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：紀懿桓（1979—），碩士，高級工程師，主要從事水運工程設計、咨詢、建設管理工作。

摘要：針對融江已建古頂船閘在實際的運行過程中通航水流條件較差、可通航天數及通航保證率偏低的情況，文章構建了已建船閘通航條件評價內容體系及評價方法，通過原型觀測和數值模擬手段，結合設計資料及運行數據，對古頂水電站船閘工程的通航條件進行復核和評價，并提出相應的保障措施，如制定較為嚴格的通航標準、控制主河道下泄流量、在導流墩的下游側布置浮式結構、在下游導流墩的下游側淺灘位置增設橫流標識和淺灘標識等，為船閘的正常運行和管理提供了技術支持。

關鍵詞：山區河流；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

山區河流往往具有迂回曲折、暴漲暴落和水流條件復雜的特征，過去較長一段時間內，在山區河流上建設樞紐多以防洪、發電為主，對航運需求重視不夠，常出現較大的礙航問題。除了不設置通航建筑物導致斷航外，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、口門區及連接段通航水流條件較差、通航建筑物結構安全風險較高等^[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，以綜合運用原型觀測、數值模擬、結構檢測等手段^[4-5]獲得的技術參數為依據，開展已建船閘工程的通航條件評價，提出改善措施，為船閘的正常運行和管理提供技術支持，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、廣西北部地區及柳州市通往珠江流域其他水系和粵港澳的唯一水運和出海通道，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，是一個以發電為主，結合航運的綜合性利用工程。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，裝機容量4×2.0×10⁴ kW，單機過水能力308.9 m³/s，多年平均發電量為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，預留300噸級建設位置。根據初步設計報告^[6]，船閘最大通航船只為100 t機動駁，船型尺度為32.05 m×7 m×1.0 m，設計年通過能力為110×10⁴ t。如圖1所示。

2 評價內容與方法

針對已建船閘通航條件開展評價，應包括圖2所示的相關內容，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。對于通航建筑物而言，其上下游引航道口門區及連接段的水流條件較為復雜，同時受電站發電、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，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，應以理論分析為指導，如圖3所示，綜合原型觀測、物理模型試驗、數值模擬試驗等方法，研究和分析不同水文情勢下引航道口門區及相關水域的流場流態，定量獲得不同來流條件下引航道口門區的縱向流速、橫向流速等相關指標。通過船舶運動和操縱性能數值模擬，獲得船舶航行通過上下游引航道口門區及連接段時的舵角、漂角及漂移距等操縱性能參數。

3 通航條件評價

3.1 船閘平面布置

船閘工程全長616 m，按單側停靠等候過閘進行設計，引航道及導航建筑物為不對稱形式布置，曲線進閘，直線出閘。上游引航道直線段長120 m，寬25.0 m，口門區航行水域軸線微彎，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范要求。

3.1.1 引航道導航、調順、停泊段布置的合理性

已建船閘所處河道為幾字形轉彎河段，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，引航道口門區河床穩定，進出閘方式均為“曲線進閘、直線出閘”。上游引航道導航段按照兼顧導航與調順功能的線性要求設計，呈喇叭型布置，不另設調順段。停泊段布置于引航道左岸，均布置有靠船墩，可停靠1艘100 t級貨船，引航道導航、調順、停泊段平面布置符合規范要求^[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，大于按規范計算所得的112 m；引航道寬度為25 m，大于按規范計算所得的24.5 m；（2）古頂船閘上下游引航道口門區彎道段未進行加寬，略小于規范要求；（3）上下游引航道口門區長度均滿足規范要求，寬度均為25 m，與引航道口門寬度一致，小于按規范計算所得的36.75 m，但經過水流計算和船舶運動模擬，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設置為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范要求。

3.2 設計通航水位及各部位高程

根據行業主管部門批復^[7]：上游最高、最低通航水位設計值分別為102.00 m和101.50 m，下游最高通航水位設計值為101.45 m，下游最低通航水位應進一步復核。據竣工資料^[8]，船閘建設后的閘室底高程、下游引航道底高程及門檻頂高程均為91.9 m，根據規范要求，船閘門檻水深應大于1.6倍設計船型滿載吃水，因此，實際所采用的下游最低通航水位應≥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、導航墻、分水墻、靠船墩及護坡等，通過核算，船閘主要部位高程符合規范要求。

3.3 通航水流條件

3.3.1 現場觀測結果

2021年5～6月在現場組織開展的水文測驗^[9]表明，當流量為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，均滿足規范要求。但下游受泄流影響，引航道口門區波浪較大，當流量為2 900 m³/s時，其波高最大達0.5 m，使得船舶在口門區航行時的橫搖及偏移距增大，給船舶的安全航行和實際操縱帶來困難。

3.3.2 數值模擬結果

已建融江古頂船閘上下游引航道口門區及連接段的水流條件較為復雜，水流數學模型研究結果表明：上游引航道口門區及連接段不存在明顯的回流結構，當上游來流量≤3 500 m³/s時，最大橫流小于規范的限定值；古頂水電站主河壩下近壩水域流場特征表現為典型的擴散流，下游引航道口門區存在一定范圍的斜穿橫流和回流，當主河來流量＞2 500 m³/s時，最大橫流和最大回流均超過規范的限定值。

引航道口門區及連接段通航水流條件計算結果見下頁表1。

3.4 船舶操縱性能

根據船舶航行經過上游船閘引航道口門區的計算結果，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。

船舶航行經過下游船閘引航道口門區時，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，當左汊下泄流量達到2 500 m³/s時，最大漂角將達到10°以上，位于距口門區約200 m處，距口門區有4倍設計船長內的水域，漂角≤10°，當流量＞3 000 m³/s時，漂角超過10°的水域范圍較大，船舶需謹慎駕駛。

3.5 通航保證率及通過能力

根據上述研究可知，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，根據古頂電站多年實測數據，統計2007—2020年的不可通航天數可知，流量超3 100 m³/s不能通航天數平均約為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68 d，通航保證率約為81%。

根據原設計資料，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，實際的年通航天數將減少至297 d（通航保證率81%），復核后的船閘實際年通過能力約為101×10⁴ t，基本能滿足當前的貨運需求。

3.6 通航建筑物結構

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，發現船閘泄水孔底檻及檢修門、工作門門槽及止水橡膠、上游引航道內底板有部分破損情況，現已修復完畢。經計算，船閘主體建筑物及引航道建筑物抗滑、抗傾、抗浮穩定安全系數均滿足規范要求，結構穩定性及應力均可以滿足設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，制定較為嚴格的通航標準，控制超標準船舶過閘，當下游水位＜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，以改善主河道船閘上下游引航道口門區及連接段通航條件，提高通航保證率。

（3）若主河道下泄流量＞2 500 m³/s時船閘仍需運行，應在導流墩的下游側布置浮式結構，適當減小下游引航道口門區的橫向流速和泄水波波高。

（4）在下游導流墩的下游側淺灘位置增設橫流標識和淺灘標識，提醒駕駛員謹慎駕駛。

（5）古頂二線船閘應結合現有一線船閘實際情況統籌考慮、設計。

5 結語

（1）年代較為久遠的部分山區河流已建樞紐，往往重視防洪、發電效益，常忽略航運需求，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，應針對平面布置合理性、通航建筑物特征高程、通航水位運行值、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構安全等多個方面。

（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，應以理論分析為指導，通過實測數據開展驗證，綜合采用水文測驗、實船操作、水動力數值模擬和船舶運動數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度方式。

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