基于航運優先的河床式樞紐布置和施工導流設計

黨 勇

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

河床式樞紐通常由泄洪、通航及發電建筑物組成。在通航河流上建設的河床式樞紐工程，其選址一般會選擇在河道相對較寬、水深較淺或河道中有沙洲或河叉、下游有足夠長度的順直河道段，方便通航建筑物、泄洪建筑物的布置和施工導流布置，如飛來峽水利樞紐、長洲水利樞紐、葛洲壩水利樞紐工程等，都是典型的工程選址和樞紐布置；在不具備上述自然條件的丘陵區河道進行河床式樞紐布置，要綜合考慮行洪、通航、發電和水庫淹沒等各種因素的影響，通航建筑物應具備安全、順暢的通航條件，泄洪建筑物需有足夠大的泄水規模，施工期的導流設計要盡量減小對河道航運影響。這些要求增加了丘陵區通航河道的樞紐布置和施工導流設計的難度。本文以利澤航運樞紐為例，介紹在丘陵區寬度不大的河道上，河床式樞紐布置、施工導流及施工期通航方案的設計。

1 工程概況

利澤航運樞紐是嘉陵江廣元至重慶段17個規劃梯級中的第15個梯級樞紐，其上下游為已建成的四川省武勝縣的桐子壕航電樞紐和重慶市合川區的草街航電樞紐。利澤航運樞紐工程開發任務為以航運為主、航電結合、以電促航。工程為河床式樞紐，主要建筑物有船閘、泄洪沖沙閘、電站、魚道等。工程為Ⅱ等大(2)型[1]。水庫正常蓄水位210.725m。

2 樞紐布置條件

2.1 壩址水文條件

利澤航運樞紐位于嘉陵江中游廣元至合川段的利澤河段，壩址以上流域面積81100km2，多年平均流量828m3/s，洪水流量較大，設計洪水33300m3/s時，壩址處河道水深約27.3m，校核洪水45700m3/s時，水深約34.6m，施工期10年一遇洪水流量20500m3/s，水深約20m。河道洪水具有流量大、流量變幅大和水深大的特點。

2.2 壩址地形地質條件

壩址河段位于四川盆地腹部丘陵區。區內海拔高程一般200～350m，地勢北高南低，嘉陵江河道由北向南蜿蜒回旋，呈蛇曲狀延伸。沿江漫灘、階地廣布、河谷寬闊，多為不對稱的“U”型谷。壩址處于天然河道比較舒緩的河彎處，左岸為凹岸，主河槽在左岸，左岸為基巖岸坡，右岸呈臺階狀地形，地勢相對平緩，左岸陡右岸緩，兩岸階地高程235m以上。河道有漫灘分布，河底高程約200.0m。正常蓄水位時水面寬400～440m。

樞紐區出露地層主要為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖等一套河湖相沉積的碎屑巖，兩岸、河床的基巖基本一致，壩址兩岸均見出露。樞紐區屬單斜地層，巖層產狀近于水平。未見斷層發育。

2.3 業主的設計要求

利澤航運樞紐壩址位于重慶市合川區，水庫長度約2/3位于四川省武勝縣。目前利澤樞紐上下游河道已基本實現渠化，相關的航道、港口碼頭建設均已基本完成，利澤河段的低等級航道是嘉陵江航運的瓶頸。

工程建設業主提出要求，樞紐工程要布置好永久通航建筑物，同時工程施工期不斷航。這對于在利澤這樣河道寬度有限的丘陵區河道上，布置通航建筑物，并確保施工期不斷航，具有一定的難度和挑戰性。

3 航運優先的樞紐布置

3.1 樞紐布置選擇

河床式樞紐工程有泄洪、通航、發電3大建筑物，3大建筑物位置的確定是樞紐布置重點。本工程為嘉陵江梯級渠化工程樞紐，樞紐布置執行交通運輸部的規范[2- 3]要求。由于樞紐建筑物不具備分散布置的地形條件，樞紐建筑物采用集中布置方式。壩址河道呈“S”形河彎，左岸為凹岸，右岸為凸岸，主河槽位于左側，下游有順直段河段。為了工程的安全和順暢宣泄洪水，泄洪建筑物一般布置在主河道上，通航和發電建筑物可以根據條件選擇在同岸或異岸布置。樞紐工程處于丘陵區河道寬度不大的地形條件，如采用同岸布置，通航和發電建筑物會占據部分主河道，泄洪建筑物就要在另岸進行擴挖，不僅行洪不順暢，也很難滿足施工期臨時通航的要求，工程投入大；通航和發電建筑物異岸布置可以較好地解決上述問題。船閘與電站布置采用異岸布置形式。

樞紐布置擬定右船閘左電站和左船閘右電站2個方案進行選擇。左船閘右電站方案順應河勢地形，首先考慮滿足航運要求，船閘布置于左側主河槽，有利于船只進出船閘，上下游引航道與河道銜接暢順，避免大規模的航槽開挖；14孔泄洪沖沙閘布置在河道中間，有利于泄洪和消能防沖；電站進水渠及尾水渠在平面上可沿岸呈斜曲線布置，避免較多的開挖工程量。經比較選定左船閘右電站中間泄洪沖沙閘的樞紐布置方案。

3.2 樞紐布置

樞紐布置以船閘布置為中心，首先確定船閘軸線。由于河道主河槽位于左側，為便于船只順利進出船閘，上下游引航道與主河槽連接，船閘置于河道左側。左岸坡較陡，基礎條件好，為減少開挖工程量，船閘靠左岸坡腳布置。泄水建筑物布置于河道中部，行洪順暢。電站廠房布置于泄水建筑物右側。魚道布置在有常流水的電站側。

樞紐壩頂全長569.63m，沿壩軸線從左到右依次為：左岸重力連接壩段、船閘門庫段壩段、船閘上閘首、泄洪沖沙閘門庫段壩段、泄洪沖沙閘、電站廠房、右岸連接壩段；壩頂上游側布置貫穿整個樞紐的壩頂交通公路。壩頂高程238.50m。樞紐布置充分利用地形條件，具有功能齊全、布置緊湊、水流順暢、工程量小的特點。

通航建筑物船閘上行采用直線進閘、曲線出閘的過閘方式；下行采用曲線進閘、直線出閘的過閘方式。船閘由上、下游引航道，上、下閘首及閘室組成，全長1119.55m。上、下游引航道均與河道主河槽連接。上游引航道在水庫內，水深滿足要求，航道基本呈左右對稱布置，底高程207.3m，長度365m；為減小開挖工程量，下游引航道向河道側單邊擴寬，底高程199m，長度497.05m。

工程所在河段規劃的航道和船閘均為Ⅳ級，通過500t級船舶。為改善航道水流條件，船閘上下游航道經模型試驗驗證[4- 5]，采用上游布置2條潛丁壩(頂高程207m)、下游布置2條丁壩(頂高程209m)、下游分水墻尾部布置鏤空段等工程措施，上下游引航道口門區在流量Q≤16400m3/s(最大通航流量)情況下，水流條件基本能滿足規范規定的縱向流速≤2.0m/s，橫向流速≤0.3m/s，回流速≤0.4m/s的標準，滿足安全通航要求。

泄水建筑物由14孔凈寬14m的泄洪沖沙閘組成。泄洪沖沙閘布置于河床中間，為平底寬頂堰，堰頂高程200m，閘室內設平板工作閘門和平板檢修閘門。泄洪沖沙閘下游布置消力池，按施工導流布置要求，消力池分為4個區，從左至右Ⅰ區(1#、2#閘孔)、Ⅱ區(3#—6#閘孔)、Ⅲ區(7#—12#閘孔)、Ⅳ區(13#、14#閘孔)，其中Ⅰ區、Ⅱ區之間和Ⅲ區、Ⅳ區之間布置高導墻(對應全年縱向圍堰)，Ⅱ區、Ⅲ區之間布置低導墻(對應三枯縱向圍堰)。經模型試驗驗證[5- 6]，泄水建筑物泄洪規模和布置合理，行洪順暢。

電站廠房布置在河床右岸，為河床式電站廠房。魚道布置在河床右岸， 從右岸連接壩段穿過，進口和出口位于電站下游尾水渠、電站上游進水渠右側擋墻上。

樞紐布置圖如圖1所示。

圖1 樞紐布置圖

經模型試驗驗證[6- 7]，樞紐工程建筑物布置合理，船閘上下游水面銜接、水流條件良好，泄水建筑物行洪順暢。

4 航運優先的施工導流布置

施工導流設計和施工期通航，執行交通運輸部和水利部相關規范[3，7]。

4.1 導流方式、導流時段和導流標準

工程為河床式開發，采用分期導流方式。

工程所在嘉陵江河段的水文特點是洪水流量大，洪枯流量及水位變幅大，應充分利用枯水期進行施工，以盡量保留較大的導流寬度，保證施工期通航條件。選取導流時段枯水時11月—翌年4月。船閘、電站分別布置于左、右兩岸，為了船閘能盡快滿足通航條件，減少對河道通航的影響，船閘盡可能保證全年施工；為了電站機組盡早投產發電，電站廠房需盡可能保證全年施工。

4.2 導流方案

按樞紐壩址所處的條件，在寬度不大的丘陵區河道若采用1條施工導流的全年縱向圍堰，分別進行左右岸施工，由于施工期洪水流量大，行洪斷面寬度不夠，需要對岸邊階地進行擴挖，擴挖后的明渠內流態要滿足通航要求，永久建筑物與岸邊需要連接，工程投入較大。為此，樞紐施工導流方案采用枯水圍堰施工泄洪沖沙閘、全年圍堰施工船閘和電站的多期導流方式。

樞紐工程主要建筑物為左岸船閘、中間泄洪沖沙閘及右岸電站廠房等3大建筑物，擬定2個導流方案選擇。

導流方案一(優先通航，先施工船閘后施工電站廠房，不斷航)：一枯左岸圍船閘及相鄰6.5孔閘，船閘全年施工，右岸疏浚導流明渠泄洪通航；二枯圍右岸電站廠房；三枯圍右岸電站廠房及余下7.5孔閘，電站廠房全年施工。

方案二(優先發電，先施工電站廠房后施工船閘，斷航)：一枯右岸圍電站廠房及7.5孔閘，電站廠房全年施工，左岸束窄河床過水；二枯圍左岸船閘及余下6.5孔閘，已建好的5孔閘過流；三枯圍船閘，已建好的8孔閘過流。

經比選，方案一優于方案二，且響應業主施工期不斷航的要求，確定采用方案一導流方案，即先施工船閘后施工電站廠房，施工期不斷航。

4.3 導流程序

一枯(第2年11月—第3年4月)枯水圍堰圍左岸6.5孔泄洪沖沙閘、船閘及門庫，右側河床導流、通航。期間在枯水圍堰保護下，6.5孔泄洪沖沙閘、船閘施工，完成船閘縱向混凝土圍堰和三枯縱向混凝土圍堰，完成船閘上、下游全年土石圍堰。第3年4月拆除一枯圍堰。

一汛(第3年5月—第3年10月)，已建好的4孔泄洪沖沙閘和右側河床過流、通航；船閘在全年圍堰保護下繼續施工，6孔閘上部結構施工和金屬結構安裝。

二枯(第3年11月—第4年4月)枯水圍堰圍右岸電站廠房，中間縮窄成寬55m河床航槽及已建好的4孔泄洪沖沙閘通航、過流。期間船閘、電站廠房施工。第3年12月底前完成左側泄洪沖沙閘閘門安裝；第4年2月底前完成船閘工程施工和設備安裝。第4年4月底前拆除右岸二枯圍堰、拆除左岸船閘全年圍堰，6月底船閘具備通航條件。

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二汛(第4年5月—第4年10月)電站廠房基坑過水，船閘通航。

三枯(第4年11月—第5年4月)枯水圍堰圍電站廠房及余下7.5孔泄洪沖沙閘，已建好的6孔閘過流。期間泄洪沖沙閘施工，電站廠房施工，汛前完成電站廠房全年圍堰，拆除三枯圍堰。三枯通過已建好的6孔閘的閘門控制上游水位達到210.3m，滿足船閘通航最低水位要求，船閘通航。

三汛(第5年5月—第5年10月)電站廠房在全年圍堰保護下繼續施工，已建好的12孔泄洪沖沙閘過流，閘門控制上游水位達到210.3m，滿足船閘通航最低水位要求，船閘通航。

四枯(第5年11月—第6年4月)電站廠房繼續在全年圍堰保護下施工，已建好的12孔閘過流，閘門控制上游水位達到210.3m，滿足船閘通航最低水位要求，船閘通航。汛前拆除電站廠房全年圍堰。

四汛后(第6年5月—工程完工)電站廠房在進出口檢修門擋水條件下繼續進行機組安裝，電站4臺機組依次投入運營。

按照確定的施工導流方案和導流程序，基本滿足了施工期不斷航的要求。

4.4 導流建筑物

根據施工導流方式和導流程序，工程施工期布置有3條枯水圍堰，2條全年圍堰，共有5條縱向圍堰，其中1條枯水縱向圍堰和2條全年縱向圍堰為混凝土圍堰，3條縱向混凝土圍堰對應泄洪沖沙閘閘墩和消力池導墻。

圍堰堰頂高程按枯水期和全年10年一遇洪水位加波浪爬高和安全超高確定，其中三枯上游圍堰堰頂高程按三枯期已建成泄洪沖沙閘調控船閘臨時通航最低水位加波浪爬高和安全超高確定。

一枯圍堰、二枯圍堰(上下游和縱向)、三枯上下游圍堰為土石圍堰，迎水面拋石護坡；一枯、二枯圍堰的縱向圍堰迎水面為航道，采用鋼筋石籠護坡；全年上、下游圍堰為土石圍堰。3條縱向混凝土圍堰，為重力式斷面。其中一枯圍堰長度1340m；船閘全年圍堰(縱向和橫向圍堰)最大高度28m，圍堰長度上橫140m、縱圍616m、下橫100m。導流圍堰布置和導流建筑物布置通過模型試驗驗證[4，8]。

施工導流設計，具有導流分期多，導流建筑物多、工程量大、圍堰拆除工程量大的特點。

5 施工期通航

5.1 通航現狀

利澤航運樞紐位于嘉陵江南充—合川段，現為Ⅴ級航道。此河段通航船舶主要是100～300t自航機動駁船，適應自航流速2～2.5m/s，汛期偶有500t船舶通行，適應2.5～3.0m/s流速能自航。樞紐壩址處現狀航道寬15～25m，航深1.1m，流速1.2m/s。嘉陵江部分航道現狀見表1。

表1 嘉陵江部分航道現狀

5.2 施工期通航條件

工程選定的施工期通航方案為：一枯、一汛期間(第2年11月—第3年10月)，由束窄后右側河床通航；二枯、二汛期間(第3年11月—第4年10月)由中間河床通航；三枯后(第4年11月起)船閘具備通航條件。

通過調查上下游河道通航現狀，并參照國內工程施工期通航實踐經驗，河段安全通航流速控制為2.5m/s。施工導流方案通航條件經模型試驗驗證，一枯由束窄后右側河床通航，航槽底寬60m，長度512.2m，底高程200m，最小航深2m，流速小于2.5m/s，最大自航流量1260m3/s；二枯由中間河床通航，航槽底寬55m，長度406m，底高程200m，最小航深2m，流速小于2.5m/s，最大自航流量1260m3/s。施工通航保證率高，施工期可安全通航。通航條件通過模型試驗驗證[8]。各個導流分期的施工期通航指標見表2。

表2 施工期通航指標

5.3 施工期停航

按照施工導流方案，施工過程中基本實現了不斷航施工的要求，但是在特殊時段還是需要安排短時間停航。根據施工進度安排，三枯圍堰截流期由于上游水位降低、不滿足船閘最低通航水位要求，河道需要臨時停航，停航時間約為30d；三枯圍堰拆除和電站全年圍堰拆除期間，因為需要降低水庫水位或圍堰拆除爆破安全原因，通航會受到影響，會臨時安排停航。

6 結語

利澤航運樞紐根據壩址地處丘陵地區，河道蜿蜒回轉，洪水流量大、流量變幅和水深大的實際條件，考慮永久和施工期的航運要求，研究在有限的河道寬度上進行樞紐布置和施工導流布置，永久建筑物布置緊湊，功能齊全，通航建筑物通航條件好；施工分期導流合理，導流設計優先船閘施工，利用河床導流明渠很好地解決了施工期臨時通航問題。利澤航運樞紐布置和施工導流設計，滿足了工程建設及業主的需求，基本確保了施工期河道不斷航。