南水北调中线总干渠充水试验调度方案研究

温世亿，黄会勇，曾思栋，钟慧荣

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；3.南水北调工程设计管理中心，北京100038）

南水北调中线总干渠充水试验调度方案研究

温世亿1，黄会勇2，曾思栋2，钟慧荣3

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；3.南水北调工程设计管理中心，北京100038）

结合总干渠的施工进度、水源情况、充水测试内容和要求及充水试验的总体进度安排，根据各渠段充水体积、洗渠退水量、观察期水量损失计算成果，确定了充水试验运行调度方案，保证了充水试验各项任务的顺利进行，可供类似大型调水工程借鉴。

南水北调；中线；渠道；充水试验；运行；调度方案

1 充水试验阶段划分［3］

1.1 第1阶段（适应性充水阶段）

充水试验可利用该段时间完成部分工况下的水力学测试、金属结构及机电设备的带水联调等工作。充水结束后，根据监测成果，待建筑物结构变形、渠道内外边坡变形、渠道水位基本稳定或明显处于收敛状态后，连续观察一段时间，再开始第2阶段充水。

1.2 第2阶段（设计水位充水阶段）

本阶段以检验渠道、建筑物在设计水位条件下的安全性为主要目的。主要检查：渠道渗漏、渠道边坡衬砌结构变形、沿线闸门水密性、渠道衬砌结构、输水箱涵、输水渡槽的结构响应情况，评价渠道及沿线建筑物在设计水位条件下的安全性。充水试验结束后，若未发现影响通水运行的重大质量问题和安全隐患，则可以开始全线通水试运行。

2 不同阶段充水水位选择

2.1 充水水位确定原则［4］

充水水位选择包括充水目标水位及达到目标前渠道工程水位上升过程控制。充水水位确定应遵循以下基本原则：①所有充水过程控制在渠道及建筑物设计工况允许范围内；②有利于逐步检验渠道及建筑物工程的安全性，确保总干渠工程安全；③配合工程安全监测、水质监测、水力学参数测试、工程及建筑物安全性分析要求，有利于取得符合工程实际情况的安全监测资料；④满足不同充水阶段、充水渠段的水力衔接与过渡要求；⑤有利于简化充水过程、缩短充水试验时间；⑥有利于减少当地水源用水量，节约充水费用，减少对当地水环境的影响；⑦有利于协调工程实施进度与充水计划之间的关系。

2.2 适应性充水阶段目标水位

本阶段充水主要为总干渠沿线高填方渠道渠堤、渠道衬砌提供分期加载过程，以使其变形逐步适应实现对渠道衬砌结构、渠道边坡加载，输水建筑物、控制建筑物初步加载，观察输水体系在初期加载条件下的结构变形、应力、渗流响应情况。从工程安全监测响应值的测量和分析角度考虑，水位不宜过低；但从渠道及建筑物结构加载变形适应和安全性角度考虑，水位不宜太高。参考同类工程经验，过渡期目标水位按渠段中部水深为设计水深的2/3控制；由于不同渠段长度及纵坡不同，各渠段下游节制闸闸前水深根据具体渠段情况确定。

2.3 设计水位充水阶段目标水位［5］

本阶段目标水位按各渠段节制闸前水位为设计水位控制，但是由于充水试验期间，渠道流量难以达到设计流量，因此，渠道沿线不同断面水位差别较大，除节制闸上游局部渠段水位接近设计水位，其他渠段难以达到设计水位。

3 充水方式［5-8］及选择

3.1 自下而上充水

指首先完成最末端渠段充水，依次往上递推。其优点是：①充水过程中，闸门操作相对简单；②上游渠段可以利用充水初期渠道低水位过流条件进行部分观测试验，同时，该方式下游渠段充水完成后，即可提前进入观察期进行相关监测，可适当缩短充水试验观察期时间；③由于在充水初期，上游渠段水深均较小，不易引起上游渠段的破坏，有利于总干渠全线充水逐步进行，且该充水方式节制闸上、下游水位差一直处于较小状态，对闸后渠道衬砌的保护有利。

为保证充水安全，充水流量宜选择渠道及建筑物设计过流能力的20%～30%。由于此方式在充水阶段全渠段稳定充水流量相同，而中线总干渠渠段过流能力沿程递减的，故为保证总干渠下游渠段的充水安全，将限制入渠充水流量，从而使充水时间相对较长，将抵消一部分上下游充水与观察结合而节约的时间。另一方面，在设计水位充水期间，上游渠段只能基本处于准稳定状态，渠道渗漏损失测定相关工作需要专门安排时间段。此外由于上游渠段水深较小，部分倒虹吸进口可能长时间处于不能淹没的状态。

3.2 自上而下充水

指渠首段最先完成充水，依次往下递推。其优点是：①闸门自上而下有序控制水流，操作相对简单；②在上游渠段完成充水，达到稳定过流时，可提前对该渠段进行部分观测、监测，提高观测效率（但该阶段观测可能存在由于水位波动，导致观测精度、准确性难以判断的问题）。

由于稳定充水流量全线相同，渠首充渠流量受下游渠道制约，充渠流量较小，导致充水试验总体时间延长。同时，为了达到充水渠段目标控制水位，要求陶岔闸准确控制入渠水量，且需要确定各渠段水量损失系数，否则可能发生弃水或水量不足状况。当渠道初始为有水状态时，充水过程中，要求所有节制闸均能参与充水控制，且过程相对较长。此外，该方式在渠段充水初始阶段，节制闸上下游水位差较大，闸门开启时可能对闸后未作防冲设计的渠段衬砌造成冲刷破坏。

3.3 全线同时充水

指各渠段分别以小流量充水，最终全线同时达到目标水位。其优点是：①各渠段根据渠段目标体积的不同，可以选用不同的充水流量，各节制闸过闸流量自上往下递减，渠首充渠流量可取较大值，从而缩短整个充水试验的时间；②全线充水试验可同步进行，加快试验进度，由于沿线闸门时刻处于操作或待操作状态，异常情况下，可控性较好。

该方式的缺点是在闸门调整流量过程中，需要全线节制闸进行同步操作，对运行控制要求相对较高。此外，该充水方式全线各渠段水位处于同步上升过程中，不能提前开展部分渠段的监测，观察期需要的时间相对较长。

3.4 分段充水

指将总干渠分水若干大渠段，大渠段间采用自上而下的充水方式，大段内采用自下而上的充水方式。分段充水方式可根据充水试验重点渠段的分布情况，对重点渠段进行优先充水，节约充水总时间，但该方式充水过程渠道水位及流量变化较为复杂，控制过程也相对复杂。

3.5 充水方式选择

在选择充水方式中，考虑以下因素综合分析比较：①充水方案能紧密结合目前南水北调总干渠工程现状，与总干渠工程建设实施进度相协调；②充水过程可控性好，沿线节制闸操作简单；③充水试验过程设置有利于安全监测、检验及测试工作进行；④充水时间满足总体计划要求；⑤便于充水过程中人力资源、设备资源、通讯资源合理调配；⑥充水费用相对较低且可控性好。

考虑到总干渠充水试验时间紧，为协调工程通水验收及合理安排渠道充水试验后所需的检修维护时间，推荐采用自下而上充水方案。

4 充水运行调度方案

4.1 渠道水利用系数［9］

本次充水试验为总干渠首次充水，沿线渠段渗流尚未稳定，渠道衬砌结构缝、部分排水通道填充等均可能占用一定充水容量，且不同阶段由蒸发面与渗漏水头差别较大，目前尚难准确确定。充水试验两阶段水深均比较大，水量损失相对较大，输水损失按20%考虑，水利用系数取0.8，北京段和天津干线段均采用管涵输水，水量损失非常小，取北京段和天津干线段水利系数为1.0。

各渠段水利用系数近似按式（1）计算：

式中 δi为第i渠段水利用系数；δ为明渠段总水利用系数；L为明渠总长度（km）；Li为第i渠段长度（km）。

由于总干渠渠段水利用系数计算的是各渠段的水利用率，而水流从上游渠段向下游渠段输送的过程中，下游渠段输水损失具有累积效应，因此，在计算各节制闸过流量时首先要计算各渠段自渠首至渠段的累积水利用系数，计算公式如式（2）。

式中 δ累i+1、δ累i分别为第i+1、i号节制闸累计水利用系数；δi+1为第i+1渠段水利用系数。

4.2 渠段充水体积

在确定的闸前目标水位下，流量为零时的各渠段目标水体体积，计算公式如式（3）。

式中 Vi为第i渠段水体体积，第i渠段分为n个计算段（m3）；Aj为第j个计算断面的过水面积（m2）；Lj为第j个计算断面所代表的渠段长度（m）。

4.3 洗渠退水量

洗渠水量主要与渠道的过水断面、长度以及渠道干净程度等有关，难以进行定量计算，一般根据经验进行估算。结合总干渠渠道分段情况及京石段实际运行经验，将总干渠陶岔～北拒马河段划分为5个大渠段，每个大渠段设置一处洗渠退水点，每处退水点洗渠退水量按100万m3估算，则全线洗渠退水量为500万m3。天津干线洗渠水量按充水试验所需总水量的20%考虑，为161.2万m3。

4.4 充水时间计算

根据中线渠道、建筑物设计要求及不同阶段充水的限制条件，确定各充水阶段的充水流量，进而计算各渠段的充水时间。

4.5 充渠水量计算

充渠水量计算方法是首先根据充水3个阶段制定的闸前目标水位和流量，采用总干渠水力学模型计算各渠段的目标蓄量，将目标蓄量加上洗渠退水量，并除以各渠段的水利用系数，即可计算出各节制闸充渠水量，如式（4）。

式中 V闸i、V闸i+1分别为第i、i+1号节制闸过闸总水量（万m3）；V渠i+1、V退i+1、V存i+1分别为第i+1渠段目标水体体积、洗渠退水量、渠段存水量（万m3）；δi+1为第i+1渠段水利用系数。

4.6 观察期水量损失估算

在观察期内渠道同样有渗漏和蒸发损失，由于观察期内渠道无水流流动，因此，其水量损失无法直接用水利用系数计算。因此采用式（5）计算各渠段水量损失流量的方法计算各渠段水量损失。

式中 K为渗透系数（cm/s）；n为渠段总数；bi-1，bi为上下游渠道断面底宽；hi-1，hi为上下游渠道断面水深；mi-1，mi为渠道边坡系数；δ1，δ2为上下游渠道断面处衬砌厚度；si-1，si为上下游渠道断面处桩号。

此处K指考虑地下水顶托、施工质量、闸门漏水、局部渗漏等各种因素引起的输水损失累加到渠道渗漏上的综合渗透系数，根据京石段实际运行数据计算成果，选取各渠段综合渗透系数K=1.279×10-6cm/s，比混凝土衬砌、土工膜层的渗透系数的理论值大。

4.7 充水运行调度方案主要成果

根据以上计算方法，确定中线总干渠充水实施运行调度实施方案的主要成果，如表1。

表1 充水运行调度方案主要成果

5 结语

（1）通过合理确定总干渠充水试验阶段，选择适当的充水方式，确定合理的充渠流量等，缩短了总干渠充渠时间，保证了充水试验各项任务的顺利进行。

（2）工程自2014年6月5日正式开始充水试验，至2014年10月31日结束，安全巡查未发现影响工程安全运行的重大隐患，安全监测结果稳定收敛，表明南水北调中线干线工程质量可靠、结构安全。

［1］长江勘测规划设计研究院.南水北调中线一期工程总干渠供水调度方案研究及编制工作大纲［R］.2006.

［2］长江勘测规划设计研究院.南水北调中线一期工程总干渠供水调度方案研究及编制实施报告［R］.2007.

［3］长江勘测规划设计研究有限责任公司.南水北调中线一期工程总干渠充水试验专题设计报告［R］.2014.

［4］南水北调中线干线工程建设管理局，长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，等.京石段应急供水工程2008年临时通水运行实施方案（修订版）［R］，2012.

［5］长江勘测规划设计研究有限责任公司、武汉大学等.南水北调中线一期工程总干渠运行调度规程初稿［R］.2014.

［6］长江勘测规划设计研究有限责任公司.南水北调中线一期京石段应急供水工程2010年临时通水运行实施方案［R］.2010.

［7］长江勘测规划设计研究有限责任公司.南水北调中线一期工程总干渠2015年1月～10月通水运行实施方案［R］.2015.

［8］黄会勇，毛文耀，范杰，等.南水北调中线一期工程输水调度方案研究［J］.人民长江，2010，41（16）：8-13.

［9］长江勘测规划设计研究有限责任公司.南水北调中线一期工程可行性研究总报告［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

温世亿（1975-），男（汉族），江西赣州人，高级工程师，主要从事水工结构工程、岩土工程、混凝土工程及技术管理研究，（Tel）13311583286。