸次由10347次提高至11000次。近年闸室平面尺度利用 率达90%以上，闸室水深还有一定的富裕，2010年下行船舶平均吃水为3
4、.42m，如果改善 过闸船舶的船型结构，降低过闸吃水控制系数，年平均吃水可提高至4.2m。由此测算三峡 船闸年通过量极限值为1.83亿吨。现有通航设施通航能力与过闸需求达到平衡的时间不晚 于2018年底，2020年三峡大坝将面临2561万吨货物的通航压力，2030年将有2.6亿吨货 物的通航压力。三峡与葛洲坝船闸平面尺度限制大型船舶的通过率。航道建设的投入和成库后三峡航行 条件的改善，为船舶大型化提供了客观条件，过度的市场竞争加快推进了船舶大型化，同时 也提高了各类船舶的经营保本载重吨位，干散类船舶保本吨位已至3000吨，船舶大型化趋 势难以改变，过闸船舶大型化在所难免。目前过闸船舶中额定载重
5、5000吨级以上的比重超 过13%，3000吨级以上船舶比重提高至28%以上，而1000吨级以下船舶比例减少至20%， 过闸船舶超过3000载重吨的趋势日趋明显。十二五期，随着技术升级与资金投入，长江干 线高等级深水航道将延伸，干线全程航道水深可能提高1m，中游航道丰水期达5m以上， 现有船闸尺度将是大型标准船型不可回避的唯一的约束条件，三峡与葛洲坝船闸宽度限制船 舶大型化问题必须引起高层管理者的重视。三峡船闸吃水控制与中游水位不同步。三峡大坝发挥防洪、发电、航运的综合功能，为 了调节汛期洪水，三峡大坝于每年5月开始腾库迎汛，三峡水位从175 m消落至145m，此 时第一闸首门槛水深仅有5.5
6、m，按照放宽后的新吃水控制标准，船舶限制吃水为3.5m左右， 而中游河段水深可达5m。为了确保下半年枯水季节的发电量，每年9月至11月三峡大坝蓄 水至175m，第一闸首门槛水深最大达35m，此时船舶吃水由闸室水深控制，可达4.5m，但 中游河段处于最低水位，船舶控制吃水3米左右。两者水位不同步时间累计长达6个月以上。 枯水期水位不同步的问题可以通过中游航道整治来解决，而丰水期水位不同步的问题必须新 建三峡通航设施才能弥补。新建通航水梯的设想1、水梯的主要构造在长江干线再建三峡通航设施，一定要扬长避短，吸纳三峡升船机、葛洲坝船闸的 级数少、过闸快、通航能力强的优势以及五级船闸建设技术和运行管理经
7、验，避免三峡船闸 级数多、通过保障率不高、宽度不恰当的劣势，保障新通航设施在未来50年甚至更长时间 内符合发展要求。新通航设施的闸室尺度取决于设计船型的组合宽度和吃水，基本经济制度保证了民 营经济长期发展，从而确定了自航船在将来很长时间内的主流地位，设计船型必定为自航船。 适度竞争趋势不可逆转，船舶经营保本吨位继续缓慢提高，如果船舶经营保本吨位每十年提 高1000吨，50年后将达8000吨。因而设计船型可选定为8000吨标准自航船，过闸组合方 式为4x8000t。据此，新通航设施的闸室宽度为46m，长度为280m，最低水深7.5m。新建通航设施级数无疑要选择单级，以保障过闸时间和设备保障率。单
8、级通航设施 上下水位差接近120m，大于其设计宽度，而且下闸门高度不可能达120 m，必须设计成封 闭式闸门，新建通航设施的外形与闸门类似于一般电梯，本文姑且称其为水梯。水梯与三峡 船闸临同一水库，水梯顶部高程与三峡第一闸首应一致。水梯上引航道最低水深必须达到 7.5m，而三峡船闸第一闸首槛上最小水深为5.5m，所以水梯上闸门门槛高程较三峡船闸第 一闸首门槛低2m。水梯的闸门可参照船闸设计总规范，设计成对开人字型梯门，其宽度均为水梯宽度 的一半，即23m。上梯门的高度由三峡水库高低水位、船舶最低吃水决定，依照三峡闸门高 38.5 m、宽20.2 m、厚3m的尺度和水梯上闸门门槛与三峡船闸2m的
9、高程差，可以测算水 梯上闸门高度为40.5m。下梯门为封闭式闸门，其高度与过闸船舶的型高有关，8000吨位船 舶型高约为28m，依照内河通航标准，同时考虑丰水期下引航道水位的抬高的影响，通航净 空高度取10m，下梯门的高度至少要达38m。梯井高度由枯水期上下水位的落差决定，而落差与选址密切相关。如果选择在现有 两线船闸附近新建水梯，则梯井的高度稍大于丰水期的落差112m，约为115m。如果水梯选 址远离现有两线船闸，梯井下部水位受下引航道的走向、比降、水深等因素影响，两坝相距 56公里，水位差达10m，水梯下引航道的比降应少于两坝间比降，下引航道最大水位差不 应大于5m，此时梯井的高度大约为1
10、20m，本文按此最大值计算梯井高度。2、水梯的通航性能过闸时间方面，水梯类似单级船闸，迎向运行的通航效率最好，迎向运行时每梯次 船舶进梯、出梯共约25分钟，开关梯门约10分钟，如果输水时间与三峡五个船闸泄或冲水 时间相当，约60分钟（此时水面升降速度为3.39cm/s），则船舶过梯时间共计95分钟，比 通过三峡大坝缩短145分钟。如果输水技术进一步改进，水梯水面升降速度达到5cm/s，船 舶过梯时间将缩短至75分钟，节省过闸时间达165分钟。通过能力方面，按照每天保养2小时，运行22小时，则每天每梯最多运行17梯次， 每年单向运行6205梯次。每梯次可实现船舶4000-5000吨船舶与万吨级船
11、舶组合，5000-7000 吨级与9000-10000吨级组合，解决5000吨级以上船舶组合过坝问题。水梯双向年通过能力 可达3.9亿吨，极限能力达4.5亿吨。水梯通过水面快速升降而保障船舶快速过闸，所以水梯在耗水量方面相比五级船闸稍 大，为了节省每梯次的耗水量，南北水梯之间可设有闸门，实行南北梯交替上下运行，下行 梯为上行梯输水，根据船闸规范公式Q=q+nV/86400（q为梯门漏水损失，V为一次过梯用水量），计算出水梯的每天平均耗水量为309每秒立方。3、几个关键问题选址方面，一般要考虑综合水文、地质、地貌安全技术要求和文物古迹、名胜游览 地和生态资源保护要求，而再建项目更多考虑施工扰动问
12、题，确保新项目不影响现有通航实 施安全运行。根据卫星地图的数据，笔者试选三峡坝上龙潭坪经混丘、庙沟至乐天溪大桥, 水梯建在庙沟，与大坝直线距离4800m,上引航道约为5300m下引航道约为1500m，岩石 开挖量为1.28亿立方。如果在保证安全爆破施工的前提下，于北线船闸北面附近新建水梯, 开挖量仅需0.125亿立方。两种选址方案各有优劣，应根据投资额度、建设周期、新址花岗 岩裂隙以及施工技术等情况综合比选确定。水梯的水头较大，有自身特殊的技术难题：梯门构造问题，梯门面积达1600 m2, 根据现行船闸规范，当闸门或封闭孔口面积大于400 m2,需专门研究。尤其下梯门承受的压 力较大，除外形上
13、可设计成反向弧形外，还必须应用新合金材料，满足刚度与强度要求。 水梯主体结构稳定问题，水梯外形较大，运行荷载大，花岗岩的底部持力层可以保证底部抗 压、抗弯性能本，但也需满足抗抗倾、抗浮稳定性能要求。梯门启闭机布置问题，下闸门 工作时梯井面完全被水覆盖，梯门启闭机仅能布置其外侧，需要精心设计。水压发电技术 问题。南北水梯之间，梯上与梯井、梯井与下引航道之间存在较大的落差，每梯次每水道的 落差水压存续时间约为25分钟，如能利用发电，既可通过发电机组消能而保障梯井水面流 态平稳，又能解决电机启动、照明、控制系统用电，但需要解决水压渐变、发电储备等技术 问题。配套建设方面，新建水梯后，三峡大坝设计通航能力达到4.9亿吨，极限能力达到 6.3亿吨，而葛洲坝正常通航能力到2亿吨，极限能力约为3亿吨，将出现明显反差。为了 平衡两坝通过能力，可以改建葛洲坝三号船闸，将其宽度拓展到46m,长度延长至540m, 同时提高三江航道水深；或者在葛洲坝南岸新建双线单级船闸。
