松花江依兰航电枢纽施工期通航条件研究

吕景洋，王义安，于广年

（1.黑龙江省航务勘察设计院，哈尔滨150001；2.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

松花江水量充沛，水运条件优越，其干流经长期建设已初步形成协调发展的航运体系。黑龙江省完成的水运量约80%发生或通过松花江干流，其中通过依兰航段的水运量约占松干运量的20%。因此，在这样运量较大的河流中筑坝，施工期的通航问题显得十分重要，影响着施工布置、工程量及工期安排，因此必须认真对待和妥善安排。为保证枢纽施工截流期松花江的航运畅通，需要通过模型试验进行验证和分析，从而为设计提供相应的参数和科学依据。

1 枢纽工程概况

依兰航电枢纽工程位于松花江干流中游的牡丹江汇合口上游，坝址控制流域面积454 047 km2，最大通航流量（20 a一遇）13 240 m3/s，设计洪水（100 a一遇）19 694 m3/s，校核洪水（300 a一遇）24 017 m3/s，拟定正常蓄水位99.0 m，死水位97.0 m［1-2］。由左至右依次为土坝、船闸、工程管理区、30孔泄水闸、河床式水电站及坝顶公路等（图1）。

（1）船闸工程。

依兰航电枢纽船闸级别为Ⅲ级，上游设计最高通航水位99.00 m，最低通航水位95.00 m；下游最高通航水位98.70 m，设计最低通航水位89.50 m。船闸有效尺度为180 m×28 m×3.5 m（有效长度×有效宽度×门槛水深）。

（2）泄水闸工程。

泄水闸由闸室、消力池护坦、出口干砌石海漫、两侧岸墙及导流隔墩组成，堰型为底流消能折线堰，每孔净宽20 m，闸墩宽度3 m，泄水闸上游有进口铺盖，下游有消力池，其下为护坦及海漫，上下游均以1：15的坡度与原河床衔接；闸室上部设交通桥，交通桥总宽12.0 m，行车道净宽为9.0 m。

（3）电站工程。

水电站为河床式，主厂房沿坝轴线方向挡水长度为140 m。水电站建筑物主要由拦砂坎、引水渠、导流墙、进水口、交通桥、电站厂房、尾水平台及尾水渠等组成。进出、口底高程均为85 m，以1：4的坡度接89 m平台，平台逐渐与原河床衔接。厂房内安装8台单机容量为15 MW的贯流式水轮发电机组，总装机容量为120 MW，单机引用流量268.71 m3/s。

2 模型及试验条件

水工模型为1：100的整体定床正态模型，按重力相似准则进行设计，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。松干模拟河段上迄付家通岛岛尾，下至倭肯河河口下游，模拟河段全长约8.5 km；牡丹江模拟河段自河口向上游约3 km。

根据松花江现有船舶性能及设计单位提供的资料，施工期导流明渠内水流表面流速不超过2.5 m/s时，船舶自航通过；当明渠内水流表面流速超过2.5 m/s时，船舶需助航通过。根据坝区河段径流特征和围堰洪水标准，模型选择松干流量分别为 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），对应的牡丹江流量分别为 150 m3/s、237 m3/s、368 m3/s、1 790 m3/s、2 080 m3/s和2 400 m3/s等6个流量级进行施工期通航条件试验研究［3-4］。

3 施工一期通航条件

3.1 施工一期导流布置

依兰航电枢纽施工导流分两期进行，施工一期为3 a，按建春汛围堰→建主围堰→拆除春汛围堰的施工顺序，一期采用春汛（3 500 m3/s）及10 a一遇洪水标准（10 280 m3/s）。一期修建左岸船闸和右岸电站及右侧的12孔泄洪闸，利用原航道作一期施工通航。船闸位于左岸台阶地，旱地施工。右侧主围堰上游横向围堰长约572 m，顶宽6 m，顶高程为100.1 m，下游横向围堰长约631 m，顶宽6 m，顶高程同样为100.1 m，上下游围堰边坡均为1：2.5；纵向围堰长约298 m，宽度为6 m，顶高程为105 m，其中坝轴线以上129 m，坝轴线以下169 m。右侧春汛围堰长约857 m，顶高程为96.41 m，距右侧纵向围堰约54.6 m［5］。

3.2 施工一期春汛围堰阶段通航条件

3.2.1 施工一期（春汛围堰）水位、比降变化特征

施工一期春汛围堰河段水位、比降变化如表1所示。

（1）春汛围堰壅高了上游水位，随来水量增加，坝轴线上、下游水位壅高值显著增加，坝轴线上游水位壅高值大于下游水位壅高值；

（2）春汛围堰进口及坝轴线河段，枯水期形成指向左侧的横比降，随着流量的增加，逐渐形成指向右侧的比降；围堰出口受下游河道走势及牡丹江入汇作用，形成指向左侧的水面比降，且随着流量的增加，比降逐渐增大；

表1 施工一期春汛围堰河段各测点水位及沿程水面比降Tab.1 Water levels of observation points and water surface slopes

（3）随来水量增加，工程河段水面比降逐渐增加，坝轴线上游水面比降相对平缓，其下游水面比降最大，春汛流量时局部比降达5.31‰。

3.2.2 施工一期（春汛围堰）通航水流条件

（1）春汛围堰不仅壅高了上游水位，同时水流流速减缓，近围堰段流速沿断面呈左侧大、右侧小分布，并且随来水量增加，水流流速逐渐增加，Qsong=3 500 m3/s时，坝轴线上游300 m过流断面左侧流速约1.8 m/s；

（2）围堰河段流速沿断面同样呈左侧大、右侧小分布，随来水量增加，水流流速逐渐增加，Qsong=564 m3/s时水流流速为1.2～2.2 m/s，最大流速为2.69 m/s，出现在坝轴线以下150 m左右范围内，Qsong=3 500 m3/s时，水流流速达4.4 m/s；

（3）围堰下游河段流速沿断面同样呈左侧大、右侧小分布，随来水量增加，水流流速逐渐增加，Qsong=564 m3/s时，最大流速为 2.2 m/s，Qsong=3 500 m3/s时，流速达 4.3 m/s。

3.3 施工一期（主围堰）通航水流条件

3.3.1 施工一期（主围堰）水位、比降变化特征

（1）随来水量增加，围堰上游水位壅高值增加（图2），当Qsong=7 500 m3/s时，比5#水尺水位最大壅高约0.39 m，随来水量增加，围堰上游水位壅高值有所降低，当Qsong=10 280 m3/s时，比围堰上游水位最大壅高约0.35 m；

（2）最大比降河段出现在坝轴线至下横向围堰之间，随来水量增加，水面比降逐渐加大，Qsong=564 m3/s时，最大水面比降1.47‰，Qsong=3 500 m3/s时，最大水面比降为3.08‰；随牡丹江入汇流量增加，壅高了入汇口上游水位，围堰工程河段下游水位有所升高，围堰河段水面比降减缓。

3.3.2 施工一期（主围堰）通航水流条件

（1）一期围堰施工后，壅高了上游水位，减缓了水流流速，但随上游来水量增加，水流流速仍然增加，Qsong=564 m3/s时，上游近围堰航槽内水流流速约为1.06 m/s，Qsong=10 280 m3/s时，航槽内水流流速约为2.20 m/s；

（2）上、下游横向围堰河段水流流速增加较大，尤其坝轴线下游100～200 m河段，航槽内水流流速最大，Qsong=564 m3/s时，航槽内水流流速约为2.41 m/s，Qsong=10 280 m3/s时，航槽内水流流速达到4.50 m/s；

（3）围堰下游水流流速也较大，尤其出围堰后扩散水流的流向与航线存在较大交角，Qsong=564 m3/s时，航槽内水流流速约为1.90 m/s，Qsong=10 280 m3/s时，航槽内水流流速达到4.60 m/s。

4 施工二期通航条件

4.1 施工二期通航导流布置

施工二期为2 a，施工一期完成了左岸船闸及改善船闸通航水流条件的整治工程、右岸电站和右侧12孔泄洪闸的修建，二期利用已修好的泄洪闸泄洪及船闸试通航，同时修建中间18孔泄洪闸（图3）。

4.2 施工二期通航条件

4.2.1 施工二期水位、比降变化特征

施工二期围堰上、下游水位和流量关系（表2）表明：

（1）当Qsong=10 280 m3/s（松花江10 a一遇洪水）时，施工二期围堰上游最高水位为98.96 m，较二期围堰顶高程100.97 m低2.01 m；

（2）当Qsong=10 280 m3/s（松花江10 a一遇洪水）时，施工二期围堰下游最高水位为97.57 m，较二期围堰顶高程100.97 m低3.4 m；

（3）施工二期上下游横向围堰高度可适当降低。

表2 施工二期围堰上、下游横向围堰处水位表Tab.2 Water levels before and behind the transverse cofferdam in phaseⅡof the junction

4.2.2 施工二期通航水流条件

（1）当泄水闸关闭、电站或电站与泄水闸联合运用时，上游来水量Qsong＜7 500 m3/s，库区保持正常蓄水位，船闸上下游引航道口门区及连接段通航水流条件较好，满足船舶安全航行要求；

（2）当Qsong≥7 500 m3/s时，由于电站关闭，库区水流向泄水闸集中，出库水流向左右两侧扩散，在左侧围堰下游形成大范围回流，在右侧电闸下形成小范围回流区，同时上下游引航道口门区均存在回流区；

（3）当Qsong=7 500 m3/s时，上游引航道口门区最大横向流速Vxmax=0.23 m/s，最大纵向流速Vymax=0.88 m/s。下引航道口回流影响范围至堤头以下约300 m，口门区最大横向流速Vxmax=0.29 m/s，最大纵向流速Vymax=1.08 m/s，连接段航道内随水流纵向流速进一步增加，最大横向流速Vxmax=0.36 m/s，最大纵向流速Vymax=2.32 m/s，出现在连接段末端；

（4）当Qsong=10 280 m3/s时，上游引航道口门区最大横向流速Vxmax=0.22 m/s，最大纵向流速Vymax=0.83 m/s。下引航道回流影响范围至堤头以下约450 m，口门区最大横向流速Vxmax=0.31 m/s，最大纵向流速Vymax=0.83 m/s，连接段航道内随水流纵向流速进一步增加，最大横向流速Vxmax=0.49 m/s，最大纵向流速Vymax=2.44 m/s，出现在连接段末端。

5 结论

（1）施工一期春汛围堰不仅壅高了上游水位，同时改变了水流流速分布，流速沿断面呈左侧大、右侧小分布，春汛围堰河段来水量大于2 000 m3/s时，上行船舶（队）可借助推轮由靠近围堰侧通过该河段。

（2）施工一期主围堰同样壅高了上游水位且改变了水流流速分布，围堰河段来水量大于3 000 m3/s时，上行船舶（队）可借助推轮由靠近围堰侧通过该河段。

（3）施工二期船闸及其改善通航水流条件整治工程已建成，船闸试通航期，上下游引航道口门区及连接段通航水流条件基本满足要求，洪水期仅下游连接段纵向水流流速偏大。

（4）建议将春汛围堰拆除至原河床，同时将依兰边滩开挖至88.5 m高程，以改善施工期及运行期通航水流条件。

［1］赵清江，黄进清，王义安，等.依兰航电枢纽总体布置研究［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，王义安，于广年.松花江依兰航电枢纽坝址选择［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］王义安，于广年，刘哲.牡丹江对依兰航电枢纽工程的影响［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］侯志强，王义安，陈一梅.支流入汇对干流航道影响分析［J］.现代交通技术，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］赵清江，王义安，于广年.改善依兰通航水流条件方案试验研究［J］.东北水利水电，2009（10）：44-47.