南水北调中线工程主要水力学问题研究

，，

(长江科学院 a.水力学研究所;b.水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

南水北调中线一期工程自2003年正式开工建设，计划2014年汛后正式通水，工程以北京、天津、河北、河南等城市生活、工业供水为主，兼顾生态和农业用水。渠首陶岔多年平均调水量95亿m3，引水设计流量350 m3/s，加大流量420 m3/s。总干渠穿越长江、淮河、黄河、海河四大流域，全线长1 432 km(含天津干渠)(见图1)，高程落差不足100 m。渠道沿线布置有众多节制闸、分水口门和退水闸等控制工程，如何尽可能减少渠道及建筑物的水头损失，确保工程输水能力是工程设计时需考虑的关键问题之一。此外，总干渠由南到北跨越多种复杂地质条件，地理环境和气候条件也差异较大，全程自流输水且没有在线调节水库，使得工程自身安全及运行调度方面的水力学问题尤为突出。

图1 南水北调中线总干渠线路示意图

长江科学院(以下简称“长科院”)自20世纪80年代起便开始参与南水北调中线工程的水力学研究工作，先后完成了数十个相关课题研究，取得了丰富的研究成果并成功运用于工程中，包含：陶岔渠首枢纽及丹江口水库大坝加高等渠首工程的水力学问题[1-4]；总干渠渠道糙率[5-7]、渠道倒虹吸及渡槽等水力学问题[8-17]；左岸排水等河道交叉建筑物[18]的水力学问题；与渠道运行有关的节制闸流量计算[19-21]、应急调度[22-31]、冰期输水等水力学问题[32-36]等。限于篇幅，本文仅就渠道糙率问题、节制闸流量计算公式、穿黄隧洞布置形式及水力特性、突发事件下渠道应急调度、冬季冰期输水等几个主要水力学问题研究成果进行阐述和总结，可为中线工程运行调度提供技术支持及供类似工程设计借鉴。

表1 输水渠道糙率调研与实测数据

2 渠道糙率问题

调水工程中输水渠道的糙率是渠道设计与运行控制的重要参数，它直接决定了工程建设投资规模和渠道的输水能力。南水北调中线工程渠道设计糙率为0.015，为验证其合理性，对国内近20个大型输水工程和灌区的渠道糙率进行了调研考察[4]，并对其中漳河灌区、武都引水工程、东深供水工程及南水北调中线京石段等4个工程进行了现场渠道糙率实测[5],见表1。成果表明，影响渠道糙率的因素主要有：①渠道自身结构，即渠道衬砌和渠道形式(弯道、变断面等)，其中衬砌的类型、施工工艺和质量对糙率影响较大，衬砌面平滑、接缝小、衬砌块完好的渠道糙率较小，而弯道和断面变化则有一定的阻水作用，如调研资料表明，衬砌良好的顺直段曼宁糙率值介于0.012～0.013之间；②与渠道运行维护管理和跨渠建筑物有关，渠道建成运行一定年限后，衬砌表面的水泥浆脱落，衬砌接缝增大，水生物(主要是藻类)滋生以及渠底泥沙淤积等因素都会增大阻水作用，如实测的东深供水工程由于年限较长，渠道过流壁面脱落成麻面状，模板错缝凹凸不平，测得糙率为0.016 3；武都引水工程由于渠底淤泥水草和跨渠桥墩的存在，实测糙率达到 0.018 2。

南水北调中线工程总干渠衬砌采用现浇混凝土板，施工工艺控制较好，衬砌表面光滑，接缝较小，但渠道弯道与变断面较多，沿程有大量跨渠渡槽和桥梁桥墩位于渠中，实测渠道综合糙率为0.014 8，满足设计输水能力要求。但在总干渠全线通水运行后需继续加强渠道的糙率监测，做好渠道日常的维护及清淤，确保衬砌面光滑无损以保持渠道正常输水能力的要求。

3 节制闸流量计算公式

中线总干渠全线含有几十座倒虹吸及渡槽，在渡槽进口和倒虹吸出口均设置节制闸站进行分段控制，节制闸(图2)过闸流量是渠道信息化运行调度的关键水力条件，传统计算堰闸流量采用的方法是先判别流态类型，再根据不同流态套用对应的经验公式(1)计算。

图2 概化节制闸过流示意图

闸孔出流流量经验公式为

(1)

(2)

表2 节制闸淹没孔流淹没系数拟合公式系数

表3 典型节制闸淹没孔流实测资料以及试验拟合公式计算流量成果

中线工程正常调度时闸室流态一般为淹没孔流流态，在总干渠供水调度计算过程中发现，以式(2)计算的节制闸流量与实测值差别较大，尤其是当相对开度e/H较大时，最大达到±30%。

图3 节制闸淹没系数σ与相对开度以及相对淹没度三维拟和效果图

淹没系数拟合公式如下：

(3)

4 穿黄工程布置形式及其水力特性

穿黄工程位于郑州市以西约30 km的孤柏山湾处，是南水北调中线总干渠上跨越黄河的交叉建筑物，也是国内穿越大江大河直径最大的倒虹吸输水隧洞，工程设计流量为265 m3/s，加大流量为320 m3/s。在水力学方面重点研究的问题有：隧洞的过流能力和压力特性；进出口局部水头损失及流态；控制闸的布置方案及闸门启闭原则和允许的开启区间等。

表4 京石段节制闸临时通水原观资料、传统经验公式以及试验拟合公式计算成果对比

针对不同的设计阶段，前后进行了3种布置方案的水工模型试验[9-10](见表5), 其比尺分别为30，25，25。

表5 穿黄工程不同布置方案结构特性对比

主要成果有:

(1) 经试验修改优化后的3种布置方案隧洞过流能力及主要水力特性满足设计要求。方案Ⅰ的控制闸设在隧洞进口, 小流量运行时, 因进口处水位较低，易发生跌流或洞内水跃; 大流量时, 进口前有游动的立轴漩涡, 气泡和漂浮物易被带进洞内, 对隧洞的安全运行不利。

(2) 方案Ⅱ和方案Ⅲ将控制闸设在隧洞出口, 通过闸门调度, 可避免进口处产生不利流态; 在闸墩上设置侧堰, 可以简化闸门调度; 闸下的消能防冲可通过简单的工程措施解决。此外，还对隧洞进、出口弯段的局部水头损失系数ζ进行了精确测试，方案Ⅱ进口为0.126，出口0.337；方案Ⅲ进口安装安全栅时为0.518，不安装为0.124，出口0.432。

图4 隧洞进口体型修改方案比较

图5 方案5与原方案对比

5 突发事件下应急调度

总干渠沿程没有在线调节水库，参与运行调度的控制闸数目众多，包括63座节制闸、54座退水闸、1座泵站和85座分水闸(不含天津干渠)，突发事故时快速的渠道联合应急调度难度极大；此外，闸控设备的机械指标(最大机械速率0.4 m/min)也限制了闸门的操控速度；加之总干渠全线跨越大，且沿程地质气候条件复杂，遭遇意外事故的风险较大。

结合中线工程总干渠设计和运行调度特点，对中线工程突发事件下应采取的紧急调度措施进行了系统的分析研究[22-31]，建立了从突发事件识别分类到应急处置响应，最后应急终止评价的整套应急调度预案体系(图6)。

图6 应急调度框图

图7 应急调度程序流程

研究将突发事件分为水质污染、渠道及建筑物结构破坏、设备故障和社会安全等4类，根据其严重程度、可控性和影响范围等因素将分为特大、重大、较大、一般4级，针对4类4级事件分别提出了相应的应急处置措施；建立了南水北调中线总干渠应急调度数学模型(图7)，提出了完整的总干渠全线闸门应急控制策略(节制闸、分水闸、退水闸)，见表6；对影响应急调度的主要因素进行了计算分析和敏感性研究，解析其影响机理，优化提出了一套适用于总干渠全线各渠段应急工况的运行控制参数(节制闸关闭速率、安全水位、预警水位、退水闸启闭水位等)，经过全线各渠段数百种应急案例的模拟计算表明，提出的闸门控制规则和控制参数[28-30]能及时有效控制突发事故，不会发生次生灾害且渠道弃水量总体较小。

表6 南水北调中线工程应急调度闸门控制规则简表

本项研究成果目前已嵌入中线工程总干渠供水调度自动控制系统，成为其实时在线应急调度模块，为工程的运行调度提供技术支撑。

6 冬季冰期输水

中线总干渠由南向北跨越北纬33°～40°，沿线气候从暖温带向中温带过渡，工程冬季运行时，黄河以北700 km渠道水流将有不同程度的冰凌产生，总干渠将处于无冰、流冰、冰盖输水等多种复杂运行状态，安阳以北的倒虹吸、闸门、渡槽下游、曲率半径较小的弯道等局部水工建筑物附近可能发生冰塞、冰坝危害。为解决总干渠冰期输水的运行安全问题，满足各种复杂运行工况下水位流量的控制要求，分别于2011，2012年对中线工程京石段开展了历时2个冬季的冰凌原型观测(图8(a)和图8(b))[32]，掌握了大量宝贵的渠道冰凌生消演变第一手数据资料(表7)。研究表明，京石段渠道冬季冰情发展具有全线同步性、串行差异性、多点供水影响性、气候影响主导性特点[34]。即整个京石段进入结冰期及融冰期的时间基本是同步的；串联的单个渠段在各自渠段内呈现出不一样的冰凌发展过程；多水源进入渠道致使水源上下游的渠段冰情发展有别于其他渠段，呈现出不一致的变化特征；整个冬季渠道冰情的发展过程是由气象条件变化决定，渠段地形、结构等物理条件只能引起局部差异。研究得到了关键的冰凌动力学参数，岸冰形成、表面流冰层形成和冰盖开始融化等封冻期和开河期冰情发展的水力学和热力学参数等。此外，初步建立了符合总干渠冰情演变的二维冰水动力学发展数学模型[35,36](图9)，开发了冰凌动力学模拟程序软件，并结合中线冰情发展的实测数据进行了率定和验证(图10)，可作为中线工程冬季运行冰凌预测的有效手段。

表7 2011—2013年冬季冰凌观测典型数据(部分)

图8 京石段原型观测

图9 冰盖厚度分布

图10 放水河闸前冰盖厚度验证

7 结 语

通过对国内数十个调水工程的糙率调研及对南水北调京石段等几个工程实际糙率的测量和分析，给出了影响混凝土衬砌渠道糙率的主要因素及不同渠道的实测糙率；通过系列模型试验拟合出了适用于中线工程总干渠倒虹吸节制闸和渡槽节制闸淹没孔流状态下的淹没系数σ的计算公式，计算精度由±30%提高到±5%以内；通过对穿黄隧洞工程不同阶段3个代表方案大尺度模型试验研究，提出了较优水力特性的隧洞进出口布置形式及控制闸布置方式和闸门启闭规程等；建立了南水北调中线工程应急调度数学模型，提出了完整及合理可行的总干渠应急闸门控制策略等；通过对南水北调工程京石段2个冬季的冰凌原型观测，掌握了渠道冰凌生消演变的第一手数据资料及京石段全线冰情演变过程，得到了关键的冰凌水力学及热力学参数，开发了冰凌动力学模拟程序并利用实测资料进行了验证。这些主要水力学问题研究成果，可为中线工程运行调度提供技术支持及供类似工程设计借鉴。

随着南水北调中线工程的全线通水，需在满足全线调水需求的同时开展相关水力学特性监测工作，如全线各渠段渠道及过水建筑物糙率率定、各节制闸过闸流量复核、冬季输水渠段冰凌原型观测等。此外，为保证中线工程安全、适时、高效地输水运行，仍需结合工程实际对正常调度和应急调度方面的水力学问题进行更加深入的研究。

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