李立群+李偉東

摘要：南水北調(diào)中線沿線設(shè)有64座節(jié)制閘，為確保金結(jié)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行安全，按照設(shè)施設(shè)備規(guī)范要求各節(jié)制閘應(yīng)在動(dòng)水條件下進(jìn)行零開(kāi)度至全開(kāi)度檢驗(yàn)。中線工程現(xiàn)處于通水初期，沿線各分水口門尚未達(dá)到設(shè)計(jì)流量，如需完成大開(kāi)度檢驗(yàn)，勢(shì)必需要通過(guò)采取一定的調(diào)度措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)合中線工程運(yùn)行實(shí)際，選取典型試點(diǎn)分析大開(kāi)度檢驗(yàn)的可行性；同時(shí)在充分考慮目前全線小流量、高水位的運(yùn)行狀態(tài)下，比對(duì)分析幾種特定條件下的運(yùn)行調(diào)度方案，初步研究選取了“控制閘調(diào)整局部渠段水位”的調(diào)度方案。通過(guò)對(duì)試點(diǎn)節(jié)制閘上下游控制建筑物的運(yùn)行水力條件進(jìn)行調(diào)整，保持試點(diǎn)節(jié)制閘目標(biāo)過(guò)閘流量及其上下游渠段水位的相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：節(jié)制閘；大開(kāi)度檢驗(yàn)；運(yùn)行調(diào)度；南水北調(diào)

中圖分類號(hào)：TV68文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1683（2017）01-0204-05

Abstract：The Middle Route Project （MRP） of South-to-North Water Diversion （SNWD） has 64 check gates.The check gates need to be tested under the flowing water from zero to the maximum opening to ensure the safe operation of the SNWD project.Certain operation measures need to be taken in order to complete the maximum opening test when the dividing gates have not yet met the design discharge.This article analyzed the feasibility of a maximum opening test based on a typical check gate，and compared the operation scheme across several specific conditions.After preliminary study，it selected the scheme of "adjusting the water level of local canal reaches with control gates"，where the hydraulic conditions of upstream and downstream control structures of the piloting check gate were adjusted to ensure relatively stable water supply and water level at the piloting check gate and the upstream and downstream canal reaches，thus realizing the maximum opening test.

Key words：check gates；maximum opening test；operation；South-to-North Water Diversion

南水北調(diào)中線全長(zhǎng)1 432 km，沿線設(shè)有64座節(jié)制閘，97個(gè)分水口，機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行是保障工程平穩(wěn)高效輸水的基礎(chǔ)。因此，節(jié)制閘投運(yùn)后需要進(jìn)行各種安全運(yùn)行調(diào)試，其中在動(dòng)水條件下進(jìn)行各種工況（零開(kāi)度至全開(kāi)度）大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)是必需的。但中線工程自2014年12月正式通水后，沿線需水量遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，全線基本處于小流量、高水位的運(yùn)行狀態(tài)，各節(jié)制閘的上、下游水位差較大（0.44～8.85 m），全線節(jié)制閘開(kāi)度基本上處于小開(kāi)度（0.4～3.7 m）運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)復(fù)核，在不改變各渠段現(xiàn)有水位、流量的條件下，各節(jié)制閘單孔全開(kāi)的過(guò)流能力均遠(yuǎn)大于當(dāng)前總干渠的輸水流量，在此條件下進(jìn)行調(diào)試，將導(dǎo)致檢驗(yàn)閘站上游渠段水位的迅速下降，影響總干渠的運(yùn)行安全。中線工程無(wú)論是輸水線路長(zhǎng)度、涉及建筑物種類、工程安全要求還是調(diào)度復(fù)雜程度均為國(guó)內(nèi)之最，且無(wú)直接經(jīng)驗(yàn)可循，本文在大型輸水渠道調(diào)度控制研究基礎(chǔ)上，依照中線工程水力學(xué)仿真模型研究及輸水調(diào)度控制策略要求等，研究探索閘門大開(kāi)度檢驗(yàn)的可行性及可操作性方案，為工程長(zhǎng)期平穩(wěn)安全輸水提供基礎(chǔ)保障。

考慮到總干渠上游節(jié)制閘過(guò)流量及閘門開(kāi)度相對(duì)較大、可調(diào)節(jié)范圍大，運(yùn)行現(xiàn)狀有利于大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)期間的運(yùn)行控制；同時(shí)，經(jīng)對(duì)南陽(yáng)境內(nèi)節(jié)制閘進(jìn)行比對(duì)分析，白河渠道倒虹吸出口節(jié)制閘為4孔，單孔過(guò)閘流量相對(duì)較小。因此，本次擬選取白河渠道倒虹吸節(jié)制閘做為大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)的試點(diǎn)閘站，以其為例分析現(xiàn)狀條件下完成大開(kāi)度檢驗(yàn)的可行性，并結(jié)合中線總干渠輸水調(diào)度控制方式，充分考慮目前的運(yùn)行實(shí)際深入研究探討了通過(guò)采取一定的調(diào)度措施，對(duì)總干渠的運(yùn)行水力條件進(jìn)行調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)，同時(shí)保持節(jié)制閘過(guò)閘流量相對(duì)穩(wěn)定，保證工程正常供水[1-5]。

1 節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)調(diào)度目標(biāo)及任務(wù)

根據(jù)總干渠目前的運(yùn)行情況及節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)的需求，確定本次運(yùn)行調(diào)度的主要任務(wù)如下：

（1）進(jìn)行大開(kāi)度檢驗(yàn)的節(jié)制閘閘前水位保持在設(shè)計(jì)水位或當(dāng)前運(yùn)行水位附近（±20 cm）；

（2）控制各渠段運(yùn)行水位不高于總干渠加大水位，渠段運(yùn)行水位變幅滿足總干渠設(shè)計(jì)要求（不超過(guò)0.3 m/d）[6-8]；

（3）專項(xiàng)檢驗(yàn)期間，不改變各節(jié)制閘的當(dāng)前輸水流量；

（4）確保專項(xiàng)檢驗(yàn)期間，各分水口門可以按計(jì)劃取水。

2 試點(diǎn)節(jié)制閘渠段內(nèi)相關(guān)建筑物運(yùn)行現(xiàn)狀

本文選取南陽(yáng)境內(nèi)白河渠道倒虹吸節(jié)制閘為例。白河渠道倒虹吸出口節(jié)制閘為4孔，每孔單寬為6.7 m，調(diào)試期間可能受到影響的渠段為上游十二里河節(jié)制閘-白河節(jié)制渠段和下游白河節(jié)制閘-東趙河節(jié)制閘渠段，渠段內(nèi)的娃娃河倒虹吸出口、梅溪河倒虹吸出口、白條河倒虹吸出口3個(gè)控制閘，田娃、大寨、半坡店3個(gè)分水口門，以及白河退水閘等7個(gè)建筑物在專項(xiàng)檢驗(yàn)期間可能需根據(jù)運(yùn)行調(diào)度需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。渠段內(nèi)相關(guān)建筑物示意圖見(jiàn)圖1。

結(jié)合當(dāng)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，試點(diǎn)節(jié)制閘渠段內(nèi)田娃、大寨、半坡店3個(gè)分水口門均為全關(guān)狀態(tài)，未參與運(yùn)行調(diào)度；娃娃河、梅溪河、白條河倒虹吸出口3個(gè)控制閘為全開(kāi)狀態(tài)，未參與運(yùn)行調(diào)度，閘前水位分別為139.90 m、139.32 m、138.83 m；白河退水閘也處于全關(guān)狀態(tài)，未參與運(yùn)行調(diào)度。試點(diǎn)節(jié)制閘渠段3個(gè)節(jié)制閘均正常運(yùn)行，閘前水位控制在設(shè)計(jì)水位附近，閘門開(kāi)度0.6～0.78 m，過(guò)閘流量約為80 m3/s，各節(jié)制閘運(yùn)行狀況詳見(jiàn)表1。

3.1 現(xiàn)狀條件下單孔過(guò)流能力計(jì)算

專項(xiàng)檢驗(yàn)期間，需將閘門全部提起，此時(shí)，過(guò)閘水流為堰流，可以采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2001）的堰流計(jì)算公式計(jì)算過(guò)閘流量[9-11]。

式中：Q為過(guò)閘流量（m3/s）；B0為閘孔凈寬，白河節(jié)制閘單孔運(yùn)行，可取B0=6.7 m；σ為淹沒(méi)系數(shù)；hs為從堰頂算起的下游水深（m）；ε為側(cè)收縮系數(shù)，白河節(jié)制閘位于倒虹吸出口，閘孔單寬與倒虹吸洞口同寬，可取ε=1.0；m為堰流流量系數(shù)，可采用0.385；g為重力加速度，可取9.81 m/s2；H0為堰上水深（m）；

白河節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量為330 m3/s，加大流量為410 m3/s，其設(shè)計(jì)過(guò)流能力遠(yuǎn)大于白河節(jié)制閘現(xiàn)狀過(guò)閘流量81.94 m3/s。因此，在大開(kāi)度檢驗(yàn)時(shí)，需采用單孔運(yùn)行方式，單孔閘寬為6.7 m，閘底板高程為131.92 m。白河節(jié)制閘現(xiàn)狀條件下閘上水位為139.84 m，閘下水位138.85 m，閘上下游水位差為0.99 m，根據(jù)堰流公式，在當(dāng)前水位條件下的過(guò)閘流量為224.1 m3/s。

3.2 現(xiàn)狀條件下節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)對(duì)總干渠運(yùn)行的影響

據(jù)分析，單個(gè)節(jié)制閘大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)時(shí)間約需1 d?，F(xiàn)狀條件下白河節(jié)制閘3孔全關(guān)，1孔全開(kāi)的過(guò)閘流量約為224 m3/s，遠(yuǎn)大于該渠段正常輸水流量，如一直保持現(xiàn)狀上下游水位關(guān)系，8 h工作時(shí)間內(nèi)白河節(jié)制閘將比計(jì)劃多輸水約409萬(wàn)m3。經(jīng)體積平衡試算，檢修期間白河節(jié)制閘閘前水位將下降至139.20 m，東趙河節(jié)制閘閘前水位將上升至139.12 m，渠段內(nèi)總水體不變[12-13]，詳見(jiàn)表2。

3.3 現(xiàn)狀條件下大開(kāi)度檢驗(yàn)的可行性

大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)需在設(shè)計(jì)水位下進(jìn)行，在現(xiàn)狀條件下進(jìn)行該檢驗(yàn)，白河節(jié)制閘閘前水位較設(shè)計(jì)水位低0.72 m，且其上游渠段水位降速將遠(yuǎn)大于0.3 m/d，可能造成節(jié)制閘上游渠段襯砌破壞，此外，白河節(jié)制閘下游渠段水位也將出現(xiàn)較大的上升，且超出了渠段設(shè)計(jì)運(yùn)行水位，同樣可能給總干渠運(yùn)行安全帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)[14-16]。因此，在現(xiàn)狀條件下，進(jìn)行白河節(jié)制閘大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)基本不可行，必須通過(guò)一定的調(diào)度措施，對(duì)總干渠的運(yùn)行水力條件進(jìn)行調(diào)整。

4 試點(diǎn)節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)運(yùn)行調(diào)度參考方案

4.1 閘門大開(kāi)度檢驗(yàn)調(diào)度方案選擇

經(jīng)初步分析，在初期高水位、小流量運(yùn)行調(diào)度下，要保證節(jié)制閘進(jìn)行大開(kāi)度檢驗(yàn)，并保持渠道水位的相對(duì)穩(wěn)定和節(jié)制閘過(guò)流流量滿足總干渠正常供水的需要，可從以下幾方面制定運(yùn)行調(diào)度方案。

（1）利用檢修閘形成靜水條件，進(jìn)而在靜水條件下對(duì)節(jié)制閘進(jìn)行大開(kāi)度檢驗(yàn)。

（2）調(diào)整節(jié)制閘上、下游渠段運(yùn)行水位，降低節(jié)制閘前、后的水位差，從而減小單孔閘大開(kāi)度下的過(guò)流能力，達(dá)到調(diào)試需要。

（3）控制閘調(diào)整局部渠段水位，可結(jié)合該節(jié)制閘上下游其它控制閘對(duì)節(jié)制閘上下游局部渠段進(jìn)行水位控制。

（4）通過(guò)控制大開(kāi)度開(kāi)啟時(shí)間，控制渠段泄量等方式，使渠內(nèi)水位變化在運(yùn)行范圍內(nèi)。

（5）利用檢修閘控制過(guò)閘流量，或在檢修閘處形成堰流，減少閘孔過(guò)流量，達(dá)到調(diào)試需要。

根據(jù)節(jié)制閘大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)“閘前設(shè)計(jì)水位、動(dòng)水條件、閘門全開(kāi)、單站檢驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約為1 d”的要求，結(jié)合試點(diǎn)白河節(jié)制閘上下游水位差較大、下游4 km左右有白條河倒虹吸控制閘的特點(diǎn)，白河節(jié)制閘大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)運(yùn)行調(diào)度宜采用“控制閘調(diào)整局部渠段水位”的方式[17-18]。

4.2 試點(diǎn)節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)調(diào)度參考方案

（1）運(yùn)行控制建筑物。

采用“控制閘調(diào)整局部渠段水位”的運(yùn)行調(diào)度方式，對(duì)十二里河節(jié)制閘-白河節(jié)制閘渠段和白條河控制閘-東趙河節(jié)制閘渠段基本無(wú)影響，因此，十二里河節(jié)制閘可按照當(dāng)前的運(yùn)行調(diào)度要求進(jìn)行常規(guī)調(diào)度操作。白河節(jié)制閘及白條河控制閘需根據(jù)運(yùn)行調(diào)度需要，保持閘前水位的穩(wěn)定和過(guò)閘流量穩(wěn)定，東趙河節(jié)制閘可根據(jù)調(diào)度此期間的水位變化情況適時(shí)進(jìn)行小開(kāi)度調(diào)整[19-20]。

（2）過(guò)閘目標(biāo)流量。

白河節(jié)制閘在專項(xiàng)檢驗(yàn)期間輸水目標(biāo)流量按照當(dāng)前輸水流量控制，取81.0 m3/s。

（3）白河節(jié)制閘閘下水位確定。

為保證單孔全開(kāi)時(shí)，白河節(jié)制閘的過(guò)閘流量在81.0 m3/s左右，需利用白條河控制閘將白河節(jié)制閘閘下水位抬升至一定的水位，根據(jù)堰流公式（1）及（2），可以反算出在閘上水位為139.84 m時(shí)，閘下水位需要保持在139.78 m左右。

（4）白條河控制閘閘前目標(biāo)水位及目標(biāo)開(kāi)度。

為保證白河節(jié)制閘閘下水位在139.78 m附近，需利用白條河控制閘壅水，利用南水北調(diào)中線總干渠水力學(xué)模型對(duì)閘前目標(biāo)水位進(jìn)行試算可知，當(dāng)白條河控制閘閘前水位控制在139.77 m時(shí)，在輸水流量為81.0 m3/s條件下，可將白河節(jié)制閘閘下水位穩(wěn)定在139.78 m。白條河控制閘閘前目標(biāo)水位比該閘現(xiàn)狀水位138.83 m高0.94 m，比設(shè)計(jì)水位高約0.16 m，比加大水位低0.58 m，可滿足該渠段的運(yùn)行安全要求，白條河控制閘的目標(biāo)開(kāi)度為0.68 m。

（5）東趙河節(jié)制閘閘前目標(biāo)水位及目標(biāo)開(kāi)度。

將白條河控制閘閘前水位從當(dāng)前的138.83 m抬升至目標(biāo)水位139.77 m，此渠段需增加總水量約20.5萬(wàn)m3，為盡量減少對(duì)其他渠段的影響，此部分水量擬由白條河控制閘-東趙河節(jié)制閘渠段調(diào)節(jié)，經(jīng)試算，東趙河節(jié)制閘的運(yùn)行水位需由當(dāng)前的138.61 m調(diào)整至138.35 m，下降約0.25 m。由于白條河控制閘-東趙河節(jié)制閘之間無(wú)分水口門取水，且東趙河節(jié)制閘下游水位為137.27 m，可滿足東趙河節(jié)制閘過(guò)流需求，因此，可將東趙河節(jié)制閘閘前運(yùn)行水位調(diào)整至138.35 m，閘門目標(biāo)開(kāi)度為0.76 m。

4.3 試點(diǎn)節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)調(diào)度操作技術(shù)要求及流程

白河節(jié)制閘大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)期間的運(yùn)行調(diào)度可以分為局部水位調(diào)整、大開(kāi)度檢驗(yàn)及水位恢復(fù)3個(gè)階段進(jìn)行，各階段的調(diào)度目標(biāo)如下。

（1）局部水位調(diào)整階段主要調(diào)度目標(biāo)為在不改變白河節(jié)制閘上游渠段運(yùn)行條件的情況下，完成白河節(jié)制閘-白條河節(jié)制閘之間渠段的水位抬升及白條河控制閘-東趙河節(jié)制閘之間水位的降低。

（2）大開(kāi)度檢驗(yàn)期間的主要調(diào)度目標(biāo)為通過(guò)調(diào)整白河節(jié)制閘各閘孔的開(kāi)度，維持白河節(jié)制閘上、下游水位，過(guò)閘流量的穩(wěn)定，逐個(gè)完成白河節(jié)制閘4個(gè)閘孔的大開(kāi)度檢驗(yàn)工作。

（3）水位恢復(fù)階段的主要調(diào)度目標(biāo)為在不影響白河節(jié)制閘-東趙河節(jié)制閘以外渠段運(yùn)行的條件下，將白河節(jié)制閘-東趙河節(jié)制閘渠段的水位恢復(fù)至專項(xiàng)檢查之前的狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

中線總干渠陶岔-北拒馬河段總共有61座節(jié)制閘，分為60個(gè)渠段，其中有31個(gè)渠段與白河節(jié)制閘一樣，在節(jié)制閘下游布置有倒虹吸出口控制閘，因此，選取白河節(jié)制閘作為大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)工作的試點(diǎn)具有較強(qiáng)的代表性。

本文采用“控制閘調(diào)整局部渠段水位”對(duì)白河節(jié)制閘實(shí)施大開(kāi)度檢驗(yàn)，方案可滿足大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)在設(shè)計(jì)水位、動(dòng)水條件、單孔閘門全開(kāi)的檢驗(yàn)要求，通過(guò)對(duì)上下游節(jié)制閘、控制閘的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)總干渠其它渠段運(yùn)行基本無(wú)影響，上下游渠段水位壅高、水位降速等均可以維持在渠道和建筑物允許范圍之內(nèi)，調(diào)度方案合理可行。

鑒于總干渠各節(jié)制閘、渠段的運(yùn)行水位、閘孔數(shù)量、輸水流量、分水流量等運(yùn)行邊界條件各不相同，因此，其他節(jié)制閘應(yīng)在此研究基礎(chǔ)上，根據(jù)其運(yùn)行特點(diǎn)分別制定相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)度方案。

此外，在當(dāng)前高水位、小流量的運(yùn)行條件下，難以完成全線所有節(jié)制閘的大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)工作，如穿黃節(jié)制閘等，有待于進(jìn)一步研究靜水條件下進(jìn)行大開(kāi)度專項(xiàng)檢驗(yàn)的可行性，或在總干渠輸水流量加大后，具備相關(guān)條件后進(jìn)行。

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