熱電項(xiàng)目取水口設(shè)計(jì)及河工模型試驗(yàn)研究

楊 英,韓 爽，胡曉霖

（1.水利部綜合事業(yè)局,北京100053；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院,吉林長春130061）

1 概述

佳木斯市位于黑龍江、烏蘇里江和松花江匯流的三江平原腹地，為滿足佳木斯中心區(qū)和佳東區(qū)的近、遠(yuǎn)期集中供熱需求，預(yù)擴(kuò)建供熱工程。一期工程建設(shè)為 2×350 MW燃煤機(jī)組，采用二次循環(huán)冷卻方式，并以松花江水作為冷卻水補(bǔ)給水源。

2 河道演變分析

2.1 河道演變因素

河道演變是具有動(dòng)邊界的水沙兩相流必然發(fā)生的現(xiàn)象。對于松花江干流而言，地質(zhì)地貌是該河段演變、發(fā)展的當(dāng)?shù)貤l件；而上游來水來沙是該河段演變、發(fā)展的外來物質(zhì)條件。

2.2 來水來沙特性

佳木斯河段洪水主要來自松花江干流，其次是支流牡丹江、湯旺河。洪水的大小取決于干流本身及其與牡丹江、倭肯河、湯旺河等較大支流的洪水相遭遇。

佳木斯水文站多年日平均流量統(tǒng)計(jì)，年內(nèi)水量分配極不均勻，對河床形態(tài)的塑造主要是暢流期水流作用的結(jié)果，尤其汛期水流對枯水期河槽的塑造。

2.3 河道特征

該河段范圍內(nèi)造床流量下河寬B為700～1 300 m，水深h為8～11 m，河道平均比降約為J=0.012%，灘地高程基本在80～84 m。主槽平面呈“U”型，河槽內(nèi)分布有淺灘、支汊，但水流相對集中，只在枯水期才沿河槽中的淺灘兩側(cè)分流。

本段河道轉(zhuǎn)彎半徑為3.4～9.0 km，河相關(guān)系系數(shù) ζ=B0.5/h=3.33 ，（黃河花園口 ζ為 19.0～32.0、長江荊江 ζ為 2.23～4.45、ζ＞19 為游蕩型、ζ＜4.45為蜿蜒型），則本河段屬于蜿蜒型河道。

河床縱向穩(wěn)定系數(shù)φh=d/J＝0.75（d為床沙中值粒徑mm；J為河道比降0/000），（長江荊江為蜿蜒段φh=2.9～4.1、黃河高村至陶城埠為過渡段φh=0.42～0.54、高村以上為極不穩(wěn)定的游蕩性河段φh=0.31～0.47）。

橫向穩(wěn)定系數(shù) φb＝b/B=0.34～0.63（b：枯水寬度；B：平灘河寬），（長江荊江段為蜿蜒段φb=0.87～1.56、黃河高村至陶城埠為過渡段 φb=0.48～0.70、黃河高村以上為游蕩段φb=0.18～0.45）。

綜合穩(wěn)定系數(shù)φ＝0.26～0.47（長江荊江蜿蜒型河段 0.24～0.52，黃河花園口段 0.03～0.1）。

綜上所述，本河段為一個(gè)基本穩(wěn)定的蜿蜒型河道。

2.4 河道歷史演變分析

套繪1965年、1970年、1974年取水口河段的河勢演變圖進(jìn)行對比，盡管河段內(nèi)的河道蜿蜒，河槽呈“U”型，但河槽的左、右擺動(dòng)幅度并不大，這10年中河道平面形態(tài)基本穩(wěn)定，河槽區(qū)間內(nèi)3個(gè)淺灘的大小、形狀基本沒有發(fā)生大的改變，除其相對位置略有下移之外，單一河道的中岸線穩(wěn)定性都較好，整個(gè)河道的河勢是基本吻合的。

套繪佳木斯水文站自1972年到1987年的橫斷面地形，就其主槽寬度、灘地位置、特別是深泓點(diǎn)進(jìn)行比較，除主槽河床局部稍有沖淤變化（左側(cè)沖淤變化較小，右側(cè)沖淤變化略大）之外，絕大部分河床穩(wěn)定。同時(shí)因河床主要由細(xì)砂組成，且左、右兩岸設(shè)有堤防控制，因而河槽控制條件良好，灘槽位置基本穩(wěn)定。

總之，該段河道由資料的對比分析認(rèn)為歷史上河勢是比較穩(wěn)定的。

2.5 河道近期演變分析

套繪2002年、2005年、2011年的河勢圖比對，近10年來河道依然呈蜿蜒狀態(tài)，河槽游移變化相對很小。除彎段河道的凸岸灘地輪廓略有下移之外，其它河段基本沒有改變。

套繪佳木斯水文站從1995年到1908年之間，5個(gè)代表年的橫斷面地形，其主槽和灘地的橫向位置以及深泓點(diǎn)基本沒有明顯變化。只是歷經(jīng)了1998年的全流域性特大洪水后，在主槽的右側(cè)發(fā)生一定的淤高現(xiàn)象，隨后由有關(guān)部門進(jìn)行了清淤。而2003年到2008年橫斷面地形再次比較，其主槽形狀不再發(fā)生大的變化。

因此，該段河道近10年來河勢也是比較穩(wěn)定的。

2.6 河勢演變趨勢分析

無論從河道穩(wěn)定計(jì)算還是近60年來該段河勢的橫向變化（河槽變化、岸灘變化）、縱向變化（沖淤變化）都相對穩(wěn)定，因而認(rèn)為松花江佳木斯取水口所在的河段屬于較穩(wěn)定的蜿蜒型寬淺河道，不會發(fā)生大的河勢改變，沖淤呈穩(wěn)定的趨勢，取水口的修建亦不會對這種河道演變規(guī)律構(gòu)成影響。

3 取水口設(shè)計(jì)

根據(jù)河道走勢及相對電廠位置擬選擇三個(gè)不同的取水口方案，且各取水口方案均布置在河流主槽的右側(cè)、灘地的邊緣，其泵站設(shè)置在靠近右側(cè)大堤的河漫灘上。

取水口方案一：距離福勝村廠址2 400 m、距離上游碼頭450 m（不影響船渡）、距離深泓線600 m（不影響航運(yùn)），泵站擬建在堤外。

取水口方案二：距離福勝村廠址4 400 m、距離深泓線300 m（不影響航運(yùn)）、距離上游跨江高壓線路300 m（不影響電網(wǎng)正常運(yùn)行），泵站擬建在堤外。

取水口方案三：距離福勝村廠址5 100 m、距離深泓線300 m（不影響航運(yùn)），泵站擬建在堤外。

取水口各方案引水渠渠底寬度均取為10.00 m、迎水面導(dǎo)墻長度均取為100.00 m。

3個(gè)取水口方案的渠底高程，依次選定為72.10 m、72.68 m、73.10 m；引水渠剖面形式采用倒梯形；攔沙坎的高程分別為73.20 m、73.80 m、74.20 m；對應(yīng)各方案的開挖量順次約為8萬m3、11 萬 m3、12 萬 m3。

4 河工模型試驗(yàn)研究

取水口河段河工試驗(yàn)研究選在變態(tài)模型上開展，即平面比尺350、垂直比尺100，變率為3.5。

4.1 模型沙選擇

經(jīng)現(xiàn)場查勘和以往的研究經(jīng)驗(yàn)可知：松花江為少沙河流，河道中對造床起決定性作用的主要為推移質(zhì)泥沙。

現(xiàn)場采集的泥沙和試驗(yàn)選擇的塑料沙起動(dòng)流速之比為8.88～9.75，基本滿足流速比尺相似的要求。

4.2 模型驗(yàn)證

為保證模型與原型的相似性，從而保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性，模型與原型的河道必須滿足阻力相似。

根據(jù)《松花江流域防洪規(guī)劃報(bào)告》（水利部松遼水利委員會、中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司2005年3月）中松花江干流規(guī)劃水面線成果和松花江干流糙率試算成果以及對沿線河道的現(xiàn)場查勘中采集沙樣的顆分曲線，分別對試驗(yàn)?zāi)M河段進(jìn)行主槽和灘地的糙率驗(yàn)證。

4.2.1 主槽糙率

試驗(yàn)?zāi)M的全部河道地形均采用水泥沙漿抹制，其糙率一般為0.012，不滿足阻力相似的要求。因而根據(jù)司覺克的研究，曼寧糙率與密排沙粒徑的關(guān)系n=0.015 d1/6（d為床沙粒徑mm）和現(xiàn)場沙樣的顆分曲線結(jié)果，綜合算得主槽應(yīng)采用粗沙密集加糙后，其糙率方可達(dá)到了阻力相似的要求。

4.2.2 灘地糙率

7.D 提示:0.98gCu(OH)2的物質(zhì)的量為0.01 mol,若全部生成CuO,則質(zhì)量為0.01mol×80g·mol-1=0.80g,所以a點(diǎn)對應(yīng)的物質(zhì)是CuO;若全部生成Cu2O,則質(zhì)量為0.005mol×144g·mol-1=0.72g,所以b點(diǎn)對應(yīng)的物質(zhì)是Cu2O,A項(xiàng)錯(cuò)誤。根據(jù)化學(xué)方程式可知,生成水的物質(zhì)的量為0.01mol,質(zhì)量為0.01mol×18g·mol-1=0.18g,B項(xiàng)錯(cuò)誤。CuO和其中所含Cu元素的質(zhì)量關(guān)系(以CuO的質(zhì)量為10g計(jì)算)為:

試驗(yàn)研究對灘地的加糙從兩個(gè)方面綜合考慮：即有高棵覆蓋的灘地范圍采用《松花江流域防洪規(guī)劃報(bào)告》中試算的成果，糙率為0.070 5～0.088 2，而沒有高棵覆蓋的范圍依現(xiàn)場查勘的結(jié)果，糙率約為 0.040～0.050。

依據(jù)上述原則：試驗(yàn)對河道灘地經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、多次加糙后，模型與實(shí)測的各典型斷面水位值基本一致，最大正、負(fù)偏差換算成原型河道后不超過+0.20 m、-0.16 m。

經(jīng)主槽和灘地的糙率復(fù)合及驗(yàn)證，模型基本達(dá)到了阻力相似的要求，可以開展正常試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)研究成果

佳木斯取水口河工模型試驗(yàn)研究分定床和動(dòng)床兩部分開展。

4.3.1 定床試驗(yàn)研究

在定床試驗(yàn)條件下3個(gè)取水口方案都滿足97%的取水保證率，但從水流流態(tài)、流速分布上分析各方案利弊如下：

取水方案一：距廠址最近，盡管松花江佳木斯河段多年泥沙沖淤基本保持平衡，且取水口又位于河道的主槽附近，相對流速較大，但考慮到此處河段兩堤間距較大（約1 700 m），堤防又呈擴(kuò)散狀布置，更主要的是江心淺灘位于取水口的上游，使左、右兩汊河槽的水流直接在此處匯合，流態(tài)相對混亂，因此極有可能在取水口一側(cè)的河道內(nèi)產(chǎn)生一定的泥沙淤積。

取水方案二：距廠址4 400 m，但位于蜿蜒型河段的凸岸，受彎道橫向環(huán)流的影響，將直接造成泥沙在此處的不斷淤積，促使邊灘向主槽方向侵占，在不附加清淤措施的前提下，將導(dǎo)致取水口無法正常取水。

取水方案三：距廠址5 100 m，相對其它2個(gè)方案距廠址最遠(yuǎn)，但是該布置處在蜿蜒型河段的凹岸頂沖點(diǎn)稍下游的位置，水流受彎道橫向環(huán)流的影響，有效的避免了推移質(zhì)泥沙靠近取水口附近的淤積，利于取水口在保障取水的前提下，達(dá)到防止泥沙淤積的目的。4.3.2動(dòng)床試驗(yàn)研究

動(dòng)床試驗(yàn)研究的重點(diǎn)是取水口附近的沖淤變化情況。選擇1998年洪水（洪峰流量接近試驗(yàn)河段的百年一遇洪水），對其進(jìn)行梯級概化組合后作為上游的邊界條件。

彎道特有的幾何特征和邊界條件,使得產(chǎn)生彎道環(huán)流,表現(xiàn)為螺旋流運(yùn)動(dòng)。彎道環(huán)流的出現(xiàn),使彎道內(nèi)泥沙橫向輸移,體現(xiàn)在彎道的凹岸為沖刷、凸岸為淤積的沖淤特性。一般河道內(nèi)修建無壩取水設(shè)施大多都是利用這一特點(diǎn)，將取水口布設(shè)在河流彎道頂沖點(diǎn)偏下一點(diǎn)的位置。對3個(gè)取水方案，方案二布設(shè)在彎段河道的凸岸位置，此處泥沙淤積嚴(yán)重，取水條件差；方案三布設(shè)在凹岸偏向下游的位置，基本沒有泥沙淤積，取水條件好，方案三布置滿足取水要求。

方案一位于分汊河道的末端輸沙通道上，設(shè)計(jì)布置上游導(dǎo)墻長度不足以攔截和導(dǎo)向水沙流，使取水口前部分泥沙落淤，對取水帶來影響。但經(jīng)過對取水口方案一布置進(jìn)行優(yōu)化后，有效的遏制了泥沙在取水口前的沉積，達(dá)到了滿足工程取水需求的目的。

各方案取水口修建后，基本沒改變原有河道的水流流速、流態(tài)以及水位，對通航不構(gòu)成影響。

汛期漂浮物對3個(gè)取水口布置方案造成不利影響的因素不大。

春汛期冰凌對取水口的取水影響不大，僅方案三受流冰的撞擊，需要加固上游導(dǎo)墻。

5 結(jié)論

1）松花江干流佳木斯河段來沙量少、流速不大、河床演變十分緩慢、沒有大的沖淤變化。

2）方案一位于分汊河道末端的輸沙通道上，取水防沙效果不理想；方案二位于河流彎道的凸岸，位置最不利，取水口門極易發(fā)生淤積。

3）方案三位置優(yōu)越，在河流的凹岸，具有較好的取水防沙效果，將其作為推薦方案；方案一采取導(dǎo)沙措施后，能夠滿足工程的取水需求，亦可作為設(shè)計(jì)采用的方案之一。

4）春汛冰凌及汛期漂浮物對取水影響不大，僅方案三受流冰的撞擊，需要加固上游導(dǎo)墻。

5）取水建筑物對河道的通航現(xiàn)狀幾乎沒有影響。