松花江佳木斯悅來(lái)航電樞紐壩址選擇

趙清江，王義安，于廣年

（1.黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計(jì)院，哈爾濱 150001；2.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

擬建松花江佳木斯悅來(lái)航電樞紐工程位于松花江干流460 km處，是松花江干流航道發(fā)展規(guī)劃中確定的7個(gè)梯級(jí)中的最下游梯級(jí)，是一座以改善航運(yùn)條件、城市生態(tài)環(huán)境及增加灌溉效益為主，兼有發(fā)電、交通、養(yǎng)殖、旅游等綜合利用效益的工程。初擬壩址控制流域面積52.9×104km2，壩址處多年平均徑流量710億m3，設(shè)計(jì)洪水（100 a一遇）23 800 m3/s，校核洪水（300 a一遇）29 200 m3/s；正常蓄水位 77.0 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容 3.91億m3；死水位75.5 m，死庫(kù)容2.05億m3。初擬悅來(lái)航電樞紐船閘級(jí)別為Ⅱ級(jí)，船閘有效尺度為235 m×32 m×4.5 m（有效長(zhǎng)度×有效寬度×門檻水深）。上游設(shè)計(jì)最高通航水位78.7 m（20 a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)），最低通航水位75.5 m；下游設(shè)計(jì)最高通航水位78.54 m，最低通航水位71.6 m。松花江渠化規(guī)劃階段初擬的壩址位于佳木斯市下游約20 km處（圖1），其比選壩址在原規(guī)劃壩址下游約4.2 km處。本文采用正態(tài)物理模型水流試驗(yàn)研究方法，對(duì)兩壩址不同樞紐總體布置進(jìn)行分析，分別提出經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的推薦方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)選址方案進(jìn)行多方面論證，為悅來(lái)航電樞紐的工程決策和設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 壩區(qū)河段自然條件

1.1 河道概況

悅來(lái)航電樞紐所在區(qū)域地勢(shì)平坦開闊，主要為河流相沖積地貌單元，局部可見低山丘陵。沿松花江及其支流兩岸發(fā)育有高低漫灘，灘面平緩，微傾向河床。工程河段現(xiàn)有佳同南大堤、佳同北大堤、佳木斯城堤及其他堤段，除佳木斯城堤為50 a一遇標(biāo)準(zhǔn)外，其余均為20 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，堤距3.5～5.5 km。

上壩址左側(cè)洪水漫灘地寬約3.2 km，灘地高程75～77 m；壩址上游河中發(fā)育有較大的江心洲，江心洲頂高程74～77 m，中、枯水期江心洲將河道分為兩汊，右汊為現(xiàn)行主航道，上壩址位于兩汊匯流口下游。

下壩址位于上壩址下游約4.2 km，左側(cè)洪水漫灘地寬約1.7 km，灘地高程75～76 m；右側(cè)洪水漫灘地寬約0.8 km，灘地高程約76～77 m；河中發(fā)育有較大的江心洲，江心洲頂高程74～76 m，中、枯水期江心洲將河道分為兩汊，右汊為現(xiàn)行主航道。

1.2 水文、泥沙特征

擬建松花江悅來(lái)航電樞紐河段上游有佳木斯水文站（距本樞紐約20 km），其控制流域面積為52.83×104km2。根據(jù)佳木斯水文站歷年月平均流量、輸沙率（1953～2004年）統(tǒng)計(jì)（表1），年際間水量、沙量極不均勻。年際間水量分配極不均勻是河勢(shì)發(fā)生變化的主要原因，尤其大豐水年或系列豐水年對(duì)河道的塑造具有決定性的意義；年內(nèi)水量、沙量分配也極不均勻，年內(nèi)對(duì)河床形態(tài)的塑造主要是暢流期水流作用的結(jié)果，尤其是汛期水流對(duì)枯水期河槽的塑造。

表1 佳木斯水文站多年（1953～2004年）月平均水量、輸沙量Tab.1 Mean monthly flow and sediment discharge in Jiamusi Hydrologic Station

2 壩址比選條件

2.1 通航水流條件基本要求

按照《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］（JTJ305-2001）（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范），船閘口門區(qū)及引航道水流限制條件如下。（1）引航道口門區(qū)水面流速。在口門區(qū)的有效水域范圍內(nèi)，縱向流速Vy≤2.0 m/s，橫向流速Vx≤0.3 m/s，回流流速V0≤0.4 m/s。另外在引航道口門區(qū)宜避免出現(xiàn)如泡漩、亂流等不良流態(tài)。（2）引航道內(nèi)流速。引航道導(dǎo)航段和調(diào)順段內(nèi)宜為靜水區(qū)，制動(dòng)段和停泊段的水面最大流速縱向應(yīng)小于等于0.5 m/s，橫向應(yīng)小于等于0.15 m/s。（3）口門區(qū)與主航道之間的連接段水流條件。參照口門區(qū)通航水流條件的基本要求，判別連接段水流條件的優(yōu)劣。

2.2 樞紐泄流能力基本要求

根據(jù)水利部《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］SL265-2001第5.0.5條規(guī)定，水閘的過(guò)閘水位差應(yīng)根據(jù)上游淹沒影響、允許的過(guò)閘單寬流量和水閘工程造價(jià)等因素綜合比較選定。一般情況下，平原區(qū)水閘的過(guò)閘水位差可采用0.1～0.3 m。

根據(jù)交通部《渠化工程樞紐總體布置設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］JTJ220-98第4.2.5條規(guī)定，泄水建筑物應(yīng)具有足夠的泄流能力，以降低泄洪時(shí)上游洪水位的壅高。在平原河流上，宣泄設(shè)計(jì)洪水或校核洪水時(shí)的壅高值不宜超過(guò)0.3 m。在山區(qū)河流上，允許的壅高值可以提高。

設(shè)計(jì)單位根據(jù)佳木斯市防洪現(xiàn)狀及樞紐建設(shè)對(duì)上游淹沒影響，提出上壩址100 a一遇洪水壩前壅水高度不宜超過(guò)0.12 m、下壩址不宜超過(guò)0.16 m的控制標(biāo)準(zhǔn)，300 a一遇洪水壩前壅水高度不宜超過(guò)有關(guān)規(guī)范規(guī)定的0.3 m。

3 樞紐上下壩址推薦總體平面布置［5-6］

3.1 上壩址樞紐總體平面布置

樞紐平面布置設(shè)計(jì)方案由右至左依次為土壩、工程管理區(qū)、船閘、電站、泄洪閘及第二段土壩（圖2）。船閘布置在右岸一側(cè)，位于壩軸線以下，船閘中心線與壩軸線垂直，采用直進(jìn)曲出的過(guò)閘方式。上游引航道導(dǎo)流堤長(zhǎng)670 m，頂高程81.5 m，上游引航道底高程72 m，寬105 m；下游引航道導(dǎo)流堤長(zhǎng)663 m，頂高程81.3 m，下游引航道底高程68.3 m，寬105 m。泄洪閘位于電站左側(cè)，泄洪閘設(shè)計(jì)孔數(shù)為65孔，泄洪閘壩面為底流消能折線堰，20孔主泄洪閘堰頂高程69.5 m，41孔副泄洪閘堰頂高程71 m；泄洪閘每孔凈寬20 m，閘墩寬度4 m，中墩寬度6 m；泄洪閘上游進(jìn)口有鋪蓋，下游有消力池，其下為護(hù)坦和海漫。

3.2 下壩址樞紐總體平面布置

下壩址位于分汊河段，樞紐平面布置設(shè)計(jì)方案按左右汊分開布置，自右至左依次為土壩、船閘、20孔主泄洪閘、江心洲土壩、電站、35孔副泄洪閘及左岸土壩（圖3）。船閘布置在右汊右側(cè)，位于壩軸線以下，船閘中心線與壩軸線垂直，采用直進(jìn)曲出的過(guò)閘方式。上游引航道導(dǎo)流堤長(zhǎng)655 m，頂高程80.9 m，上游引航道底高程71.5 m，寬105 m；下游引航道導(dǎo)流堤長(zhǎng)667 m，頂高程80.7 m，下游引航道底高程68.3 m，寬105 m。20孔主泄洪閘位于右汊河槽內(nèi)，泄洪閘壩面為低流消能折線堰，泄洪閘堰頂高程69 m，35孔副泄洪閘位于左汊河槽，泄洪閘堰頂高程70.5 m，每孔泄洪閘凈寬20 m，閘墩寬度4 m；泄洪閘上游進(jìn)口有鋪蓋，下游有消力池，其下為護(hù)坦和海漫。

4 樞紐泄流能力比選

4.1 泄水建筑物平面布置

上壩址泄水建筑物泄流凈寬1 220 m，上壩址中枯水河面相對(duì)下壩址較窄，樞紐各主要建筑物布置相對(duì)困難，有22孔副泄洪閘需要布置在左側(cè)洪水漫灘上，且發(fā)電廠房占據(jù)了部分主槽，使主泄洪閘泄流能力相對(duì)降低。下壩址中枯水河面相對(duì)較寬，樞紐各主要建筑物布置相對(duì)寬裕，20孔主泄洪閘位于原主河槽內(nèi)，35孔副泄洪閘位于原左汊內(nèi)。因此在泄水建筑平面布置方面，下壩址優(yōu)于上壩址。

圖3 下壩址樞紐平面布置方案Fig.3 Plane layout of lower dam site

4.2 泄水閘泄流能力

兩壩址上下游150 m處水位壅高值均小于0.30 m（表2），說(shuō)明上下兩壩址樞紐平面布置的泄流能力均滿足設(shè)計(jì)要求，且有一定的富裕。宣泄同頻率洪水時(shí)，下壩址樞紐泄流能力略強(qiáng)于上壩址，且下壩址管理區(qū)島頭的結(jié)構(gòu)型式、島頭偏角等仍有優(yōu)化的空間，下壩址優(yōu)化方案的泄流能力仍有可能增加，就泄流能力而言推薦下壩址方案。

表2 上下壩址樞紐泄流能力比較 mTab.2 Comparison of discharge capacity between upper and lower dam sites

5 通航水流條件比選

兩壩址船閘上、下游引航道口門區(qū)及連接段最大橫向流速比較如表2所示。當(dāng)流量Q≤10 990 m3/s時(shí)，兩壩址上引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件均滿足規(guī)范所規(guī)定的限值要求，當(dāng)流量Q=17 070 m3/s時(shí)，通航水流條件基本滿足規(guī)范所規(guī)定的限值要求。當(dāng)流量Q≤10 990 m3/s時(shí)，上壩址下引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件均滿足規(guī)范所規(guī)定的限值要求；當(dāng)流量Q=17 070 m3/s時(shí)，通航水流條件基本滿足規(guī)范所規(guī)定的限值要求。而下壩址通航期內(nèi)各流量級(jí)下引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件均滿足規(guī)范所規(guī)定的限值要求。綜合上、下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件，下壩址略優(yōu)于上壩址。

表3 船閘上、下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件Tab.3 Comparison of navigation flow conditions between entrance area of upper and downstream approach channel and connection section

6 船閘、電站相對(duì)位置比較

按照《渠化工程樞紐總體布置設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ220-98）相關(guān)規(guī)定，船閘、電站分開布置優(yōu)于集中布置，上壩址推薦方案的船閘、電站為集中布置，電站尾水會(huì)對(duì)船閘通航水流條件產(chǎn)生一定影響，且無(wú)法布置進(jìn)出電站公路，電站機(jī)組等大型物件運(yùn)輸較為困難；下壩址推薦方案船閘位于右汊、電站位于左汊，電站尾水不會(huì)對(duì)船閘產(chǎn)生影響。因此，從工程布置角度而言，下壩址方案優(yōu)于上壩址方案。

7 船閘引航道口門區(qū)及連接段航道線型對(duì)比

上、下壩址平面布置方案船閘均位于右岸臺(tái)地，受到河勢(shì)和兩岸地貌制約。上壩址船閘布置在順直河段，上游口門區(qū)為450 m直線段，然后通過(guò)半徑1 000 m圓弧與主航道連接；下游口門區(qū)及連接段均為直線段，線型平順。下壩址推薦方案船閘位于凹岸，上游口門區(qū)航道受地勢(shì)制約，航道線型為半徑1 000 m的圓弧，后通過(guò)反弧段與主航道連接，船舶行駛時(shí)既要轉(zhuǎn)彎又受到橫流影響，需頻繁用舵，船舶操縱起來(lái)比較困難；下游口門區(qū)及連接段均為直線段，線型平順。因此就口門區(qū)及連接段航道線型而言，上壩址優(yōu)于下壩址。

8 發(fā)電水頭比較［7］

考慮本工程初擬安裝5臺(tái)單機(jī)額定流量242 m3/s的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其最小凈水頭1.5 m。當(dāng)上游來(lái)水量大于4 500 m3/s時(shí)，上壩址正常蓄水位與壩下水位差小于1.5 m；當(dāng)上游來(lái)水量大于5 750 m3/s時(shí)，下壩址正常蓄水位與壩下水位差小于1.5 m。即使考慮近壩河段河床沖刷下切、水位降落等實(shí)際情況，下壩址發(fā)電凈水頭也大于上壩址?？梢娤聣沃钒l(fā)電效益好于上壩址。

9 結(jié)論

（1）上下兩壩址樞紐平面布置的泄流能力均滿足設(shè)計(jì)要求，泄水閘分段布置優(yōu)于集中布置；上壩址泄流凈寬1 220 m，下壩址泄流凈寬為1 100 m。

（2）當(dāng)Q≥10 990 m3/s時(shí)，上壩址船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件基本滿足船舶安全航行要求；而下壩址通航期內(nèi)上下游引航道口門區(qū)及連接段通航條件均能滿足船舶安全航行要求，下壩址通航水流條件略優(yōu)于上壩址。

（3）就船閘上、下游口門區(qū)及連接段航道線型而言，上壩址優(yōu)于下壩址。

（4）當(dāng)Q≥4 500 m3/s或Q≥5 750 m3/s時(shí)，上、下兩壩址上下游水位差小于最小凈水頭1.5 m，下壩址方案發(fā)電效益優(yōu)于上壩址。

綜上所述本文推薦悅來(lái)航電樞紐下壩址為預(yù)可階段推薦壩址，其泄流能力、通航條件及總體布置的進(jìn)一步優(yōu)化等問(wèn)題，將結(jié)合樞紐總體布置、施工期通航及河床變形等專題做進(jìn)一步深入研究。

［1］于廣年，王義安.佳木斯市悅來(lái)航電樞紐平面布置模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［2］JTJ305-2001，船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］SL265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］JTJ/T220-98，渠化工程樞紐總體布置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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

［6］洪毅，王義安.大頂子山航電樞紐總體布置研究［J］.水運(yùn)工程，2008（5）：20-23.

HONG Y，WANG Y A.Experimental Research on Overall Layout of Dadingzishan Navitation-Power Junction［J］.Port&Waterway Engineering，2008（5）：20-23.

［7］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（3）：194-197.

JU W C，WANG Y A，YU G N.Damsite selection of Yilan Navigation Hydro-junction on Songhuajiang River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007（3）：194-197.