水口壩下水位治理工程通航船閘設計研究

扈曉雯，侯繼平，薛雙運

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

1 通航規模

閩江干流規劃為Ⅳ級航道，根據福建省內河航道發展規劃方案，本工程區兩壩間河段以及壩下連接航道按Ⅳ級航道標準建設，通航標準船隊為2×500 t級頂推船隊，航道標準為：航道底寬≥50 m，航道水深1.9 m，航道最小半徑330 m。

設計水位：上游最高通航水位18.66 m（重現期2年洪水，Q＝16 900 m3/s），上游最低通航水位7.64 m（水口水電站下泄航運基流，Q=308 m3/s）；下游最高通航水位18.20 m（重現期2年洪水，Q=16 900 m3/s），下游最低通航水位-1.00 m（預測河道繼續下切后的下游水位）。遇超過重現期2年洪水或7級以上大風時停航。

船閘有效尺度：根據GB50139-2004《內河通航標準》規定，Ⅳ級航道設計最大船舶噸級為500 t，相應船閘級別為Ⅳ級。按一次通過1個500 t級貨船+1個2×500 t級一頂兩駁標準船隊縱向排列設計，兼顧滿足船隊編組及設計遠景貨運量要求，船閘有效尺度確定為：200.00 m×12.00 m×3.00 m（長×寬×檻上水深），通航凈空8.00 m。

設計年遠景運量：年過壩貨運量400萬t；年過木、竹運量200～250萬m3；日上、下行客運各1次。

2 建設方案研究

為解決水口水電站樞紐下游水位抬高問題，設計進行了多種方案的研究。在水口壩下水位治理工程方案研究階段，曾經進行了水口通航建筑物下游導航墻改造方案及水口壩下樞紐綜合治理方案，于2008年8月通過福建省發改委組織的審查，最終審定為壩下樞紐綜合治理工程方案。在工程可行性研究選壩設計階段，進行了工程建設方案設計研究，對不同壩址的樞紐進行了航運、航電方案的技術經濟比較論證，從工程技術條件、施工征地、移民安置、環境保護、水土保持、發電水頭、單位千瓦投資、單位電能投資等方面綜合分析研究，設計推薦水口水電站樞紐壩下水位治理工程不考慮布置發電設施，采用航運方案，于2008年12月通過福建省發改委組織的審查。

新建航運樞紐方案的主要建筑物包括：壅水建筑物、擋水壩、船閘和左岸護坡等。工程建成后，要求水口水電站下游通航最低水位為7.64 m，新建的水口壩下船閘通航能力與上游水口水電站雙線通航建筑物的通航能力相匹配。

水口壩下通航船閘設計最大水頭為8.60 m，根據設計通過能力，設計輸水時間要求小于10 min。據此，設計進行了輸水系統選型比較及水力特性計算分析研究。經水力特性參數對比，選定了閘墻長廊道側支孔輸水系統方案。

3 船閘總體布置

水口壩下通航建筑物采用單線一級船閘，根據樞紐壩址河床寬度及設計遠景貨運量的需求，船閘采用加長方案，布置在整個樞紐的右岸，左臨壅水堰，右臨316國道，船閘中心線與壩軸線垂直，中心樁號為壩右0+016.00 m。

船閘全長1 158 m，主要由上下閘首、閘室及上下游引航道組成，見圖1。閘首（閘室）根據使用和布置要求均采用整體塢式結構，結構最大總寬度為34.6 m。上下閘首口門凈寬12 m，左右邊墩各寬10 m。由于閘首邊墩較窄，邊墩內開設了許多孔洞或外懸牛腿，以滿足機電設備和金屬結構布置與檢修要求，部分閘門的啟閉室采用內藏式。通航工作門采用人字閘門型式，通航檢修門采用平板門型式，輸水廊道的工作閥門及檢修閥門為平板門型式。工作閘門采用液壓啟閉，檢修閘門采用臺車啟閉；工作閥門及檢修閥門均采用液壓啟閉。操作方式采用集中電氣控制。

上閘首位于擋水前緣，是壩體的一部分，順水流向長30 m，通航工作門采用人字閘門，閘頂高程32.00 m，布置有交通橋、臺車軌道梁、電纜溝梁及機房。

圖1 船閘平面布置圖Fig.1 Plane layout of ship lock

下閘首順水流向長28 m，通航工作門也采用人字閘門，閘頂高程32.00 m，布置有交通橋、臺車軌道梁、電纜溝梁機及機房。左邊墩上部布置有閥室檢修交通井，左邊墩下部布置有集水井；右邊墩上部布置有檢修門庫，右邊墩下部布置有集水井。

閘室長200 m，由10個結構段組成，每個結構段長20 m，采用整體鎢式結構，見圖2。閘墻頂寬3.50 m，底寬7.50 m，兩側閘墻邊墩內下部設有輸水廊道，斷面尺寸2.5 m×2.8 m（寬×高）。在廊道頂部設置了?100 mm的通氣孔，輸水廊道內的水體通過出水支孔，經閘室底板上設置的消力檻消能進入閘室內。每個結構段閘墻內側均設有系船環槽，閘室頂部設置有電纜溝槽，溝通上下閘首電纜連接。

上、下游引航道采用不對稱式的平面布置型式，上游引航道長度450 m，其中上游主導航墻長120 m，隔流墩長120 m，調順段長110 m，靠船墩段長100 m；上游輔導航墻長80 m，采用弧形翼墻與右岸連接。下游引航道長度450 m，其中下游主導航墻長120 m，調順段長230 m，下游靠船墩段長100 m；上游輔導航墻長40 m，采用弧形翼墻與右岸連接。

圖2 閘室墻典型斷面Fig.2 Cross section of chamber wall

4 輸水系統選型

水口壩下船閘上游通航水位與水口水電站通航建筑物下游最低通航水位7.64 m銜接，下游通航水位根據下游河床演變預測水位確定為－1.0 m，并經福建省交通運輸廳項目審核審批文件閩交港航[2010]9號文確認。因此，水口壩下船閘設計水頭為8.64 m，設計水頭小于10 m，按常規可選擇集中輸水系統方案。但考慮到水口壩下船閘閘室有效長度為200 m，屬于加長型非標準尺寸，船閘閘室長寬比達到16.7∶1，因此，閘室充水時的縱向水面坡降較大，水流條件較為復雜。

根據總體布置和JTJ306—2001《船閘輸水系統設計規范》輸水系統類型的選擇公式m=判斷及要求，對水口壩下船閘的輸水系統型式進行了分析，確定了該船閘可能采用的兩種輸水系統型式——閘墻長廊道側支孔輸水系統和短廊道集中輸水系統。在分析這兩種輸水系統國內外發展概況的基礎上，計算了該船閘輸水廊道閥門段尺寸，并結合具體工程條件，布置和確定了輸水系統的主要尺寸，進而采用數學模型對兩種輸水系統的水力特性進行了計算分析對比。

水力計算分析結果表明：水口壩下船閘采用的輸水系統的整體布置設計基本是合理的，各輸水水力特征的計算值可以滿足設計要求。其中分散輸水系統水力指標較高，集中輸水系統相對較低，考慮到水口壩下船閘在同規模船閘中具有閘室長寬比大、要求輸水時間短、閩江航運地位重要等因素，最終選定國際上較為先進且得到廣泛應用的閘墻長廊道側支孔輸水系統型式。

對所選定的輸水系統做了進一步計算分析論證，提出輸水系統各部分詳細尺寸及布置，得到了輸水系統阻力系數、流量系數、輸水系統、換算長度和閘室超高（降）等水力參數以及由初始波浪力所確定的閥門全開時間、輸水系統的輸水水力特性。計算成果表明：通過設計研究所提出的輸水系統型式布置能滿足設計輸水時間、船舶在上、下游引航道和閘室的停泊和航行安全以及船閘輸水閥門安全運轉的要求。

船閘上游進水口利用上游引航道和上閘首底高程之間已有的3.63 m高差采用正面進水方式，正面進水口面積為2×（5.5 m×2.8 m）（寬×高）=30.8 m2。上閘首充水廊道閥門后通過水平及垂直轉彎與閘室出水孔段廊道相連接，水平轉彎時將輸水廊道寬度由2.0 m擴大至2.5 m。充水主廊道面積為2×（2.5 m×2.8 m）（寬×高）。充水水力特性計算結果表明：上游引航道最大平均流速0.30 m/s，符合規范要求；上游引航道的設計船隊縱向系纜力僅為1.7～3.5 kN，上游引航道內船舶停泊條件滿足規范要求。

閘室出水段廊道通過水平轉彎與垂直轉彎，上與充水主廊道、下與泄水主廊道相連接。底高程-3.30 m，頂高程-0.50 m，最大水頭時淹沒水深0.5 m。閘室出水段廊道斷面面積為2×（2.5 m×2.8 m）（寬×高）=14.0 m2。閘室出水支孔每側閘墻36孔，共72孔，孔口尺寸分別為：0.35 m×0.50 m，間隔4.0 m，總長140.0 m，占閘室有效長度70%，72×（0.35 m×0.50 m）（寬×高）=12.6 m2。閘室內出水段出水孔外側設一消力檻，消力檻高0.20 m，距出水口距離1.25 m。

船閘下閘首出水口廊道底高程采用與泄水閥門一致以簡化布置，泄水閥門后平底轉彎至出水口，為使出水口水流盡可能均勻，出口設中導墻，導墻的起點略偏向彎段外側。由于最大水頭達8.6 m以上，因此下閘首采用第三類消能設施。考慮到下游引航道底高程與閘底高程一致，選用格柵式消能室，消能室內設兩道挑流檻，以均勻出流并可使單邊輸水時出水支孔能較均勻出流。閘室出水孔段廊道通過水平及垂直轉彎與下閘首泄水廊道相連接，水平轉彎時將輸水廊道寬度由2.5 m減小至2.0 m。泄水主廊道面積為2×（2.5 m×2.8 m）（寬×高）。出水口通過水平轉彎與泄水主廊道連接，并將廊道寬度由2.0 m調整為5.4 m，在轉彎段設置分流墩。頂面格柵出水，消能室內設置兩道高度分別為0.6 m及1.2 m的挑流檻。出水口孔口總面積為36.0 m2，泄水水力特性計算結果表明：下游引航道最大流速0.65 m/s，下游引航道為5.2～11.2 kN。因此，下游引航道內船舶停泊條件均滿足規范要求。

除計劃大修外，船閘一般不斷航檢修，因此在輸水工作閥門上游或下游設有檢修閥門，確保一側輸水閥門或閥門段出故障時，另一側輸水閥門及廊道仍能正常運行。閥門段檢修時的排水通過排水鋼管匯入下閘首集水井，由下閘首閥室控制。

5 結 語

通過對船閘設計方案研究、總體布置優化及輸水系統選型設計，確定了水口壩下樞紐綜合治理航運建設方案，進行了航運方案通航船閘總體布置，針對在同規模船閘中具有閘室長寬比大（16.7∶1）的特點，重點進行了船閘輸水系統選型分析研究論證，主要結論如下：

（1）水口水電站壩區、新建壩下水位治理工程壩區及兩樞紐間通航水流條件均基本滿足船舶安全通航的要求，布置基本合理，可作為壩下水位治理工程的設計方案。

（2）船閘總體布置通過樞紐整體水工模型試驗驗證，通航條件為最高通航流量Q=10 000 m3/s。試驗表明當7 000 m3/s≤Q≤10 000 m3/s，上、下引航道流速指標均出現了一定程度的超標，該流量下船舶航行時需謹慎駕駛，避開邊壁回流區及急流區。當Q=16 900 m3/s，口門區流速較大范圍超標，船舶航行困難。

（3）經對船閘輸水系統長短廊道不同型式的水力特性進行分析比較，水口壩下船閘采用閘墻長廊道側支孔的輸水系統型式是合適的，具有優良的水力指標。

（4）設計提出的輸水系統布置，經船閘水力學分析計算比較及各部分結構體型優化，選定的輸水系統能滿足設計輸水時間、船舶在上、下游引航道、閘室的停泊和航行安全以及船閘輸水閥門安全運轉的要求。