曹錫山

(黑龍江省航道局，哈爾濱150026)

1 前言

松花江全長(zhǎng)928 km，流域面積18.64萬(wàn)km2，是我國(guó)內(nèi)河水運(yùn)主通道和七大內(nèi)河之一。河流由西向東橫貫黑龍江省中部，上起嫩江與第二松花江匯合處的三岔河，下至黑龍江省同江市，注入中俄界河黑龍江。

2004年10月，我國(guó)季節(jié)性冰凍河流建設(shè)的首座航電樞紐——松花江大頂子山航電樞紐開(kāi)工建設(shè)。樞紐位于松花江干流濱州橋下航道里程70 km處，控制流域面積43.21萬(wàn)km2，是一座以航運(yùn)、發(fā)電和改善哈爾濱市水環(huán)境為主，兼具交通、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。由船閘、泄水閘、河床式水電站、混凝土過(guò)渡壩段、土壩及壩上公路等組成。水庫(kù)總庫(kù)容16.97億m3，裝機(jī)總?cè)萘?6 MW;正常蓄水位116.0 m，相應(yīng)庫(kù)容9.0億m3，死水位115.0 m，死庫(kù)容6.0億m3。建設(shè)千噸級(jí)船閘一座，有效長(zhǎng)度180 m，有效寬度28 m，門(mén)檻水深3.5 m?？偼顿Y28.8億元。樞紐建成后可改善航道里程128 km，對(duì)于改善哈爾濱江段的通航、兩岸交通、發(fā)展庫(kù)區(qū)旅游業(yè)、漁業(yè)、解決農(nóng)田灌溉等意義重大。

松花江屬季節(jié)性封凍河流，一般每年11月上旬開(kāi)始流冰，冰厚一般約0.2 m，歷時(shí)20 d左右，11月下旬封江，冬季江面封凍長(zhǎng)達(dá)140 d左右，冰厚一般為0.5～1.0 m，翌年4月上旬開(kāi)江，開(kāi)江前有10d左右流冰期，流冰與冰凍會(huì)給航電樞紐帶來(lái)許多不利的影響，如冰凍對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的影響、對(duì)樞紐建筑物的影響、對(duì)通航的影響等，如不解決這些問(wèn)題或解決得不好，就會(huì)影響到樞紐工程的建設(shè)、影響到通航期、引發(fā)水電工程事故、造成建筑物的損壞等，冰凍冰害問(wèn)題已成為影響樞紐工程安全運(yùn)行的亟待解決的不僅我國(guó)也是世界性重大技術(shù)課題之一。

為有效解決工程建設(shè)和今后運(yùn)行管理過(guò)程中存在的技術(shù)難題，我們?cè)?004年度西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“季節(jié)性冰凍河流航電樞紐工程防凍防冰問(wèn)題的研究”中，對(duì)船閘防冰、冬季越冬及通航、樞紐導(dǎo)冰和排冰、冰對(duì)船閘作用荷載等問(wèn)題展開(kāi)了國(guó)內(nèi)首次研究。

2 主要科研成果

通過(guò)近3 a時(shí)間的研究，項(xiàng)目于2007年11月通過(guò)交通部驗(yàn)收鑒定，項(xiàng)目研究成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。主要取得了以下科研成果:

1)在船閘防凍防冰方面，試驗(yàn)驗(yàn)證提出采用氣幕法、潛水泵射流方法以解決船閘閘門(mén)在開(kāi)、封江運(yùn)行及封凍期的防冰及循環(huán)導(dǎo)熱油或防凍液加熱的方式對(duì)檢修門(mén)槽進(jìn)行防冰等關(guān)鍵技術(shù);提出閘室無(wú)水越冬和有水越冬兩種船閘越冬方案;國(guó)內(nèi)首次提出船閘有水越冬時(shí)，開(kāi)江期閘室及引航道利用破冰船、人工或機(jī)械方法破冰，再利用船舶航行將浮冰帶到下游或其他特殊設(shè)備進(jìn)行排冰;采用蒸汽和熱水射流或特殊機(jī)械設(shè)備清除閘室浮式系船柱、閘室墻或狹窄水域的浮冰。

2)在水庫(kù)蓄冰處理及導(dǎo)冰技術(shù)方面，研究提出水庫(kù)形成后，正常年份時(shí)較天然狀態(tài)開(kāi)江時(shí)間推遲10 d左右;提出樞紐正常運(yùn)行后，旨在減少庫(kù)區(qū)蓄冰量、減少影響通航時(shí)間的水庫(kù)調(diào)度方式;首次進(jìn)行大頂子山航電樞紐庫(kù)區(qū)開(kāi)江破冰實(shí)驗(yàn)及對(duì)動(dòng)、靜浮冰塊的觀測(cè)，找到流冰和靜冰體積隨溫度、融冰時(shí)間及距離的變化關(guān)系，提出了庫(kù)區(qū)破冰的合理方式、破冰適宜范圍、時(shí)機(jī)、冰塊破碎尺寸等，即采用破冰船壓碎破冰或爆破破冰，應(yīng)提前7～10 d，從壩址開(kāi)始向上游破冰40～60 km，冰排面積應(yīng)控制在100 m2以下;提出正常年份時(shí)先破冰再開(kāi)啟舌瓣門(mén)向下游導(dǎo)冰，在特殊情況下先破冰再利用泄洪閘導(dǎo)冰的樞紐導(dǎo)冰方案。

3)在冰對(duì)船閘作用荷載方面，首次實(shí)測(cè)了松花江開(kāi)、封江期冰的彎曲強(qiáng)度、彈性模量、C軸和S軸單軸抗壓強(qiáng)度等冰力學(xué)參數(shù);引航導(dǎo)堤堤頭冰荷載模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了直立結(jié)構(gòu)物在不同的流冰徑(結(jié)構(gòu)物寬度或直徑)厚(冰蓋厚度)比(D/H)值、冰的流速等限制條件下的受力情況和破壞形式，以及流動(dòng)的冰排與斜坡結(jié)構(gòu)物相互作用時(shí)冰的破壞基本狀況和受力情況;分析評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外冰荷載計(jì)算公式及松花江所建橋梁冰壓力的計(jì)算公式、方法，提出各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)、適用范圍;建立閘室冰蓋數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確模擬了閘室冰溫度膨脹力的作用情況，運(yùn)用有限元方法，進(jìn)行熱力場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合計(jì)算，提出了極限位置第一主應(yīng)力σ1(MPa)沿冰厚H(m)分布及其計(jì)算公式，即 σ1=0.284+0.612H －0.381H2+0.056H3，對(duì)比驗(yàn)證了公式的合理性。

3 科研成果在依托工程中的實(shí)踐應(yīng)用和推廣前景

3.1 依托工程應(yīng)用情況

冰荷載試驗(yàn)研究成果已經(jīng)應(yīng)用到依托工程閘門(mén)和上游引航道隔流堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中、加熱油循環(huán)加熱防冰措施應(yīng)用到檢修閘門(mén)門(mén)槽防冰設(shè)計(jì)中、潛水泵射流防冰措施在檢修門(mén)越冬中得到應(yīng)用，引航道導(dǎo)堤試驗(yàn)成果、船閘閘室有限元數(shù)模計(jì)算成果、哈爾濱松花江公路大橋橋墩流冰動(dòng)壓力實(shí)測(cè)成果等已經(jīng)應(yīng)用于船閘相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)初步研究成果，設(shè)計(jì)單位進(jìn)一步優(yōu)化了船閘相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。船閘引航道破冰及排冰措施、庫(kù)區(qū)蓄冰處理等成果將在工程運(yùn)行后逐步得到應(yīng)用。

3.2 推廣前景

1)季節(jié)性冰凍河流建設(shè)航電樞紐工程，其防凍防冰問(wèn)題研究成果解決了大頂子山航電樞紐工程建設(shè)中存在的重大技術(shù)難題，還將為松花江干流其它樞紐及我國(guó)東北、西北部類(lèi)似河流的航電樞紐建設(shè)提供借鑒和參考。

2)水庫(kù)蓄冰處理及樞紐導(dǎo)冰技術(shù)不但可用于季節(jié)性冰凍河流航電樞紐中，而且可在季節(jié)性封凍水庫(kù)、湖泊等的水利樞紐工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

3)通過(guò)冰對(duì)船閘作用荷載的研究，不但對(duì)船閘荷載有了初步的認(rèn)識(shí)，而且研究成果對(duì)季節(jié)性冰凍河流的水利工程、港口工程、橋梁工程及船舶臥冬基地工程等的研究和設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

4)進(jìn)一步豐富了冰工程學(xué)科理論，為相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制(修)訂提供基礎(chǔ)資料和借鑒，可推動(dòng)行業(yè)科技進(jìn)步。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

4.1.1 減少封凍對(duì)通航期的影響，防止和降低冰損事故的發(fā)生，減少航運(yùn)經(jīng)濟(jì)損失

松花江水運(yùn)是沿江市縣運(yùn)輸大宗貨物的主要運(yùn)輸方式，黑龍江省完成的水運(yùn)量80%左右發(fā)生或通過(guò)松花江干流，2000年松花江貨運(yùn)量1 006.6萬(wàn)t，貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量11.67億t·km(松花江區(qū)段)，其中通過(guò)大頂山樞紐壩址的水運(yùn)量占松干總運(yùn)量的30%左右。

根據(jù)《松花江干流大頂子山航電樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，松花江干流及過(guò)壩貨運(yùn)量預(yù)測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 松花江干流及過(guò)壩貨運(yùn)量分析成果表

松花江大頂子山航電樞紐建成蓄水后，將在上游水域形成庫(kù)區(qū)，因發(fā)電的需要，在枯季水庫(kù)下泄的水量較建庫(kù)前同期天然來(lái)水量增多，冰蓋下過(guò)流能力增大，從而減輕甚至消除了水流對(duì)冰蓋的壓力，不致造成“水鼓冰開(kāi)”，使開(kāi)江日期推遲。而樞紐下游仍處于天然河道，將會(huì)正常開(kāi)江通航，由于通過(guò)大頂子山航電樞紐的貨物大部分為上行，這樣將使貨物滯留在下游港口，造成港口貨物積壓、船舶擁塞，對(duì)松花江水運(yùn)產(chǎn)生影響。

大頂子山航電樞紐的航運(yùn)收入主要為過(guò)閘費(fèi)，由于受到庫(kù)區(qū)開(kāi)江日期較建庫(kù)前有所推遲的影響，通航期縮短，航運(yùn)收入也將減少。通過(guò)采取破冰船破冰、爆破破冰、潛水泵射流防冰和防浮冰及導(dǎo)冰等措施，將減少由于庫(kù)區(qū)延遲開(kāi)江對(duì)航運(yùn)造成的影響，使庫(kù)區(qū)基本達(dá)到天然狀態(tài)下開(kāi)江日期。駁船過(guò)閘費(fèi)按0.5元/t計(jì)算，在樞紐運(yùn)營(yíng)期內(nèi)(按30 a計(jì)算)累計(jì)挽回經(jīng)濟(jì)損失1 000萬(wàn)元。

松花江上航行的運(yùn)輸船舶也受到庫(kù)區(qū)開(kāi)江日期推遲的影響，通過(guò)樞紐的上行貨物無(wú)法通過(guò)，將會(huì)造成船舶使用率降低、運(yùn)輸周期延長(zhǎng)、運(yùn)輸航次減少，對(duì)船舶運(yùn)輸收入產(chǎn)生一定的影響。采用上述措施后，將減少由于庫(kù)區(qū)開(kāi)江日期推遲對(duì)運(yùn)輸造成的影響。經(jīng)測(cè)算，在樞紐運(yùn)營(yíng)期內(nèi)累計(jì)減少運(yùn)輸損失3 264萬(wàn)元。

綜上，通過(guò)采取上述措施，在樞紐正常運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，累計(jì)可減少經(jīng)濟(jì)損失4 264萬(wàn)元。航運(yùn)效益見(jiàn)表2

表2 航運(yùn)效益表 萬(wàn)元

4.1.2 減少因冰凍造成的水電工程事故、建筑物損壞經(jīng)濟(jì)損失

在封凍期嚴(yán)寒氣溫下，水庫(kù)冰蓋對(duì)水工結(jié)構(gòu)的復(fù)雜作用，給水利工程帶來(lái)嚴(yán)重破壞。采用加熱法防冰、潛水泵防冰等措施，可以有效益的阻止閘門(mén)前冰蓋的形成，使閘門(mén)與冰蓋間的水域不易結(jié)冰，這樣冰壓力不會(huì)作用于船閘上，為船閘越冬提供安全保障，可減少因冰凍造成的水電工程事故、建筑物損壞引起的經(jīng)濟(jì)損失。

4.1.3 減少類(lèi)似工程前期工作量和設(shè)計(jì)費(fèi)用

對(duì)于松花江其他樞紐的建設(shè)提供了寶貴的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，為其他樞紐建設(shè)的前期工作和設(shè)計(jì)節(jié)省了工作量和設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會(huì)及環(huán)境效益

1)松花江干流是東北地區(qū)重要的水上運(yùn)輸線(xiàn)，是聯(lián)系黑龍江、烏蘇里江、嫩江和第二松花江的紐帶，具有較好的通航條件，松花江干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)多功能的綜合利用水資源的工程。本項(xiàng)目的實(shí)施能有效解決季節(jié)性封凍河流航電樞紐工程建設(shè)中因冰凍給樞紐帶來(lái)的主要問(wèn)題，將大大促進(jìn)松花江干流梯級(jí)渠化的建設(shè)步伐，對(duì)松花江干流航道發(fā)展規(guī)劃的全面實(shí)現(xiàn)和振興東北地區(qū)等老工業(yè)基地戰(zhàn)略決策的實(shí)施具有積極的推動(dòng)作用，能夠更好地發(fā)揮松花江干流水運(yùn)主通道的作用，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水上交通便利，滿(mǎn)足日益發(fā)展波西杰克遜的干支直達(dá)運(yùn)輸、江海聯(lián)運(yùn)的需要，具有明顯的社會(huì)效益。

2)本項(xiàng)目依托工程是我國(guó)在平原季節(jié)性冰凍河流上建設(shè)的第一個(gè)航電樞紐工程，我國(guó)有關(guān)船閘冰害問(wèn)題的研究幾乎是空白，通過(guò)本項(xiàng)目的研究不僅解決了樞紐船閘防冰措施、水庫(kù)蓄冰處理及導(dǎo)冰技術(shù)等問(wèn)題，同時(shí)對(duì)港口工程、水利工程及橋梁工程等均有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義，具有顯著的社會(huì)效益。此外通過(guò)本項(xiàng)目研究還可以進(jìn)一步豐富冰工程理論，為冰問(wèn)題的研究提供重要的可靠基礎(chǔ)。

3)本項(xiàng)目的實(shí)施積極推動(dòng)了松花江干流梯級(jí)的建設(shè)步伐，使松花江干流航道早日按規(guī)劃等級(jí)建成，待松花江干流按規(guī)劃的梯級(jí)建成后，可提高枯水期的水位，改善沿江城市水環(huán)境、自然生態(tài)環(huán)境和區(qū)域氣候環(huán)境，同時(shí)對(duì)于保護(hù)植被、防止水土流失等的有著重要意義。且本項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，因此本項(xiàng)目帶來(lái)的環(huán)境效益是巨大的。

[1]黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計(jì)院.大頂子山航電樞紐船閘施工圖設(shè)計(jì)[R].哈爾濱:黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計(jì)院，2003.

[2]黑龍江省航道局.季節(jié)性冰凍河流航電樞紐工程防冰問(wèn)題研究[R].哈爾濱:黑龍江省航道局，2007.