松花江佳木斯悦来航电枢纽坝址选择

2010-05-16赵清江王义安于广年

水道港口 2010年2期

赵清江，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）

拟建松花江佳木斯悦来航电枢纽工程位于松花江干流460 km处，是松花江干流航道发展规划中确定的7个梯级中的最下游梯级，是一座以改善航运条件、城市生态环境及增加灌溉效益为主，兼有发电、交通、养殖、旅游等综合利用效益的工程。初拟坝址控制流域面积52.9×104km2，坝址处多年平均径流量710亿m3，设计洪水（100 a一遇）23 800 m3/s，校核洪水（300 a一遇）29 200 m3/s；正常蓄水位 77.0 m，设计库容 3.91亿m3；死水位75.5 m，死库容2.05亿m3。初拟悦来航电枢纽船闸级别为Ⅱ级，船闸有效尺度为235 m×32 m×4.5 m（有效长度×有效宽度×门槛水深）。上游设计最高通航水位78.7 m（20 a一遇的洪水标准），最低通航水位75.5 m；下游设计最高通航水位78.54 m，最低通航水位71.6 m。松花江渠化规划阶段初拟的坝址位于佳木斯市下游约20 km处（图1），其比选坝址在原规划坝址下游约4.2 km处。本文采用正态物理模型水流试验研究方法，对两坝址不同枢纽总体布置进行分析，分别提出经济合理、技术可行的推荐方案，在此基础上对选址方案进行多方面论证，为悦来航电枢纽的工程决策和设计提供科学依据。

1 坝区河段自然条件

1.1 河道概况

悦来航电枢纽所在区域地势平坦开阔，主要为河流相冲积地貌单元，局部可见低山丘陵。沿松花江及其支流两岸发育有高低漫滩，滩面平缓，微倾向河床。工程河段现有佳同南大堤、佳同北大堤、佳木斯城堤及其他堤段，除佳木斯城堤为50 a一遇标准外，其余均为20 a一遇标准，堤距3.5～5.5 km。

上坝址左侧洪水漫滩地宽约3.2 km，滩地高程75～77 m；坝址上游河中发育有较大的江心洲，江心洲顶高程74～77 m，中、枯水期江心洲将河道分为两汊，右汊为现行主航道，上坝址位于两汊汇流口下游。

下坝址位于上坝址下游约4.2 km，左侧洪水漫滩地宽约1.7 km，滩地高程75～76 m；右侧洪水漫滩地宽约0.8 km，滩地高程约76～77 m；河中发育有较大的江心洲，江心洲顶高程74～76 m，中、枯水期江心洲将河道分为两汊，右汊为现行主航道。

1.2 水文、泥沙特征

拟建松花江悦来航电枢纽河段上游有佳木斯水文站（距本枢纽约20 km），其控制流域面积为52.83×104km2。根据佳木斯水文站历年月平均流量、输沙率（1953～2004年）统计（表1），年际间水量、沙量极不均匀。年际间水量分配极不均匀是河势发生变化的主要原因，尤其大丰水年或系列丰水年对河道的塑造具有决定性的意义；年内水量、沙量分配也极不均匀，年内对河床形态的塑造主要是畅流期水流作用的结果，尤其是汛期水流对枯水期河槽的塑造。

表1 佳木斯水文站多年（1953～2004年）月平均水量、输沙量Tab.1 Mean monthly flow and sediment discharge in Jiamusi Hydrologic Station

2 坝址比选条件

2.1 通航水流条件基本要求

按照《船闸总体设计规范》［2］（JTJ305-2001）（以下简称规范），船闸口门区及引航道水流限制条件如下。（1）引航道口门区水面流速。在口门区的有效水域范围内，纵向流速Vy≤2.0 m/s，横向流速Vx≤0.3 m/s，回流流速V0≤0.4 m/s。另外在引航道口门区宜避免出现如泡漩、乱流等不良流态。（2）引航道内流速。引航道导航段和调顺段内宜为静水区，制动段和停泊段的水面最大流速纵向应小于等于0.5 m/s，横向应小于等于0.15 m/s。（3）口门区与主航道之间的连接段水流条件。参照口门区通航水流条件的基本要求，判别连接段水流条件的优劣。

2.2 枢纽泄流能力基本要求

根据水利部《水闸设计规范》［3］SL265-2001第5.0.5条规定，水闸的过闸水位差应根据上游淹没影响、允许的过闸单宽流量和水闸工程造价等因素综合比较选定。一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.1～0.3 m。

根据交通部《渠化工程枢纽总体布置设计规范》［4］JTJ220-98第4.2.5条规定，泄水建筑物应具有足够的泄流能力，以降低泄洪时上游洪水位的壅高。在平原河流上，宣泄设计洪水或校核洪水时的壅高值不宜超过0.3 m。在山区河流上，允许的壅高值可以提高。

设计单位根据佳木斯市防洪现状及枢纽建设对上游淹没影响，提出上坝址100 a一遇洪水坝前壅水高度不宜超过0.12 m、下坝址不宜超过0.16 m的控制标准，300 a一遇洪水坝前壅水高度不宜超过有关规范规定的0.3 m。

3 枢纽上下坝址推荐总体平面布置［5-6］

3.1 上坝址枢纽总体平面布置

枢纽平面布置设计方案由右至左依次为土坝、工程管理区、船闸、电站、泄洪闸及第二段土坝（图2）。船闸布置在右岸一侧，位于坝轴线以下，船闸中心线与坝轴线垂直，采用直进曲出的过闸方式。上游引航道导流堤长670 m，顶高程81.5 m，上游引航道底高程72 m，宽105 m；下游引航道导流堤长663 m，顶高程81.3 m，下游引航道底高程68.3 m，宽105 m。泄洪闸位于电站左侧，泄洪闸设计孔数为65孔，泄洪闸坝面为底流消能折线堰，20孔主泄洪闸堰顶高程69.5 m，41孔副泄洪闸堰顶高程71 m；泄洪闸每孔净宽20 m，闸墩宽度4 m，中墩宽度6 m；泄洪闸上游进口有铺盖，下游有消力池，其下为护坦和海漫。

3.2 下坝址枢纽总体平面布置

下坝址位于分汊河段，枢纽平面布置设计方案按左右汊分开布置，自右至左依次为土坝、船闸、20孔主泄洪闸、江心洲土坝、电站、35孔副泄洪闸及左岸土坝（图3）。船闸布置在右汊右侧，位于坝轴线以下，船闸中心线与坝轴线垂直，采用直进曲出的过闸方式。上游引航道导流堤长655 m，顶高程80.9 m，上游引航道底高程71.5 m，宽105 m；下游引航道导流堤长667 m，顶高程80.7 m，下游引航道底高程68.3 m，宽105 m。20孔主泄洪闸位于右汊河槽内，泄洪闸坝面为低流消能折线堰，泄洪闸堰顶高程69 m，35孔副泄洪闸位于左汊河槽，泄洪闸堰顶高程70.5 m，每孔泄洪闸净宽20 m，闸墩宽度4 m；泄洪闸上游进口有铺盖，下游有消力池，其下为护坦和海漫。

4 枢纽泄流能力比选

4.1 泄水建筑物平面布置

上坝址泄水建筑物泄流净宽1 220 m，上坝址中枯水河面相对下坝址较窄，枢纽各主要建筑物布置相对困难，有22孔副泄洪闸需要布置在左侧洪水漫滩上，且发电厂房占据了部分主槽，使主泄洪闸泄流能力相对降低。下坝址中枯水河面相对较宽，枢纽各主要建筑物布置相对宽裕，20孔主泄洪闸位于原主河槽内，35孔副泄洪闸位于原左汊内。因此在泄水建筑平面布置方面，下坝址优于上坝址。

图3 下坝址枢纽平面布置方案Fig.3 Plane layout of lower dam site

4.2 泄水闸泄流能力

两坝址上下游150 m处水位壅高值均小于0.30 m（表2），说明上下两坝址枢纽平面布置的泄流能力均满足设计要求，且有一定的富裕。宣泄同频率洪水时，下坝址枢纽泄流能力略强于上坝址，且下坝址管理区岛头的结构型式、岛头偏角等仍有优化的空间，下坝址优化方案的泄流能力仍有可能增加，就泄流能力而言推荐下坝址方案。

表2 上下坝址枢纽泄流能力比较 mTab.2 Comparison of discharge capacity between upper and lower dam sites

5 通航水流条件比选

两坝址船闸上、下游引航道口门区及连接段最大横向流速比较如表2所示。当流量Q≤10 990 m3/s时，两坝址上引航道口门区及连接段通航水流条件均满足规范所规定的限值要求，当流量Q=17 070 m3/s时，通航水流条件基本满足规范所规定的限值要求。当流量Q≤10 990 m3/s时，上坝址下引航道口门区及连接段通航水流条件均满足规范所规定的限值要求；当流量Q=17 070 m3/s时，通航水流条件基本满足规范所规定的限值要求。而下坝址通航期内各流量级下引航道口门区及连接段通航水流条件均满足规范所规定的限值要求。综合上、下游引航道口门区及连接段通航水流条件，下坝址略优于上坝址。

表3 船闸上、下游引航道口门区及连接段通航水流条件Tab.3 Comparison of navigation flow conditions between entrance area of upper and downstream approach channel and connection section

6 船闸、电站相对位置比较

按照《渠化工程枢纽总体布置设计规范》（JTJ220-98）相关规定，船闸、电站分开布置优于集中布置，上坝址推荐方案的船闸、电站为集中布置，电站尾水会对船闸通航水流条件产生一定影响，且无法布置进出电站公路，电站机组等大型物件运输较为困难；下坝址推荐方案船闸位于右汊、电站位于左汊，电站尾水不会对船闸产生影响。因此，从工程布置角度而言，下坝址方案优于上坝址方案。

7 船闸引航道口门区及连接段航道线型对比

上、下坝址平面布置方案船闸均位于右岸台地，受到河势和两岸地貌制约。上坝址船闸布置在顺直河段，上游口门区为450 m直线段，然后通过半径1 000 m圆弧与主航道连接；下游口门区及连接段均为直线段，线型平顺。下坝址推荐方案船闸位于凹岸，上游口门区航道受地势制约，航道线型为半径1 000 m的圆弧，后通过反弧段与主航道连接，船舶行驶时既要转弯又受到横流影响，需频繁用舵，船舶操纵起来比较困难；下游口门区及连接段均为直线段，线型平顺。因此就口门区及连接段航道线型而言，上坝址优于下坝址。

8 发电水头比较［7］

考虑本工程初拟安装5台单机额定流量242 m3/s的贯流式水轮发电机组，其最小净水头1.5 m。当上游来水量大于4 500 m3/s时，上坝址正常蓄水位与坝下水位差小于1.5 m；当上游来水量大于5 750 m3/s时，下坝址正常蓄水位与坝下水位差小于1.5 m。即使考虑近坝河段河床冲刷下切、水位降落等实际情况，下坝址发电净水头也大于上坝址。可见下坝址发电效益好于上坝址。