（交通信息工程及控制专业论文）船闸通航安全相关问题研究及对策.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：月豪铷导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 水利枢纽的建设不仅能为经济发展提供清洁的能源，而且在某些地区还具 有防洪、灌溉的作用，但水利枢纽的建设需要拦河而建，特别是在通航水域进 行建设时，其对船舶的通航影响将是巨大的。为保证水利枢纽所在河段的通航 条件，不致因水利枢纽的建设而造成河段的通航条件恶化或断航，水利枢纽建 设时将需要进行通航建筑物的配套建设，一般选择船闸作为其附属通航建筑物。 在整个水利枢纽所在的通航水域上，每一个水利枢纽就像一个限制节点，由于 船闸本身尺度及相关条件的限制，船舶不可能航行到船闸时即可通航，即船舶 航行于船闸处时需要等待过闸，这将必然导致会形成一个交通瓶颈，且当船舶 过闸发生通航安全事故时不仅会对水利枢纽的安全造成影响，也会对船员生命、一 船舶造成严重威胁，因此通过对影响船闸通航安全的相关问题进行研究，并提 出一定的改善措施，将具有一定的实际意义。 本文首先对我国现有的主要通航河流上的通航船闸数量以及船闸通航现状 进行了统计介绍，接着对影响船闸通航安全的相关因素进行了总结分析，提出 了一定的相应改善措施，并在结合三峡船闸近几年的通航事故险情统计分析的 基础之上归纳和总结了相关船闸通航安全经验，为下章船闸通航环境的指标确 定及分析奠定了一定的基础。其次，根据上一章对影响船闸通航安全的相关因 素的研究对船闸的通航环境综合评价时的流程、指标进行了分析，并结合现行 的船闸通航安全评估将船闸通航环境评价分为宏观层次和微观层次两个方面， 在宏观层次上找出了影响船闸通航环境的因素和评估指标标准的确定，提出了 改善通航环境的整治措施，在微观层次上结合船闸的通航安全评估内容进行了 船闸通航环境微观层次上的评价；接着，根据内河通航标准和船闸总体 设计规范中对于船闸尺度的规定及计算的相关内容，对影响船闸通航安全的 重要方面一船闸尺度的计算进行了评价，指出了船闸尺度计算存在的问题，并 对某些船闸尺度的计算给出计算公式。最后，根据多次参加船闸通航安全评估 工作的实际经验，对船闸评估工作存在的问题提出了相应的改善措施以期船闸 评估工作能够做得更好，以保障船闸的通航安全。 关键词：船闸；通航安全评价；船闸尺度；对策 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no fw a t e rc o n t r o lp r o j e c tc a l ln o to n l yp r o v i d ec l e a ne n e r g yf o r d e v e l o p i n ge c o n o m y , a n da l s oi ns o m ea r e a si th a st h er o l eo ff l o o dp r o t e c t i o na n d i r r i g a t i o n ，b u tt h eb u i l d i n gh a v et ob u l i da c c o r s st h er i v e r , e s p e c i a l l yt h ec o n s t r u c t i o n b u i l da c c o r s so nt h en a v i g a b l ew a t e r s ，t h e ni tw i l lh a v eah u g pi m p a c to nt h es h i p n a v i g a t i o n w a t e rc o n t r o lp r o j e c tw i l lb es u p p o r t i n gt h ec o n s t r u c t i o no fn a v i g a t i o n s t r u c t u r e s ，u s u a l l ys e l e c t e ds h i p l o c ka si t sa n c i l l a r yb u i l d i n g , i nt h ew h o l en a v i g a b l e w a t e r , e a c h w a t e rc o n t r o lp r o j e c ta sac o n s t r a i n tn o d e ，w h e nt h es h i ps a i l i n gt ot h e n o d e ，i th a st ow a i tt i m ef o rg o i n gt h r o u g ht h es h i p l o c k ，w h i c hw i l ll e a dt oat r a f f i c b o t t l e n e c k ，a n dw h e nt h es h i pg e tas e c u r i t yi n c i d e n tf o rg o i n gt h r o u g hs h i p l o c k - ，i t w i l ln o to n l ya f f e c tt h es h i p l o c ka n dh a v eat h r e a to nc r e w l i f e ，b u ta l s ot h es h i pw i l l h a v eas e r i o u sd a m a g e ，s ot h er e s e a r c ho fs e c u r i t yi s s u e sr e l a t e dt os h i p l o c ka n d m a k es o m ec e r t a i ni m p r o v e m e n tm e a s u r e sw i l lh a v es o m ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t l y , t h ep a p e rh a v ea s t a t i s t i c a ld e s c r i p t i o no ft h en a v i g a t i o ns h i p l o c ko nt h e c u r r e n ts t a t u s ，a n dt h e na n a l y z e dt h ef a c t o r sw h i c hh a v ea f f e c to nt h es h i p l o c ks a f e t y , a n dc o m b i n et h es t a t i s t i c a lo fn a v i g a t i o no nt h et h r e eg o r g e ss h i p l o c kd a n g e r o u s i n c i d e n t si nr e c e n ty e a r sa sb a s i st oa n a l y s i sa n ds u m m a r i z e dt h er e l e v a n ts h i p l o c k s a f e t yn a v i g a t i o ne x p e r i e n c e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c ho ft h ea b o v e f a c t o r st oh a v eas e c u r i t yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no nt h en a v i g a t i o ne n v i r o n m e n t o fs h i p l o c k ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ee x i s t i n gs h i p l o c kn a v i g a t i o ns e c u r i t ya s s e s s m e n t i n t ot h ee n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o nt od i v i d el tt oh a v em a c r oa n dm i c r ot w ol e v e l s ，a t t h em a c r ol e v e lh a v ef i n d t h ef a c t o r sw h i c hi m p a c tt h es u c e r i t yo fs h i p l o c k n a v i g a t i o ne n v i r o n m e n t a n di d e n t i f yt h es t a n d a r d so ft h ee v a l u a t i o nf a c t e r s ， p r o p o s e ds o m er e m e d i a t i o nm e a s u r e st oi m p r o v et h en a v i g a t i o ne n v i r o n m e n t ；u n d e r t h e 什n a v i g a t i o ns t a n d a r do fi n l a n dw a t e r w a y ”a n d ”c o d ef o rm a s t e rd e s i g no f s h i p l o c k s ”，t h ei m p o r t a n ta s p e c t s w h i c hi n f l u e n c et h e s a f e t y o fs h i p l o c k n a v i g a t i o n - - - s h i p l o c k - s c a l e c a l c u l a t i o n sw e r ee v a l u a t e da n dp i o n to u ts o m e c o m p u t i n gp r o b l e m so ft h es h i p l o c k s c a l e ，a n ds o m eo ft h el o c k - s c a l ec a l c u l a t i o n f o r m u l ah a sb e e ng i v e d f i n a l l y , u n d e rt h ep r a c t i c a le x p e r i e n c eo fm a n yt i m e so n 武汉理工大学硕士学位论文 p a r t i c i p a t i n gt h ee v a l u a t i o no fs h i p l o c kn a v i g a t i o ns a f e t y , b r i n g i n gu p s o m e a p p r o p r i a t ei m p r o v e m e n t st ot h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h es h i p l o c ke v a l u a t i o nj o bt o m a d et h es h i p l o c ka s s e s s m e n tc a nd ob e t t e rw o r kt op r o t e c tt h es a f e t yo fs h i p l o c k n a v i g a t i o n k e yw o r d s ：s h i p l o c k ；e v a l u a t i o no fn a v i g a t i o ns e c u r i t y ；s h i p l o c ks c a l e ； c o u n t e r m e a s u r e s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的及意义。1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状2 1 3 主要研究内容。3 第2 章船闸对通航的影响及三峡船闸事故统计分析4 2 1 全国主要通航河流船闸现状。4 2 1 1 长江水系主要通航河流船闸现状4 2 1 2 珠江水系主要通航河流船闸现状5 2 1 3 黑龙江水系主要通航河流船闸现状6 2 1 4 京杭运河船闸通航现状6 2 2 船闸对通航的影响及经验7 2 2 1水利枢纽选址对通航安全的影响8 2 2 2 船闸尺度对通航的影响9 2 3 水流、泥沙对船闸通航安全的影响9 2 3 1 水流对船闸通航安全的影响9 2 3 2 泥沙对船闸通航安全的影响1 0 2 4 三峡船闸事故险情统计分析1 0 2 5 本章小结1 2 第3 章船闸通航环境安全综合评价及整治对策1 3 3 1 船闸通航环境的内涵1 3 3 2 船闸通航环境影响因素的评价指标分析及层次建立1 3 3 2 1 水文气象因素1 4 3 2 2 船闸条件因素1 6 3 2 3 交通条件因素1 7 3 3 船闸通航环境安全评价1 7 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 1 船闸通航环境安全综合评价1 8 3 3 2 拟建船闸通航安全评价。2 0 3 4 改善船闸通航环境对策2 2 3 5 本章小结2 3 第4 章船闸通航安全尺度分析及建议2 4 4 1 船闸相关行业规范标准中的船闸尺度评估方法介绍2 4 4 1 1 规范、标准中的船闸有效尺度的计算评估方法。2 4 4 1 2 规范、标准中的引航道尺度计算评估方法2 7 4 2 对船闸有效尺度评估的行业规范、标准的几点意见3 l 4 3 对引航道尺度评估的行业规范的几点意见3 3 4 4 本章小结3 6 第5 章船闸通航安全评估工作存在的问题及对策3 7 5 1 船闸通航安全评估工作流程及船闸通航安全评估内容的现状3 7 5 1 1 船闸通航安全评估工作流程现状介绍3 7 5 1 2 船闸通航安全评估内容3 8 5 2 船闸通航安全评估工作存在的问题分析4 l 5 2 1 船闸通航安全评估介入时机问题4 l 5 2 2 船闸通航安全评估的流程。4 1 5 2 3 船闸通航安全评估报告的编制单位管理及内容4 2 5 2 4 船闸通航安全评估报告评审会专家的组成4 2 5 2 5 船闸通航安全评估意见落实方面4 2 5 3 优化船闸通航安全评估工作的对策4 3 5 3 1 船闸通航安全评估介入时机的确定4 3 5 3 2 船闸通航安全评估流程的优化4 3 5 3 3 船闸通航安全评估报告编制单位的管理4 4 5 3 4 船闸通航安全评估评审会专家的合理化4 4 5 3 5 落实专家评审意见的措施4 4 5 4 本章小结4 5 第6 章结论及展望4 6 6 1 结论4 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 6 2 展望4 6 参考文献4 8 致谢5l 攻读硕士学位期间发表的论文与参加的科研项目5 2 v l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 随着我国经济的发展，对于能源的消耗日益旺盛，水电作为一种可再生能 源是应对能源短缺的有效手段。在长江、珠江等主干通航河流，我国已经建成 了三峡大坝水利枢纽、葛洲坝水利枢纽等，并取得了不错的成绩。水利枢纽拦 河而建对航道的通航条件会产生影响，既有有利的方面，也有不利的方面。在 保证水利枢纽发电的同时，也需要保证航道的通航安全和顺畅。水利枢纽的通 航建筑物一般以船闸的形式进行建设，这就需要对影响船闸通航安全相关问题 进行研究，保障船舶过闸的安全。 船闸通航安全的系统研究现阶段较少，但特别需要提出的是为保障船闸通航 安全所做的通航安全评估工作，我国的船闸通航安全评估是船闸建设时海事局 强制要求的关于船闸通航安全的专题研究，已经成为保障船闸通航安全的一个 强有力的手段，船闸的通航安全评估主要从船闸建设所在的航道通航环境入手， 并结合当地的航运远长期发展规划和当地船型尺度等，对船闸的设计尺度和枢 纽施工期间、竣工后等进行通航安全评估，结合实际情况对存在的问题提出解 决的措施和建议，为业主和海事部门的建设、监管提供参考。船闸的通航安全 评估研究专题工作虽然是作为主管部门进行行政监管、业主申请水上水下施工 许可证的需的文件，但其内容在船闸通航安全的学术研究上也是有一定的借鉴 意义。 船闸的通航安全相关问题研究，可借鉴于船闸的通航安全评估所涉及的内 容，从这些方面进行入手，找出这些可能对船闸的通航安全存在隐患的地方， 同时对船闸的通航安全评估本身存在的问题可能对船闸的通航安全造成影响的 方面进行细致的研究，对船闸的通航安全评估进行一个细化和补充，保障船闸 通航安全。 本论文的研究目的旨在于对涉及船闸通航安全内容进行一个系统的分析，分 析影响船闸通航安全的因素，并提出相应对策。同时为船闸的通航安全评估工 作的顺利进行，使其达到实际效果提供相关的参考建议和对策。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 关于船闸的通航研究，国内外所做的研究较少，目前主要的研究重点集中 在船闸的通过能力研究上面，而对于船闸的通航安全系统的研究就更少了，但 这方面较为突出的在于部海事局所强制要求编制的通航安全评估报告上面，另 外，对于船闸通航安全管理方面有少许的研究。 1 2 1 国内研究现状 国内对于船闸的通航安全研究就通航评估来说，武汉理工大学所做的研究相 对较多，武汉理工大学的多位老师曾对船闸进行过通航安全评估，在他们的研 究成果中，对枢纽的船闸尺度、船型的发展、助航标志配备、施工期船舶作业 管理及营运期间危险品船舶过闸安全管理等重点问题进行了研究，对于本论文 的写作有着重要意义。 一 河海大学的张玮、廖鹏等对船闸的通过能力进行了比较深入的研究，提出了 船闸通过能力研究的新理念，并通过建立数学模型，对船闸的通过能力提出了 新的计算方法和理论，对于本论文在船闸通航安全管理方面的写作有一定的参 考作用【l 】。 1 2 2 国外研究现状 前( 苏联) b 沃兹涅先斯基等对船闸的下闸首人字门防撞装置等进行了研 究，德意志联邦水工研究所、美国陆军工程兵团水道试验站，对船闸口门区通 航水流条件进行了研究，并提出了一些解决水流条件的措施和装置，对本论文 有关内容的撰写提供了一定的素材【2 l 。 对于船闸的通航安全问题的研究，国内外还没有进行过系统的、专门的研究， 只是对涉及船闸通航安全某一方面进行了研究，且对于这些方面的研究并没有 串联起来，显得比较散乱。【5 3 】【删 对于以船闸为中心，综合水文、气象、通航环境等因素而进行的船闸通航安 全问题研究是一个系统工程，需要将这些因素全面的综合起来，才能对影响船 闸通航安全的因素进行全面的分析。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 本论文主要以水利枢纽的通航建筑物船闸为研究对象，分析枢纽所在水域 的水文、气象、及通航环境等因素，基于现阶段我国评估报告的内容和评估技 术方面，加以拓展和创新，对影响船闸通航安全的相关问题进行一个系统的研 究，并提出相关对策。 主要研究内容有： l 、对影响船闸通航安全的因素进行了分析，并归纳和总结了相关经验； 2 、根据上述因素的研究对船闸的通航环境进行综合评价，找出影响船闸通 航环境的因素，并提出改善通航环境的整治措施； 3 、根据内河通航标准和船闸总体设计规范，对影响船闸通航安全 的重要方面一船闸尺度的计算，指出了船闸尺度计算存在的问题，并对某些船 闸尺度的计算给出计算公式； ， 4 、根据多次参加船闸评估工作的实际经验，对船闸评估工作存在的问题提 出了相应的改善措施以期船闸工作能够做得更好，以保障船闸的通航安全。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船闸对通航的影响及三峡船闸事故统计分析 2 1 全国主要通航河流船闸现状 我国水上交通四通八达，主要通航河流包括长江水系、珠江水系、黑龙江 水系、京杭大运河即我国建立的“三横一纵”内河水运网，对于水利枢纽现状的 介绍主要按照这四个水系进行现状的一个介绍，并对其中以船闸作为通航建筑 物的进行相关统计。我国内河航运中已经共建有9 0 0 多座通航船闸，在内河航 运中发挥了不小的作用，特别是当其建于某些通航条件较差的河段时，船闸可 以对其进行渠化，改善通航水流条件，从而能够提高航道等级，比如三峡船闸 对其库区的渠化【3 】。不过，船闸是不连续的通航建筑物，船舶过闸时通常需要 排队等待依次通过船闸进行通航，当其通航环境、通过能力等不能满足船舶的 过闸需求时，将使得船舶在船闸处停止通航，形成一个交通瓶颈，这种瓶颈效 应势必会影响到整个内河航运系统。 2 1 1 长江水系主要通航河流船闸现状 长江航运，历史悠久，是长江流域经济兴旺发达的重要基础。在新世纪长 江航运迎来了良好的发展时期，已经形成了以重庆、宜昌、岳阳、武汉、九江、 芜湖、南京等大中城市为依托的港口群，其中有十多个港口业已对外轮进行开 放。2 0 0 2 年，长江干线主要港口货物吞吐量达到2 5 9 亿吨，同比增长1 3 8 。 长江干支流水能理论蕴藏量为2 6 8 x 1 0 8 k w ，可能开发量为1 9 7 x 1 0 8 k w ，年 发电量1 0 2 7 0 x 1 0 8 k w h 个，占全国可开发量的5 3 4 。已建成装机容量 2 5 x 1 0 4 k w 以上大型水电站1 8 座，总装机容量3 3 6 0 2 5 1 0 4 k w 。1 8 座大型水电 站主要分布在湖北、湖南、四川境内，其中四川、湖南各5 座，湖北4 座，包 括丹江口水利枢纽、葛洲坝水利枢纽以及举世闻名的三峡水利枢纽等。 三峡水利枢纽是目前世界上最大的水利枢纽，大坝位于三峡西陵峡内的宜 昌市夷陵区三斗坪，并和其下游不远的葛洲坝水电站形成梯级调度。水利枢纽 的通航建筑物包括船闸和升船机，均布置在左岸。船闸为双线五级连续船闸， 每个闸室的闸首各布置一套两扇人字闸门作为闸室的工作闸门。船闸主体结构 段总长1 6 2 1 m ，单级闸室有效尺度为2 8 0 3 4 5 m ( 长宽门槛水深) ，最大水头 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 m ，单级最大运行水头4 5 2 m ，可通过万吨级船队，设计年通过能力为5 0 0 0 万吨。船闸上游引航道长度为3 0 7 6 m ，下游引航道长度为2 7 8 0 m ，下游引航道 与升船机共用。三峡船闸在正常情况下采用单向过闸的方式，即一线上行，另 一线下行。两线运行最大闸次数2 6 闸次，日最大通过量2 1 6 艘次。 2 1 2 珠江水系主要通航河流船闸现状 珠江，旧称粤江，是中国境内第三长河流，按年流量为中国第二大河流。 全长2 4 0 0 公里。原指广州到入海口的一段河道，后来逐渐成为西江、北江、东 江和珠江三角洲诸河的总称。 其干流西江发源于云南省东北部沾益县的马雄山，干流流经云南、贵州、 广西、广东四省( 自治区) 及香港、澳门特别行政区。在广东三水与北江汇合， 从珠江三角洲地区的8 个入海口流入南海。北江和东江水系几乎全部在广东境 内。珠江流域在中国境内面积4 4 7 2 1 万平方公里，另有1 1 万余平方公里在越南 境内。西江及其支流位于广西境内的水利枢纽有百色、那吉、金鸡、鱼梁、老 口、西津、贵港、桂平、长洲等，其中对航运有较大影响的主要是长洲水利枢 纽，其以船闸作为通航建筑物；广东境内的水利枢纽位于西江干流上的没有， 主要是位于其支流上面，像罗定江等。 北江由两源组成即浈水和武水，浈水发源于江西省信丰县大茅塬，武水发 源予湖南省临武县。两水于韶关会合后称为北江，思贤窖以上河长4 6 8 k m ，流 域面积4 6 7 1 0 平方公里，占珠江流域面积的1 0 3 。主要支流有潍江、连江、 绥江等。 浈水流域所处山区，河流陡峻，水力资源较丰富，已建成了众多的小水电 站，已建成5 0 0 k w 以上水电站9 6 座，总装机1 4 0 8 万k w ，年发电量5 6 2 亿 k w h ，由于河流航运并不发达，这些小型水利枢纽以船闸作为通航建筑物较少， 大多采用升船机。根据韶关市江河流域综合规划之浈水干流规划专题报 告 ，浈水自南雄以下规划分9 级开发：古塘、古市、马市、车头坪、江口、新 庄、鸡笼、周田、湾头。这9 个梯级水电站的开发以船闸作为其通航建筑物。 北江干流( 韶关至英德段) 共有5 座水利枢纽，包括孟州坝水利枢纽、漾 里水利枢纽、白石窑水利枢纽、飞来峡水利枢纽、清远水利枢纽，由于航道等 级的提升，这些水利枢纽计划实行二线船闸的建设，有些枢纽的二线船闸建设 方案已经形成。 5 武汉理工大学硕士学位论文 东江发源于江西省寻邬县桠髻钵，上游称寻邬水，在龙亭附近注入广东省 后，于龙川县五合圩与贝岭水汇合后始称东江，至东莞市石龙镇进入珠江三角 洲网河区。干流全长5 2 0 公里，集水面积2 7 0 4 0 平方公里( 其中江西省境3 5 2 4 平方公里，广东省境2 3 5 1 6 平方公里) ，占珠江流域总面积的5 9 6 。主要支流 有贝岭水、涮江、新丰江、秋香江、公庄水、西枝江、石马河等。，东江上游已 有老隆船闸、枫树坝水利枢纽，根据广东省东江流域综合规划报告安排在 枫树坝电站以下布设1 4 个梯级电站，其中在河源市境内有1 1 个( 已建或在建) 梯级水利枢纽，分别为龙潭、稔坑、罗营口、苏雷坝、枕头寨( 已建) 、柳城、 蓝口、黄田、木京( 已建) 、风光、沥口等，规划总装机容量2 5 9 2 万千瓦，其 中主体枢纽已开工建设的有风光水利枢纽、龙潭、稔坑、罗营口、柳城、蓝口、 黄田等7 个水利枢纽，都是以船闸作为其通航建筑物；惠州境内有东江水利枢 纽，其通航建筑物为船闸，船闸总长1 9 6 米、宽1 6 米，闸高1 4 1 米，可以通 行5 0 0 吨位的船只，在最低通行水位可以通行1 0 0 吨位的船只，年最大通航量 2 0 0 万吨。 2 1 3 黑龙江水系主要通航河流船闸现状 黑龙江位于我国东北边睡，水系内大小江河星罗棋布，水资源得天独厚。 主要通航河流有松花江、嫩江、黑龙江、鸟苏罩江；一般通航河流有牡丹江、呼 兰河、穆棱河、饶力河、通江子和松阿察河；主要通航湖泊有镜泊湖、莲花湖和 兴凯湖，干线通航里程5 0 5 7 公里，其中中俄界河长2 6 6 1 公里。在1 8 条主要航 道范围内共有过河建筑物1 1 2 个，其中桥梁3 3 座，过河架空电线5 8 处，水下 过江通信电缆及光缆1 7 条，水下管道4 条；临河设施6 7 座，而对于水利枢纽 仅在牡丹江河道有2 座，且皆以船闸作为其通航建筑物。黑龙江水系对水利枢 纽的建设还没有大力发展，由枢纽建设造成对航运的影响较小。 2 1 4 京杭运河船闸通航现状 京杭大运河，是世界上里程最长、工程最大、最古老的运河之一。北起北 京，南到杭州，经北京、天津两市及河北、山东、江苏、浙江四省，贯通海河、 黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系，全长约1 7 9 4 公里。京杭运河作为一条人 工运河，对于其河道通航条件的改善是至关重要的。大运河对于通航条件的改 善采用了通过水利枢纽对航道进行渠化这一方式来进行，取得了不错成效，大 6 武汉理工大学硕士学位论文 大提高了运河的通航能力，具体分布情况大致如下： 济宁至大王庙段：整个航道通航里程长1 8 4 公里，航道条件较好，比较顺 直，山东济宁至陶沟河口段( 省界) 采取微山( 原先已建设有三级坝及通航建 筑物船闸) 、韩庄、万年闸、台儿庄四个梯级全线渠化，且这四个船闸中的三个 船闸包括韩庄、万年、台儿庄的二线船闸均已经竣工，该航段经过整治，费道 桥陶沟河口至大王庙总长1 3 5 公里的航道已经提升至内河i i 级航道。 二级坝至蔺家坝为京杭运河西航线一段，长5 7 公里，可通航1 0 0 0 吨级船 舶。蔺家坝至六圩段长4 0 4 公里，水头落差为3 1 1 米，属于苏北通航条件最好 的一段，经过上世纪五六十年代和八十年代的两次大规模整治，建有蔺家坝、 解台、刘山、皂河、宿迁、刘老涧、泗阳、淮阴、淮安、邵伯、施桥座1 1 个梯 级的现代化大型船闸，均为2 0 0 0 吨级船闸，除蔺家坝、解台为单线外，其余均 为复线，已全部渠化，全线可通航1 0 0 0 吨级船舶，部分河段达到i i 级标准。 谏壁江口至鸭子坝段：此段被称为苏南运河，长2 0 8 公里，自长江南岸谏 壁经丹阳、常州、无锡、苏州、平望至鸭子坝省界，己按级航道标准建成， 是国家样本航道。设有谏壁、江阴、魏村、张家港等沿江口门船闸，是长江船 舶进入苏南运河的口门，大吨位的船舶常常被拒之门外。 鸭子坝至杭州三堡船闸段：此段属于京杭运河浙江段，途经乌镇、练市、 含山、新市、塘栖等城镇，止于杭州三堡船闸，全长1 0 0 公里。目前鸭子坝至 北星桥8 3 1 公里，经过航道整治，已按i i i 级航道标准建成可以通航1 0 0 0 吨级 船舶，该段在杭州三堡建有双线船剜4 。 2 2 船闸对通航的影响及经验 水利枢纽在其建成后，将成为永久性水工建筑物，对于整个航道通航条件 的影响是深远的，缩短了整个通航断面，影响了船舶航行的连续性。水利枢纽 的通航建筑物船闸是港口航道工程中的一种建筑物，在其设计、建设阶段涉及 到土木工程学科，在其后期发挥通航作用属于交通运输工程水运类学科，对其 通航安全的研究需要综合考虑土木工程和交通运输工程的交叉内容，涉及的因 素非常复杂，有时还需要涉及到船闸的营运管理方面。 在我国水利枢纽建设早期，水利枢纽的建设一般是考虑发电、防洪，而对 于水利枢纽的航运作用考虑较少，导致我国很多通航河流现在不能通航或者通 航条件收到了严重破坏；对于水利枢纽的管理现在很多还是属于水利部门管辖， 7 武汉理工大学硕士学位论文 航运部门直接管辖的水利枢纽较少，进一步直接的忽视了水利枢纽航运作用的 发挥【5 】o 2 2 1水利枢纽选址对通航安全的影响 水利枢纽的选址，是工程设计阶段的重要一环，关系到竣工后的发电容量、 防洪以及航运效益等。如果将水利枢纽设置在水流少、急，弯道多等通航条件 较差的河段，通过连续的多个梯级水利枢可以实现航道的渠化，改善航道的通 航条件，如京杭运河苏北段和三峡大坝建成后川江段，航道条件得到了改善， 反之不仅起不到改善航道条件的作用，还会限制通航，而这些所需考虑的根本 因素就是枢纽的选址。在通航作用方面，对于水利枢纽的选址主要是考虑船 闸，一般是根据内河通航标准和船闸总体设计规范的相关要求进行综 合考虑。主要有以下几点：“1 、船闸应布置在顺直和稳定的河段；2 、船闸宜临 岸布置。船闸不应布置在紧邻的枢纽溢流坝、泄水闸和电站等两个过水建筑物 之间；3 、船闸引航道与其相邻的过水建筑物之间，必须设置足够长度的隔流堤 或隔流墙；4 、船闸引航道、口门区及连接段应布置在泥沙不易淤积的部位，并 宜与主航道平顺连接。当下游口门区与主航道为异岸连接时，连接段应在受枢 纽泄水影响较小的河段跨河。引航道内及口门区不应布置影响船舶和船队过闸 的建筑物；5 、根据航运发展的需要，船闸工程应为增建船闸预留足够的位置”。 【6 1 、【刀 “船闸布置在顺直和稳定的河段”是从船闸本身安全来考虑的，顺直、稳定 的河段有利于船闸结构的稳定，防止因河床演变导致船闸功能的损坏；“船闸宜 临岸布置，不应布置在枢纽溢流坝、两个过水建筑物之间”是从水利枢纽的整个 建筑布置来进行考虑的，这样布置船闸可以防止因枢纽发电泄洪时对船闸水流 的影响，从而影响船闸内的通航安全；船闸引航道内布置隔流堤或隔流墙可以 防止因船闸泄水或外部水流对引航道内水流的不利影响：船闸引航道、口门区 及连接段属于船舶过船闸的薄弱航段，此段水流、泥沙条件不好船舶可能进闸 困难，泥沙的淤积会使船闸的口门水深达不到船舶的吃水要求；航运的发展需 要考虑远长期的规划，在建设船闸时要保留足够的位置以利于船闸的拓展，据 调研北江上游孟家坝船闸、蒙里船闸已经进行了二线船闸拓展的初步报告设计。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 船闸尺度对通航的影响 船闸尺度包括船闸闸室的长度，闸室的宽度以及门槛水深，而一般在分析 船闸的通航安全尺度方面时，会对引航道的平面尺度进行论证，船闸引航道平 面尺度的探讨反而更多。引航道的平面尺度包括引航道的长度、引航道的宽度 以及引航道的水深。 船闸尺度的确定一般需要考虑一下几点因素： 1 船闸的尺度应和各期船闸的通过能力相适应，须满足过闸船舶总吨位数 和客货运量的要求： 2 应满足设计船队一次过闸的要求； 3 应适应大小船舶或船队合理组合过闸的需要。【_ 刀 船闸尺度作为船闸通航时的一个硬性指标，关系到日后船舶过闸的安全和 船舶的通过能力，需要考虑目前的通航状况和中远期的航运发展情况，满足中 长期的航运发展要求。船闸尺度没有设计好不仅阻碍船舶通航，而且有可能导 致通航条件破坏，浪费水运资源，而对船闸的重新改造也会造成人力、物力的 损失。 引航道尺度的确定比较复杂，除了需要考虑船闸尺度的几点要求外，还需 考虑船闸的布置形式、引航道水流、风、泥沙等对引航道通航的影响，当布置 在弯曲航段时还需要考虑弯道的影响。引航道是船闸的重要组成部分，船闸通 过引航道保持与原有航道的连接，是船舶过闸的过渡阶段，引航道如果限制了 船舶的通航将直接导致船闸无法通航。对于船闸相关尺度的计算研究将在后面 做详细的阐述。 2 3 水流、泥沙对船闸通航安全的影响 2 3 1 水流对船闸通航安全的影响 水流会改变船舶航行的速度和习惯航迹线，从而影响船舶的航行安全。船 舶过闸的流程一般是原有航道、口门区、引航道、船闸闸室、引航道、口门区、 原有航道。口门区处于河流动水与引航道静水的交界处，口门区会受到枢纽泄 水建筑物和导流墙等分水建筑物的边界影响，对于上游口门来说是河道断面变 窄，对下游口门来说是河道断面变宽，在这么一个收缩和扩大的通航水流条件 下，使得口门区水流发生弯曲变形，产生流速梯度，形成回流和分离型小漩涡， 9 武汉理工大学硕士学位论文 横流和回流影响船舶的航速和航迹线，使得船舶发生偏转和横移，严重时出现 船舶操纵失控，威胁通航安全。 引航道内的水流主要是由于船闸的充泄水引起的，当船闸充泄水时将形成 不稳定流，即流量由零增至最大，然后又逐渐减小至零，使得引航道内水流成 波浪式前行，使引航道内水位降低，减少了船底的富裕水深，出现擦底事故， 如葛洲坝工程初期下游引航道就发生过此类事故，且由于对流速的影响使得船 舶的操纵性能降低，对船舶的航行和停泊都会造成影响。 闸室内的水流一般较平稳，只是在启闭闸室时会对水流造成一定程度的影 响，不会威胁船舶的通航安全。 2 3 2 泥沙对船闸通航安全的影响 船闸泥沙淤积主要在船闸的引航道和口门区，对于船闸泥沙淤积的研究涉 及水工建筑学科、港口海岸工程学科等，考虑的因素较为复杂。船闸引航道及 口门区的泥沙淤积会改变水流流速、形态以及水深等，恶化船闸的通航条件， 有时对于泥沙淤积的处理不当，造成口门淤积，这将直接导致引航道淤塞使得 船闸直接报废，我国初期小河上的船闸这种例子发生较多。 船闸引航道泥沙淤积来源一般有以下几个方面： 1 水位涨落引起引航道内的淤积和冲刷；2 船闸运行过程中，闸室灌水时河道 含沙水流补水形成的上引航道的淤积和闸室排水时引起的下引航道的冲刷：3 由 于河道水体存在密度差而产生的异重流淤积；4 在引航道口门动静水交界处回淤 产生的淤积。 船闸口门区的泥沙淤积中以次淤积为主要方面，为改善引航道内的通航水 流条件，会设置隔流堤或隔流墙，引航道静水和河流动水的交界面处在隔流堤 或隔流墙的末端一般就在口门区，静水与动水存在较大的流速梯度，静水在动水 的拖曳作用下产生就地旋转的竖轴环流，即在口门区产生较大的回流，上游水流 夹带的泥沙通过水流的紊动扩散作用，由主流进入回流区，在强度不大的回流区 不断地沉落淤积而造成次淤积。交通部天津学运工程科学研究所郝品正等通过 数学模型及水工试验等认为导流墩的布置能较好的解决这一问题。 8 1 - 1 3 4 】 2 4 三峡船闸事故险情统计分析 我国现有通航船闸9 0 0 多座，这一数字还在不断增长之中，虽然对于船闸 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 营运管理很严格比如三峡船闸，但事故险情也时有发生。事故的发生对船闸及 船舶会造成损坏，还会对船员的生命安全造成威胁，通过对我国目前最大的水 利枢纽船闸三峡船闸的事故险情统计分析，可以找出除选址、船闸尺度、水流 泥沙等影响船闸通航安全的其他因素。 2 0 0 5 - - 2 0 1 0 年三峡船闸水上交通事故及险情情况如表2 2 1 、表2 2 2 、图 2 2 1 和图2 2 2 所示。 表2 2 12 0 0 5 - - - 2 0 1 0 年水上交通事故及险情统计 年份 2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 0 险情 931 51 91 18 事故 935 1 0 1 08 遇险船舶数 872 02 71 11 1 遇险人数 3 3 64 4 08 8 45 0 31 3 32 2 5 死亡( 失踪) 人数 o 7 5 1 l5 沉船艘数 1l2212 图2 2 1事故及险情年变化趋势图 表2 9 22 0 0 5 2 0 1 0 年水上交通事故及险情月分布 月份 1234567891 01 l1 2 险情 442646887619 事故 222424561 0512 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 2 事故及险情月变化趋势图 由上述图表分析可以看出，险情及事故的年变化均表现为先增后减的趋势， 但事故的变化趋势略滞后于险情。其中，2 0 0 8 年事故和险情均达到最大值，分 别为1 0 次和1 9 次。从月度的分析来看，事故及险情主要集中于4 , - 一1 0 月，此 时间段由于船舶过闸艘次较多，因此应加强航运高峰期的船舶管理，对于船闸、 船舶的管理是保障过闸安全的重要环节。从个案分析入手如三峡船闸去年9 1 0 事故，由于船员操作失误，迸闸时未对准闸口，碰撞导航墙，船舶翻沉，5 名 船员失踪。船员操作失误、超载、机械故障等行为也是发生船闸通航事故的原 因。【3 5 】 2 5 本章小结 本章首先对我国主要通航河流所存船闸情况进行了介绍，并分析了船闸选 址、尺度、水流泥沙等因素对船闸通航的影响，并通过对三峡船闸通航事故险 情的统计分析，得出了船闸、船舶安全管理，人为失误，机械故障等对船闸的 通航也会造成一定的影响。然而这些事故的发生并不是某个原因单独造成的， 一般都和环境因素结合在一起，这就显得对船闸的通航安全环境评价是十分必 要的。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章船闸通航环境风险源指标体系的研究与构建 3 1 船闸通航环境的内涵 水上通航环境一般是指以水上交通工具( 主要是指船舶) 为中心对象的环 绕船舶运动的外围世界。构成船舶运动外围世界的因素有很多，主要考虑对船 舶航行及水上交通形势产生影响的因素。 船闸的通航环境就需要结合船