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)。

1 樞紐工程概況

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。

2 模型及試驗條件

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］。

3 施工一期通航條件

3.1 施工一期導(dǎo)流布置

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 施工一期春汛圍堰階段通航條件

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 施工一期（主圍堰）通航水流條件

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。

4 施工二期通航條件

4.1 施工二期通航導(dǎo)流布置

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 施工二期通航條件

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。

5 結(jié)論

（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。

［1］趙清江，黃進清，王義安，等.依蘭航電樞紐總體布置研究［J］.水道港口，2009，10（5）：361-364.ZHAO Q J，HUANG J Q，WANG Y A，et al.General layout of Yilan Navigation Power Junction in Songhua River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，10（5）：361-364.

［2］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，2007，6（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，2007，6（3）：194-197.

［3］王義安，于廣年，劉哲.牡丹江對依蘭航電樞紐工程的影響［J］.水道港口，2008，6（3）：205-210.WANG Y A，YU G N，LIU Z.Influence of Mudanjiang river on Yilan Navigation Hydro-junction project［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，6（3）：205-210.

［4］侯志強，王義安，陳一梅.支流入?yún)R對干流航道影響分析［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2006（4）：70-73.HOU Z Q，WANG Y A，CHEN Y M.Analysis on the Influence of Inflow of Tributaries to Mainstreams Embouchures［J］.Modern Transportation Technology，2006（4）：70-73.

［5］趙清江，王義安，于廣年.改善依蘭通航水流條件方案試驗研究［J］.東北水利水電，2009（10）：44-47.