烏江銀盤水電站通航建筑物建設(shè)規(guī)模優(yōu)化研究

趙 健，李唯唯，趙寧宇

（1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.重慶工學(xué)院，重慶400050）

烏江是重慶市和貴州省通往長(zhǎng)江中下游的重要水運(yùn)交通要道，是全國(guó)內(nèi)河水運(yùn)主通道之一。烏江全長(zhǎng)1 037 km，干流長(zhǎng)710 km，兩岸多為高山峽谷，河谷深切，水流湍急，河道彎曲，蜿蜒于崇山峻嶺之中。河流水量豐沛，擁有豐富的水能資源和良好的航運(yùn)條件。

目前，烏江貴州境內(nèi)已建成普定、烏江渡、東風(fēng)3座水電站，引子渡、洪家渡、索風(fēng)營(yíng)、構(gòu)皮灘電站已開工建設(shè)，重慶境內(nèi)裝機(jī)175萬(wàn)W的彭水水電站已于2007年實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電［1-2］。作為彭水樞紐的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，銀盤水電站也于2006年開工建設(shè)。為充分發(fā)揮烏江航運(yùn)效益，本文根據(jù)近幾年烏江客、貨運(yùn)量快速增長(zhǎng)的情況，按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范，對(duì)銀盤水電站通航船閘規(guī)模尺度進(jìn)行了優(yōu)化，其成果已被工程建設(shè)所采用。

1 銀盤水電站工程概況

銀盤水電站壩址位于重慶市武隆縣黃草鄉(xiāng)場(chǎng)下游約8 km，下距烏江河口93 km，上距彭水電站長(zhǎng)溪壩址約54 km［3］。319國(guó)道從左岸通過(guò)。壩址校核洪水位時(shí)的最大洪水流量35 600 m3/s，相應(yīng)洪水位223.50 m，壩頂高程229 m，最大壩高79 m，壩頂長(zhǎng)度330.9 m。

根據(jù)電站樞紐的開發(fā)任務(wù)和壩址地形、地質(zhì)條件，樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物、廠房和通航建筑物等組成。（1）擋水建筑物。擋水建筑物包括右岸非溢流壩段、左岸非溢流壩段和船閘壩段，均采用混凝土重力壩壩型。左、右岸非溢流壩段共長(zhǎng)53.9 m，船閘壩段長(zhǎng)42 m，壩頂高程234 m，壩頂寬20 m，壩體上游面垂直，下游面坡比1：0.70。（2）泄洪建筑物。銀盤壩址設(shè)計(jì)洪峰流量27 100 m3/s，校核洪峰流量35 600 m3/s，為滿足泄洪要求，需布置11個(gè)泄洪表孔，溢流前緣總寬220 m。壩段建基面高程150～172 m，堰頂高程196 m，孔寬15 m，順?biāo)飨蜃畲箝L(zhǎng)度64.5 m，采用面流和底流消能。表孔設(shè)一道平板工作閘門，一道平板檢修閘門，均由壩頂橋機(jī)啟閉。（3）電站建筑物。銀盤電站總裝機(jī)容量600 MW，機(jī)組臺(tái)數(shù)4臺(tái)。最大工作水頭36.50 m，最小水頭8.80 m。電站廠房布置于左岸，主要建筑物包括進(jìn)水口、主廠房、安裝場(chǎng)、尾水渠等。（4）通航建筑物。銀盤樞紐通航建筑物設(shè)計(jì)單位在“預(yù)可”中提出采用右岸單線單級(jí)船閘，設(shè)計(jì)水頭36.5 m。按通過(guò)500 t自航船作為設(shè)計(jì)船型，閘室尺寸為75 m×12 m×3.0 m（長(zhǎng)×寬×檻上水深）。船閘由上游引航道、上閘室、閘室、下閘室、輸水系統(tǒng)和下游引航道等組成。上、下游引航道直線段底寬38 m，口門段寬57 m；上、下游引航道高程分別為208.50 m和175.50 m。

2 烏江銀盤水電站通航船閘規(guī)模尺度優(yōu)化

確定通航建筑物規(guī)模是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，既關(guān)系到航運(yùn)的效益和發(fā)展，同時(shí)還影響到工程的投資。一般船閘規(guī)模尺度要根據(jù)過(guò)壩客運(yùn)量和船型船隊(duì)情況確定，而確定設(shè)計(jì)客貨運(yùn)量和與之相適應(yīng)的船型船隊(duì)，又涉及到通航年限。因此，在確定船閘規(guī)模尺度時(shí)，首先要確定船閘的設(shè)計(jì)水平年，再通過(guò)調(diào)查分析和計(jì)算，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)水平年內(nèi)的客貨運(yùn)量，規(guī)劃選擇該水平年的船型船隊(duì)，并根據(jù)通航船閘所在河流的航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和通航要求，擬定船閘規(guī)模尺度，核算通過(guò)能力，通過(guò)方案比選，以期所選船閘規(guī)模尺度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和航運(yùn)發(fā)展的需要又經(jīng)濟(jì)合理。

2.1 銀盤水電站通航船閘設(shè)計(jì)水平年選擇

船閘設(shè)計(jì)水平年是指從船閘最終建成并正式投入營(yíng)運(yùn)至船閘通過(guò)能力達(dá)到飽和的年限，根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ305-2001中3.1.2條規(guī)定“船閘設(shè)計(jì)水平年應(yīng)根據(jù)船閘的不同條件采用船閘建成后的20～30 a。對(duì)增建復(fù)線、多線和擴(kuò)建、改建困難的船閘應(yīng)根據(jù)遠(yuǎn)期運(yùn)輸?shù)囊螅捎酶L(zhǎng)的設(shè)計(jì)水平年”。考慮銀盤樞紐的建設(shè)工期和烏江現(xiàn)有航道條件及運(yùn)輸情況，銀盤樞紐船閘設(shè)計(jì)水平年采用20 a，故船閘設(shè)計(jì)水平年確定為2030年。

2.2 銀盤水電站過(guò)壩客貨運(yùn)量預(yù)測(cè)

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)過(guò)壩客貨運(yùn)量是一種非常復(fù)雜的工作，過(guò)壩客貨運(yùn)量預(yù)留與國(guó)民經(jīng)濟(jì)計(jì)劃和發(fā)展戰(zhàn)略、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和建設(shè)布局、礦物儲(chǔ)量和開采、交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)布局和建設(shè)、人民物質(zhì)文化生活的改善和提高、旅游資源條件和開發(fā)等密切相關(guān)。本次預(yù)測(cè)根據(jù)烏江流域貴州省和重慶市境內(nèi)城鎮(zhèn)分布，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通運(yùn)輸方式和布局，腹地自然資源分布和開采情況，歷年來(lái)運(yùn)量發(fā)展規(guī)律和增長(zhǎng)速度等因素，并考慮了烏江上游貴州境內(nèi)集疏運(yùn)條件較差，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可能過(guò)快等實(shí)際情況，建立了過(guò)壩運(yùn)量的灰色系統(tǒng)模型，并與重慶市港航管理局過(guò)壩客貨運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

2.2.1 過(guò)壩運(yùn)量預(yù)測(cè)灰色系統(tǒng)模型

過(guò)壩運(yùn)量的大小直接與流域內(nèi)腹地國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，而國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展問(wèn)題則是一個(gè)多層次、多因素互相作用、協(xié)調(diào)發(fā)展的復(fù)雜系統(tǒng)，描述這個(gè)系統(tǒng)中各層次、各因素相互作用與過(guò)壩運(yùn)量的定量關(guān)系是極其復(fù)雜的，甚至是離散的。但有一點(diǎn)可以確定，過(guò)壩貨運(yùn)量時(shí)間序列的這些數(shù)據(jù)，本身就是這些層次和因素相互作用、相互補(bǔ)充促進(jìn)和排斥抵消的結(jié)果。在這種情況下，不去研究這些因素的個(gè)數(shù)及其相互關(guān)系，而從過(guò)壩貨運(yùn)量時(shí)間序列這一組灰色量本身挖掘有用信息，建立模型，并探求潛在規(guī)律［4］。

基于上述認(rèn)識(shí)，在對(duì)烏江銀盤樞紐過(guò)壩貨運(yùn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，只研究貨運(yùn)量隨時(shí)間的變化，因此選定GM（1，1）模型［5-6］。

GM（1，1）代表一個(gè)白化形式的微分方程

式中：a，U為需要通過(guò)建模要求得到的參數(shù)；X(1)為原始數(shù)據(jù)X(0)的累加生成值。

將同一數(shù)據(jù)列的前i項(xiàng)元素累加后，生成新數(shù)據(jù)列的第i項(xiàng)元素，用數(shù)學(xué)式表示為

對(duì) GM（1，1），其數(shù)據(jù)矩陣 B為

建立時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，即求白化形式微分方程的解為

根據(jù)以上步驟，以1998～2006年烏江客貨運(yùn)量原始資料為基礎(chǔ)，建立烏江銀盤水電站過(guò)壩運(yùn)量預(yù)測(cè)的灰色模型。

表1 1998～2006年烏江客貨運(yùn)量表Tab.1 Transport quantity of Wujiang river between 1998 and 2006 萬(wàn)t

根據(jù)灰色模型預(yù)測(cè)最后得出烏江銀盤水電站2005、2010、2015、2020、2030各年的客貨運(yùn)量預(yù)測(cè)值：2005 年 110.42萬(wàn) t、2010年 158.48 萬(wàn) t、2015 年 219.06 萬(wàn) t、2020年 298.45 萬(wàn) t、2030 年 438.95 萬(wàn) t。

2.2.2 隨機(jī)型時(shí)間序列分析模型預(yù)測(cè)過(guò)壩運(yùn)量

以重慶市港航局調(diào)查研究資料為基礎(chǔ)，采用隨機(jī)型時(shí)間序列分析模型，對(duì)銀盤水電站2010年、2020年和2030年過(guò)壩運(yùn)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果為：2003年98.9萬(wàn)t、2010年180.1萬(wàn)t、2020年317.00萬(wàn)t、2030年418.50 萬(wàn) t。

分析比較灰色模型預(yù)測(cè)結(jié)果（表2）和市港航管理局預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)（表3）可知，兩者預(yù)測(cè)值較為接近，其差值在10%以內(nèi)（圖1）。

圖1 灰色模型預(yù)測(cè)值與港航局預(yù)測(cè)值比較Fig.1 Comparison of prediction between grey model and harbor bureau

2.3 銀盤水電站過(guò)壩船型船隊(duì)選擇

在船型船隊(duì)選擇時(shí)考慮了建壩前后的航道條件，應(yīng)能反映航道上航行的運(yùn)輸船舶船隊(duì)現(xiàn)狀以及規(guī)劃的船舶船隊(duì)，并應(yīng)具有代表性。

根據(jù)交通部2004年11月24日發(fā)布的《川江及三峽庫(kù)區(qū)運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》和《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》GB50139-2004，綜合考慮航道條件和運(yùn)輸船舶發(fā)展規(guī)劃，銀盤樞紐過(guò)壩船舶推薦的代表船型船隊(duì)見表2。

表2 代表船型船隊(duì)特性表Tab.2 Property list of representative ship type and fleet

2.4 銀盤水電站通航船閘建設(shè)方案與通過(guò)能力

2.4.1 建設(shè)方案

擬訂船閘規(guī)模尺度時(shí)，應(yīng)遵循下列原則：（1）應(yīng)滿足設(shè)計(jì)水平年內(nèi)近遠(yuǎn)期客貨運(yùn)量的需要；（2）應(yīng)滿足近遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)代表船型船隊(duì)不解隊(duì)一次過(guò)閘的要求；（3）船閘等級(jí)應(yīng)與所在河流的航道等級(jí)一致；（4）船閘尺度應(yīng)符合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》GB50139-2004及《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ305-2001；（5）工程投資和營(yíng)運(yùn)費(fèi)用最少。

根據(jù)上述原則，結(jié)合銀盤水電站總體布置要求和壩區(qū)地形條件，并考慮單級(jí)船閘具有通過(guò)能力大、運(yùn)行可靠、通航保證率高、故障少、檢修停航時(shí)間短、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，銀盤水電站船閘采用一線單級(jí)船閘，其具體布置了3個(gè)方案。

方案一：船閘尺度為75 m×12 m×4.2 m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），可通過(guò)尺度為67.5 m×10.8 m×1.6 m，載重500 t級(jí)自航船一艘。本方案為工可階段設(shè)計(jì)單位提出的方案。

方案二：船閘尺度為 120 m×12 m×4.0 m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），可通過(guò)尺度為（50～58）m×（8.2～10.8）m×（2.0～2.4）m，載重量為500 t級(jí)自航船2艘。上下游引航道長(zhǎng)度按自航船一艘計(jì)算。

考慮通過(guò)《川江及三峽庫(kù)區(qū)運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》500 t級(jí)船舶，船舶尺度（50～58）m×（8.2～10.8）m×（2.0～2.4）m。

方案三：船閘尺度為120 m×12 m×4.0 m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），可通過(guò)1+2×500 t船隊(duì)或500 t自航船2艘。上下游引航道長(zhǎng)度按船隊(duì)計(jì)算。

2.4.2 船閘通過(guò)能力計(jì)算分析

通過(guò)能力是確定通航船閘規(guī)模的重要指標(biāo)，科學(xué)合理地確定船閘設(shè)計(jì)通過(guò)能力，將直接關(guān)系到烏江銀盤水電站航運(yùn)效益的發(fā)揮和沿江兩岸經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

影響通過(guò)能力的因素很多，主要包括船閘一次過(guò)閘的時(shí)間和每次過(guò)閘船舶（隊(duì)）的載重量，船舶到達(dá)壩址的均衡性，每年實(shí)際通航的天數(shù)及每天工作的時(shí)間等因素，同時(shí)通過(guò)能力又與船閘在樞紐中的布置和輔助過(guò)閘航運(yùn)設(shè)施如待閘錨地遠(yuǎn)近等關(guān)系密切。

根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ305-2001計(jì)算方法，按照規(guī)范規(guī)定，船閘通過(guò)能力包括設(shè)計(jì)水平年內(nèi)各期的過(guò)閘船舶總載重噸位和過(guò)閘貨運(yùn)量?jī)身?xiàng)指標(biāo)，并以年單向通過(guò)能力表示各方案通過(guò)能力，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各方案單向年通過(guò)能力表Tab.3 Annual transit ability of each scheme

通過(guò)比較分析銀盤水電站過(guò)壩運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果和3種船閘布置方案單向年過(guò)閘客貨運(yùn)量（客運(yùn)每5人計(jì)為1 t）、過(guò)閘船舶（隊(duì)）特性以及銀盤水電站在開發(fā)中的作用等，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）擬定的銀盤樞紐通航船閘方案二、方案三基本都能滿足銀盤水電站在預(yù)測(cè)水平年內(nèi)的過(guò)壩運(yùn)量需要，方案一單向過(guò)壩運(yùn)量較預(yù)測(cè)遠(yuǎn)期（2030年）下水過(guò)壩運(yùn)量小，不滿足通過(guò)能力要求。

（2）方案一船閘尺度75 m×12 m×4.0 m，不符合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》GB50139-2004和《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ305-2001有關(guān)規(guī)定。

（3）方案二船閘尺度120 m×12 m×4.0 m，符合上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所規(guī)定的四級(jí)航道船閘尺度要求，所選用的過(guò)閘船舶尺度55 m×（8.2～10.8）m×（2.0～2.4）m自航船，船閘每閘次可通過(guò)2艘該型自航船，船閘通過(guò)量較大且上下游引航道長(zhǎng)度較短，同時(shí)該船型操縱性好，進(jìn)出閘時(shí)間短，航道彎通半徑小，適合在烏江彎、急、險(xiǎn)航道內(nèi)航行。

（4）方案三船閘尺度120 m×12 m×4.0 m，所選用的過(guò)閘船舶為1+2×500 t船隊(duì)，該方案雖船閘年單向通過(guò)量較方案一、方案二大，但船隊(duì)操縱性較方案一、二的自航船差，進(jìn)出閘時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)航道條件要求較高，在烏江尚未全線渠化的情況下，船隊(duì)航行較為困難，且其上下游引航道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)進(jìn)出閘條件要求較高，需開挖左側(cè)山頭，搬遷渝懷鐵路變電站，投資較大。

（5）烏江河床普遍呈“U”或“V”型，航道具“窄、深、急”的特點(diǎn)，水深不足的淺灘較少，與同樣技術(shù)等級(jí)航道相比較，船舶型深較大。另一方面，烏江貴州境內(nèi)引子渡、洪家渡、枸皮灘、索風(fēng)營(yíng)等水電站已開工建設(shè)，重慶境內(nèi)的彭水樞紐2007年11月實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，銀盤水電站已開工建設(shè)，白馬樞紐也進(jìn)入前期工作，預(yù)計(jì)在銀盤樞紐船閘設(shè)計(jì)水平年2030年以前，烏江將實(shí)現(xiàn)全江渠化，航道水深增加、流速減緩，航道條件將得到根本改善，屆時(shí)運(yùn)輸船舶的載量可適當(dāng)增加，銀盤樞紐船閘年單向通過(guò)能力還可適當(dāng)提高。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文根據(jù)烏江流域2000～2030年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、腹地資源分布、沿江產(chǎn)業(yè)布局和交通運(yùn)輸發(fā)展情況，采用灰色系統(tǒng)模型對(duì)銀盤樞紐2005～2030年過(guò)壩運(yùn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)值與重慶市港航局2010～2030年過(guò)壩貨運(yùn)量預(yù)測(cè)值基本一致，其差值在10%以內(nèi)。

（2）本文推薦的銀盤樞紐過(guò)壩船型（隊(duì)）符合交通部2004年11月頒布的《川江及三峽庫(kù)區(qū)運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》和《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》GB50139-2004的有關(guān)規(guī)定，滿足烏江航運(yùn)發(fā)展的需要。

（3）研究推薦的方案二（船閘尺度120 m×12 m×4.0 m，通過(guò)500 t自航船2艘），其年單向通過(guò)能力為298.9萬(wàn)t，滿足預(yù)測(cè)遠(yuǎn)期2030年運(yùn)量要求，且該方案上下引航道較短，避免了渝懷鐵路改線及鐵路變電站的搬遷，節(jié)省投資；經(jīng)綜合比較，推薦采用方案二（船閘尺度120 m×12 m×4.0 m，通過(guò)500 t自航船2艘）作為烏江銀盤樞紐通航建筑物的建設(shè)方案。

［1］長(zhǎng)江委長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院.烏江干流彭水至河口段綜合規(guī)劃報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江委長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2003.

［2］長(zhǎng)江委長(zhǎng)江勘測(cè)設(shè)計(jì)院.烏江彭水水電站可行性研究報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江委長(zhǎng)江勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2004.

［3］長(zhǎng)江委長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院.重慶烏江銀盤水電站可行性研究報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江委勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2005.

［4］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)理論教程［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1990.

［5］劉思峰.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［6］王學(xué)萌.灰色系統(tǒng)分析及實(shí)用計(jì)算程序［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，2001.