船闸工程下游设计最低通航水位影响因素

第17卷 第9期 中 国 水 运 Vol.17 No.9 2017年 9月 China Water Transport September 2017
收稿日期：2017-07-12
作者简介：宁 武（1968-），男，硕士，广西西江开发投资集团有限公司 高级工程师，从事工程技术及企业管理工作。

通讯作者：姜兴良，中交水运规划设计院有限公司。

船闸工程下游设计最低通航水位影响因素
宁 武1，姜兴良2
（1.广西西江开发投资集团有限公司，广西 南宁 530022；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007）
摘 要：通航水位是船闸工程建设的关键技术参数，直接影响项目建设方案和投资额。

确定梯级枢纽中船闸下游设计最低通航水位的影响因素较多，准确合理确定该水位的难度较大。

本文以红花水利枢纽二线船闸工程下游设计最低通航水位研究为例，详细分析了地形变化对下游引航道口门区枯水期水位流量关系的影响，并结合大藤峡枢纽运行调度规则和下游航道升级建设方案，重点论述了未来下游航道升级建设方案以及人工挖沙对下游最低通航水位的影响，对类似项目具有积极借鉴意义。

关键词：二线船闸；通航水位；水位流量关系；航道升级
中图分类号：U612 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）09-0157-04
一、概述
柳江是国家规划的西南水运出海北线通道主要河流，柳州下游59.2km 的红花水电站是柳江干流规划中最下游的一个梯级，是一个以发电、航运、改善水环境为主，兼顾灌溉、旅游、养殖等功能的综合利用工程，建成于2006年底。

现有红花一线船闸为Ⅴ级船闸，有效尺度为180m×18m×3.0m，下游设计最低通航水位为59.79m。

为满足过闸货运量增长需要，拟在一线船闸左岸增建一座2,000t 级船闸，有效尺度为280m×34m×5.8m。

枢纽总体布置，见图
1。

图1 枢纽总体布置图
船闸下游设计最低通航水位决定闸室、下闸首、导航墙、靠船墩等水工建筑物底板顶部高程和下游引航道、口门区及连接段航道的底部高程。

该水位对工程量和项目投资影响非常明显；同时，对输水系统设计及引航道口门区的通航水流条件影响显著；对其进行重点研究非常必要。

二、主要影响因素
船闸下游设计最低通航水位应采用枢纽瞬时最小下泄流量对应的水位，并计入河床下切和电站日调节等因素引起的水位变化值。

当枢纽下游有梯级衔接时，应采用下一梯级的上游设计最低通航水位时回水到本枢纽通航建筑物下游的相应水位[1]。

红花枢纽下游为大藤峡枢纽，两枢纽间现状航道等级为Ⅳ级，规划为Ⅰ级。

红花二线船闸工程下游设计最低通航水位的主要影响因素有：二线船闸口门区水位流量关系，大藤峡枢纽的运行调度方式，下游航道等级提升的建设方案及河道采沙情况等。

1．建坝后地形变化对口门区水位流量关系的影响 对于天然河流，河床地形的改变是影响水位流量关系的主要因素。

（1）建坝前船闸下游水位流量关系
根据柳州站1951~2014年综合历时保证率分析，红花水利枢纽多年历时98%保证率流量为154m³/s。

红花二线船闸工程下游引航道口门区位于坝址下游1.8km 处，根据坝址至下游引航道间水面比降，将建坝前坝址水位流量关系转至二线船闸工程下游引航道口门区位置。

查下游引航道口门区水位流量关系曲线，其水位为60.57m；即红花水利枢纽多年历时98%保证率的下游口门区水位为60.57m [2]。

（2）现状船闸下游水位流量关系 1）河床地形冲淤情况 a）建坝前后平面地形对比分析
一线船闸下游最低通航水位为59.79m，考虑建坝后冲刷影响，重点分析60m 等深线和58m 等深线的位置变化情况，详见图2、图
3。

图2 建坝前后60m 等深线位置图
158 中 国 水 运 第17卷 图2显示：建坝前，河道主流偏左，在左岸一线船闸隔流堤上端和口门区位置有2座丁坝束窄河道，99343断面（一线口门）位置受小赖滩控制，主槽较窄。

建坝后，电站从右岸泄流，冲刷致坝下右岸高程降低，与左汊之间形成心滩，左岸有一定淤积。

在一线船闸引航道河段，由于建坝时拆除了左岸丁坝，同时有右岸小赖滩雍水作用，使右岸发生淤积，同时左岸受一线船闸隔流堤限制，60m 等深线向河内移动，致此处河道变窄。

在一线船闸口门区的99343断面，由于拆除了已建的整治工程，左岸60m 等深线后退较多，同时右岸小赖滩被削去很多，60m 等深线靠近右岸，使过流断面急剧
扩大。

图3 建坝前后58m 等深线位置图
图3显示：建坝前，绝大部分地形高于58.0m。

建坝后，由于一线船闸引航道开挖，使一线船闸口门下游主航道底高程全部低于58.0m。

建坝后地形测图显示，99343断面左岸深泓线高程低于55.0m。

b）断面形态变化对比分析
在一线船闸下游引航道口门以下1km 范围内截取2个断面，其中99343断面位于一线船闸口门区，99000断面位于二线船闸口门区。

比较其建坝前（仅99343断面）、2012年与2016年断面线变化情况，详见图4、图
5。

图4 99343断面线变化图（单位：m）
图4显示：2012年与建坝前相比，由于拆除丁坝使左岸河床变平，航道进一步靠近左岸，过流断面有所扩大；2016年与2012年相比明显下切，河床平均下降0.94m，航道底高程下降1.5m，面积扩大
18.9%。

图5 99000断面线变化图（单位：m）
图5显示：2016年与2012年相比河床较为稳定，河床平均略抬升0.16m。

2）河床地形变化对水位流量关系的影响
2016年12月，广西交通规划勘察设计研究院测量了红花枢纽下游枯水期的水位流量关系。

首先由红花电站控制大致的下泄流量，然后在下游选择水流平顺断面测量具体的流量和不同点的水位[3]。

测量时设2个水位观测点，水尺1位于坝下6号机组出口的现有水尺位置，水尺2位于二线船闸下游引航道口门区，水尺位置见图1。

实测口门区的水位流量关系见图
6。

图6 二线船闸口门区水位流量关系对比图 图6显示：现状同流量下水位比建坝前下降很多，流量越大，下降值逐渐减小。

其中98%保证率154m 3/s 流量时水位由60.57m 降为58.72m，下降1.85m；400m 3/s 流量时水位由59.56m 降为57.98m，下降1.58m；646m 3/s 流量时水位由60.09m 降为58.61m，下降1.48m [4]。

建坝后水位下降值大于河床下降值，主要是因为建坝后原有丁坝拆除造成河道形态变化较大。

因此，对于建坝后地形变化较大的类似工程，应重点分析建坝后地形对水位流量关系的影响。

2．大藤峡枢纽对最低通航水位的影响 （1）大藤峡枢纽的运行调度方式
大藤峡水利枢纽汛期及非汛期运行调度规则，见表1~表4[5]。

第9期 宁 武等：船闸工程下游设计最低通航水位影响因素 159
表1 汛期（6~8月）调度规则
三站流量/（m3/s） 当前库水位/m 水库下泄量 Q泄/（m3/s）控制库水位/m 备注 Q三站≤20,000 Z库=47.6 Q泄＝Q坝47.6
Q三站≤20,000 Z库<47.6 Q泄（i－1h）－300 47.6 回蓄
Q三站>20,000 Q泄（i－1h）＋1,000 44
停止发电， 降低水位减少淹没
表2 次汛期（5、9月）调度规则
三站流量/（m3/s） 当前库水位/m 水库下泄量 Q泄/（m3/s）控制库水位/m 备注
Q三站≤5,000 Z库=59.6 Q泄＝Q坝
59.6
5月、9月发电最
高运行水位
Z库<59.6 Q泄（i－1h）－600
5,000<Q三站≤14,000 53.6<Z库≤59.6 Q泄（i－1h）＋1,000
53.6
放水 47.6<Z库≤53.6 Q泄（i－1h）－300 回蓄
14,000<Q三站≤
20,000 47.6<Z库≤53.6 Q泄（i－1h）＋1,000
47.6
放水 44<Z库≤47.6 Q泄（i－1h）－300 回蓄
Q三站>20,000 Q泄（i－1h）＋1,000 44 停止发电，降低水位减少淹没
表3 非汛期（10~3月）调度规则
三站流量/（m3/s） 当前库水位/m 水库下泄量Q泄/（m3/s）控制库水位/m 备注
Q三站≤4,500 Z库=61 Q泄＝Q坝
61 发电最高运行水位Z库<61 Q泄（i－1h）－600
4,500<Q三站≤
6,000
59.6<Z库≤61 Q泄（i－1h）＋1,000
59.6
放水 57.6<Z库≤59.6 Q泄（i－1h）－600 回蓄
6,000<Q三站≤
8,000 57.6<Z库≤59.6 Q泄（i－1h）＋1,000
57.6
放水 54.6<Z库≤57.6 Q泄（i－1h）－300 回蓄
8,000<Q三站≤
11,000
Q泄（i－1h）＋1,000 54.6 Q三站>11,000 Q泄（i－1h）＋1,000 47.6
表4 非汛期（4月）调度规则
三站流量/（m3/s）当前库水位/m 水库下泄量Q泄/（m3/s） 控制库水位/m 备注
Q三站≤6,000 Z库=59.6 Q泄＝Q坝
59.6 发电最高运行水位Z库<59.6 Q泄（i－1h）－600
6,000<Q三站≤
8,000 57.6<Z库≤59.6 Q泄（i－1h）＋1,000
57.6
放水 54.6<Z库≤57.6 Q泄（i－1h）－300 回蓄
Q三站>8,000 Q泄（i－1h）＋1,000 54.6
（2）运行调度方式对设计最低通航水位的影响
根据大藤峡枢纽运行调度规则，汛期（6~8月）防洪限制水位为47.6m，而柳州水文站汛期98%保证率的流量为400m3/s。

船闸口门区为天然河道，根据水位流量关系，二线船闸口门区水位为59.56m。

即汛期98%保证率水位为59.56m。

次汛期（5、9月），大藤峡枢纽正常蓄水位为59.6m。

入库流量为5,000~14,000m3/s时，坝前水位会降低至53.6m。

查武宣、柳州水文站1951年4月~2014年3月的径流系列，在武宣站流量大于5,000m3/s情况下，柳州站最小流量为306m3/s。

根据水位流量关系，二线船闸口门区水位为59.29m。

即次汛期二线船闸口门区水位不会低于59.29m。

非汛期（10~4月）大藤峡枢纽最高发电水位61m。

当入库流量4,500~6,000m3/s时坝前水位会降低至59.6m；当入库流量6,000~8,000m3/s时坝前水位会降低至57.6m；当入库流量>8,000m3/s时，坝前水位进一步降低至54.6m。

查武宣、柳州水文站流量资料，在武宣站流量大于6,000m3/s情况下，柳州站最小流量为474m3/s。

根据水位流量关系，二线船闸口门水位为59.77m。

在枯水年的枯水期可能会出现“压咸”工况，但该工况出现概率较小，且持续时间较短，暂不考虑。

即非汛期二线船闸口门水位不会低于59.6m。

综上所述，大藤峡水利枢纽调度运行期间，天然地形下红花二线船闸口门处水位不会低于59.29m。

3．下游航道等级提升对最低通航水位的影响
（1）航道尺度
红花枢纽至大藤峡枢纽间现状航道等级为Ⅳ级，航道设计尺度2.0m×40m×330m（深×宽×转弯半径），常年可通航500t级船舶[6]。

《广西西江黄金水道建设规划》提出，2012~2014年建设柳州至石龙三江口160kmⅡ级航道，远期预留3,000t。

大藤峡船闸设计代表船型中3,000t级船舶吃水为3.5m，红花二线船闸设计代表船型中3,000t级船舶吃水为3.6m。

根据柳江红花至石龙三江口航道宽度及水深条件，推荐该段Ⅰ级航道设计代表船型，见表5。

表5 柳江红花至石龙三江口Ⅰ级航道设计船型
船型 总长/m 型宽/m 设计吃水/m 3,000t级货船 82 15.6 3.5
3,000t级集装箱船 90 15.8 3.5
3,000t自卸砂船 86 15.6 3.6
2×2,000t级船队 182 16.2 2.6 根据《航道整治工程技术规范》（JTJ312－2003），计算航道水深取4.2m、航道宽度取80m。

根据《内河通航标准》（GB50139-2014）确定最小转弯半径为670m。

即该段Ⅰ级航道尺度为80m×4.2m×670m。

（2）航道升级对设计最低通航水位的影响
开挖整治提升航道等级，必将产生较大的疏浚量，从而引起红花船闸下游通航水位的降低。

采用DHI MIKE11建立一维水动力学模型，计算显示：疏浚开挖可以使航段达到Ⅰ级航道标准，计算航深不小于4.2m；二线船闸口门区整治后水位为58.60m，整治后航深为4.33m，水位比天然状态下降1.09m，疏浚量约949万m3。

若将航道尺度在80m×4.2m的基础上进一步增深或加宽，疏浚量将快速增长，从而船闸下游的水位下降值也增大较多。

数模计算显示：将航道尺度按80m×4.7m控制，船闸下游口门区水位下降值达到1.88m，全河段水位最大下降2.88m，总疏浚量约1481万m3。

可见，水深再增加8%（0.5m），水位下降增加约72%，疏浚量增加约56%。

4．河道采砂对最低通航水位的影响
柳江属少沙河流，水流的输沙能力远大于实际的输沙量，河床变形以冲刷下切为主。

红花枢纽至大麻子河段1972年至2009年37年间，纵向变形表现为河床的下切，平均下切约0.7m。

原因一是枢纽下泄水流含沙量少，原因二是航道挖沙引起水位降落，原因三是实施小赖滩、锁匙筒和大麻子等滩险的整治工程[7]。

160 中 国 水 运 第17卷
人工挖沙引起的水位降落机理较为复杂，一般规律为：挖沙致河床降低，水位必降落；局部挖沙，水位局部降落；全河段挖沙，水位全河段降落；不均匀的挖沙将增大河床阻力，水位会升高；局部挖沙必然形成节点，成为河床下切的侵蚀基准面，阻止水位下降，水面比降更加不均匀。

在考虑枢纽下游最低通航水位时，难以将人工挖沙引起的水位降落从整体水位降落中剥离，但又必须考虑人工挖沙的影响。

柳江河段可采沙的总量不多，采沙监督执法日趋严格，采沙船数量逐渐减少。

根据河床底质分布情况及37年来河床下切情况，估算河床采沙引起二线船闸引航道口门处水位下降约0.3m。

三、结论
（1）枢纽建成后，清水下泄冲刷河床，水位流量关系会发生变化；确定船闸工程下游最低通航水位时，应重新分析建坝后的水位流量关系。

（2）梯级枢纽建设时，应保证梯级间通航水位的有效衔接；确定船闸工程下游最低通航水位时，应详细分析下一梯级调度运行规则对回水的影响。

（3）采用疏挖方案提升航道等级，将致通航水位降低；确定船闸工程下游最低通航水位时，应考虑下游航道等级提升建设方案对通航水位的影响。

（4）人工挖沙致水位降落的机理较为复杂，应综合考虑河段可采沙总量、历年采砂趋势、河床纵向变形等因素；确定船闸工程下游最低通航水位时，应考虑人工挖沙对水位的影响。

参考文献
[1] GB50139－2014 内河通航标准[S]：24.
[2]中水珠江规划勘测设计有限公司.广西柳江红花水利枢纽
二线船闸工程可行性研究报告[R].广东广州：中水珠江规划勘测设计有限公司，2014：84.
[3] 广西交通规划勘察设计研究院有限公司.广西柳江红花水
利枢纽二线船闸工程下游水位流量关系测量技术工作报告[R].广西南宁：广西交通规划勘察设计研究院有限公司，2016：7.
[4] 中交水运规划设计院有限公司.广西柳江红花水利枢纽二
线船闸下游最低通航水位研究报告[R].北京：中交水运规划设计院有限公司，2017：28.
[5] 中水东北勘测设计研究有限公司.大藤峡水利枢纽工程初
步设计报告[R].吉林长春：中水东北勘测设计研究有限公司，2015：228-234.
[6] 中交水运规划设计院有限公司.广西柳江红花水利枢纽二
线船闸初步设计报告[R].北京：中交水运规划设计院有限公司，2016：1.
[7] 广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院.柳江柳州至石
龙三江口Ⅱ级航道初步设计报告[R].广西南宁：广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，2012：35.
（上接第156页）
（2）长江12.5m深水航道内通航船舶较多，通航风险高、施工难度大，施工期间必须配备警戒船。

天星洲艏吹施工区域，时常有船舶抛锚，影响长江口02轮正常的艏吹作业，必须艏吹前驱赶抛锚船舶。

在横港沙新世界码头靠泊区域，长江口02轮靠泊时间限制在落潮时段。

（3）福姜沙疏浚区回淤强度明显比口岸直及浏海沙两个施工区域大，施工强度最大，而口岸直疏浚区相对其他区域回淤强度较小。

长江口02轮施工期间，施工效率平均每天1船，日均挖吹泥6,720.5方，日均消耗重油8t，轻油2.8t，淡水7.7t。

（4）与长江口疏浚施工对比：长江疏浚土的天然土密度较大，土质较硬，在满足挖泥时耙齿对泥层切削厚度要求的前提下，适度调高波浪补偿器压力，减小挖泥时泥层对耙臂的拖拽力，确保整个耙臂系统处于安全的受力状态。

长江航道内的疏浚挖泥航速较小，在大潮汛挖泥施工时，不建议顺流施工，因为此时船舶的对地速度较对水速度为负值，通过溢流井溢流出的泥浆水，被船底的吸水口吸入疏浚设备内，对设备造成损坏。

（5）与长兴艏吹工程工效对比：长江航道内疏浚土天然土密度比长江口疏浚土天然土密度大，因此，在泥浆流速、浓度一定的前提下，艏吹相同数量的土方用时更多，吹泥效率有所降低。

艏吹末期泥舱内剩余土方量在1,500方以下时，泥舱内舱容下降缓慢情况，针对这种情况及时调整施工方案，在满足艏吹作业对流速、浓度要求的前提下，采用单个高压冲水泵稀释泥浆，减少了吹泥时间，提高了施工效率。

参考文献
[1] 长江南京以下12.5m深水航道建设指挥部.长江南京以下
12.5m深水航道二期工程初通基建与初通维护疏浚工程
通航安全评估报告（报批稿）[R].南京：长江南京以下
12.5m深水航道建设指挥部，2016年4月.。