庫區(qū)支流通航水域及設計通航水位的確定方法

劉曉帆，陳婷婷，何 熙，陳 剛

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

金沙江流域內(nèi)水力資源豐富，根據(jù)2003年水力資源復查成果，金沙江干支流水力資源理論蘊藏量平均功率121.020 GW，占長江全流域理論蘊藏量的43.6%，是我國重要的水電基地。攀枝花—宜賓為金沙江下段，區(qū)間流域面積21.4萬km2，河段長768 km，河道平均比降0.93‰。金沙江下段規(guī)劃的烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個梯級均為高壩大庫，最大壩高分別為265、289、278、162 m，4個梯級建成后將分別形成200、183、194、157 km的深水庫區(qū)航道，同時使位于庫區(qū)內(nèi)的支流航道通航條件極大改善，使得原本不通航的支流具備通航條件。目前向家壩、溪洛渡電站均已下閘蓄水，白鶴灘、烏東德電站也已開工建設。本文以溪洛渡庫區(qū)支流溜筒河為例，分析研究位于高壩庫區(qū)內(nèi)支流航道的通航水域和設計通航水位的推求方法[1]。

1 航道條件

溜筒河位于四川省涼山州雷波縣南部，是金沙江左岸一級支流，屬于美姑河流域。美姑河干流全長170 km，美姑大橋以上為美姑河，美姑大橋至河口段55 km河段穿行于高山峽谷之中，水流湍急，過去因無橋無船只能用藤索滑至彼岸，故稱溜筒河。溜筒河流經(jīng)美姑縣、雷波縣，于雷波縣沙坪子村匯入金沙江，匯合口下游37 km為已建金沙江溪洛渡樞紐壩址。雷波縣境內(nèi)溜筒河沿岸兩側(cè)坪頭、莫紅、巴姑等磷礦探明儲量超過1.9億t。研究河段是典型的山區(qū)河流，天然落差超過120 m，平均比降高達10.9‰。溪洛渡樞紐修建前，研究河段水面窄、比降大、流速急、流態(tài)紊亂，不具備通航條件；溪洛渡樞紐修建后，溜筒河航道條件得到根本性改善，溪洛渡正常蓄水位600 m時溜筒河回水里程為15.6 km到雷波縣莫紅鄉(xiāng)附近，輻射覆蓋沿岸各大磷礦，具備發(fā)展水路運輸?shù)膬?yōu)良條件，有條件成為沿岸磷礦等礦產(chǎn)資源運輸?shù)乃\通道。目前，溜筒河航道尚未被認定為通航水域，航道等級不明確。

2 通航水域的確定

2.1 溪洛渡壩前水位綜合歷時曲線

收集溪洛渡梯級2013年5月4日—2018年10月31日2:00、8:00、14:00、20:00的水位，計算得到每日平均水位，從而得到溪洛渡蓄水完成后的逐年不同保證率下的水位(表1)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，各保證率下的上游水位在各年份間有明顯波動，在溪洛渡梯級蓄水試運營期間(2013年11月—2014年6月)壩前水位明顯偏低。本次溪洛渡壩前水位綜合歷時曲線[2]成果采用去除試運營期間的壩前水位的統(tǒng)計成果(表1最后一行)。溪洛渡壩前水位綜合歷時曲線如圖1所示。

表1 溪洛渡壩上不同保證率P下的水位

圖1 溪洛渡壩前水位綜合歷時曲線

2.2 溜筒河航道起點

溪洛渡梯級正常蓄水位回水長度15.6 km，其中常年回水區(qū)8.5 km，變動回水區(qū)7.1 km。根據(jù)研究河段實測地形圖并結(jié)合溪洛渡壩前水位綜合歷時曲線(圖1)確定各級特征水位下溜筒河回水里程、卡口河寬、通航保證率(表2)，各級特征水位的水邊線如圖2所示。

圖2 溜筒河各級特征水位下水邊線

表2 研究河段各級特征水位下回水里程、卡口河寬、通航保證率

由于天然情況下的溜筒河不具備通航條件，只有成為庫區(qū)后才可能滿足通航條件，因此航道起點應位于15.6 km回水范圍內(nèi)。

當研究河段水位為溪洛渡壩前保證率95%、水位548.31 m時，溜筒河回水長度9.0 km，回水范圍內(nèi)河面寬度44～314 m。當研究河段水位為庫區(qū)汛限水位560 m(通航保證率為82.8%)時，溜筒河回水長度13 km，回水末端接近莫紅磷礦，回水范圍內(nèi)河面寬度21～350 m，10 km以下河段航道條件較好，河面寬度為48～350 m，最小水深大于6 m，彎曲半徑大于480 m；10 km以上河段受兩岸地形限制，山壁陡峭，河道狹窄，航道條件較差，其中10～10.5 km段水面寬度36 m，10.8 km卡口處河寬僅21 m，不滿足Ⅴ級以上單線航道寬度22 m標準[3]，若采取山體切除工程措施，工程投資大且對環(huán)境破壞較大。此外，10 km以上河段為峽谷段，河道較窄，沒有優(yōu)良的碼頭岸線可利用。根據(jù)回水里程、水位保證率、航道條件、礦產(chǎn)資源分布、碼頭作業(yè)區(qū)規(guī)劃等因素綜合分析論證，溜筒河航道起點宜設置在航道里程10 km處，即溜筒河的通航水域為河口以上10 km范圍。

3 通航等級的確定

當水位為溪洛渡壩前死水位540.00 m時，溜筒河8.5 km回水范圍內(nèi)河段水深條件較好，河段較為寬闊，僅在航道里程7 km處受左岸山體深入江心擠占河道影響，最小河寬為40 m。當水位為溪洛渡壩前保證率95%水位548.31 m時，溜筒河9.2 km回水范圍內(nèi)河段水深條件較好，河面寬度44～314 m。當水位為溪洛渡汛限水位560 m時，溜筒河10 km回水范圍內(nèi)河段河面寬度48～350 m，最小水深大于6 m。從各級特征水位下航道寬度及水深條件來看，在采取少量航道整治等工程措施的基礎上，研究河段航道等級至少滿足Ⅲ級單線航道尺度(2.0～2.4)m×30 m×480 m(水深×航寬×彎曲半徑)的要求[4]。

除水深、河寬條件外，航道等級的確定還受到彎曲半徑、臨跨河建筑物通航凈空尺度等因素的影響。研究河段彎曲半徑較大，各級特征水位下均大于480 m，臨跨河建筑物以及過江電纜通航凈空尺度較大，均能滿足Ⅲ級及以上航道等級的要求。

同時，研究河段位于溪洛渡壩址上游37 km處，干流金沙江航道等級規(guī)劃為內(nèi)河Ⅲ級及以上，為避免干支航道等級的不一致造成中轉(zhuǎn)困難，結(jié)合航道的基礎條件，確定研究河段溜筒河航道等級為內(nèi)河Ⅲ級航道。

4 設計通航水位

4.1 設計最高通航水位

溜筒河航道擬規(guī)劃為Ⅲ級航道，根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》，Ⅲ級航道設計最高通航水位應采用溪洛渡壩前水位為正常蓄水位時的20 a一遇回水曲線。根據(jù)溪洛渡水庫(支流溜筒河庫區(qū))回水計算成果[5]，推求溜筒河航道沿程設計最高通航水位，如表3所示。

表3 溜筒河航道設計最高通航水位

4.2 設計最低通航水位

4.2.1常年回水區(qū)

溜筒河多年平均流量為33.7 m3/s，枯水期來流量更小，在溪洛渡樞紐回水范圍內(nèi)，溜筒河航道水位主要受下游溪洛渡電站壩前水位控制，可忽略溜筒河的回水比降。溜筒河航道擬規(guī)劃為Ⅲ級航道，樞紐上游設計最低通航水位應采用多年歷時保證率95%的入庫流量與相應的壩前消落水位組合，以及壩前死水位或最低運行水位與相應的各級入庫流量組合，得出多組回水曲線，取其下包線作為沿程各點的設計最低通航水位。因此，在忽略溜筒河回水比降的情況下，溜筒河常年回水區(qū)8.5 km航道設計最低通航水位為溪洛渡樞紐的死水位540.00 m。

4.2.2變動回水區(qū)

4.2.2.1方案

1)方案1：變動回水區(qū)段設計最低通航水位采用溪洛渡壩前保證率95%水位548.31 m時，其在溜筒河回水位置為航道里程9.0 km處。9.0～10.0 km航道因地形大部分高于設計最低通航水位548.31 m，因此需要開挖一條長1.0 km、深3.0～3.5 m、直線段底寬為30 m的通航明渠，并需要在航道末端開挖范圍適宜的停泊及回旋水域，方便船舶安全停靠以及掉頭。

2)方案2：變動回水區(qū)段設計最低通航水位采用溪洛渡庫區(qū)汛限水位560.00 m時，溜筒河回水里程為13.0 km。研究河段范圍(0～10 km)內(nèi)航道彎曲半徑均大于480 m，最小水深超過6 m。若該段航道采用Ⅲ級單線標準，需要對9.0～9.5 km河段局部突嘴、卡口區(qū)域進行切除，使航道寬度滿足規(guī)范要求。

4.2.2.2方案比較

從整治工程量和投資的角度看，由于溜筒河平均河道比降高達10.9‰，1.0 km航槽最大開挖深度可達10 m以上，因此方案1航道開挖工程量及投資大，且開挖后航槽非常容易回淤，邊坡穩(wěn)定性差，維護工作量大；方案2需要對局部不滿足航寬的突嘴、卡口進行切除，工程量及投資較小。從通航保證率和航道通過能力角度看，方案1在采取開挖1.0 km航槽后，該段航道的通航保證率可達到95%，滿足Ⅲ級航道設計最低通航水位保證率的要求；方案2采用溪洛渡汛限水位560.00 m作為該段航道的設計最低通航水位，該水位保證率可達到82.8%(圖1)，每年減少的通航天數(shù)約為45 d，對該段航道通過能力影響相對較小。

根據(jù)航道整治工程措施可行性、航道整治工程投資、通航保證率以及航道通過能力等綜合分析，確定溜筒河變動回水區(qū)(8.5～10.0 km)航道的設計最低通航水位采用溪洛渡梯級汛限水位560.00 m，即采用方案2。

5 結(jié)語

1)山區(qū)河流高壩大庫建成后，形成了長距離深水庫區(qū)航道，同時使位于庫區(qū)內(nèi)的支流航道通航條件極大改善，使得原本不通航的支流具備通航條件。亟需開展庫區(qū)支流航道通航水域確定、航道等級論證以及航運規(guī)劃等相關工作。

2)由于庫區(qū)支流航道是由庫區(qū)回水形成，因此通航水域、航道等級與設計通航水位的確定相互關聯(lián)。首先，根據(jù)壩前水位回水里程、水位保證率、航道條件、礦產(chǎn)資源分布、碼頭作業(yè)區(qū)規(guī)劃等因素綜合分析論證庫區(qū)支流航道的起點，確定通航水域；之后再根據(jù)水深、河寬、彎曲半徑等航道條件、臨跨河建筑物通航凈空尺度、下游干流航道規(guī)劃等級等因素確定庫區(qū)支流航道等級；最后確定支流航道設計最低通航水位。

3)由于山區(qū)支小河流比降大、流量小，開挖航槽投資大且對環(huán)境破壞較大，因此不宜為了延長庫區(qū)支流航道而進行開挖航槽。

4)庫區(qū)支流航道設計最低通航水位應區(qū)分常年回水區(qū)和變動回水區(qū)，常年回水區(qū)的設計最低通航水位應取梯級最低運行水位(死水位)，而變動回水區(qū)的設計最低通航水位需要根據(jù)航道整治工程措施可行性、航道整治工程投資、通航保證率以及航道通過能力等進行綜合分析確定。如果變動回水區(qū)較長，必要時也可對變動回水區(qū)進行分段確定設計最低通航水位。