水口壩下水位治理工程通航船閘設(shè)計(jì)研究

扈曉雯，侯繼平，薛雙運(yùn)

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

1 通航規(guī)模

閩江干流規(guī)劃為Ⅳ級(jí)航道，根據(jù)福建省內(nèi)河航道發(fā)展規(guī)劃方案，本工程區(qū)兩壩間河段以及壩下連接航道按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，通航標(biāo)準(zhǔn)船隊(duì)為2×500 t級(jí)頂推船隊(duì)，航道標(biāo)準(zhǔn)為：航道底寬≥50 m，航道水深1.9 m，航道最小半徑330 m。

設(shè)計(jì)水位：上游最高通航水位18.66 m（重現(xiàn)期2年洪水，Q＝16 900 m3/s），上游最低通航水位7.64 m（水口水電站下泄航運(yùn)基流，Q=308 m3/s）；下游最高通航水位18.20 m（重現(xiàn)期2年洪水，Q=16 900 m3/s），下游最低通航水位-1.00 m（預(yù)測(cè)河道繼續(xù)下切后的下游水位）。遇超過(guò)重現(xiàn)期2年洪水或7級(jí)以上大風(fēng)時(shí)停航。

船閘有效尺度：根據(jù)GB50139-2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，Ⅳ級(jí)航道設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)為500 t，相應(yīng)船閘級(jí)別為Ⅳ級(jí)。按一次通過(guò)1個(gè)500 t級(jí)貨船+1個(gè)2×500 t級(jí)一頂兩駁標(biāo)準(zhǔn)船隊(duì)縱向排列設(shè)計(jì)，兼顧滿足船隊(duì)編組及設(shè)計(jì)遠(yuǎn)景貨運(yùn)量要求，船閘有效尺度確定為：200.00 m×12.00 m×3.00 m（長(zhǎng)×寬×檻上水深），通航凈空8.00 m。

設(shè)計(jì)年遠(yuǎn)景運(yùn)量：年過(guò)壩貨運(yùn)量400萬(wàn)t；年過(guò)木、竹運(yùn)量200～250萬(wàn)m3；日上、下行客運(yùn)各1次。

2 建設(shè)方案研究

為解決水口水電站樞紐下游水位抬高問(wèn)題，設(shè)計(jì)進(jìn)行了多種方案的研究。在水口壩下水位治理工程方案研究階段，曾經(jīng)進(jìn)行了水口通航建筑物下游導(dǎo)航墻改造方案及水口壩下樞紐綜合治理方案，于2008年8月通過(guò)福建省發(fā)改委組織的審查，最終審定為壩下樞紐綜合治理工程方案。在工程可行性研究選壩設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行了工程建設(shè)方案設(shè)計(jì)研究，對(duì)不同壩址的樞紐進(jìn)行了航運(yùn)、航電方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證，從工程技術(shù)條件、施工征地、移民安置、環(huán)境保護(hù)、水土保持、發(fā)電水頭、單位千瓦投資、單位電能投資等方面綜合分析研究，設(shè)計(jì)推薦水口水電站樞紐壩下水位治理工程不考慮布置發(fā)電設(shè)施，采用航運(yùn)方案，于2008年12月通過(guò)福建省發(fā)改委組織的審查。

新建航運(yùn)樞紐方案的主要建筑物包括：壅水建筑物、擋水壩、船閘和左岸護(hù)坡等。工程建成后，要求水口水電站下游通航最低水位為7.64 m，新建的水口壩下船閘通航能力與上游水口水電站雙線通航建筑物的通航能力相匹配。

水口壩下通航船閘設(shè)計(jì)最大水頭為8.60 m，根據(jù)設(shè)計(jì)通過(guò)能力，設(shè)計(jì)輸水時(shí)間要求小于10 min。據(jù)此，設(shè)計(jì)進(jìn)行了輸水系統(tǒng)選型比較及水力特性計(jì)算分析研究。經(jīng)水力特性參數(shù)對(duì)比，選定了閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)方案。

3 船閘總體布置

水口壩下通航建筑物采用單線一級(jí)船閘，根據(jù)樞紐壩址河床寬度及設(shè)計(jì)遠(yuǎn)景貨運(yùn)量的需求，船閘采用加長(zhǎng)方案，布置在整個(gè)樞紐的右岸，左臨壅水堰，右臨316國(guó)道，船閘中心線與壩軸線垂直，中心樁號(hào)為壩右0+016.00 m。

船閘全長(zhǎng)1 158 m，主要由上下閘首、閘室及上下游引航道組成，見(jiàn)圖1。閘首（閘室）根據(jù)使用和布置要求均采用整體塢式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最大總寬度為34.6 m。上下閘首口門凈寬12 m，左右邊墩各寬10 m。由于閘首邊墩較窄，邊墩內(nèi)開(kāi)設(shè)了許多孔洞或外懸牛腿，以滿足機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)布置與檢修要求，部分閘門的啟閉室采用內(nèi)藏式。通航工作門采用人字閘門型式，通航檢修門采用平板門型式，輸水廊道的工作閥門及檢修閥門為平板門型式。工作閘門采用液壓?jiǎn)㈤]，檢修閘門采用臺(tái)車啟閉；工作閥門及檢修閥門均采用液壓?jiǎn)㈤]。操作方式采用集中電氣控制。

上閘首位于擋水前緣，是壩體的一部分，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)30 m，通航工作門采用人字閘門，閘頂高程32.00 m，布置有交通橋、臺(tái)車軌道梁、電纜溝梁及機(jī)房。

圖1 船閘平面布置圖Fig.1 Plane layout of ship lock

下閘首順?biāo)飨蜷L(zhǎng)28 m，通航工作門也采用人字閘門，閘頂高程32.00 m，布置有交通橋、臺(tái)車軌道梁、電纜溝梁機(jī)及機(jī)房。左邊墩上部布置有閥室檢修交通井，左邊墩下部布置有集水井；右邊墩上部布置有檢修門庫(kù)，右邊墩下部布置有集水井。

閘室長(zhǎng)200 m，由10個(gè)結(jié)構(gòu)段組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)20 m，采用整體鎢式結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。閘墻頂寬3.50 m，底寬7.50 m，兩側(cè)閘墻邊墩內(nèi)下部設(shè)有輸水廊道，斷面尺寸2.5 m×2.8 m（寬×高）。在廊道頂部設(shè)置了?100 mm的通氣孔，輸水廊道內(nèi)的水體通過(guò)出水支孔，經(jīng)閘室底板上設(shè)置的消力檻消能進(jìn)入閘室內(nèi)。每個(gè)結(jié)構(gòu)段閘墻內(nèi)側(cè)均設(shè)有系船環(huán)槽，閘室頂部設(shè)置有電纜溝槽，溝通上下閘首電纜連接。

上、下游引航道采用不對(duì)稱式的平面布置型式，上游引航道長(zhǎng)度450 m，其中上游主導(dǎo)航墻長(zhǎng)120 m，隔流墩長(zhǎng)120 m，調(diào)順段長(zhǎng)110 m，靠船墩段長(zhǎng)100 m；上游輔導(dǎo)航墻長(zhǎng)80 m，采用弧形翼墻與右岸連接。下游引航道長(zhǎng)度450 m，其中下游主導(dǎo)航墻長(zhǎng)120 m，調(diào)順段長(zhǎng)230 m，下游靠船墩段長(zhǎng)100 m；上游輔導(dǎo)航墻長(zhǎng)40 m，采用弧形翼墻與右岸連接。

圖2 閘室墻典型斷面Fig.2 Cross section of chamber wall

4 輸水系統(tǒng)選型

水口壩下船閘上游通航水位與水口水電站通航建筑物下游最低通航水位7.64 m銜接，下游通航水位根據(jù)下游河床演變預(yù)測(cè)水位確定為－1.0 m，并經(jīng)福建省交通運(yùn)輸廳項(xiàng)目審核審批文件閩交港航[2010]9號(hào)文確認(rèn)。因此，水口壩下船閘設(shè)計(jì)水頭為8.64 m，設(shè)計(jì)水頭小于10 m，按常規(guī)可選擇集中輸水系統(tǒng)方案。但考慮到水口壩下船閘閘室有效長(zhǎng)度為200 m，屬于加長(zhǎng)型非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，船閘閘室長(zhǎng)寬比達(dá)到16.7∶1，因此，閘室充水時(shí)的縱向水面坡降較大，水流條件較為復(fù)雜。

根據(jù)總體布置和JTJ306—2001《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》輸水系統(tǒng)類型的選擇公式m=判斷及要求，對(duì)水口壩下船閘的輸水系統(tǒng)型式進(jìn)行了分析，確定了該船閘可能采用的兩種輸水系統(tǒng)型式——閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)和短廊道集中輸水系統(tǒng)。在分析這兩種輸水系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況的基礎(chǔ)上，計(jì)算了該船閘輸水廊道閥門段尺寸，并結(jié)合具體工程條件，布置和確定了輸水系統(tǒng)的主要尺寸，進(jìn)而采用數(shù)學(xué)模型對(duì)兩種輸水系統(tǒng)的水力特性進(jìn)行了計(jì)算分析對(duì)比。

水力計(jì)算分析結(jié)果表明：水口壩下船閘采用的輸水系統(tǒng)的整體布置設(shè)計(jì)基本是合理的，各輸水水力特征的計(jì)算值可以滿足設(shè)計(jì)要求。其中分散輸水系統(tǒng)水力指標(biāo)較高，集中輸水系統(tǒng)相對(duì)較低，考慮到水口壩下船閘在同規(guī)模船閘中具有閘室長(zhǎng)寬比大、要求輸水時(shí)間短、閩江航運(yùn)地位重要等因素，最終選定國(guó)際上較為先進(jìn)且得到廣泛應(yīng)用的閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)型式。

對(duì)所選定的輸水系統(tǒng)做了進(jìn)一步計(jì)算分析論證，提出輸水系統(tǒng)各部分詳細(xì)尺寸及布置，得到了輸水系統(tǒng)阻力系數(shù)、流量系數(shù)、輸水系統(tǒng)、換算長(zhǎng)度和閘室超高（降）等水力參數(shù)以及由初始波浪力所確定的閥門全開(kāi)時(shí)間、輸水系統(tǒng)的輸水水力特性。計(jì)算成果表明：通過(guò)設(shè)計(jì)研究所提出的輸水系統(tǒng)型式布置能滿足設(shè)計(jì)輸水時(shí)間、船舶在上、下游引航道和閘室的停泊和航行安全以及船閘輸水閥門安全運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。

船閘上游進(jìn)水口利用上游引航道和上閘首底高程之間已有的3.63 m高差采用正面進(jìn)水方式，正面進(jìn)水口面積為2×（5.5 m×2.8 m）（寬×高）=30.8 m2。上閘首充水廊道閥門后通過(guò)水平及垂直轉(zhuǎn)彎與閘室出水孔段廊道相連接，水平轉(zhuǎn)彎時(shí)將輸水廊道寬度由2.0 m擴(kuò)大至2.5 m。充水主廊道面積為2×（2.5 m×2.8 m）（寬×高）。充水水力特性計(jì)算結(jié)果表明：上游引航道最大平均流速0.30 m/s，符合規(guī)范要求；上游引航道的設(shè)計(jì)船隊(duì)縱向系纜力僅為1.7～3.5 kN，上游引航道內(nèi)船舶停泊條件滿足規(guī)范要求。

閘室出水段廊道通過(guò)水平轉(zhuǎn)彎與垂直轉(zhuǎn)彎，上與充水主廊道、下與泄水主廊道相連接。底高程-3.30 m，頂高程-0.50 m，最大水頭時(shí)淹沒(méi)水深0.5 m。閘室出水段廊道斷面面積為2×（2.5 m×2.8 m）（寬×高）=14.0 m2。閘室出水支孔每側(cè)閘墻36孔，共72孔，孔口尺寸分別為：0.35 m×0.50 m，間隔4.0 m，總長(zhǎng)140.0 m，占閘室有效長(zhǎng)度70%，72×（0.35 m×0.50 m）（寬×高）=12.6 m2。閘室內(nèi)出水段出水孔外側(cè)設(shè)一消力檻，消力檻高0.20 m，距出水口距離1.25 m。

船閘下閘首出水口廊道底高程采用與泄水閥門一致以簡(jiǎn)化布置，泄水閥門后平底轉(zhuǎn)彎至出水口，為使出水口水流盡可能均勻，出口設(shè)中導(dǎo)墻，導(dǎo)墻的起點(diǎn)略偏向彎段外側(cè)。由于最大水頭達(dá)8.6 m以上，因此下閘首采用第三類消能設(shè)施。考慮到下游引航道底高程與閘底高程一致，選用格柵式消能室，消能室內(nèi)設(shè)兩道挑流檻，以均勻出流并可使單邊輸水時(shí)出水支孔能較均勻出流。閘室出水孔段廊道通過(guò)水平及垂直轉(zhuǎn)彎與下閘首泄水廊道相連接，水平轉(zhuǎn)彎時(shí)將輸水廊道寬度由2.5 m減小至2.0 m。泄水主廊道面積為2×（2.5 m×2.8 m）（寬×高）。出水口通過(guò)水平轉(zhuǎn)彎與泄水主廊道連接，并將廊道寬度由2.0 m調(diào)整為5.4 m，在轉(zhuǎn)彎段設(shè)置分流墩。頂面格柵出水，消能室內(nèi)設(shè)置兩道高度分別為0.6 m及1.2 m的挑流檻。出水口孔口總面積為36.0 m2，泄水水力特性計(jì)算結(jié)果表明：下游引航道最大流速0.65 m/s，下游引航道為5.2～11.2 kN。因此，下游引航道內(nèi)船舶停泊條件均滿足規(guī)范要求。

除計(jì)劃大修外，船閘一般不斷航檢修，因此在輸水工作閥門上游或下游設(shè)有檢修閥門，確保一側(cè)輸水閥門或閥門段出故障時(shí)，另一側(cè)輸水閥門及廊道仍能正常運(yùn)行。閥門段檢修時(shí)的排水通過(guò)排水鋼管匯入下閘首集水井，由下閘首閥室控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)船閘設(shè)計(jì)方案研究、總體布置優(yōu)化及輸水系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)，確定了水口壩下樞紐綜合治理航運(yùn)建設(shè)方案，進(jìn)行了航運(yùn)方案通航船閘總體布置，針對(duì)在同規(guī)模船閘中具有閘室長(zhǎng)寬比大（16.7∶1）的特點(diǎn)，重點(diǎn)進(jìn)行了船閘輸水系統(tǒng)選型分析研究論證，主要結(jié)論如下：

（1）水口水電站壩區(qū)、新建壩下水位治理工程壩區(qū)及兩樞紐間通航水流條件均基本滿足船舶安全通航的要求，布置基本合理，可作為壩下水位治理工程的設(shè)計(jì)方案。

（2）船閘總體布置通過(guò)樞紐整體水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，通航條件為最高通航流量Q=10 000 m3/s。試驗(yàn)表明當(dāng)7 000 m3/s≤Q≤10 000 m3/s，上、下引航道流速指標(biāo)均出現(xiàn)了一定程度的超標(biāo)，該流量下船舶航行時(shí)需謹(jǐn)慎駕駛，避開(kāi)邊壁回流區(qū)及急流區(qū)。當(dāng)Q=16 900 m3/s，口門區(qū)流速較大范圍超標(biāo)，船舶航行困難。

（3）經(jīng)對(duì)船閘輸水系統(tǒng)長(zhǎng)短廊道不同型式的水力特性進(jìn)行分析比較，水口壩下船閘采用閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔的輸水系統(tǒng)型式是合適的，具有優(yōu)良的水力指標(biāo)。

（4）設(shè)計(jì)提出的輸水系統(tǒng)布置，經(jīng)船閘水力學(xué)分析計(jì)算比較及各部分結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化，選定的輸水系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)輸水時(shí)間、船舶在上、下游引航道、閘室的停泊和航行安全以及船閘輸水閥門安全運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。