融江已建古頂船閘通航條件評價與改善措施研究

作者簡介：紀(jì)懿桓（1979—），碩士，高級工程師，主要從事水運(yùn)工程設(shè)計、咨詢、建設(shè)管理工作。

摘要：針對融江已建古頂船閘在實(shí)際的運(yùn)行過程中通航水流條件較差、可通航天數(shù)及通航保證率偏低的情況，文章構(gòu)建了已建船閘通航條件評價內(nèi)容體系及評價方法，通過原型觀測和數(shù)值模擬手段，結(jié)合設(shè)計資料及運(yùn)行數(shù)據(jù)，對古頂水電站船閘工程的通航條件進(jìn)行復(fù)核和評價，并提出相應(yīng)的保障措施，如制定較為嚴(yán)格的通航標(biāo)準(zhǔn)、控制主河道下泄流量、在導(dǎo)流墩的下游側(cè)布置浮式結(jié)構(gòu)、在下游導(dǎo)流墩的下游側(cè)淺灘位置增設(shè)橫流標(biāo)識和淺灘標(biāo)識等，為船閘的正常運(yùn)行和管理提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：山區(qū)河流；已建船閘；礙航問題；通航條件；改善措施

中圖分類號：U612.32

0 引言

山區(qū)河流往往具有迂回曲折、暴漲暴落和水流條件復(fù)雜的特征，過去較長一段時間內(nèi)，在山區(qū)河流上建設(shè)樞紐多以防洪、發(fā)電為主，對航運(yùn)需求重視不夠，常出現(xiàn)較大的礙航問題。除了不設(shè)置通航建筑物導(dǎo)致斷航外，通航建筑物先天不足、通航條件較差和通航保證率較低也是常見現(xiàn)象，主要包括平面布置不合理、通航水位及建筑物高程不合理、口門區(qū)及連接段通航水流條件較差、通航建筑物結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險較高等^[1-3]。本文以廣西融江已建古頂水電站船閘工程為例，以理論分析為指導(dǎo)，以綜合運(yùn)用原型觀測、數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)檢測等手段^[4-5]獲得的技術(shù)參數(shù)為依據(jù)，開展已建船閘工程的通航條件評價，提出改善措施，為船閘的正常運(yùn)行和管理提供技術(shù)支持，也為同類型船閘工程通航條件改善提供借鑒。

1 河段及樞紐概況

柳江是貴州省黔東南地區(qū)、廣西北部地區(qū)及柳州市通往珠江流域其他水系和粵港澳的唯一水運(yùn)和出海通道，主河道長度750.5 km，總落差1 297 m，平均坡降為1.7%。其中中游河段即融江，河長為185 km，落差47.5 m，平均坡降為0.26%，該河段已建成麻石、浮石、古頂、大埔4座船閘。融江古頂水電站工程位于廣西融水苗族自治縣縣城下游18 km，是一個以發(fā)電為主，結(jié)合航運(yùn)的綜合性利用工程。水庫正常蓄水位102.00 m，死水位101.50 m，庫容0.647 5×10⁸ m³，有效庫容為440×10⁴ m³，裝機(jī)容量4×2.0×10⁴ kW，單機(jī)過水能力308.9 m³/s，多年平均發(fā)電量為33 181×10⁴ kw，屬低水頭徑流式中型水電站。

古頂水電站一線船閘等級為Ⅵ級，于2006年建成并投入使用，通航100噸級船舶，船閘工程布置在河道左汊主河左岸，有效尺度為80 m×8 m×1.5 m，預(yù)留300噸級建設(shè)位置。根據(jù)初步設(shè)計報告^[6]，船閘最大通航船只為100 t機(jī)動駁，船型尺度為32.05 m×7 m×1.0 m，設(shè)計年通過能力為110×10⁴ t。如圖1所示。

2 評價內(nèi)容與方法

針對已建船閘通航條件開展評價，應(yīng)包括圖2所示的相關(guān)內(nèi)容，尤其是通航水流條件和船舶操縱性能的評價，更是決定船閘保證率和船閘通過能力的重要依據(jù)。對于通航建筑物而言，其上下游引航道口門區(qū)及連接段的水流條件較為復(fù)雜，同時受電站發(fā)電、閘孔泄流、樞紐布置、水下地形、岸線河勢等因素的綜合影響，可能存在橫流、回流、橫向坡降等流態(tài)，可能對船舶的航行及操縱帶來不利影響。開展通航水流條件及船舶操縱性能評價，應(yīng)以理論分析為指導(dǎo)，如圖3所示，綜合原型觀測、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬試驗(yàn)等方法，研究和分析不同水文情勢下引航道口門區(qū)及相關(guān)水域的流場流態(tài)，定量獲得不同來流條件下引航道口門區(qū)的縱向流速、橫向流速等相關(guān)指標(biāo)。通過船舶運(yùn)動和操縱性能數(shù)值模擬，獲得船舶航行通過上下游引航道口門區(qū)及連接段時的舵角、漂角及漂移距等操縱性能參數(shù)。

3 通航條件評價

3.1 船閘平面布置

船閘工程全長616 m，按單側(cè)?？康群蜻^閘進(jìn)行設(shè)計，引航道及導(dǎo)航建筑物為不對稱形式布置，曲線進(jìn)閘，直線出閘。上游引航道直線段長120 m，寬25.0 m，口門區(qū)航行水域軸線微彎，彎曲半徑250 m，曲線長度約65 m，下游引航道直線段長120 m，寬25.0 m，口門區(qū)航行水域軸線微彎，彎曲半徑250 m，曲線長度約87 m，選址及平面布置型式符合規(guī)范要求。

3.1.1 引航道導(dǎo)航、調(diào)順、停泊段布置的合理性

已建船閘所處河道為幾字形轉(zhuǎn)彎河段，河道中心有江心洲，船閘工程位于主汊的左岸，上、下游口門區(qū)航道中心線微彎，船閘及引航道均通過陸地開挖的方式截彎取直，與現(xiàn)有航道順暢銜接。上下游引航道布置為不對稱型，引航道口門區(qū)河床穩(wěn)定，進(jìn)出閘方式均為“曲線進(jìn)閘、直線出閘”。上游引航道導(dǎo)航段按照兼顧導(dǎo)航與調(diào)順功能的線性要求設(shè)計，呈喇叭型布置，不另設(shè)調(diào)順段。停泊段布置于引航道左岸，均布置有靠船墩，可?？?艘100 t級貨船，引航道導(dǎo)航、調(diào)順、停泊段平面布置符合規(guī)范要求^[2]，布置合理。

3.1.2 引航道建筑物尺度等論證

（1）古頂水電站船閘工程的上下游引航道直線段長度均為120 m，大于按規(guī)范計算所得的112 m；引航道寬度為25 m，大于按規(guī)范計算所得的24.5 m；（2）古頂船閘上下游引航道口門區(qū)彎道段未進(jìn)行加寬，略小于規(guī)范要求；（3）上下游引航道口門區(qū)長度均滿足規(guī)范要求，寬度均為25 m，與引航道口門寬度一致，小于按規(guī)范計算所得的36.75 m，但經(jīng)過水流計算和船舶運(yùn)動模擬，船舶在上下游引航道航行時，偏移距均未超過1倍設(shè)計船寬，距岸邊線及建筑物仍有足夠的安全距離，口門寬度基本滿足要求；（4）古頂船閘最大設(shè)計代表船型滿載吃水1.0 m，上游引航道底高程100 m，最低通航水位101.5 m，滿足水深要求，下游引航道底高程91.9 m，下游最低通航水位應(yīng)設(shè)置為93.5 m，以滿足100 t船舶的通航水深要求。

3.1.3 引航道合理性

古頂船閘上、下游口門區(qū)分別位于上、下游彎道水域，通過連接段與主航道順接。上游連接段底部高程與口門區(qū)航道底部高程都是99.5 m；下游連接段底部高程與下游口門區(qū)航道底部高程相同，均為91.9 m；連接段航道尺度和通航水流條件均滿足規(guī)范要求。

3.2 設(shè)計通航水位及各部位高程

根據(jù)行業(yè)主管部門批復(fù)^[7]：上游最高、最低通航水位設(shè)計值分別為102.00 m和101.50 m，下游最高通航水位設(shè)計值為101.45 m，下游最低通航水位應(yīng)進(jìn)一步復(fù)核。據(jù)竣工資料^[8]，船閘建設(shè)后的閘室底高程、下游引航道底高程及門檻頂高程均為91.9 m，根據(jù)規(guī)范要求，船閘門檻水深應(yīng)大于1.6倍設(shè)計船型滿載吃水，因此，實(shí)際所采用的下游最低通航水位應(yīng)≥93.5 m（91.9 m+1.6 m）。

古頂水電站船閘通航建筑物，由上游引航道、上閘首、閘室、下閘首和下游引航道等組成，其主要水工建筑物有閘首、閘室、導(dǎo)航墻、分水墻、靠船墩及護(hù)坡等，通過核算，船閘主要部位高程符合規(guī)范要求。

3.3 通航水流條件

3.3.1 現(xiàn)場觀測結(jié)果

2021年5～6月在現(xiàn)場組織開展的水文測驗(yàn)^[9]表明，當(dāng)流量為1 871 m³/s時，最大縱向流速為0.78 m/s，最大橫向流速約為0.2 m/s；當(dāng)流量為3 009 m³/s時，最大縱向流速為1.12 m/s，最大橫向流速為0.23 m/s，均滿足規(guī)范要求。但下游受泄流影響，引航道口門區(qū)波浪較大，當(dāng)流量為2 900 m³/s時，其波高最大達(dá)0.5 m，使得船舶在口門區(qū)航行時的橫搖及偏移距增大，給船舶的安全航行和實(shí)際操縱帶來困難。

3.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

已建融江古頂船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段的水流條件較為復(fù)雜，水流數(shù)學(xué)模型研究結(jié)果表明：上游引航道口門區(qū)及連接段不存在明顯的回流結(jié)構(gòu)，當(dāng)上游來流量≤3 500 m³/s時，最大橫流小于規(guī)范的限定值；古頂水電站主河壩下近壩水域流場特征表現(xiàn)為典型的擴(kuò)散流，下游引航道口門區(qū)存在一定范圍的斜穿橫流和回流，當(dāng)主河來流量＞2 500 m³/s時，最大橫流和最大回流均超過規(guī)范的限定值。

引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件計算結(jié)果見下頁表1。

3.4 船舶操縱性能

根據(jù)船舶航行經(jīng)過上游船閘引航道口門區(qū)的計算結(jié)果，在給定流量（最大3 500 m³/s）和給定航線情況下，船舶航行過程中最大偏移距小于1倍船寬，距航道邊線距離超過0.5倍船寬，漂角和舵角均能滿足船舶航行安全要求。如表2所示。

船舶航行經(jīng)過下游船閘引航道口門區(qū)時，受橫流、回流等的影響，相對于上游而言，偏移距和漂角均有所增大，當(dāng)左汊下泄流量達(dá)到2 500 m³/s時，最大漂角將達(dá)到10°以上，位于距口門區(qū)約200 m處，距口門區(qū)有4倍設(shè)計船長內(nèi)的水域，漂角≤10°，當(dāng)流量＞3 000 m³/s時，漂角超過10°的水域范圍較大，船舶需謹(jǐn)慎駕駛。

3.5 通航保證率及通過能力

根據(jù)上述研究可知，船舶可安全通航的條件為：主河道下泄流量≤2 500 m³/s（此時岔河下泄流量600 m³/s，合計3 100 m³/s）、同時主河道下游水位≥93.5 m。在此條件下，根據(jù)古頂電站多年實(shí)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計2007—2020年的不可通航天數(shù)可知，流量超3 100 m³/s不能通航天數(shù)平均約為13 d，水位低于93.5 m不能通航平均約為55 d，累計不可通航天數(shù)68 d，通航保證率約為81%。

根據(jù)原設(shè)計資料，年通過能力為110×10⁴ t，工程投入使用后，受通航水流條件限制，實(shí)際的年通航天數(shù)將減少至297 d（通航保證率81%），復(fù)核后的船閘實(shí)際年通過能力約為101×10⁴ t，基本能滿足當(dāng)前的貨運(yùn)需求。

3.6 通航建筑物結(jié)構(gòu)

2013年、2016年、2018年和2020年先后4次針對古頂水電站水工建筑物開展水下檢查，發(fā)現(xiàn)船閘泄水孔底檻及檢修門、工作門門槽及止水橡膠、上游引航道內(nèi)底板有部分破損情況，現(xiàn)已修復(fù)完畢。經(jīng)計算，船閘主體建筑物及引航道建筑物抗滑、抗傾、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及應(yīng)力均可以滿足設(shè)計代表船型安全通航要求。

4 保障與改善措施

（1）針對古頂水電站的船閘，制定較為嚴(yán)格的通航標(biāo)準(zhǔn)，控制超標(biāo)準(zhǔn)船舶過閘，當(dāng)下游水位＜93.5 m或主河道下泄流量＞2 500 m³/s時，停止100噸級船舶航行通過船閘。

（2）電站可通過開啟部分岔河閘門參與泄流的方式，將主河道下泄流量控制在2 500 m³/s內(nèi)，以改善主河道船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段通航條件，提高通航保證率。

（3）若主河道下泄流量＞2 500 m³/s時船閘仍需運(yùn)行，應(yīng)在導(dǎo)流墩的下游側(cè)布置浮式結(jié)構(gòu)，適當(dāng)減小下游引航道口門區(qū)的橫向流速和泄水波波高。

（4）在下游導(dǎo)流墩的下游側(cè)淺灘位置增設(shè)橫流標(biāo)識和淺灘標(biāo)識，提醒駕駛員謹(jǐn)慎駕駛。

（5）古頂二線船閘應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有一線船閘實(shí)際情況統(tǒng)籌考慮、設(shè)計。

5 結(jié)語

（1）年代較為久遠(yuǎn)的部分山區(qū)河流已建樞紐，往往重視防洪、發(fā)電效益，常忽略航運(yùn)需求，已建船閘多存在通航水流條件較差、通航保證率不足和通航通過能力較低等礙航問題，合理全面評價其通航條件并提出通航改善措施，有助于保障通航安全并提高通航能力。

（2）開展通航條件評價，應(yīng)針對平面布置合理性、通航建筑物特征高程、通航水位運(yùn)行值、通航水流條件、船舶操縱性能、通航保證率、船閘通過能力及建筑物結(jié)構(gòu)安全等多個方面。

（3）針對已建船閘工程的通航水流條件和船舶操縱性能評價，應(yīng)以理論分析為指導(dǎo)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)開展驗(yàn)證，綜合采用水文測驗(yàn)、實(shí)船操作、水動力數(shù)值模擬和船舶運(yùn)動數(shù)值模擬等手段開展定量研究，獲得能保證船舶安全通航的來流條件和調(diào)度方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭 偉，馮小香，普曉剛.船閘下游引航道口門區(qū)急流礙航改善措施比選[J].中國港灣建設(shè)，2017（37）：47-52.

[2]黃迪輝. 基于水工模型試驗(yàn)的航運(yùn)樞紐船閘通航條件分析[J].珠江水運(yùn)，2023（2）：34-36.

[3]肖 欽，范紅霞，鄧 偉，等.贛江龍頭山樞紐一線船閘通航水流條件及改善措施研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，2023（6）：213-220.

[4]田 輝.船閘引航道口門區(qū)通航水流條件研究——以大源渡航電樞紐船閘為例[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2013.

[5]劉世聰. 融江大埔二線船閘下引航道布置及口門區(qū)通航水流條件研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2023.

[6]廣西融水苗族自治縣融江古頂水電站初步設(shè)計[R].柳州：柳州水利電力勘測設(shè)計研究院，2003.

[7]關(guān)于融江古頂水電站與通航技術(shù)有關(guān)問題的復(fù)函[R].南寧：廣西壯族自治區(qū)航務(wù)管理局，2004.

[8]廣西古頂水電站工程竣工圖[R].廣州：廣東水電二局股份有限公司，2005.

[9]古頂樞紐通航建筑物通航條件后評價[R].南寧：廣西交科集團(tuán)有限公司，2021.