姜兴良，吴志龙，杜沛霖
（1.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；
2.中交集团内河水运建设技术研发中心，北京 100007；
3.中国海洋大学，山东 青岛 266100）
航运梯级是实现江河渠化通航和水资源综合利用的重要措施，其布置方案对渠化功能实现和投资额控制具有决定性作用，是渠化工程中最为重要的技术问题之一。杜宇堂[1]针对连江整治项目提出渠化通航的思路和实现水资源综合利用最大效益的管理措施。陶桂兰[2]分析了20 世纪50—90年代渠化工程建设中存在的问题，对河流渠化规划、投资与建设模式等提出合理化建议。闵朝斌[3]针对渠化工程中坝址选择的问题，提出了坝址、坝线选择的原则和方法。周富科[4]总结了嘉陵江流域航电工程开发的特点和开发现状，列出了开发模式方面存在的一些问题，并提出了解决问题的具体建议。
在綦江、涪江、小安溪等河流上已建成一批渠化梯级，通过梯级渠化实现了发电、灌溉等效益，但航运效益较差，部分河流甚至失去了航运功能。一般情况下是在枢纽旁增设通航设施实现通航，不改变现状枢纽水位特征，这样可避免新增库区淹没，控制工程投资。若河流建设梯级过多，仅增设通航设施，船舶通过通航设施时间特别长，难以实现高效通航。目前，针对已渠化未通航河流的通航方案研究案例非常有限，尚未形成完善的理论，为此开展相关的研究十分必要。
汉湘桂通道具有运量大、效率高、通航保证率高等建设要求。恭城河航道是汉湘桂通道的重要组成部分，现状建有8 座拦河建筑物，梯级间距密，通航设施规模和效率不能满足通道货运需求[5]。本文以恭城河渠化梯级布置方案为例，在总结恭城河河道特点与沿线设施开发建设现状的基础上，针对性提出渠化梯级布置原则和方案，通过拆改拦河设施，实现投资控制与高效通航的双重目标，其研究方法和成果可为类似工程规划建设和规范修编提供参考。
1.1 河道现状
恭城河段于1963 年后断航至今，从龙虎关至平乐建有8 座拦河建筑物，包括龙虎、白虎头、班山尾、协中、黄家冲、虎豹6 座水电站和回龙洲、恭城2 座拦河坝[6]。各拦河建筑物位置见图1，特征参数统计见表1。
表1 各拦河建筑物特征参数统计表Table 1 Statistical table of characteristic parameters of various damming buildings
图1 拦河建筑物位置示意图Fig.1 Location diagram of damming buildings
恭城河又名茶江，属珠江水系桂江一级支流，多年平均径流量26.02 亿m3，平均流量83.67 m3/s。主河长126 km，落差126 m；
其中古木源河段长26 km，比降3.98%，河宽约80 m；
源口河段长42 km，比降0.45%，河宽约80～120 m；
恭城河段长58 km，比降0.11%，河宽约120～200 m。
1.2 河道特点与需研究问题
1） 河道已梯级渠化，梯级数量多、距离近、通航效率低
恭城河段已建梯级中，只有虎豹枢纽建有50吨级斜坡式升船机，其他梯级均未建设通航设施。龙虎枢纽至回龙洲枢纽的距离为37 km，其他相邻枢纽间距均小于12 km，其中黄家冲枢纽至虎豹枢纽的距离仅3.5 km。若每个梯级均建设通航建筑物实现通航，则通航效率将非常低。需研究减少梯级数量与提高通航效率之间的定量关系。
2） 河道沿线分布一定数量的乡镇，镇区地面高程略高于堤岸高程，防洪任务重
恭城河段沿线分布有桃川镇、龙虎乡等大型乡镇，镇区距离恭城河较近，城镇发展定位、镇区占地面积、分布岸线长度、规划人口数量、河床高程、两侧堤岸高程和城镇地面高程特征见表2。镇区地面高程比堤岸高仅1～3 m，堤岸高程比河床高3～7 m，河道成槽明显。为减少淹没损失，降低筑堤工程投资，需研究最高通航水位与乡镇防洪限制水位之间的关系。
表2 沿线主要城镇分布及人口情况表Table 2 Distribution and population situation of main towns along the line
3） 河道沿线桥梁较多，拆改投资额大
恭城河沿线共建有26 座桥梁，其中高铁桥1座，高速公路桥2 座，市政桥梁5 座，公路桥18座。桥梁拆改需满足通航净空尺度要求，Ⅱ级限制性航道净空尺度不应小于10 m×7 m。为控制桥梁接线长度和投资额，尤其是要避免拆改高铁桥，需研究最高通航水位和桥梁通航孔尺度的关系。
4） 河道沿线分布有水源地和排水口，正常蓄水位应考虑取排水要求
恭城河沿线分布有城镇饮用水源保护区，从北到南依次是恭城县龙虎乡备用水源地、龙虎乡黄沙湾水源地、嘉会镇龙虎河水源地、茶江水源地、平乐县沙子镇水源地、木官汀水源地。为保证沿线乡镇取水便利性和排涝要求，需研究正常蓄水位和取排水口高程之间的关系。
5） 河道沿线地形地质条件
沿河两岸除龙虎关为山峪河段外，其余两岸为阶地和丘陵地貌。阶地近河段地面高程比河面水位高约3～5 m，大部分地段阶地宽100～350 m，在嘉会镇、恭城县、班山尾水利枢纽上游黄家窄村、沙子镇等地段的阶地宽4～10 km。在碎屑岩地层区通常为缓丘，山体斜坡自然坡度一般为15°～25°，部分山体坡度较陡为30°～35°。
运河沿线地质土层从上到下分布有素填土、粉质黏土、粉土、卵石、全风化和中风化的石英砂岩夹紫红色泥岩、页岩、泥质粉砂岩、弱风化的白云岩、白云质灰岩等。地层稳定性好，局部存在小规模崩塌、滑坡、泥石流、危岩、岩溶等不良地质作用。需研究枢纽工程选址与地形地质等建设条件间的关系。
2.1 布置原则
针对河道特点与需研究问题，拟定梯级布置主要原则如下：
1） 应减少梯级数量，提高通航效率[7]。若已建梯级间距小于20 km 或梯级水头小于10 m，应与相邻梯级进行合并。
2） 将梯级布置在重要乡镇的上游，最高通航水位采用重要城镇防洪限制水位，实现高水位河道水面线基本不出河槽，局部低洼河段填筑堤防，控制沿线城镇淹没损失和桥梁拆改投资。
3） 正常蓄水位应淹没枢纽上游航道主要滩险，高于取水口高程一定高度，低于排水管涵的高程，实现沿线城镇取排水要求。
4） 梯级选址应满足船闸和挡泄水建筑物的建设要求和接岸条件[8]；
优先选择地形开阔、地质良好的顺直河段，采用船闸和挡泄水建筑物集中布置的方案；
也可选择在容易裁弯取直的河段，采用船闸与挡泄水建筑物分散布置的方案。
2.2 布置方案
工程河段已建梯级中，回龙洲枢纽以南各梯级间距均小于12 km，且各梯级枢纽水头小于13 m，可予以合并。恭城河沿线主要乡镇为桃川镇、龙虎乡、嘉会镇、恭城县、平乐县，为控制淹没损失，将坝址选择在重要乡镇的上游，从北向南依次布置龙虎枢纽、嘉会枢纽、回龙洲枢纽、白虎头枢纽和协中枢纽，坝上通过蓄水达到通航水深，坝下通过浚深河道达到通航水深。每个枢纽均建设船闸、泄水闸和连接坝，通过船闸实现通航。合并后的航运枢纽布置见图2。
图2 航运梯级布置方案Fig.2 Navigation cascade layout scheme
各枢纽区间距离、正常蓄水位和设计水头见表3。
表3 五级梯级布置方案主要特征指标表Table 3 Main characteristic indicators of the five steps cascade layout scheme
2.2.1 五级梯级布置方案
龙虎梯级位于龙虎乡上游，对现有枢纽进行拆除重建。坝址处现状河道较窄，两侧是高山，山与山之间有急弯峡谷，不利于船舶通航。拟建龙虎枢纽采用船闸与泄水闸分散布置的方案，船闸布置在河道左岸的滩地上，对现状河道进行裁弯取直，船闸上、下游引航道可与主航道平顺衔接，泄水闸布置在河道中，船闸与泄水闸之间土坝作为隔流堤。龙虎枢纽正常蓄水位和最高通航水位采用龙虎乡防洪限制水位190.0 m，由于枢纽坝上正常蓄水位提升2.0 m，在河道两岸低洼部位填筑堤防，控制河道两岸淹没损失。桃川枢纽设计水头由32.0 m 调整为30.0 m。
嘉会梯级位于嘉会镇上游，为新建梯级。坝址处现状河道较窄，河中江心洲面积较大，将船闸和泄水闸集中布置于江心洲。为使船闸上、下游引航道与主航道平顺衔接，将船闸布置右岸，泄水闸布置在左岸，船闸与泄水闸之间预留洲滩作为隔流堤。嘉会枢纽正常蓄水位和最高通航水位采用嘉会镇防洪限制水位162.0 m，预报上游来水超过防洪限制流量时，泄水闸敞泄，河道水位恢复天然行洪状态，不增加河道两岸淹没损失。龙虎枢纽设计水头为28.0 m。
已建回龙洲拦河坝坝址处现状河道弯曲，顺直段较窄，不具备布置船闸条件。拟建回龙洲枢纽布置于原枢纽坝址上游较顺直河道处，且位于恭城县回龙洲村上游。船闸和泄水闸采用集中布置方案，船闸布置在河道左岸的滩地上，泄水闸布置在河道中，船闸与泄水闸之间土坝作为隔流堤。回龙洲枢纽正常蓄水位和最高通航水位采用原枢纽的正常蓄水位143.0 m，预报上游来水超过防洪限制流量时，泄水闸敞泄，河道水位恢复天然行洪状态，不增加河道两岸淹没损失。嘉会枢纽设计水头为19.0 m。
已建白虎头枢纽坝址处现状河道上游略窄，两侧是山丘，下游河道宽阔，有江心洲。拟建白虎头枢纽布置于原枢纽坝址下游，且位于平乐县白虎头村上游，采用集中布置方案。将江心洲挖通，从左到右依次为左岸连接坝、船闸、泄水闸、电站和右岸连接坝，船闸与泄水闸之间预留土坝隔流。白虎头枢纽正常蓄水位和最高通航水位采用原枢纽的正常蓄水位130.0 m，预报上游来水超过防洪限制流量时，泄水闸敞泄，河道水位恢复天然行洪状态，不增加河道两岸淹没损失。回龙洲枢纽设计水头为13.0 m。
已建协中枢纽坝址处现状河道弯曲，顺直段较窄，不具备布置船闸条件。拟建协中枢纽布置于原枢纽坝址上游较顺直河道处，且位于协中村上游，采用分散布置方案。船闸布置在河道左岸的滩地上，对现状河道进行裁弯取直，船闸上、下游引航道可与主航道平顺衔接，泄水闸布置在河道中，电站紧挨泄水闸布置，船闸与泄水闸之间土坝作为隔流堤。协中枢纽正常蓄水位和最高通航水位采用原枢纽的正常蓄水位108.0 m，预报上游来水超过防洪限制流量时，泄水闸敞泄，河道水位恢复天然行洪状态，不增加河道两岸淹没损失。白虎头枢纽设计水头为22.0 m。
拆除协中枢纽与巴江口枢纽间的黄家冲枢纽和虎豹枢纽，河道恢复天然状态。巴江口枢纽正常蓄水位和最高通航水位采用原枢纽的正常蓄水位97.7 m，预报上游来水超过防洪限制流量时，泄水闸敞泄，河道水位恢复天然行洪状态，不增加河道两岸淹没损失。协中枢纽设计水头为10.3 m。
2.2.2 四级梯级布置方案
五级梯级布置方案中协中枢纽水头为10.3 m，为提高通航效率，拟减少协中枢纽梯级。保持巴江口上游水位不变，白虎头枢纽水头增大至32.3 m，其余各梯级坝址和布置均不变。四级梯级布置方案主要特征指标见表4。
表4 四级梯级布置方案主要特征指标表Table 4 Main characteristic indicators of the four steps cascade layout scheme
2.2.3 三级梯级布置方案
四级梯级布置方案中回龙洲枢纽水头为13 m，为进一步提高通航效率，拟减少回龙洲枢纽梯级。保持白虎头上游水位不变，嘉会枢纽水头增大至32 m，其余各梯级坝址和布置均不变。三级梯级布置方案主要特征指标见表5。
表5 三级梯级布置方案主要特征指标表Table 5 Main characteristic indicators of the three steps cascade layout scheme
3.1 推荐方案
主要从梯级最大水头、土石方开挖量、船舶通过运河的时间、土地淹没面积和工程投资等方面进行方案比选，技术经济指标对比见表6。
表6 恭城河段不同梯级布置方案主要技术经济指标对比Table 6 Comparison of main technical and economic indicators of different cascade layout schemes in the Gongcheng River
梯级最大工作水头方面，五梯级、四梯级、三梯级梯级最大水头相差不大，梯级最大水头为32.3 m。目前三峡船闸和大藤峡船闸的最大工作水头均已超过40 m，输水系统运行高效可靠，既有船闸建设技术能够满足枢纽建设需要，建设和运营难度不大。
土石方开挖工程量方面，梯级数量由5 个减少至3 个，枢纽开挖量越来越少，航道开挖量越来越多，总的土石方开挖量在增加。船舶通过运河的时间方面，梯级数量越少，通行时间越短。土地淹没面积方面，在枢纽位置不变、正常蓄水位不调整的情况下，梯级数量减少，淹没面积在减少。工程总投资方面，五梯级方案较四梯级方案建设枢纽投资增加15 亿元，航道疏挖减少15亿元，总投资持平；
四梯级方案较三梯级方案建设枢纽投资增加18 亿元，航道疏挖减少23 亿元，总投资持节省5 亿元。考虑三梯级方案较四梯级方案投资增加约1.7%，通航效率提高约8.5%，推荐三梯级布置方案。
3.2 应用效果
湘桂运河线路与梯级布置方案是交通运输部与湖南省、广西壮族自治区联合推进的重点研究项目，恭城河是湘桂运河的重要组成航段。恭城河梯级布置方案成果已纳入湘桂运河线路与梯级布置方案研究专题。目前，已完成专题验收工作，方案获得主管部门和与会专家的高度评价。
以航运开发为主要任务的渠化工程应优先考虑通航效率，合理设置梯级间距，控制梯级数量；
兼顾考虑工程投资、枢纽选址条件及对沿线城镇的淹没影响等多方面因素。已经渠化的恭城河具有梯级数量多、枢纽距离近等特点，通过优化梯级布置、合理确定特征水位，可有效控制工程投资，大幅提升通航效率。基于目前的技术水平和经济性分析，恭城河航运梯级水头宜控制在30～40 m，梯级间距宜控制在20～40 km，推荐三梯级方案。
