水口壩下水位治理工程通航安全評估

扈曉雯，侯繼平

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

1 選址及通航標準

本工程的主要目的是解決水口水電站下游河道下切、下游水位不斷下降所帶來的影響通航、發(fā)電的問題。閘（壩）址選擇綜合樞紐地形地質條件、上下游河道連接、各建筑物的規(guī)模及相互影響、施工導流建筑物布置、施工工期、移民及環(huán)境影響、工程投資等因素進行全面分析綜合比選確定。本工程主要任務是滿足通航要求，樞紐選址時充分考慮船閘布置具有良好的通航條件，滿足安全通航要求。

1.1 壩址擬定及選址

（1）壩址擬定

水口水電站樞紐至閩清梅溪口長約15 km的閩江河段為低山峽谷，河谷兩岸山體雄厚，河床相對較窄。閩江沿岸公路和鐵路以上岸坡多為強～弱風化基巖，兩岸坡度約為25°～40°。梅溪口以下閩江河段逐漸開闊，多為丘陵與平原相間的堆積地貌，兩岸多為砂土堆積階地。根據此河段的地形、地質條件，結合壩址選擇原則，初步擬定壩址選擇河段范圍為水口水電站樞紐壩下～閩清梅溪口長約15 km的閩江河段內，其中水口水電站樞紐壩下～北溪村碼頭約8.5 km的河段河床相對較狹窄，寬度約為300～400 m；北溪村碼頭～閩清梅溪口河段河床逐漸開闊，寬度約為500～700 m。在滿足工程建設任務的同時，盡量減少工程投資，故本階段壩址選擇應在河床寬度相對較窄的河段，即水口水電站樞紐壩下～北溪村碼頭約8.5 km的河段范圍。根據此河段的地形、地質條件，從上游向下游依次分為上、中、下三個壩址，見圖1。

圖1 壩址河段示意圖Fig.1 Schematic diagram of the river section of dam site

工程方案論證階段對上、中、下三個壩址從地形地質條件、對水口水電站防洪與發(fā)電的影響、水工建筑物布置、施工組織設計、建設征地移民安置、投資估算、施工期通航條件等方面進行了綜合技術經濟比較，分析認為：中壩址河道較窄，又處于河流拐彎處，水流條件相對較差，不利于船舶安全通航和樞紐建筑物的布置。上、下兩個壩址地形地質都具備修建低水頭攔河閘壩的基本條件，即工程建成后都能達到水口水電站樞紐壩下水位治理的目的；工程建設技術條件成熟；施工期可不斷航；基本不影響水口水電站的發(fā)電功能以及左右岸鐵路、公路的運行安全等。但是，上壩址左岸工程地質條件相對較差，距離水口水電站相對較近，且廠房等拆遷量較大；而下壩址施工導流相對復雜，左岸交通不便，施工期受鐵路影響大，庫區(qū)淹沒影響實物量和處理難度大，船閘投入運行時間較晚，且對下游取水口水源保護區(qū)影響較大。

（2）選定壩址

咨詢評估認為，上、下兩個壩址都能達到本工程的治理目的，但各有利弊。從節(jié)約工程投資、保護居民生產生活條件、保障工程順利建設并對社會影響和生態(tài)環(huán)境影響最小等方面考慮，評價上壩址（安仁溪）作為水口水電站樞紐壩下水位治理工程的壩址……”。2009年1月，福建發(fā)展和改革委員會發(fā)布關于《福建省發(fā)展和改革委員會關于閩江水口水電站壩下水位治理工程壩址意見的函》，文中明確指出：“……經省政府研究，原則同意推薦的安仁溪壩址為水口水電站樞紐壩下水位治理工程壩址……”。

1.2 通航標準

（1）航道規(guī)模

根據福建省關于水口壩下～福州河段的內河航道發(fā)展規(guī)劃：通航標準船隊為2×500 t級頂推船隊，Ⅳ級航道標準為：航道底寬≥50.00 m，航道水深1.90 m，航道最小彎曲半徑330 m。

（2）船閘規(guī)模

船閘有效尺度：根據GB50139-2004《內河通航標準》規(guī)定，Ⅳ級航道設計最大船舶噸級為500 t，相應船閘級別為Ⅳ級。按一次通過1個500 t級貨船+1個2×500 t級一頂兩駁標準船隊縱向排列設計，兼顧滿足現(xiàn)狀船隊編組要求，船閘有效尺度確定為：200.00 m×12.00 m×3.00 m（長×寬×檻上水深），通航凈空8.00 m。

設計年通過能力：年過壩貨運量400萬t；年過木、竹200～250萬m3；日上、下行客運各1次。

2 擬建工程對通航環(huán)境的影響

本工程任務僅具航運功能，綜合考慮了工程興建對通航環(huán)境的影響因素，盡量減小對閩江下游河道行洪、水口水電站樞紐下游水位、兩岸公路、鐵路及工程區(qū)域環(huán)境的影響。

2.1 水環(huán)境及水生生態(tài)影響分析

（1）水環(huán)境影響

本工程為無閘門自由溢流壩，水庫庫容很小，建庫后，當洪水流量較大時，壩址上、下游水位相差不超過0.3 m；當上游水口水電站只有發(fā)電泄流時，本工程壩址上、下游水位相差較大，在7～1臺機組滿負荷發(fā)電的情況下，水位差為2.83～4.35 m，在航運基流情況下，最大水位差為4.43 m。因此，水庫建成后，對壩址上游水文情勢有一定影響，但影響很小。壩址下游水位將基本維持天然狀態(tài)，在滿足下泄基流的條件下，對下游水文情勢影響很小。

本工程對水口水電站下游河道起壅水作用，有利于改善水口壩下河段河床下切現(xiàn)象。工程建成后不會影響河道流量的時空分布，不會明顯降低河流的挾沙能力，對河道沖淤影響很小。

工程建成前后，庫區(qū)水面面積、水深及水面寬度等水文要素變化很小，對河道岸坡穩(wěn)定影響很小。從水溫和庫區(qū)水質預測結果可知，建壩后庫區(qū)水體交換非常頻繁，水體中總磷和總氮指標與建庫前基本相同。因此，工程建成后不會引起河道水體富營養(yǎng)化。

（2）水生生態(tài)影響

經對工程所在閩江河段的水生生態(tài)進行專題調查與評價，主要結論為：工程建成后，不同流量情況下，壩址下游水位等將維持現(xiàn)狀，即本工程的建設基本不改變壩址下游現(xiàn)有水生生態(tài)、下游餌料生物現(xiàn)狀、現(xiàn)有魚類分布規(guī)模。正常通航運行對當地水環(huán)境、水生生態(tài)環(huán)境、聲環(huán)境等影響均較小，將會大大改善閩江通航現(xiàn)狀。

2.2 工程區(qū)域河段通航環(huán)境影響

經分析，擬建水口壩下樞紐位于水口水電站下游竹木停泊區(qū)和船舶停泊區(qū)之間，對附近河段船舶的通航環(huán)境會造成一定的影響，對策措施如下。

（1）航道適當改線

現(xiàn)水口水電站下游航道從擬建樞紐上游約350 m處從右岸過渡到左岸，再從左岸過渡到右岸，與擬建水口壩下樞紐位于右岸的通航船閘銜接，因此現(xiàn)有航道需相應改線。

（2）停泊區(qū)修正

擬建樞紐位于水口水電站下游竹木停泊區(qū)和船舶停泊區(qū)之間，受擬建樞紐的建設影響，船舶停泊區(qū)需相應修正。

（3）最高通航水位標準

目前，閩江干流最高通航水位均取重現(xiàn)期2年洪水位。經樞紐水工整體模型試驗驗證，擬建樞紐建成后，重現(xiàn)期2年洪水時水口水電站下游和擬建樞紐兩樞紐間的通航水流條件有明顯改善，擬建樞紐上下游的通航水流條件基本滿足船舶安全通航要求。

（4）樞紐上下游水位

擬建壩下樞紐上游設計最高通航水位與水口水電站樞紐下游最高通航水位相銜接，并計入動庫容的水位抬高值；擬建壩下樞紐上游設計最低通航水位與水口水電站樞紐下游設計最低通航水位相銜接，擬建樞紐建成后，將恢復水口水電站通航建筑物的原設計通航條件。擬建水口壩下樞紐下游設計最高和最低通航水位滿足Ⅳ級航道的通航標準要求。

（5）口門區(qū)通航水流條件

擬建壩下樞紐船閘建設后，船閘口門區(qū)通航水流條件如下。

船閘上游引航道口門區(qū)的航深、橫向流速、縱向流速和回流流速均基本滿足規(guī)范值：航深大于2.5 m，縱向流速小于2.0 m/s，橫向流速小于0.30 m/s，回流流速小于0.4 m/s。流量Q介于10 000～16 900 m3/s時，上游引航道口門區(qū)局部區(qū)域縱向流速達2.67～3.40 m/s，但較工程建設前均有改善，其橫向流速和回流流速均在規(guī)范規(guī)定的范圍內，船舶進出閘時需避開急流區(qū)謹慎駕駛。因此，上游引航道口門區(qū)水流條件均基本滿足船舶安全通航要求。

船閘下游引航道口門區(qū)航深和流速指標，經水工模型試驗成果分析，當上游來流量Q≤7 000 m3/s時，其通航水流條件可以滿足船舶安全通航的要求。當上游來流量10 000 m3/s≤Q≤16 900 m3/s時，其縱向流速接近或超過3.00 m/s，最大回流流速也超過了0.50 m/s，存在一定的困難航段，船舶經過該區(qū)域時，需小心謹慎駕駛，避開局部急流區(qū)和邊壁回流區(qū)上下行進出閘。因此，船閘下游引航道口門區(qū)水流條件也基本滿足船舶安全通航要求。

（6）安仁溪支流影響

擬建水口壩下樞紐船閘上游約680 m處有安仁溪匯入閩江，匯入的溪流與改線后的航道基本垂直，產生的橫流可能會對航道水流條件產生一定的影響，特別是暴雨洪水時可能影響更大。應加強安仁溪出流對航道水流條件影響監(jiān)測，采取積極的應對措施。

（7）航標補充調整

河床形態(tài)的改變和航道的改變對航標產生一定的影響，航標設置應做適當的補充調整，以滿足船舶安全航行要求。

2.3 助航標志配置

水口壩下樞紐建設后，為了確保壩區(qū)附近船舶的通航安全，建議在船閘上下游引航道導航墩上新設兩座側面標，按內河一類航標標準沿岸航道配備，以保證船舶在本工程區(qū)域河段內能晝夜航行。為了確保本工程區(qū)域船舶的通航安全，建議設置船舶進出船閘顯示信號（紅、綠燈）、閘室安全標志以及引航道助航標志燈。

2.4 航道要素與通航安全

水口壩下樞紐建設后，船閘附近的航線應適當調整。本航段為Ⅳ級航道，閘室有效尺度200.00 m×12.00 m×3.00 m（長×寬×檻上水深），確定船閘下游門檻高程時，還考慮了下游河道進一步下切的安全儲備值。

船閘引航道、口門區(qū)及連接段應避免出現(xiàn)影響船舶、船隊航行和停泊安全的泄水波、泡漩和亂流等不良水流條件。船閘引航道口門區(qū)的水流表面最大流速應滿足以下條件：平行于航線的縱向流速不大于2.0 m/s，垂直航線的橫向流速不大于0.3 m/s，回流流速不大于0.4 m/s，船閘引航道口門外連接段與主航道的水流應平順過渡，連接段的水流表面最大流速不應影響過閘船舶和船隊的安全航行。

兩樞紐間河道通航水流條件滿足船舶安全通航的要求：航深H＞1.9 m，水面比降Jmax≤3.00‰，縱向流速Vmax≤3.0 m/s。

3 樞紐主要建筑物安全

水口壩下樞紐工程的布置協(xié)調，地質條件適宜，船閘總體布置合理。經整體穩(wěn)定和結構計算分析，各控制工況下，擋水壩、溢流壩、通航船閘等主要建筑物滿足設計標準和規(guī)范要求，結構總體安全可靠。

通航船閘設計有效尺度及貨運噸位滿足通航規(guī)模和航道等級標準，遠景貨運量與上游水口水電站通航建筑物通航能力相匹配，并為閩江水運遠景發(fā)展留有一定余度。

經樞紐水工整體模型試驗驗證，除流量Q介于10 000～16 900 m3/s時受非恒定流影響，船舶航行阻力大于航行推力，船舶在兩壩間河道正常航行困難外，其余通航流量下，引航道口門區(qū)和兩壩間河道水流條件基本滿足船舶安全通航要求，船閘通航安全參數滿足允許值及相關規(guī)范值。

4 自然條件對水口壩下工程的影響

4.1 庫區(qū)風浪和大霧

庫區(qū)風浪超過10級，船舶（隊）應移至避風港，遭遇能見度在30 m以內的大霧，船閘停航。

4.2 引航道及口門區(qū)水流條件

上、下游引航道采用直進曲出的原則布置，總長度各450 m，由導航段、調順段、靠船段組成，在上游引航道的上游端布置有透空導航墻，以減弱端部的繞流作用，改善上游引航道口門區(qū)水流條件?？看蘸蛯Ш綁υ谝降纻染贾糜幸慌殴潭ㄏ荡h(huán)，供船舶系靠使用。

樞紐水工整體模型試驗成果表明，在各級通航流量（Q=308～16 900 m3/s）下，船閘上游引航道航深為3.86～15.08 m，下游引航道航深為6.15～20.98 m，滿足最小航深2.50 m的要求，并有較大余度；一般較小通航流量下，引航道及口門區(qū)水流流態(tài)良好，上、下游引航道口門區(qū)的水流表面最大縱向流速不大于2.00 m/s，橫向流速不大于0.30 m/s，回流流速不大于0.40 m/s。

上游引航道在Q=10 000 m3/s、16 900 m3/s時，引航道的上游透空導航墻局部出現(xiàn)斜流，最大回流流速為0.39 m/s，未超過規(guī)范限值 0.4 m/s，僅部分連接河段局部區(qū)域存在縱向流速指標超標的問題，但較本工程建設之前情況均有所改善。

下游引航道在10 000 m3/s≤Q≤16 900 m3/s時，其縱向流速接近或略超過3.00 m/s，邊壁回流流速也超過了0.50 m/s，但較工程建設前均有不同程度改善，在此大流量通航情況下，上下行船舶進出閘時仍須避開局部小范圍急流區(qū)和邊壁回流區(qū)，謹慎駕駛。

引航道及口門區(qū)連接段水流條件能滿足過閘船舶和船隊安全航行要求。

4.3 回淤情況

下游引航道及口門區(qū)連接段的回淤情況必須定期測量，確定其淤積速度和淤積范圍。壩下樞紐局部動床沖刷試驗顯示，當遭遇p=1%洪水時，下游泥沙沖刷，淤積在下游引航道內，大流量泄洪后應及時測量引航道及連接段的航深，如影響通航必須及時清淤、疏浚，確保船舶通航安全。對航道淤積情況應做好統(tǒng)計和記錄，便于總結規(guī)律和采取應對措施。禁止岸邊向航道內傾倒垃圾和廢物，避免加速淤積。

4.4 溢洪情況

水口壩下船閘最高通航水位為重現(xiàn)期2年標準，當水位超過標準時，船閘允許溢洪。船閘在溢洪狀態(tài)下，運行控制系統(tǒng)能使船閘處于上游閘門和閥門關閉、下游閘門和閥門開啟的狀態(tài)。

5 施工期通航條件

5.1 施工方案簡述

施工導流采用分期導流方式，子圍堰先圍右岸，子圍堰擋水時段為枯水期10月～次年2月，p=20%，Q＝4 801 m3/s，束窄的左河床泄流、通航，在子圍堰的圍護下施工一期圍堰、縱向混凝土圍堰及部分上下游導航墻。

一期導流采取枯水期圍堰擋水、汛期基坑過流的方案，圍堰擋水標準非主汛期8月～次年4月為p＝10%洪水，Q＝16 608 m3/s，圍堰過水標準為全年p＝10%洪水，Q=25 900 m3/s，枯水時段束窄的左岸河床泄流、通航，該階段主要施工右岸船閘、溢流壩及土石壩。

二期導流圍左岸，采用枯水期導流方案，圍堰擋水標準枯水期9月～次年3月，p=10%，Q=7 901 m3/s，右岸已建溢流壩泄流，右岸已建船閘通航，該階段主要施工左岸溢流壩、土石壩。

5.2 施工期通航條件

（1）第一階段施工期通航（子圍堰導流階段2010年10月中旬～2011年2月）

由于圍堰的束窄河床作用，上游水位抬高，當上游來流量Q≤564 m3/s，能夠滿足水口壩下施工區(qū)船舶安全通航的要求。當流量Q≥1 530 m3/s，可以滿足水口水電站過壩要求。

因此，施工期通航第一階段提高了小流量條件下的通航能力，對大流量條件下的通航能力影響較小。

（2）第二階段施工期通航（一期導流階段，2011年2月～2013年4月）

當流量Q≤3 372 m3/s時，束窄左岸河床的水流條件能夠滿足船舶安全通航要求。當流量Q≥2 285 m3/s，可以滿足水口水電站過壩要求，即2 285 m3/s≤Q≤3 372 m3/s時，船隊可以直接過施工區(qū)和水口水電站。

（3）第三階段施工期通航（2013年5月～2013年9月中旬）

當308 m3/s≤Q≤3 934 m3/s時，束窄左岸河床和右岸船閘均可通航；當3 934 m3/s≤Q≤5 000 m3/s時，船閘可通航并過水口水電站。

（4）第四階段施工期通航（2013年9月中旬～2014年3月）

當流量308 m3/s≤Q≤510 m3/s時，船閘上下游引航道口門區(qū)附近區(qū)域的通航水流條件包括縱橫向流速指標等，均能夠滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

綜上所述，結合水口電站近年下泄流量情況分析，水口壩下工程在施工期不同階段基本能夠滿足不斷航要求。

6 安全建議及保障措施

6.1 運用期安全保障措施

（1）協(xié)調水口上下過船建筑物的通航秩序

因受壩下水位下降的影響，目前水口水電站樞紐通航建筑物的運行情況枯水季基本上10 d左右通航一次，且按上午船只上行、下午船只下行的運行方式安排船只通過。水口壩下工程建成后，將恢復原水口壩下設計最低通航水位，通航建筑物的運行也將進入正常狀態(tài)。但同時受下游新建船閘運行狀態(tài)的制約，建議協(xié)調上下通航建筑物運行、管理及安全措施，使其通過能力達最大化。

（2）減小礙航程度的安全保證措施

水口上下游兩個樞紐的通航船閘應安排同時維護檢修，并盡量減少由于船閘正常維護而影響船舶通航；在流量為10 000 m3/s以上通航時，船舶進出閘時避開局部小范圍急流區(qū)謹慎駕駛；定期對引航道水域進行航深測量，掌握航深的變化情況，發(fā)現(xiàn)問題及時采取應對措施。

大流量泄洪后應及時測量引航道及連接段的航深，如影響通航必須及時清淤、疏浚，確保船舶通航安全；大壩泄流時應提前安排好下游停泊區(qū)內的船舶，安全停泊。嚴格執(zhí)行國家、地方法規(guī)，建立健全管理制度，落實各級人員安全生產責任制，保證過往船舶安全通航；加強設備和人力的投入，確保設備完好，使過船建筑物處于良好的技術狀態(tài)，維護正常通航秩序。

（3）管理需求論證和安全監(jiān)管設施配備

在導航墻首尾分別設置CTV電視監(jiān)控系統(tǒng)，并納入地方海事的船舶動態(tài)管理系統(tǒng)；建議配備一艘監(jiān)督艇，以應對突發(fā)事件。

6.2 施工期安全保障措施

（1）根據交通部1999年4號令《中華人民共和國水上水下施工通航安全管理規(guī)定》的有關要求，為保障施工區(qū)域航行安全，在工程開工前，建設單位應將施工方案、施工內容、施工進度和計劃安排等及時上報航道和海事主管部門審批，并向海事局申請辦理水上水下施工作業(yè)許可證。

（2）工程建設單位應委托航道管理部門在工程開工前劃定施工區(qū)域和通航區(qū)域，擬定施工期水上交通安全管理暫行規(guī)定，告示船舶通過工程段航道的安全注意事項，對工程區(qū)船舶通行進行調度指揮；同時在通航區(qū)域應根據工程方案和實測的河道水下地形情況，按需要配備布置臨時、永久航標和助航標志，并進行維護。

7 結 語

（1）本工程樞紐布置與自然條件、通航環(huán)境總體符合現(xiàn)行標準及規(guī)范要求。

（2）本工程樞紐各主要建筑物：擋水壩、溢流壩、船閘結構等滿足設計標準和現(xiàn)行規(guī)范要求，結構總體安全可靠。通航建筑物設計滿足通航標準和遠景貨運量要求。

（3）運行期通航條件基本滿足規(guī)范允許值及相關要求；施工期通航在各階段相應安全措施保障下基本滿足不斷航要求。

（4）水口壩下樞紐建設后，水口水電站與水口壩下樞紐之間的航道水域通航水流條件有所改善，水口壩下樞紐船閘口門區(qū)的水流條件可以滿足船舶的通航要求。