富春江船闸扩建改造后电站黑启动对下游航运安全影响分析

张公略，李君涛，吴世东

（1.浙江省交通规划设计研究院，杭州310006；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；3.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州310000）

钱塘江是浙江省第一大河，具有优良的天然航运条件，但由于富春江大坝的阻隔以及富春江船闸通过能力的“瓶颈”制约（设计年过闸货运量为80万t），迫使运往上、下游的大量货物弃水走陆，没有发挥钱塘江水运的天然优势［1］。为此，近6 a来对富春江航运瓶颈改造工程进行了各种方案的论证、研究，并最终确定采取先期进行船闸扩建改造方案。但针对该方案，在富春江电站黑启动情况下存在着一个航运安全问题。为此，文中对于黑启动情况下的航运水流条件状况及其相应安全措施进行了系统的分析，并试图对类似枢纽船闸改造工程中电站运行与航运之间矛盾问题的解决提供可借鉴的经验。

1 船闸总体布置简介

富春江扩建改造船闸布置在右岸岸坡，保留原有船闸不动，紧接原有船闸下闸首在其后新建一座标准的Ⅳ级船闸，原有船闸作为上游引航渠道，扩建后的船闸包括上游引航道（引航渠道）、上闸首、闸室、下闸首和下游引航道。上闸首与原有船闸下闸首紧密相连，新建船闸总长356 m，闸室长度为300 m；上闸首口门宽度12.4 m，闸室为不对称广腹式，闸室总宽23.0 m，下闸首口门宽度23.0 m［2-3］。

新建船闸下游引航道与左侧河道之间设置有连续的导航、靠船、隔流墙，并在口门区设置4个导流墩，用于调整墙后过水渠道水流对航道流速的影响。另外，对江心洲洲头和主河道右侧（江心洲左侧）切滩疏浚，以及在江心洲右侧开挖一条行洪渠道（底宽约45 m、底高程3.0 m）等工程措施减小因船闸修建对防洪及发电水位的抬高。在船闸扩建后，富春江枢纽下游河道布置为：左侧为主河道（切滩疏浚后）、右侧引航道被导流隔墙分为两部分，右岸侧为新建船闸下游引航道，左侧导流隔墙与江心洲之间为行洪渠道，在行洪渠道上游端设置一节制分水闸用于调节下游引航道的通航水流条件，在洪水小于下游最高通航水位时，通过调整该水闸的孔口开度来满足下游通航水流条件，当洪水超过下游最高通航水位（2 a一遇洪水位）时，即开闸泄洪，此时航道需停航，节制分水闸宽度为45 m（3孔12 m×13 m的口门），行洪渠道在坝下1 400 m左右汇入右侧主航道内［4-6］（图 1）。

2 黑启动影响因素及坝下非恒定流模拟计算成果

2.1 黑启动影响因素

当电网发生事故需要富春江电站黑启动运行，电厂要在极短的时间内带满负荷（电站在3 min之内由0负荷增至6台机组满负荷）。电厂短时间内增荷（卸荷）运行，出力都集中在短时段内激烈变化。受其影响，下游河道的水位、流速等水力要素在短时间内产生较大波动，对航运有一定影响。因此，电厂黑启动功能与下游航运安全存在着一定的矛盾［7-8］。

2.2 黑启动坝下非恒定流计算成果

本工程建设充分考虑电站黑启动运行对下游航道的影响，对电站黑启动运行（电站在3 min之内由0负荷增至6台机组满负荷运行）时下游河道的水力特征变化进行了二维数学模型计算。计算范围为船闸闸首至下游10.71 km范围的河道。计算下边界水位采用电站不发电时的水位，根据实测资料，本阶段选取2008年7月9日（机组不发电时下边界分水江汇入口水位为3.75 m）实测资料，采用3.80 m控制。

根据富春江坝下航道和通航枢纽布置特点，分析以下8个典型断面左侧河道和右侧航道内水位和流速变化：船闸下闸首出口（1#断面，坝下约485 m）；靠船段（1#++断面，坝下约950 m）；行洪渠道与右侧航道汇合处（2#断面，坝下约1 332 m）；左侧主河道与右侧航道汇合处（4#断面，坝下约3 017 m）；5#断面，坝下约4 565 m；6#断面，坝下约6 312 m；7#断面，坝下约7 536 m；8#断面，坝下约9 029 m。主要计算结果为：（1）电站启动后1 h 45 min左右航道面水位基本稳定，其稳定时水位相对于电站启动开始时间水位涨幅分别为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）电站启动后航道面各断面水位最大分涨幅分别为 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）电站启动后水流传递至航道断面1#、1#++、2# 和 4#、5#、6#、7#、8# 的时间分别为 13 min、12 min、11 min、16 min、23 min、27 min、32 min、36 min。

3 黑启动航运安全分析及措施分析探讨

电站黑启动情况航道水流属于非恒定流，其运动的水力要素在时间和空间上是瞬时变化的，航道内非恒定流的运动具有“溃坝”流传递特征，在局部河段会对上行船舶的航行起到阻碍作用。其对船舶的航行影响体现在两个方面：其一，枢纽下泄非恒定流时产生的附加比降和附加流速是影响船舶正常航行的关键因素。其二是非恒定流产生的水位变幅对船舶安全航行的影响较大，船舶应保持一定的船位和航向（包括航行漂角，航行操舵角），而水位变幅速率过大会引起船舶航行的偏航速度快，漂角和操舵角加大。

3.1 非恒定流产生的附加比降和附加流速对船舶正常航行影响分析

非恒定流产生的附加比降和附加流速对船舶的航行影响，可以采用非恒定流条件下产生的船舶航行阻力（指船舶逆水上行时受到的水流阻力和水面坡降阻力）与船舶有效推力进行比较来判定，即当船舶的有效推力大于航行的阻力时船舶可正常上行，否则难于通过该河段。

富春江电站黑启动时，下游航道8个典型断面在最不利比降、流速组合条件下的船舶航行阻力分别为899 kg（对应流速1.52 m/s、比降0.57‰），小于船舶的有效推力（2 100 kg），因此理论上从非恒定流产生的附加比降和附加流速对船舶产生的正常航行阻力分析，船舶能够正常上行。

3.2 非恒定流产生的水位变幅对船舶安全航行影响分析

研究和分析非恒定流产生的水位变幅对船舶安全航行影响，主要是分析该河段的水位变幅速率。如果电站黑启动时产生的水位变幅相对较小，则对船舶安全航行影响不大，反之则对船舶安全航行不利。《内河通航标准》中只规定：“枢纽进行电站日调节引起的枢纽上下游水位的变率，应满足船舶安全航行和作业要求”，没有给出具体的限定数值，目前关于非恒定流产生的水位变幅对船舶安全航行的影响只能通过实地调研或者参照其他河流水位变幅的限定值进行判定。根据华东勘测院对电站黑启动时下游航道的水位变化特征分析，本工程在黑启动期间航道局部区域水位涨速较快，对于船舶安全航行影响较大，为此进行如下具体分析，并提出相应措施。

富春江水电站黑启动后，闸下航道局部区域（坝下1 332～8 500 m）在电站事故备用（黑启动）后1.5 h内水位最大涨率均超过1 m/h，最大涨率达2.55 m/h，对应流速1.52 m/s、比降0.57‰，理论上船舶的有效推力虽然能够克服由非恒定流产生的附加比降和附加流速对船舶产生的正常航行阻力，但参考国内类似研究成果及实际经验，此时段对船舶的安全航行有较大的不利影响，需采取必要的安全措施。在电站黑启动大约1.5 h后，水位趋于稳定，船舶能够正常航行。

根据计算成果，可将船闸下游航道分为以下4个区域进行分析（图2）。区域一：船闸下闸首出口至导航靠船墙末端静水区域，1#～2#断面；区域二：节制分水闸调控区域，水位变幅影响较大，2#～5#断面；区域三：水位变幅影响较大区域，5#至坝下8.5 km（根据8#断面水位涨速插值分析，在坝下8.5 km以下，水位最大时涨速相对较小）；区域四：水位变幅影响较小区域，坝下8.5 km以下。

（1）对于区域一（坝下485～1 332 m），在坝下主河道与航道之间有足够长的分隔墙，该区域流速很小，水位变幅速率约为5 cm/min。按照《船闸输水系统设计规范》JTJ306－2001，闸室内水面升降速度为5～6 cm/s时，可以设置固定系船设备。另外，为安全起见，在靠船段采用浮式系船设施，同时航运部门应加强管理，在电站黑启动1.5 h内禁止该区域船舶下行。

（2）对于区域二（坝下1 332～4 565 m），在坝下1.3 km处设有节制分水闸来调节主河道汇入航道的水流，黑启动引起的壅水对航道的影响在时序上较主河道滞后，其水位涨幅速率也较主河道小，但水位时涨幅相对较大，对航运安全有影响，为此建议采用特殊情况的应急措施，即暂时关闭节制分水闸闸门，这样因江心洲的分隔作用，该区域水流流速很小，船舶可以行驶至该区域安全停泊。

根据华东院勘测设计院的分析结果，电站黑启动后水位涨幅影响依次向下游传递，在黑启动后23 min开始有水流从5#断面处回流，在45 min后在4#断面处主河道水流开始向航道侧漫流，为此，在该区域停泊的船只应行驶至4#断面上游区域停泊。另外，为安全起见，航运部门应加强管理，在电站黑启动1.5 h内禁止该区域船舶下行。

（3）对于区域三（坝下4 565～8 500 m），根据华东勘测院分析结果，对5#断面，电站黑启动后23 min开始影响，在32 min后影响开始加大；对7#断面，电站黑启动后32 min开始影响，在45 min后影响开始加大；对4#断面，电站黑启动45 min后主河道水流开始向航道侧漫流。区域三在电站黑启动后1.5 h内水位涨速较大，而在1.5 h以后水位涨速趋于平缓。为保证航运安全，应限制该区域船舶通航。

在电站黑启动后，航运管理部门即刻通知该区域航道内的船舶，要求上行船舶加速行驶，抢在电站发电水流影响传递至5#断面前行驶至区域二躲避，因电站未放水发电前航道内水流流速很小，若按500 t级船队满载静水航速10 km/h左右计算，从坝下8.5 km往上至5#断面处航道里程为3.9 km，船舶在23 min内可以从区域三下游侧航行至区域二内，航行所需时间小于电站黑启动发电水流加大影响传递至5#断面的时间（32 min），但是由于船舶航行至口门区（5#断面）处时，该时刻水流条件复杂，船舶驾驶人员应集中注意力，掌控好船舵。

对于该区域下行船舶，同样需要加速下行，按照500 t级船队满载静水航速10 km/h左右计算，从5#断面处向下游至坝下8.5 km航道里程为3.9 km，船舶在23 min内可以从区域三上游侧航行至区域四内，航行所需时间小于电站黑启动发电水流较大影响波及至船舶行至安全区域所需的时间（45 min）。

（4）对于区域四（坝下8 500 m），水位的时涨幅相对较小，电站黑启动对船舶航行安全影响较小，但航运管理部门也应将电站黑启动情况即时告知下游远方调度站及在下游航道内行驶的船舶，要求上行船舶就近在江面开阔处或下游远方调度站锚泊区内锚泊，待水位基本稳定后才可上行通航。对于该区域下行船舶可以继续行驶。

3.3 工程措施及管理措施

由于富春江水电站在承担电网事故备用和黑启动任务时，其下游水位、流速、水面比降等短时间骤变不可避免，为了不影响电站事故备用和黑启动的能力，保证电网的安全稳定运行，同时也为了保证通航安全，富春江船闸扩建改造工程采取工程措施和航运管理措施是十分必要的。

采用合理的工程措施主要包括设置足够长的分隔墙，设置节制分水闸以及采用浮式系船设施等。采取的航运管理措施主要有：航运管理部门需根据“富春江船闸扩建后运行机制及调度方案框架意见”双方成立富春江船闸运行协调小组，制定船闸运行应急预案，负责航运安全；在电站事故备用（黑启动）运行时，停止船闸的通航运行，关闭节制分水闸，做好对下游航道内船舶调度，迅速告知坝下航道内的船舶，提醒船舶采取有效的安全措施，确保船舶航行安全。

4 结语

（1）文中以富春江船闸扩建改造工程为例，根据大量的模型试验成果，详细分析了电站黑启动情况下，电站水流对于坝下航道船舶安全的影响，得出了在采用有效可靠的工程措施及管理措施后，电站黑启动对航运的影响是可以控制在安全允许范围内的。

（2）文章在分析过程中，充分考虑到电站发电因素与船闸扩建工程之间的相互关系，并通过船闸合理的总体布置方案解决了船闸扩建与发电等外部因素之间的矛盾，为类似的航电枢纽扩建改造工程提供借鉴。

（3）文章为国内类似的航电枢纽扩建改造工程中航电之间的矛盾提出了合理可行的分析方法和工程措施探讨分析方式。

［1］浙江省交通规划设计研究院.富春江船闸扩建改造工程工程可行性研究报告［R］.杭州：浙江省交通规划设计研究院，2008.

［2］浙江省交通规划设计研究院.富春江船闸扩建改造工程船闸总体设计方案［R］.杭州：浙江省交通规划设计研究院，2008.

［3］金国强，董志军.富春江航电枢纽通航瓶颈改造方案探讨［J］.水运工程，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，张公略，金国强，等.富春江船闸扩建改造工程总体布置方案研究［J］.水运工程，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，李君涛，郝媛媛.富春江船闸扩建改造工程平面布置优化研究［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］李君涛，郝媛媛，张丽.富春江船闸扩建改造工程整体水工模型试验研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.

［7］中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.富春江船闸扩建改造工程对富春江、新安江水电站的影响分析报告［R］.杭州：中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，2010.

［8］中国电力工程顾问集团华东电力设计院.富春江船闸扩建改造工程对电网运行安全影响专题研究报告［R］.上海：中国电力工程顾问集团华东电力设计院，2010.