松花江大頂子山航電樞紐工程關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

劉常春, 洪思遠, 劉 源

(1.黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計院，哈爾濱150009；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司， 杭州 311122；3.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000)

1 工程概況

松花江是我國北方重要的通航河流，是連接黑龍江、烏蘇里江、第二松花江和嫩江航運的紐帶，是全國內(nèi)河高等級航道網(wǎng)的重要組成部分，在邊境貿(mào)易、重大件運輸、江海聯(lián)運、大宗貨物運輸、國防戰(zhàn)備等方面具有其他運輸方式不可替代的作用。為保持和發(fā)展松花江航運，更好地開發(fā)利用松花江水資源，根據(jù)流域規(guī)劃和松花江干流航道發(fā)展規(guī)劃，松花江干流規(guī)劃建設(shè)澇洲、大頂子山、洪太、通河、依蘭、民主、康家圍子及悅來等8個梯級樞紐[1]。見圖1。

圖1 松花江干流梯級渠化布置圖

松花江大頂子山航電樞紐工程是松花江干流第一座控制性工程，位于松花江哈爾濱市下游46 km處，北岸為呼蘭縣，南岸為賓縣。流域總面積55.68×104km2，壩址以上集水面積43.2×104km2。工程主要建設(shè)任務(wù)是以航運和改善哈爾濱市水環(huán)境為主，兼顧發(fā)電，同時具有交通、水產(chǎn)養(yǎng)殖、灌溉和旅游等功能。本工程為大(Ⅰ)型工程，工程等別為一等，永久性主要建筑物為二級。設(shè)計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為300年一遇。船閘級別為Ⅲ級，航道按三級標準建設(shè)，渠化航道128 km。壩頂公路(橋)及接線公路技術(shù)等級為二級[2]。工程2004年開工，2008年交工，2019年竣工驗收。工程概算總投資28.78億元。工程于2006年3月被交通部列為全國內(nèi)河航電樞紐建設(shè)示范工程。工程建設(shè)質(zhì)量等級評定為優(yōu)良。

1.1 樞紐總體布置及主要建筑物

工程主要建筑物由船閘、泄洪閘、土壩、電站和壩頂公路(橋)組成，壩線總長3 249.78 m。正常蓄水位116 m，總庫容19.97×108m3。見圖2。

圖2 大頂子山航電樞紐總平面布置圖

1.1.1 船 閘

船閘位于主河槽右汊靠近右岸邊。設(shè)計船舶噸級為1 000 t，閘室有效長度180 m，有效寬度28 m，門檻水深3.5m。船閘承受單向水頭，上下閘首工作閘門均采用人字門，輸水廊道尺寸為3.5 m×3.5 m，閘首采用鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu),采用正面進水閘室墻長廊道側(cè)支孔出水的分散輸水形式。見圖3。

圖3 船閘全景圖

1.1.2 泄洪閘和土壩

泄洪閘38孔，堰型為折線堰，工作門為鋼質(zhì)弧形門，靠近電站廠房左右兩側(cè)各2個弧門及靠船閘側(cè)2個弧門上安裝有能排漂排冰的舌瓣門[3]，檢修門為平板鋼閘門；消能工右岸10孔為底流消能，左岸28孔為消力戽消能。

土壩布置在左岸灘地上，全長1 957 m，為粉細沙沖填壩，高壓旋噴灌漿混凝土防滲墻，上游坡角處設(shè)壓重體,下游設(shè)排水棱體；壩頂公路為瀝青混凝土路面。見圖4和圖5。

1.1.3 電 站

電站安裝6臺燈泡貫流式機組，裝機容量66 MW，多年平均發(fā)電量3.32×108kW·h。見圖6。

圖4 泄洪閘剖面圖

圖5 土壩剖面圖

圖6 電站廠房剖面圖

1.2 施工導(dǎo)流與施工通航

根據(jù)工程水工建筑物的布置和河勢條件，導(dǎo)流方式采用分兩期施工導(dǎo)流方案。一期施工導(dǎo)流北汊過流，二期施工導(dǎo)流利用已建成的10孔泄洪閘導(dǎo)流。根據(jù)北汊地形條件，右岸一期導(dǎo)流圍堰圍船閘、10孔泄洪閘和廠房段，左岸一期導(dǎo)流圍土壩段，施工期洪水由北汊束窄河床過流；二期導(dǎo)流圍堰主要圍北汊28孔泄洪閘，施工期洪水由南汊已建成的10孔泄洪閘泄流。

為保證一期導(dǎo)流截流后施工期正常的通航，在右岸左側(cè)江汊開挖一條航道，航道標準按內(nèi)河三級單線通航標準設(shè)計，航道尺寸為1.7 m×47.5 m×500 m(航深×航寬×彎曲半徑)。二期導(dǎo)流施工期間，由已經(jīng)建成的右岸船閘通航。

2 難點及關(guān)鍵技術(shù)

松花江大頂子山航電樞紐與國內(nèi)同類樞紐工程相比有很多特點：一是國內(nèi)在寬淺平原季節(jié)性冰凍河流上建設(shè)的第一座航電樞紐工程；二是國內(nèi)在特大城市下游建設(shè)的第一座航電樞紐工程；三是國內(nèi)壩線最長的航電樞紐工程；四是松花江干流第一座控制性工程。在這樣的河流進行梯級渠化，建設(shè)航電樞紐工程，在國內(nèi)尚屬首次，沒有成功的經(jīng)驗可供參考和借鑒，尤其是在樞紐防冰、防凍技術(shù)、通航水流條件等方面的研究較少，很多的技術(shù)在國內(nèi)是空白，工程實施過程中面臨很多的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)一：船閘的防冰防凍技術(shù)

冰凌對樞紐建筑物的影響包括靜冰和流冰，其中流冰影響?yīng)q為嚴重,對樞紐建筑物破壞可能是毀滅性的。尤其是船閘閘門受冰凍的影響，包括開封江期間，由于浮冰的存在將影響工作閘門的正常開閉，封凍期間冰壓力可能對工作閘門或檢修門造成嚴重影響、閘室有水越冬時造成閘室內(nèi)冰解凍延遲等問題。如果這些問題得不到圓滿的解決，有可能會降低松花江的通航期，影響樞紐整體效益的發(fā)揮，而且對松花江航運的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。因此，如何采取有效的防凍防冰措施，保證船閘閘門安全越冬和閘門正常運行是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)二：冰凍河流樞紐水庫蓄冰處理及導(dǎo)冰技術(shù)

河流冰量的多少取決于樞紐上游冰蓋的面積、氣象條件、水流條件等，影響因素十分復(fù)雜。樞紐建成形成庫區(qū)后，庫區(qū)冰凍對通航影響十分明顯，主要體現(xiàn)在開江流冰期如何處理上游來冰和庫區(qū)冰？是否通過泄洪閘排冰？還是庫區(qū)融冰？如何最大限度降低庫區(qū)冰對通航時間的影響，主要和樞紐水庫蓄冰處理技術(shù)及樞紐導(dǎo)冰技術(shù)有關(guān)，這些技術(shù)問題能否得到解決直接關(guān)系到平原季節(jié)性冰凍河流航電樞紐建設(shè)的成敗。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)三：樞紐正常運行后的排漂、排冰技術(shù)

根據(jù)大頂子山航電樞紐工程的特點，樞紐正常運行后，大量的漂浮污物包括殘枝斷樹、纖維編織物、塑料制品及春季大量的流冰等在壩前匯集，會造成攔污柵堵塞，影響樞紐的正常運行和效益的發(fā)揮，如何有效清除這些污物是急需解決的技術(shù)問題。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)四：寬淺平原季節(jié)性冰凍河流建設(shè)航電樞紐的通航技術(shù)

由于松花江流速較小，河道及航道水深與國內(nèi)其他河流相比，同級流量下偏小，河道的寬深比較大，屬于特殊的寬淺平原河流，具有季節(jié)性冰凍的特點，在現(xiàn)行規(guī)范標準中航道尺度等技術(shù)參數(shù)及通航水位計算等也是單獨規(guī)定的[4]。在這樣的河流上建設(shè)航電樞紐，如何解決樞紐平面布置、通航水流條件和樞紐防冰凍等關(guān)鍵技術(shù)問題是非常重要的。在項目開展過程中，有針對性地進行了大量試驗研究工作，相繼完成《樞紐平面布置模型試驗研究》《樞紐通航水流條件模型試驗研究》《樞紐施工通航條件模型試驗研究》《庫區(qū)泥沙數(shù)學(xué)模型試驗研究》《樞紐防冰措施及過冰能力研究》《冰凍地區(qū)冰對水工建筑物的破壞及防冰措施研究》等專題試驗研究工作，有效解決了關(guān)鍵技術(shù)問題。

大頂子山航電樞紐項目是目前國內(nèi)同類項目中試驗研究課題最全的航電樞紐工程。

3 技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用

3.1 通航建筑物防冰防凍技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，達到國際先進水平

1) 首次利用現(xiàn)場原型試驗了閘門在不同氣候和水流條件下，各種防冰方式的防冰效果，較全面地提出了船閘閘門在開封江及封凍期間的防冰技術(shù)：①采用氣幕法或水泵射流的方式解決船閘閘門在開封江及封凍期的防冰問題；②采用循環(huán)導(dǎo)熱油或防凍液加熱的方式對檢修門槽進行防冰[5]。 見圖7及圖8。

圖7 檢修閘門門槽防冰

圖8 閘門水泵射流防冰

2) 船閘閘室及引航道排冰措施。閘室有水越冬時，開江時期采用破冰船或其他方式對船閘閘室及引航道內(nèi)的大面積覆蓋冰進行破碎，利用船舶往復(fù)航行帶走浮冰；采用熱水射流和專用機械設(shè)備對閘室浮式系船柱、閘室墻或破冰船無法到達的狹窄地方進行清除。特殊情況下船閘可以采取閘室無水越冬方式。見圖9 及圖10。

圖10 閘室無水越冬

3.2 樞紐庫區(qū)蓄冰處理技術(shù)填補了國內(nèi)該領(lǐng)域的空白

我國在季節(jié)性冰凍通航河流上已經(jīng)修建了很多樞紐，這些樞紐均沒有修建過船設(shè)施,水庫封凍及庫區(qū)流冰不會對通航造成影響。該項技術(shù)在大頂子山航電樞紐工程的成功應(yīng)用，解決了大頂子山航電樞紐工程水庫蓄冰對通航的影響，保證了工程質(zhì)量和樞紐的安全運行。技術(shù)成果主要包括：①通過分析庫區(qū)冰蓋的形成特點和解凍時間，合理運用水庫調(diào)度運行方式控制庫區(qū)封凍時間和封凍方式，以降低對通航期的影響；②選擇破冰的時機、范圍，采用破冰船破冰、爆破破冰等措施對庫區(qū)蓄冰進行處理，降低冰排對樞紐產(chǎn)生影響[6]；③當入庫冰排量多、個體冰排面積大，威脅到樞紐安全時，壩前大量浮冰通過特殊設(shè)備破碎后，開啟泄洪閘向下游導(dǎo)冰。見圖11及圖12。

圖12 泄洪閘導(dǎo)冰

3.3 利用舌瓣門導(dǎo)冰實現(xiàn)了突破，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值

本樞紐工程共設(shè)計38孔泄洪閘，其中6個弧門帶舌瓣門，舌瓣門通過液壓啟閉機操作繞支鉸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)其擋水或放水，舌瓣門開起時可使水中的漂浮物順流而下，排放到下游?；￠T上帶舌瓣門通常在我國南方一些水利工程中應(yīng)用，其作用為排漂，在最低氣溫達-44℃的寒冷北方還未應(yīng)用。而本工程建成的舌瓣門既解決了樞紐工程的排冰，又解決了排漂問題，這一全新的門型在大頂子山航電樞紐工程的成功應(yīng)用，是樞紐導(dǎo)冰技術(shù)的一項重大突破,具有廣泛的推廣應(yīng)用價值，為今后北方高寒地區(qū)建設(shè)類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗。見圖13。

3.4 水力沖填粉細砂筑壩在主擋水建筑物的應(yīng)用，取得了很好的效果

大頂子山航電樞紐工程土壩段全長1 957 m。初步設(shè)計階段采用黏土心墻壩方案，需要大約150×104m3黏土，占用耕地80 hm2。通過現(xiàn)場粉細砂沖填試驗、旋噴防滲試驗、振動液化試驗等工作，對壩體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。利用松花江河道內(nèi)的粉細砂作為填筑材料，利用高壓旋噴灌漿砼防滲墻解決壩體壩基防滲，具有疏浚河道、增加庫容、保護耕地等多重社會效益和環(huán)境效益。這項技術(shù)的成功應(yīng)用填補了在大江大河中利用水力沖填技術(shù)填筑粉細砂做為主擋水建筑物的國內(nèi)空白，也為今后同類樞紐工程的建設(shè)起到示范作用。見圖14。

圖13 泄洪閘上舌瓣門

圖14 水力沖填粉細砂筑壩

4 工程效果

1) 極大地改善了通航條件。渠化了庫區(qū)航道128 km，改善了庫區(qū)河段航行條件；上下游引航道和通航建筑物內(nèi)水流條件良好，滿足船舶安全航行要求；根據(jù)通航要求，實現(xiàn)了向下游航道補水的調(diào)節(jié)功能。

2) 資源節(jié)約效果明顯。通過對土壩壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對一期土建工程臨時道路及鋼筋加工廠的調(diào)整，節(jié)省耕地162 hm2。為了提高工程綜合效益，利用工程棄渣量進行回填造地，一、二期圍堰棄渣回填造地28 hm2。棄渣回填造地不但可以進行景觀設(shè)計、美化環(huán)境，還可以用來修建旅游設(shè)施，吸引外資，促進旅游業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)節(jié)約土地資源、促進工程綜合開發(fā)利用的功能。

3) 樞紐順利過冬，防冰防凍效果良好。樞紐經(jīng)過多個封凍期的觀測，證明采用的防冰破冰措施效果好、實用性強，船閘的人字門、檢修門及工作閥門使用良好，船閘整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠滿足抗冰凍要求；船閘過冬方案可行，庫區(qū)蓄冰處理和導(dǎo)冰技術(shù)的效果較好，沒有對通航產(chǎn)生影響。

4) 建成后的土壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全可靠。土壩優(yōu)化后與原設(shè)計方案相比，不但節(jié)約資金，而且提高了施工效率，縮短了工期。經(jīng)過多年運行觀測，壩體穩(wěn)定性良好，壩體的沉降及滲透各項指標均符合設(shè)計標準，擋水性能良好。

5 結(jié) 語

大頂子山航電樞紐工程建設(shè)立足于地域特色，積極探索新材料、新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備的應(yīng)用，通過科學(xué)全面的試驗研究，較好地解決了在寬淺平原冰凍河流上建設(shè)航電樞紐的有關(guān)技術(shù)難題。在設(shè)計、環(huán)保等理念創(chuàng)新方面突出河流特點，在樞紐建筑物防冰防凍技術(shù)、水庫蓄冰處理技術(shù)、應(yīng)用粉細砂沖填筑壩及壩基防滲技術(shù)等方面，實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，多項成果填補了國內(nèi)空白，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，部分成果達到國際先進水平，工程應(yīng)用效果顯著，具有顯著的示范作用和推廣應(yīng)用價值。