松花江大顶子山航电枢纽坝下冲刷深度及水位降落研究.docx
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松花江大顶子山航电枢纽坝下冲刷深度及水位降落研究
松花江大顶子山航电枢纽坝下冲刷深度及水位降落研究
松花江大顶子山航电枢纽坝下冲刷深度及
水位降落研究
第32卷第3期
2011年6月
水道港口
JournalofWaterwayandHarbor
V01.32NO.3
Jun.20l1
松花江大顶子山航电枢纽坝下冲刷深度及水位降落研究
王军,王义安,于广年
(1.黑龙江省航道局,哈尔滨150002;
2.交通运输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)
摘要:
利用长河段一维数学模型,预报了大顶子IlJ航电枢纽存运干t不同时期后的冲刚深度硬水位降落
情况.结合近坝段.『n』床防护措施,确定了火顶子【JI枢纽下游最低通航流量,相的下游最低通航水位,楸
纽船州的?
槛最小水深以及船『中】下闸首底槛的高程.
关键词:
航电枢纽;冲刷深度;水位降落
中图分类号:
U6l7;TV86文献标识码:
A文章编号:
1005—8443(20l】)03一O197—05
枢纽建成后,泥沙在水库淤积,I叶J库沙量锐减,引起下游河床普遍冲刷,水位降落.尤其对于沙质和沙卵
石河床,同流量下的枯水水位降落绝对值和相对值都较大,导致枯水期通航建筑物门槛水深不足,严重时产
生断航.枢纽清水下泄河床下切问题是枢纽设计及航道整治中的重点和难点,具有复杂性和普遍性.其复杂
性主要体现在兴建枢纽河段来水来沙条件,坝下河床质及覆盖层厚度,枢纽调度方式等不同,坝下形成的冲
刷幅度,稳定冲刷层及冲刷范围等各不相同,坝下水位降落幅度也不尽相同;其普遍性主要体现在已建枢纽
由于坝下游水位降落值考虑不足,或坝下游水位降落值考虑较大,造成下闸首挖方,闸门及启闭系统,下引
航道,口门区及连接段等工程量加大,且枢细正常运用后维护量相对较大,增大了枢纽建设及运营费用.松
花江大顶子山航电枢纽位于松花江干流哈尔滨市下游70km处,是一座以航运,发电和改善哈尔滨水环境
为主,同时具有交通,水产养殖和旅游等综合利用功能的低水头航电枢纽r程,枢纽主要建筑物包括船闸,
泄水闸,电站及土坝.研究松花江大顶子…航电枢纽坝下冲刷深度及水位降落,能为设计提供依据,还能为
以后的程设计提供借鉴:
1工程概况
大顶子山航电枢纽位于松花江干流哈尔滨市下游70km
处,根据汉道河段的地理形态和水流特征,以及建设项目的进度
安排,从水流条件,船队航行条件和安全,工程量,施工和枢纽运
行条件等对多个方案进行综合对比分析,确定松花江大顶子山
航电枢纽工程由右至左依次布置为船闸,10孔泄洪闸,河床式水电站,28孔泄洪闸,混凝土过渡坝段,土坝及坝上公路(桥)等工
程组成(图1),坝线全长3249.78m.坝址处控制流域面积为
43.21xlOkm,坝址处多年平均流量为1520m3/s,相应年径流
量为479亿m;设计洪水标准100a一遇(Q:
18900m3/s),校核
洪水标准300tt一遇(Q=22950m3/s);正常蓄水位116.0I11,其相
应库容为9.0亿m,,死水位115.0m,其相应库容6.0亿m3o本河冈I大顶子…航电怄纽总体伽置
Fig.IGencl'allayoutof'Dadingzishan
Navigation—powerJunction
收稿日期:
2010—11—26;修回日期:
2011—0l一14
作者简介:
王军(1968一),男,黑龙江省哈尔滨市人,高级工程师,主要从事内河港口,航道研究i:
作
Biography:
WANGJun(1968一),male,seniorengineer.198水道港口第32卷第3期
段设计通航485kW推轮与1000t级分节驳组成的双排双列一顶4驳船队,或272kW推轮与1000t级分
节驳组成的单排单列一顶2驳船队,上游设计最高,最低通航水位分别为116.08m和113.0m,下游设计最
高,最低通航水位分别为115.90m和108.0m.
2长河段河床变形一维数模验证计算
2.1计算概况
建立了水库下游冲刷一维泥沙数学模型[(图2),平均约1.08km划分1个断面,在浅滩地形段适当
加密断面.封冻期水流运动属有压流动,流量,流速较小,河床变形幅度甚微,本次计算仅考虑畅流朝的水流
泥沙运动及河床变形.
图2坝址至依兰河段河势图
Fig.2RiverregimeofthereachfromdamsitetoYilan
2.2沿程含沙量过程的验证
沿程含沙量的验证实际上就是沿程冲淤的验证,因为水流与河床相互作用过程中,沿程悬移质与河床
质不断交换,使河床产生变形.以哈尔滨站日平均(1973,1987年)含沙量为计算进口边界条件,并把呼兰河
兰西站及蚂蚁河莲花站的含沙量过程汇入松干,计算得到通河及小古洞的含沙量过程.计算的含沙量过程
及年输移量与实测值比较接近,仅个别年份的个别河段相差较大,但绝对量相差不大,说明本模型所采用的
参数合理.
2.3各河段河床变形验证
哈尔滨至木兰河段,木兰至通河河段,通河至沙河子河段河床冲淤量计算与实测的比较列于表1.由表
1可见,哈尔滨至沙河子河段(295.8km)1973—1994年冲刷了770.6万m,计算值为931万m,计算值比实
测值大17.2%;就沿程而言,哈尔滨至木兰河段微淤,木兰至沙河子河段微冲,计算值与实测值较接近.1994—
2002年冲刷了3611万m.,计算值为3324万m,计算值较实测值小8.6%;由于受1998年大洪水影响,本
河段该时段内表现为冲刷.各河段河床变形验证偏差均小于20%.表1各河段冲淤计算与实测的比较
Tab.1Comparisonbetweenthecalculatedscouringandsiltationvolumesandthemeasuredd
ata
2011年6月王军,等松花江大顶子山航电枢纽坝下冲刷深度及水位降落研究1993大顶子山航电枢纽坝下水位降落预报
3.1水文系列的选择及河床边界条件
本次进行的坝下游长河段冲刷计算中,考虑近10a来松干河道外用水逐年增加,长期的枯水年及1998
年发生的特大洪水作用等因素,采用1973,2001年连续29a的水沙系列.模型进口给定流量及含沙量日均
值,出口采用沙河子小占洞水位流量关系,因小古洞水位站位于三姓浅滩河段,该河段河床多为石质,多年
来河床变形很小,水位流量关系稳定.
2002年实测坝轴线下游50,85km河段,河床组成中小于1mill的沙质约占83%,l,15mlTl的砾石约占
17%;坝下游90,130krn河段,河床组成中小于1mm的沙质约占70%,1,15mill的砾石约占30%;坝下游
135,180km河段,河床组成中小于1IllITI的沙质约占82%,1,15iTlill的砾石约占
18%;坝下游185,230km
河段,河床组成中小于1111131的沙质约占55%,1,15i/1m的砾石约占45%3.2冲刷量及其分布
大顶子山枢纽建成后29a坝下游长河段冲淤体积(表2)随时间的变化过程具有如下特点
表2建库后坝下游长河段冲淤体积
Tab.2Scouringandsiltation"~ol/llaesof]Longriverreachatdownstreamofjunctionafterco
nstruction
在水库运用后的15a内处于强烈冲刷期,该河段冲刷了(】)坝下游约85km河段
5344万111,若按河
宽680m计算,平均冲深0.9115a后冲刷趋于平衡,至水库运用29a,该河段平均冲深了1.05,1.14m.
(2)坝下游85,l32km河段,在水库运用后的前10a,该河段微淤,淤积泥沙主要来自于上段的冲刷,
水库运用10,20a,该河段处于强烈冲刷期,冲刷了2260万m,若按河宽890lI1计算,平均冲深了0.54m,
20a后冲刷趋于平衡,至水库运用29a,该河段平均冲深了0.64131.(3)坝下游132,l81km河段,在水库运用后前15a,该河段微淤,淤积泥沙主要来自于上段的冲刷,水
库运用l5,25a,该河段处于强烈冲刷期,至水库运用29a,冲刷了2300万m,若按河宽1050m计算,平
均冲深了0.45In.
(4)坝下游181,230km河段,离坝较远,该河段处于微冲微淤状态,河床的冲淤厚度小于0.1m.
3.3坝下水位降落
大顶子山枢纽运行5a后,流速500ms时,水位下降0.32m(表3);枢纽运行10a后,水位下降0.57
m;枢纽运行30a后,水位下降0.68Ill.可见枢纽下游冲刷平衡后坝下水位降落值在0.7/11以内,没有超过设
计预留1.0ITI的范围.
表3大顶子山枢纽近坝段水位下降过程
Tab.3FallofwaterlmelatdownstreamofDadingzishanJunction
3.4冲淤过程对航道的影响
枢纽下游冲刷过程并不是在所有河段均会发生,存在上冲下淤现象,也就是上游河段冲刷,冲下来的泥
200水道港口第32卷第3期
沙在下游淤积,尤其是坝下游85,132km河段,至枢纽运用10a后转淤为冲;坝下游132—181km河段,至
枢纽运用18a后才转淤为冲.当某一河段发生淤积时尤其是宽浅河段淤得更厉害,这有可能使浅滩河段航
道水深减小而碍航,这对航道不利,必须引起足够重视.
4大顶子山航电枢纽船闸下闸首底槛高程的确定
4.1近坝段河床防护措施
大顶山航电枢纽修建后,近坝河段及其下游河床产生剧烈变形-s,导致河床冲刷,水位降落,应采取有
效的整治措施对河床进行防护.采用定床和动床物理模型多方案论证,考虑一,二期围堰堰体采用袋装粉细
沙高喷防渗墙技术,将围堰均拆除至105131高程(与泄水闸堰顶高程相同)形成上,下游潜坝(图1),可有效
阻止河床进一步下切?
6.
4.2船闸下闸首底槛高程的确定
哈尔滨断面现状设计流量为650m/s,大顶子山坝址下游设计流量为690m/s,"北水南调"工程实施后,
通航期大顶子山航电枢纽下泄基流为550IYI3/S.因此,确定下游最低通航流量为550nl/s,相应的下游最低通
航水位为108.5m.
船闸最小水深为设计最低通航水位至门槛顶部的最小水深,并应满足设计船舶,船队满载时最大吃水
加富裕深度要求.本枢纽设计船队满载吃水2.0m,根据H/T~>1.6的要求,确定本枢纽船闸的门槛最小水深
为3.5m,即船闸下闸首底槛的高程为105.011"1.根据本文研究,枢纽运行30a后,设计流量下枢纽下游水位
最大降落幅度小于0.7m,即设计水位最大变化为107.8m,本枢纽船闸的门槛最小水深仍可达2.8m以上,满
足设计船队满载安全过闸所需的最小水深.
5结论
(1)大顶子山航电枢纽建成后,坝下河段河床上冲下淤,泥沙逐渐向下游输移,坝下冲刷影响范围至三
姓河段.前15a内近坝段处于强烈冲刷期,平均冲深了0.91m,15a后冲刷趋于平衡,至水库运用29a,该河
段冲深了1.05,1.14m.
(2)大顶子山枢纽坝下水位降落值小于河床冲届0深度,且随着来水量增加,水位降落幅度逐渐减小.水
库运行5a后,500m3/s时,水位下降0.32m;枢纽运行10a后,水位下降0.57m;枢纽运行30a后,水位下
降0.68m.
(3)结合近坝段河床防护措施,确定大顶子山枢纽下游最低通航流量为550I113/S,相应的下游最低通航
水位为108.5m.枢纽船闸的门槛最小水深为3.5m,船闸下闸首底槛的高程为105.0m.
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Researchonfalloflew;Ianddegradationbelowdamof
DadingzishanNavigation—powerJunction
WANGJun.WANGYi-all.YUGuang—nian
(1.HeilongjiangWateru,a)Bureau,Harbin150002.China;2.TianjinResearchInstituteforWaterTransport
Engineering,Ke)LaboratoryofEngineeringSediment,Mini.tryofTransport,Tianjin30045
6,China)
Abstract:
Basedonaode—
dimensionalmathematicalmodelofthelongriverreach.thefalloflevelandthe
scourdepthofDadingzishanNavigation—
powerJunctionduringdifferentoperationperiodswerepredictedinthispaper.Combiningwithprotectivemeasuresoftheriverbednearthedam,theminimumnaviga
bledischargeofthe
DadingzishanNavigation—
powerJunction,thelowestnavigablestageatdownstreamofthejunction,theminimum
waterdepthOnsillandthesillelevationofthelowerlockheadoftheshiplockwerealsodetermi
ned.
Keywords:
lla'~igation—powerjunction;SCOUtdepth;falloflevel交通运输"十二五"发展规划正式发布
2011年5月26日,《交通运输"十二五"发展规划》(以下简称《规划》)正式对外
发布,《规划》全文由十章
组成,大致分为4个部分,,第一部分是指导思想和发展目标.第二部分是专业篇,分
别提了推进综合运输
体系建设以及公路,水路,民航和邮政发展的重点任务.第?
部分是专题篇,包括交
通科技j信息化,绿色交
通,安全与应急保障等内容.第四部分是保障措施,主要从加强组织领导,完善投资
政策,健全法律法规体
系,加强人才队伍建设,加强精神文明建设等5个方面,提了保障行业发展规划目标
实现的政策及措施.
《规划》提的"十二五"交通运输发展的总怵目标和重点任务是:
到2015年,基础设
施网络更趋完善,结构
更加合理,交通运输供给能力明显增强,运输装备进一步改善,运输组织不断优化,
运输效率和服务水平明
显提升,创新能力不断增强,科技进步和信息化水平不断提高,行业监管能力明显
加强,以低碳为特征的交
通运输体系建设取得成效,资源节约型,环境友好型行业建设取得明显进展,交通安全监管体系逐步完善,
应急反应能力进一步加强,安全保障能力明显提高.便捷,安全,经济,高效的综合运输体系初步形成,基本
适应国民经济和社会发展的需要.《规划》强调.将按照"适度超前"的原则,继续加强交通运输基础设施建
设,增强交通运输保障能力.到2015年,公路总里程达到450万km,同家高速公路网基本建成,高速公路总
里程达到lO.8万km;同时形成布局合理,保障有力,服务高效,安全环保,管理先进的现代化港口体系,沿海
港口深水泊位达到2214个,能力适应度(港f]通过能力/买际完成吞吐量)达到1.1.《规划》明确,"二五"
期要提高交通运输服务水平,满足多样化的运输需求,逐步提升运输装备专业化,标准化水平,显着提高运
输组织化程度,不断延伸运输服务范同,显着提升运输服务水平和效率.要以科技进步为引领,推进科技创
新能力建设,加强重大科技研发,促进科技成果推广应用,强化科技标准化建设;要以节能减排为重点,建立
以低碳为特征的交通发展模式,提高资源利用效率,加强生态保护和污染治理.构建绿色交通运输体系,推
进废旧材料的循环利用,走资源节约,环境友女fN,0发展道路.(殷缶,梅深)
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