松花江依蘭航電樞紐平面布置研究

于廣年，王義安，章日紅

（交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456）

松花江依蘭航電樞紐平面布置研究

于廣年，王義安，章日紅

（交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456）

根據(jù)1∶100物理模型試驗成果，從泄流能力、船閘上下游口門區(qū)、連接段通航水流條件以及發(fā)電水頭等方面，對樞紐不同布置方案進行分析和比較，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，提出了滿足主體建筑物正常安全運行要求的優(yōu)化方案。

平面布置；通航水流條件；航電樞紐

隨著水運建設事業(yè)的不斷發(fā)展，1994年國家批準的松花江流域水資源綜合規(guī)劃正在逐步落實中，松花江大頂子山航電樞紐于2004年開工建設，交通部在《公路水路交通“十一五”發(fā)展規(guī)劃思路》中提出：繼續(xù)實施松花江梯級開發(fā)建設工程，將松花江洪太、依蘭航電樞紐工程，列入“十一五”重點建設項目?！耙噪姶俸?、航電結(jié)合”，已成為松花江航運建設開發(fā)及綜合利用水資源的基本模式[1]。

擬建依蘭航電樞紐位于松花江中游“三姓”淺灘下段，是松花江干流梯級渠化的第四個梯級，是一座以航運、發(fā)電為主，同時具有交通、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等綜合利用功能的低水頭航電樞紐工程。

1 壩區(qū)河段自然條件[2]

依蘭樞紐平面布置分上、下兩個壩址進行優(yōu)選，上壩址河道河床寬闊，洪水河寬達約2.5 km，河谷呈不對稱的“U”字型，右岸較緩，左岸較陡，河中發(fā)育有較大的江心洲（付家通），江心洲頂高程94～96 m，中、枯水期江心洲將河道分為兩汊。下壩址河道河床窄深，壩址河段平面呈收縮狀，中洪水河寬僅約750 m，河谷呈不對稱“U”字型，左側(cè)為大洪水漫灘地，寬約1 km，直至103省道；右側(cè)下游緊鄰牡丹江入?yún)R口。

2 工程概況

依蘭航電樞紐工程位于松花江干流中游的牡丹江匯合口上游，是一座以通航為主兼有發(fā)電功能的低水頭綜合航電樞紐工程，主要有船閘、泄水閘、徑流式電站、土壩及壩頂公路等組成。

依蘭航電樞紐船閘級別為Ⅲ級，船閘有效尺度為180 m×28 m×3.5 m（有效長度×有寬度×門檻水深）。設計船型為272 kW推輪與1 000 t級分節(jié)駁組成的單排單列一頂二式船隊，船隊尺度為155.75 m×13 m×1.6 m（長度×寬度×吃水），及485 kW推輪與1 000 t級分節(jié)駁組成的雙排雙列一頂四船隊，船隊尺度為166.64 m×26 m×1.6 m（長度×寬度×吃水）。

電站為低水頭河床式水電站，泄水閘為開敞式，每孔凈寬20 m，堰型為底流消能折線堰，堰頂高程為89 m。

3 樞紐平面布置設計方案比選[4]

依蘭樞紐平面布置設計方案共分4個方案。方案1位于下壩址，樞紐平面布置由左至右依次為土壩、船閘、工程管理區(qū)、泄水閘、水電站及壩頂公路組成，其中船閘位于壩軸線以下，船閘中心線與壩軸線垂直，采取直進曲出的過閘方式，泄洪閘共30孔，每孔凈寬20 m，過流凈寬度600 m。方案2位于下壩址，樞紐平面布置由左至右依次為土壩、船閘、工程管理區(qū)、水電站、泄水閘及壩頂公路組成，其中船閘布置在左岸一側(cè)，船閘中心線與壩軸線垂直，采取直進曲出的過閘方式，該方案船閘布置較方案一整體向左移動30 m，泄水閘分2組，每組15孔，中間以導流隔墩隔開，每孔凈寬20 m，過流凈寬度600 m。方案3位于上壩址，樞紐平面布置由左至右依次為土壩、船閘、重力壩、20孔泄水閘、水電站、檢修平臺、土壩（付家通島）、10孔泄水閘（付家通右汊）、第三段土壩及壩頂公路，壩軸線為折線型，在付家通島以半徑200 m，夾角220°折向下游，其中船閘布置在付家通左汊左岸一側(cè)，船閘中心線與壩軸線垂直，采取直進曲出的過閘方式。方案4位于上壩址，樞紐平面布置由左至右依次為土壩、船閘、重力壩、20孔泄水閘、土壩（付家通島）、10孔泄水閘（付家通右汊）、水電站、檢修平臺、第三段土壩及壩頂公路，壩軸線為折線型，在付家通島以半徑200 m，夾角220°折向下游，該方案船閘平面布置與方案3相同。

3.1 泄流能力對比

各方案樞紐泄流能力對比見表1，從中可以看出：下壩址方案，松花江來流量Q≤16 842 m3/s時，方案2泄流能力略強于方案1，當流量Q≥19 694 m3/s時，兩方案泄流能力基本相同；上壩址方案，方案3泄流能力略強于方案4。

表1 各方案泄流能力比較表

3.2 通航水流條件比較

1）船閘上引航道口門區(qū)及連接段。上游口門區(qū)及連接段位于庫區(qū)，水深大，流速緩，但受河道水流向電站或泄水閘收縮影響，在上游口門區(qū)動靜水交界處形成一斜流帶，當流量Q≤7 500 m3/s時，各方案通航水流條件滿足船舶航行要求，當流量Q＞7 500 m3/s時，各方案最大橫向水流流速均超過規(guī)范要求。相對而言，下壩址情況下，方案1略好于方案2，上壩址情況下，方案4優(yōu)于方案3。

2）船閘下引航道口門區(qū)及連接段。下游口門區(qū)及連接段受壩址位置影響較大，上壩址處河面開闊，水流流速較小，下壩址處河床窄深，水流湍急，且受牡丹江入?yún)R影響較大，水流縱、橫向流速均大于上壩址兩方案，根據(jù)物理模型試驗結(jié)果，各方案口門區(qū)及連接段水流橫向流速均超過0.3 m/s，縱向流速僅方案4各級流量小于2.0 m/s。相對而言，下壩址情況下，方案2略好于方案1，上壩址情況下，方案4好于方案3。

4 樞紐平面布置優(yōu)化方案[5]

4.1 工程布置

通過設計方案的比選，下壩址在方案2基礎(chǔ)上進行優(yōu)化得出優(yōu)化方案1，見圖1。上壩址在方案4基礎(chǔ)上進行優(yōu)化得優(yōu)化方案2。優(yōu)化方案1在設計方案2基礎(chǔ)上，在上引航道導流堤堤頭增加兩段導流浮堤，每段100 m，吃水深度3 m，下引航道導流堤堤頭下興建拋石順壩，壩頂高程與20年一遇洪水相當，壩長為100 m，順壩下沿航道邊線外側(cè)35～55 m布置7個導流墩。優(yōu)化方案2，見圖2。在設計方案4基礎(chǔ)上，在上引航道導流堤堤頭增加兩段導流浮堤，每段100 m，吃水深度3 m，下引航道口門區(qū)航道外側(cè)增加4個導流墩，付家通洲尾筑島尾壩控制電站棄水向下引航道口門區(qū)擴散，壩長約330 m，頂高程為96 m。

4.2 樞紐泄流能力

兩種優(yōu)化方案條件下，樞紐上、下游水位差均小于0.3 m。洪水流量下優(yōu)化方案1比2水尺水位壅高值在0.18～0.35 m之間；優(yōu)化方案2比2水尺水位壅高值在0.25～0.38 m之間，且兩方案宣泄同頻率洪水時，優(yōu)化方案1泄流能力均強于優(yōu)化方案2。

4.3 通航水流條件

1）上游口門區(qū)及連接段。兩優(yōu)化方案均在上引航道導流堤堤頭增加200 m浮堤，通過物理模型試驗，兩方案橫向流速減小明顯，各流量級通航水流條件滿足船舶航行要求，僅在Q松=13 240 m3/s時，浮堤堤頭航道右側(cè)邊緣橫向流速略偏大，但仍能滿足船舶安全航行要求。

2）下游口門區(qū)及連接段。優(yōu)化方案1下引航道導流堤堤頭下興建了100 m順壩及7個導流墩，Q松≤7 500 m3/s時，斜向水流透過導流墩縫隙擴散到航道右側(cè)邊緣，局部區(qū)域橫向流速偏大，但航道內(nèi)其它區(qū)域橫向流速一般小于0.3 m/s，通航水流條件基本能滿足船舶安全航行要求，Q松＞7 500 m3/s時，局部區(qū)域橫向流速偏大下移至連接段航道右側(cè)邊緣，并且該河段河道內(nèi)縱向水流流速已大于2.0 m/s，通航水流條件難以滿足船舶安全航行要求；優(yōu)化方案2下引航道導流堤堤頭下興建了4個導流墩，水流經(jīng)電站或泄洪閘下泄后，部分水流斜向進入下引航道連接段，導致連接段航道右側(cè)橫向水流流速偏大，但航道內(nèi)其它區(qū)域通航水流條件基本能滿足船舶安全航行要求。

4.4 發(fā)電水頭

當松花江來水量Q松≤7 500 m3/s時，樞紐上游保持正常蓄水位99m，電站發(fā)電或與泄水閘聯(lián)合運用，隨松花江來水量增加，兩方案上、下游水位差均逐漸減小，優(yōu)化方案1發(fā)電水頭從9.19 m，逐漸減小到2.52 m；優(yōu)化方案2發(fā)電水頭從7.67 m，逐漸減小到2.14 m。

4.5 主要整治工程建筑物評價

優(yōu)化方案1：船閘上游引航道口門區(qū)興建200 m導流浮堤，下游引航道堤頭下興建100 m順壩及7個導流墩。下游引航道口門區(qū)整治工程改變了壩下水流流態(tài)及流速分布，加大了主河道水流流速、壅高上游水位。由于牡丹江入?yún)R口下游依蘭邊灘高大完整，邊灘組成以砂卵石為主，開挖依蘭邊灘用作樞紐工程骨料，將改善壩下水流流態(tài)及降低壩下水位，進一步增加下壩址方案樞紐泄流能力。

優(yōu)化方案2：船閘上游引航道口門區(qū)興建200 m導流浮堤，下游引航道口門區(qū)興建4個導流墩，且下游引航道導流堤堤頭至下壩址約4 km航道通航水深不足，須進行長河段基建性挖槽；為使電站尾水平順進入主河道，電站下游尾水渠呈擴散式開挖，尾水渠長度約1.6 km，且付家通島尾興建330 m導流順壩，同時拆除“三姓”二期整治工程丁K4、丁K5及丁K7。當電站與泄水閘聯(lián)合運用或泄水閘敞泄時，淤積在庫區(qū)泥沙隨下泄水流輸向下游，與天然水流相比，下泄水流含沙量高、挾沙能力弱，泥沙可能在新開航槽及電站尾水渠內(nèi)落淤，若遇牡丹江壅水頂托，將加劇其淤積態(tài)勢。興建樞紐后改變了壩下水流流態(tài)及流速分布，在9～10月落水沖刷期可能造成沖刷不利，使得新開航槽及電站尾水渠疏浚維護工程量較大。

5 結(jié)論

1）兩優(yōu)化方案在上游引航道口門區(qū)增加工程后，各級通航流量下通航水流條件均滿足規(guī)范要求；下游引航道口門區(qū)及連接段經(jīng)優(yōu)化后，通航水流條件得到明顯改善。

2）從樞紐布置看，靠近電站或船閘的泄水閘首導流墻挑流或繞流等流態(tài)影響失去或減小泄流能力。

3）通過對泄流能力、通航水流條件、發(fā)電水頭及主要整治建筑物等各方面的綜合對比，推薦優(yōu)化方案1為工程建設方案。

［1］于廣年，王義安等.依蘭航電樞紐平面布置試驗研究［R］.天津:交通部天津水運工程科學研究所，2006.

［2］宋春山.依蘭航電樞紐壩址比選分析論證［J］.黑龍江水利科技，2008(6):68-70.

［3］JTJ/T232-98，內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］鞠文昌，王義安，于廣年.松花江依蘭航電樞紐壩址選擇［J］.水道港口，2007(6):194-197.

［5］趙清江，黃進青，王義安，于廣年.松花江依蘭航電樞紐總體布置試驗研究［J］.水道港口，2009(10):361-364.

［6］王義安，于廣年，劉哲.牡丹江對松花江依蘭航電樞紐工程的影響［J］.水道港口，2008(6):205-210.

Study on plane layout of Yilan navigation power junction in Songhua river

YU Guang-nian,WANG Yi-an,ZHANG Ri-hong

Based on the test result of 1:100 physical modeling,the paper analyzes and compares the different layout schemes from the aspects of the discharge capacity,the entrance area of upper and lower reaches of ship lock,navigation flow condition of the entrance area,productive power head,and so on,and puts forward the optimized plan which could meet safe operation requirement for main structure.

plane layout;navigation flow condition;navigation power junction

TV691

B

1002－0624（2011）06－0001－

2011-02-20