南水北調(diào)中線總干渠充水試驗調(diào)度方案研究

溫世億，黃會勇，曾思棟，鐘慧榮

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；3.南水北調(diào)工程設(shè)計管理中心，北京100038）

南水北調(diào)中線總干渠充水試驗調(diào)度方案研究

溫世億1，黃會勇2，曾思棟2，鐘慧榮3

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；3.南水北調(diào)工程設(shè)計管理中心，北京100038）

結(jié)合總干渠的施工進(jìn)度、水源情況、充水測試內(nèi)容和要求及充水試驗的總體進(jìn)度安排，根據(jù)各渠段充水體積、洗渠退水量、觀察期水量損失計算成果，確定了充水試驗運(yùn)行調(diào)度方案，保證了充水試驗各項任務(wù)的順利進(jìn)行，可供類似大型調(diào)水工程借鑒。

南水北調(diào)；中線；渠道；充水試驗；運(yùn)行；調(diào)度方案

1 充水試驗階段劃分［3］

1.1 第1階段（適應(yīng)性充水階段）

充水試驗可利用該段時間完成部分工況下的水力學(xué)測試、金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備的帶水聯(lián)調(diào)等工作。充水結(jié)束后，根據(jù)監(jiān)測成果，待建筑物結(jié)構(gòu)變形、渠道內(nèi)外邊坡變形、渠道水位基本穩(wěn)定或明顯處于收斂狀態(tài)后，連續(xù)觀察一段時間，再開始第2階段充水。

1.2 第2階段（設(shè)計水位充水階段）

本階段以檢驗渠道、建筑物在設(shè)計水位條件下的安全性為主要目的。主要檢查：渠道滲漏、渠道邊坡襯砌結(jié)構(gòu)變形、沿線閘門水密性、渠道襯砌結(jié)構(gòu)、輸水箱涵、輸水渡槽的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，評價渠道及沿線建筑物在設(shè)計水位條件下的安全性。充水試驗結(jié)束后，若未發(fā)現(xiàn)影響通水運(yùn)行的重大質(zhì)量問題和安全隱患，則可以開始全線通水試運(yùn)行。

2 不同階段充水水位選擇

2.1 充水水位確定原則［4］

充水水位選擇包括充水目標(biāo)水位及達(dá)到目標(biāo)前渠道工程水位上升過程控制。充水水位確定應(yīng)遵循以下基本原則：①所有充水過程控制在渠道及建筑物設(shè)計工況允許范圍內(nèi)；②有利于逐步檢驗渠道及建筑物工程的安全性，確?？偢汕こ贪踩虎叟浜瞎こ贪踩O(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、水力學(xué)參數(shù)測試、工程及建筑物安全性分析要求，有利于取得符合工程實際情況的安全監(jiān)測資料；④滿足不同充水階段、充水渠段的水力銜接與過渡要求；⑤有利于簡化充水過程、縮短充水試驗時間；⑥有利于減少當(dāng)?shù)厮从盟浚?jié)約充水費(fèi)用，減少對當(dāng)?shù)厮h(huán)境的影響；⑦有利于協(xié)調(diào)工程實施進(jìn)度與充水計劃之間的關(guān)系。

2.2 適應(yīng)性充水階段目標(biāo)水位

本階段充水主要為總干渠沿線高填方渠道渠堤、渠道襯砌提供分期加載過程，以使其變形逐步適應(yīng)實現(xiàn)對渠道襯砌結(jié)構(gòu)、渠道邊坡加載，輸水建筑物、控制建筑物初步加載，觀察輸水體系在初期加載條件下的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力、滲流響應(yīng)情況。從工程安全監(jiān)測響應(yīng)值的測量和分析角度考慮，水位不宜過低；但從渠道及建筑物結(jié)構(gòu)加載變形適應(yīng)和安全性角度考慮，水位不宜太高。參考同類工程經(jīng)驗，過渡期目標(biāo)水位按渠段中部水深為設(shè)計水深的2/3控制；由于不同渠段長度及縱坡不同，各渠段下游節(jié)制閘閘前水深根據(jù)具體渠段情況確定。

2.3 設(shè)計水位充水階段目標(biāo)水位［5］

本階段目標(biāo)水位按各渠段節(jié)制閘前水位為設(shè)計水位控制，但是由于充水試驗期間，渠道流量難以達(dá)到設(shè)計流量，因此，渠道沿線不同斷面水位差別較大，除節(jié)制閘上游局部渠段水位接近設(shè)計水位，其他渠段難以達(dá)到設(shè)計水位。

3 充水方式［5-8］及選擇

3.1 自下而上充水

指首先完成最末端渠段充水，依次往上遞推。其優(yōu)點是：①充水過程中，閘門操作相對簡單；②上游渠段可以利用充水初期渠道低水位過流條件進(jìn)行部分觀測試驗，同時，該方式下游渠段充水完成后，即可提前進(jìn)入觀察期進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測，可適當(dāng)縮短充水試驗觀察期時間；③由于在充水初期，上游渠段水深均較小，不易引起上游渠段的破壞，有利于總干渠全線充水逐步進(jìn)行，且該充水方式節(jié)制閘上、下游水位差一直處于較小狀態(tài)，對閘后渠道襯砌的保護(hù)有利。

為保證充水安全，充水流量宜選擇渠道及建筑物設(shè)計過流能力的20%～30%。由于此方式在充水階段全渠段穩(wěn)定充水流量相同，而中線總干渠渠段過流能力沿程遞減的，故為保證總干渠下游渠段的充水安全，將限制入渠充水流量，從而使充水時間相對較長，將抵消一部分上下游充水與觀察結(jié)合而節(jié)約的時間。另一方面，在設(shè)計水位充水期間，上游渠段只能基本處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，渠道滲漏損失測定相關(guān)工作需要專門安排時間段。此外由于上游渠段水深較小，部分倒虹吸進(jìn)口可能長時間處于不能淹沒的狀態(tài)。

3.2 自上而下充水

指渠首段最先完成充水，依次往下遞推。其優(yōu)點是：①閘門自上而下有序控制水流，操作相對簡單；②在上游渠段完成充水，達(dá)到穩(wěn)定過流時，可提前對該渠段進(jìn)行部分觀測、監(jiān)測，提高觀測效率（但該階段觀測可能存在由于水位波動，導(dǎo)致觀測精度、準(zhǔn)確性難以判斷的問題）。

由于穩(wěn)定充水流量全線相同，渠首充渠流量受下游渠道制約，充渠流量較小，導(dǎo)致充水試驗總體時間延長。同時，為了達(dá)到充水渠段目標(biāo)控制水位，要求陶岔閘準(zhǔn)確控制入渠水量，且需要確定各渠段水量損失系數(shù)，否則可能發(fā)生棄水或水量不足狀況。當(dāng)渠道初始為有水狀態(tài)時，充水過程中，要求所有節(jié)制閘均能參與充水控制，且過程相對較長。此外，該方式在渠段充水初始階段，節(jié)制閘上下游水位差較大，閘門開啟時可能對閘后未作防沖設(shè)計的渠段襯砌造成沖刷破壞。

3.3 全線同時充水

指各渠段分別以小流量充水，最終全線同時達(dá)到目標(biāo)水位。其優(yōu)點是：①各渠段根據(jù)渠段目標(biāo)體積的不同，可以選用不同的充水流量，各節(jié)制閘過閘流量自上往下遞減，渠首充渠流量可取較大值，從而縮短整個充水試驗的時間；②全線充水試驗可同步進(jìn)行，加快試驗進(jìn)度，由于沿線閘門時刻處于操作或待操作狀態(tài)，異常情況下，可控性較好。

該方式的缺點是在閘門調(diào)整流量過程中，需要全線節(jié)制閘進(jìn)行同步操作，對運(yùn)行控制要求相對較高。此外，該充水方式全線各渠段水位處于同步上升過程中，不能提前開展部分渠段的監(jiān)測，觀察期需要的時間相對較長。

3.4 分段充水

指將總干渠分水若干大渠段，大渠段間采用自上而下的充水方式，大段內(nèi)采用自下而上的充水方式。分段充水方式可根據(jù)充水試驗重點渠段的分布情況，對重點渠段進(jìn)行優(yōu)先充水，節(jié)約充水總時間，但該方式充水過程渠道水位及流量變化較為復(fù)雜，控制過程也相對復(fù)雜。

3.5 充水方式選擇

在選擇充水方式中，考慮以下因素綜合分析比較：①充水方案能緊密結(jié)合目前南水北調(diào)總干渠工程現(xiàn)狀，與總干渠工程建設(shè)實施進(jìn)度相協(xié)調(diào)；②充水過程可控性好，沿線節(jié)制閘操作簡單；③充水試驗過程設(shè)置有利于安全監(jiān)測、檢驗及測試工作進(jìn)行；④充水時間滿足總體計劃要求；⑤便于充水過程中人力資源、設(shè)備資源、通訊資源合理調(diào)配；⑥充水費(fèi)用相對較低且可控性好。

考慮到總干渠充水試驗時間緊，為協(xié)調(diào)工程通水驗收及合理安排渠道充水試驗后所需的檢修維護(hù)時間，推薦采用自下而上充水方案。

4 充水運(yùn)行調(diào)度方案

4.1 渠道水利用系數(shù)［9］

本次充水試驗為總干渠首次充水，沿線渠段滲流尚未穩(wěn)定，渠道襯砌結(jié)構(gòu)縫、部分排水通道填充等均可能占用一定充水容量，且不同階段由蒸發(fā)面與滲漏水頭差別較大，目前尚難準(zhǔn)確確定。充水試驗兩階段水深均比較大，水量損失相對較大，輸水損失按20%考慮，水利用系數(shù)取0.8，北京段和天津干線段均采用管涵輸水，水量損失非常小，取北京段和天津干線段水利系數(shù)為1.0。

各渠段水利用系數(shù)近似按式（1）計算：

式中 δi為第i渠段水利用系數(shù)；δ為明渠段總水利用系數(shù)；L為明渠總長度（km）；Li為第i渠段長度（km）。

由于總干渠渠段水利用系數(shù)計算的是各渠段的水利用率，而水流從上游渠段向下游渠段輸送的過程中，下游渠段輸水損失具有累積效應(yīng)，因此，在計算各節(jié)制閘過流量時首先要計算各渠段自渠首至渠段的累積水利用系數(shù)，計算公式如式（2）。

式中 δ累i+1、δ累i分別為第i+1、i號節(jié)制閘累計水利用系數(shù)；δi+1為第i+1渠段水利用系數(shù)。

4.2 渠段充水體積

在確定的閘前目標(biāo)水位下，流量為零時的各渠段目標(biāo)水體體積，計算公式如式（3）。

式中 Vi為第i渠段水體體積，第i渠段分為n個計算段（m3）；Aj為第j個計算斷面的過水面積（m2）；Lj為第j個計算斷面所代表的渠段長度（m）。

4.3 洗渠退水量

洗渠水量主要與渠道的過水?dāng)嗝?、長度以及渠道干凈程度等有關(guān)，難以進(jìn)行定量計算，一般根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行估算。結(jié)合總干渠渠道分段情況及京石段實際運(yùn)行經(jīng)驗，將總干渠陶岔～北拒馬河段劃分為5個大渠段，每個大渠段設(shè)置一處洗渠退水點，每處退水點洗渠退水量按100萬m3估算，則全線洗渠退水量為500萬m3。天津干線洗渠水量按充水試驗所需總水量的20%考慮，為161.2萬m3。

4.4 充水時間計算

根據(jù)中線渠道、建筑物設(shè)計要求及不同階段充水的限制條件，確定各充水階段的充水流量，進(jìn)而計算各渠段的充水時間。

4.5 充渠水量計算

充渠水量計算方法是首先根據(jù)充水3個階段制定的閘前目標(biāo)水位和流量，采用總干渠水力學(xué)模型計算各渠段的目標(biāo)蓄量，將目標(biāo)蓄量加上洗渠退水量，并除以各渠段的水利用系數(shù)，即可計算出各節(jié)制閘充渠水量，如式（4）。

式中 V閘i、V閘i+1分別為第i、i+1號節(jié)制閘過閘總水量（萬m3）；V渠i+1、V退i+1、V存i+1分別為第i+1渠段目標(biāo)水體體積、洗渠退水量、渠段存水量（萬m3）；δi+1為第i+1渠段水利用系數(shù)。

4.6 觀察期水量損失估算

在觀察期內(nèi)渠道同樣有滲漏和蒸發(fā)損失，由于觀察期內(nèi)渠道無水流流動，因此，其水量損失無法直接用水利用系數(shù)計算。因此采用式（5）計算各渠段水量損失流量的方法計算各渠段水量損失。

式中 K為滲透系數(shù)（cm/s）；n為渠段總數(shù)；bi-1，bi為上下游渠道斷面底寬；hi-1，hi為上下游渠道斷面水深；mi-1，mi為渠道邊坡系數(shù)；δ1，δ2為上下游渠道斷面處襯砌厚度；si-1，si為上下游渠道斷面處樁號。

此處K指考慮地下水頂托、施工質(zhì)量、閘門漏水、局部滲漏等各種因素引起的輸水損失累加到渠道滲漏上的綜合滲透系數(shù)，根據(jù)京石段實際運(yùn)行數(shù)據(jù)計算成果，選取各渠段綜合滲透系數(shù)K=1.279×10-6cm/s，比混凝土襯砌、土工膜層的滲透系數(shù)的理論值大。

4.7 充水運(yùn)行調(diào)度方案主要成果

根據(jù)以上計算方法，確定中線總干渠充水實施運(yùn)行調(diào)度實施方案的主要成果，如表1。

表1 充水運(yùn)行調(diào)度方案主要成果

5 結(jié)語

（1）通過合理確定總干渠充水試驗階段，選擇適當(dāng)?shù)某渌绞?，確定合理的充渠流量等，縮短了總干渠充渠時間，保證了充水試驗各項任務(wù)的順利進(jìn)行。

（2）工程自2014年6月5日正式開始充水試驗，至2014年10月31日結(jié)束，安全巡查未發(fā)現(xiàn)影響工程安全運(yùn)行的重大隱患，安全監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定收斂，表明南水北調(diào)中線干線工程質(zhì)量可靠、結(jié)構(gòu)安全。

［1］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.南水北調(diào)中線一期工程總干渠供水調(diào)度方案研究及編制工作大綱［R］.2006.

［2］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.南水北調(diào)中線一期工程總干渠供水調(diào)度方案研究及編制實施報告［R］.2007.

［3］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司.南水北調(diào)中線一期工程總干渠充水試驗專題設(shè)計報告［R］.2014.

［4］南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，等.京石段應(yīng)急供水工程2008年臨時通水運(yùn)行實施方案（修訂版）［R］，2012.

［5］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司、武漢大學(xué)等.南水北調(diào)中線一期工程總干渠運(yùn)行調(diào)度規(guī)程初稿［R］.2014.

［6］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司.南水北調(diào)中線一期京石段應(yīng)急供水工程2010年臨時通水運(yùn)行實施方案［R］.2010.

［7］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司.南水北調(diào)中線一期工程總干渠2015年1月～10月通水運(yùn)行實施方案［R］.2015.

［8］黃會勇，毛文耀，范杰，等.南水北調(diào)中線一期工程輸水調(diào)度方案研究［J］.人民長江，2010，41（16）：8-13.

［9］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司.南水北調(diào)中線一期工程可行性研究總報告［R］.2007.

Research on water filling test operation scheduling scheme of the main canal of south-to-north water diversion middle route project

WEN Shi-yi1,HUANG Hui-yong2,ZENG Si-dong2,ZHONG Hui-rong3
（1.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project， Beijing 100038，China；2.Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China；3.Administration Center for Design of the South-to-North Water Diversion Project， Beijing 100038， China）

Combined with the construction progress of main canal， water situation and water filling test content and requirement and overall schedule of filling water test.According to the research results of each canal section water filling volume，the amount of abandon washing canal，observation period of water loss， determine the water filling test operation scheduling scheme of the main canal of South-to-North Water Diversion Middle Route Project，ensure all of the water filling test tasks is completed.The results can be used for reference in the similar large-scale water diversion project.

South-to-North water diversion project； middle route； canal；water filling test； operation； scheduling schemes

TV68

B

1672-9900（2015）06-0011-04

2015-10-19

溫世億（1975-），男（漢族），江西贛州人，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、混凝土工程及技術(shù)管理研究，（Tel）13311583286。