贵州省航电枢纽工程设计中几个关键技术问题的认识与总结

李怡芬 杨双超 党勇

摘 要：近几年贵州省水运建设发展较快，通过参加航电枢纽工程的设计，对航电枢纽的特点及几个关键技术问题提出设计要点，并结合贵州省清水江、都柳江在建的航电枢纽为例，在坝址选择、枢纽布置、通航安全、泄洪规模、施工导流等方面进行简要总结，为同类工程的设计积累实践经验。

关键词：航电枢纽 布置 安全通航 泄洪规模 导流

贵州省在2014年～2016年用3年時间，在全省范围内开展水运建设大会战，从而推动了一批航运工程、航电枢纽一体化项目的建设。其中都柳江相继建成和在建从江、大融、郎洞、温寨等四级航电枢纽，清水江相继在建平寨、旁海两级航电枢纽。本文通过对航电枢纽设计的总结，对贵州省渠化航电枢纽工程设计中几个关键技术问题提出浅显的几点认识。

1.航电枢纽的特点

航电枢纽工程通常是在内河通航河道上修建的低水头拦河枢纽，开发任务与布置突出以航为主，航电结合，以电促航。通过修建拦河枢纽工程，可渠化通航河道，改善通航条件，提高通航能力，促进旅游航运发展，打通内河与出海口的连接通道，为水运安全发展提供运输保障。航电枢纽的主要功能是通航，结合防洪要求，兼顾发电和灌溉等需求，应处理好航运、防洪、发电各项综合利用的关系，以发挥枢纽最大综合效益。航电枢纽应以流域综合利用规划为基础，以航运发展规划和航道等级为依据，同时遵循交通及水利水电行业的标准与规程规范。

贵州省多为山区河流，河床以岩石和卵石为主，航道狭窄弯曲，浅滩和险滩众多，航道等级低，通航能力小，山区河道洪峰流量大具有暴涨暴落的特点，修建航电枢纽渠化河道是改善航运的最好途径。贵州省航电枢纽具有水头低、流量大、建筑物集中布置、通航流速不易满足要求、施工期不断航、坝前水位壅高大等工程特点。

2.坝址选择

航电枢纽的坝址宜选择在顺直河段，便于通航建筑物引航道及其口门区、连接段航道等布置的要求，安全通航条件是考虑的重要因素之一，应满足上、下梯级通航水位的衔接，优先采用设计最低通航水位衔接的方式，即渠化梯级下游设计最低通航水位与下游梯级的上游设计最低通航水位进行衔接。干、支流相交河段，坝址宜选择在支流河口下游的干流上。

以贵州省都柳江温寨航电枢纽为例，其比较坝址分别位于孖温河口上、下游，坝址方案见图1。

上、下坝址船闸均布置在河段天然深泓线侧，有利于通航，但对于孖温河口段通航水流条件，选择上、下坝址将有明显的不同。孖温河口段为弯曲河段，凹顶处有支流孖温河反向汇入都柳江，水流与干流流向相反而形成顶冲之态，干、支流洪水遭遇不同，交汇处水流紊乱复杂，泥沙大量沉积形成拦门沙洲，孖温河汇入口主流上、下游摆动，对船舶安全航行影响较大。上坝址方案，该河口段属于下游郎洞梯级库尾段，水深不足，保证安全通航需要进行航道整治浚深河槽，同时尚应采取工程措施改变孖温河与都柳江干流的交汇角，使其流向转向干流下游，该工程措施需专题研究论证并结合水工整体模型试验验证。下坝址方案，孖温河口段被淹没在坝前库区中，通航水深可达10 m～16.5 m，基本消除不利通航的流速与流态，避免了采取复杂工程措施调整孖温河流向和航道浚深，渠化河道也是最有效的航道整治工程措施。经自航船模航行试验，中、枯水流量下，船模能够安全通过枢纽上游航道进出口门区及引航道；洪水流量时，船模沿中航线航道内航行条件较好，即使最不利工况下，设计代表船型也可顺利航行，航行条件能够满足船模安全航行要求。

温寨航电枢纽两坝址条件相差不大，下坝址河床较窄，岸坡开挖较高，但通航条件较好，减少了航道治理及河口改造的工程措施，推荐了下坝址。

3.航电枢纽布置

3.1枢纽布置主要原则和要点

航电枢纽的主要建筑物组成根据枢纽的功能通常包括挡水建筑物、泄水建筑物、发电厂房、通航建筑物等。主要布置原则和要点如下。

（1）河床宽阔、河道顺直的坝址，采用枢纽建筑物集中布置方式，将组成枢纽的挡水、泄水、发电、通航等主要水建筑物都布置在河床内，建筑物运行应避免相互干扰。

（2）泄水建筑物布置在河床主河道，有足够的泄流前缘宽度，满足泄洪及闸下消能防冲的要求，水流顺畅归槽，减少下游两岸的冲刷。

（3）通航建筑物布置应临岸布置在主航道一侧，选择地形、地质条件较好，且顺直、稳定、开阔的河段布置船闸，河段直线段长度应能够满足船闸主体建筑物直线长度要求，使船闸具有良好的通航水流条件，满足船舶安全航行要求。通航建筑物不应布置在通航期泄水建筑物和水电站之间，会使引航道口门区水流条件恶劣复杂，难于保证安全通航的要求。

（4）电站厂房与通航建筑物宜异岸布置，常设置在交通方便、满足设备进场运输的条件，并利于电力送出的一侧。同岸布置时，水流条件易互相干扰，通航建筑物上、下游引航道与水电站进水渠、尾水渠间应设置导墙分隔。

（5）船闸与泄水闸之间必须有足够长度的导航隔流墙隔开，以保证船舶顺利地进出引航道，导航墙的长度与端头体型需经水工模型试验验证。在有布置空间的情况下，泄水闸与船闸间可设置连接坝段，能大大改善泄水时口门区的通航条件。

（6）枢纽布置尚考虑施工期通航的措施。

3.2工程案例

贵州省近年来建设的几个航电枢纽工程，均处于河流的中下游，属于中低山沟谷地貌，河谷多为“U”型谷。坝址河床宽度在130 m～250 m，两岸地形为中低山，不具备分散布置通航建筑物的条件，多采用集中布置的方式，通航与发电分别布置在河道两岸，河床中间布置泄水闸，枢纽的挡水高度在10 m～20 m，设计通航船舶吨级为500 t，电站装机在50 MW以下。

（1）清水江平寨航电枢纽位于峡谷的出口，河谷呈宽阔基本上对称“U”型谷，右岸分布40 m～50 m宽的一级阶地。枢纽区河道有长约900 m直线段，深泓线偏河道右岸，枢纽布置分别对左岸船闸和右岸船闸两种布置方案进行论证。船闸布置在右岸，引航道进出闸口门区开挖量较大，通航水流条件较差；船闸布置于左岸，有利于上下游航道平顺连接，但左岸坝线下游约500 m有一溪流汇入，为不影响安全通航，需根据船舶在引航道等候过闸的排列方式和船舶进闸的不同方式，分析船闸平面布置，择优选取。经比选，推荐船舶采用2排1列停靠来布置引航道，上下行船舶进出闸方式采用“曲进直出”，上、下游引航道平面布置方式采用反对称型。清水江平寨航电枢纽平面布置见图2，枢纽坝顶全长382 m，最大坝高47.36 m，设计通航船舶吨级为500 t，电站装机容量42 MW。

（2）温寨航电枢纽下游口门区流态，原设计方案右侧闸孔下泄水流顺着下游直线导航墙的方向流动，进入口门区后沿程向右岸扩散，下游口门区一半处于主流区，一半处于回流区，主流区的流速值超过2.0 m/ s，回流区的最大回流流速达到0.88 m/s。主流方向与航向最大夹角达到15°，由于主流的流速较大，导致横向流速分量超标。通过水工模型试验，将下游导航墙末段40 m直段改为弧形外挑底部透水式导墙，外挑宽度18 m，导墙底部斜向呈45°夹角布置7个透水孔，修改方案如图3，修改后下游口门区各通航流速指标均未超出规范要求。

4.主要建筑物

4.1泄水建筑物型式及泄洪规模

低水头的航电枢纽，泄洪量较大，适合采用开敞式拦河泄水闸型式，洪水期水闸敞泄，山区河道的飘流物不受阻挡，利于排漂及泄洪安全。

泄水闸的泄洪规模应根据设计洪水标准、水库淹没影响及河床抗冲性能等因素综合比较确定过流总宽度，控制闸前水位壅高。在平面河流上过闸水位差不宜超过0.3 m，山区河流上水位壅高值可提高。根据低水头枢纽回水线的特点，正常蓄水位下，小流量的回水终点离坝远，大流量的回水终点离坝近，闸门全开敞泄时回水终点移至坝前。若水库淹没由正常运用情况下发电流量来控制，泄洪规模可按满足水库淹没的设计洪水位低于正常蓄水位来计算。若水库有敏感的淹没点控制，则需满足水库回水包络线低于敏感点高程，并有一定安全超高，这种情况可能需加大泄洪规模。

清水江平寨航电枢纽正常蓄水位543.0 m，居民点采用20年一遇洪水标准，库区内有两处淹没敏感点，一是库尾的旁海镇，二是库区岩门长官司遗址城墙。水库淹没控制按下泄20年一遇洪水时，水库回水不淹没庫尾旁海镇；在百年一遇洪水工况下尽量加大下泄量，降低库水位以减少洪水对库区岩门长官司遗址城墙的淹没。本工程河床较窄，合理确定泄水闸总宽度对工程尤为重要，可减小船闸上游引航道高边坡的风险。经比较采用水库降水位运行方式，泄洪规模为控制下泄20年一遇洪水时，堰前水位不超过538.0 m，旁海镇不淹，由此平寨航电枢纽设计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为船闸，当工作水头较高时通过比较可选用升船机或多级船闸，单级船闸的水头一般以40m左右为限。低水头的航电枢纽中船闸常采用单级船闸。

（1）船闸的布置

船闸由上、下引航道及船闸上、下闸首、闸室组成，上闸首是枢纽挡水建筑物的一部分，与枢纽其他水工建筑物前缘对齐布置在沿坝轴线上，船闸中心线与坝轴线垂直，上游引航道、上闸首、闸室、下闸首、下游引航道沿船闸中心线自上而下布置。上、下游引航道直线段的长度由船舶进出闸方式确定，当采用“直线进闸，曲线出闸”时，通常为设计船舶（船队）长度的3.5倍，当采用“曲线进闸，直线出闸”，约为为设计船舶（船队）长度的（2.1～2.2）倍，后者调顺段的长度较短。船闸上下游引航道口门区宽度取1.5倍引航道宽度，长度取为（2～2.5）倍最大设计船长。

船闸的平面尺度、水深可根据设计船型按《内河通航标准》（GB50139-2004）、《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）计算。以温寨航电枢纽为例，代表船舶组合（每列的排数）为2×500t机动驳，设计船舶计算长度112.5 m，富裕长度取7 m，闸室的有效长度则为119.50 m，实际取值120 m；设计船舶的宽度10.8 m，船舶单列过闸时富裕宽度取1.2 m，则闸室宽度为12 m。船闸最小门槛水深、引航道最小设计水深分别取1.6倍、1.5倍设计船舶满载时最大吃水深度。

（2）船闸结构

上闸首为挡水建筑物，闸顶高程与坝顶相同，底槛高程按上游最低通航水位和槛上最小水深确定，中间航槽宽度与闸室有效宽度相同，上闸首一般采用人字工作闸门，上游挡洪检修门门型为平面门。

闸室结构可采用整体式或分离式两种型式，整体式闸室不设纵缝，分离式通常在底板设纵缝将闸墙与底板分离为独立结构。分离式结构闸墙断面较大，基础应力较大，适合于岩石地基；整体式结构稳定性好，对地基的适应性好，适合地基条件较差时采用。闸墙顶高程为上游最高通航水位加超高确定，超高值通常采用2 m。闸室底板顶面高程为下游最低通航水位减闸室最小水深。

下闸首闸顶高程与闸室相同，底槛高程按下游最低通航水位和槛上最小水深确定，中间航槽宽度与闸室有效宽度相同。

（3）船闸输水系统

输水系统的型式有集中式和分散式，可根据判别系数按下式确定：

m = T/ H

式中

m—输水系统选型判别系数；H—设计水头，m；T—闸室充水时间，min。

当m>3.5时，采用集中输水系统；m<2.5时，采用分散输水系统；当2.5≤m≤3.5时，应进行技术经济论证比较或参照类似工程选定，一般认为集中输水系统灌泄水时闸室及引航道的水流条件比分散输水系统稍差。

清水江平寨航电枢纽最大水头23.83 m，m值为2.05～2.46，采用第二类分散输水系统，经比较选择闸墙长廊道闸底横支廊道输水系统。都柳江郎洞航电枢纽最大水头10.0 m，m值为2.53～3.16，采用集中输水系统，经比较选择闸墙长廊道侧支管出水输水系统。

4.3电站厂房

贵州省都柳江、清水江的在建的几个航电枢纽属低水头径流式电站，装机规模在22 MW～45 MW，电站最大运行水头在20m以下，机组机型适合安装贯流式水轮机。电站厂房由主机间、安装间、副厂房及变电站等组成，安装间通常布置在主机间靠岸边一侧，方便设备进场，副厂房可布置在主机间下游或安装间上、下游。变电站可选择GIS和敞开式两种型式，GIS为室内式，可节省配电装置占地和空间，运行可靠性高，维护方便，符合近年来大中型水电站高压配电装置选型，利于环保，符合电站“无人值班”运行方式。

5.施工導流及施工期通航

山区河流的水文特点是洪峰流量大，洪枯流量及水位变幅大，因此，应充分利用枯水期进行施工，在枯期时段设计洪水流量相差不大的前提下，尽量选取较长的导流时段。低水头航电枢纽的导流方式一般采用分期导流，为早日获得发电效益，一期围堰通常施工电站厂房及部分泄水闸，二期围堰施工船闸及剩余的泄水闸部分。施工围堰可根据汛期施工洪水、施工工期安排等选择枯期围堰或全年围堰。

在贵州清水江、都柳江航电枢纽工程所在航段，基本上为天然河道，浅滩水浅，险滩流急，航道维护尺度小，为等外航道，仅能季节性区间通航50 t左右船舶。工程施工期间均不具备通航条件，需要考虑过坝货物转运措施，在坝址上、下游设置临时转运码头，采用汽车绕坝转运等措施，减少施工期对现有船舶航行的影响。

6.结语

贵州省近几年在黩东南州清水江、都柳江上修建的几个航电枢纽工程，具有相似的工程特征，工程规模为中型，船闸通航船舶等级为500 t，设计水头约10 m ～20 m，电站装机小于50 MW，枢纽布置格局多采用船闸、厂房异岸布置。位于山区河流的航电枢纽，水面宽度不够宽阔，水文条件复杂，因此坝址选择、泄洪规模、枢纽布置、建筑物设计、施工导流等关键技术方面需进行深入的研究论证，选取经济合理的方案。通过对近些年航电枢纽设计过程中的总结，我公司在上述几方面已积累了成功的实践经验，并可用于指导同类工程的设计。