富春江船閘擴建改造后電站黑啟動對下游航運安全影響分析

張公略，李君濤，吳世東

（1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州310006；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；3.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，杭州310000）

錢塘江是浙江省第一大河，具有優(yōu)良的天然航運條件，但由于富春江大壩的阻隔以及富春江船閘通過能力的“瓶頸”制約（設計年過閘貨運量為80萬t），迫使運往上、下游的大量貨物棄水走陸，沒有發(fā)揮錢塘江水運的天然優(yōu)勢［1］。為此，近6 a來對富春江航運瓶頸改造工程進行了各種方案的論證、研究，并最終確定采取先期進行船閘擴建改造方案。但針對該方案，在富春江電站黑啟動情況下存在著一個航運安全問題。為此，文中對于黑啟動情況下的航運水流條件狀況及其相應安全措施進行了系統(tǒng)的分析，并試圖對類似樞紐船閘改造工程中電站運行與航運之間矛盾問題的解決提供可借鑒的經(jīng)驗。

1 船閘總體布置簡介

富春江擴建改造船閘布置在右岸岸坡，保留原有船閘不動，緊接原有船閘下閘首在其后新建一座標準的Ⅳ級船閘，原有船閘作為上游引航渠道，擴建后的船閘包括上游引航道（引航渠道）、上閘首、閘室、下閘首和下游引航道。上閘首與原有船閘下閘首緊密相連，新建船閘總長356 m，閘室長度為300 m；上閘首口門寬度12.4 m，閘室為不對稱廣腹式，閘室總寬23.0 m，下閘首口門寬度23.0 m［2-3］。

新建船閘下游引航道與左側河道之間設置有連續(xù)的導航、靠船、隔流墻，并在口門區(qū)設置4個導流墩，用于調整墻后過水渠道水流對航道流速的影響。另外，對江心洲洲頭和主河道右側（江心洲左側）切灘疏浚，以及在江心洲右側開挖一條行洪渠道（底寬約45 m、底高程3.0 m）等工程措施減小因船閘修建對防洪及發(fā)電水位的抬高。在船閘擴建后，富春江樞紐下游河道布置為：左側為主河道（切灘疏浚后）、右側引航道被導流隔墻分為兩部分，右岸側為新建船閘下游引航道，左側導流隔墻與江心洲之間為行洪渠道，在行洪渠道上游端設置一節(jié)制分水閘用于調節(jié)下游引航道的通航水流條件，在洪水小于下游最高通航水位時，通過調整該水閘的孔口開度來滿足下游通航水流條件，當洪水超過下游最高通航水位（2 a一遇洪水位）時，即開閘泄洪，此時航道需停航，節(jié)制分水閘寬度為45 m（3孔12 m×13 m的口門），行洪渠道在壩下1 400 m左右匯入右側主航道內［4-6］（圖 1）。

2 黑啟動影響因素及壩下非恒定流模擬計算成果

2.1 黑啟動影響因素

當電網(wǎng)發(fā)生事故需要富春江電站黑啟動運行，電廠要在極短的時間內帶滿負荷（電站在3 min之內由0負荷增至6臺機組滿負荷）。電廠短時間內增荷（卸荷）運行，出力都集中在短時段內激烈變化。受其影響，下游河道的水位、流速等水力要素在短時間內產(chǎn)生較大波動，對航運有一定影響。因此，電廠黑啟動功能與下游航運安全存在著一定的矛盾［7-8］。

2.2 黑啟動壩下非恒定流計算成果

本工程建設充分考慮電站黑啟動運行對下游航道的影響，對電站黑啟動運行（電站在3 min之內由0負荷增至6臺機組滿負荷運行）時下游河道的水力特征變化進行了二維數(shù)學模型計算。計算范圍為船閘閘首至下游10.71 km范圍的河道。計算下邊界水位采用電站不發(fā)電時的水位，根據(jù)實測資料，本階段選取2008年7月9日（機組不發(fā)電時下邊界分水江匯入口水位為3.75 m）實測資料，采用3.80 m控制。

根據(jù)富春江壩下航道和通航樞紐布置特點，分析以下8個典型斷面左側河道和右側航道內水位和流速變化：船閘下閘首出口（1#斷面，壩下約485 m）；靠船段（1#++斷面，壩下約950 m）；行洪渠道與右側航道匯合處（2#斷面，壩下約1 332 m）；左側主河道與右側航道匯合處（4#斷面，壩下約3 017 m）；5#斷面，壩下約4 565 m；6#斷面，壩下約6 312 m；7#斷面，壩下約7 536 m；8#斷面，壩下約9 029 m。主要計算結果為：（1）電站啟動后1 h 45 min左右航道面水位基本穩(wěn)定，其穩(wěn)定時水位相對于電站啟動開始時間水位漲幅分別為3.46 m、3.48 m、3.54 m、3.38 m、2.32 m、1.89 m、1.25 m、0.93 m；（2）電站啟動后航道面各斷面水位最大分漲幅分別為 0.05 m、0.06 m、0.05 m、0.07 m、0.05 m、0.04 m、0.02 m、0.02 m；（3）電站啟動后水流傳遞至航道斷面1#、1#++、2# 和 4#、5#、6#、7#、8# 的時間分別為 13 min、12 min、11 min、16 min、23 min、27 min、32 min、36 min。

3 黑啟動航運安全分析及措施分析探討

電站黑啟動情況航道水流屬于非恒定流，其運動的水力要素在時間和空間上是瞬時變化的，航道內非恒定流的運動具有“潰壩”流傳遞特征，在局部河段會對上行船舶的航行起到阻礙作用。其對船舶的航行影響體現(xiàn)在兩個方面：其一，樞紐下泄非恒定流時產(chǎn)生的附加比降和附加流速是影響船舶正常航行的關鍵因素。其二是非恒定流產(chǎn)生的水位變幅對船舶安全航行的影響較大，船舶應保持一定的船位和航向（包括航行漂角，航行操舵角），而水位變幅速率過大會引起船舶航行的偏航速度快，漂角和操舵角加大。

3.1 非恒定流產(chǎn)生的附加比降和附加流速對船舶正常航行影響分析

非恒定流產(chǎn)生的附加比降和附加流速對船舶的航行影響，可以采用非恒定流條件下產(chǎn)生的船舶航行阻力（指船舶逆水上行時受到的水流阻力和水面坡降阻力）與船舶有效推力進行比較來判定，即當船舶的有效推力大于航行的阻力時船舶可正常上行，否則難于通過該河段。

富春江電站黑啟動時，下游航道8個典型斷面在最不利比降、流速組合條件下的船舶航行阻力分別為899 kg（對應流速1.52 m/s、比降0.57‰），小于船舶的有效推力（2 100 kg），因此理論上從非恒定流產(chǎn)生的附加比降和附加流速對船舶產(chǎn)生的正常航行阻力分析，船舶能夠正常上行。

3.2 非恒定流產(chǎn)生的水位變幅對船舶安全航行影響分析

研究和分析非恒定流產(chǎn)生的水位變幅對船舶安全航行影響，主要是分析該河段的水位變幅速率。如果電站黑啟動時產(chǎn)生的水位變幅相對較小，則對船舶安全航行影響不大，反之則對船舶安全航行不利。《內河通航標準》中只規(guī)定：“樞紐進行電站日調節(jié)引起的樞紐上下游水位的變率，應滿足船舶安全航行和作業(yè)要求”，沒有給出具體的限定數(shù)值，目前關于非恒定流產(chǎn)生的水位變幅對船舶安全航行的影響只能通過實地調研或者參照其他河流水位變幅的限定值進行判定。根據(jù)華東勘測院對電站黑啟動時下游航道的水位變化特征分析，本工程在黑啟動期間航道局部區(qū)域水位漲速較快，對于船舶安全航行影響較大，為此進行如下具體分析，并提出相應措施。

富春江水電站黑啟動后，閘下航道局部區(qū)域（壩下1 332～8 500 m）在電站事故備用（黑啟動）后1.5 h內水位最大漲率均超過1 m/h，最大漲率達2.55 m/h，對應流速1.52 m/s、比降0.57‰，理論上船舶的有效推力雖然能夠克服由非恒定流產(chǎn)生的附加比降和附加流速對船舶產(chǎn)生的正常航行阻力，但參考國內類似研究成果及實際經(jīng)驗，此時段對船舶的安全航行有較大的不利影響，需采取必要的安全措施。在電站黑啟動大約1.5 h后，水位趨于穩(wěn)定，船舶能夠正常航行。

根據(jù)計算成果，可將船閘下游航道分為以下4個區(qū)域進行分析（圖2）。區(qū)域一：船閘下閘首出口至導航靠船墻末端靜水區(qū)域，1#～2#斷面；區(qū)域二：節(jié)制分水閘調控區(qū)域，水位變幅影響較大，2#～5#斷面；區(qū)域三：水位變幅影響較大區(qū)域，5#至壩下8.5 km（根據(jù)8#斷面水位漲速插值分析，在壩下8.5 km以下，水位最大時漲速相對較?。粎^(qū)域四：水位變幅影響較小區(qū)域，壩下8.5 km以下。

（1）對于區(qū)域一（壩下485～1 332 m），在壩下主河道與航道之間有足夠長的分隔墻，該區(qū)域流速很小，水位變幅速率約為5 cm/min。按照《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》JTJ306－2001，閘室內水面升降速度為5～6 cm/s時，可以設置固定系船設備。另外，為安全起見，在靠船段采用浮式系船設施，同時航運部門應加強管理，在電站黑啟動1.5 h內禁止該區(qū)域船舶下行。

（2）對于區(qū)域二（壩下1 332～4 565 m），在壩下1.3 km處設有節(jié)制分水閘來調節(jié)主河道匯入航道的水流，黑啟動引起的壅水對航道的影響在時序上較主河道滯后，其水位漲幅速率也較主河道小，但水位時漲幅相對較大，對航運安全有影響，為此建議采用特殊情況的應急措施，即暫時關閉節(jié)制分水閘閘門，這樣因江心洲的分隔作用，該區(qū)域水流流速很小，船舶可以行駛至該區(qū)域安全停泊。

根據(jù)華東院勘測設計院的分析結果，電站黑啟動后水位漲幅影響依次向下游傳遞，在黑啟動后23 min開始有水流從5#斷面處回流，在45 min后在4#斷面處主河道水流開始向航道側漫流，為此，在該區(qū)域停泊的船只應行駛至4#斷面上游區(qū)域停泊。另外，為安全起見，航運部門應加強管理，在電站黑啟動1.5 h內禁止該區(qū)域船舶下行。

（3）對于區(qū)域三（壩下4 565～8 500 m），根據(jù)華東勘測院分析結果，對5#斷面，電站黑啟動后23 min開始影響，在32 min后影響開始加大；對7#斷面，電站黑啟動后32 min開始影響，在45 min后影響開始加大；對4#斷面，電站黑啟動45 min后主河道水流開始向航道側漫流。區(qū)域三在電站黑啟動后1.5 h內水位漲速較大，而在1.5 h以后水位漲速趨于平緩。為保證航運安全，應限制該區(qū)域船舶通航。

在電站黑啟動后，航運管理部門即刻通知該區(qū)域航道內的船舶，要求上行船舶加速行駛，搶在電站發(fā)電水流影響傳遞至5#斷面前行駛至區(qū)域二躲避，因電站未放水發(fā)電前航道內水流流速很小，若按500 t級船隊滿載靜水航速10 km/h左右計算，從壩下8.5 km往上至5#斷面處航道里程為3.9 km，船舶在23 min內可以從區(qū)域三下游側航行至區(qū)域二內，航行所需時間小于電站黑啟動發(fā)電水流加大影響傳遞至5#斷面的時間（32 min），但是由于船舶航行至口門區(qū)（5#斷面）處時，該時刻水流條件復雜，船舶駕駛人員應集中注意力，掌控好船舵。

對于該區(qū)域下行船舶，同樣需要加速下行，按照500 t級船隊滿載靜水航速10 km/h左右計算，從5#斷面處向下游至壩下8.5 km航道里程為3.9 km，船舶在23 min內可以從區(qū)域三上游側航行至區(qū)域四內，航行所需時間小于電站黑啟動發(fā)電水流較大影響波及至船舶行至安全區(qū)域所需的時間（45 min）。

（4）對于區(qū)域四（壩下8 500 m），水位的時漲幅相對較小，電站黑啟動對船舶航行安全影響較小，但航運管理部門也應將電站黑啟動情況即時告知下游遠方調度站及在下游航道內行駛的船舶，要求上行船舶就近在江面開闊處或下游遠方調度站錨泊區(qū)內錨泊，待水位基本穩(wěn)定后才可上行通航。對于該區(qū)域下行船舶可以繼續(xù)行駛。

3.3 工程措施及管理措施

由于富春江水電站在承擔電網(wǎng)事故備用和黑啟動任務時，其下游水位、流速、水面比降等短時間驟變不可避免，為了不影響電站事故備用和黑啟動的能力，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，同時也為了保證通航安全，富春江船閘擴建改造工程采取工程措施和航運管理措施是十分必要的。

采用合理的工程措施主要包括設置足夠長的分隔墻，設置節(jié)制分水閘以及采用浮式系船設施等。采取的航運管理措施主要有：航運管理部門需根據(jù)“富春江船閘擴建后運行機制及調度方案框架意見”雙方成立富春江船閘運行協(xié)調小組，制定船閘運行應急預案，負責航運安全；在電站事故備用（黑啟動）運行時，停止船閘的通航運行，關閉節(jié)制分水閘，做好對下游航道內船舶調度，迅速告知壩下航道內的船舶，提醒船舶采取有效的安全措施，確保船舶航行安全。

4 結語

（1）文中以富春江船閘擴建改造工程為例，根據(jù)大量的模型試驗成果，詳細分析了電站黑啟動情況下，電站水流對于壩下航道船舶安全的影響，得出了在采用有效可靠的工程措施及管理措施后，電站黑啟動對航運的影響是可以控制在安全允許范圍內的。

（2）文章在分析過程中，充分考慮到電站發(fā)電因素與船閘擴建工程之間的相互關系，并通過船閘合理的總體布置方案解決了船閘擴建與發(fā)電等外部因素之間的矛盾，為類似的航電樞紐擴建改造工程提供借鑒。

（3）文章為國內類似的航電樞紐擴建改造工程中航電之間的矛盾提出了合理可行的分析方法和工程措施探討分析方式。

［1］浙江省交通規(guī)劃設計研究院.富春江船閘擴建改造工程工程可行性研究報告［R］.杭州：浙江省交通規(guī)劃設計研究院，2008.

［2］浙江省交通規(guī)劃設計研究院.富春江船閘擴建改造工程船閘總體設計方案［R］.杭州：浙江省交通規(guī)劃設計研究院，2008.

［3］金國強，董志軍.富春江航電樞紐通航瓶頸改造方案探討［J］.水運工程，2008（11）：136-138.JIN G Q，DONG Z J.Aspect on the shipping bottleneck renovation schemes for Fuchunjiang power situation junction［J］.Port&Waterway Engineering，2008（11）：136-138.

［4］曹一中，張公略，金國強，等.富春江船閘擴建改造工程總體布置方案研究［J］.水運工程，2009（9）：136-141.CAO Y Z，ZHANG G L，JIN G Q，et al.General layout for reconstruction project of Fuchun River lock［J］.Port&Waterway Engineering，2009（9）：136-141.

［5］董志俊，李君濤，郝媛媛.富春江船閘擴建改造工程平面布置優(yōu)化研究［J］.水道港口，2009，30（5）：357-360.DONG Z J，LI J T，HAO Y Y.Plan layout optimization of ship lock extension project in Fuchun River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（5）：357-360.

［6］李君濤，郝媛媛，張麗.富春江船閘擴建改造工程整體水工模型試驗研究［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

［7］中國水電顧問集團華東勘測設計研究院.富春江船閘擴建改造工程對富春江、新安江水電站的影響分析報告［R］.杭州：中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2010.

［8］中國電力工程顧問集團華東電力設計院.富春江船閘擴建改造工程對電網(wǎng)運行安全影響專題研究報告［R］.上海：中國電力工程顧問集團華東電力設計院，2010.