呂景洋,王義安,于廣年
(1.黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計院,哈爾濱150001;2.交通部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456)
松花江水量充沛,水運條件優(yōu)越,其干流經(jīng)長期建設(shè)已初步形成協(xié)調(diào)發(fā)展的航運體系。黑龍江省完成的水運量約80%發(fā)生或通過松花江干流,其中通過依蘭航段的水運量約占松干運量的20%。因此,在這樣運量較大的河流中筑壩,施工期的通航問題顯得十分重要,影響著施工布置、工程量及工期安排,因此必須認真對待和妥善安排。為保證樞紐施工截流期松花江的航運暢通,需要通過模型試驗進行驗證和分析,從而為設(shè)計提供相應(yīng)的參數(shù)和科學(xué)依據(jù)。
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,壩址控制流域面積454 047 km2,最大通航流量(20 a一遇)13 240 m3/s,設(shè)計洪水(100 a一遇)19 694 m3/s,校核洪水(300 a一遇)24 017 m3/s,擬定正常蓄水位99.0 m,死水位97.0 m[1-2]。由左至右依次為土壩、船閘、工程管理區(qū)、30孔泄水閘、河床式水電站及壩頂公路等(圖1)。
(1)船閘工程。
依蘭航電樞紐船閘級別為Ⅲ級,上游設(shè)計最高通航水位99.00 m,最低通航水位95.00 m;下游最高通航水位98.70 m,設(shè)計最低通航水位89.50 m。船閘有效尺度為180 m×28 m×3.5 m(有效長度×有效寬度×門檻水深)。
(2)泄水閘工程。
泄水閘由閘室、消力池護坦、出口干砌石海漫、兩側(cè)岸墻及導(dǎo)流隔墩組成,堰型為底流消能折線堰,每孔凈寬20 m,閘墩寬度3 m,泄水閘上游有進口鋪蓋,下游有消力池,其下為護坦及海漫,上下游均以1:15的坡度與原河床銜接;閘室上部設(shè)交通橋,交通橋總寬12.0 m,行車道凈寬為9.0 m。
(3)電站工程。
水電站為河床式,主廠房沿壩軸線方向擋水長度為140 m。水電站建筑物主要由攔砂坎、引水渠、導(dǎo)流墻、進水口、交通橋、電站廠房、尾水平臺及尾水渠等組成。進出、口底高程均為85 m,以1:4的坡度接89 m平臺,平臺逐漸與原河床銜接。廠房內(nèi)安裝8臺單機容量為15 MW的貫流式水輪發(fā)電機組,總裝機容量為120 MW,單機引用流量268.71 m3/s。
水工模型為1:100的整體定床正態(tài)模型,按重力相似準則進行設(shè)計,平面垂直比尺λL=λH=100,流速比尺λv=10.0,流量比尺λQ=100 000,糙率比尺λn=2.15。松干模擬河段上迄付家通島島尾,下至倭肯河河口下游,模擬河段全長約8.5 km;牡丹江模擬河段自河口向上游約3 km。
根據(jù)松花江現(xiàn)有船舶性能及設(shè)計單位提供的資料,施工期導(dǎo)流明渠內(nèi)水流表面流速不超過2.5 m/s時,船舶自航通過;當明渠內(nèi)水流表面流速超過2.5 m/s時,船舶需助航通過。根據(jù)壩區(qū)河段徑流特征和圍堰洪水標準,模型選擇松干流量分別為 564 m3/s、2 256 m3/s、3 500 m3/s(10 a 一遇春汛洪水)、5 500 m3/s、7 500 m3/s和 10 280 m3/s(10 a一遇洪水),對應(yīng)的牡丹江流量分別為 150 m3/s、237 m3/s、368 m3/s、1 790 m3/s、2 080 m3/s和2 400 m3/s等6個流量級進行施工期通航條件試驗研究[3-4]。
依蘭航電樞紐施工導(dǎo)流分兩期進行,施工一期為3 a,按建春汛圍堰→建主圍堰→拆除春汛圍堰的施工順序,一期采用春汛(3 500 m3/s)及10 a一遇洪水標準(10 280 m3/s)。一期修建左岸船閘和右岸電站及右側(cè)的12孔泄洪閘,利用原航道作一期施工通航。船閘位于左岸臺階地,旱地施工。右側(cè)主圍堰上游橫向圍堰長約572 m,頂寬6 m,頂高程為100.1 m,下游橫向圍堰長約631 m,頂寬6 m,頂高程同樣為100.1 m,上下游圍堰邊坡均為1:2.5;縱向圍堰長約298 m,寬度為6 m,頂高程為105 m,其中壩軸線以上129 m,壩軸線以下169 m。右側(cè)春汛圍堰長約857 m,頂高程為96.41 m,距右側(cè)縱向圍堰約54.6 m[5]。
3.2.1 施工一期(春汛圍堰)水位、比降變化特征
施工一期春汛圍堰河段水位、比降變化如表1所示。
(1)春汛圍堰壅高了上游水位,隨來水量增加,壩軸線上、下游水位壅高值顯著增加,壩軸線上游水位壅高值大于下游水位壅高值;
(2)春汛圍堰進口及壩軸線河段,枯水期形成指向左側(cè)的橫比降,隨著流量的增加,逐漸形成指向右側(cè)的比降;圍堰出口受下游河道走勢及牡丹江入?yún)R作用,形成指向左側(cè)的水面比降,且隨著流量的增加,比降逐漸增大;
表1 施工一期春汛圍堰河段各測點水位及沿程水面比降Tab.1 Water levels of observation points and water surface slopes
(3)隨來水量增加,工程河段水面比降逐漸增加,壩軸線上游水面比降相對平緩,其下游水面比降最大,春汛流量時局部比降達5.31‰。
3.2.2 施工一期(春汛圍堰)通航水流條件
(1)春汛圍堰不僅壅高了上游水位,同時水流流速減緩,近圍堰段流速沿斷面呈左側(cè)大、右側(cè)小分布,并且隨來水量增加,水流流速逐漸增加,Qsong=3 500 m3/s時,壩軸線上游300 m過流斷面左側(cè)流速約1.8 m/s;
(2)圍堰河段流速沿斷面同樣呈左側(cè)大、右側(cè)小分布,隨來水量增加,水流流速逐漸增加,Qsong=564 m3/s時水流流速為1.2~2.2 m/s,最大流速為2.69 m/s,出現(xiàn)在壩軸線以下150 m左右范圍內(nèi),Qsong=3 500 m3/s時,水流流速達4.4 m/s;
(3)圍堰下游河段流速沿斷面同樣呈左側(cè)大、右側(cè)小分布,隨來水量增加,水流流速逐漸增加,Qsong=564 m3/s時,最大流速為 2.2 m/s,Qsong=3 500 m3/s時,流速達 4.3 m/s。
3.3.1 施工一期(主圍堰)水位、比降變化特征
(1)隨來水量增加,圍堰上游水位壅高值增加(圖2),當Qsong=7 500 m3/s時,比5#水尺水位最大壅高約0.39 m,隨來水量增加,圍堰上游水位壅高值有所降低,當Qsong=10 280 m3/s時,比圍堰上游水位最大壅高約0.35 m;
(2)最大比降河段出現(xiàn)在壩軸線至下橫向圍堰之間,隨來水量增加,水面比降逐漸加大,Qsong=564 m3/s時,最大水面比降1.47‰,Qsong=3 500 m3/s時,最大水面比降為3.08‰;隨牡丹江入?yún)R流量增加,壅高了入?yún)R口上游水位,圍堰工程河段下游水位有所升高,圍堰河段水面比降減緩。
3.3.2 施工一期(主圍堰)通航水流條件
(1)一期圍堰施工后,壅高了上游水位,減緩了水流流速,但隨上游來水量增加,水流流速仍然增加,Qsong=564 m3/s時,上游近圍堰航槽內(nèi)水流流速約為1.06 m/s,Qsong=10 280 m3/s時,航槽內(nèi)水流流速約為2.20 m/s;
(2)上、下游橫向圍堰河段水流流速增加較大,尤其壩軸線下游100~200 m河段,航槽內(nèi)水流流速最大,Qsong=564 m3/s時,航槽內(nèi)水流流速約為2.41 m/s,Qsong=10 280 m3/s時,航槽內(nèi)水流流速達到4.50 m/s;
(3)圍堰下游水流流速也較大,尤其出圍堰后擴散水流的流向與航線存在較大交角,Qsong=564 m3/s時,航槽內(nèi)水流流速約為1.90 m/s,Qsong=10 280 m3/s時,航槽內(nèi)水流流速達到4.60 m/s。
施工二期為2 a,施工一期完成了左岸船閘及改善船閘通航水流條件的整治工程、右岸電站和右側(cè)12孔泄洪閘的修建,二期利用已修好的泄洪閘泄洪及船閘試通航,同時修建中間18孔泄洪閘(圖3)。
4.2.1 施工二期水位、比降變化特征
施工二期圍堰上、下游水位和流量關(guān)系(表2)表明:
(1)當Qsong=10 280 m3/s(松花江10 a一遇洪水)時,施工二期圍堰上游最高水位為98.96 m,較二期圍堰頂高程100.97 m低2.01 m;
(2)當Qsong=10 280 m3/s(松花江10 a一遇洪水)時,施工二期圍堰下游最高水位為97.57 m,較二期圍堰頂高程100.97 m低3.4 m;
(3)施工二期上下游橫向圍堰高度可適當降低。
表2 施工二期圍堰上、下游橫向圍堰處水位表Tab.2 Water levels before and behind the transverse cofferdam in phaseⅡof the junction
4.2.2 施工二期通航水流條件
(1)當泄水閘關(guān)閉、電站或電站與泄水閘聯(lián)合運用時,上游來水量Qsong<7 500 m3/s,庫區(qū)保持正常蓄水位,船閘上下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件較好,滿足船舶安全航行要求;
(2)當Qsong≥7 500 m3/s時,由于電站關(guān)閉,庫區(qū)水流向泄水閘集中,出庫水流向左右兩側(cè)擴散,在左側(cè)圍堰下游形成大范圍回流,在右側(cè)電閘下形成小范圍回流區(qū),同時上下游引航道口門區(qū)均存在回流區(qū);
(3)當Qsong=7 500 m3/s時,上游引航道口門區(qū)最大橫向流速Vxmax=0.23 m/s,最大縱向流速Vymax=0.88 m/s。下引航道口回流影響范圍至堤頭以下約300 m,口門區(qū)最大橫向流速Vxmax=0.29 m/s,最大縱向流速Vymax=1.08 m/s,連接段航道內(nèi)隨水流縱向流速進一步增加,最大橫向流速Vxmax=0.36 m/s,最大縱向流速Vymax=2.32 m/s,出現(xiàn)在連接段末端;
(4)當Qsong=10 280 m3/s時,上游引航道口門區(qū)最大橫向流速Vxmax=0.22 m/s,最大縱向流速Vymax=0.83 m/s。下引航道回流影響范圍至堤頭以下約450 m,口門區(qū)最大橫向流速Vxmax=0.31 m/s,最大縱向流速Vymax=0.83 m/s,連接段航道內(nèi)隨水流縱向流速進一步增加,最大橫向流速Vxmax=0.49 m/s,最大縱向流速Vymax=2.44 m/s,出現(xiàn)在連接段末端。
(1)施工一期春汛圍堰不僅壅高了上游水位,同時改變了水流流速分布,流速沿斷面呈左側(cè)大、右側(cè)小分布,春汛圍堰河段來水量大于2 000 m3/s時,上行船舶(隊)可借助推輪由靠近圍堰側(cè)通過該河段。
(2)施工一期主圍堰同樣壅高了上游水位且改變了水流流速分布,圍堰河段來水量大于3 000 m3/s時,上行船舶(隊)可借助推輪由靠近圍堰側(cè)通過該河段。
(3)施工二期船閘及其改善通航水流條件整治工程已建成,船閘試通航期,上下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件基本滿足要求,洪水期僅下游連接段縱向水流流速偏大。
(4)建議將春汛圍堰拆除至原河床,同時將依蘭邊灘開挖至88.5 m高程,以改善施工期及運行期通航水流條件。
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