庫區(qū)支流通航水域及設(shè)計(jì)通航水位的確定方法

劉曉帆，陳婷婷，何 熙，陳 剛

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

金沙江流域內(nèi)水力資源豐富，根據(jù)2003年水力資源復(fù)查成果，金沙江干支流水力資源理論蘊(yùn)藏量平均功率121.020 GW，占長江全流域理論蘊(yùn)藏量的43.6%，是我國重要的水電基地。攀枝花—宜賓為金沙江下段，區(qū)間流域面積21.4萬km2，河段長768 km，河道平均比降0.93‰。金沙江下段規(guī)劃的烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個(gè)梯級(jí)均為高壩大庫，最大壩高分別為265、289、278、162 m，4個(gè)梯級(jí)建成后將分別形成200、183、194、157 km的深水庫區(qū)航道，同時(shí)使位于庫區(qū)內(nèi)的支流航道通航條件極大改善，使得原本不通航的支流具備通航條件。目前向家壩、溪洛渡電站均已下閘蓄水，白鶴灘、烏東德電站也已開工建設(shè)。本文以溪洛渡庫區(qū)支流溜筒河為例，分析研究位于高壩庫區(qū)內(nèi)支流航道的通航水域和設(shè)計(jì)通航水位的推求方法[1]。

1 航道條件

溜筒河位于四川省涼山州雷波縣南部，是金沙江左岸一級(jí)支流，屬于美姑河流域。美姑河干流全長170 km，美姑大橋以上為美姑河，美姑大橋至河口段55 km河段穿行于高山峽谷之中，水流湍急，過去因無橋無船只能用藤索滑至彼岸，故稱溜筒河。溜筒河流經(jīng)美姑縣、雷波縣，于雷波縣沙坪子村匯入金沙江，匯合口下游37 km為已建金沙江溪洛渡樞紐壩址。雷波縣境內(nèi)溜筒河沿岸兩側(cè)坪頭、莫紅、巴姑等磷礦探明儲(chǔ)量超過1.9億t。研究河段是典型的山區(qū)河流，天然落差超過120 m，平均比降高達(dá)10.9‰。溪洛渡樞紐修建前，研究河段水面窄、比降大、流速急、流態(tài)紊亂，不具備通航條件；溪洛渡樞紐修建后，溜筒河航道條件得到根本性改善，溪洛渡正常蓄水位600 m時(shí)溜筒河回水里程為15.6 km到雷波縣莫紅鄉(xiāng)附近，輻射覆蓋沿岸各大磷礦，具備發(fā)展水路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)良條件，有條件成為沿岸磷礦等礦產(chǎn)資源運(yùn)輸?shù)乃\(yùn)通道。目前，溜筒河航道尚未被認(rèn)定為通航水域，航道等級(jí)不明確。

2 通航水域的確定

2.1 溪洛渡壩前水位綜合歷時(shí)曲線

收集溪洛渡梯級(jí)2013年5月4日—2018年10月31日2:00、8:00、14:00、20:00的水位，計(jì)算得到每日平均水位，從而得到溪洛渡蓄水完成后的逐年不同保證率下的水位(表1)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，各保證率下的上游水位在各年份間有明顯波動(dòng)，在溪洛渡梯級(jí)蓄水試運(yùn)營期間(2013年11月—2014年6月)壩前水位明顯偏低。本次溪洛渡壩前水位綜合歷時(shí)曲線[2]成果采用去除試運(yùn)營期間的壩前水位的統(tǒng)計(jì)成果(表1最后一行)。溪洛渡壩前水位綜合歷時(shí)曲線如圖1所示。

表1 溪洛渡壩上不同保證率P下的水位

圖1 溪洛渡壩前水位綜合歷時(shí)曲線

2.2 溜筒河航道起點(diǎn)

溪洛渡梯級(jí)正常蓄水位回水長度15.6 km，其中常年回水區(qū)8.5 km，變動(dòng)回水區(qū)7.1 km。根據(jù)研究河段實(shí)測地形圖并結(jié)合溪洛渡壩前水位綜合歷時(shí)曲線(圖1)確定各級(jí)特征水位下溜筒河回水里程、卡口河寬、通航保證率(表2)，各級(jí)特征水位的水邊線如圖2所示。

圖2 溜筒河各級(jí)特征水位下水邊線

表2 研究河段各級(jí)特征水位下回水里程、卡口河寬、通航保證率

由于天然情況下的溜筒河不具備通航條件，只有成為庫區(qū)后才可能滿足通航條件，因此航道起點(diǎn)應(yīng)位于15.6 km回水范圍內(nèi)。

當(dāng)研究河段水位為溪洛渡壩前保證率95%、水位548.31 m時(shí)，溜筒河回水長度9.0 km，回水范圍內(nèi)河面寬度44～314 m。當(dāng)研究河段水位為庫區(qū)汛限水位560 m(通航保證率為82.8%)時(shí)，溜筒河回水長度13 km，回水末端接近莫紅磷礦，回水范圍內(nèi)河面寬度21～350 m，10 km以下河段航道條件較好，河面寬度為48～350 m，最小水深大于6 m，彎曲半徑大于480 m；10 km以上河段受兩岸地形限制，山壁陡峭，河道狹窄，航道條件較差，其中10～10.5 km段水面寬度36 m，10.8 km卡口處河寬僅21 m，不滿足Ⅴ級(jí)以上單線航道寬度22 m標(biāo)準(zhǔn)[3]，若采取山體切除工程措施，工程投資大且對(duì)環(huán)境破壞較大。此外，10 km以上河段為峽谷段，河道較窄，沒有優(yōu)良的碼頭岸線可利用。根據(jù)回水里程、水位保證率、航道條件、礦產(chǎn)資源分布、碼頭作業(yè)區(qū)規(guī)劃等因素綜合分析論證，溜筒河航道起點(diǎn)宜設(shè)置在航道里程10 km處，即溜筒河的通航水域?yàn)楹涌谝陨?0 km范圍。

3 通航等級(jí)的確定

當(dāng)水位為溪洛渡壩前死水位540.00 m時(shí)，溜筒河8.5 km回水范圍內(nèi)河段水深條件較好，河段較為寬闊，僅在航道里程7 km處受左岸山體深入江心擠占河道影響，最小河寬為40 m。當(dāng)水位為溪洛渡壩前保證率95%水位548.31 m時(shí)，溜筒河9.2 km回水范圍內(nèi)河段水深條件較好，河面寬度44～314 m。當(dāng)水位為溪洛渡汛限水位560 m時(shí)，溜筒河10 km回水范圍內(nèi)河段河面寬度48～350 m，最小水深大于6 m。從各級(jí)特征水位下航道寬度及水深條件來看，在采取少量航道整治等工程措施的基礎(chǔ)上，研究河段航道等級(jí)至少滿足Ⅲ級(jí)單線航道尺度(2.0～2.4)m×30 m×480 m(水深×航寬×彎曲半徑)的要求[4]。

除水深、河寬條件外，航道等級(jí)的確定還受到彎曲半徑、臨跨河建筑物通航凈空尺度等因素的影響。研究河段彎曲半徑較大，各級(jí)特征水位下均大于480 m，臨跨河建筑物以及過江電纜通航凈空尺度較大，均能滿足Ⅲ級(jí)及以上航道等級(jí)的要求。

同時(shí)，研究河段位于溪洛渡壩址上游37 km處，干流金沙江航道等級(jí)規(guī)劃為內(nèi)河Ⅲ級(jí)及以上，為避免干支航道等級(jí)的不一致造成中轉(zhuǎn)困難，結(jié)合航道的基礎(chǔ)條件，確定研究河段溜筒河航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道。

4 設(shè)計(jì)通航水位

4.1 設(shè)計(jì)最高通航水位

溜筒河航道擬規(guī)劃為Ⅲ級(jí)航道，根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，Ⅲ級(jí)航道設(shè)計(jì)最高通航水位應(yīng)采用溪洛渡壩前水位為正常蓄水位時(shí)的20 a一遇回水曲線。根據(jù)溪洛渡水庫(支流溜筒河庫區(qū))回水計(jì)算成果[5]，推求溜筒河航道沿程設(shè)計(jì)最高通航水位，如表3所示。

表3 溜筒河航道設(shè)計(jì)最高通航水位

4.2 設(shè)計(jì)最低通航水位

4.2.1常年回水區(qū)

溜筒河多年平均流量為33.7 m3/s，枯水期來流量更小，在溪洛渡樞紐回水范圍內(nèi)，溜筒河航道水位主要受下游溪洛渡電站壩前水位控制，可忽略溜筒河的回水比降。溜筒河航道擬規(guī)劃為Ⅲ級(jí)航道，樞紐上游設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)采用多年歷時(shí)保證率95%的入庫流量與相應(yīng)的壩前消落水位組合，以及壩前死水位或最低運(yùn)行水位與相應(yīng)的各級(jí)入庫流量組合，得出多組回水曲線，取其下包線作為沿程各點(diǎn)的設(shè)計(jì)最低通航水位。因此，在忽略溜筒河回水比降的情況下，溜筒河常年回水區(qū)8.5 km航道設(shè)計(jì)最低通航水位為溪洛渡樞紐的死水位540.00 m。

4.2.2變動(dòng)回水區(qū)

4.2.2.1方案

1)方案1：變動(dòng)回水區(qū)段設(shè)計(jì)最低通航水位采用溪洛渡壩前保證率95%水位548.31 m時(shí)，其在溜筒河回水位置為航道里程9.0 km處。9.0～10.0 km航道因地形大部分高于設(shè)計(jì)最低通航水位548.31 m，因此需要開挖一條長1.0 km、深3.0～3.5 m、直線段底寬為30 m的通航明渠，并需要在航道末端開挖范圍適宜的停泊及回旋水域，方便船舶安全?？恳约暗纛^。

2)方案2：變動(dòng)回水區(qū)段設(shè)計(jì)最低通航水位采用溪洛渡庫區(qū)汛限水位560.00 m時(shí)，溜筒河回水里程為13.0 km。研究河段范圍(0～10 km)內(nèi)航道彎曲半徑均大于480 m，最小水深超過6 m。若該段航道采用Ⅲ級(jí)單線標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)9.0～9.5 km河段局部突嘴、卡口區(qū)域進(jìn)行切除，使航道寬度滿足規(guī)范要求。

4.2.2.2方案比較

從整治工程量和投資的角度看，由于溜筒河平均河道比降高達(dá)10.9‰，1.0 km航槽最大開挖深度可達(dá)10 m以上，因此方案1航道開挖工程量及投資大，且開挖后航槽非常容易回淤，邊坡穩(wěn)定性差，維護(hù)工作量大；方案2需要對(duì)局部不滿足航寬的突嘴、卡口進(jìn)行切除，工程量及投資較小。從通航保證率和航道通過能力角度看，方案1在采取開挖1.0 km航槽后，該段航道的通航保證率可達(dá)到95%，滿足Ⅲ級(jí)航道設(shè)計(jì)最低通航水位保證率的要求；方案2采用溪洛渡汛限水位560.00 m作為該段航道的設(shè)計(jì)最低通航水位，該水位保證率可達(dá)到82.8%(圖1)，每年減少的通航天數(shù)約為45 d，對(duì)該段航道通過能力影響相對(duì)較小。

根據(jù)航道整治工程措施可行性、航道整治工程投資、通航保證率以及航道通過能力等綜合分析，確定溜筒河變動(dòng)回水區(qū)(8.5～10.0 km)航道的設(shè)計(jì)最低通航水位采用溪洛渡梯級(jí)汛限水位560.00 m，即采用方案2。

5 結(jié)語

1)山區(qū)河流高壩大庫建成后，形成了長距離深水庫區(qū)航道，同時(shí)使位于庫區(qū)內(nèi)的支流航道通航條件極大改善，使得原本不通航的支流具備通航條件。亟需開展庫區(qū)支流航道通航水域確定、航道等級(jí)論證以及航運(yùn)規(guī)劃等相關(guān)工作。

2)由于庫區(qū)支流航道是由庫區(qū)回水形成，因此通航水域、航道等級(jí)與設(shè)計(jì)通航水位的確定相互關(guān)聯(lián)。首先，根據(jù)壩前水位回水里程、水位保證率、航道條件、礦產(chǎn)資源分布、碼頭作業(yè)區(qū)規(guī)劃等因素綜合分析論證庫區(qū)支流航道的起點(diǎn)，確定通航水域；之后再根據(jù)水深、河寬、彎曲半徑等航道條件、臨跨河建筑物通航凈空尺度、下游干流航道規(guī)劃等級(jí)等因素確定庫區(qū)支流航道等級(jí)；最后確定支流航道設(shè)計(jì)最低通航水位。

3)由于山區(qū)支小河流比降大、流量小，開挖航槽投資大且對(duì)環(huán)境破壞較大，因此不宜為了延長庫區(qū)支流航道而進(jìn)行開挖航槽。

4)庫區(qū)支流航道設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)區(qū)分常年回水區(qū)和變動(dòng)回水區(qū)，常年回水區(qū)的設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)取梯級(jí)最低運(yùn)行水位(死水位)，而變動(dòng)回水區(qū)的設(shè)計(jì)最低通航水位需要根據(jù)航道整治工程措施可行性、航道整治工程投資、通航保證率以及航道通過能力等進(jìn)行綜合分析確定。如果變動(dòng)回水區(qū)較長，必要時(shí)也可對(duì)變動(dòng)回水區(qū)進(jìn)行分段確定設(shè)計(jì)最低通航水位。