富春江船閘擴(kuò)建改造后電站黑啟動(dòng)對(duì)下游航運(yùn)安全影響分析

張公略，李君濤，吳世東

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州310006；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，杭州310000）

錢塘江是浙江省第一大河，具有優(yōu)良的天然航運(yùn)條件，但由于富春江大壩的阻隔以及富春江船閘通過能力的“瓶頸”制約（設(shè)計(jì)年過閘貨運(yùn)量為80萬t），迫使運(yùn)往上、下游的大量貨物棄水走陸，沒有發(fā)揮錢塘江水運(yùn)的天然優(yōu)勢(shì)［1］。為此，近6 a來對(duì)富春江航運(yùn)瓶頸改造工程進(jìn)行了各種方案的論證、研究，并最終確定采取先期進(jìn)行船閘擴(kuò)建改造方案。但針對(duì)該方案，在富春江電站黑啟動(dòng)情況下存在著一個(gè)航運(yùn)安全問題。為此，文中對(duì)于黑啟動(dòng)情況下的航運(yùn)水流條件狀況及其相應(yīng)安全措施進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并試圖對(duì)類似樞紐船閘改造工程中電站運(yùn)行與航運(yùn)之間矛盾問題的解決提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 船閘總體布置簡(jiǎn)介

富春江擴(kuò)建改造船閘布置在右岸岸坡，保留原有船閘不動(dòng)，緊接原有船閘下閘首在其后新建一座標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ級(jí)船閘，原有船閘作為上游引航渠道，擴(kuò)建后的船閘包括上游引航道（引航渠道）、上閘首、閘室、下閘首和下游引航道。上閘首與原有船閘下閘首緊密相連，新建船閘總長(zhǎng)356 m，閘室長(zhǎng)度為300 m；上閘首口門寬度12.4 m，閘室為不對(duì)稱廣腹式，閘室總寬23.0 m，下閘首口門寬度23.0 m［2-3］。

新建船閘下游引航道與左側(cè)河道之間設(shè)置有連續(xù)的導(dǎo)航、靠船、隔流墻，并在口門區(qū)設(shè)置4個(gè)導(dǎo)流墩，用于調(diào)整墻后過水渠道水流對(duì)航道流速的影響。另外，對(duì)江心洲洲頭和主河道右側(cè)（江心洲左側(cè)）切灘疏浚，以及在江心洲右側(cè)開挖一條行洪渠道（底寬約45 m、底高程3.0 m）等工程措施減小因船閘修建對(duì)防洪及發(fā)電水位的抬高。在船閘擴(kuò)建后，富春江樞紐下游河道布置為：左側(cè)為主河道（切灘疏浚后）、右側(cè)引航道被導(dǎo)流隔墻分為兩部分，右岸側(cè)為新建船閘下游引航道，左側(cè)導(dǎo)流隔墻與江心洲之間為行洪渠道，在行洪渠道上游端設(shè)置一節(jié)制分水閘用于調(diào)節(jié)下游引航道的通航水流條件，在洪水小于下游最高通航水位時(shí)，通過調(diào)整該水閘的孔口開度來滿足下游通航水流條件，當(dāng)洪水超過下游最高通航水位（2 a一遇洪水位）時(shí)，即開閘泄洪，此時(shí)航道需停航，節(jié)制分水閘寬度為45 m（3孔12 m×13 m的口門），行洪渠道在壩下1 400 m左右匯入右側(cè)主航道內(nèi)［4-6］（圖 1）。

2 黑啟動(dòng)影響因素及壩下非恒定流模擬計(jì)算成果

2.1 黑啟動(dòng)影響因素

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故需要富春江電站黑啟動(dòng)運(yùn)行，電廠要在極短的時(shí)間內(nèi)帶滿負(fù)荷（電站在3 min之內(nèi)由0負(fù)荷增至6臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷）。電廠短時(shí)間內(nèi)增荷（卸荷）運(yùn)行，出力都集中在短時(shí)段內(nèi)激烈變化。受其影響，下游河道的水位、流速等水力要素在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大波動(dòng)，對(duì)航運(yùn)有一定影響。因此，電廠黑啟動(dòng)功能與下游航運(yùn)安全存在著一定的矛盾［7-8］。

2.2 黑啟動(dòng)壩下非恒定流計(jì)算成果

本工程建設(shè)充分考慮電站黑啟動(dòng)運(yùn)行對(duì)下游航道的影響，對(duì)電站黑啟動(dòng)運(yùn)行（電站在3 min之內(nèi)由0負(fù)荷增至6臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行）時(shí)下游河道的水力特征變化進(jìn)行了二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算。計(jì)算范圍為船閘閘首至下游10.71 km范圍的河道。計(jì)算下邊界水位采用電站不發(fā)電時(shí)的水位，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，本階段選取2008年7月9日（機(jī)組不發(fā)電時(shí)下邊界分水江匯入口水位為3.75 m）實(shí)測(cè)資料，采用3.80 m控制。

根據(jù)富春江壩下航道和通航樞紐布置特點(diǎn)，分析以下8個(gè)典型斷面左側(cè)河道和右側(cè)航道內(nèi)水位和流速變化：船閘下閘首出口（1#斷面，壩下約485 m）；靠船段（1#++斷面，壩下約950 m）；行洪渠道與右側(cè)航道匯合處（2#斷面，壩下約1 332 m）；左側(cè)主河道與右側(cè)航道匯合處（4#斷面，壩下約3 017 m）；5#斷面，壩下約4 565 m；6#斷面，壩下約6 312 m；7#斷面，壩下約7 536 m；8#斷面，壩下約9 029 m。主要計(jì)算結(jié)果為：（1）電站啟動(dòng)后1 h 45 min左右航道面水位基本穩(wěn)定，其穩(wěn)定時(shí)水位相對(duì)于電站啟動(dòng)開始時(shí)間水位漲幅分別為3.46 m、3.48 m、3.54 m、3.38 m、2.32 m、1.89 m、1.25 m、0.93 m；（2）電站啟動(dòng)后航道面各斷面水位最大分漲幅分別為 0.05 m、0.06 m、0.05 m、0.07 m、0.05 m、0.04 m、0.02 m、0.02 m；（3）電站啟動(dòng)后水流傳遞至航道斷面1#、1#++、2# 和 4#、5#、6#、7#、8# 的時(shí)間分別為 13 min、12 min、11 min、16 min、23 min、27 min、32 min、36 min。

3 黑啟動(dòng)航運(yùn)安全分析及措施分析探討

電站黑啟動(dòng)情況航道水流屬于非恒定流，其運(yùn)動(dòng)的水力要素在時(shí)間和空間上是瞬時(shí)變化的，航道內(nèi)非恒定流的運(yùn)動(dòng)具有“潰壩”流傳遞特征，在局部河段會(huì)對(duì)上行船舶的航行起到阻礙作用。其對(duì)船舶的航行影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，樞紐下泄非恒定流時(shí)產(chǎn)生的附加比降和附加流速是影響船舶正常航行的關(guān)鍵因素。其二是非恒定流產(chǎn)生的水位變幅對(duì)船舶安全航行的影響較大，船舶應(yīng)保持一定的船位和航向（包括航行漂角，航行操舵角），而水位變幅速率過大會(huì)引起船舶航行的偏航速度快，漂角和操舵角加大。

3.1 非恒定流產(chǎn)生的附加比降和附加流速對(duì)船舶正常航行影響分析

非恒定流產(chǎn)生的附加比降和附加流速對(duì)船舶的航行影響，可以采用非恒定流條件下產(chǎn)生的船舶航行阻力（指船舶逆水上行時(shí)受到的水流阻力和水面坡降阻力）與船舶有效推力進(jìn)行比較來判定，即當(dāng)船舶的有效推力大于航行的阻力時(shí)船舶可正常上行，否則難于通過該河段。

富春江電站黑啟動(dòng)時(shí)，下游航道8個(gè)典型斷面在最不利比降、流速組合條件下的船舶航行阻力分別為899 kg（對(duì)應(yīng)流速1.52 m/s、比降0.57‰），小于船舶的有效推力（2 100 kg），因此理論上從非恒定流產(chǎn)生的附加比降和附加流速對(duì)船舶產(chǎn)生的正常航行阻力分析，船舶能夠正常上行。

3.2 非恒定流產(chǎn)生的水位變幅對(duì)船舶安全航行影響分析

研究和分析非恒定流產(chǎn)生的水位變幅對(duì)船舶安全航行影響，主要是分析該河段的水位變幅速率。如果電站黑啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水位變幅相對(duì)較小，則對(duì)船舶安全航行影響不大，反之則對(duì)船舶安全航行不利?！秲?nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中只規(guī)定：“樞紐進(jìn)行電站日調(diào)節(jié)引起的樞紐上下游水位的變率，應(yīng)滿足船舶安全航行和作業(yè)要求”，沒有給出具體的限定數(shù)值，目前關(guān)于非恒定流產(chǎn)生的水位變幅對(duì)船舶安全航行的影響只能通過實(shí)地調(diào)研或者參照其他河流水位變幅的限定值進(jìn)行判定。根據(jù)華東勘測(cè)院對(duì)電站黑啟動(dòng)時(shí)下游航道的水位變化特征分析，本工程在黑啟動(dòng)期間航道局部區(qū)域水位漲速較快，對(duì)于船舶安全航行影響較大，為此進(jìn)行如下具體分析，并提出相應(yīng)措施。

富春江水電站黑啟動(dòng)后，閘下航道局部區(qū)域（壩下1 332～8 500 m）在電站事故備用（黑啟動(dòng)）后1.5 h內(nèi)水位最大漲率均超過1 m/h，最大漲率達(dá)2.55 m/h，對(duì)應(yīng)流速1.52 m/s、比降0.57‰，理論上船舶的有效推力雖然能夠克服由非恒定流產(chǎn)生的附加比降和附加流速對(duì)船舶產(chǎn)生的正常航行阻力，但參考國(guó)內(nèi)類似研究成果及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)段對(duì)船舶的安全航行有較大的不利影響，需采取必要的安全措施。在電站黑啟動(dòng)大約1.5 h后，水位趨于穩(wěn)定，船舶能夠正常航行。

根據(jù)計(jì)算成果，可將船閘下游航道分為以下4個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析（圖2）。區(qū)域一：船閘下閘首出口至導(dǎo)航靠船墻末端靜水區(qū)域，1#～2#斷面；區(qū)域二：節(jié)制分水閘調(diào)控區(qū)域，水位變幅影響較大，2#～5#斷面；區(qū)域三：水位變幅影響較大區(qū)域，5#至壩下8.5 km（根據(jù)8#斷面水位漲速插值分析，在壩下8.5 km以下，水位最大時(shí)漲速相對(duì)較?。?；區(qū)域四：水位變幅影響較小區(qū)域，壩下8.5 km以下。

（1）對(duì)于區(qū)域一（壩下485～1 332 m），在壩下主河道與航道之間有足夠長(zhǎng)的分隔墻，該區(qū)域流速很小，水位變幅速率約為5 cm/min。按照《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ306－2001，閘室內(nèi)水面升降速度為5～6 cm/s時(shí)，可以設(shè)置固定系船設(shè)備。另外，為安全起見，在靠船段采用浮式系船設(shè)施，同時(shí)航運(yùn)部門應(yīng)加強(qiáng)管理，在電站黑啟動(dòng)1.5 h內(nèi)禁止該區(qū)域船舶下行。

（2）對(duì)于區(qū)域二（壩下1 332～4 565 m），在壩下1.3 km處設(shè)有節(jié)制分水閘來調(diào)節(jié)主河道匯入航道的水流，黑啟動(dòng)引起的壅水對(duì)航道的影響在時(shí)序上較主河道滯后，其水位漲幅速率也較主河道小，但水位時(shí)漲幅相對(duì)較大，對(duì)航運(yùn)安全有影響，為此建議采用特殊情況的應(yīng)急措施，即暫時(shí)關(guān)閉節(jié)制分水閘閘門，這樣因江心洲的分隔作用，該區(qū)域水流流速很小，船舶可以行駛至該區(qū)域安全停泊。

根據(jù)華東院勘測(cè)設(shè)計(jì)院的分析結(jié)果，電站黑啟動(dòng)后水位漲幅影響依次向下游傳遞，在黑啟動(dòng)后23 min開始有水流從5#斷面處回流，在45 min后在4#斷面處主河道水流開始向航道側(cè)漫流，為此，在該區(qū)域停泊的船只應(yīng)行駛至4#斷面上游區(qū)域停泊。另外，為安全起見，航運(yùn)部門應(yīng)加強(qiáng)管理，在電站黑啟動(dòng)1.5 h內(nèi)禁止該區(qū)域船舶下行。

（3）對(duì)于區(qū)域三（壩下4 565～8 500 m），根據(jù)華東勘測(cè)院分析結(jié)果，對(duì)5#斷面，電站黑啟動(dòng)后23 min開始影響，在32 min后影響開始加大；對(duì)7#斷面，電站黑啟動(dòng)后32 min開始影響，在45 min后影響開始加大；對(duì)4#斷面，電站黑啟動(dòng)45 min后主河道水流開始向航道側(cè)漫流。區(qū)域三在電站黑啟動(dòng)后1.5 h內(nèi)水位漲速較大，而在1.5 h以后水位漲速趨于平緩。為保證航運(yùn)安全，應(yīng)限制該區(qū)域船舶通航。

在電站黑啟動(dòng)后，航運(yùn)管理部門即刻通知該區(qū)域航道內(nèi)的船舶，要求上行船舶加速行駛，搶在電站發(fā)電水流影響傳遞至5#斷面前行駛至區(qū)域二躲避，因電站未放水發(fā)電前航道內(nèi)水流流速很小，若按500 t級(jí)船隊(duì)滿載靜水航速10 km/h左右計(jì)算，從壩下8.5 km往上至5#斷面處航道里程為3.9 km，船舶在23 min內(nèi)可以從區(qū)域三下游側(cè)航行至區(qū)域二內(nèi)，航行所需時(shí)間小于電站黑啟動(dòng)發(fā)電水流加大影響傳遞至5#斷面的時(shí)間（32 min），但是由于船舶航行至口門區(qū)（5#斷面）處時(shí)，該時(shí)刻水流條件復(fù)雜，船舶駕駛?cè)藛T應(yīng)集中注意力，掌控好船舵。

對(duì)于該區(qū)域下行船舶，同樣需要加速下行，按照500 t級(jí)船隊(duì)滿載靜水航速10 km/h左右計(jì)算，從5#斷面處向下游至壩下8.5 km航道里程為3.9 km，船舶在23 min內(nèi)可以從區(qū)域三上游側(cè)航行至區(qū)域四內(nèi)，航行所需時(shí)間小于電站黑啟動(dòng)發(fā)電水流較大影響波及至船舶行至安全區(qū)域所需的時(shí)間（45 min）。

（4）對(duì)于區(qū)域四（壩下8 500 m），水位的時(shí)漲幅相對(duì)較小，電站黑啟動(dòng)對(duì)船舶航行安全影響較小，但航運(yùn)管理部門也應(yīng)將電站黑啟動(dòng)情況即時(shí)告知下游遠(yuǎn)方調(diào)度站及在下游航道內(nèi)行駛的船舶，要求上行船舶就近在江面開闊處或下游遠(yuǎn)方調(diào)度站錨泊區(qū)內(nèi)錨泊，待水位基本穩(wěn)定后才可上行通航。對(duì)于該區(qū)域下行船舶可以繼續(xù)行駛。

3.3 工程措施及管理措施

由于富春江水電站在承擔(dān)電網(wǎng)事故備用和黑啟動(dòng)任務(wù)時(shí)，其下游水位、流速、水面比降等短時(shí)間驟變不可避免，為了不影響電站事故備用和黑啟動(dòng)的能力，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也為了保證通航安全，富春江船閘擴(kuò)建改造工程采取工程措施和航運(yùn)管理措施是十分必要的。

采用合理的工程措施主要包括設(shè)置足夠長(zhǎng)的分隔墻，設(shè)置節(jié)制分水閘以及采用浮式系船設(shè)施等。采取的航運(yùn)管理措施主要有：航運(yùn)管理部門需根據(jù)“富春江船閘擴(kuò)建后運(yùn)行機(jī)制及調(diào)度方案框架意見”雙方成立富春江船閘運(yùn)行協(xié)調(diào)小組，制定船閘運(yùn)行應(yīng)急預(yù)案，負(fù)責(zé)航運(yùn)安全；在電站事故備用（黑啟動(dòng)）運(yùn)行時(shí)，停止船閘的通航運(yùn)行，關(guān)閉節(jié)制分水閘，做好對(duì)下游航道內(nèi)船舶調(diào)度，迅速告知壩下航道內(nèi)的船舶，提醒船舶采取有效的安全措施，確保船舶航行安全。

4 結(jié)語

（1）文中以富春江船閘擴(kuò)建改造工程為例，根據(jù)大量的模型試驗(yàn)成果，詳細(xì)分析了電站黑啟動(dòng)情況下，電站水流對(duì)于壩下航道船舶安全的影響，得出了在采用有效可靠的工程措施及管理措施后，電站黑啟動(dòng)對(duì)航運(yùn)的影響是可以控制在安全允許范圍內(nèi)的。

（2）文章在分析過程中，充分考慮到電站發(fā)電因素與船閘擴(kuò)建工程之間的相互關(guān)系，并通過船閘合理的總體布置方案解決了船閘擴(kuò)建與發(fā)電等外部因素之間的矛盾，為類似的航電樞紐擴(kuò)建改造工程提供借鑒。

（3）文章為國(guó)內(nèi)類似的航電樞紐擴(kuò)建改造工程中航電之間的矛盾提出了合理可行的分析方法和工程措施探討分析方式。

［1］浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程工程可行性研究報(bào)告［R］.杭州：浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2008.

［2］浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程船閘總體設(shè)計(jì)方案［R］.杭州：浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2008.

［3］金國(guó)強(qiáng)，董志軍.富春江航電樞紐通航瓶頸改造方案探討［J］.水運(yùn)工程，2008（11）：136-138.JIN G Q，DONG Z J.Aspect on the shipping bottleneck renovation schemes for Fuchunjiang power situation junction［J］.Port&Waterway Engineering，2008（11）：136-138.

［4］曹一中，張公略，金國(guó)強(qiáng)，等.富春江船閘擴(kuò)建改造工程總體布置方案研究［J］.水運(yùn)工程，2009（9）：136-141.CAO Y Z，ZHANG G L，JIN G Q，et al.General layout for reconstruction project of Fuchun River lock［J］.Port&Waterway Engineering，2009（9）：136-141.

［5］董志俊，李君濤，郝媛媛.富春江船閘擴(kuò)建改造工程平面布置優(yōu)化研究［J］.水道港口，2009，30（5）：357-360.DONG Z J，LI J T，HAO Y Y.Plan layout optimization of ship lock extension project in Fuchun River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（5）：357-360.

［6］李君濤，郝媛媛，張麗.富春江船閘擴(kuò)建改造工程整體水工模型試驗(yàn)研究［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［7］中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程對(duì)富春江、新安江水電站的影響分析報(bào)告［R］.杭州：中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2010.

［8］中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院.富春江船閘擴(kuò)建改造工程對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全影響專題研究報(bào)告［R］.上海：中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院，2010.