热电项目取水口设计及河工模型试验研究

杨 英,韩 爽，胡晓霖

（1.水利部综合事业局,北京100053；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院,吉林长春130061）

1 概述

佳木斯市位于黑龙江、乌苏里江和松花江汇流的三江平原腹地，为满足佳木斯中心区和佳东区的近、远期集中供热需求，预扩建供热工程。一期工程建设为 2×350 MW燃煤机组，采用二次循环冷却方式，并以松花江水作为冷却水补给水源。

2 河道演变分析

2.1 河道演变因素

河道演变是具有动边界的水沙两相流必然发生的现象。对于松花江干流而言，地质地貌是该河段演变、发展的当地条件；而上游来水来沙是该河段演变、发展的外来物质条件。

2.2 来水来沙特性

佳木斯河段洪水主要来自松花江干流，其次是支流牡丹江、汤旺河。洪水的大小取决于干流本身及其与牡丹江、倭肯河、汤旺河等较大支流的洪水相遭遇。

佳木斯水文站多年日平均流量统计，年内水量分配极不均匀，对河床形态的塑造主要是畅流期水流作用的结果，尤其汛期水流对枯水期河槽的塑造。

2.3 河道特征

该河段范围内造床流量下河宽B为700～1 300 m，水深h为8～11 m，河道平均比降约为J=0.012%，滩地高程基本在80～84 m。主槽平面呈“U”型，河槽内分布有浅滩、支汊，但水流相对集中，只在枯水期才沿河槽中的浅滩两侧分流。

本段河道转弯半径为3.4～9.0 km，河相关系系数 ζ=B0.5/h=3.33 ，（黄河花园口 ζ为 19.0～32.0、长江荆江 ζ为 2.23～4.45、ζ＞19 为游荡型、ζ＜4.45为蜿蜒型），则本河段属于蜿蜒型河道。

河床纵向稳定系数φh=d/J＝0.75（d为床沙中值粒径mm；J为河道比降0/000），（长江荆江为蜿蜒段φh=2.9～4.1、黄河高村至陶城埠为过渡段φh=0.42～0.54、高村以上为极不稳定的游荡性河段φh=0.31～0.47）。

横向稳定系数 φb＝b/B=0.34～0.63（b：枯水宽度；B：平滩河宽），（长江荆江段为蜿蜒段φb=0.87～1.56、黄河高村至陶城埠为过渡段 φb=0.48～0.70、黄河高村以上为游荡段φb=0.18～0.45）。

综合稳定系数φ＝0.26～0.47（长江荆江蜿蜒型河段 0.24～0.52，黄河花园口段 0.03～0.1）。

综上所述，本河段为一个基本稳定的蜿蜒型河道。

2.4 河道历史演变分析

套绘1965年、1970年、1974年取水口河段的河势演变图进行对比，尽管河段内的河道蜿蜒，河槽呈“U”型，但河槽的左、右摆动幅度并不大，这10年中河道平面形态基本稳定，河槽区间内3个浅滩的大小、形状基本没有发生大的改变，除其相对位置略有下移之外，单一河道的中岸线稳定性都较好，整个河道的河势是基本吻合的。

套绘佳木斯水文站自1972年到1987年的横断面地形，就其主槽宽度、滩地位置、特别是深泓点进行比较，除主槽河床局部稍有冲淤变化（左侧冲淤变化较小，右侧冲淤变化略大）之外，绝大部分河床稳定。同时因河床主要由细砂组成，且左、右两岸设有堤防控制，因而河槽控制条件良好，滩槽位置基本稳定。

总之，该段河道由资料的对比分析认为历史上河势是比较稳定的。

2.5 河道近期演变分析

套绘2002年、2005年、2011年的河势图比对，近10年来河道依然呈蜿蜒状态，河槽游移变化相对很小。除弯段河道的凸岸滩地轮廓略有下移之外，其它河段基本没有改变。

套绘佳木斯水文站从1995年到1908年之间，5个代表年的横断面地形，其主槽和滩地的横向位置以及深泓点基本没有明显变化。只是历经了1998年的全流域性特大洪水后，在主槽的右侧发生一定的淤高现象，随后由有关部门进行了清淤。而2003年到2008年横断面地形再次比较，其主槽形状不再发生大的变化。

因此，该段河道近10年来河势也是比较稳定的。

2.6 河势演变趋势分析

无论从河道稳定计算还是近60年来该段河势的横向变化（河槽变化、岸滩变化）、纵向变化（冲淤变化）都相对稳定，因而认为松花江佳木斯取水口所在的河段属于较稳定的蜿蜒型宽浅河道，不会发生大的河势改变，冲淤呈稳定的趋势，取水口的修建亦不会对这种河道演变规律构成影响。

3 取水口设计

根据河道走势及相对电厂位置拟选择三个不同的取水口方案，且各取水口方案均布置在河流主槽的右侧、滩地的边缘，其泵站设置在靠近右侧大堤的河漫滩上。

取水口方案一：距离福胜村厂址2 400 m、距离上游码头450 m（不影响船渡）、距离深泓线600 m（不影响航运），泵站拟建在堤外。

取水口方案二：距离福胜村厂址4 400 m、距离深泓线300 m（不影响航运）、距离上游跨江高压线路300 m（不影响电网正常运行），泵站拟建在堤外。

取水口方案三：距离福胜村厂址5 100 m、距离深泓线300 m（不影响航运），泵站拟建在堤外。

取水口各方案引水渠渠底宽度均取为10.00 m、迎水面导墙长度均取为100.00 m。

3个取水口方案的渠底高程，依次选定为72.10 m、72.68 m、73.10 m；引水渠剖面形式采用倒梯形；拦沙坎的高程分别为73.20 m、73.80 m、74.20 m；对应各方案的开挖量顺次约为8万m3、11 万 m3、12 万 m3。

4 河工模型试验研究

取水口河段河工试验研究选在变态模型上开展，即平面比尺350、垂直比尺100，变率为3.5。

4.1 模型沙选择

经现场查勘和以往的研究经验可知：松花江为少沙河流，河道中对造床起决定性作用的主要为推移质泥沙。

现场采集的泥沙和试验选择的塑料沙起动流速之比为8.88～9.75，基本满足流速比尺相似的要求。

4.2 模型验证

为保证模型与原型的相似性，从而保证试验结果的正确性，模型与原型的河道必须满足阻力相似。

根据《松花江流域防洪规划报告》（水利部松辽水利委员会、中水东北勘测设计研究有限责任公司2005年3月）中松花江干流规划水面线成果和松花江干流糙率试算成果以及对沿线河道的现场查勘中采集沙样的颗分曲线，分别对试验模拟河段进行主槽和滩地的糙率验证。

4.2.1 主槽糙率

试验模拟的全部河道地形均采用水泥沙浆抹制，其糙率一般为0.012，不满足阻力相似的要求。因而根据司觉克的研究，曼宁糙率与密排沙粒径的关系n=0.015 d1/6（d为床沙粒径mm）和现场沙样的颗分曲线结果，综合算得主槽应采用粗沙密集加糙后，其糙率方可达到了阻力相似的要求。

4.2.2 滩地糙率

7.D 提示:0.98gCu(OH)2的物质的量为0.01 mol,若全部生成CuO,则质量为0.01mol×80g·mol-1=0.80g,所以a点对应的物质是CuO;若全部生成Cu2O,则质量为0.005mol×144g·mol-1=0.72g,所以b点对应的物质是Cu2O,A项错误。根据化学方程式可知,生成水的物质的量为0.01mol,质量为0.01mol×18g·mol-1=0.18g,B项错误。CuO和其中所含Cu元素的质量关系(以CuO的质量为10g计算)为:

试验研究对滩地的加糙从两个方面综合考虑：即有高棵覆盖的滩地范围采用《松花江流域防洪规划报告》中试算的成果，糙率为0.070 5～0.088 2，而没有高棵覆盖的范围依现场查勘的结果，糙率约为 0.040～0.050。

依据上述原则：试验对河道滩地经过反复试验、多次加糙后，模型与实测的各典型断面水位值基本一致，最大正、负偏差换算成原型河道后不超过+0.20 m、-0.16 m。

经主槽和滩地的糙率复合及验证，模型基本达到了阻力相似的要求，可以开展正常试验。

4.3 试验研究成果

佳木斯取水口河工模型试验研究分定床和动床两部分开展。

4.3.1 定床试验研究

在定床试验条件下3个取水口方案都满足97%的取水保证率，但从水流流态、流速分布上分析各方案利弊如下：

取水方案一：距厂址最近，尽管松花江佳木斯河段多年泥沙冲淤基本保持平衡，且取水口又位于河道的主槽附近，相对流速较大，但考虑到此处河段两堤间距较大（约1 700 m），堤防又呈扩散状布置，更主要的是江心浅滩位于取水口的上游，使左、右两汊河槽的水流直接在此处汇合，流态相对混乱，因此极有可能在取水口一侧的河道内产生一定的泥沙淤积。

取水方案二：距厂址4 400 m，但位于蜿蜒型河段的凸岸，受弯道横向环流的影响，将直接造成泥沙在此处的不断淤积，促使边滩向主槽方向侵占，在不附加清淤措施的前提下，将导致取水口无法正常取水。

取水方案三：距厂址5 100 m，相对其它2个方案距厂址最远，但是该布置处在蜿蜒型河段的凹岸顶冲点稍下游的位置，水流受弯道横向环流的影响，有效的避免了推移质泥沙靠近取水口附近的淤积，利于取水口在保障取水的前提下，达到防止泥沙淤积的目的。4.3.2动床试验研究

动床试验研究的重点是取水口附近的冲淤变化情况。选择1998年洪水（洪峰流量接近试验河段的百年一遇洪水），对其进行梯级概化组合后作为上游的边界条件。

弯道特有的几何特征和边界条件,使得产生弯道环流,表现为螺旋流运动。弯道环流的出现,使弯道内泥沙横向输移,体现在弯道的凹岸为冲刷、凸岸为淤积的冲淤特性。一般河道内修建无坝取水设施大多都是利用这一特点，将取水口布设在河流弯道顶冲点偏下一点的位置。对3个取水方案，方案二布设在弯段河道的凸岸位置，此处泥沙淤积严重，取水条件差；方案三布设在凹岸偏向下游的位置，基本没有泥沙淤积，取水条件好，方案三布置满足取水要求。

方案一位于分汊河道的末端输沙通道上，设计布置上游导墙长度不足以拦截和导向水沙流，使取水口前部分泥沙落淤，对取水带来影响。但经过对取水口方案一布置进行优化后，有效的遏制了泥沙在取水口前的沉积，达到了满足工程取水需求的目的。

各方案取水口修建后，基本没改变原有河道的水流流速、流态以及水位，对通航不构成影响。

汛期漂浮物对3个取水口布置方案造成不利影响的因素不大。

春汛期冰凌对取水口的取水影响不大，仅方案三受流冰的撞击，需要加固上游导墙。

5 结论

1）松花江干流佳木斯河段来沙量少、流速不大、河床演变十分缓慢、没有大的冲淤变化。

2）方案一位于分汊河道末端的输沙通道上，取水防沙效果不理想；方案二位于河流弯道的凸岸，位置最不利，取水口门极易发生淤积。

3）方案三位置优越，在河流的凹岸，具有较好的取水防沙效果，将其作为推荐方案；方案一采取导沙措施后，能够满足工程的取水需求，亦可作为设计采用的方案之一。

4）春汛冰凌及汛期漂浮物对取水影响不大，仅方案三受流冰的撞击，需要加固上游导墙。

5）取水建筑物对河道的通航现状几乎没有影响。