水口坝下水位治理工程通航安全评估

2011-06-13扈晓雯侯继平

大坝与安全 2011年5期

扈晓雯，侯继平

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州 310014）

1 选址及通航标准

本工程的主要目的是解决水口水电站下游河道下切、下游水位不断下降所带来的影响通航、发电的问题。闸（坝）址选择综合枢纽地形地质条件、上下游河道连接、各建筑物的规模及相互影响、施工导流建筑物布置、施工工期、移民及环境影响、工程投资等因素进行全面分析综合比选确定。本工程主要任务是满足通航要求，枢纽选址时充分考虑船闸布置具有良好的通航条件，满足安全通航要求。

1.1 坝址拟定及选址

（1）坝址拟定

水口水电站枢纽至闽清梅溪口长约15 km的闽江河段为低山峡谷，河谷两岸山体雄厚，河床相对较窄。闽江沿岸公路和铁路以上岸坡多为强～弱风化基岩，两岸坡度约为25°～40°。梅溪口以下闽江河段逐渐开阔，多为丘陵与平原相间的堆积地貌，两岸多为砂土堆积阶地。根据此河段的地形、地质条件，结合坝址选择原则，初步拟定坝址选择河段范围为水口水电站枢纽坝下～闽清梅溪口长约15 km的闽江河段内，其中水口水电站枢纽坝下～北溪村码头约8.5 km的河段河床相对较狭窄，宽度约为300～400 m；北溪村码头～闽清梅溪口河段河床逐渐开阔，宽度约为500～700 m。在满足工程建设任务的同时，尽量减少工程投资，故本阶段坝址选择应在河床宽度相对较窄的河段，即水口水电站枢纽坝下～北溪村码头约8.5 km的河段范围。根据此河段的地形、地质条件，从上游向下游依次分为上、中、下三个坝址，见图1。

图1 坝址河段示意图Fig.1 Schematic diagram of the river section of dam site

工程方案论证阶段对上、中、下三个坝址从地形地质条件、对水口水电站防洪与发电的影响、水工建筑物布置、施工组织设计、建设征地移民安置、投资估算、施工期通航条件等方面进行了综合技术经济比较，分析认为：中坝址河道较窄，又处于河流拐弯处，水流条件相对较差，不利于船舶安全通航和枢纽建筑物的布置。上、下两个坝址地形地质都具备修建低水头拦河闸坝的基本条件，即工程建成后都能达到水口水电站枢纽坝下水位治理的目的；工程建设技术条件成熟；施工期可不断航；基本不影响水口水电站的发电功能以及左右岸铁路、公路的运行安全等。但是，上坝址左岸工程地质条件相对较差，距离水口水电站相对较近，且厂房等拆迁量较大；而下坝址施工导流相对复杂，左岸交通不便，施工期受铁路影响大，库区淹没影响实物量和处理难度大，船闸投入运行时间较晚，且对下游取水口水源保护区影响较大。

（2）选定坝址

咨询评估认为，上、下两个坝址都能达到本工程的治理目的，但各有利弊。从节约工程投资、保护居民生产生活条件、保障工程顺利建设并对社会影响和生态环境影响最小等方面考虑，评价上坝址（安仁溪）作为水口水电站枢纽坝下水位治理工程的坝址……”。2009年1月，福建发展和改革委员会发布关于《福建省发展和改革委员会关于闽江水口水电站坝下水位治理工程坝址意见的函》，文中明确指出：“……经省政府研究，原则同意推荐的安仁溪坝址为水口水电站枢纽坝下水位治理工程坝址……”。

1.2 通航标准

（1）航道规模

根据福建省关于水口坝下～福州河段的内河航道发展规划：通航标准船队为2×500 t级顶推船队，Ⅳ级航道标准为：航道底宽≥50.00 m，航道水深1.90 m，航道最小弯曲半径330 m。

（2）船闸规模

船闸有效尺度：根据GB50139-2004《内河通航标准》规定，Ⅳ级航道设计最大船舶吨级为500 t，相应船闸级别为Ⅳ级。按一次通过1个500 t级货船+1个2×500 t级一顶两驳标准船队纵向排列设计，兼顾满足现状船队编组要求，船闸有效尺度确定为：200.00 m×12.00 m×3.00 m（长×宽×槛上水深），通航净空8.00 m。

设计年通过能力：年过坝货运量400万t；年过木、竹200～250万m3；日上、下行客运各1次。

2 拟建工程对通航环境的影响

本工程任务仅具航运功能，综合考虑了工程兴建对通航环境的影响因素，尽量减小对闽江下游河道行洪、水口水电站枢纽下游水位、两岸公路、铁路及工程区域环境的影响。

2.1 水环境及水生生态影响分析

（1）水环境影响

本工程为无闸门自由溢流坝，水库库容很小，建库后，当洪水流量较大时，坝址上、下游水位相差不超过0.3 m；当上游水口水电站只有发电泄流时，本工程坝址上、下游水位相差较大，在7～1台机组满负荷发电的情况下，水位差为2.83～4.35 m，在航运基流情况下，最大水位差为4.43 m。因此，水库建成后，对坝址上游水文情势有一定影响，但影响很小。坝址下游水位将基本维持天然状态，在满足下泄基流的条件下，对下游水文情势影响很小。

本工程对水口水电站下游河道起壅水作用，有利于改善水口坝下河段河床下切现象。工程建成后不会影响河道流量的时空分布，不会明显降低河流的挟沙能力，对河道冲淤影响很小。

工程建成前后，库区水面面积、水深及水面宽度等水文要素变化很小，对河道岸坡稳定影响很小。从水温和库区水质预测结果可知，建坝后库区水体交换非常频繁，水体中总磷和总氮指标与建库前基本相同。因此，工程建成后不会引起河道水体富营养化。

（2）水生生态影响

经对工程所在闽江河段的水生生态进行专题调查与评价，主要结论为：工程建成后，不同流量情况下，坝址下游水位等将维持现状，即本工程的建设基本不改变坝址下游现有水生生态、下游饵料生物现状、现有鱼类分布规模。正常通航运行对当地水环境、水生生态环境、声环境等影响均较小，将会大大改善闽江通航现状。

2.2 工程区域河段通航环境影响

经分析，拟建水口坝下枢纽位于水口水电站下游竹木停泊区和船舶停泊区之间，对附近河段船舶的通航环境会造成一定的影响，对策措施如下。

（1）航道适当改线

现水口水电站下游航道从拟建枢纽上游约350 m处从右岸过渡到左岸，再从左岸过渡到右岸，与拟建水口坝下枢纽位于右岸的通航船闸衔接，因此现有航道需相应改线。

（2）停泊区修正

拟建枢纽位于水口水电站下游竹木停泊区和船舶停泊区之间，受拟建枢纽的建设影响，船舶停泊区需相应修正。

（3）最高通航水位标准

目前，闽江干流最高通航水位均取重现期2年洪水位。经枢纽水工整体模型试验验证，拟建枢纽建成后，重现期2年洪水时水口水电站下游和拟建枢纽两枢纽间的通航水流条件有明显改善，拟建枢纽上下游的通航水流条件基本满足船舶安全通航要求。

（4）枢纽上下游水位

拟建坝下枢纽上游设计最高通航水位与水口水电站枢纽下游最高通航水位相衔接，并计入动库容的水位抬高值；拟建坝下枢纽上游设计最低通航水位与水口水电站枢纽下游设计最低通航水位相衔接，拟建枢纽建成后，将恢复水口水电站通航建筑物的原设计通航条件。拟建水口坝下枢纽下游设计最高和最低通航水位满足Ⅳ级航道的通航标准要求。

（5）口门区通航水流条件

拟建坝下枢纽船闸建设后，船闸口门区通航水流条件如下。

船闸上游引航道口门区的航深、横向流速、纵向流速和回流流速均基本满足规范值：航深大于2.5 m，纵向流速小于2.0 m/s，横向流速小于0.30 m/s，回流流速小于0.4 m/s。流量Q介于10 000～16 900 m3/s时，上游引航道口门区局部区域纵向流速达2.67～3.40 m/s，但较工程建设前均有改善，其横向流速和回流流速均在规范规定的范围内，船舶进出闸时需避开急流区谨慎驾驶。因此，上游引航道口门区水流条件均基本满足船舶安全通航要求。

船闸下游引航道口门区航深和流速指标，经水工模型试验成果分析，当上游来流量Q≤7 000 m3/s时，其通航水流条件可以满足船舶安全通航的要求。当上游来流量10 000 m3/s≤Q≤16 900 m3/s时，其纵向流速接近或超过3.00 m/s，最大回流流速也超过了0.50 m/s，存在一定的困难航段，船舶经过该区域时，需小心谨慎驾驶，避开局部急流区和边壁回流区上下行进出闸。因此，船闸下游引航道口门区水流条件也基本满足船舶安全通航要求。

（6）安仁溪支流影响

拟建水口坝下枢纽船闸上游约680 m处有安仁溪汇入闽江，汇入的溪流与改线后的航道基本垂直，产生的横流可能会对航道水流条件产生一定的影响，特别是暴雨洪水时可能影响更大。应加强安仁溪出流对航道水流条件影响监测，采取积极的应对措施。

（7）航标补充调整

河床形态的改变和航道的改变对航标产生一定的影响，航标设置应做适当的补充调整，以满足船舶安全航行要求。

2.3 助航标志配置

水口坝下枢纽建设后，为了确保坝区附近船舶的通航安全，建议在船闸上下游引航道导航墩上新设两座侧面标，按内河一类航标标准沿岸航道配备，以保证船舶在本工程区域河段内能昼夜航行。为了确保本工程区域船舶的通航安全，建议设置船舶进出船闸显示信号（红、绿灯）、闸室安全标志以及引航道助航标志灯。

2.4 航道要素与通航安全

水口坝下枢纽建设后，船闸附近的航线应适当调整。本航段为Ⅳ级航道，闸室有效尺度200.00 m×12.00 m×3.00 m（长×宽×槛上水深），确定船闸下游门槛高程时，还考虑了下游河道进一步下切的安全储备值。

船闸引航道、口门区及连接段应避免出现影响船舶、船队航行和停泊安全的泄水波、泡漩和乱流等不良水流条件。船闸引航道口门区的水流表面最大流速应满足以下条件：平行于航线的纵向流速不大于2.0 m/s，垂直航线的横向流速不大于0.3 m/s，回流流速不大于0.4 m/s，船闸引航道口门外连接段与主航道的水流应平顺过渡，连接段的水流表面最大流速不应影响过闸船舶和船队的安全航行。

两枢纽间河道通航水流条件满足船舶安全通航的要求：航深H＞1.9 m，水面比降Jmax≤3.00‰，纵向流速Vmax≤3.0 m/s。

3 枢纽主要建筑物安全

水口坝下枢纽工程的布置协调，地质条件适宜，船闸总体布置合理。经整体稳定和结构计算分析，各控制工况下，挡水坝、溢流坝、通航船闸等主要建筑物满足设计标准和规范要求，结构总体安全可靠。

通航船闸设计有效尺度及货运吨位满足通航规模和航道等级标准，远景货运量与上游水口水电站通航建筑物通航能力相匹配，并为闽江水运远景发展留有一定余度。

经枢纽水工整体模型试验验证，除流量Q介于10 000～16 900 m3/s时受非恒定流影响，船舶航行阻力大于航行推力，船舶在两坝间河道正常航行困难外，其余通航流量下，引航道口门区和两坝间河道水流条件基本满足船舶安全通航要求，船闸通航安全参数满足允许值及相关规范值。

4 自然条件对水口坝下工程的影响

4.1 库区风浪和大雾

库区风浪超过10级，船舶（队）应移至避风港，遭遇能见度在30 m以内的大雾，船闸停航。

4.2 引航道及口门区水流条件

上、下游引航道采用直进曲出的原则布置，总长度各450 m，由导航段、调顺段、靠船段组成，在上游引航道的上游端布置有透空导航墙，以减弱端部的绕流作用，改善上游引航道口门区水流条件。靠船墩和导航墙在引航道侧均布置有一排固定系船环，供船舶系靠使用。

枢纽水工整体模型试验成果表明，在各级通航流量（Q=308～16 900 m3/s）下，船闸上游引航道航深为3.86～15.08 m，下游引航道航深为6.15～20.98 m，满足最小航深2.50 m的要求，并有较大余度；一般较小通航流量下，引航道及口门区水流流态良好，上、下游引航道口门区的水流表面最大纵向流速不大于2.00 m/s，横向流速不大于0.30 m/s，回流流速不大于0.40 m/s。

上游引航道在Q=10 000 m3/s、16 900 m3/s时，引航道的上游透空导航墙局部出现斜流，最大回流流速为0.39 m/s，未超过规范限值 0.4 m/s，仅部分连接河段局部区域存在纵向流速指标超标的问题，但较本工程建设之前情况均有所改善。

下游引航道在10 000 m3/s≤Q≤16 900 m3/s时，其纵向流速接近或略超过3.00 m/s，边壁回流流速也超过了0.50 m/s，但较工程建设前均有不同程度改善，在此大流量通航情况下，上下行船舶进出闸时仍须避开局部小范围急流区和边壁回流区，谨慎驾驶。

引航道及口门区连接段水流条件能满足过闸船舶和船队安全航行要求。

4.3 回淤情况

下游引航道及口门区连接段的回淤情况必须定期测量，确定其淤积速度和淤积范围。坝下枢纽局部动床冲刷试验显示，当遭遇p=1%洪水时，下游泥沙冲刷，淤积在下游引航道内，大流量泄洪后应及时测量引航道及连接段的航深，如影响通航必须及时清淤、疏浚，确保船舶通航安全。对航道淤积情况应做好统计和记录，便于总结规律和采取应对措施。禁止岸边向航道内倾倒垃圾和废物，避免加速淤积。

4.4 溢洪情况

水口坝下船闸最高通航水位为重现期2年标准，当水位超过标准时，船闸允许溢洪。船闸在溢洪状态下，运行控制系统能使船闸处于上游闸门和阀门关闭、下游闸门和阀门开启的状态。

5 施工期通航条件

5.1 施工方案简述

施工导流采用分期导流方式，子围堰先围右岸，子围堰挡水时段为枯水期10月～次年2月，p=20%，Q＝4 801 m3/s，束窄的左河床泄流、通航，在子围堰的围护下施工一期围堰、纵向混凝土围堰及部分上下游导航墙。

一期导流采取枯水期围堰挡水、汛期基坑过流的方案，围堰挡水标准非主汛期8月～次年4月为p＝10%洪水，Q＝16 608 m3/s，围堰过水标准为全年p＝10%洪水，Q=25 900 m3/s，枯水时段束窄的左岸河床泄流、通航，该阶段主要施工右岸船闸、溢流坝及土石坝。

二期导流围左岸，采用枯水期导流方案，围堰挡水标准枯水期9月～次年3月，p=10%，Q=7 901 m3/s，右岸已建溢流坝泄流，右岸已建船闸通航，该阶段主要施工左岸溢流坝、土石坝。

5.2 施工期通航条件

（1）第一阶段施工期通航（子围堰导流阶段2010年10月中旬～2011年2月）

由于围堰的束窄河床作用，上游水位抬高，当上游来流量Q≤564 m3/s，能够满足水口坝下施工区船舶安全通航的要求。当流量Q≥1 530 m3/s，可以满足水口水电站过坝要求。

因此，施工期通航第一阶段提高了小流量条件下的通航能力，对大流量条件下的通航能力影响较小。

（2）第二阶段施工期通航（一期导流阶段，2011年2月～2013年4月）

当流量Q≤3 372 m3/s时，束窄左岸河床的水流条件能够满足船舶安全通航要求。当流量Q≥2 285 m3/s，可以满足水口水电站过坝要求，即2 285 m3/s≤Q≤3 372 m3/s时，船队可以直接过施工区和水口水电站。

（3）第三阶段施工期通航（2013年5月～2013年9月中旬）

当308 m3/s≤Q≤3 934 m3/s时，束窄左岸河床和右岸船闸均可通航；当3 934 m3/s≤Q≤5 000 m3/s时，船闸可通航并过水口水电站。

（4）第四阶段施工期通航（2013年9月中旬～2014年3月）

当流量308 m3/s≤Q≤510 m3/s时，船闸上下游引航道口门区附近区域的通航水流条件包括纵横向流速指标等，均能够满足规范规定的要求。

综上所述，结合水口电站近年下泄流量情况分析，水口坝下工程在施工期不同阶段基本能够满足不断航要求。

6 安全建议及保障措施

6.1 运用期安全保障措施

（1）协调水口上下过船建筑物的通航秩序

因受坝下水位下降的影响，目前水口水电站枢纽通航建筑物的运行情况枯水季基本上10 d左右通航一次，且按上午船只上行、下午船只下行的运行方式安排船只通过。水口坝下工程建成后，将恢复原水口坝下设计最低通航水位，通航建筑物的运行也将进入正常状态。但同时受下游新建船闸运行状态的制约，建议协调上下通航建筑物运行、管理及安全措施，使其通过能力达最大化。

（2）减小碍航程度的安全保证措施

水口上下游两个枢纽的通航船闸应安排同时维护检修，并尽量减少由于船闸正常维护而影响船舶通航；在流量为10 000 m3/s以上通航时，船舶进出闸时避开局部小范围急流区谨慎驾驶；定期对引航道水域进行航深测量，掌握航深的变化情况，发现问题及时采取应对措施。

大流量泄洪后应及时测量引航道及连接段的航深，如影响通航必须及时清淤、疏浚，确保船舶通航安全；大坝泄流时应提前安排好下游停泊区内的船舶，安全停泊。严格执行国家、地方法规，建立健全管理制度，落实各级人员安全生产责任制，保证过往船舶安全通航；加强设备和人力的投入，确保设备完好，使过船建筑物处于良好的技术状态，维护正常通航秩序。

（3）管理需求论证和安全监管设施配备

在导航墙首尾分别设置CTV电视监控系统，并纳入地方海事的船舶动态管理系统；建议配备一艘监督艇，以应对突发事件。