貴州省航電樞紐工程設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)與總結(jié)

李怡芬 楊雙超 黨勇

摘 要：近幾年貴州省水運(yùn)建設(shè)發(fā)展較快，通過(guò)參加航電樞紐工程的設(shè)計(jì)，對(duì)航電樞紐的特點(diǎn)及幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提出設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合貴州省清水江、都柳江在建的航電樞紐為例，在壩址選擇、樞紐布置、通航安全、泄洪規(guī)模、施工導(dǎo)流等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，為同類工程的設(shè)計(jì)積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：航電樞紐 布置 安全通航 泄洪規(guī)模 導(dǎo)流

貴州省在2014年～2016年用3年時(shí)間，在全省范圍內(nèi)開(kāi)展水運(yùn)建設(shè)大會(huì)戰(zhàn)，從而推動(dòng)了一批航運(yùn)工程、航電樞紐一體化項(xiàng)目的建設(shè)。其中都柳江相繼建成和在建從江、大融、郎洞、溫寨等四級(jí)航電樞紐，清水江相繼在建平寨、旁海兩級(jí)航電樞紐。本文通過(guò)對(duì)航電樞紐設(shè)計(jì)的總結(jié)，對(duì)貴州省渠化航電樞紐工程設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提出淺顯的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

1.航電樞紐的特點(diǎn)

航電樞紐工程通常是在內(nèi)河通航河道上修建的低水頭攔河樞紐，開(kāi)發(fā)任務(wù)與布置突出以航為主，航電結(jié)合，以電促航。通過(guò)修建攔河樞紐工程，可渠化通航河道，改善通航條件，提高通航能力，促進(jìn)旅游航運(yùn)發(fā)展，打通內(nèi)河與出?？诘倪B接通道，為水運(yùn)安全發(fā)展提供運(yùn)輸保障。航電樞紐的主要功能是通航，結(jié)合防洪要求，兼顧發(fā)電和灌溉等需求，應(yīng)處理好航運(yùn)、防洪、發(fā)電各項(xiàng)綜合利用的關(guān)系，以發(fā)揮樞紐最大綜合效益。航電樞紐應(yīng)以流域綜合利用規(guī)劃為基礎(chǔ)，以航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃和航道等級(jí)為依據(jù)，同時(shí)遵循交通及水利水電行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程規(guī)范。

貴州省多為山區(qū)河流，河床以巖石和卵石為主，航道狹窄彎曲，淺灘和險(xiǎn)灘眾多，航道等級(jí)低，通航能力小，山區(qū)河道洪峰流量大具有暴漲暴落的特點(diǎn)，修建航電樞紐渠化河道是改善航運(yùn)的最好途徑。貴州省航電樞紐具有水頭低、流量大、建筑物集中布置、通航流速不易滿足要求、施工期不斷航、壩前水位壅高大等工程特點(diǎn)。

2.壩址選擇

航電樞紐的壩址宜選擇在順直河段，便于通航建筑物引航道及其口門區(qū)、連接段航道等布置的要求，安全通航條件是考慮的重要因素之一，應(yīng)滿足上、下梯級(jí)通航水位的銜接，優(yōu)先采用設(shè)計(jì)最低通航水位銜接的方式，即渠化梯級(jí)下游設(shè)計(jì)最低通航水位與下游梯級(jí)的上游設(shè)計(jì)最低通航水位進(jìn)行銜接。干、支流相交河段，壩址宜選擇在支流河口下游的干流上。

以貴州省都柳江溫寨航電樞紐為例，其比較壩址分別位于孖溫河口上、下游，壩址方案見(jiàn)圖1。

上、下壩址船閘均布置在河段天然深泓線側(cè)，有利于通航，但對(duì)于孖溫河口段通航水流條件，選擇上、下壩址將有明顯的不同。孖溫河口段為彎曲河段，凹頂處有支流孖溫河反向匯入都柳江，水流與干流流向相反而形成頂沖之態(tài)，干、支流洪水遭遇不同，交匯處水流紊亂復(fù)雜，泥沙大量沉積形成攔門沙洲，孖溫河匯入口主流上、下游擺動(dòng)，對(duì)船舶安全航行影響較大。上壩址方案，該河口段屬于下游郎洞梯級(jí)庫(kù)尾段，水深不足，保證安全通航需要進(jìn)行航道整治浚深河槽，同時(shí)尚應(yīng)采取工程措施改變孖溫河與都柳江干流的交匯角，使其流向轉(zhuǎn)向干流下游，該工程措施需專題研究論證并結(jié)合水工整體模型試驗(yàn)驗(yàn)證。下壩址方案，孖溫河口段被淹沒(méi)在壩前庫(kù)區(qū)中，通航水深可達(dá)10 m～16.5 m，基本消除不利通航的流速與流態(tài)，避免了采取復(fù)雜工程措施調(diào)整孖溫河流向和航道浚深，渠化河道也是最有效的航道整治工程措施。經(jīng)自航船模航行試驗(yàn)，中、枯水流量下，船模能夠安全通過(guò)樞紐上游航道進(jìn)出口門區(qū)及引航道；洪水流量時(shí)，船模沿中航線航道內(nèi)航行條件較好，即使最不利工況下，設(shè)計(jì)代表船型也可順利航行，航行條件能夠滿足船模安全航行要求。

溫寨航電樞紐兩壩址條件相差不大，下壩址河床較窄，岸坡開(kāi)挖較高，但通航條件較好，減少了航道治理及河口改造的工程措施，推薦了下壩址。

3.航電樞紐布置

3.1樞紐布置主要原則和要點(diǎn)

航電樞紐的主要建筑物組成根據(jù)樞紐的功能通常包括擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電廠房、通航建筑物等。主要布置原則和要點(diǎn)如下。

（1）河床寬闊、河道順直的壩址，采用樞紐建筑物集中布置方式，將組成樞紐的擋水、泄水、發(fā)電、通航等主要水建筑物都布置在河床內(nèi)，建筑物運(yùn)行應(yīng)避免相互干擾。

（2）泄水建筑物布置在河床主河道，有足夠的泄流前緣寬度，滿足泄洪及閘下消能防沖的要求，水流順暢歸槽，減少下游兩岸的沖刷。

（3）通航建筑物布置應(yīng)臨岸布置在主航道一側(cè)，選擇地形、地質(zhì)條件較好，且順直、穩(wěn)定、開(kāi)闊的河段布置船閘，河段直線段長(zhǎng)度應(yīng)能夠滿足船閘主體建筑物直線長(zhǎng)度要求，使船閘具有良好的通航水流條件，滿足船舶安全航行要求。通航建筑物不應(yīng)布置在通航期泄水建筑物和水電站之間，會(huì)使引航道口門區(qū)水流條件惡劣復(fù)雜，難于保證安全通航的要求。

（4）電站廠房與通航建筑物宜異岸布置，常設(shè)置在交通方便、滿足設(shè)備進(jìn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)臈l件，并利于電力送出的一側(cè)。同岸布置時(shí)，水流條件易互相干擾，通航建筑物上、下游引航道與水電站進(jìn)水渠、尾水渠間應(yīng)設(shè)置導(dǎo)墻分隔。

（5）船閘與泄水閘之間必須有足夠長(zhǎng)度的導(dǎo)航隔流墻隔開(kāi)，以保證船舶順利地進(jìn)出引航道，導(dǎo)航墻的長(zhǎng)度與端頭體型需經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。在有布置空間的情況下，泄水閘與船閘間可設(shè)置連接壩段，能大大改善泄水時(shí)口門區(qū)的通航條件。

（6）樞紐布置尚考慮施工期通航的措施。

3.2工程案例

貴州省近年來(lái)建設(shè)的幾個(gè)航電樞紐工程，均處于河流的中下游，屬于中低山溝谷地貌，河谷多為“U”型谷。壩址河床寬度在130 m～250 m，兩岸地形為中低山，不具備分散布置通航建筑物的條件，多采用集中布置的方式，通航與發(fā)電分別布置在河道兩岸，河床中間布置泄水閘，樞紐的擋水高度在10 m～20 m，設(shè)計(jì)通航船舶噸級(jí)為500 t，電站裝機(jī)在50 MW以下。

（1）清水江平寨航電樞紐位于峽谷的出口，河谷呈寬闊基本上對(duì)稱“U”型谷，右岸分布40 m～50 m寬的一級(jí)階地。樞紐區(qū)河道有長(zhǎng)約900 m直線段，深泓線偏河道右岸，樞紐布置分別對(duì)左岸船閘和右岸船閘兩種布置方案進(jìn)行論證。船閘布置在右岸，引航道進(jìn)出閘口門區(qū)開(kāi)挖量較大，通航水流條件較差；船閘布置于左岸，有利于上下游航道平順連接，但左岸壩線下游約500 m有一溪流匯入，為不影響安全通航，需根據(jù)船舶在引航道等候過(guò)閘的排列方式和船舶進(jìn)閘的不同方式，分析船閘平面布置，擇優(yōu)選取。經(jīng)比選，推薦船舶采用2排1列?？縼?lái)布置引航道，上下行船舶進(jìn)出閘方式采用“曲進(jìn)直出”，上、下游引航道平面布置方式采用反對(duì)稱型。清水江平寨航電樞紐平面布置見(jiàn)圖2，樞紐壩頂全長(zhǎng)382 m，最大壩高47.36 m，設(shè)計(jì)通航船舶噸級(jí)為500 t，電站裝機(jī)容量42 MW。

（2）溫寨航電樞紐下游口門區(qū)流態(tài)，原設(shè)計(jì)方案右側(cè)閘孔下泄水流順著下游直線導(dǎo)航墻的方向流動(dòng)，進(jìn)入口門區(qū)后沿程向右岸擴(kuò)散，下游口門區(qū)一半處于主流區(qū)，一半處于回流區(qū)，主流區(qū)的流速值超過(guò)2.0 m/ s，回流區(qū)的最大回流流速達(dá)到0.88 m/s。主流方向與航向最大夾角達(dá)到15°，由于主流的流速較大，導(dǎo)致橫向流速分量超標(biāo)。通過(guò)水工模型試驗(yàn)，將下游導(dǎo)航墻末段40 m直段改為弧形外挑底部透水式導(dǎo)墻，外挑寬度18 m，導(dǎo)墻底部斜向呈45°夾角布置7個(gè)透水孔，修改方案如圖3，修改后下游口門區(qū)各通航流速指標(biāo)均未超出規(guī)范要求。

4.主要建筑物

4.1泄水建筑物型式及泄洪規(guī)模

低水頭的航電樞紐，泄洪量較大，適合采用開(kāi)敞式攔河泄水閘型式，洪水期水閘敞泄，山區(qū)河道的飄流物不受阻擋，利于排漂及泄洪安全。

泄水閘的泄洪規(guī)模應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)、水庫(kù)淹沒(méi)影響及河床抗沖性能等因素綜合比較確定過(guò)流總寬度，控制閘前水位壅高。在平面河流上過(guò)閘水位差不宜超過(guò)0.3 m，山區(qū)河流上水位壅高值可提高。根據(jù)低水頭樞紐回水線的特點(diǎn)，正常蓄水位下，小流量的回水終點(diǎn)離壩遠(yuǎn)，大流量的回水終點(diǎn)離壩近，閘門全開(kāi)敞泄時(shí)回水終點(diǎn)移至壩前。若水庫(kù)淹沒(méi)由正常運(yùn)用情況下發(fā)電流量來(lái)控制，泄洪規(guī)模可按滿足水庫(kù)淹沒(méi)的設(shè)計(jì)洪水位低于正常蓄水位來(lái)計(jì)算。若水庫(kù)有敏感的淹沒(méi)點(diǎn)控制，則需滿足水庫(kù)回水包絡(luò)線低于敏感點(diǎn)高程，并有一定安全超高，這種情況可能需加大泄洪規(guī)模。

清水江平寨航電樞紐正常蓄水位543.0 m，居民點(diǎn)采用20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，庫(kù)區(qū)內(nèi)有兩處淹沒(méi)敏感點(diǎn)，一是庫(kù)尾的旁海鎮(zhèn)，二是庫(kù)區(qū)巖門長(zhǎng)官司遺址城墻。水庫(kù)淹沒(méi)控制按下泄20年一遇洪水時(shí)，水庫(kù)回水不淹沒(méi)庫(kù)尾旁海鎮(zhèn)；在百年一遇洪水工況下盡量加大下泄量，降低庫(kù)水位以減少洪水對(duì)庫(kù)區(qū)巖門長(zhǎng)官司遺址城墻的淹沒(méi)。本工程河床較窄，合理確定泄水閘總寬度對(duì)工程尤為重要，可減小船閘上游引航道高邊坡的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)比較采用水庫(kù)降水位運(yùn)行方式，泄洪規(guī)模為控制下泄20年一遇洪水時(shí)，堰前水位不超過(guò)538.0 m，旁海鎮(zhèn)不淹，由此平寨航電樞紐設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位均低于正常蓄水位。

4.2通航建筑物

通航建筑物基本型式主要為船閘，當(dāng)工作水頭較高時(shí)通過(guò)比較可選用升船機(jī)或多級(jí)船閘，單級(jí)船閘的水頭一般以40m左右為限。低水頭的航電樞紐中船閘常采用單級(jí)船閘。

（1）船閘的布置

船閘由上、下引航道及船閘上、下閘首、閘室組成，上閘首是樞紐擋水建筑物的一部分，與樞紐其他水工建筑物前緣對(duì)齊布置在沿壩軸線上，船閘中心線與壩軸線垂直，上游引航道、上閘首、閘室、下閘首、下游引航道沿船閘中心線自上而下布置。上、下游引航道直線段的長(zhǎng)度由船舶進(jìn)出閘方式確定，當(dāng)采用“直線進(jìn)閘，曲線出閘”時(shí)，通常為設(shè)計(jì)船舶（船隊(duì)）長(zhǎng)度的3.5倍，當(dāng)采用“曲線進(jìn)閘，直線出閘”，約為為設(shè)計(jì)船舶（船隊(duì)）長(zhǎng)度的（2.1～2.2）倍，后者調(diào)順段的長(zhǎng)度較短。船閘上下游引航道口門區(qū)寬度取1.5倍引航道寬度，長(zhǎng)度取為（2～2.5）倍最大設(shè)計(jì)船長(zhǎng)。

船閘的平面尺度、水深可根據(jù)設(shè)計(jì)船型按《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2004）、《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ305-2001）計(jì)算。以溫寨航電樞紐為例，代表船舶組合（每列的排數(shù)）為2×500t機(jī)動(dòng)駁，設(shè)計(jì)船舶計(jì)算長(zhǎng)度112.5 m，富裕長(zhǎng)度取7 m，閘室的有效長(zhǎng)度則為119.50 m，實(shí)際取值120 m；設(shè)計(jì)船舶的寬度10.8 m，船舶單列過(guò)閘時(shí)富裕寬度取1.2 m，則閘室寬度為12 m。船閘最小門檻水深、引航道最小設(shè)計(jì)水深分別取1.6倍、1.5倍設(shè)計(jì)船舶滿載時(shí)最大吃水深度。

（2）船閘結(jié)構(gòu)

上閘首為擋水建筑物，閘頂高程與壩頂相同，底檻高程按上游最低通航水位和檻上最小水深確定，中間航槽寬度與閘室有效寬度相同，上閘首一般采用人字工作閘門，上游擋洪檢修門門型為平面門。

閘室結(jié)構(gòu)可采用整體式或分離式兩種型式，整體式閘室不設(shè)縱縫，分離式通常在底板設(shè)縱縫將閘墻與底板分離為獨(dú)立結(jié)構(gòu)。分離式結(jié)構(gòu)閘墻斷面較大，基礎(chǔ)應(yīng)力較大，適合于巖石地基；整體式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，對(duì)地基的適應(yīng)性好，適合地基條件較差時(shí)采用。閘墻頂高程為上游最高通航水位加超高確定，超高值通常采用2 m。閘室底板頂面高程為下游最低通航水位減閘室最小水深。

下閘首閘頂高程與閘室相同，底檻高程按下游最低通航水位和檻上最小水深確定，中間航槽寬度與閘室有效寬度相同。

（3）船閘輸水系統(tǒng)

輸水系統(tǒng)的型式有集中式和分散式，可根據(jù)判別系數(shù)按下式確定：

m = T/ H

式中

m—輸水系統(tǒng)選型判別系數(shù)；H—設(shè)計(jì)水頭，m；T—閘室充水時(shí)間，min。

當(dāng)m>3.5時(shí)，采用集中輸水系統(tǒng)；m<2.5時(shí)，采用分散輸水系統(tǒng)；當(dāng)2.5≤m≤3.5時(shí)，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證比較或參照類似工程選定，一般認(rèn)為集中輸水系統(tǒng)灌泄水時(shí)閘室及引航道的水流條件比分散輸水系統(tǒng)稍差。

清水江平寨航電樞紐最大水頭23.83 m，m值為2.05～2.46，采用第二類分散輸水系統(tǒng)，經(jīng)比較選擇閘墻長(zhǎng)廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)。都柳江郎洞航電樞紐最大水頭10.0 m，m值為2.53～3.16，采用集中輸水系統(tǒng)，經(jīng)比較選擇閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支管出水輸水系統(tǒng)。

4.3電站廠房

貴州省都柳江、清水江的在建的幾個(gè)航電樞紐屬低水頭徑流式電站，裝機(jī)規(guī)模在22 MW～45 MW，電站最大運(yùn)行水頭在20m以下，機(jī)組機(jī)型適合安裝貫流式水輪機(jī)。電站廠房由主機(jī)間、安裝間、副廠房及變電站等組成，安裝間通常布置在主機(jī)間靠岸邊一側(cè)，方便設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，副廠房可布置在主機(jī)間下游或安裝間上、下游。變電站可選擇GIS和敞開(kāi)式兩種型式，GIS為室內(nèi)式，可節(jié)省配電裝置占地和空間，運(yùn)行可靠性高，維護(hù)方便，符合近年來(lái)大中型水電站高壓配電裝置選型，利于環(huán)保，符合電站“無(wú)人值班”運(yùn)行方式。

5.施工導(dǎo)流及施工期通航

山區(qū)河流的水文特點(diǎn)是洪峰流量大，洪枯流量及水位變幅大，因此，應(yīng)充分利用枯水期進(jìn)行施工，在枯期時(shí)段設(shè)計(jì)洪水流量相差不大的前提下，盡量選取較長(zhǎng)的導(dǎo)流時(shí)段。低水頭航電樞紐的導(dǎo)流方式一般采用分期導(dǎo)流，為早日獲得發(fā)電效益，一期圍堰通常施工電站廠房及部分泄水閘，二期圍堰施工船閘及剩余的泄水閘部分。施工圍堰可根據(jù)汛期施工洪水、施工工期安排等選擇枯期圍堰或全年圍堰。

在貴州清水江、都柳江航電樞紐工程所在航段，基本上為天然河道，淺灘水淺，險(xiǎn)灘流急，航道維護(hù)尺度小，為等外航道，僅能季節(jié)性區(qū)間通航50 t左右船舶。工程施工期間均不具備通航條件，需要考慮過(guò)壩貨物轉(zhuǎn)運(yùn)措施，在壩址上、下游設(shè)置臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭，采用汽車?yán)@壩轉(zhuǎn)運(yùn)等措施，減少施工期對(duì)現(xiàn)有船舶航行的影響。

6.結(jié)語(yǔ)

貴州省近幾年在黷東南州清水江、都柳江上修建的幾個(gè)航電樞紐工程，具有相似的工程特征，工程規(guī)模為中型，船閘通航船舶等級(jí)為500 t，設(shè)計(jì)水頭約10 m ～20 m，電站裝機(jī)小于50 MW，樞紐布置格局多采用船閘、廠房異岸布置。位于山區(qū)河流的航電樞紐，水面寬度不夠?qū)掗煟臈l件復(fù)雜，因此壩址選擇、泄洪規(guī)模、樞紐布置、建筑物設(shè)計(jì)、施工導(dǎo)流等關(guān)鍵技術(shù)方面需進(jìn)行深入的研究論證，選取經(jīng)濟(jì)合理的方案。通過(guò)對(duì)近些年航電樞紐設(shè)計(jì)過(guò)程中的總結(jié)，我公司在上述幾方面已積累了成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并可用于指導(dǎo)同類工程的設(shè)計(jì)。