南水北調(diào)中線工程主要水力學問題研究

，，

(長江科學院 a.水力學研究所;b.水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

南水北調(diào)中線一期工程自2003年正式開工建設(shè)，計劃2014年汛后正式通水，工程以北京、天津、河北、河南等城市生活、工業(yè)供水為主，兼顧生態(tài)和農(nóng)業(yè)用水。渠首陶岔多年平均調(diào)水量95億m3，引水設(shè)計流量350 m3/s，加大流量420 m3/s?？偢汕┰介L江、淮河、黃河、海河四大流域，全線長1 432 km(含天津干渠)(見圖1)，高程落差不足100 m。渠道沿線布置有眾多節(jié)制閘、分水口門和退水閘等控制工程，如何盡可能減少渠道及建筑物的水頭損失，確保工程輸水能力是工程設(shè)計時需考慮的關(guān)鍵問題之一。此外，總干渠由南到北跨越多種復(fù)雜地質(zhì)條件，地理環(huán)境和氣候條件也差異較大，全程自流輸水且沒有在線調(diào)節(jié)水庫，使得工程自身安全及運行調(diào)度方面的水力學問題尤為突出。

圖1 南水北調(diào)中線總干渠線路示意圖

長江科學院(以下簡稱“長科院”)自20世紀80年代起便開始參與南水北調(diào)中線工程的水力學研究工作，先后完成了數(shù)十個相關(guān)課題研究，取得了豐富的研究成果并成功運用于工程中，包含：陶岔渠首樞紐及丹江口水庫大壩加高等渠首工程的水力學問題[1-4]；總干渠渠道糙率[5-7]、渠道倒虹吸及渡槽等水力學問題[8-17]；左岸排水等河道交叉建筑物[18]的水力學問題；與渠道運行有關(guān)的節(jié)制閘流量計算[19-21]、應(yīng)急調(diào)度[22-31]、冰期輸水等水力學問題[32-36]等。限于篇幅，本文僅就渠道糙率問題、節(jié)制閘流量計算公式、穿黃隧洞布置形式及水力特性、突發(fā)事件下渠道應(yīng)急調(diào)度、冬季冰期輸水等幾個主要水力學問題研究成果進行闡述和總結(jié)，可為中線工程運行調(diào)度提供技術(shù)支持及供類似工程設(shè)計借鑒。

表1 輸水渠道糙率調(diào)研與實測數(shù)據(jù)

2 渠道糙率問題

調(diào)水工程中輸水渠道的糙率是渠道設(shè)計與運行控制的重要參數(shù)，它直接決定了工程建設(shè)投資規(guī)模和渠道的輸水能力。南水北調(diào)中線工程渠道設(shè)計糙率為0.015，為驗證其合理性，對國內(nèi)近20個大型輸水工程和灌區(qū)的渠道糙率進行了調(diào)研考察[4]，并對其中漳河灌區(qū)、武都引水工程、東深供水工程及南水北調(diào)中線京石段等4個工程進行了現(xiàn)場渠道糙率實測[5],見表1。成果表明，影響渠道糙率的因素主要有：①渠道自身結(jié)構(gòu)，即渠道襯砌和渠道形式(彎道、變斷面等)，其中襯砌的類型、施工工藝和質(zhì)量對糙率影響較大，襯砌面平滑、接縫小、襯砌塊完好的渠道糙率較小，而彎道和斷面變化則有一定的阻水作用，如調(diào)研資料表明，襯砌良好的順直段曼寧糙率值介于0.012～0.013之間；②與渠道運行維護管理和跨渠建筑物有關(guān)，渠道建成運行一定年限后，襯砌表面的水泥漿脫落，襯砌接縫增大，水生物(主要是藻類)滋生以及渠底泥沙淤積等因素都會增大阻水作用，如實測的東深供水工程由于年限較長，渠道過流壁面脫落成麻面狀，模板錯縫凹凸不平，測得糙率為0.016 3；武都引水工程由于渠底淤泥水草和跨渠橋墩的存在，實測糙率達到 0.018 2。

南水北調(diào)中線工程總干渠襯砌采用現(xiàn)澆混凝土板，施工工藝控制較好，襯砌表面光滑，接縫較小，但渠道彎道與變斷面較多，沿程有大量跨渠渡槽和橋梁橋墩位于渠中，實測渠道綜合糙率為0.014 8，滿足設(shè)計輸水能力要求。但在總干渠全線通水運行后需繼續(xù)加強渠道的糙率監(jiān)測，做好渠道日常的維護及清淤，確保襯砌面光滑無損以保持渠道正常輸水能力的要求。

3 節(jié)制閘流量計算公式

中線總干渠全線含有幾十座倒虹吸及渡槽，在渡槽進口和倒虹吸出口均設(shè)置節(jié)制閘站進行分段控制，節(jié)制閘(圖2)過閘流量是渠道信息化運行調(diào)度的關(guān)鍵水力條件，傳統(tǒng)計算堰閘流量采用的方法是先判別流態(tài)類型，再根據(jù)不同流態(tài)套用對應(yīng)的經(jīng)驗公式(1)計算。

圖2 概化節(jié)制閘過流示意圖

閘孔出流流量經(jīng)驗公式為

(1)

(2)

表2 節(jié)制閘淹沒孔流淹沒系數(shù)擬合公式系數(shù)

表3 典型節(jié)制閘淹沒孔流實測資料以及試驗擬合公式計算流量成果

中線工程正常調(diào)度時閘室流態(tài)一般為淹沒孔流流態(tài)，在總干渠供水調(diào)度計算過程中發(fā)現(xiàn)，以式(2)計算的節(jié)制閘流量與實測值差別較大，尤其是當相對開度e/H較大時，最大達到±30%。

圖3 節(jié)制閘淹沒系數(shù)σ與相對開度以及相對淹沒度三維擬和效果圖

淹沒系數(shù)擬合公式如下：

(3)

4 穿黃工程布置形式及其水力特性

穿黃工程位于鄭州市以西約30 km的孤柏山灣處，是南水北調(diào)中線總干渠上跨越黃河的交叉建筑物，也是國內(nèi)穿越大江大河直徑最大的倒虹吸輸水隧洞，工程設(shè)計流量為265 m3/s，加大流量為320 m3/s。在水力學方面重點研究的問題有：隧洞的過流能力和壓力特性；進出口局部水頭損失及流態(tài)；控制閘的布置方案及閘門啟閉原則和允許的開啟區(qū)間等。

表4 京石段節(jié)制閘臨時通水原觀資料、傳統(tǒng)經(jīng)驗公式以及試驗擬合公式計算成果對比

針對不同的設(shè)計階段，前后進行了3種布置方案的水工模型試驗[9-10](見表5), 其比尺分別為30，25，25。

表5 穿黃工程不同布置方案結(jié)構(gòu)特性對比

主要成果有:

(1) 經(jīng)試驗修改優(yōu)化后的3種布置方案隧洞過流能力及主要水力特性滿足設(shè)計要求。方案Ⅰ的控制閘設(shè)在隧洞進口, 小流量運行時, 因進口處水位較低，易發(fā)生跌流或洞內(nèi)水躍; 大流量時, 進口前有游動的立軸漩渦, 氣泡和漂浮物易被帶進洞內(nèi), 對隧洞的安全運行不利。

(2) 方案Ⅱ和方案Ⅲ將控制閘設(shè)在隧洞出口, 通過閘門調(diào)度, 可避免進口處產(chǎn)生不利流態(tài); 在閘墩上設(shè)置側(cè)堰, 可以簡化閘門調(diào)度; 閘下的消能防沖可通過簡單的工程措施解決。此外，還對隧洞進、出口彎段的局部水頭損失系數(shù)ζ進行了精確測試，方案Ⅱ進口為0.126，出口0.337；方案Ⅲ進口安裝安全柵時為0.518，不安裝為0.124，出口0.432。

圖4 隧洞進口體型修改方案比較

圖5 方案5與原方案對比

5 突發(fā)事件下應(yīng)急調(diào)度

總干渠沿程沒有在線調(diào)節(jié)水庫，參與運行調(diào)度的控制閘數(shù)目眾多，包括63座節(jié)制閘、54座退水閘、1座泵站和85座分水閘(不含天津干渠)，突發(fā)事故時快速的渠道聯(lián)合應(yīng)急調(diào)度難度極大；此外，閘控設(shè)備的機械指標(最大機械速率0.4 m/min)也限制了閘門的操控速度；加之總干渠全線跨越大，且沿程地質(zhì)氣候條件復(fù)雜，遭遇意外事故的風險較大。

結(jié)合中線工程總干渠設(shè)計和運行調(diào)度特點，對中線工程突發(fā)事件下應(yīng)采取的緊急調(diào)度措施進行了系統(tǒng)的分析研究[22-31]，建立了從突發(fā)事件識別分類到應(yīng)急處置響應(yīng)，最后應(yīng)急終止評價的整套應(yīng)急調(diào)度預(yù)案體系(圖6)。

圖6 應(yīng)急調(diào)度框圖

圖7 應(yīng)急調(diào)度程序流程

研究將突發(fā)事件分為水質(zhì)污染、渠道及建筑物結(jié)構(gòu)破壞、設(shè)備故障和社會安全等4類，根據(jù)其嚴重程度、可控性和影響范圍等因素將分為特大、重大、較大、一般4級，針對4類4級事件分別提出了相應(yīng)的應(yīng)急處置措施；建立了南水北調(diào)中線總干渠應(yīng)急調(diào)度數(shù)學模型(圖7)，提出了完整的總干渠全線閘門應(yīng)急控制策略(節(jié)制閘、分水閘、退水閘)，見表6；對影響應(yīng)急調(diào)度的主要因素進行了計算分析和敏感性研究，解析其影響機理，優(yōu)化提出了一套適用于總干渠全線各渠段應(yīng)急工況的運行控制參數(shù)(節(jié)制閘關(guān)閉速率、安全水位、預(yù)警水位、退水閘啟閉水位等)，經(jīng)過全線各渠段數(shù)百種應(yīng)急案例的模擬計算表明，提出的閘門控制規(guī)則和控制參數(shù)[28-30]能及時有效控制突發(fā)事故，不會發(fā)生次生災(zāi)害且渠道棄水量總體較小。

表6 南水北調(diào)中線工程應(yīng)急調(diào)度閘門控制規(guī)則簡表

本項研究成果目前已嵌入中線工程總干渠供水調(diào)度自動控制系統(tǒng)，成為其實時在線應(yīng)急調(diào)度模塊，為工程的運行調(diào)度提供技術(shù)支撐。

6 冬季冰期輸水

中線總干渠由南向北跨越北緯33°～40°，沿線氣候從暖溫帶向中溫帶過渡，工程冬季運行時，黃河以北700 km渠道水流將有不同程度的冰凌產(chǎn)生，總干渠將處于無冰、流冰、冰蓋輸水等多種復(fù)雜運行狀態(tài)，安陽以北的倒虹吸、閘門、渡槽下游、曲率半徑較小的彎道等局部水工建筑物附近可能發(fā)生冰塞、冰壩危害。為解決總干渠冰期輸水的運行安全問題，滿足各種復(fù)雜運行工況下水位流量的控制要求，分別于2011，2012年對中線工程京石段開展了歷時2個冬季的冰凌原型觀測(圖8(a)和圖8(b))[32]，掌握了大量寶貴的渠道冰凌生消演變第一手數(shù)據(jù)資料(表7)。研究表明，京石段渠道冬季冰情發(fā)展具有全線同步性、串行差異性、多點供水影響性、氣候影響主導性特點[34]。即整個京石段進入結(jié)冰期及融冰期的時間基本是同步的；串聯(lián)的單個渠段在各自渠段內(nèi)呈現(xiàn)出不一樣的冰凌發(fā)展過程；多水源進入渠道致使水源上下游的渠段冰情發(fā)展有別于其他渠段，呈現(xiàn)出不一致的變化特征；整個冬季渠道冰情的發(fā)展過程是由氣象條件變化決定，渠段地形、結(jié)構(gòu)等物理條件只能引起局部差異。研究得到了關(guān)鍵的冰凌動力學參數(shù)，岸冰形成、表面流冰層形成和冰蓋開始融化等封凍期和開河期冰情發(fā)展的水力學和熱力學參數(shù)等。此外，初步建立了符合總干渠冰情演變的二維冰水動力學發(fā)展數(shù)學模型[35,36](圖9)，開發(fā)了冰凌動力學模擬程序軟件，并結(jié)合中線冰情發(fā)展的實測數(shù)據(jù)進行了率定和驗證(圖10)，可作為中線工程冬季運行冰凌預(yù)測的有效手段。

表7 2011—2013年冬季冰凌觀測典型數(shù)據(jù)(部分)

圖8 京石段原型觀測

圖9 冰蓋厚度分布

圖10 放水河閘前冰蓋厚度驗證

7 結(jié) 語

通過對國內(nèi)數(shù)十個調(diào)水工程的糙率調(diào)研及對南水北調(diào)京石段等幾個工程實際糙率的測量和分析，給出了影響混凝土襯砌渠道糙率的主要因素及不同渠道的實測糙率；通過系列模型試驗擬合出了適用于中線工程總干渠倒虹吸節(jié)制閘和渡槽節(jié)制閘淹沒孔流狀態(tài)下的淹沒系數(shù)σ的計算公式，計算精度由±30%提高到±5%以內(nèi)；通過對穿黃隧洞工程不同階段3個代表方案大尺度模型試驗研究，提出了較優(yōu)水力特性的隧洞進出口布置形式及控制閘布置方式和閘門啟閉規(guī)程等；建立了南水北調(diào)中線工程應(yīng)急調(diào)度數(shù)學模型，提出了完整及合理可行的總干渠應(yīng)急閘門控制策略等；通過對南水北調(diào)工程京石段2個冬季的冰凌原型觀測，掌握了渠道冰凌生消演變的第一手數(shù)據(jù)資料及京石段全線冰情演變過程，得到了關(guān)鍵的冰凌水力學及熱力學參數(shù)，開發(fā)了冰凌動力學模擬程序并利用實測資料進行了驗證。這些主要水力學問題研究成果，可為中線工程運行調(diào)度提供技術(shù)支持及供類似工程設(shè)計借鑒。

隨著南水北調(diào)中線工程的全線通水，需在滿足全線調(diào)水需求的同時開展相關(guān)水力學特性監(jiān)測工作，如全線各渠段渠道及過水建筑物糙率率定、各節(jié)制閘過閘流量復(fù)核、冬季輸水渠段冰凌原型觀測等。此外，為保證中線工程安全、適時、高效地輸水運行，仍需結(jié)合工程實際對正常調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度方面的水力學問題進行更加深入的研究。

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