向家壩電站泄洪對航運的影響分析

陳剛 賴見令

摘 要：汛期發電調度應服從防洪調度，并兼顧航運調度，為摸索向家壩電站泄洪工況下對航運安全的影響，組織開展了不同流量級泄洪工況下實船通航試驗，試驗結果表明，向家壩升船機當前最大通航流量可由7900m?/s（樞紐泄洪不超過1500m?/s）調整為：①1000噸級標船：最大通航流量為8500m?/s（樞紐泄洪不超過2200m?/s）;②500噸級以上非標船：最大通航流量為7500m?/s（樞紐泄洪不超過1000m?/s）。

關鍵詞：水電站;通航;泄洪;船舶

中圖分類號：U644? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0054-02

1 前言

向家壩水電站壩址位于四川省宜賓市敘州區和云南省水富市交界的金沙江峽谷出口處，電站以發電為主，兼有防洪、航運、灌溉、攔沙及反調節等綜合功能。通航建筑物布置在樞紐左岸，采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級垂直升船機，按Ⅳ級航道標準設計，最大提升高度114.2米，設計年貨運量112萬噸。電站于2006年11月開工建設，2012年11月首臺機組投產發電，2014年7月7日8臺機組全面投產發電，2018年5月升船機正式試通航。

根據《金沙江向家壩水庫運用與電站運行調度規程》，向家壩工程設計開發任務以發電為主，同時改善航運條件，兼顧防洪、灌溉，并具有對溪洛渡水電站進行反調節等作用。向家壩水電站正常運行期運行調度的主要任務是在確保工程安全的前提下，協調發電、航運、防洪、灌溉等綜合利用功能的關系，充分發揮工程綜合利用效益。汛期發電調度應服從防洪調度，并兼顧航運調度，滿足設計通航條件。本文主要探究向家壩電站不同泄洪工況時對電站近區航運安全的影響，通過開展實船通航試驗，以實測數據指導優化電站日調節和大壩泄洪調度，為電站運行和航運協調提供科學依據。

2 航運對水力特性相關要求

根據JTJ305-2001《船閘總體設計規范》的相關規定，在船舶過壩期內，引航道口門區水流條件應滿足以下要求：平行航線的縱向流速應不大于2m/s，垂直航線的橫向流速不大于0.3m/s，回流流速不大于0.4m/s。向家壩電站非恒定流物模試驗研究表明，在設計的通航流量范圍內（1200m3/s～12000 m3/s），按照下游水位最大日變幅暫按不超過4.5m/d控制，最大小時變幅暫按不超過1.0m/h試運行的水位變幅控制，引航道口門區平行航線的縱向流速可滿足規范要求，但日調峰運行的高水時段和樞紐泄洪時，引航道口門區仍將產生一定程度的橫流和局部回流，船（舶）隊進出引航道時需注意安全、謹慎駕駛。

3 電站泄洪對航運的影響分析

3.1 實船試驗

為研究向家壩電站發電、泄洪等不同運行工況下對電站近區航運的影響，根據《金沙江向家壩水電站升船機特殊單項工程驗收大綱》及《金沙江向家壩水電站升船機試通航前驗收鑒定書》的要求，向家壩升船機組織開展了兩個階段的實船試航試驗，第一階段為不泄洪工況，第二階段為不同泄洪流量工況。

3.1.1 第一階段實船試驗

向家壩升船機第一階段實船試航于2018 年1月21 日～27 日開展，實船試航組次共22 組次（含防撞測試的船舶上下行及配合船舶的2 次上行），包括輔助閘室投用與不投用兩種工況下貨船（空載、重載）、客船過機試驗，船舶超設計吃水試驗，船舶夜航試驗，防撞裝置撞擊試驗等，實船試航結果并結合數學模型計算、物理模型試驗、原型觀測等成果分析表明，在不泄洪情況下，機組滿發流量6400m3/s 以下，升船機上、下游航道通航水流條件滿足規范要求，船舶可安全進出下游引航道及口門區，滿足第一階段機組滿發流量6400m3/s 以下試通航要求。

3.1.2 第二階段實船試驗

為驗證向家壩水電站機組滿發+泄洪條件下，下游引航道、口門區及連接段通航水流情況（實際出力560）;檢驗不同動力條件下，不同船型通過引航道、口門區及連接段通航水流情況;驗證設計通航流量上限;與第一階段實船試航中向家壩升船機下游引航道口門區實船試航（泄洪750m3/s）進行對比，探討不同泄洪工況對船舶通過口門區影響。向家壩升船機第二階段泄洪工況實船試航于2018 年9 月20 日-22 日開展。共計7350m3/s（泄洪1550 m3/s）、6800m3/s（泄洪1000 m3/s）、7700m3/s（泄洪2000m3/s）、8250m3/s（泄洪2500m3/s）等4 個量級工況。

3.1.3 補充實船試驗

由于第二階段泄洪工況下實船試航測試工況機組均未滿發，受洪水調控困難影響，參試船舶樣本較少，為進一步提升向家壩升船機可安全通航流量標準，掌握多樣本船舶在泄洪工況下的航行特性，對向家壩升船機進行了補充實船試驗。補充實船試航于2019 年7 月19 日-20 日及8 月15 日分階段開展。共計7900m3/s（泄洪1500m3/s）、7900m3/s（泄洪2000m3/s）、7900m3/s（泄洪2500m3/s）、7900m3/s（泄洪3100m3/s）4 個量級工況。

3.2 泄洪通航安全分析

3.2.1 泄洪狀態下的通航流量

經過不同泄洪流量下實船試航情況看，升船機整體運行平穩，升船機及助導航設備設施性能良好、船舶安檢調度組織科學合理。根據《向家壩升船機第一階段實船試航成果報告技術評審意見》有關結論，出庫流量6400m3/s（泄洪不超750m3/s）工況條件下，船舶可安全進出口門區。根據第二階段實船試航8250m3/s（泄洪2500m3/s）工況下升船機運行、水動力學及船舶等觀測成果，結合試航船舶航行特性、口門區通航水流條件等分析，綜合認為電站總出庫流量8900m3/s（泄洪不超2500m3/s）工況下，1000 噸級船舶可安全進出口門區，由于下游引航道口門區水流條件復雜，影響因素較多，在試通航過程中，應繼續加強觀測，總結經驗，探索進一步提高最高通航流量標準的可能。

3.2.2 泄洪對升船機的影響

升船機船廂無船靜水時，船廂水面非常平穩，各測點波動小于0.5cm。船廂升降運行全程，船廂內水面平穩，波動2～4cm 左右，與船廂關門前廂內初始波動有關，船廂門關閉后，船廂水面在3～5min內可基本恢復平穩狀態，不會對船舶及升船機運行產生不利影響。船廂調整水深時，未發現不良流態，船廂水面波動較小，波動約3～5cm。

在大流量泄洪工況試航，輔助閘室投入運行，升船機下游對接條件較優，不存在非恒定流波動影響，故在對接過程中產生的不平衡荷載很小，鎖定機構受力總體較小，實測支承油缸最大受力約40t，合力最大約200t，總體在設計允許范圍之內（單只支撐油缸額定載荷為150t）。船廂在容許的10cm 對接水位差條件下對接，鎖定機構合力波動約200t，較正常對接工況波動（60～100t）明顯增大，但各鎖定裝置受力仍遠小于設計承載力。

總體上看，船舶進出船廂航速較低，最大船速基本能控制在0.5m/s 以內，船舶進廂綜合下沉量總體較小，均在10cm 以內，船舶出廂綜合下沉量正常在15cm 左右，最大值為23.1cm，受對接水位差影響較大。船舶綜合下沉量是水面波動與船舶航行下沉的疊加，對于2.0m 吃水的代表性船舶，船舶航速控制在0.5m/s 內，因航行引起的下沉在10cm 以內，略小于水面波動引起的船舶下沉，過機船舶不存在觸底風險。

3.2.3 泄洪時口門區通航水流條件對通航的影響

在補充試航期間，完成了出庫流量7900m3/s、8400m3/s、8900m3/s、9500m3/s 四個工況下游引航道口門區通航水流條件觀測。從測試結果可以看出，口門區流速隨出庫流量增大而增大，口門區范圍內縱向流速最大在2.5m/s，即使超過2m/s 的規范限值，對船舶順利進出引航道不產生大的影響。實測最大回流流速已遠超出規范要求，但較大的回流流速出現在岸邊，從流場結構和船舶航跡線可以看出，船舶不經過岸邊回流區，因此不受其影響。口門區實測范圍內橫向流速隨流量增大也有明顯的增大，但由于超標范圍不大，且船舶看水行駛，減小了橫流的影響，因此船舶在8900m3/s、9500m3/s 條件下，依然能夠通過口門區。

4 建議

升船機試通航后，通過不斷完善航行基礎設施、船舶監測手段、調度方式等，通航能力穩步提升。特別是經過泄洪工況下的實船通航試驗，為下一步向家壩升船機泄洪工況下試通航及通航驗收提供了可靠的數據支撐。將泄洪狀態下的通航流量由之前6400m3/s（泄洪不超750m3/s）上升到7900m3/s（泄洪不超1500m3/s），結合補充實船試驗，向家壩升船機最大通航流量可由7900m?/s（樞紐泄洪不超過1500m?/s）調整為：①1000噸級標船：最大通航流量為8500m?/s（樞紐泄洪不超過2200m?/s）;②500噸級以上非標船：最大通航流量為7500m?/s（樞紐泄洪不超過1000m?/s）。當電站流量級別接近通航流量上限附近時，需要做好來水的預測和提前預警，研究建立臨時停航預警機制和正式停航信息發布機制。