趙世青

(黑龍江省航務勘察設計院，哈爾濱 150001)

1 概 述

大頂子山航電樞紐位于松花江干流哈爾濱市下游46 km處，北岸為呼蘭區(qū)，南岸為賓縣,是一座以航運和改善哈爾濱市水環(huán)境為主，兼具發(fā)電、灌溉、交通、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等功能的綜合性工程。2008年樞紐建成蓄水后，大幅度改善上游庫區(qū)河段通航條件，并通過補水調節(jié)下游航道流量，維持下游航道的通航。但因發(fā)電、防洪及為下游河道補水需要，壩前水位由正常蓄水位116 m降至最低通航水位115 m，回水末端位置相應變化，形成水庫變動回水區(qū)，并將產(chǎn)生泥沙累計性淤積，使航深變淺，航槽不穩(wěn)定，航行條件較建樞紐前惡化。樞紐變動回水區(qū)處于松花江上游，規(guī)劃航道等級為Ⅲ級，航道尺度1.7 m×70 m×500 m(航深×航寬×彎曲半徑)，通航保證率為95%。目前，該段按1.5 m×50 m×500 m進行維護，枯水期該段仍是松花江上游“卡脖子”河段之一，制約了松花江這條黃金水道的通過能力，亟待實施航道整治。

大頂子山航電樞紐是我國季節(jié)性封凍河流上建設的首座航電樞紐，而變動回水區(qū)河段具有水庫和天然河流的雙重屬性，水沙、邊界條件和淺灘成因均有異于天然河流，需對樞紐變動回水影響范圍、航道整治原則、措施和工程技術參數(shù)進行較為深入的研究，才能保證成功治理。

2 變動回水區(qū)范圍

研究表明，正常蓄水位116 m條件下，當上游來水量為550 m3/s時，水庫回水末端位于雙城市雙青鄉(xiāng)附近(圖1，濱洲鐵路橋上約100 km)；當上游來水量為常年洪水流量4 930 m3/s時，水庫回水末端位于澇洲鎮(zhèn)附近(濱洲鐵路橋上約50 km)。因發(fā)電或為下游河道補水，或為防洪提前預泄，當壩前水位降至死水位115 m且上游來水量為550 m3/s時，回水末端位于宋家子灣附近(橋上約70 km)。當上游來水量大于4 956 m3/s時，樞紐上游河道已不具水庫的屬性。因此，考慮水庫在運行過程中可能出現(xiàn)的各種情況，確定變動回水區(qū)范圍為濱洲鐵路橋上50～100 km。

圖1 大頂子山航電樞紐回水曲線

3 變動回水區(qū)河道概況

變動回水區(qū)河段兩岸地勢平坦，多為沼澤、牛軛湖、草地、灌木叢，兩岸堤防按50～100年一遇洪水標準建設，堤頂高程約為125 m，堤距達10 km以上。按松遼委松花江干流規(guī)劃水面線，該河段在20～100年一遇洪水時，兩岸灘地漫水過流，水面比降約為0.666。中枯水河槽平面呈多分汊，兩岸陡塄高118～122 m，主河槽呈蜿蜒“藕節(jié)”狀，寬窄相間，放寬處水淺航道條件較差，河道縮窄處水深條件良好，枯水期平均水面坡降0.6，流速0.8～1.5 m/s。該河段歷史上只進行過少量的維護性挖泥，大部分淺灘仍處于自然狀態(tài)。1995年時澇洲右汊作為通航汊道，1998年大洪水后右汊萎縮淤積、左汊發(fā)展，左汊發(fā)展為現(xiàn)行通航汊道。

4 變動回水區(qū)整治原則、措施

4.1 整治原則

研究表明，變動回水區(qū)河段現(xiàn)狀條件下年際、年內來水及來沙不均，就多年平均而言，水庫維持正常蓄水位的時間達97.8%，徑流量占多年平均的89.6%，輸沙量占多年平均的90.3%。因此，其具有水大沙大、水小沙少的特征，而調水后年際、年內來水量更不均勻，枯水期延長，通航保證率降低，中水來水量減少，對航槽的塑造不利。變動回水區(qū)上段中枯水河槽寬淺，局部河床產(chǎn)生倒坡，不利于泥沙輸移；下段為多分汊河段，左汊窄深，河床相對穩(wěn)定，航行條件良好。洪水期受地形、地貌的影響，本河段具有洪淤枯沖的演變規(guī)律，而落水期由于來水來沙不同，通航汊道興衰交替或撇彎切灘，航槽處于緩慢變化之中。水庫蓄水后，壩前水位升高，自變動回水區(qū)上端水深沿程增加、水面比降及流速沿程減小、水流挾沙能力沿程減弱，泥沙沿程落淤。通航汊道分流比減小，使通航汊道中枯水來水量更加不連續(xù)。

樞紐投入運行以來，變動回水區(qū)來水來沙條件、邊界條件發(fā)生較大改變，導致河道沖淤變化較大，深泓出現(xiàn)不同程度擺幅，航線隨之調整。如變動回水區(qū)進口通航左汊在汛期水流作用下橫、縱向發(fā)展，99#導線所在彎道愈加彎曲；96#導線所在彎道凸岸邊灘不斷淤長，主流逐漸南移過程中，造成江心島受沖消失，右側凹岸受沖嚴重，分汊河道變成單一河道，造成航槽改道、灘槽易位；86#導線所處江心島，左汊淤積，右汊發(fā)展，但2012年曾發(fā)生航線改走左汊情況，表明受特殊或系列豐水年份洪水作用，汊道興衰交替存在可能；因島尾邊灘逐漸綿長下移，加之左岸邊灘淤長，在84#-85#導線之間形成過渡段淺灘，阻隔上下深槽，迫使航道切灘艱難前行。澇洲汊道段，右汊進口淤高、進流受阻，相應通航左汊進流條件有利，除71#、55#-56#導線上航槽淤積外，航槽大多處于沖刷狀態(tài)。

基于建庫前后水沙特性、河床演變變化規(guī)律和特點，大頂子山樞紐變動回水區(qū)河段應遵循：中低水治理、整治和防護為主、疏浚為輔的整治原則，即在穩(wěn)定河道的同時，通過工程控制，使整治流量級下通航汊道內水流連續(xù)、水位消落期適當加大水流輸沙能力，減少累計性泥沙淤積，再輔以疏浚工程，維持變動回水區(qū)河段航道暢通。

4.2 整治措施

利用鎖壩或潛鎖壩塞支強干，減少支汊分流，增加主槽水深；利用丁壩適當束窄河槽，增加水流挾沙能力；修筑護岸，穩(wěn)定主導岸線，控制枯水河槽平面擺動；布設基建性挖槽，提高航深。

5 整治工程主要技術參數(shù)

5.1 設計水位

根據(jù)《松花江干流大頂子山航電樞紐工程初步設計》，哈爾濱站設計最低通航水位112.67 m(1956年黃海高程，下同)和下岱吉站設計最低通航水位120.46 m，通航保證率95%。

為保證設計科學、合理，有必要進一步研究、校核設計水位。本次研究將松花江全線梯級建成以前哈爾濱斷面通航流量550 m3/s作為設計流量，設計水位采用天然河道的設計水位。由于三家子水文站位于松花江上游航道里程88 km，恰好處于變動回水區(qū)內，利用大頂子山航電樞紐蓄水后的三家子站2009-2019年水文資料，進行設計最低通航水位的推求。經(jīng)計算，該站對應于設計最低通航流量550 m3/s的水位為117.82 m，通航保證率95%，即三家子站設計最低通航水位為117.82 m。

本次提出的三家子站設計水位與哈爾濱站設計水位相關性較好，因樞紐運行后三家子站實測水位、流量成果更能反映變動回水區(qū)的實際情況，故本次基本站設計最低通航水位采用三家子站設計最低通航水位117.82 m，再根據(jù)2020年實測水面線成果推算變動回水區(qū)各淺灘和工程位置的設計最低通航水位。

5.2 整治水位

整治水位是與整治建筑物頭部齊平的水位。整治水位的確定不僅關系到整治工程作用和造價高低，甚至可能關系到工程成敗。初設階段，利用哈爾濱水文站的水文資料，用造床流量法推求第二造床流量值為1 100 m3/s，相應水位113.87 m，高于設計水位1.2 m。變動回水區(qū)內，淺灘有沿程逐漸淤積抬高的趨勢，流速也有所減緩，確定整治水位從上游到下游為設計水位上0.5～1.2 m。

由于變動回水區(qū)河段天然條件下年際、年內來水及來沙不均，蓄水后年際、年內來水量更不均勻，枯水期延長，通航保證率降低，中水來水量大幅減少，對航槽的塑造不利。壩前水位升高，自變動回水區(qū)上端水深沿程增加、水面比降及流速沿程減小、水流挾沙能力沿程減弱，泥沙沿程累積性落淤成灘。通航汊道分流比減小，使通航汊道中枯水來水量更加不連續(xù)。因此，本次整治遵循中枯水治理的原則，布設整治建筑物主要集中在變動回水區(qū)中上段，且數(shù)量較少，若整治水位偏低，則淺灘沖刷強度和沖刷歷時不足，達不到預期整治效果。結合松花江干流多年的整治經(jīng)驗，整治水位一般高于設計水位0.5 m～1.5 m，經(jīng)綜合考慮，本次確定變動回水區(qū)整治水位為設計水位上1.2 m。

5.3 整治線寬度

初步設計采用優(yōu)良河段模擬法、理論計算方法及經(jīng)驗法等多種方法對比分析，同時充分考慮變動回水區(qū)的水流特點，確定變動回水區(qū)整治線寬度沿程從上游450 m到下游沿程逐漸束窄至400 m。

研究過程中，利用2020年實測水深圖，根據(jù)蓄水后河道多年變化，采用實測河寬與水深關系法，確定整治線寬度。即在淺灘段及上下游水沙條件相似的河段選取若干橫斷面，量取相應于整治水位時的水面寬度和設計航寬范圍內的最小水深，點繪河寬與水深關系圖，參考點群的下包線選取滿足航深條件的水面寬度作為整治線寬度。經(jīng)計算，澇洲汊道段至變水末端(松上100～79 km)，整治線寬度330 m；澇洲汊道段(松上79～50 km)，整治線寬度減少至200 m(圖2、圖3)。本次研究提出的整治線寬度更為合理、符合河道實際，與交通運輸部天津水運工程科學研究所2004年所做的松花江大頂子山航電樞紐工程變動回水區(qū)河段航道整治模型試驗得出的研究成果一致。

圖2 100～79 km河道B-t曲線圖

圖3 79～50 km河道B-t曲線圖

6 結 語

1) 松花江大頂子山航電樞紐變動回水區(qū)范圍為濱洲鐵路橋上50～100 km。

2) 樞紐變動回水區(qū)河段應遵循：中低水治理、整治和防護為主、疏浚為輔的整治原則，采取利用鎖壩或潛鎖壩塞支強干，減少支汊分流，增加主槽水深；利用丁壩適當束窄河槽，增加水流挾沙能力；修筑護岸，穩(wěn)定主導岸線，控制枯水河槽平面擺動；布設基建性挖槽，提高航深的整治工程措施。

3) 樞紐變動回水區(qū)航道整治技術參數(shù)：①基本站設計水位：三家子水文站設計最低通航水位117.82 m；②整治水位：設計水位上1.2 m；③整治線寬度：澇洲汊道段至變水末端(松上100～79 km)，整治線寬度330 m，而澇洲汊道段(松上79～50 km)，整治線寬度200 m。