恭城河渠化梯級布置方案研究

姜興良，吳志龍，杜沛霖

（1.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007；2.中交集團內河水運建設技術研發(fā)中心，北京 100007；3.中國海洋大學，山東 青島 266100）

0 引言

航運梯級是實現(xiàn)江河渠化通航和水資源綜合利用的重要措施，其布置方案對渠化功能實現(xiàn)和投資額控制具有決定性作用，是渠化工程中最為重要的技術問題之一。杜宇堂[1]針對連江整治項目提出渠化通航的思路和實現(xiàn)水資源綜合利用最大效益的管理措施。陶桂蘭[2]分析了20 世紀50—90年代渠化工程建設中存在的問題，對河流渠化規(guī)劃、投資與建設模式等提出合理化建議。閔朝斌[3]針對渠化工程中壩址選擇的問題，提出了壩址、壩線選擇的原則和方法。周富科[4]總結了嘉陵江流域航電工程開發(fā)的特點和開發(fā)現(xiàn)狀，列出了開發(fā)模式方面存在的一些問題，并提出了解決問題的具體建議。

在綦江、涪江、小安溪等河流上已建成一批渠化梯級，通過梯級渠化實現(xiàn)了發(fā)電、灌溉等效益，但航運效益較差，部分河流甚至失去了航運功能。一般情況下是在樞紐旁增設通航設施實現(xiàn)通航，不改變現(xiàn)狀樞紐水位特征，這樣可避免新增庫區(qū)淹沒，控制工程投資。若河流建設梯級過多，僅增設通航設施，船舶通過通航設施時間特別長，難以實現(xiàn)高效通航。目前，針對已渠化未通航河流的通航方案研究案例非常有限，尚未形成完善的理論，為此開展相關的研究十分必要。

漢湘桂通道具有運量大、效率高、通航保證率高等建設要求。恭城河航道是漢湘桂通道的重要組成部分，現(xiàn)狀建有8 座攔河建筑物，梯級間距密，通航設施規(guī)模和效率不能滿足通道貨運需求[5]。本文以恭城河渠化梯級布置方案為例，在總結恭城河河道特點與沿線設施開發(fā)建設現(xiàn)狀的基礎上，針對性提出渠化梯級布置原則和方案，通過拆改攔河設施，實現(xiàn)投資控制與高效通航的雙重目標，其研究方法和成果可為類似工程規(guī)劃建設和規(guī)范修編提供參考。

1 河道現(xiàn)狀及特點

1.1 河道現(xiàn)狀

恭城河段于1963 年后斷航至今，從龍虎關至平樂建有8 座攔河建筑物，包括龍虎、白虎頭、班山尾、協(xié)中、黃家沖、虎豹6 座水電站和回龍洲、恭城2 座攔河壩[6]。各攔河建筑物位置見圖1，特征參數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 各攔河建筑物特征參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of characteristic parameters of various damming buildings

圖1 攔河建筑物位置示意圖Fig.1 Location diagram of damming buildings

恭城河又名茶江，屬珠江水系桂江一級支流，多年平均徑流量26.02 億m3，平均流量83.67 m3/s。主河長126 km，落差126 m；其中古木源河段長26 km，比降3.98%，河寬約80 m；源口河段長42 km，比降0.45%，河寬約80～120 m；恭城河段長58 km，比降0.11%，河寬約120～200 m。

1.2 河道特點與需研究問題

1） 河道已梯級渠化，梯級數(shù)量多、距離近、通航效率低

恭城河段已建梯級中，只有虎豹樞紐建有50噸級斜坡式升船機，其他梯級均未建設通航設施。龍虎樞紐至回龍洲樞紐的距離為37 km，其他相鄰樞紐間距均小于12 km，其中黃家沖樞紐至虎豹樞紐的距離僅3.5 km。若每個梯級均建設通航建筑物實現(xiàn)通航，則通航效率將非常低。需研究減少梯級數(shù)量與提高通航效率之間的定量關系。

2） 河道沿線分布一定數(shù)量的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，鎮(zhèn)區(qū)地面高程略高于堤岸高程，防洪任務重

恭城河段沿線分布有桃川鎮(zhèn)、龍虎鄉(xiāng)等大型鄉(xiāng)鎮(zhèn)，鎮(zhèn)區(qū)距離恭城河較近，城鎮(zhèn)發(fā)展定位、鎮(zhèn)區(qū)占地面積、分布岸線長度、規(guī)劃人口數(shù)量、河床高程、兩側堤岸高程和城鎮(zhèn)地面高程特征見表2。鎮(zhèn)區(qū)地面高程比堤岸高僅1～3 m，堤岸高程比河床高3～7 m，河道成槽明顯。為減少淹沒損失，降低筑堤工程投資，需研究最高通航水位與鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪限制水位之間的關系。

表2 沿線主要城鎮(zhèn)分布及人口情況表Table 2 Distribution and population situation of main towns along the line

3） 河道沿線橋梁較多，拆改投資額大

恭城河沿線共建有26 座橋梁，其中高鐵橋1座，高速公路橋2 座，市政橋梁5 座，公路橋18座。橋梁拆改需滿足通航凈空尺度要求，Ⅱ級限制性航道凈空尺度不應小于10 m×7 m。為控制橋梁接線長度和投資額，尤其是要避免拆改高鐵橋，需研究最高通航水位和橋梁通航孔尺度的關系。

4） 河道沿線分布有水源地和排水口，正常蓄水位應考慮取排水要求

恭城河沿線分布有城鎮(zhèn)飲用水源保護區(qū)，從北到南依次是恭城縣龍虎鄉(xiāng)備用水源地、龍虎鄉(xiāng)黃沙灣水源地、嘉會鎮(zhèn)龍虎河水源地、茶江水源地、平樂縣沙子鎮(zhèn)水源地、木官汀水源地。為保證沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)取水便利性和排澇要求，需研究正常蓄水位和取排水口高程之間的關系。

5） 河道沿線地形地質條件

沿河兩岸除龍虎關為山峪河段外，其余兩岸為階地和丘陵地貌。階地近河段地面高程比河面水位高約3～5 m，大部分地段階地寬100～350 m，在嘉會鎮(zhèn)、恭城縣、班山尾水利樞紐上游黃家窄村、沙子鎮(zhèn)等地段的階地寬4～10 km。在碎屑巖地層區(qū)通常為緩丘，山體斜坡自然坡度一般為15°～25°，部分山體坡度較陡為30°～35°。

運河沿線地質土層從上到下分布有素填土、粉質黏土、粉土、卵石、全風化和中風化的石英砂巖夾紫紅色泥巖、頁巖、泥質粉砂巖、弱風化的白云巖、白云質灰?guī)r等。地層穩(wěn)定性好，局部存在小規(guī)模崩塌、滑坡、泥石流、危巖、巖溶等不良地質作用。需研究樞紐工程選址與地形地質等建設條件間的關系。

2 布置方案研究

2.1 布置原則

針對河道特點與需研究問題，擬定梯級布置主要原則如下：

1） 應減少梯級數(shù)量，提高通航效率[7]。若已建梯級間距小于20 km 或梯級水頭小于10 m，應與相鄰梯級進行合并。

2） 將梯級布置在重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)的上游，最高通航水位采用重要城鎮(zhèn)防洪限制水位，實現(xiàn)高水位河道水面線基本不出河槽，局部低洼河段填筑堤防，控制沿線城鎮(zhèn)淹沒損失和橋梁拆改投資。

3） 正常蓄水位應淹沒樞紐上游航道主要灘險，高于取水口高程一定高度，低于排水管涵的高程，實現(xiàn)沿線城鎮(zhèn)取排水要求。

4） 梯級選址應滿足船閘和擋泄水建筑物的建設要求和接岸條件[8]；優(yōu)先選擇地形開闊、地質良好的順直河段，采用船閘和擋泄水建筑物集中布置的方案；也可選擇在容易裁彎取直的河段，采用船閘與擋泄水建筑物分散布置的方案。

2.2 布置方案

工程河段已建梯級中，回龍洲樞紐以南各梯級間距均小于12 km，且各梯級樞紐水頭小于13 m，可予以合并。恭城河沿線主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)為桃川鎮(zhèn)、龍虎鄉(xiāng)、嘉會鎮(zhèn)、恭城縣、平樂縣，為控制淹沒損失，將壩址選擇在重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)的上游，從北向南依次布置龍虎樞紐、嘉會樞紐、回龍洲樞紐、白虎頭樞紐和協(xié)中樞紐，壩上通過蓄水達到通航水深，壩下通過浚深河道達到通航水深。每個樞紐均建設船閘、泄水閘和連接壩，通過船閘實現(xiàn)通航。合并后的航運樞紐布置見圖2。

圖2 航運梯級布置方案Fig.2 Navigation cascade layout scheme

各樞紐區(qū)間距離、正常蓄水位和設計水頭見表3。

表3 五級梯級布置方案主要特征指標表Table 3 Main characteristic indicators of the five steps cascade layout scheme

2.2.1 五級梯級布置方案

龍虎梯級位于龍虎鄉(xiāng)上游，對現(xiàn)有樞紐進行拆除重建。壩址處現(xiàn)狀河道較窄，兩側是高山，山與山之間有急彎峽谷，不利于船舶通航。擬建龍虎樞紐采用船閘與泄水閘分散布置的方案，船閘布置在河道左岸的灘地上，對現(xiàn)狀河道進行裁彎取直，船閘上、下游引航道可與主航道平順銜接，泄水閘布置在河道中，船閘與泄水閘之間土壩作為隔流堤。龍虎樞紐正常蓄水位和最高通航水位采用龍虎鄉(xiāng)防洪限制水位190.0 m，由于樞紐壩上正常蓄水位提升2.0 m，在河道兩岸低洼部位填筑堤防，控制河道兩岸淹沒損失。桃川樞紐設計水頭由32.0 m 調整為30.0 m。

嘉會梯級位于嘉會鎮(zhèn)上游，為新建梯級。壩址處現(xiàn)狀河道較窄，河中江心洲面積較大，將船閘和泄水閘集中布置于江心洲。為使船閘上、下游引航道與主航道平順銜接，將船閘布置右岸，泄水閘布置在左岸，船閘與泄水閘之間預留洲灘作為隔流堤。嘉會樞紐正常蓄水位和最高通航水位采用嘉會鎮(zhèn)防洪限制水位162.0 m，預報上游來水超過防洪限制流量時，泄水閘敞泄，河道水位恢復天然行洪狀態(tài)，不增加河道兩岸淹沒損失。龍虎樞紐設計水頭為28.0 m。

已建回龍洲攔河壩壩址處現(xiàn)狀河道彎曲，順直段較窄，不具備布置船閘條件。擬建回龍洲樞紐布置于原樞紐壩址上游較順直河道處，且位于恭城縣回龍洲村上游。船閘和泄水閘采用集中布置方案，船閘布置在河道左岸的灘地上，泄水閘布置在河道中，船閘與泄水閘之間土壩作為隔流堤?；佚堉迾屑~正常蓄水位和最高通航水位采用原樞紐的正常蓄水位143.0 m，預報上游來水超過防洪限制流量時，泄水閘敞泄，河道水位恢復天然行洪狀態(tài)，不增加河道兩岸淹沒損失。嘉會樞紐設計水頭為19.0 m。

已建白虎頭樞紐壩址處現(xiàn)狀河道上游略窄，兩側是山丘，下游河道寬闊，有江心洲。擬建白虎頭樞紐布置于原樞紐壩址下游，且位于平樂縣白虎頭村上游，采用集中布置方案。將江心洲挖通，從左到右依次為左岸連接壩、船閘、泄水閘、電站和右岸連接壩，船閘與泄水閘之間預留土壩隔流。白虎頭樞紐正常蓄水位和最高通航水位采用原樞紐的正常蓄水位130.0 m，預報上游來水超過防洪限制流量時，泄水閘敞泄，河道水位恢復天然行洪狀態(tài)，不增加河道兩岸淹沒損失。回龍洲樞紐設計水頭為13.0 m。

已建協(xié)中樞紐壩址處現(xiàn)狀河道彎曲，順直段較窄，不具備布置船閘條件。擬建協(xié)中樞紐布置于原樞紐壩址上游較順直河道處，且位于協(xié)中村上游，采用分散布置方案。船閘布置在河道左岸的灘地上，對現(xiàn)狀河道進行裁彎取直，船閘上、下游引航道可與主航道平順銜接，泄水閘布置在河道中，電站緊挨泄水閘布置，船閘與泄水閘之間土壩作為隔流堤。協(xié)中樞紐正常蓄水位和最高通航水位采用原樞紐的正常蓄水位108.0 m，預報上游來水超過防洪限制流量時，泄水閘敞泄，河道水位恢復天然行洪狀態(tài)，不增加河道兩岸淹沒損失。白虎頭樞紐設計水頭為22.0 m。

拆除協(xié)中樞紐與巴江口樞紐間的黃家沖樞紐和虎豹樞紐，河道恢復天然狀態(tài)。巴江口樞紐正常蓄水位和最高通航水位采用原樞紐的正常蓄水位97.7 m，預報上游來水超過防洪限制流量時，泄水閘敞泄，河道水位恢復天然行洪狀態(tài)，不增加河道兩岸淹沒損失。協(xié)中樞紐設計水頭為10.3 m。

2.2.2 四級梯級布置方案

五級梯級布置方案中協(xié)中樞紐水頭為10.3 m，為提高通航效率，擬減少協(xié)中樞紐梯級。保持巴江口上游水位不變，白虎頭樞紐水頭增大至32.3 m，其余各梯級壩址和布置均不變。四級梯級布置方案主要特征指標見表4。

表4 四級梯級布置方案主要特征指標表Table 4 Main characteristic indicators of the four steps cascade layout scheme

2.2.3 三級梯級布置方案

四級梯級布置方案中回龍洲樞紐水頭為13 m，為進一步提高通航效率，擬減少回龍洲樞紐梯級。保持白虎頭上游水位不變，嘉會樞紐水頭增大至32 m，其余各梯級壩址和布置均不變。三級梯級布置方案主要特征指標見表5。

表5 三級梯級布置方案主要特征指標表Table 5 Main characteristic indicators of the three steps cascade layout scheme

3 推薦方案及應用效果

3.1 推薦方案

主要從梯級最大水頭、土石方開挖量、船舶通過運河的時間、土地淹沒面積和工程投資等方面進行方案比選，技術經(jīng)濟指標對比見表6。

表6 恭城河段不同梯級布置方案主要技術經(jīng)濟指標對比Table 6 Comparison of main technical and economic indicators of different cascade layout schemes in the Gongcheng River

梯級最大工作水頭方面，五梯級、四梯級、三梯級梯級最大水頭相差不大，梯級最大水頭為32.3 m。目前三峽船閘和大藤峽船閘的最大工作水頭均已超過40 m，輸水系統(tǒng)運行高效可靠，既有船閘建設技術能夠滿足樞紐建設需要，建設和運營難度不大。

土石方開挖工程量方面，梯級數(shù)量由5 個減少至3 個，樞紐開挖量越來越少，航道開挖量越來越多，總的土石方開挖量在增加。船舶通過運河的時間方面，梯級數(shù)量越少，通行時間越短。土地淹沒面積方面，在樞紐位置不變、正常蓄水位不調整的情況下，梯級數(shù)量減少，淹沒面積在減少。工程總投資方面，五梯級方案較四梯級方案建設樞紐投資增加15 億元，航道疏挖減少15億元，總投資持平；四梯級方案較三梯級方案建設樞紐投資增加18 億元，航道疏挖減少23 億元，總投資持節(jié)省5 億元?？紤]三梯級方案較四梯級方案投資增加約1.7%，通航效率提高約8.5%，推薦三梯級布置方案。

3.2 應用效果

湘桂運河線路與梯級布置方案是交通運輸部與湖南省、廣西壯族自治區(qū)聯(lián)合推進的重點研究項目，恭城河是湘桂運河的重要組成航段。恭城河梯級布置方案成果已納入湘桂運河線路與梯級布置方案研究專題。目前，已完成專題驗收工作，方案獲得主管部門和與會專家的高度評價。

4 結語

以航運開發(fā)為主要任務的渠化工程應優(yōu)先考慮通航效率，合理設置梯級間距，控制梯級數(shù)量；兼顧考慮工程投資、樞紐選址條件及對沿線城鎮(zhèn)的淹沒影響等多方面因素。已經(jīng)渠化的恭城河具有梯級數(shù)量多、樞紐距離近等特點，通過優(yōu)化梯級布置、合理確定特征水位，可有效控制工程投資，大幅提升通航效率?；谀壳暗募夹g水平和經(jīng)濟性分析，恭城河航運梯級水頭宜控制在30～40 m，梯級間距宜控制在20～40 km，推薦三梯級方案。