乌江银盘水电站通航建筑物建设规模优化研究

赵 健，李唯唯，赵宁宇

（1.重庆交通大学，重庆 400074；2.重庆工学院，重庆400050）

乌江是重庆市和贵州省通往长江中下游的重要水运交通要道，是全国内河水运主通道之一。乌江全长1 037 km，干流长710 km，两岸多为高山峡谷，河谷深切，水流湍急，河道弯曲，蜿蜒于崇山峻岭之中。河流水量丰沛，拥有丰富的水能资源和良好的航运条件。

目前，乌江贵州境内已建成普定、乌江渡、东风3座水电站，引子渡、洪家渡、索风营、构皮滩电站已开工建设，重庆境内装机175万W的彭水水电站已于2007年实现第一台机组发电［1-2］。作为彭水枢纽的反调节水库，银盘水电站也于2006年开工建设。为充分发挥乌江航运效益，本文根据近几年乌江客、货运量快速增长的情况，按照相关规程规范，对银盘水电站通航船闸规模尺度进行了优化，其成果已被工程建设所采用。

1 银盘水电站工程概况

银盘水电站坝址位于重庆市武隆县黄草乡场下游约8 km，下距乌江河口93 km，上距彭水电站长溪坝址约54 km［3］。319国道从左岸通过。坝址校核洪水位时的最大洪水流量35 600 m3/s，相应洪水位223.50 m，坝顶高程229 m，最大坝高79 m，坝顶长度330.9 m。

根据电站枢纽的开发任务和坝址地形、地质条件，枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、厂房和通航建筑物等组成。（1）挡水建筑物。挡水建筑物包括右岸非溢流坝段、左岸非溢流坝段和船闸坝段，均采用混凝土重力坝坝型。左、右岸非溢流坝段共长53.9 m，船闸坝段长42 m，坝顶高程234 m，坝顶宽20 m，坝体上游面垂直，下游面坡比1：0.70。（2）泄洪建筑物。银盘坝址设计洪峰流量27 100 m3/s，校核洪峰流量35 600 m3/s，为满足泄洪要求，需布置11个泄洪表孔，溢流前缘总宽220 m。坝段建基面高程150～172 m，堰顶高程196 m，孔宽15 m，顺水流向最大长度64.5 m，采用面流和底流消能。表孔设一道平板工作闸门，一道平板检修闸门，均由坝顶桥机启闭。（3）电站建筑物。银盘电站总装机容量600 MW，机组台数4台。最大工作水头36.50 m，最小水头8.80 m。电站厂房布置于左岸，主要建筑物包括进水口、主厂房、安装场、尾水渠等。（4）通航建筑物。银盘枢纽通航建筑物设计单位在“预可”中提出采用右岸单线单级船闸，设计水头36.5 m。按通过500 t自航船作为设计船型，闸室尺寸为75 m×12 m×3.0 m（长×宽×槛上水深）。船闸由上游引航道、上闸室、闸室、下闸室、输水系统和下游引航道等组成。上、下游引航道直线段底宽38 m，口门段宽57 m；上、下游引航道高程分别为208.50 m和175.50 m。

2 乌江银盘水电站通航船闸规模尺度优化

确定通航建筑物规模是一项复杂的工作，既关系到航运的效益和发展，同时还影响到工程的投资。一般船闸规模尺度要根据过坝客运量和船型船队情况确定，而确定设计客货运量和与之相适应的船型船队，又涉及到通航年限。因此，在确定船闸规模尺度时，首先要确定船闸的设计水平年，再通过调查分析和计算，预测设计水平年内的客货运量，规划选择该水平年的船型船队，并根据通航船闸所在河流的航道等级标准和通航要求，拟定船闸规模尺度，核算通过能力，通过方案比选，以期所选船闸规模尺度符合国家标准规范和航运发展的需要又经济合理。

2.1 银盘水电站通航船闸设计水平年选择

船闸设计水平年是指从船闸最终建成并正式投入营运至船闸通过能力达到饱和的年限，根据《船闸总体设计规范》JTJ305-2001中3.1.2条规定“船闸设计水平年应根据船闸的不同条件采用船闸建成后的20～30 a。对增建复线、多线和扩建、改建困难的船闸应根据远期运输的要求，采用更长的设计水平年”。考虑银盘枢纽的建设工期和乌江现有航道条件及运输情况，银盘枢纽船闸设计水平年采用20 a，故船闸设计水平年确定为2030年。

2.2 银盘水电站过坝客货运量预测

准确预测过坝客货运量是一种非常复杂的工作，过坝客货运量预留与国民经济计划和发展战略、工农业生产发展和建设布局、矿物储量和开采、交通运输结构布局和建设、人民物质文化生活的改善和提高、旅游资源条件和开发等密切相关。本次预测根据乌江流域贵州省和重庆市境内城镇分布，国民经济发展、交通运输方式和布局，腹地自然资源分布和开采情况，历年来运量发展规律和增长速度等因素，并考虑了乌江上游贵州境内集疏运条件较差，经济发展不可能过快等实际情况，建立了过坝运量的灰色系统模型，并与重庆市港航管理局过坝客货运量预测结果进行比较。

2.2.1 过坝运量预测灰色系统模型

过坝运量的大小直接与流域内腹地国民经济发展有关，而国民经济的发展问题则是一个多层次、多因素互相作用、协调发展的复杂系统，描述这个系统中各层次、各因素相互作用与过坝运量的定量关系是极其复杂的，甚至是离散的。但有一点可以确定，过坝货运量时间序列的这些数据，本身就是这些层次和因素相互作用、相互补充促进和排斥抵消的结果。在这种情况下，不去研究这些因素的个数及其相互关系，而从过坝货运量时间序列这一组灰色量本身挖掘有用信息，建立模型，并探求潜在规律［4］。

基于上述认识，在对乌江银盘枢纽过坝货运量进行预测时，只研究货运量随时间的变化，因此选定GM（1，1）模型［5-6］。

GM（1，1）代表一个白化形式的微分方程

式中：a，U为需要通过建模要求得到的参数；X(1)为原始数据X(0)的累加生成值。

将同一数据列的前i项元素累加后，生成新数据列的第i项元素，用数学式表示为

对 GM（1，1），其数据矩阵 B为

建立时间响应函数，即求白化形式微分方程的解为

根据以上步骤，以1998～2006年乌江客货运量原始资料为基础，建立乌江银盘水电站过坝运量预测的灰色模型。

表1 1998～2006年乌江客货运量表Tab.1 Transport quantity of Wujiang river between 1998 and 2006 万t

根据灰色模型预测最后得出乌江银盘水电站2005、2010、2015、2020、2030各年的客货运量预测值：2005 年 110.42万 t、2010年 158.48 万 t、2015 年 219.06 万 t、2020年 298.45 万 t、2030 年 438.95 万 t。

2.2.2 随机型时间序列分析模型预测过坝运量

以重庆市港航局调查研究资料为基础，采用随机型时间序列分析模型，对银盘水电站2010年、2020年和2030年过坝运量进行了预测，结果为：2003年98.9万t、2010年180.1万t、2020年317.00万t、2030年418.50 万 t。

分析比较灰色模型预测结果（表2）和市港航管理局预测数据（表3）可知，两者预测值较为接近，其差值在10%以内（图1）。

图1 灰色模型预测值与港航局预测值比较Fig.1 Comparison of prediction between grey model and harbor bureau

2.3 银盘水电站过坝船型船队选择

在船型船队选择时考虑了建坝前后的航道条件，应能反映航道上航行的运输船舶船队现状以及规划的船舶船队，并应具有代表性。

根据交通部2004年11月24日发布的《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》和《内河通航标准》GB50139-2004，综合考虑航道条件和运输船舶发展规划，银盘枢纽过坝船舶推荐的代表船型船队见表2。

表2 代表船型船队特性表Tab.2 Property list of representative ship type and fleet

2.4 银盘水电站通航船闸建设方案与通过能力

2.4.1 建设方案

拟订船闸规模尺度时，应遵循下列原则：（1）应满足设计水平年内近远期客货运量的需要；（2）应满足近远期设计代表船型船队不解队一次过闸的要求；（3）船闸等级应与所在河流的航道等级一致；（4）船闸尺度应符合《内河通航标准》GB50139-2004及《船闸总体设计规范》JTJ305-2001；（5）工程投资和营运费用最少。

根据上述原则，结合银盘水电站总体布置要求和坝区地形条件，并考虑单级船闸具有通过能力大、运行可靠、通航保证率高、故障少、检修停航时间短、管理方便等优点，银盘水电站船闸采用一线单级船闸，其具体布置了3个方案。

方案一：船闸尺度为75 m×12 m×4.2 m（长×宽×门槛水深），可通过尺度为67.5 m×10.8 m×1.6 m，载重500 t级自航船一艘。本方案为工可阶段设计单位提出的方案。

方案二：船闸尺度为 120 m×12 m×4.0 m（长×宽×门槛水深），可通过尺度为（50～58）m×（8.2～10.8）m×（2.0～2.4）m，载重量为500 t级自航船2艘。上下游引航道长度按自航船一艘计算。

考虑通过《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》500 t级船舶，船舶尺度（50～58）m×（8.2～10.8）m×（2.0～2.4）m。

方案三：船闸尺度为120 m×12 m×4.0 m（长×宽×门槛水深），可通过1+2×500 t船队或500 t自航船2艘。上下游引航道长度按船队计算。

2.4.2 船闸通过能力计算分析

通过能力是确定通航船闸规模的重要指标，科学合理地确定船闸设计通过能力，将直接关系到乌江银盘水电站航运效益的发挥和沿江两岸经济的发展。

影响通过能力的因素很多，主要包括船闸一次过闸的时间和每次过闸船舶（队）的载重量，船舶到达坝址的均衡性，每年实际通航的天数及每天工作的时间等因素，同时通过能力又与船闸在枢纽中的布置和辅助过闸航运设施如待闸锚地远近等关系密切。

根据《船闸总体设计规范》JTJ305-2001计算方法，按照规范规定，船闸通过能力包括设计水平年内各期的过闸船舶总载重吨位和过闸货运量两项指标，并以年单向通过能力表示各方案通过能力，计算结果见表3。

表3 各方案单向年通过能力表Tab.3 Annual transit ability of each scheme

通过比较分析银盘水电站过坝运量预测结果和3种船闸布置方案单向年过闸客货运量（客运每5人计为1 t）、过闸船舶（队）特性以及银盘水电站在开发中的作用等，得到以下几点认识：

（1）拟定的银盘枢纽通航船闸方案二、方案三基本都能满足银盘水电站在预测水平年内的过坝运量需要，方案一单向过坝运量较预测远期（2030年）下水过坝运量小，不满足通过能力要求。

（2）方案一船闸尺度75 m×12 m×4.0 m，不符合《内河通航标准》GB50139-2004和《船闸总体设计规范》JTJ305-2001有关规定。

（3）方案二船闸尺度120 m×12 m×4.0 m，符合上述标准和规范所规定的四级航道船闸尺度要求，所选用的过闸船舶尺度55 m×（8.2～10.8）m×（2.0～2.4）m自航船，船闸每闸次可通过2艘该型自航船，船闸通过量较大且上下游引航道长度较短，同时该船型操纵性好，进出闸时间短，航道弯通半径小，适合在乌江弯、急、险航道内航行。

（4）方案三船闸尺度120 m×12 m×4.0 m，所选用的过闸船舶为1+2×500 t船队，该方案虽船闸年单向通过量较方案一、方案二大，但船队操纵性较方案一、二的自航船差，进出闸时间长，对航道条件要求较高，在乌江尚未全线渠化的情况下，船队航行较为困难，且其上下游引航道长度较长，对进出闸条件要求较高，需开挖左侧山头，搬迁渝怀铁路变电站，投资较大。

（5）乌江河床普遍呈“U”或“V”型，航道具“窄、深、急”的特点，水深不足的浅滩较少，与同样技术等级航道相比较，船舶型深较大。另一方面，乌江贵州境内引子渡、洪家渡、枸皮滩、索风营等水电站已开工建设，重庆境内的彭水枢纽2007年11月实现第一台机组发电，银盘水电站已开工建设，白马枢纽也进入前期工作，预计在银盘枢纽船闸设计水平年2030年以前，乌江将实现全江渠化，航道水深增加、流速减缓，航道条件将得到根本改善，届时运输船舶的载量可适当增加，银盘枢纽船闸年单向通过能力还可适当提高。

3 结语

（1）本文根据乌江流域2000～2030年社会经济发展、腹地资源分布、沿江产业布局和交通运输发展情况，采用灰色系统模型对银盘枢纽2005～2030年过坝运量进行预测，其预测值与重庆市港航局2010～2030年过坝货运量预测值基本一致，其差值在10%以内。

（2）本文推荐的银盘枢纽过坝船型（队）符合交通部2004年11月颁布的《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》和《内河通航标准》GB50139-2004的有关规定，满足乌江航运发展的需要。

（3）研究推荐的方案二（船闸尺度120 m×12 m×4.0 m，通过500 t自航船2艘），其年单向通过能力为298.9万t，满足预测远期2030年运量要求，且该方案上下引航道较短，避免了渝怀铁路改线及铁路变电站的搬迁，节省投资；经综合比较，推荐采用方案二（船闸尺度120 m×12 m×4.0 m，通过500 t自航船2艘）作为乌江银盘枢纽通航建筑物的建设方案。

［1］长江委长江勘测规划设计院.乌江干流彭水至河口段综合规划报告［R］.武汉：长江委长江勘测规划设计院，2003.

［2］长江委长江勘测设计院.乌江彭水水电站可行性研究报告［R］.武汉：长江委长江勘测设计院，2004.

［3］长江委长江勘测规划设计院.重庆乌江银盘水电站可行性研究报告［R］.武汉：长江委勘测规划设计院，2005.

［4］邓聚龙.灰色系统理论教程［M］.武汉：华中理工大学出版社，1990.

［5］刘思峰.灰色系统理论及其应用［M］.北京：科学出版社，2004.

［6］王学萌.灰色系统分析及实用计算程序［M］.武汉：华中理工大学出版社，2001.