刁河节制闸退出运行对输水调度及工程安全的影响

董 玉 增，田 丰 源，魏 凯，万 蕙

(1.南水北调中线干线工程建设管理局 渠首分局，河南 南阳 473000； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 3.水利部长江治理与保护重点实验室，湖北 武汉 430010)

0 引 言

南水北调中线总干渠全长1 432 km，其中陶岔渠首至北拒马河段为明渠输水，线路长1 198 km。根据调节总干渠水位和流量、配合退水、保障分水口门取水水位要求、便于管理等原则，明渠段共布设节制闸61座，平均间隔约20 km[1]。节制闸一般采用闸前常水位方式运行，也有变水位运行方式[2]。截至2022年5月，中线总干渠累计调水量超460亿m3，受益人口达7 900万。精准调度及精确控制有效保障了中线工程输水安全和供水安全。

目前，关于南水北调中线总干渠水力学模拟及控制运行已有较多研究成果[3-6]。随着新工况、新需求的不断增多，部分研究探讨了与规划设计阶段不同的运行控制方式。在小流量、高水位运行状况下，李立群等[7]对比了多种调度运行方案，在保持节制闸过闸流量不变、对上下游渠段水位影响较小的前提下实现了节制闸大开度检验；万蕙等[8]分析了调节旁侧闸孔过闸流量的小范围局部控制方式，发现可减小短时间内事故闸门过闸流量的影响；吴永妍等[9]研究了基于控制蓄量法的运行方式，可在满足运行安全和高效的同时减少节制闸调节频次，提高灵活性和稳定性；李景刚等[10]采用量纲分析法率定了节制闸过流公式，并绘制了考虑闸上、闸下水位因素的节制闸开度与过闸流量关系曲线，为日常调度提供了额外的依据。

2018年8月，陶岔渠首枢纽电厂投入运行。截至2021年12月，累计发电量超过6.28亿kW·h，效益显著。然而，2019年2～3月受丹江口水库来水持续偏枯的影响，陶岔电厂上下游水头差持续下降，超出电站机组安全运行范围，导致电站机组被迫停机，电厂发电效益受损。为应对陶岔电厂上游水位偏低、发电水头不足的问题，降低陶岔电厂下游水位是简单有效的方式之一。根据南水北调中线工程总干渠控制运行方式，陶岔电厂下游水位受控于下游节制闸，即刁河节制闸。为降低陶岔电厂下游水位，需相应降低刁河节制闸闸前运行水位，极限条件下需刁河节制闸退出控制运行。刁河节制闸设置的初衷主要是为了保障上游肖楼分水口的分水水位，并在突发应急事故下与刁河退水闸进行联合应急处置。从刁河节制闸在总干渠的位置来看，刁河节制闸退出运行后可由陶岔渠首和下游湍河节制闸实现对总干渠运行的控制；从通水7 a多以来的实际情况来看，因事故工况需要刁河节制闸阻断水流，配合刁河退水闸退水的概率较低。因此，在实际调度运行控制中，可尝试将刁河节制闸退出控制运行。

然而，刁河节制闸退出控制运行将导致陶岔至刁河渠段水位降低，会对肖楼分水口分水能力及深挖方、高地下水位的渠道衬砌稳定性造成一定影响，需定量论证刁河节制闸退出运行对总干渠输水调度和工程安全的影响。因此，本文采用水力学数值模拟方法，分析刁河节制闸退出运行前后的渠段水力变化，重点研究对肖楼分水口取水水位和分水能力、渠道衬砌稳定的影响，初步探究对陶岔电厂发电效益的提高作用，以为总干渠精准调度提供参考。

1 研究对象

1.1 陶岔渠首枢纽

陶岔渠首枢纽工程是丹江口水库的副坝，主要由引水闸、河床式电站、两岸连接坝段等大坝挡水建筑物以及上游引渠、下游300 m总干渠等组成。工程主要任务是供水、灌溉，并兼顾发电。设计引水流量350 m3/s，加大引水流量420 m3/s。陶岔电厂采用河床径流式电站，电站厂房型式为灯泡贯流式，安装2台25 MW发电机组，装机容量为50 MW[11]。机组装机高程136.20 m，正常运行水头范围为6.00～22.60 m。

1.2 肖楼分水口

肖楼分水口(桩号K4+196)是总干渠上第一个分水口，分水口下游与引丹总干渠相接，为解决引丹总干渠灌溉区的水源问题而设置。肖楼分水口为开敞式弧形分水口门，仅1孔，闸孔宽6.5 m，设计流量为100 m3/s，闸前设计水位为146.70 m，闸后水位为146.20 m[11]。

1.3 刁河节制闸

刁河节制闸位于刁河渡槽进口段，是刁河渡槽的组成部分。刁河渡槽是南水北调中线工程总干渠的第一座渡槽，上距陶岔渠首枢纽14.6 km，下距湍河渡槽21.8 km。刁河渡槽双线两槽布置，设计流量350 m3/s，加大流量420 m3/s，进口设计水位146.80 m，加大水位147.56 m。刁河节制闸为弧形工作门，共2孔，单孔闸室宽13.0 m，闸室底板高程140.70 m，闸顶高程148.56 m[11]。

1.4 陶岔至刁河渠段

陶岔渠首枢纽至刁河节制闸渠段(以下简称陶岔至刁河渠段)过水断面采用混凝土衬砌，断面形式为梯形断面，底宽10.5～31.0 m，边坡1∶2.0～1∶3.5，纵坡为1/25 000。渠首至肖楼分水闸渠段利用已建引丹总干渠扩挖与修整。肖楼分水闸至刁河节制闸渠段沿线地面高程较高，以深挖方为主，最大挖深47 m。该渠段存在部分高地下水位渠段，桩号K4+200～K6+200，渠段地下水位在146.00～152.80 m之间，地下水埋深3～5 m；桩号K6+200～K12+000渠段地下水埋深1～4 m[10]。

2 研究方法

根据陶岔至刁河渠段输水建筑物、控制建筑物特点和现状，建立总干渠水力学模型，主要包括一维恒定非均匀流基本方程和过闸流量方程，并分析衬砌抗滑稳定和抗浮稳定系数。

2.1 恒定非均匀流基本方程

南水北调中线工程恒定流计算的基本方程为能量方程，适用于明渠、渡槽、倒虹吸，计算公式如下[8]：

(1)

式中：Z为水位；p为压强；u为流速；α为动能修正系数，一般情况下可令α1=α2=1；hw为水头损失，包含沿程水头损失和局部水头损失。下标1和2分别代表上游断面和下游断面。

2.2 过闸流量方程

刁河节制闸、肖楼分水闸、陶岔引水闸均为弧形闸门，本文采用弧形门过闸流量公式计算过闸流量Q。弧形门过流方程分为孔流、堰流、孔流向堰流过渡3段。令Ya，Yb分别表示孔流上限与堰流的下限。

(1) 对于孔流，Y≤Ya，则有：

(2)

(2) 对于堰流，Y≥Yb，则有：

(3)

(3) 孔流向堰流过渡，Ya≤Y≤Yb

(4)

式中：σ为淹没系数；m为流量系数；ε为侧收缩系数；e为开度；h为上游水位；b为上游渠道中宽，相关取值见文献[2]。

2.3 渠道衬砌稳定分析

衬砌稳定计算包括抗滑稳定[12]和抗浮稳定[13-14]两部分，计算公式分别为

(5)

(6)

式中：Kc为沿衬砌板基底面的抗滑稳定安全系数；f为衬砌基底面与地基之间的摩擦系数；∑H为作用在衬砌板上的全部下滑力，kN；∑G为垂直作用在衬砌板上的作用力之和，kN；Kf为抗浮稳定安全系数；∑V为作用在衬砌板全部向下的铅直力之和，kN；∑U为作用在衬砌板上的扬压力，kN。

3 典型流量工况选取

刁河节制闸与肖楼分水口实际过闸流量除了与丹江口水库来水量和下游用户需水量密切相关，还与工程实际运行状况相关[15]，具有一定的不确定性。本次研究按照代表性、全面性、对调度不利等原则选取典型流量工况。

根据中线工程规划阶段确定的总干渠各旬长序列供水流量过程[16]，选取95%，75%，50%，25%，5%等5种不同频率对应的渠段流量作为基础，再结合设计流量和加大流量，并考虑不同流量规模，选定0，80，150，200，280，320，350，420 m3/s等8种典型流量工况。

4 研究结果与分析

4.1 对渠段的水力影响

表1为刁河节制闸退出运行对陶岔至刁河渠段的水力影响，包括水位、渠段蓄量、流速、响应时间变化等。图1为150 m3/s和350 m3/s工况下，刁河节制闸退出运行前后陶岔至刁河渠段计算水面线对比成果。

从表1和图1可知：与刁河节制闸退出运行前相比，刁河节制闸退出运行后计算水面线降低0.18～1.15 m，平均降低0.65 m；渠段蓄量减小7.0万～96.6万m3，平均减小46.7万m3，减幅为1.6%～23.2%；渠段流速增加0.04～0.18 m/s，平均增加0.11 m/s，增幅为3.4%～26.7%；渠段响应时间增加0.2～2.5 min，平均增加0.9 min，增幅为0.7%～8.3%。水位降幅、蓄量减幅、响应时间增幅均随着流量规模的增加而减小。流速增幅随流量规模增加呈先增后减的规律，当渠段流量为200 m3/s时流速增幅达到最大值。

图1 刁河节制闸退出运行前后陶岔至刁河渠段水面线对比

表1 刁河节制闸退出运行对陶岔至刁河渠段的水力影响

刁河节制闸退出运行后，渠段蓄量减少，通过合理的运行调度方案，可充分利用渠段富余的调蓄能力，增加总干渠运行调度的灵活性[9]。渠段流速虽有增加，但加大、设计流量下陶岔至刁河渠段最大流速分别为2.09 m/s和2.23 m/s，低于总干渠渠道抗冲流速[17]，仍在安全范围内。渠段响应时间略有增加，但增加幅度较小，对渠道控制运行影响较小[18]。整体来看，刁河节制闸退出运行导致水面线下降，但对总干渠调度运行影响较小。

4.2 对肖楼分水口的影响

4.2.1对取水水位的影响

刁河节制闸退出运行后肖楼分水口闸前水位变化见表2。从表2中可知：刁河节制闸退出运行后，肖楼分水口闸前水位比退出前下降0.20～1.15 m，平均降低0.63 m。其中，加大流量与设计流量下，刁河节制闸退出运行后肖楼分水口闸前水位下降幅度大致相当。随着渠段流量规模的减小，刁河节制闸退出运行后肖楼分水口闸前水位下降幅度增大，当渠段流量为150 m3/s时，肖楼分水口闸前水位下降0.89 m，低于肖楼分水口设计引水位。

表2 刁河节制闸退出运行前后肖楼分水口闸前水位变化分析

4.2.2对设计分水能力的影响

刁河节制闸退出运行后，肖楼分水口闸前水位下降，设计分水能力降低。结合8种典型渠段流量工况，考虑肖楼分水口分水流量不超过陶岔渠首流量的限制条件，刁河节制闸退出运行后，肖楼分水口的设计分水能力变化分析见表3。

表3 刁河节制闸退出运行前后肖楼分水口分水能力变化分析

当陶岔渠首流量为420 m3/s时，肖楼分水口闸前最大取水位为147.37 m，满足肖楼分水口设计分水的水位要求。当陶岔渠首流量为350 m3/s时，肖楼分水口闸前最大取水位为146.58 m，最大分水能力为94 m3/s。随着陶岔渠首流量的减小，渠段水位逐渐下降，肖楼分水口分水能力减小。这种分水能力减小幅度与渠段流量规模呈反比，即渠段流量越小，肖楼分水口分水能力减幅越大。

4.2.3对实际分水情况的影响

刁河节制闸退出运行后，影响肖楼分水口实际分水情况的主要因素为陶岔引水规模及肖楼分水口实际用水需求。陶岔引水规模与中线沿线用水需求有关。根据2018～2019年实际运行情况，陶岔渠首平均流量约246 m3/s，最小流量为138 m3/s。肖楼分水口实际用水需求与供水对象即引丹灌区有关，受气候条件、灌溉制度、当地供水能力等影响[19]。统计分析规划阶段所确定的肖楼分水口门长系列分水流量过程可知，分水需求不超过30 m3/s的时段占80%。可见，陶岔引水流量常年保持在一定水平，肖楼分水口分水流量普遍较小。

经分析，在陶岔实际最低引水流量工况下，刁河节制闸退出运行后渠段水位可满足肖楼分水口30 m3/s的分水要求。肖楼分水口大流量供水时段主要集中于引丹灌区灌溉期，与此同时，丹江口水库多处于汛期，水量充足，陶岔引水流量较大，刁河节制闸退出运行后渠段水位基本能满足肖楼80 m3/s的分水要求。此外，中线工程调度运行遵循水量调度计划，大流量分水要求具有预见性，此时及时恢复刁河节制闸参与控制运行可消除该影响。

由此可见，刁河节制闸退出运行，虽在一定程度上降低了肖楼分水口的设计分水能力，但对实际分水影响较小，仅对个别极端大流量分水要求造成一定影响，且此影响可快速消除。

4.3 对总干渠衬砌稳定的影响

根据陶岔至刁河渠段运行情况，选取4个典型断面进行衬砌抗滑和抗浮稳定分析，成果见表4。从表4可知：刁河节制闸退出运行后，典型断面衬砌抗滑稳定安全系数和抗浮稳定安全系数较退出前略有降低，但均在安全允许值范围内，满足安全保障要求。需要注意的是，在汛期连续降雨且渠坡排水不畅时，若地下水位持续升高，则衬砌板存在一定失稳风险[13，20]，此时需要注意及时恢复刁河节制闸参与控制运行，保障工程安全。

表4 陶岔至刁河渠段典型断面衬砌抗滑、抗浮稳定计算结果

4.4 刁河节制闸退出对陶岔电厂发电的影响

刁河节制闸退出运行，可降低陶岔电厂下游水位，一方面可改善枯期陶岔电厂发电水头不足的问题，延长发电时间；另一方面，可在陶岔电厂机组工作水头要求范围内加增加发电水头，提升发电效益。

根据2017～2019年实测水情数据估算，刁河节制闸退出运行可延长发电时间1 032 h，增加发电量2 804万kW·h(见表5)。其中，2017，2018，2019年分别为平水年、丰水年、平水偏枯年，分别增加发电量1 150万，890万，764万kW·h。

表5 刁河节制闸退出运行对陶岔电厂发电效益的提升作用

对比刁河节制闸退出运行后陶岔电厂各月发电效益提升结果可知，增加发电时间的月份主要集中于3，4，6，7月，尤以3月份居多，占比64%；其次为4月份，占比31%。增加发电量较多的月份为3月和7月。对比汛期和非汛期发电效益增加情况可知，汛期各月平均增加发电量77.4万kW·h，非汛期各月平均增加发电量106.4万kW·h，汛期增加发电效益低于非汛期。

5 结 论

南水北调中线工程安全通水至今，积累了大量的安全调度运行经验。本文针对陶岔电厂发电并网的新工况，研究了刁河节制闸退出控制运行对调度运行、肖楼分水口分水能力、渠道衬砌稳定、陶岔电厂发电效益等的影响。研究结果表明：刁河节制闸退出运行后，陶岔至刁河渠段水位沿程降低0.18～1.15 m，对总干渠调度运行影响较小；肖楼分水口分水能力受到一定影响，但可基本满足实际分水要求，个别极端大流量分水具有预见性，可及时恢复刁河节制闸参与运行来消除影响；衬砌板抗滑、抗浮稳定安全系数较退出前略有降低，但均在安全允许值范围内，满足安全保障要求；陶岔电厂发电水头增加，可延长发电时间，增加发电量，提高发电效益。研究成果可为新形势和新要求下南水北调中线工程优化调度运行提供参考，为保障工程运行安全、提升工程效益提供支撑。