融江已建古頂船閘通航條件評(píng)價(jià)與改善措施研究

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

摘要：針對(duì)融江已建古頂船閘在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)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(píng)價(jià)內(nèi)容體系及評(píng)價(jià)方法，通過(guò)原型觀測(cè)和數(shù)值模擬手段，結(jié)合設(shè)計(jì)資料及運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)古頂水電站船閘工程的通航條件進(jìn)行復(fù)核和評(píng)價(jià)，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(shí)和淺灘標(biāo)識(shí)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(wèn)題；通航條件；改善措施

中圖分類(lèi)號(hào)：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(guò)去較長(zhǎng)一段時(shí)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(duì)航運(yùn)需求重視不夠，常出現(xiàn)較大的礙航問(wèn)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(jiàn)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(mén)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(xiǎn)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(cè)、數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)檢測(cè)等手段^[4-5]獲得的技術(shù)參數(shù)為依據(jù)，開(kāi)展已建船閘工程的通航條件評(píng)價(jià)，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(lèi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)以發(fā)電為主，結(jié)合航運(yùn)的綜合性利用工程。水庫(kù)正常蓄水位102.00 m，死水位101.50 m，庫(kù)容0.647 5×10⁸ m³，有效庫(kù)容為440×10⁴ m³，裝機(jī)容量4×2.0×10⁴ kW，單機(jī)過(guò)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(jí)為Ⅵ級(jí)，于2006年建成并投入使用，通航100噸級(jí)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(jí)建設(shè)位置。根據(jù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告^[6]，船閘最大通航船只為100 t機(jī)動(dòng)駁，船型尺度為32.05 m×7 m×1.0 m，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力為110×10⁴ t。如圖1所示。

2 評(píng)價(jià)內(nèi)容與方法

針對(duì)已建船閘通航條件開(kāi)展評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)，更是決定船閘保證率和船閘通過(guò)能力的重要依據(jù)。對(duì)于通航建筑物而言，其上下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段的水流條件較為復(fù)雜，同時(shí)受電站發(fā)電、閘孔泄流、樞紐布置、水下地形、岸線河勢(shì)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(duì)船舶的航行及操縱帶來(lái)不利影響。開(kāi)展通航水流條件及船舶操縱性能評(píng)價(jià)，應(yīng)以理論分析為指導(dǎo)，如圖3所示，綜合原型觀測(cè)、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(shì)下引航道口門(mén)區(qū)及相關(guān)水域的流場(chǎng)流態(tài)，定量獲得不同來(lái)流條件下引航道口門(mén)區(qū)的縱向流速、橫向流速等相關(guān)指標(biāo)。通過(guò)船舶運(yùn)動(dòng)和操縱性能數(shù)值模擬，獲得船舶航行通過(guò)上下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段時(shí)的舵角、漂角及漂移距等操縱性能參數(shù)。

3 通航條件評(píng)價(jià)

3.1 船閘平面布置

船閘工程全長(zhǎng)616 m，按單側(cè)?？康群蜻^(guò)閘進(jìn)行設(shè)計(jì)，引航道及導(dǎo)航建筑物為不對(duì)稱(chēng)形式布置，曲線進(jìn)閘，直線出閘。上游引航道直線段長(zhǎng)120 m，寬25.0 m，口門(mén)區(qū)航行水域軸線微彎，彎曲半徑250 m，曲線長(zhǎng)度約65 m，下游引航道直線段長(zhǎng)120 m，寬25.0 m，口門(mén)區(qū)航行水域軸線微彎，彎曲半徑250 m，曲線長(zhǎng)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(mén)區(qū)航道中心線微彎，船閘及引航道均通過(guò)陸地開(kāi)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(duì)稱(chēng)型，引航道口門(mén)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(jì)，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(jí)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(zhǎng)度均為120 m，大于按規(guī)范計(jì)算所得的112 m；引航道寬度為25 m，大于按規(guī)范計(jì)算所得的24.5 m；（2）古頂船閘上下游引航道口門(mén)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(mén)區(qū)長(zhǎng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求，寬度均為25 m，與引航道口門(mén)寬度一致，小于按規(guī)范計(jì)算所得的36.75 m，但經(jīng)過(guò)水流計(jì)算和船舶運(yùn)動(dòng)模擬，船舶在上下游引航道航行時(shí)，偏移距均未超過(guò)1倍設(shè)計(jì)船寬，距岸邊線及建筑物仍有足夠的安全距離，口門(mén)寬度基本滿(mǎn)足要求；（4）古頂船閘最大設(shè)計(jì)代表船型滿(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mén)區(qū)分別位于上、下游彎道水域，通過(guò)連接段與主航道順接。上游連接段底部高程與口門(mén)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(mén)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(mǎn)足規(guī)范要求。

3.2 設(shè)計(jì)通航水位及各部位高程

根據(jù)行業(yè)主管部門(mén)批復(fù)^[7]：上游最高、最低通航水位設(shè)計(jì)值分別為102.00 m和101.50 m，下游最高通航水位設(shè)計(jì)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(mén)檻頂高程均為91.9 m，根據(jù)規(guī)范要求，船閘門(mén)檻水深應(yīng)大于1.6倍設(shè)計(jì)船型滿(mǎn)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(guò)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(chǎng)觀測(cè)結(jié)果

2021年5～6月在現(xiàn)場(chǎng)組織開(kāi)展的水文測(cè)驗(yàn)^[9]表明，當(dāng)流量為1 871 m³/s時(shí)，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(shí)，最大縱向流速為1.12 m/s，最大橫向流速為0.23 m/s，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。但下游受泄流影響，引航道口門(mén)區(qū)波浪較大，當(dāng)流量為2 900 m³/s時(shí)，其波高最大達(dá)0.5 m，使得船舶在口門(mén)區(qū)航行時(shí)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(lái)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(mén)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(mén)區(qū)及連接段不存在明顯的回流結(jié)構(gòu)，當(dāng)上游來(lái)流量≤3 500 m³/s時(shí)，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(chǎng)特征表現(xiàn)為典型的擴(kuò)散流，下游引航道口門(mén)區(qū)存在一定范圍的斜穿橫流和回流，當(dāng)主河來(lái)流量＞2 500 m³/s時(shí)，最大橫流和最大回流均超過(guò)規(guī)范的限定值。

引航道口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表1。

3.4 船舶操縱性能

根據(jù)船舶航行經(jīng)過(guò)上游船閘引航道口門(mén)區(qū)的計(jì)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(guò)程中最大偏移距小于1倍船寬，距航道邊線距離超過(guò)0.5倍船寬，漂角和舵角均能滿(mǎn)足船舶航行安全要求。如表2所示。

船舶航行經(jīng)過(guò)下游船閘引航道口門(mén)區(qū)時(shí)，受橫流、回流等的影響，相對(duì)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(shí)，最大漂角將達(dá)到10°以上，位于距口門(mén)區(qū)約200 m處，距口門(mén)區(qū)有4倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)內(nèi)的水域，漂角≤10°，當(dāng)流量＞3 000 m³/s時(shí)，漂角超過(guò)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(guò)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(shí)岔河下泄流量600 m³/s，合計(jì)3 100 m³/s）、同時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)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(jì)不可通航天數(shù)68 d，通航保證率約為81%。

根據(jù)原設(shè)計(jì)資料，年通過(guò)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(guò)能力約為101×10⁴ t，基本能滿(mǎn)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(duì)古頂水電站水工建筑物開(kāi)展水下檢查，發(fā)現(xiàn)船閘泄水孔底檻及檢修門(mén)、工作門(mén)門(mén)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(jì)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(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及應(yīng)力均可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)代表船型安全通航要求。

4 保障與改善措施

（1）針對(duì)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(guò)閘，當(dāng)下游水位＜93.5 m或主河道下泄流量＞2 500 m³/s時(shí)，停止100噸級(jí)船舶航行通過(guò)船閘。

（2）電站可通過(guò)開(kāi)啟部分岔河閘門(mén)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(mén)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(shí)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(mén)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(shí)和淺灘標(biāo)識(shí)，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(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

（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(guò)能力較低等礙航問(wèn)題，合理全面評(píng)價(jià)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(kāi)展通航條件評(píng)價(jià)，應(yīng)針對(duì)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(guò)能力及建筑物結(jié)構(gòu)安全等多個(gè)方面。

（3）針對(duì)已建船閘工程的通航水流條件和船舶操縱性能評(píng)價(jià)，應(yīng)以理論分析為指導(dǎo)，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展驗(yàn)證，綜合采用水文測(cè)驗(yàn)、實(shí)船操作、水動(dòng)力數(shù)值模擬和船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬等手段開(kāi)展定量研究，獲得能保證船舶安全通航的來(lái)流條件和調(diào)度方式。

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