松花江大顶子山航电枢纽变动回水区航道整治范围、原则和技术参数探讨

2021-09-03赵世青

水利科技与经济 2021年8期

赵世青

(黑龙江省航务勘察设计院，哈尔滨 150001)

1 概述

大顶子山航电枢纽位于松花江干流哈尔滨市下游46 km处，北岸为呼兰区，南岸为宾县,是一座以航运和改善哈尔滨市水环境为主，兼具发电、灌溉、交通、水产养殖和旅游等功能的综合性工程。2008年枢纽建成蓄水后，大幅度改善上游库区河段通航条件，并通过补水调节下游航道流量，维持下游航道的通航。但因发电、防洪及为下游河道补水需要，坝前水位由正常蓄水位116 m降至最低通航水位115 m，回水末端位置相应变化，形成水库变动回水区，并将产生泥沙累计性淤积，使航深变浅，航槽不稳定，航行条件较建枢纽前恶化。枢纽变动回水区处于松花江上游，规划航道等级为Ⅲ级，航道尺度1.7 m×70 m×500 m(航深×航宽×弯曲半径)，通航保证率为95%。目前，该段按1.5 m×50 m×500 m进行维护，枯水期该段仍是松花江上游“卡脖子”河段之一，制约了松花江这条黄金水道的通过能力，亟待实施航道整治。

大顶子山航电枢纽是我国季节性封冻河流上建设的首座航电枢纽，而变动回水区河段具有水库和天然河流的双重属性，水沙、边界条件和浅滩成因均有异于天然河流，需对枢纽变动回水影响范围、航道整治原则、措施和工程技术参数进行较为深入的研究，才能保证成功治理。

2 变动回水区范围

研究表明，正常蓄水位116 m条件下，当上游来水量为550 m3/s时，水库回水末端位于双城市双青乡附近(图1，滨洲铁路桥上约100 km)；当上游来水量为常年洪水流量4 930 m3/s时，水库回水末端位于涝洲镇附近(滨洲铁路桥上约50 km)。因发电或为下游河道补水，或为防洪提前预泄，当坝前水位降至死水位115 m且上游来水量为550 m3/s时，回水末端位于宋家子湾附近(桥上约70 km)。当上游来水量大于4 956 m3/s时，枢纽上游河道已不具水库的属性。因此，考虑水库在运行过程中可能出现的各种情况，确定变动回水区范围为滨洲铁路桥上50～100 km。

图1 大顶子山航电枢纽回水曲线

3 变动回水区河道概况

变动回水区河段两岸地势平坦，多为沼泽、牛轭湖、草地、灌木丛，两岸堤防按50～100年一遇洪水标准建设，堤顶高程约为125 m，堤距达10 km以上。按松辽委松花江干流规划水面线，该河段在20～100年一遇洪水时，两岸滩地漫水过流，水面比降约为0.666。中枯水河槽平面呈多分汊，两岸陡塄高118～122 m，主河槽呈蜿蜒“藕节”状，宽窄相间，放宽处水浅航道条件较差，河道缩窄处水深条件良好，枯水期平均水面坡降0.6，流速0.8～1.5 m/s。该河段历史上只进行过少量的维护性挖泥，大部分浅滩仍处于自然状态。1995年时涝洲右汊作为通航汊道，1998年大洪水后右汊萎缩淤积、左汊发展，左汊发展为现行通航汊道。

4 变动回水区整治原则、措施

4.1 整治原则

研究表明，变动回水区河段现状条件下年际、年内来水及来沙不均，就多年平均而言，水库维持正常蓄水位的时间达97.8%，径流量占多年平均的89.6%，输沙量占多年平均的90.3%。因此，其具有水大沙大、水小沙少的特征，而调水后年际、年内来水量更不均匀，枯水期延长，通航保证率降低，中水来水量减少，对航槽的塑造不利。变动回水区上段中枯水河槽宽浅，局部河床产生倒坡，不利于泥沙输移；下段为多分汊河段，左汊窄深，河床相对稳定，航行条件良好。洪水期受地形、地貌的影响，本河段具有洪淤枯冲的演变规律，而落水期由于来水来沙不同，通航汊道兴衰交替或撇弯切滩，航槽处于缓慢变化之中。水库蓄水后，坝前水位升高，自变动回水区上端水深沿程增加、水面比降及流速沿程减小、水流挟沙能力沿程减弱，泥沙沿程落淤。通航汊道分流比减小，使通航汊道中枯水来水量更加不连续。

枢纽投入运行以来，变动回水区来水来沙条件、边界条件发生较大改变，导致河道冲淤变化较大，深泓出现不同程度摆幅，航线随之调整。如变动回水区进口通航左汊在汛期水流作用下横、纵向发展，99#导线所在弯道愈加弯曲；96#导线所在弯道凸岸边滩不断淤长，主流逐渐南移过程中，造成江心岛受冲消失，右侧凹岸受冲严重，分汊河道变成单一河道，造成航槽改道、滩槽易位；86#导线所处江心岛，左汊淤积，右汊发展，但2012年曾发生航线改走左汊情况，表明受特殊或系列丰水年份洪水作用，汊道兴衰交替存在可能；因岛尾边滩逐渐绵长下移，加之左岸边滩淤长，在84#-85#导线之间形成过渡段浅滩，阻隔上下深槽，迫使航道切滩艰难前行。涝洲汊道段，右汊进口淤高、进流受阻，相应通航左汊进流条件有利，除71#、55#-56#导线上航槽淤积外，航槽大多处于冲刷状态。

基于建库前后水沙特性、河床演变变化规律和特点，大顶子山枢纽变动回水区河段应遵循：中低水治理、整治和防护为主、疏浚为辅的整治原则，即在稳定河道的同时，通过工程控制，使整治流量级下通航汊道内水流连续、水位消落期适当加大水流输沙能力，减少累计性泥沙淤积，再辅以疏浚工程，维持变动回水区河段航道畅通。

4.2 整治措施

利用锁坝或潜锁坝塞支强干，减少支汊分流，增加主槽水深；利用丁坝适当束窄河槽，增加水流挟沙能力；修筑护岸，稳定主导岸线，控制枯水河槽平面摆动；布设基建性挖槽，提高航深。

5 整治工程主要技术参数

5.1 设计水位

根据《松花江干流大顶子山航电枢纽工程初步设计》，哈尔滨站设计最低通航水位112.67 m(1956年黄海高程，下同)和下岱吉站设计最低通航水位120.46 m，通航保证率95%。

为保证设计科学、合理，有必要进一步研究、校核设计水位。本次研究将松花江全线梯级建成以前哈尔滨断面通航流量550 m3/s作为设计流量，设计水位采用天然河道的设计水位。由于三家子水文站位于松花江上游航道里程88 km，恰好处于变动回水区内，利用大顶子山航电枢纽蓄水后的三家子站2009-2019年水文资料，进行设计最低通航水位的推求。经计算，该站对应于设计最低通航流量550 m3/s的水位为117.82 m，通航保证率95%，即三家子站设计最低通航水位为117.82 m。

本次提出的三家子站设计水位与哈尔滨站设计水位相关性较好，因枢纽运行后三家子站实测水位、流量成果更能反映变动回水区的实际情况，故本次基本站设计最低通航水位采用三家子站设计最低通航水位117.82 m，再根据2020年实测水面线成果推算变动回水区各浅滩和工程位置的设计最低通航水位。

5.2 整治水位

整治水位是与整治建筑物头部齐平的水位。整治水位的确定不仅关系到整治工程作用和造价高低，甚至可能关系到工程成败。初设阶段，利用哈尔滨水文站的水文资料，用造床流量法推求第二造床流量值为1 100 m3/s，相应水位113.87 m，高于设计水位1.2 m。变动回水区内，浅滩有沿程逐渐淤积抬高的趋势，流速也有所减缓，确定整治水位从上游到下游为设计水位上0.5～1.2 m。

由于变动回水区河段天然条件下年际、年内来水及来沙不均，蓄水后年际、年内来水量更不均匀，枯水期延长，通航保证率降低，中水来水量大幅减少，对航槽的塑造不利。坝前水位升高，自变动回水区上端水深沿程增加、水面比降及流速沿程减小、水流挟沙能力沿程减弱，泥沙沿程累积性落淤成滩。通航汊道分流比减小，使通航汊道中枯水来水量更加不连续。因此，本次整治遵循中枯水治理的原则，布设整治建筑物主要集中在变动回水区中上段，且数量较少，若整治水位偏低，则浅滩冲刷强度和冲刷历时不足，达不到预期整治效果。结合松花江干流多年的整治经验，整治水位一般高于设计水位0.5 m～1.5 m，经综合考虑，本次确定变动回水区整治水位为设计水位上1.2 m。

5.3 整治线宽度

初步设计采用优良河段模拟法、理论计算方法及经验法等多种方法对比分析，同时充分考虑变动回水区的水流特点，确定变动回水区整治线宽度沿程从上游450 m到下游沿程逐渐束窄至400 m。

研究过程中，利用2020年实测水深图，根据蓄水后河道多年变化，采用实测河宽与水深关系法，确定整治线宽度。即在浅滩段及上下游水沙条件相似的河段选取若干横断面，量取相应于整治水位时的水面宽度和设计航宽范围内的最小水深，点绘河宽与水深关系图，参考点群的下包线选取满足航深条件的水面宽度作为整治线宽度。经计算，涝洲汊道段至变水末端(松上100～79 km)，整治线宽度330 m；涝洲汊道段(松上79～50 km)，整治线宽度减少至200 m(图2、图3)。本次研究提出的整治线宽度更为合理、符合河道实际，与交通运输部天津水运工程科学研究所2004年所做的松花江大顶子山航电枢纽工程变动回水区河段航道整治模型试验得出的研究成果一致。