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(guó)金,司建強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)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(diǎn)為萬(wàn)家隧洞進(jìn)口，終點(diǎn)為羅茨，線(xiàn)路全長(zhǎng)約為142.816km。

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

總干渠楚雄段布置有7座分水閘、6座節(jié)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(mén)眾多，分配水量大，各類(lèi)控制建筑物眾多，復(fù)雜輸水系統(tǒng)中不同控制建筑物在調(diào)控時(shí)特別是多個(gè)控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度時(shí)水力條件十分復(fù)雜，加之本工程引水距離長(zhǎng)，水力響應(yīng)必然存在滯后問(wèn)題[2- 4]。

本文以滇中引水工程楚雄段為對(duì)象，考慮工程運(yùn)行過(guò)程中可能存在的事故工況，在對(duì)事故工況進(jìn)行類(lèi)型劃分的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模型模擬事故退水過(guò)程，分析退水操作的合理性，以及退水過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)水位變化極值和對(duì)建筑物的影響。

圖1 滇中引水工程楚雄段控制設(shè)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(zhǎng)距離輸水工程，總干渠沿線(xiàn)應(yīng)設(shè)置專(zhuān)用的退水通道，以滿(mǎn)足工程正常運(yùn)行情況下的全線(xiàn)或局部線(xiàn)路段的維護(hù)檢修要求，同時(shí)需兼顧工程事故退水的需要[5]。

楚雄段總干渠上共設(shè)置有三類(lèi)、30個(gè)控制設(shè)施：分水控制設(shè)施——7個(gè)分水閘及6個(gè)節(jié)制閘；事故控制設(shè)施——4個(gè)事故閘、6個(gè)退水閘及5個(gè)工作閘；檢修控制設(shè)施——2個(gè)檢修閘。從上述三類(lèi)控制設(shè)施工作特性看，分水閘及節(jié)制閘在運(yùn)行中調(diào)度頻次較高，節(jié)制閘可配套控制上游的1個(gè)或多個(gè)分水閘，節(jié)制閘及分水閘上游一般設(shè)有1個(gè)或多個(gè)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(lèi)閘的操作可控制度較高。

楚雄地區(qū)境內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)路上有六條河流通過(guò)，基本具備作為退水通道的條件，擬在總干渠相應(yīng)位置上布置專(zhuān)用退水通道，設(shè)置退水閘和事故閘，以滿(mǎn)足總干渠最基本的退水要求。

從楚雄段工程布置及調(diào)度要求情況看，總干渠可能出現(xiàn)的事故分為兩類(lèi)：控制設(shè)施誤操作事故(運(yùn)行事故)以及突發(fā)自然災(zāi)害事故(工程事故)。

控制設(shè)施誤操作事故，即總干渠上的分水閘及節(jié)制閘在運(yùn)行中調(diào)度頻次較高，可能出現(xiàn)誤操作情況，導(dǎo)致總干渠斷面阻水、水位上升。

突發(fā)自然災(zāi)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(zāi)害時(shí)影響其正常運(yùn)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(dòng)斷裂帶；觀(guān)音山倒虹吸后段跨越羅茨—易門(mén)晚更新活動(dòng)斷裂帶；活動(dòng)斷裂帶本身穩(wěn)定性以及其蠕滑、突發(fā)地震時(shí)的變形特性對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)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(shè)施調(diào)度運(yùn)行要求以及工程特殊地質(zhì)條件可能引發(fā)的安全隱患等情況，有必要對(duì)總干渠可能的各種事故工況(調(diào)度運(yùn)行事故及工程事故等)進(jìn)行水力分析，關(guān)注可能事故工況下特殊的水力現(xiàn)象，分析對(duì)工程安全的影響及對(duì)運(yùn)行調(diào)度的要求，研究提出擬采取的必要的結(jié)構(gòu)或調(diào)度控制措施，確保工程運(yùn)行以及社會(huì)環(huán)境的安全。

2 典型退水工況的擬定

2.1 節(jié)制閘誤操作工況

楚雄段共布置6座節(jié)制閘，分別布置在萬(wàn)家隧洞出口(控制萬(wàn)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(guān)音山倒虹吸出口(控制觀(guān)音山分水口，上游有東河退水閘)。節(jié)制閘用于控制總干渠流量小于75%設(shè)計(jì)流量時(shí)的分水口水位、以滿(mǎn)足分水要求。楚雄地區(qū)農(nóng)業(yè)供水約占38%、具有季節(jié)性及不均勻性的調(diào)度要求，分水口及節(jié)制閘調(diào)度的頻次要求較高，故極可能出現(xiàn)誤操作的概率。

節(jié)制閘誤操作工況的輸水建筑物流量按75%設(shè)計(jì)流量考慮。一般節(jié)制閘可配套控制1個(gè)或多個(gè)分水閘；節(jié)制閘上游均有1個(gè)或多個(gè)退水閘；當(dāng)靠近節(jié)制閘上游的退水閘可滿(mǎn)足該段總干渠流量的退水條件時(shí)，稱(chēng)為獨(dú)立退水單元；當(dāng)不滿(mǎn)足、需要上游多個(gè)退水閘聯(lián)合退水時(shí)，稱(chēng)為聯(lián)合退水單元。

圖2所示為楚雄段觀(guān)音山倒虹吸節(jié)制閘誤操作退水示意圖。觀(guān)音山倒虹吸節(jié)制閘布置于觀(guān)音山倒虹吸出口，用于控制觀(guān)音山分水口。觀(guān)音山倒虹吸進(jìn)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(shè)計(jì)流量100m3/s的能力，具有獨(dú)立退水能力。當(dāng)?shù)购缥隹诠?jié)制閘出現(xiàn)誤操作全部阻斷水流時(shí)，可立即開(kāi)啟進(jìn)口退水閘，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)口工作閘，向東河退水。該段還可同步開(kāi)啟柳家村渡槽進(jìn)口、鳳屯渡槽進(jìn)口、龍川江進(jìn)口、九道河倒虹吸進(jìn)口、魯支河渡槽進(jìn)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(guān)閉該處的事故閘)，運(yùn)用聯(lián)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(fēng)險(xiǎn)以及退水河道的行洪風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 觀(guān)音山倒虹吸節(jié)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(wàn)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(guān)音山分水閘。楚雄地區(qū)農(nóng)業(yè)供水約占38%、具有季節(jié)性及不均勻性的調(diào)度要求，分水口及節(jié)制閘調(diào)度的頻次要求較高，故極可能出現(xiàn)誤操作的概率。

分水閘在分水的過(guò)程中存在誤操作或者緊急關(guān)閉的可能，正常運(yùn)行著的分水閘關(guān)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(guān)閉后，應(yīng)及時(shí)開(kāi)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(guò)設(shè)計(jì)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(dāng)鳳屯分水閘誤操作關(guān)閉后，開(kāi)啟鳳屯渡槽進(jìn)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(biāo)地震損壞工況

楚雄段沿線(xiàn)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(guān)音山倒虹吸，這6座地面連接建筑物均在其進(jìn)口布置有退水閘和事故閘，在發(fā)生特大山洪或超標(biāo)地震等自然災(zāi)害、造成該部位建筑物損壞時(shí)，可向進(jìn)口處退水閘所在河道及時(shí)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(guān)音山倒虹吸所在的東河具備退總干渠設(shè)計(jì)流量的能力，具備獨(dú)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(shè)計(jì)流量，不具備獨(dú)立退水條件，必須與上游退水通道組成聯(lián)合退水單元。

本類(lèi)事故的退水條件以總干渠設(shè)計(jì)流量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)口部位，圖4所示為魯支河渡槽損壞退水示意圖。魯長(zhǎng)流渡槽進(jìn)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(shè)計(jì)流量100m3/s，因此必須與前一個(gè)退水閘，即九道河退水閘聯(lián)合退水。單元內(nèi)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(nèi)主干渠設(shè)計(jì)流量100m3/s，向西河和魯支洞聯(lián)合退水，向西河退水100m3/s，向魯支洞退水39m3/s。當(dāng)魯支河渡槽出現(xiàn)事故時(shí)，立即開(kāi)啟魯支河渡槽和九道河倒虹吸進(jìn)口退水閘，同時(shí)關(guān)閉魯支河渡槽進(jìn)口事故閘和九道河倒虹吸進(jìn)口工作閘，同時(shí)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(biāo)地震堵洞工況

楚雄段輸水建筑物在鳳凰山隧洞后部?jī)纱未┰皆\—綠汁江活性斷層，由于兩次穿越相距不遠(yuǎn)，為安全計(jì)，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(jìn)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(shè)計(jì)流量100m3/s的能力，具備獨(dú)立退水能力。當(dāng)鳳凰山隧洞在元謀—綠汁江活性斷層處發(fā)生堵洞事故時(shí)，龍川江倒虹吸處立即開(kāi)啟進(jìn)口退水閘，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)口工作閘，向龍川江退水，獨(dú)立退水單元內(nèi)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(jì)算分析結(jié)果

采用開(kāi)源軟件SWMM[10]模擬以上四類(lèi)主干渠事故工況，每個(gè)計(jì)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(wàn)家隧洞進(jìn)口到昆明段牧羊村倒虹吸出口。萬(wàn)家隧洞進(jìn)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(jì)算結(jié)果整體分析如下：

(1)對(duì)于節(jié)制閘誤操作工況，主干渠中各節(jié)點(diǎn)的最高水位均沒(méi)有超過(guò)洞頂高程。如果節(jié)制閘位于倒虹吸的出口，節(jié)制閘關(guān)閉后，倒虹吸內(nèi)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(guò)設(shè)計(jì)水位1.55m，觀(guān)音山倒虹吸出口最高水位超過(guò)設(shè)計(jì)水位1.59m。萬(wàn)家隧洞出口節(jié)制閘誤操作后，由于缺少退水通道，閘前最高水位高于設(shè)計(jì)水位1.54m，但低于隧洞頂部高程0.66m。鳳屯渡槽進(jìn)口節(jié)制閘前的最高水位低于設(shè)計(jì)水位。魯支河渡槽出口節(jié)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(lián)合退水，最高水位超過(guò)設(shè)計(jì)水位0.19m。

(2)對(duì)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(dāng)分水口誤操作后，分水口下游主干渠流量較設(shè)計(jì)流量增加，會(huì)使水位壅高，同樣分水閘下游水位的壅高會(huì)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(shè)計(jì)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(guò)程中，鳳屯渡槽出口的最高水位超過(guò)設(shè)計(jì)水位0.19m。

(3)對(duì)于地面建筑物破壞類(lèi)的工況，獨(dú)立退水單元在事故退水的過(guò)程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最高水位均沒(méi)有超過(guò)洞頂高程，由于在計(jì)算時(shí)，采用了閘門(mén)開(kāi)度控制最大退水流量不超過(guò)，會(huì)造成事故閘閘前水位壅高，而在實(shí)際操作中，如果能根據(jù)退水閘流量的變化調(diào)節(jié)退水閘門(mén)的開(kāi)度，主干渠事故閘前的水位壅高則會(huì)很小，甚至低于設(shè)計(jì)水位。對(duì)于聯(lián)合退水單元，楚雄段有柳家村渡槽聯(lián)合退水單元和魯支河渡槽聯(lián)合退水單元，柳家村渡槽聯(lián)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(wú)退水通道，在退水的過(guò)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(jié)點(diǎn)的最高水位也均低于洞頂高程。對(duì)于魯支河聯(lián)合退水單元，魯支河退水流量為39m3/s，但可聯(lián)合主干渠上游的九道河退水100m3/s，此工況中各節(jié)點(diǎn)的最高水位均沒(méi)有超過(guò)洞頂高程。

(4)對(duì)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(shí)間段內(nèi)儲(chǔ)存在鳳凰山隧洞內(nèi)，并沒(méi)有造成鳳凰山隧洞進(jìn)口水位壅高。

(5)綜合楚雄段各個(gè)事故工況，總結(jié)得到各個(gè)建筑物進(jìn)出口最高計(jì)算水位與設(shè)計(jì)水位，洞(涵、槽)頂?shù)南鄬?duì)關(guān)系表明，楚雄段所有建筑物進(jìn)出口的最高水位均沒(méi)有超過(guò)洞頂高程，所擬定的事故退水操作是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)距離引水工程事故退水工況涉及多種控制設(shè)施在空間和時(shí)間尺度上的聯(lián)動(dòng)，在事故退水運(yùn)行調(diào)度時(shí)，應(yīng)盡快的開(kāi)啟退水設(shè)施進(jìn)行退水，同時(shí)應(yīng)該注意以下方面。

(1)事故發(fā)生后，在退水渠退水的初始階段，主干渠內(nèi)的水位會(huì)因?yàn)槭鹿实陌l(fā)生而壅高，因此需要控制退水閘門(mén)的開(kāi)度從零開(kāi)啟到一定的開(kāi)度，使退水流量不超過(guò)退水渠的設(shè)計(jì)流量，而當(dāng)事故閘完全關(guān)閉，主干渠的流量全部通過(guò)退水閘，如果保持退水閘之前的開(kāi)度，就會(huì)造成主干渠水位的壅高。

(2)事故閘關(guān)閉時(shí)間和退水閘啟動(dòng)時(shí)間對(duì)渠道內(nèi)水位波動(dòng)均有影響，事故發(fā)生后，應(yīng)盡早啟動(dòng)退水閘退水，同時(shí)在下游主干渠善能過(guò)流的情況下關(guān)閉事故閘時(shí)，應(yīng)控制閘門(mén)關(guān)閉的速率，急速的關(guān)閉事故閘可能會(huì)引起閘前水位快速升高。

(3)當(dāng)主干渠中出現(xiàn)閘門(mén)誤操作事故或者工程類(lèi)破壞事故時(shí)，建議同時(shí)開(kāi)啟事故點(diǎn)上游多個(gè)退水閘退，運(yùn)用聯(lián)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(fēng)險(xiǎn)以及退水河道的行洪風(fēng)險(xiǎn)。

(4)雖然分水口的流量占主干渠流量比例不大，但是當(dāng)退水閘出現(xiàn)誤操作關(guān)閉后，應(yīng)該盡快開(kāi)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(fēng)險(xiǎn)。