刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行對(duì)輸水調(diào)度及工程安全的影響

董 玉 增，田 豐 源，魏 凱，萬(wàn) 蕙

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 渠首分局，河南 南陽(yáng) 473000； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 3.水利部長(zhǎng)江治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

南水北調(diào)中線總干渠全長(zhǎng)1 432 km，其中陶岔渠首至北拒馬河段為明渠輸水，線路長(zhǎng)1 198 km。根據(jù)調(diào)節(jié)總干渠水位和流量、配合退水、保障分水口門取水水位要求、便于管理等原則，明渠段共布設(shè)節(jié)制閘61座，平均間隔約20 km[1]。節(jié)制閘一般采用閘前常水位方式運(yùn)行，也有變水位運(yùn)行方式[2]。截至2022年5月，中線總干渠累計(jì)調(diào)水量超460億m3，受益人口達(dá)7 900萬(wàn)。精準(zhǔn)調(diào)度及精確控制有效保障了中線工程輸水安全和供水安全。

目前，關(guān)于南水北調(diào)中線總干渠水力學(xué)模擬及控制運(yùn)行已有較多研究成果[3-6]。隨著新工況、新需求的不斷增多，部分研究探討了與規(guī)劃設(shè)計(jì)階段不同的運(yùn)行控制方式。在小流量、高水位運(yùn)行狀況下，李立群等[7]對(duì)比了多種調(diào)度運(yùn)行方案，在保持節(jié)制閘過(guò)閘流量不變、對(duì)上下游渠段水位影響較小的前提下實(shí)現(xiàn)了節(jié)制閘大開(kāi)度檢驗(yàn)；萬(wàn)蕙等[8]分析了調(diào)節(jié)旁側(cè)閘孔過(guò)閘流量的小范圍局部控制方式，發(fā)現(xiàn)可減小短時(shí)間內(nèi)事故閘門過(guò)閘流量的影響；吳永妍等[9]研究了基于控制蓄量法的運(yùn)行方式，可在滿足運(yùn)行安全和高效的同時(shí)減少節(jié)制閘調(diào)節(jié)頻次，提高靈活性和穩(wěn)定性；李景剛等[10]采用量綱分析法率定了節(jié)制閘過(guò)流公式，并繪制了考慮閘上、閘下水位因素的節(jié)制閘開(kāi)度與過(guò)閘流量關(guān)系曲線，為日常調(diào)度提供了額外的依據(jù)。

2018年8月，陶岔渠首樞紐電廠投入運(yùn)行。截至2021年12月，累計(jì)發(fā)電量超過(guò)6.28億kW·h，效益顯著。然而，2019年2～3月受丹江口水庫(kù)來(lái)水持續(xù)偏枯的影響，陶岔電廠上下游水頭差持續(xù)下降，超出電站機(jī)組安全運(yùn)行范圍，導(dǎo)致電站機(jī)組被迫停機(jī)，電廠發(fā)電效益受損。為應(yīng)對(duì)陶岔電廠上游水位偏低、發(fā)電水頭不足的問(wèn)題，降低陶岔電廠下游水位是簡(jiǎn)單有效的方式之一。根據(jù)南水北調(diào)中線工程總干渠控制運(yùn)行方式，陶岔電廠下游水位受控于下游節(jié)制閘，即刁河節(jié)制閘。為降低陶岔電廠下游水位，需相應(yīng)降低刁河節(jié)制閘閘前運(yùn)行水位，極限條件下需刁河節(jié)制閘退出控制運(yùn)行。刁河節(jié)制閘設(shè)置的初衷主要是為了保障上游肖樓分水口的分水水位，并在突發(fā)應(yīng)急事故下與刁河退水閘進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)急處置。從刁河節(jié)制閘在總干渠的位置來(lái)看，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后可由陶岔渠首和下游湍河節(jié)制閘實(shí)現(xiàn)對(duì)總干渠運(yùn)行的控制；從通水7 a多以來(lái)的實(shí)際情況來(lái)看，因事故工況需要刁河節(jié)制閘阻斷水流，配合刁河退水閘退水的概率較低。因此，在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行控制中，可嘗試將刁河節(jié)制閘退出控制運(yùn)行。

然而，刁河節(jié)制閘退出控制運(yùn)行將導(dǎo)致陶岔至刁河渠段水位降低，會(huì)對(duì)肖樓分水口分水能力及深挖方、高地下水位的渠道襯砌穩(wěn)定性造成一定影響，需定量論證刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行對(duì)總干渠輸水調(diào)度和工程安全的影響。因此，本文采用水力學(xué)數(shù)值模擬方法，分析刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行前后的渠段水力變化，重點(diǎn)研究對(duì)肖樓分水口取水水位和分水能力、渠道襯砌穩(wěn)定的影響，初步探究對(duì)陶岔電廠發(fā)電效益的提高作用，以為總干渠精準(zhǔn)調(diào)度提供參考。

1 研究對(duì)象

1.1 陶岔渠首樞紐

陶岔渠首樞紐工程是丹江口水庫(kù)的副壩，主要由引水閘、河床式電站、兩岸連接壩段等大壩擋水建筑物以及上游引渠、下游300 m總干渠等組成。工程主要任務(wù)是供水、灌溉，并兼顧發(fā)電。設(shè)計(jì)引水流量350 m3/s，加大引水流量420 m3/s。陶岔電廠采用河床徑流式電站，電站廠房型式為燈泡貫流式，安裝2臺(tái)25 MW發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為50 MW[11]。機(jī)組裝機(jī)高程136.20 m，正常運(yùn)行水頭范圍為6.00～22.60 m。

1.2 肖樓分水口

肖樓分水口(樁號(hào)K4+196)是總干渠上第一個(gè)分水口，分水口下游與引丹總干渠相接，為解決引丹總干渠灌溉區(qū)的水源問(wèn)題而設(shè)置。肖樓分水口為開(kāi)敞式弧形分水口門，僅1孔，閘孔寬6.5 m，設(shè)計(jì)流量為100 m3/s，閘前設(shè)計(jì)水位為146.70 m，閘后水位為146.20 m[11]。

1.3 刁河節(jié)制閘

刁河節(jié)制閘位于刁河渡槽進(jìn)口段，是刁河渡槽的組成部分。刁河渡槽是南水北調(diào)中線工程總干渠的第一座渡槽，上距陶岔渠首樞紐14.6 km，下距湍河渡槽21.8 km。刁河渡槽雙線兩槽布置，設(shè)計(jì)流量350 m3/s，加大流量420 m3/s，進(jìn)口設(shè)計(jì)水位146.80 m，加大水位147.56 m。刁河節(jié)制閘為弧形工作門，共2孔，單孔閘室寬13.0 m，閘室底板高程140.70 m，閘頂高程148.56 m[11]。

1.4 陶岔至刁河渠段

陶岔渠首樞紐至刁河節(jié)制閘渠段(以下簡(jiǎn)稱陶岔至刁河渠段)過(guò)水?dāng)嗝娌捎没炷烈r砌，斷面形式為梯形斷面，底寬10.5～31.0 m，邊坡1∶2.0～1∶3.5，縱坡為1/25 000。渠首至肖樓分水閘渠段利用已建引丹總干渠擴(kuò)挖與修整。肖樓分水閘至刁河節(jié)制閘渠段沿線地面高程較高，以深挖方為主，最大挖深47 m。該渠段存在部分高地下水位渠段，樁號(hào)K4+200～K6+200，渠段地下水位在146.00～152.80 m之間，地下水埋深3～5 m；樁號(hào)K6+200～K12+000渠段地下水埋深1～4 m[10]。

2 研究方法

根據(jù)陶岔至刁河渠段輸水建筑物、控制建筑物特點(diǎn)和現(xiàn)狀，建立總干渠水力學(xué)模型，主要包括一維恒定非均勻流基本方程和過(guò)閘流量方程，并分析襯砌抗滑穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定系數(shù)。

2.1 恒定非均勻流基本方程

南水北調(diào)中線工程恒定流計(jì)算的基本方程為能量方程，適用于明渠、渡槽、倒虹吸，計(jì)算公式如下[8]：

(1)

式中：Z為水位；p為壓強(qiáng)；u為流速；α為動(dòng)能修正系數(shù)，一般情況下可令α1=α2=1；hw為水頭損失，包含沿程水頭損失和局部水頭損失。下標(biāo)1和2分別代表上游斷面和下游斷面。

2.2 過(guò)閘流量方程

刁河節(jié)制閘、肖樓分水閘、陶岔引水閘均為弧形閘門，本文采用弧形門過(guò)閘流量公式計(jì)算過(guò)閘流量Q?；⌒伍T過(guò)流方程分為孔流、堰流、孔流向堰流過(guò)渡3段。令Ya，Yb分別表示孔流上限與堰流的下限。

(1) 對(duì)于孔流，Y≤Ya，則有：

(2)

(2) 對(duì)于堰流，Y≥Yb，則有：

(3)

(3) 孔流向堰流過(guò)渡，Ya≤Y≤Yb

(4)

式中：σ為淹沒(méi)系數(shù)；m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；e為開(kāi)度；h為上游水位；b為上游渠道中寬，相關(guān)取值見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

2.3 渠道襯砌穩(wěn)定分析

襯砌穩(wěn)定計(jì)算包括抗滑穩(wěn)定[12]和抗浮穩(wěn)定[13-14]兩部分，計(jì)算公式分別為

(5)

(6)

式中：Kc為沿襯砌板基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為襯砌基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑H為作用在襯砌板上的全部下滑力，kN；∑G為垂直作用在襯砌板上的作用力之和，kN；Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑V為作用在襯砌板全部向下的鉛直力之和，kN；∑U為作用在襯砌板上的揚(yáng)壓力，kN。

3 典型流量工況選取

刁河節(jié)制閘與肖樓分水口實(shí)際過(guò)閘流量除了與丹江口水庫(kù)來(lái)水量和下游用戶需水量密切相關(guān)，還與工程實(shí)際運(yùn)行狀況相關(guān)[15]，具有一定的不確定性。本次研究按照代表性、全面性、對(duì)調(diào)度不利等原則選取典型流量工況。

根據(jù)中線工程規(guī)劃階段確定的總干渠各旬長(zhǎng)序列供水流量過(guò)程[16]，選取95%，75%，50%，25%，5%等5種不同頻率對(duì)應(yīng)的渠段流量作為基礎(chǔ)，再結(jié)合設(shè)計(jì)流量和加大流量，并考慮不同流量規(guī)模，選定0，80，150，200，280，320，350，420 m3/s等8種典型流量工況。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 對(duì)渠段的水力影響

表1為刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行對(duì)陶岔至刁河渠段的水力影響，包括水位、渠段蓄量、流速、響應(yīng)時(shí)間變化等。圖1為150 m3/s和350 m3/s工況下，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行前后陶岔至刁河渠段計(jì)算水面線對(duì)比成果。

從表1和圖1可知：與刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行前相比，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后計(jì)算水面線降低0.18～1.15 m，平均降低0.65 m；渠段蓄量減小7.0萬(wàn)～96.6萬(wàn)m3，平均減小46.7萬(wàn)m3，減幅為1.6%～23.2%；渠段流速增加0.04～0.18 m/s，平均增加0.11 m/s，增幅為3.4%～26.7%；渠段響應(yīng)時(shí)間增加0.2～2.5 min，平均增加0.9 min，增幅為0.7%～8.3%。水位降幅、蓄量減幅、響應(yīng)時(shí)間增幅均隨著流量規(guī)模的增加而減小。流速增幅隨流量規(guī)模增加呈先增后減的規(guī)律，當(dāng)渠段流量為200 m3/s時(shí)流速增幅達(dá)到最大值。

圖1 刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行前后陶岔至刁河渠段水面線對(duì)比

表1 刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行對(duì)陶岔至刁河渠段的水力影響

刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后，渠段蓄量減少，通過(guò)合理的運(yùn)行調(diào)度方案，可充分利用渠段富余的調(diào)蓄能力，增加總干渠運(yùn)行調(diào)度的靈活性[9]。渠段流速雖有增加，但加大、設(shè)計(jì)流量下陶岔至刁河渠段最大流速分別為2.09 m/s和2.23 m/s，低于總干渠渠道抗沖流速[17]，仍在安全范圍內(nèi)。渠段響應(yīng)時(shí)間略有增加，但增加幅度較小，對(duì)渠道控制運(yùn)行影響較小[18]。整體來(lái)看，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行導(dǎo)致水面線下降，但對(duì)總干渠調(diào)度運(yùn)行影響較小。

4.2 對(duì)肖樓分水口的影響

4.2.1對(duì)取水水位的影響

刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后肖樓分水口閘前水位變化見(jiàn)表2。從表2中可知：刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后，肖樓分水口閘前水位比退出前下降0.20～1.15 m，平均降低0.63 m。其中，加大流量與設(shè)計(jì)流量下，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后肖樓分水口閘前水位下降幅度大致相當(dāng)。隨著渠段流量規(guī)模的減小，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后肖樓分水口閘前水位下降幅度增大，當(dāng)渠段流量為150 m3/s時(shí)，肖樓分水口閘前水位下降0.89 m，低于肖樓分水口設(shè)計(jì)引水位。

表2 刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行前后肖樓分水口閘前水位變化分析

4.2.2對(duì)設(shè)計(jì)分水能力的影響

刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后，肖樓分水口閘前水位下降，設(shè)計(jì)分水能力降低。結(jié)合8種典型渠段流量工況，考慮肖樓分水口分水流量不超過(guò)陶岔渠首流量的限制條件，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后，肖樓分水口的設(shè)計(jì)分水能力變化分析見(jiàn)表3。

表3 刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行前后肖樓分水口分水能力變化分析

當(dāng)陶岔渠首流量為420 m3/s時(shí)，肖樓分水口閘前最大取水位為147.37 m，滿足肖樓分水口設(shè)計(jì)分水的水位要求。當(dāng)陶岔渠首流量為350 m3/s時(shí)，肖樓分水口閘前最大取水位為146.58 m，最大分水能力為94 m3/s。隨著陶岔渠首流量的減小，渠段水位逐漸下降，肖樓分水口分水能力減小。這種分水能力減小幅度與渠段流量規(guī)模呈反比，即渠段流量越小，肖樓分水口分水能力減幅越大。

4.2.3對(duì)實(shí)際分水情況的影響

刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后，影響肖樓分水口實(shí)際分水情況的主要因素為陶岔引水規(guī)模及肖樓分水口實(shí)際用水需求。陶岔引水規(guī)模與中線沿線用水需求有關(guān)。根據(jù)2018～2019年實(shí)際運(yùn)行情況，陶岔渠首平均流量約246 m3/s，最小流量為138 m3/s。肖樓分水口實(shí)際用水需求與供水對(duì)象即引丹灌區(qū)有關(guān)，受氣候條件、灌溉制度、當(dāng)?shù)毓┧芰Φ扔绊慬19]。統(tǒng)計(jì)分析規(guī)劃階段所確定的肖樓分水口門長(zhǎng)系列分水流量過(guò)程可知，分水需求不超過(guò)30 m3/s的時(shí)段占80%?？梢?jiàn)，陶岔引水流量常年保持在一定水平，肖樓分水口分水流量普遍較小。

經(jīng)分析，在陶岔實(shí)際最低引水流量工況下，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后渠段水位可滿足肖樓分水口30 m3/s的分水要求。肖樓分水口大流量供水時(shí)段主要集中于引丹灌區(qū)灌溉期，與此同時(shí)，丹江口水庫(kù)多處于汛期，水量充足，陶岔引水流量較大，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后渠段水位基本能滿足肖樓80 m3/s的分水要求。此外，中線工程調(diào)度運(yùn)行遵循水量調(diào)度計(jì)劃，大流量分水要求具有預(yù)見(jiàn)性，此時(shí)及時(shí)恢復(fù)刁河節(jié)制閘參與控制運(yùn)行可消除該影響。

由此可見(jiàn)，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行，雖在一定程度上降低了肖樓分水口的設(shè)計(jì)分水能力，但對(duì)實(shí)際分水影響較小，僅對(duì)個(gè)別極端大流量分水要求造成一定影響，且此影響可快速消除。

4.3 對(duì)總干渠襯砌穩(wěn)定的影響

根據(jù)陶岔至刁河渠段運(yùn)行情況，選取4個(gè)典型斷面進(jìn)行襯砌抗滑和抗浮穩(wěn)定分析，成果見(jiàn)表4。從表4可知：刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后，典型斷面襯砌抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)較退出前略有降低，但均在安全允許值范圍內(nèi)，滿足安全保障要求。需要注意的是，在汛期連續(xù)降雨且渠坡排水不暢時(shí)，若地下水位持續(xù)升高，則襯砌板存在一定失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[13，20]，此時(shí)需要注意及時(shí)恢復(fù)刁河節(jié)制閘參與控制運(yùn)行，保障工程安全。

表4 陶岔至刁河渠段典型斷面襯砌抗滑、抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4.4 刁河節(jié)制閘退出對(duì)陶岔電廠發(fā)電的影響

刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行，可降低陶岔電廠下游水位，一方面可改善枯期陶岔電廠發(fā)電水頭不足的問(wèn)題，延長(zhǎng)發(fā)電時(shí)間；另一方面，可在陶岔電廠機(jī)組工作水頭要求范圍內(nèi)加增加發(fā)電水頭，提升發(fā)電效益。

根據(jù)2017～2019年實(shí)測(cè)水情數(shù)據(jù)估算，刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行可延長(zhǎng)發(fā)電時(shí)間1 032 h，增加發(fā)電量2 804萬(wàn)kW·h(見(jiàn)表5)。其中，2017，2018，2019年分別為平水年、豐水年、平水偏枯年，分別增加發(fā)電量1 150萬(wàn)，890萬(wàn)，764萬(wàn)kW·h。

表5 刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行對(duì)陶岔電廠發(fā)電效益的提升作用

對(duì)比刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后陶岔電廠各月發(fā)電效益提升結(jié)果可知，增加發(fā)電時(shí)間的月份主要集中于3，4，6，7月，尤以3月份居多，占比64%；其次為4月份，占比31%。增加發(fā)電量較多的月份為3月和7月。對(duì)比汛期和非汛期發(fā)電效益增加情況可知，汛期各月平均增加發(fā)電量77.4萬(wàn)kW·h，非汛期各月平均增加發(fā)電量106.4萬(wàn)kW·h，汛期增加發(fā)電效益低于非汛期。

5 結(jié) 論

南水北調(diào)中線工程安全通水至今，積累了大量的安全調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。本文針對(duì)陶岔電廠發(fā)電并網(wǎng)的新工況，研究了刁河節(jié)制閘退出控制運(yùn)行對(duì)調(diào)度運(yùn)行、肖樓分水口分水能力、渠道襯砌穩(wěn)定、陶岔電廠發(fā)電效益等的影響。研究結(jié)果表明：刁河節(jié)制閘退出運(yùn)行后，陶岔至刁河渠段水位沿程降低0.18～1.15 m，對(duì)總干渠調(diào)度運(yùn)行影響較??；肖樓分水口分水能力受到一定影響，但可基本滿足實(shí)際分水要求，個(gè)別極端大流量分水具有預(yù)見(jiàn)性，可及時(shí)恢復(fù)刁河節(jié)制閘參與運(yùn)行來(lái)消除影響；襯砌板抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)較退出前略有降低，但均在安全允許值范圍內(nèi)，滿足安全保障要求；陶岔電廠發(fā)電水頭增加，可延長(zhǎng)發(fā)電時(shí)間，增加發(fā)電量，提高發(fā)電效益。研究成果可為新形勢(shì)和新要求下南水北調(diào)中線工程優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行提供參考，為保障工程運(yùn)行安全、提升工程效益提供支撐。