松花江大顶子山航电枢纽工程关键技术创新与应用

刘常春, 洪思远, 刘 源

(1.黑龙江省航务勘察设计院，哈尔滨150009；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 杭州 311122；3.兰州大学 土木工程与力学学院，兰州 730000)

1 工程概况

松花江是我国北方重要的通航河流，是连接黑龙江、乌苏里江、第二松花江和嫩江航运的纽带，是全国内河高等级航道网的重要组成部分，在边境贸易、重大件运输、江海联运、大宗货物运输、国防战备等方面具有其他运输方式不可替代的作用。为保持和发展松花江航运，更好地开发利用松花江水资源，根据流域规划和松花江干流航道发展规划，松花江干流规划建设涝洲、大顶子山、洪太、通河、依兰、民主、康家围子及悦来等8个梯级枢纽[1]。见图1。

图1 松花江干流梯级渠化布置图

松花江大顶子山航电枢纽工程是松花江干流第一座控制性工程，位于松花江哈尔滨市下游46 km处，北岸为呼兰县，南岸为宾县。流域总面积55.68×104km2，坝址以上集水面积43.2×104km2。工程主要建设任务是以航运和改善哈尔滨市水环境为主，兼顾发电，同时具有交通、水产养殖、灌溉和旅游等功能。本工程为大(Ⅰ)型工程，工程等别为一等，永久性主要建筑物为二级。设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为300年一遇。船闸级别为Ⅲ级，航道按三级标准建设，渠化航道128 km。坝顶公路(桥)及接线公路技术等级为二级[2]。工程2004年开工，2008年交工，2019年竣工验收。工程概算总投资28.78亿元。工程于2006年3月被交通部列为全国内河航电枢纽建设示范工程。工程建设质量等级评定为优良。

1.1 枢纽总体布置及主要建筑物

工程主要建筑物由船闸、泄洪闸、土坝、电站和坝顶公路(桥)组成，坝线总长3 249.78 m。正常蓄水位116 m，总库容19.97×108m3。见图2。

图2 大顶子山航电枢纽总平面布置图

1.1.1 船 闸

船闸位于主河槽右汊靠近右岸边。设计船舶吨级为1 000 t，闸室有效长度180 m，有效宽度28 m，门槛水深3.5m。船闸承受单向水头，上下闸首工作闸门均采用人字门，输水廊道尺寸为3.5 m×3.5 m，闸首采用钢筋混凝土坞式结构,采用正面进水闸室墙长廊道侧支孔出水的分散输水形式。见图3。

图3 船闸全景图

1.1.2 泄洪闸和土坝

泄洪闸38孔，堰型为折线堰，工作门为钢质弧形门，靠近电站厂房左右两侧各2个弧门及靠船闸侧2个弧门上安装有能排漂排冰的舌瓣门[3]，检修门为平板钢闸门；消能工右岸10孔为底流消能，左岸28孔为消力戽消能。

土坝布置在左岸滩地上，全长1 957 m，为粉细沙冲填坝，高压旋喷灌浆混凝土防渗墙，上游坡角处设压重体,下游设排水棱体；坝顶公路为沥青混凝土路面。见图4和图5。

1.1.3 电 站

电站安装6台灯泡贯流式机组，装机容量66 MW，多年平均发电量3.32×108kW·h。见图6。

图4 泄洪闸剖面图

图5 土坝剖面图

图6 电站厂房剖面图

1.2 施工导流与施工通航

根据工程水工建筑物的布置和河势条件，导流方式采用分两期施工导流方案。一期施工导流北汊过流，二期施工导流利用已建成的10孔泄洪闸导流。根据北汊地形条件，右岸一期导流围堰围船闸、10孔泄洪闸和厂房段，左岸一期导流围土坝段，施工期洪水由北汊束窄河床过流；二期导流围堰主要围北汊28孔泄洪闸，施工期洪水由南汊已建成的10孔泄洪闸泄流。

为保证一期导流截流后施工期正常的通航，在右岸左侧江汊开挖一条航道，航道标准按内河三级单线通航标准设计，航道尺寸为1.7 m×47.5 m×500 m(航深×航宽×弯曲半径)。二期导流施工期间，由已经建成的右岸船闸通航。

2 难点及关键技术

松花江大顶子山航电枢纽与国内同类枢纽工程相比有很多特点：一是国内在宽浅平原季节性冰冻河流上建设的第一座航电枢纽工程；二是国内在特大城市下游建设的第一座航电枢纽工程；三是国内坝线最长的航电枢纽工程；四是松花江干流第一座控制性工程。在这样的河流进行梯级渠化，建设航电枢纽工程，在国内尚属首次，没有成功的经验可供参考和借鉴，尤其是在枢纽防冰、防冻技术、通航水流条件等方面的研究较少，很多的技术在国内是空白，工程实施过程中面临很多的关键技术问题。

2.1 关键技术一：船闸的防冰防冻技术

冰凌对枢纽建筑物的影响包括静冰和流冰，其中流冰影响犹为严重,对枢纽建筑物破坏可能是毁灭性的。尤其是船闸闸门受冰冻的影响，包括开封江期间，由于浮冰的存在将影响工作闸门的正常开闭，封冻期间冰压力可能对工作闸门或检修门造成严重影响、闸室有水越冬时造成闸室内冰解冻延迟等问题。如果这些问题得不到圆满的解决，有可能会降低松花江的通航期，影响枢纽整体效益的发挥，而且对松花江航运的可持续发展产生不利影响。因此，如何采取有效的防冻防冰措施，保证船闸闸门安全越冬和闸门正常运行是急需解决的关键技术。

2.2 关键技术二：冰冻河流枢纽水库蓄冰处理及导冰技术

河流冰量的多少取决于枢纽上游冰盖的面积、气象条件、水流条件等，影响因素十分复杂。枢纽建成形成库区后，库区冰冻对通航影响十分明显，主要体现在开江流冰期如何处理上游来冰和库区冰？是否通过泄洪闸排冰？还是库区融冰？如何最大限度降低库区冰对通航时间的影响，主要和枢纽水库蓄冰处理技术及枢纽导冰技术有关，这些技术问题能否得到解决直接关系到平原季节性冰冻河流航电枢纽建设的成败。

2.3 关键技术三：枢纽正常运行后的排漂、排冰技术

根据大顶子山航电枢纽工程的特点，枢纽正常运行后，大量的漂浮污物包括残枝断树、纤维编织物、塑料制品及春季大量的流冰等在坝前汇集，会造成拦污栅堵塞，影响枢纽的正常运行和效益的发挥，如何有效清除这些污物是急需解决的技术问题。

2.4 关键技术四：宽浅平原季节性冰冻河流建设航电枢纽的通航技术

由于松花江流速较小，河道及航道水深与国内其他河流相比，同级流量下偏小，河道的宽深比较大，属于特殊的宽浅平原河流，具有季节性冰冻的特点，在现行规范标准中航道尺度等技术参数及通航水位计算等也是单独规定的[4]。在这样的河流上建设航电枢纽，如何解决枢纽平面布置、通航水流条件和枢纽防冰冻等关键技术问题是非常重要的。在项目开展过程中，有针对性地进行了大量试验研究工作，相继完成《枢纽平面布置模型试验研究》《枢纽通航水流条件模型试验研究》《枢纽施工通航条件模型试验研究》《库区泥沙数学模型试验研究》《枢纽防冰措施及过冰能力研究》《冰冻地区冰对水工建筑物的破坏及防冰措施研究》等专题试验研究工作，有效解决了关键技术问题。

大顶子山航电枢纽项目是目前国内同类项目中试验研究课题最全的航电枢纽工程。

3 技术创新及应用

3.1 通航建筑物防冰防冻技术应用创新，达到国际先进水平

1) 首次利用现场原型试验了闸门在不同气候和水流条件下，各种防冰方式的防冰效果，较全面地提出了船闸闸门在开封江及封冻期间的防冰技术：①采用气幕法或水泵射流的方式解决船闸闸门在开封江及封冻期的防冰问题；②采用循环导热油或防冻液加热的方式对检修门槽进行防冰[5]。 见图7及图8。

图7 检修闸门门槽防冰

图8 闸门水泵射流防冰

2) 船闸闸室及引航道排冰措施。闸室有水越冬时，开江时期采用破冰船或其他方式对船闸闸室及引航道内的大面积覆盖冰进行破碎，利用船舶往复航行带走浮冰；采用热水射流和专用机械设备对闸室浮式系船柱、闸室墙或破冰船无法到达的狭窄地方进行清除。特殊情况下船闸可以采取闸室无水越冬方式。见图9 及图10。

图10 闸室无水越冬

3.2 枢纽库区蓄冰处理技术填补了国内该领域的空白

我国在季节性冰冻通航河流上已经修建了很多枢纽，这些枢纽均没有修建过船设施,水库封冻及库区流冰不会对通航造成影响。该项技术在大顶子山航电枢纽工程的成功应用，解决了大顶子山航电枢纽工程水库蓄冰对通航的影响，保证了工程质量和枢纽的安全运行。技术成果主要包括：①通过分析库区冰盖的形成特点和解冻时间，合理运用水库调度运行方式控制库区封冻时间和封冻方式，以降低对通航期的影响；②选择破冰的时机、范围，采用破冰船破冰、爆破破冰等措施对库区蓄冰进行处理，降低冰排对枢纽产生影响[6]；③当入库冰排量多、个体冰排面积大，威胁到枢纽安全时，坝前大量浮冰通过特殊设备破碎后，开启泄洪闸向下游导冰。见图11及图12。

图12 泄洪闸导冰

3.3 利用舌瓣门导冰实现了突破，具有广泛的推广应用价值

本枢纽工程共设计38孔泄洪闸，其中6个弧门带舌瓣门，舌瓣门通过液压启闭机操作绕支铰转动来实现其挡水或放水，舌瓣门开起时可使水中的漂浮物顺流而下，排放到下游。弧门上带舌瓣门通常在我国南方一些水利工程中应用，其作用为排漂，在最低气温达-44℃的寒冷北方还未应用。而本工程建成的舌瓣门既解决了枢纽工程的排冰，又解决了排漂问题，这一全新的门型在大顶子山航电枢纽工程的成功应用，是枢纽导冰技术的一项重大突破,具有广泛的推广应用价值，为今后北方高寒地区建设类似工程提供了宝贵的经验。见图13。

3.4 水力冲填粉细砂筑坝在主挡水建筑物的应用，取得了很好的效果

大顶子山航电枢纽工程土坝段全长1 957 m。初步设计阶段采用黏土心墙坝方案，需要大约150×104m3黏土，占用耕地80 hm2。通过现场粉细砂冲填试验、旋喷防渗试验、振动液化试验等工作，对坝体结构进行了优化。利用松花江河道内的粉细砂作为填筑材料，利用高压旋喷灌浆砼防渗墙解决坝体坝基防渗，具有疏浚河道、增加库容、保护耕地等多重社会效益和环境效益。这项技术的成功应用填补了在大江大河中利用水力冲填技术填筑粉细砂做为主挡水建筑物的国内空白，也为今后同类枢纽工程的建设起到示范作用。见图14。

图13 泄洪闸上舌瓣门

图14 水力冲填粉细砂筑坝

4 工程效果

1) 极大地改善了通航条件。渠化了库区航道128 km，改善了库区河段航行条件；上下游引航道和通航建筑物内水流条件良好，满足船舶安全航行要求；根据通航要求，实现了向下游航道补水的调节功能。

2) 资源节约效果明显。通过对土坝坝体结构优化及对一期土建工程临时道路及钢筋加工厂的调整，节省耕地162 hm2。为了提高工程综合效益，利用工程弃渣量进行回填造地，一、二期围堰弃渣回填造地28 hm2。弃渣回填造地不但可以进行景观设计、美化环境，还可以用来修建旅游设施，吸引外资，促进旅游业的发展，实现节约土地资源、促进工程综合开发利用的功能。

3) 枢纽顺利过冬，防冰防冻效果良好。枢纽经过多个封冻期的观测，证明采用的防冰破冰措施效果好、实用性强，船闸的人字门、检修门及工作阀门使用良好，船闸整体结构稳定，能够满足抗冰冻要求；船闸过冬方案可行，库区蓄冰处理和导冰技术的效果较好，没有对通航产生影响。

4) 建成后的土坝结构稳定，安全可靠。土坝优化后与原设计方案相比，不但节约资金，而且提高了施工效率，缩短了工期。经过多年运行观测，坝体稳定性良好，坝体的沉降及渗透各项指标均符合设计标准，挡水性能良好。

5 结 语

大顶子山航电枢纽工程建设立足于地域特色，积极探索新材料、新技术、新工艺和新设备的应用，通过科学全面的试验研究，较好地解决了在宽浅平原冰冻河流上建设航电枢纽的有关技术难题。在设计、环保等理念创新方面突出河流特点，在枢纽建筑物防冰防冻技术、水库蓄冰处理技术、应用粉细砂冲填筑坝及坝基防渗技术等方面，实现了技术创新，多项成果填补了国内空白，达到国内领先水平，部分成果达到国际先进水平，工程应用效果显著，具有显著的示范作用和推广应用价值。