南水北調中線工程節制閘大開度檢驗調度方案

李立群+李偉東

摘要：南水北調中線沿線設有64座節制閘，為確保金結機電設備運行安全，按照設施設備規范要求各節制閘應在動水條件下進行零開度至全開度檢驗。中線工程現處于通水初期，沿線各分水口門尚未達到設計流量，如需完成大開度檢驗，勢必需要通過采取一定的調度措施來實現。結合中線工程運行實際，選取典型試點分析大開度檢驗的可行性；同時在充分考慮目前全線小流量、高水位的運行狀態下，比對分析幾種特定條件下的運行調度方案，初步研究選取了“控制閘調整局部渠段水位”的調度方案。通過對試點節制閘上下游控制建筑物的運行水力條件進行調整，保持試點節制閘目標過閘流量及其上下游渠段水位的相對穩定，進而實現節制閘大開度檢驗。

關鍵詞：節制閘；大開度檢驗；運行調度；南水北調

中圖分類號：TV68文獻標志碼：A文章編號：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

南水北調中線全長1 432 km，沿線設有64座節制閘，97個分水口，機電設備的安全運行是保障工程平穩高效輸水的基礎。因此，節制閘投運后需要進行各種安全運行調試，其中在動水條件下進行各種工況（零開度至全開度）大開度專項檢驗是必需的。但中線工程自2014年12月正式通水后，沿線需水量遠未達到設計要求，全線基本處于小流量、高水位的運行狀態，各節制閘的上、下游水位差較大（0.44～8.85 m），全線節制閘開度基本上處于小開度（0.4～3.7 m）運行狀態。經復核，在不改變各渠段現有水位、流量的條件下，各節制閘單孔全開的過流能力均遠大于當前總干渠的輸水流量，在此條件下進行調試，將導致檢驗閘站上游渠段水位的迅速下降，影響總干渠的運行安全。中線工程無論是輸水線路長度、涉及建筑物種類、工程安全要求還是調度復雜程度均為國內之最，且無直接經驗可循，本文在大型輸水渠道調度控制研究基礎上，依照中線工程水力學仿真模型研究及輸水調度控制策略要求等，研究探索閘門大開度檢驗的可行性及可操作性方案，為工程長期平穩安全輸水提供基礎保障。

考慮到總干渠上游節制閘過流量及閘門開度相對較大、可調節范圍大，運行現狀有利于大開度專項檢驗期間的運行控制；同時，經對南陽境內節制閘進行比對分析，白河渠道倒虹吸出口節制閘為4孔，單孔過閘流量相對較小。因此，本次擬選取白河渠道倒虹吸節制閘做為大開度專項檢驗的試點閘站，以其為例分析現狀條件下完成大開度檢驗的可行性，并結合中線總干渠輸水調度控制方式，充分考慮目前的運行實際深入研究探討了通過采取一定的調度措施，對總干渠的運行水力條件進行調整的方式實現節制閘大開度檢驗，同時保持節制閘過閘流量相對穩定，保證工程正常供水[1-5]。

1 節制閘大開度檢驗調度目標及任務

根據總干渠目前的運行情況及節制閘大開度檢驗的需求，確定本次運行調度的主要任務如下：

（1）進行大開度檢驗的節制閘閘前水位保持在設計水位或當前運行水位附近（±20 cm）；

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

（3）專項檢驗期間，不改變各節制閘的當前輸水流量；

（4）確保專項檢驗期間，各分水口門可以按計劃取水。

2 試點節制閘渠段內相關建筑物運行現狀

本文選取南陽境內白河渠道倒虹吸節制閘為例。白河渠道倒虹吸出口節制閘為4孔，每孔單寬為6.7 m，調試期間可能受到影響的渠段為上游十二里河節制閘-白河節制渠段和下游白河節制閘-東趙河節制閘渠段，渠段內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個控制閘，田娃、大寨、半坡店3個分水口門，以及白河退水閘等7個建筑物在專項檢驗期間可能需根據運行調度需要進行相應的調整。渠段內相關建筑物示意圖見圖1。

結合當下的運行數據，試點節制閘渠段內田娃、大寨、半坡店3個分水口門均為全關狀態，未參與運行調度；娃娃河、梅溪河、白條河倒虹吸出口3個控制閘為全開狀態，未參與運行調度，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狀態，未參與運行調度。試點節制閘渠段3個節制閘均正常運行，閘前水位控制在設計水位附近，閘門開度0.6～0.78 m，過閘流量約為80 m3/s，各節制閘運行狀況詳見表1。

3.1 現狀條件下單孔過流能力計算

專項檢驗期間，需將閘門全部提起，此時，過閘水流為堰流，可以采用《水閘設計規范》（SL 265-2001）的堰流計算公式計算過閘流量[9-11]。

式中：Q為過閘流量（m3/s）；B0為閘孔凈寬，白河節制閘單孔運行，可取B0=6.7 m；σ為淹沒系數；hs為從堰頂算起的下游水深（m）；ε為側收縮系數，白河節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，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）；

白河節制閘設計流量為330 m3/s，加大流量為410 m3/s，其設計過流能力遠大于白河節制閘現狀過閘流量81.94 m3/s。因此，在大開度檢驗時，需采用單孔運行方式，單孔閘寬為6.7 m，閘底板高程為131.92 m。白河節制閘現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，根據堰流公式，在當前水位條件下的過閘流量為224.1 m3/s。

3.2 現狀條件下節制閘大開度檢驗對總干渠運行的影響

據分析，單個節制閘大開度專項檢驗時間約需1 d。現狀條件下白河節制閘3孔全關，1孔全開的過閘流量約為224 m3/s，遠大于該渠段正常輸水流量，如一直保持現狀上下游水位關系，8 h工作時間內白河節制閘將比計劃多輸水約409萬m3。經體積平衡試算，檢修期間白河節制閘閘前水位將下降至139.20 m，東趙河節制閘閘前水位將上升至139.12 m，渠段內總水體不變[12-13]，詳見表2。

3.3 現狀條件下大開度檢驗的可行性

大開度專項檢驗需在設計水位下進行，在現狀條件下進行該檢驗，白河節制閘閘前水位較設計水位低0.72 m，且其上游渠段水位降速將遠大于0.3 m/d，可能造成節制閘上游渠段襯砌破壞，此外，白河節制閘下游渠段水位也將出現較大的上升，且超出了渠段設計運行水位，同樣可能給總干渠運行安全帶來一定的風險[14-16]。因此，在現狀條件下，進行白河節制閘大開度專項檢驗基本不可行，必須通過一定的調度措施，對總干渠的運行水力條件進行調整。

4 試點節制閘大開度檢驗運行調度參考方案

4.1 閘門大開度檢驗調度方案選擇

經初步分析，在初期高水位、小流量運行調度下，要保證節制閘進行大開度檢驗，并保持渠道水位的相對穩定和節制閘過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行調度方案。

（1）利用檢修閘形成靜水條件，進而在靜水條件下對節制閘進行大開度檢驗。

（2）調整節制閘上、下游渠段運行水位，降低節制閘前、后的水位差，從而減小單孔閘大開度下的過流能力，達到調試需要。

（3）控制閘調整局部渠段水位，可結合該節制閘上下游其它控制閘對節制閘上下游局部渠段進行水位控制。

（4）通過控制大開度開啟時間，控制渠段泄量等方式，使渠內水位變化在運行范圍內。

（5）利用檢修閘控制過閘流量，或在檢修閘處形成堰流，減少閘孔過流量，達到調試需要。

根據節制閘大開度專項檢驗“閘前設計水位、動水條件、閘門全開、單站檢驗時長約為1 d”的要求，結合試點白河節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，白河節制閘大開度專項檢驗運行調度宜采用“控制閘調整局部渠段水位”的方式[17-18]。

4.2 試點節制閘大開度檢驗調度參考方案

（1）運行控制建筑物。

采用“控制閘調整局部渠段水位”的運行調度方式，對十二里河節制閘-白河節制閘渠段和白條河控制閘-東趙河節制閘渠段基本無影響，因此，十二里河節制閘可按照當前的運行調度要求進行常規調度操作。白河節制閘及白條河控制閘需根據運行調度需要，保持閘前水位的穩定和過閘流量穩定，東趙河節制閘可根據調度此期間的水位變化情況適時進行小開度調整[19-20]。

（2）過閘目標流量。

白河節制閘在專項檢驗期間輸水目標流量按照當前輸水流量控制，取81.0 m3/s。

（3）白河節制閘閘下水位確定。

為保證單孔全開時，白河節制閘的過閘流量在81.0 m3/s左右，需利用白條河控制閘將白河節制閘閘下水位抬升至一定的水位，根據堰流公式（1）及（2），可以反算出在閘上水位為139.84 m時，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水位及目標開度。

為保證白河節制閘閘下水位在139.78 m附近，需利用白條河控制閘壅水，利用南水北調中線總干渠水力學模型對閘前目標水位進行試算可知，當白條河控制閘閘前水位控制在139.77 m時，在輸水流量為81.0 m3/s條件下，可將白河節制閘閘下水位穩定在139.78 m。白條河控制閘閘前目標水位比該閘現狀水位138.83 m高0.94 m，比設計水位高約0.16 m，比加大水位低0.58 m，可滿足該渠段的運行安全要求，白條河控制閘的目標開度為0.68 m。

（5）東趙河節制閘閘前目標水位及目標開度。

將白條河控制閘閘前水位從當前的138.83 m抬升至目標水位139.77 m，此渠段需增加總水量約20.5萬m3，為盡量減少對其他渠段的影響，此部分水量擬由白條河控制閘-東趙河節制閘渠段調節，經試算，東趙河節制閘的運行水位需由當前的138.61 m調整至138.35 m，下降約0.25 m。由于白條河控制閘-東趙河節制閘之間無分水口門取水，且東趙河節制閘下游水位為137.27 m，可滿足東趙河節制閘過流需求，因此，可將東趙河節制閘閘前運行水位調整至138.35 m，閘門目標開度為0.76 m。

4.3 試點節制閘大開度檢驗調度操作技術要求及流程

白河節制閘大開度專項檢驗期間的運行調度可以分為局部水位調整、大開度檢驗及水位恢復3個階段進行，各階段的調度目標如下。

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

（2）大開度檢驗期間的主要調度目標為通過調整白河節制閘各閘孔的開度，維持白河節制閘上、下游水位，過閘流量的穩定，逐個完成白河節制閘4個閘孔的大開度檢驗工作。

（3）水位恢復階段的主要調度目標為在不影響白河節制閘-東趙河節制閘以外渠段運行的條件下，將白河節制閘-東趙河節制閘渠段的水位恢復至專項檢查之前的狀態。

5 結語

中線總干渠陶岔-北拒馬河段總共有61座節制閘，分為60個渠段，其中有31個渠段與白河節制閘一樣，在節制閘下游布置有倒虹吸出口控制閘，因此，選取白河節制閘作為大開度專項檢驗工作的試點具有較強的代表性。

本文采用“控制閘調整局部渠段水位”對白河節制閘實施大開度檢驗，方案可滿足大開度專項檢驗在設計水位、動水條件、單孔閘門全開的檢驗要求，通過對上下游節制閘、控制閘的調度，實現對總干渠其它渠段運行基本無影響，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，調度方案合理可行。

鑒于總干渠各節制閘、渠段的運行水位、閘孔數量、輸水流量、分水流量等運行邊界條件各不相同，因此，其他節制閘應在此研究基礎上，根據其運行特點分別制定相應的運行調度方案。

此外，在當前高水位、小流量的運行條件下，難以完成全線所有節制閘的大開度專項檢驗工作，如穿黃節制閘等，有待于進一步研究靜水條件下進行大開度專項檢驗的可行性，或在總干渠輸水流量加大后，具備相關條件后進行。

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