滇中引水工程水力特性分析
——楚雄段事故退水

王 超，楊小龍，朱國金,司建強

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

滇中引水工程輸水總干渠楚雄段是滇中引水工程的重要組成部分[1]，起點為萬家隧洞進口，終點為羅茨，線路全長約為142.816km。

楚雄段共包括18座建筑物，其中隧洞9條，總長129.915km，占全長90.97%；倒虹吸4座，總長12.088km，占全長8.46%；渡槽3座，總長0.627km，占全長0.44%；暗涵2條，總長0.187km，占全長0.13%。

總干渠楚雄段布置有7座分水閘、6座節制閘、6座退水閘、5座工作閘、4座事故閘及2座檢修閘如圖1所示。由于分水口門眾多，分配水量大，各類控制建筑物眾多，復雜輸水系統中不同控制建筑物在調控時特別是多個控制系統聯合調度時水力條件十分復雜，加之本工程引水距離長，水力響應必然存在滯后問題[2- 4]。

本文以滇中引水工程楚雄段為對象，考慮工程運行過程中可能存在的事故工況，在對事故工況進行類型劃分的基礎上，采用數值模型模擬事故退水過程，分析退水操作的合理性，以及退水過程中各個節點水位變化極值和對建筑物的影響。

圖1 滇中引水工程楚雄段控制設施布置示意圖

1 事故工況分析的基本工況

滇中引水工程為典型的長距離輸水工程，總干渠沿線應設置專用的退水通道，以滿足工程正常運行情況下的全線或局部線路段的維護檢修要求，同時需兼顧工程事故退水的需要[5]。

楚雄段總干渠上共設置有三類、30個控制設施：分水控制設施——7個分水閘及6個節制閘；事故控制設施——4個事故閘、6個退水閘及5個工作閘；檢修控制設施——2個檢修閘。從上述三類控制設施工作特性看，分水閘及節制閘在運行中調度頻次較高，節制閘可配套控制上游的1個或多個分水閘，節制閘及分水閘上游一般設有1個或多個退水閘。事故閘、退水閘一般僅在事故情況下操作。檢修閘一般在有檢修需求情況下操作，后兩類閘的操作可控制度較高。

楚雄地區境內河流稀少，特別缺乏大型河流，因此為確保總干渠退水條件，擬將總干渠線路上具備退水條件的河流均作為退水通道考慮。楚雄段輸水總干渠線路上有六條河流通過，基本具備作為退水通道的條件，擬在總干渠相應位置上布置專用退水通道，設置退水閘和事故閘，以滿足總干渠最基本的退水要求。

從楚雄段工程布置及調度要求情況看，總干渠可能出現的事故分為兩類：控制設施誤操作事故(運行事故)以及突發自然災害事故(工程事故)。

控制設施誤操作事故，即總干渠上的分水閘及節制閘在運行中調度頻次較高，可能出現誤操作情況，導致總干渠斷面阻水、水位上升。

突發自然災害事故，即楚雄段總干渠明建筑物均布置于溝谷(河流)處，存在遇特大山洪等自然災害時影響其正常運行的安全隱患；楚雄段總干渠鳳凰山隧洞后段穿越元謀—綠汁江晚更新活動斷裂帶；觀音山倒虹吸后段跨越羅茨—易門晚更新活動斷裂帶；活動斷裂帶本身穩定性以及其蠕滑、突發地震時的變形特性對建筑物結構存在安全隱患[6- 7]。

綜上，考慮總干渠退水通道條件的有限、控制設施調度運行要求以及工程特殊地質條件可能引發的安全隱患等情況，有必要對總干渠可能的各種事故工況(調度運行事故及工程事故等)進行水力分析，關注可能事故工況下特殊的水力現象，分析對工程安全的影響及對運行調度的要求，研究提出擬采取的必要的結構或調度控制措施，確保工程運行以及社會環境的安全。

2 典型退水工況的擬定

2.1 節制閘誤操作工況

楚雄段共布置6座節制閘，分別布置在萬家隧洞出口(控制萬家分水口)，鳳屯隧洞出口(柳家村分水口、鳳屯分水口，上游有雙甸河退水閘、紫殿河退水閘)、伍莊村暗涵出口(控制伍莊村分水口，上游有雙甸河退水閘、紫殿河退水閘)、龍川江倒虹吸出口(控制龍川江分水口，上游有龍川江退水閘)、魯支河渡槽出口(控制魯支河分水口，上游有西河退水閘、魯支河退水閘)及觀音山倒虹吸出口(控制觀音山分水口，上游有東河退水閘)。節制閘用于控制總干渠流量小于75%設計流量時的分水口水位、以滿足分水要求。楚雄地區農業供水約占38%、具有季節性及不均勻性的調度要求，分水口及節制閘調度的頻次要求較高，故極可能出現誤操作的概率。

節制閘誤操作工況的輸水建筑物流量按75%設計流量考慮。一般節制閘可配套控制1個或多個分水閘；節制閘上游均有1個或多個退水閘；當靠近節制閘上游的退水閘可滿足該段總干渠流量的退水條件時，稱為獨立退水單元；當不滿足、需要上游多個退水閘聯合退水時，稱為聯合退水單元。

圖2所示為楚雄段觀音山倒虹吸節制閘誤操作退水示意圖。觀音山倒虹吸節制閘布置于觀音山倒虹吸出口，用于控制觀音山分水口。觀音山倒虹吸進口布置有退水閘，退水閘后布置有工作閘，退水河道東河具備接納輸水主干渠設計流量100m3/s的能力，具有獨立退水能力。當倒虹吸出口節制閘出現誤操作全部阻斷水流時，可立即開啟進口退水閘，同時關閉進口工作閘，向東河退水。該段還可同步開啟柳家村渡槽進口、鳳屯渡槽進口、龍川江進口、九道河倒虹吸進口、魯支河渡槽進口的退水閘、向雙甸河、紫殿河、龍川江、西河及魯支河退水(不關閉該處的事故閘)，運用聯合退水單元模式，以加快退水，并盡可能減輕總干渠建筑物的事故風險以及退水河道的行洪風險。

圖2 觀音山倒虹吸節制閘誤操作退水示意圖

2.2 分水閘誤操作工況

楚雄段共布置了7座分水閘，分別為萬家分水閘、柳家村分水閘、鳳屯分水閘、伍莊村分水閘、龍川江分水閘、魯支河分水閘和觀音山分水閘。楚雄地區農業供水約占38%、具有季節性及不均勻性的調度要求，分水口及節制閘調度的頻次要求較高，故極可能出現誤操作的概率。

分水閘在分水的過程中存在誤操作或者緊急關閉的可能，正常運行著的分水閘關閉將使分水閘下游主干渠的流量增加，水位升高，使主干渠水位升高。因此，在分水閘因誤操作或者緊急事故關閉后，應及時開啟分水閘上游總干渠的退水閘退水，控制下游總干渠流量不超過設計流量，避免總干渠水位升高[8- 9]。

圖3所示為鳳屯分水閘誤操作退水示意圖，當鳳屯分水閘誤操作關閉后，開啟鳳屯渡槽進口的退水閘退水。

圖3 鳳屯分水閘誤操作退水示意圖

2.3 明建筑超標地震損壞工況

楚雄段沿線布置6座地面連接建筑物，分別為柳家村渡槽、鳳屯渡槽、龍川江倒虹吸、九道河倒虹吸、魯支河渡槽、觀音山倒虹吸，這6座地面連接建筑物均在其進口布置有退水閘和事故閘，在發生特大山洪或超標地震等自然災害、造成該部位建筑物損壞時，可向進口處退水閘所在河道及時退水。其中鳳屯渡槽所在的雙甸河、龍川江倒虹吸所在的龍川江、九道河倒虹吸所在的西河、觀音山倒虹吸所在的東河具備退總干渠設計流量的能力，具備獨立退水條件。而柳家村渡槽所在的雙甸河、魯支河渡槽所在的魯支河受河道沿岸村莊房屋分布高程限制，接納退水流量能力有限，退水能力小于總干渠設計流量，不具備獨立退水條件，必須與上游退水通道組成聯合退水單元。

本類事故的退水條件以總干渠設計流量作為衡量標準，因楚雄段8座事故閘其中六座布置于前述六座明建筑物進口部位，圖4所示為魯支河渡槽損壞退水示意圖。魯長流渡槽進口布置有退水閘，退水閘后布置有事故閘，由于魯支河接納能力有限，僅有39m3/s，小于主干渠的設計流量100m3/s，因此必須與前一個退水閘，即九道河退水閘聯合退水。單元內主要輸水建筑物有龍川江倒虹吸、鳳凰山隧洞、鳳凰山倒虹吸、九道河隧洞、九道河倒虹吸、魯支河隧洞。本單元內主干渠設計流量100m3/s，向西河和魯支洞聯合退水，向西河退水100m3/s，向魯支洞退水39m3/s。當魯支河渡槽出現事故時，立即開啟魯支河渡槽和九道河倒虹吸進口退水閘，同時關閉魯支河渡槽進口事故閘和九道河倒虹吸進口工作閘，同時向魯支河和西河退水。

圖4 魯支河渡槽損壞退水示意圖

2.4 隧洞超標地震堵洞工況

楚雄段輸水建筑物在鳳凰山隧洞后部兩次穿越元謀—綠汁江活性斷層，由于兩次穿越相距不遠，為安全計，僅考慮前部穿越活性斷層處堵洞情況。

圖5所示為鳳凰山隧洞活斷層堵洞事故退水示意圖。鳳凰山隧洞之前為龍川江倒虹吸，龍川江倒虹吸在進口布置有退水閘，退水閘后布置有事故閘，退水河道龍川江具備接納輸水主干渠設計流量100m3/s的能力，具備獨立退水能力。當鳳凰山隧洞在元謀—綠汁江活性斷層處發生堵洞事故時，龍川江倒虹吸處立即開啟進口退水閘，同時關閉進口工作閘，向龍川江退水，獨立退水單元內的主要建筑物有龍川江倒虹吸、鳳凰山隧洞。

圖5 鳳凰山隧洞活斷層堵洞事故退水示意圖

3 計算分析結果

采用開源軟件SWMM[10]模擬以上四類主干渠事故工況，每個計算工況的模擬范圍均包含楚雄段和昆明段的所有建筑物，即從楚雄段萬家隧洞進口到昆明段牧羊村倒虹吸出口。萬家隧洞進口為流量邊界條件，牧羊村倒虹吸出口以及流量確定水位邊界條件。計算結果整體分析如下：

(1)對于節制閘誤操作工況，主干渠中各節點的最高水位均沒有超過洞頂高程。如果節制閘位于倒虹吸的出口，節制閘關閉后，倒虹吸內水流慣性較大，倒虹吸出口的水位升高較大，龍川江倒虹吸出口的最高水位超過設計水位1.55m，觀音山倒虹吸出口最高水位超過設計水位1.59m。萬家隧洞出口節制閘誤操作后，由于缺少退水通道，閘前最高水位高于設計水位1.54m，但低于隧洞頂部高程0.66m。鳳屯渡槽進口節制閘前的最高水位低于設計水位。魯支河渡槽出口節制閘前的最高水位由于魯支河退水小于主干渠初始流量，需要和西河聯合退水，最高水位超過設計水位0.19m。

(2)對于分水閘誤操作工況，楚雄段分水流量最大的分水口為鳳屯渡槽出口分水口，分水流量為10m3/s。當分水口誤操作后，分水口下游主干渠流量較設計流量增加，會使水位壅高，同樣分水閘下游水位的壅高會影響分水閘上游水位，使分水閘上游水位升高，但分水流量較主干渠設計流量的比例不大，造成的水位壅高不多。鳳屯渡槽出口分水閘誤操作的過程中，鳳屯渡槽出口的最高水位超過設計水位0.19m。

(3)對于地面建筑物破壞類的工況，獨立退水單元在事故退水的過程中，各個節點的最高水位均沒有超過洞頂高程，由于在計算時，采用了閘門開度控制最大退水流量不超過，會造成事故閘閘前水位壅高，而在實際操作中，如果能根據退水閘流量的變化調節退水閘門的開度，主干渠事故閘前的水位壅高則會很小，甚至低于設計水位。對于聯合退水單元，楚雄段有柳家村渡槽聯合退水單元和魯支河渡槽聯合退水單元，柳家村渡槽聯合退水單元由于主干渠流量為115m3/s，雙甸河退水流量為80m3/s，前面無退水通道，在退水的過程中造成柳家村隧洞出口水位壅高，但最高水位低于柳家村隧洞出口洞頂高程0.54m，此工況中其他節點的最高水位也均低于洞頂高程。對于魯支河聯合退水單元，魯支河退水流量為39m3/s，但可聯合主干渠上游的九道河退水100m3/s，此工況中各節點的最高水位均沒有超過洞頂高程。

(4)對于活斷層隧洞堵洞工況，楚雄段為鳳凰山隧洞穿越元謀—綠汁江斷層，由于元謀—綠汁江斷層位于鳳凰山隧洞后段，堵洞后水體可以在一定時間段內儲存在鳳凰山隧洞內，并沒有造成鳳凰山隧洞進口水位壅高。

(5)綜合楚雄段各個事故工況，總結得到各個建筑物進出口最高計算水位與設計水位，洞(涵、槽)頂的相對關系表明，楚雄段所有建筑物進出口的最高水位均沒有超過洞頂高程，所擬定的事故退水操作是可行的。

4 結語

長距離引水工程事故退水工況涉及多種控制設施在空間和時間尺度上的聯動，在事故退水運行調度時，應盡快的開啟退水設施進行退水，同時應該注意以下方面。

(1)事故發生后，在退水渠退水的初始階段，主干渠內的水位會因為事故的發生而壅高，因此需要控制退水閘門的開度從零開啟到一定的開度，使退水流量不超過退水渠的設計流量，而當事故閘完全關閉，主干渠的流量全部通過退水閘，如果保持退水閘之前的開度，就會造成主干渠水位的壅高。

(2)事故閘關閉時間和退水閘啟動時間對渠道內水位波動均有影響，事故發生后，應盡早啟動退水閘退水，同時在下游主干渠善能過流的情況下關閉事故閘時，應控制閘門關閉的速率，急速的關閉事故閘可能會引起閘前水位快速升高。

(3)當主干渠中出現閘門誤操作事故或者工程類破壞事故時，建議同時開啟事故點上游多個退水閘退，運用聯合退水單元模式，以加快退水，并盡可能減輕總干渠建筑物的事故風險以及退水河道的行洪風險。

(4)雖然分水口的流量占主干渠流量比例不大，但是當退水閘出現誤操作關閉后，應該盡快開啟分水口上游退水閘，使退水流量不小于分水流量，否則存在主干渠水位壅高的風險。