貴州省航電樞紐工程設計中幾個關鍵技術問題的認識與總結

李怡芬 楊雙超 黨勇

摘 要：近幾年貴州省水運建設發展較快，通過參加航電樞紐工程的設計，對航電樞紐的特點及幾個關鍵技術問題提出設計要點，并結合貴州省清水江、都柳江在建的航電樞紐為例，在壩址選擇、樞紐布置、通航安全、泄洪規模、施工導流等方面進行簡要總結，為同類工程的設計積累實踐經驗。

關鍵詞：航電樞紐 布置 安全通航 泄洪規模 導流

貴州省在2014年～2016年用3年時間，在全省范圍內開展水運建設大會戰，從而推動了一批航運工程、航電樞紐一體化項目的建設。其中都柳江相繼建成和在建從江、大融、郎洞、溫寨等四級航電樞紐，清水江相繼在建平寨、旁海兩級航電樞紐。本文通過對航電樞紐設計的總結，對貴州省渠化航電樞紐工程設計中幾個關鍵技術問題提出淺顯的幾點認識。

1.航電樞紐的特點

航電樞紐工程通常是在內河通航河道上修建的低水頭攔河樞紐，開發任務與布置突出以航為主，航電結合，以電促航。通過修建攔河樞紐工程，可渠化通航河道，改善通航條件，提高通航能力，促進旅游航運發展，打通內河與出海口的連接通道，為水運安全發展提供運輸保障。航電樞紐的主要功能是通航，結合防洪要求，兼顧發電和灌溉等需求，應處理好航運、防洪、發電各項綜合利用的關系，以發揮樞紐最大綜合效益。航電樞紐應以流域綜合利用規劃為基礎，以航運發展規劃和航道等級為依據，同時遵循交通及水利水電行業的標準與規程規范。

貴州省多為山區河流，河床以巖石和卵石為主，航道狹窄彎曲，淺灘和險灘眾多，航道等級低，通航能力小，山區河道洪峰流量大具有暴漲暴落的特點，修建航電樞紐渠化河道是改善航運的最好途徑。貴州省航電樞紐具有水頭低、流量大、建筑物集中布置、通航流速不易滿足要求、施工期不斷航、壩前水位壅高大等工程特點。

2.壩址選擇

航電樞紐的壩址宜選擇在順直河段，便于通航建筑物引航道及其口門區、連接段航道等布置的要求，安全通航條件是考慮的重要因素之一，應滿足上、下梯級通航水位的銜接，優先采用設計最低通航水位銜接的方式，即渠化梯級下游設計最低通航水位與下游梯級的上游設計最低通航水位進行銜接。干、支流相交河段，壩址宜選擇在支流河口下游的干流上。

以貴州省都柳江溫寨航電樞紐為例，其比較壩址分別位于孖溫河口上、下游，壩址方案見圖1。

上、下壩址船閘均布置在河段天然深泓線側，有利于通航，但對于孖溫河口段通航水流條件，選擇上、下壩址將有明顯的不同。孖溫河口段為彎曲河段，凹頂處有支流孖溫河反向匯入都柳江，水流與干流流向相反而形成頂沖之態，干、支流洪水遭遇不同，交匯處水流紊亂復雜，泥沙大量沉積形成攔門沙洲，孖溫河匯入口主流上、下游擺動，對船舶安全航行影響較大。上壩址方案，該河口段屬于下游郎洞梯級庫尾段，水深不足，保證安全通航需要進行航道整治浚深河槽，同時尚應采取工程措施改變孖溫河與都柳江干流的交匯角，使其流向轉向干流下游，該工程措施需專題研究論證并結合水工整體模型試驗驗證。下壩址方案，孖溫河口段被淹沒在壩前庫區中，通航水深可達10 m～16.5 m，基本消除不利通航的流速與流態，避免了采取復雜工程措施調整孖溫河流向和航道浚深，渠化河道也是最有效的航道整治工程措施。經自航船模航行試驗，中、枯水流量下，船模能夠安全通過樞紐上游航道進出口門區及引航道；洪水流量時，船模沿中航線航道內航行條件較好，即使最不利工況下，設計代表船型也可順利航行，航行條件能夠滿足船模安全航行要求。

溫寨航電樞紐兩壩址條件相差不大，下壩址河床較窄，岸坡開挖較高，但通航條件較好，減少了航道治理及河口改造的工程措施，推薦了下壩址。

3.航電樞紐布置

3.1樞紐布置主要原則和要點

航電樞紐的主要建筑物組成根據樞紐的功能通常包括擋水建筑物、泄水建筑物、發電廠房、通航建筑物等。主要布置原則和要點如下。

（1）河床寬闊、河道順直的壩址，采用樞紐建筑物集中布置方式，將組成樞紐的擋水、泄水、發電、通航等主要水建筑物都布置在河床內，建筑物運行應避免相互干擾。

（2）泄水建筑物布置在河床主河道，有足夠的泄流前緣寬度，滿足泄洪及閘下消能防沖的要求，水流順暢歸槽，減少下游兩岸的沖刷。

（3）通航建筑物布置應臨岸布置在主航道一側，選擇地形、地質條件較好，且順直、穩定、開闊的河段布置船閘，河段直線段長度應能夠滿足船閘主體建筑物直線長度要求，使船閘具有良好的通航水流條件，滿足船舶安全航行要求。通航建筑物不應布置在通航期泄水建筑物和水電站之間，會使引航道口門區水流條件惡劣復雜，難于保證安全通航的要求。

（4）電站廠房與通航建筑物宜異岸布置，常設置在交通方便、滿足設備進場運輸的條件，并利于電力送出的一側。同岸布置時，水流條件易互相干擾，通航建筑物上、下游引航道與水電站進水渠、尾水渠間應設置導墻分隔。

（5）船閘與泄水閘之間必須有足夠長度的導航隔流墻隔開，以保證船舶順利地進出引航道，導航墻的長度與端頭體型需經水工模型試驗驗證。在有布置空間的情況下，泄水閘與船閘間可設置連接壩段，能大大改善泄水時口門區的通航條件。

（6）樞紐布置尚考慮施工期通航的措施。

3.2工程案例

貴州省近年來建設的幾個航電樞紐工程，均處于河流的中下游，屬于中低山溝谷地貌，河谷多為“U”型谷。壩址河床寬度在130 m～250 m，兩岸地形為中低山，不具備分散布置通航建筑物的條件，多采用集中布置的方式，通航與發電分別布置在河道兩岸，河床中間布置泄水閘，樞紐的擋水高度在10 m～20 m，設計通航船舶噸級為500 t，電站裝機在50 MW以下。

（1）清水江平寨航電樞紐位于峽谷的出口，河谷呈寬闊基本上對稱“U”型谷，右岸分布40 m～50 m寬的一級階地。樞紐區河道有長約900 m直線段，深泓線偏河道右岸，樞紐布置分別對左岸船閘和右岸船閘兩種布置方案進行論證。船閘布置在右岸，引航道進出閘口門區開挖量較大，通航水流條件較差；船閘布置于左岸，有利于上下游航道平順連接，但左岸壩線下游約500 m有一溪流匯入，為不影響安全通航，需根據船舶在引航道等候過閘的排列方式和船舶進閘的不同方式，分析船閘平面布置，擇優選取。經比選，推薦船舶采用2排1列停靠來布置引航道，上下行船舶進出閘方式采用“曲進直出”，上、下游引航道平面布置方式采用反對稱型。清水江平寨航電樞紐平面布置見圖2，樞紐壩頂全長382 m，最大壩高47.36 m，設計通航船舶噸級為500 t，電站裝機容量42 MW。

（2）溫寨航電樞紐下游口門區流態，原設計方案右側閘孔下泄水流順著下游直線導航墻的方向流動，進入口門區后沿程向右岸擴散，下游口門區一半處于主流區，一半處于回流區，主流區的流速值超過2.0 m/ s，回流區的最大回流流速達到0.88 m/s。主流方向與航向最大夾角達到15°，由于主流的流速較大，導致橫向流速分量超標。通過水工模型試驗，將下游導航墻末段40 m直段改為弧形外挑底部透水式導墻，外挑寬度18 m，導墻底部斜向呈45°夾角布置7個透水孔，修改方案如圖3，修改后下游口門區各通航流速指標均未超出規范要求。

4.主要建筑物

4.1泄水建筑物型式及泄洪規模

低水頭的航電樞紐，泄洪量較大，適合采用開敞式攔河泄水閘型式，洪水期水閘敞泄，山區河道的飄流物不受阻擋，利于排漂及泄洪安全。

泄水閘的泄洪規模應根據設計洪水標準、水庫淹沒影響及河床抗沖性能等因素綜合比較確定過流總寬度，控制閘前水位壅高。在平面河流上過閘水位差不宜超過0.3 m，山區河流上水位壅高值可提高。根據低水頭樞紐回水線的特點，正常蓄水位下，小流量的回水終點離壩遠，大流量的回水終點離壩近，閘門全開敞泄時回水終點移至壩前。若水庫淹沒由正常運用情況下發電流量來控制，泄洪規模可按滿足水庫淹沒的設計洪水位低于正常蓄水位來計算。若水庫有敏感的淹沒點控制，則需滿足水庫回水包絡線低于敏感點高程，并有一定安全超高，這種情況可能需加大泄洪規模。

清水江平寨航電樞紐正常蓄水位543.0 m，居民點采用20年一遇洪水標準，庫區內有兩處淹沒敏感點，一是庫尾的旁海鎮，二是庫區巖門長官司遺址城墻。水庫淹沒控制按下泄20年一遇洪水時，水庫回水不淹沒庫尾旁海鎮；在百年一遇洪水工況下盡量加大下泄量，降低庫水位以減少洪水對庫區巖門長官司遺址城墻的淹沒。本工程河床較窄，合理確定泄水閘總寬度對工程尤為重要，可減小船閘上游引航道高邊坡的風險。經比較采用水庫降水位運行方式，泄洪規模為控制下泄20年一遇洪水時，堰前水位不超過538.0 m，旁海鎮不淹，由此平寨航電樞紐設計洪水位和校核洪水位均低于正常蓄水位。

4.2通航建筑物

通航建筑物基本型式主要為船閘，當工作水頭較高時通過比較可選用升船機或多級船閘，單級船閘的水頭一般以40m左右為限。低水頭的航電樞紐中船閘常采用單級船閘。

（1）船閘的布置

船閘由上、下引航道及船閘上、下閘首、閘室組成，上閘首是樞紐擋水建筑物的一部分，與樞紐其他水工建筑物前緣對齊布置在沿壩軸線上，船閘中心線與壩軸線垂直，上游引航道、上閘首、閘室、下閘首、下游引航道沿船閘中心線自上而下布置。上、下游引航道直線段的長度由船舶進出閘方式確定，當采用“直線進閘，曲線出閘”時，通常為設計船舶（船隊）長度的3.5倍，當采用“曲線進閘，直線出閘”，約為為設計船舶（船隊）長度的（2.1～2.2）倍，后者調順段的長度較短。船閘上下游引航道口門區寬度取1.5倍引航道寬度，長度取為（2～2.5）倍最大設計船長。

船閘的平面尺度、水深可根據設計船型按《內河通航標準》（GB50139-2004）、《船閘總體設計規范》（JTJ305-2001）計算。以溫寨航電樞紐為例，代表船舶組合（每列的排數）為2×500t機動駁，設計船舶計算長度112.5 m，富裕長度取7 m，閘室的有效長度則為119.50 m，實際取值120 m；設計船舶的寬度10.8 m，船舶單列過閘時富裕寬度取1.2 m，則閘室寬度為12 m。船閘最小門檻水深、引航道最小設計水深分別取1.6倍、1.5倍設計船舶滿載時最大吃水深度。

（2）船閘結構

上閘首為擋水建筑物，閘頂高程與壩頂相同，底檻高程按上游最低通航水位和檻上最小水深確定，中間航槽寬度與閘室有效寬度相同，上閘首一般采用人字工作閘門，上游擋洪檢修門門型為平面門。

閘室結構可采用整體式或分離式兩種型式，整體式閘室不設縱縫，分離式通常在底板設縱縫將閘墻與底板分離為獨立結構。分離式結構閘墻斷面較大，基礎應力較大，適合于巖石地基；整體式結構穩定性好，對地基的適應性好，適合地基條件較差時采用。閘墻頂高程為上游最高通航水位加超高確定，超高值通常采用2 m。閘室底板頂面高程為下游最低通航水位減閘室最小水深。

下閘首閘頂高程與閘室相同，底檻高程按下游最低通航水位和檻上最小水深確定，中間航槽寬度與閘室有效寬度相同。

（3）船閘輸水系統

輸水系統的型式有集中式和分散式，可根據判別系數按下式確定：

m = T/ H

式中

m—輸水系統選型判別系數；H—設計水頭，m；T—閘室充水時間，min。

當m>3.5時，采用集中輸水系統；m<2.5時，采用分散輸水系統；當2.5≤m≤3.5時，應進行技術經濟論證比較或參照類似工程選定，一般認為集中輸水系統灌泄水時閘室及引航道的水流條件比分散輸水系統稍差。

清水江平寨航電樞紐最大水頭23.83 m，m值為2.05～2.46，采用第二類分散輸水系統，經比較選擇閘墻長廊道閘底橫支廊道輸水系統。都柳江郎洞航電樞紐最大水頭10.0 m，m值為2.53～3.16，采用集中輸水系統，經比較選擇閘墻長廊道側支管出水輸水系統。

4.3電站廠房

貴州省都柳江、清水江的在建的幾個航電樞紐屬低水頭徑流式電站，裝機規模在22 MW～45 MW，電站最大運行水頭在20m以下，機組機型適合安裝貫流式水輪機。電站廠房由主機間、安裝間、副廠房及變電站等組成，安裝間通常布置在主機間靠岸邊一側，方便設備進場，副廠房可布置在主機間下游或安裝間上、下游。變電站可選擇GIS和敞開式兩種型式，GIS為室內式，可節省配電裝置占地和空間，運行可靠性高，維護方便，符合近年來大中型水電站高壓配電裝置選型，利于環保，符合電站“無人值班”運行方式。

5.施工導流及施工期通航

山區河流的水文特點是洪峰流量大，洪枯流量及水位變幅大，因此，應充分利用枯水期進行施工，在枯期時段設計洪水流量相差不大的前提下，盡量選取較長的導流時段。低水頭航電樞紐的導流方式一般采用分期導流，為早日獲得發電效益，一期圍堰通常施工電站廠房及部分泄水閘，二期圍堰施工船閘及剩余的泄水閘部分。施工圍堰可根據汛期施工洪水、施工工期安排等選擇枯期圍堰或全年圍堰。

在貴州清水江、都柳江航電樞紐工程所在航段，基本上為天然河道，淺灘水淺，險灘流急，航道維護尺度小，為等外航道，僅能季節性區間通航50 t左右船舶。工程施工期間均不具備通航條件，需要考慮過壩貨物轉運措施，在壩址上、下游設置臨時轉運碼頭，采用汽車繞壩轉運等措施，減少施工期對現有船舶航行的影響。

6.結語

貴州省近幾年在黷東南州清水江、都柳江上修建的幾個航電樞紐工程，具有相似的工程特征，工程規模為中型，船閘通航船舶等級為500 t，設計水頭約10 m ～20 m，電站裝機小于50 MW，樞紐布置格局多采用船閘、廠房異岸布置。位于山區河流的航電樞紐，水面寬度不夠寬闊，水文條件復雜，因此壩址選擇、泄洪規模、樞紐布置、建筑物設計、施工導流等關鍵技術方面需進行深入的研究論證，選取經濟合理的方案。通過對近些年航電樞紐設計過程中的總結，我公司在上述幾方面已積累了成功的實踐經驗，并可用于指導同類工程的設計。