松花江航运建设关键技术研究Word格式文档下载.docx

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随着枢纽工程建设，人们对库区、变动回水区泥沙淤积、整治工程及坝下游河段河床下切等问题做了较多的总结和研究，如建设葛洲坝时曾进行了大量动床泥沙模型试验，创立了全沙模型模拟相似准则；

对汉江丹江口水库、黄河三门峡水库和盐锅峡水库等枢纽下游水沙特性、河床冲淤、库区泥沙淤积及其防治等方面也做了一定的研究，总结出一些很有使用价值的成果，为本项目研究提供了很好的参考。

松花江为季节性封冻河流，封冻期一般为140天左右，航期为200～210天，一般每年春季四月中旬开江，流冰6天左右，秋季流冰一般为11月上旬，流冰10天左右即封冻，封冻期最大冰厚可达1.6m。

冰对整治建筑物具有一定的破坏作用，尤其开江期，个别河段受其特定的自然条件的影响，易形成冰塞、冰坝，从而对整治建筑物造成更为严重的破坏。

冰对整治建筑物的作用机理、破坏方式及危害防治一直困扰着工程设计人员。

松花江多年的航道整治工程实践证明：

整治建筑物防冰措施的成败很大程度上决定了整治工程的成与败。

因此投入力量开展冰对整治建筑物的破坏方式及防冰措施研究，可以系统地总结松花江航道整治工程的防冰经验，进而提出冰冻河流上整治建筑物的防冰措施，为国内同类工程提供借鉴，同时对国内外相关资料进行收集、分析研究，进一步补充并完善冰工程学内容。

根据《松花江干流航道发展规划》，到2030年松花江将建设完成涝洲、大顶子山、洪太、通河、依兰、民主、康家围子、悦来航电枢纽工程，结合长河段整治，实现松花江干流渠化。

该规划近期松花江将建设完成大顶子山、依兰二座航电枢纽工程，为配合两个梯级建设，计划完成大顶子山、依兰枢纽水库常年回水区的Ⅲ级航道整治工程，开工建设佳木斯至同江河段Ⅱ级航道整治工程及嫩江大防护尺度，提出防护措施。

本课题研究以大顶子山航电枢纽为依托工程，针对大顶子山枢纽至洪太枢纽回水末端之间25km未衔接河段航道整治以及库区变动回水区航道整治建筑物，紧扣实际工程中遇到的重点、难点问题展开研究工作。

研究成果能够直接解决研究河段航道整治中存在的关键技术难题，也能解决松花江拟建其他梯级的类似问题，并为我国其它季节性冰冻河流航运建设提供一定的参考和借鉴。

2.依托工程

本项目依托黑龙江省重点工程---松花江大顶子山航电枢纽工程开展研究工作。

该工程位于松花江干流的中部，哈尔滨市下游46km处，枢纽控制流域面积43.2×

104km2，是一座以航运、发电、交通为主，兼顾防洪、灌溉、渔业、环保、旅游等综合利用的大型航电枢纽。

坝线总长3249.78m，水库正常蓄水位为116m，总库容19.97×

108m3，建成后可渠化航道里程128km。

建设千吨级船闸一座，船闸有效长度180m，有效宽度30m，门槛水深3.5m。

总装机容量66MW，多年平均发电3.32×

108kw.h。

枢纽建设总投资28.78×

108元，工程于2004年9月开工，2008年末交工。

松花江大顶子山航电枢纽

3.主要研究内容

专题一、枢纽下泄水沙过程、下游未衔接河段水沙特性及河床演变规律研究

（1）分析枢纽兴建前天然情况下枢纽下游未衔接河段的水沙特性和河床演变规律。

（2）研究枢纽下泄水沙过程、河道冲淤特性。

（3）研究枢纽建成后下游未衔接段河床演变趋势。

专题二、枢纽下游未衔接河段整治原则及措施研究

（1）松花江干流多年航道整治工程技术经验总结，不同类型河段的航道整治原则和方法归纳分析；

（2）枢纽建成后，下游未衔接河段航道整治原则、整治措施研究；

（3）枢纽建成后，下游未衔接河段航道整治工程技术参数研究。

专题三、冰对整治建筑物破坏方式及防冰措施研究

（1）归纳总结松花江和国内外其他季节性冰冻河流整治建筑物防冰措施；

（2）分析整治建筑物冰作用机理，通过实际工程流冰观测，研究冰对整治建筑物破坏部位、破坏方式；

（3）研究不同种类整治建筑物防护范围、防护长度、防护宽度和防护深度，提出整治建筑物防冰措施。

4.主要研究结论

专题一枢纽下泄水沙过程、下游未衔接河段水沙特性及河床演变规律研究

一、松花江属季节性封冻河流，未衔接河段年际及年内来水、来沙分配不均匀，封冻期输沙量仅占全年输沙量的5.3%，来水、来沙主要集中在畅流期，畅流期的水沙对河道的塑造作用较大，大洪水对河床塑造作用最大。

未衔接河段属于弯曲性分汊河段，这种河形的特点是蜿蜒曲折，多年来滩槽位置相对稳定，中枯水河槽内支汊呈现衰退态势，枯水主河槽呈冲刷态势。

河段年内冲淤幅度、冲淤变化不大，且具有洪淤枯冲的基本规律，河床相对稳定。

二、通过分析研究，枢纽基本没有改变流量下泄过程。

通过对枢纽下泄水沙过程进行分析，影响枢纽下游河道演变的主要因素不仅仅是修建枢纽本身，松花江来流量的逐年减少也将对枢纽下游河道演变及枯水河床重新塑造产生较大影响。

三、枢纽蓄水初期水库排沙比为67.2％，年均输沙量554万t；

枢纽运行29年后水库排沙比为87.4％，年均输沙量721万t，水库淤积达到基本平衡。

四、枢纽建成后，下游河道冲刷是一个长期过程，冲刷距离可达130km，甚至更远，冲刷自上游至下游逐渐发展。

大顶子山枢纽至洪太枢纽回水末端之间25km未衔接河段（含枢纽坝轴线以下约6km长的近坝河段），在水库运用后的15年内处于强烈冲刷期，平均冲深了0.91m，15年冲刷趋于平衡，至水库运用29年，该河段平均冲深了1.05～1.14m。

流量550m3/s时，枢纽运行5年后，水位下降0.18m，运行10年后，水位下降0.29m；

1000m3/s时，水位下降0.42m，坝下游冲刷基本平衡后，即枢纽运行29年后，水位下降0.43m。

五、由于水库拦截了大量的泥沙，出库泥沙显著减少，泥沙颗粒变细，使下游河道发生冲刷，以适应变化了的水沙条件，随着时间的推移，一方面水库拦沙率降低，出库含沙量加大，颗粒渐粗；

另一方面下游河道冲刷得结果，河床粗化，河道过流面积加大，水流流速减小，冲刷强度降低。

两方面综合作用的结果，下游河道的冲刷速率逐渐降低，直至冲刷停止，并逐渐淤积，这是水库下游河道冲淤的一般规律。

枢纽运行一年后，枢纽下游14km范围内河床冲刷，尤以2km内为剧烈，平均冲刷深度达0.85m。

冲刷深度沿程递减，7～8km及14～15km范围内河床呈淤积状态。

符合枢纽下游河段自上而下沿程逐步发生冲刷，通过比降调平和河床粗化达到河床新的冲淤平衡这一基本规律。

大顶子山枢纽建成后，下游未衔接段河床形态和河床演变规律总体上不会有重大改变，即应保持原有河形不变，但局部河势将有一定的调整。

专题二枢纽下游未衔接河段航道整治原则及措施研究

一、由于大顶子枢纽是径流式电站，两坝间未衔接河段的河床演变规律和天然情况下的演变规律基本一致。

根据规划成果和河道外用水量的增加，从而使径流量不断减少，径流特点是全年将以枯水和短时洪水为主，中水历时将很短，造床特点将发生根本改变。

二、未衔接河段浅滩的整治原则为：

中枯水治理、控制河势、束水归槽、固定中水岸型、稳定航道。

具体整治措施采用以整治为主、疏浚为辅，利用整治工程集中水流、塞支强干、通过适当疏浚，达到改善航行条件，保证航道标准的目的。

三、通过对松花江干流整治经验的梳理，规划径流的水沙特点并经过模型试验验证，整治水位为设计水位上超高1.5～2.0m，整治线宽度为300～500m较为适宜。

四、通过对枢纽下游未衔接河段整治方案的研究分析，得出结论：

方案一和方案二较工程前航槽分流比有所增加，水位有所抬高，航深增加，流速增大，中枯水动力轴线基本一致，水流平顺过渡，有利于航槽的稳定。

中洪水流量时方案一和方案二与工程前基本一致，水位壅高较小，对行洪影响不大。

在富江岛右汊道河段，方案二流量增加较多，水位抬高较大，航深增加，流速增加较多，对改善富江岛右汊道的航槽有利。

专题三冰对整治建筑物破坏方式及防冰措施研究

一、河冰对整治建筑物的危害主要发生在开江流冰期，一般以撞击破坏和拖曳力破坏为主，这两种破坏方式会随着开江期水位变动而交替作用在整治建筑物上，大多数整治建筑物的破坏是多种破坏方式经多年累积所致。

二、对于丁坝群的破坏，在相对顺直的河段，主要集中在上游第一座丁坝上，整个坝体都会受到冰排的较大撞击；

在弯曲河段凹岸时，所有整治建筑物都会受到较大撞击，但除第一座丁坝外，群组中的其他丁坝多数以坝头及前部坝体破坏为主。

处于相同河段的整治建筑物，锁坝（特别是处于顺直汊道内的锁坝）比丁坝往往受到更大的破坏，这是因为锁坝建成后其上游更容易产生冰塞现象。

护岸受破坏的部位多为岛头护岸的顶冲点附近。

三、整治工程平面布置及结构方案应适应工程所在河段的水文、地质、地形、地貌等自然条件；

采用合理的布置方式，疏导和防护相结合，降低流冰对建筑物的撞击几率和撞击强度；

采用合理的结构形式，适当加大防护部位的断面尺寸、使易受撞击部位成为局部整体或覆加保护层等防护措施来抵抗冰的挤压、撞击和拖曳力作用，以保护坝体的完整与稳定。

总体布置防冰措施是：

丁坝间采用合理的间距；

丁坝群中上游第一条丁坝布置成下挑丁坝；

丁坝设置的勾头可起到导冰作用；

为减少锁坝所在河汊冰塞现象的发生，应在其上游适当位置设导流建筑物；

在满足分流比的前提下，降低坝体高程，变一般锁坝为潜坝也是一种防冰方式；

在岛头或洲滩前设分流坝、分流墩或分流棱体等结构，部分或局部代替护岸。

结构防冰措施是：

阶梯形石笼结构、局部阶梯形石笼结构、充填沙芯护垫盖面结构、梯形石笼结构及优化的水下不分散混凝土灌浆注结构措施。

5.项目的关键技术

关键技术一：

季节性封冻平原河流枢纽下泄水沙过程、未衔接段河道冲淤特性研究

松花江是平原季节性封冻河流，封冻期在140天左右，大顶子山坝址多年平均流量1494m3/s，封冻期平均流量577m3/s；

由于封冻期冰盖的作用，相对水流流速变小，输沙能力减弱，封冻期平均输沙量仅占全年的5.3%。

因此说，对松花江河道的塑造主要是畅流期水流和泥沙的长期作用所致，这与汉江中下游河道来水来沙条件不同的根本所在。

本专题研究了平原季节性封冻河流松花江上大顶子山枢纽下游未衔接河段天然状态下的冲淤过程、演变规律及趋势，对比分析建库前后入库和出库水沙特性及其变化，弄清了季节性封冻平原河流枢纽下泄水沙过程、未衔接段河道冲淤特性。

关键技术二：

季节性封冻平原河流枢纽下游未衔接段弯曲分汊型河道的河床演变趋势研究

根据水沙边界条件，下游长河段冲刷一维泥沙数学模型，经多年实测资料充分验证后，通过数模计算，预测未来长时期库区淤积及下游河段冲淤过程和冲淤量；

分析建库前后河道水沙特性和演变规律；

通过对建库前后入库和出库水沙特性及其变化研究及库区淤积及下游河段冲淤变化研究，找出枢纽建成后未衔接段河床演变趋势。

关键技术三：

季节性冰冻河流枢纽下游未衔接河段航道整治措施及有关参数的研究

大顶子山枢纽建成后，枢纽下游未衔接河段来水来沙条件将会发生较大变化，河道演变规律、整治措施及工程技术参数也与枢纽建成前大为不同。

该段河道受天然降水量、枢纽人工调控流量和上游水沙条件变化等多方面的影响和作用，河道水沙条件、演变规律十分复杂，造成河道输沙能力改变，浅滩消长引起河床冲淤变化，局部浅滩河段可能因水深不足而碍航。

为此应在以往经验和资料基础上，利用物模试验，对枢纽下泄水沙过程和下游未衔接河段水沙特性进行深入研究，找出河床演变特点及规律，确定合理的整治措施和工程技术参数，为枢纽下游未衔接河段航道整治提供可靠的技术支持。

关键技术四：

河冰对整治建筑物的破坏机理研究

通过观测、分析及冰荷载试验发现：

封冻期，冰对整治建筑物的主要作用力为冰盖因温差引起膨胀力和因水位升降变化导致的上拔力和下挫力；

流冰期，冰对整治建筑物的主要作用力为被阻拦冰排的挤压力，动冰撞击力、堆积冰挤压及冰排爬坡越坝时产生的拖曳力等。

河冰对整治建筑物的危害主要发生在开江流冰期，一般以撞击破坏和拖曳力破坏为主，这两种破坏方式会随着开江期水位变动而共同作用在整治建筑物上，很多建筑物的损坏大多是多种破坏方式经多年累积所致。

关键技术五：

季节性封冻河流的整治建筑物结构防冰措施研究

借鉴国外先进经验，提出了以双绞合低碳钢丝作为材料的阶梯形石笼结构和针对依托工程特点的局部阶梯形石笼结构；

吸收我国长江上整治建筑物的结构优点，提出了适合封冻河流具体特点充填沙芯护垫盖面新型结构；

并对以往松花江上整治建筑物采取的防冰措施——铁丝石笼结构和水下不分散混凝土灌浆技术进行结构改进和优化。

6.项目的创新点

创新点一：

研究出平原季节性封冻河流枢纽下游未衔接河段航道整治原则及措施

研究的技术难点是系统分析枢纽下游未衔接河段水沙特性、河演规律，以此为基础，研究航道整治原则和措施及工程技术参数。

研究的创新点是首次提出了平原季节性封冻河流枢纽下游未衔接河段航道整治原则和措施及工程技术参数。

未衔接河段浅滩的整治原则为：

整治措施为：

以整治为主、疏浚为辅，利用整治工程集中水流、塞支强干、通过适当疏浚，达到改善航行条件，保证航道标准的目的。

整治水位为设计水位上超高1.5～2.0m，整治线宽度为300～500m较为适宜。

创新点二：

研究出适合于季节性封冻河流的整治建筑物结构防冰措施

研究的技术难点以往没有系统对防冰结构进行研究。

研究的创新点是针对封冻河流上的整治建筑物的防冰措施有所突破。

首次提出了以双绞合低碳钢丝作为材料的阶梯形石笼结构防冰方案和充填沙芯护垫盖面结构防冰方案；

并对以往松花江上整治建筑物采取的防冰措施——铁丝方石笼方案、铁丝圆石笼方案、水下不分散混凝土灌浆方案进行结构改进和优化，进而提出了适合于季节性封冻河流的梯形石笼、石笼护垫等整治建筑物结构方案。

7.效益分析及推广应用前景

一、效益分析

本项目在研究过程中取得的经济效益主要体现在，首先可为未衔接浅滩段航道整治提供技术支持也可为松花江干流及类似河流已建、在建和拟建枢纽工程建设提供技术资料和经验。

对于促进航运事业的发展、推动水资源综合利用具有十分重要的意义。

其次可延长整治建筑物的使用寿命10年以上，能够保证整治建筑物作用充分发挥和提高整治建筑物的工程效果，实现降低维护费用50%以上。

不仅直接为依托工程航道整治提供技术服务，而且研究成果还将推广应用于松花江拟建其它梯级及我国东北、西北部高寒地区类似河流梯级开发建设中，促进这些地区河流梯级开发，实现航运事业的可持续发展，进而推动沿岸地区经济发展。

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本项目在研究过程中取得的社会效益主要体现在，松花江干流是东北地区重要的水上运输线，是联系黑龙江、乌苏里江、嫩江和第二松花江的纽带，具有较好的通航条件，松花江干流梯级开发是一项多功能的综合利用水资源的工程。

本项目研究成果能有效解决平原季节性封冻河流航电枢纽工程建设对下游河道水文条件改变带来的问题，将大大促进松花江干流梯级渠化的建设步伐，对松花江干流航道发展规划的全面实现和振兴东北地区等老工业基地战略决策的实施具有积极的推动作用，能够更好地发挥松花江干流水运主通道的作用，为区域经济发展提供水上交通便利，满足日益发展的干支直达运输、江海联运的需要，具有明显的社会效益。

二、推广应用前景

本项目研究内容紧扣大顶子山航电枢纽下游未衔接河段航道整治中的重点、难点问题展开科技攻关，研究成果可为冰冻河流枢纽下游未衔接河段航道整治提供合理可行的整治原则、方法和技术参数，使整治工程方案更为科学合理，优化依托工程航道设计，有效解决整治建筑物防冰问题，研究成果一旦投入到实际工程中，将很快转变为生产力，具有较高的实际应用价值。

本项目研究不仅直接为依托工程下游未衔接河段航道整治提供技术服务，而且研究成果还将推广应用于松花江拟建其他梯级及我国东北、西北部高寒地区类似河流梯级开发建设中，保证枢纽下游通航，提高局部渠化河段通过能力，减少航道维护费用，促进这些地区河流梯级开发和航电枢纽建设，保持航运持续、稳定发展，进而推动河流沿岸地区经济发展，取得较显著的经济效益和社会效益。

因此，本项目研究适用面较广，市场需求量较大，前景非常乐观。