南水北调中线工程节制闸间距研究

第９卷４期　应用基础与工程科学学报　ｖｏ１．９，Ｎｏ．４　２００１年１２月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＢＡＳＩＣ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥ￣ＮＧ　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２０ｏ１　文章编号：１００５－０９３０（２００１）－０４－０３５４－０６　中图分类号：ＴＶ１３１　文献标识码：Ａ　南水北调中线工程节制闸间距研究　张尚弘　，　王兴奎　，唐立模　，　张红林２　（１．清华大学水利系，北京１０００８４；２．北京仿真中心，北京，１００８５４）　摘要：节制闸间距的选取影响到工程投资的多少与能否安全运行的问题．本文以　南水北调中线工程初步设计参数为依据，从调度的灵活性，事故处理时间，闸门、　渠道的安全超高、水头损失与最低流速及节制闸工程造价等５个方面讨论了中　线干渠节制闸间距长短的优缺点．通过各种因素的综合分析，认为节制闸间距取　２０～３０ｋｉｎ为宜．　关键词：节制闸，间距，南水北调，总干渠　南水北调中线工程全线长约１２５０ｋｉｎ，主要以节制闸调节渠道的水位和流量。节制闸　间距选取的合理与否，不仅影响到工程的投资，而且会影响整个工程的正常运行．若选取　不合理，可能造成不必要的浪费；使工程存在安全隐患，危及沿线人民的生命财产安全及　整个输水工程的效益．因此，对节制闸间距选取的研究是必不可少的．影响节制闸间距的　因素很多且相互制约，所以非常复杂，如具体的地形地貌地质因素的限制，运行调度过程　中的安全性、可行性、灵活性等方面的影响，同时还需要考虑其工程造价的可接受性．所有　这些因素造成节制闸间距合理优化的复杂性．作为初步规划设计阶段的总体布局，下面按　初设的运行调度原则从技术和造价方面作宏观的分析研究．　１影响节制闸间距的主要因素　１．１调度的灵活性　调度的灵活性对调水工程而言非常重要．俗话说：“远水解不了近渴”，如果不能及时　地调来所需用水，则调水工程就难以发挥其最大效益，而用户当然更希望供水像自来水一　样的方便．需求的大幅变化，势必引起水面的波动，这对砼衬砌的渠道的安全是极为不利　的．因为衬砌板下面的水压力有可能将衬砌板顶托起来而损坏．实际调度中，总是以安全　为第一，即水位的波动幅度允许值是必须满足的先决条件．在保证渠道安全性的前提下，　节制闸的间距越密，流量变化引起的水位变幅就越小，这样流量变化的速度也可以大一　些，即调度的灵活性加大．　如取一特征断面，以两个节制闸间的流量从设计流量变为８０％的设计流量所需时间　（降水时间）为指标进行计算分析，考虑上游渠道断面尺寸大，流量及其变化量较大，水位　变幅也相对较大，因此取上游渠道断面作为特征断面进行研究，可得到最不利情况下的降　收稿日期：２００１－０８—１５；修订日期：２００１—１１—１９　作者简介：张尚弘（１９７７一），男，博士生　维普资讯 http://www.cqvip.com

张尚弘等：南水北调中线工程节制闸间距研究　盎　３５５　水时间．根据水利部长江水利委员会所提供的资料①，取断面底宽ｂ＝４０ｍ，边坡系数ｍ＝　３，糙率系数　＝０．０１５，底坡．，＝１／２５０００，设计流量Ｑ＝６００　ｍ。／ｓ，相应闸前水深ｈ＝７．５ｍ　（设计流量下的正常水深ｈ。），变化后流量４８０　ｍ。／ｓ，渠道允许降水速度　＝０．２ｍ／ｈ．因为　运行调度按闸前常水位，闸前水深保持７．５ｍ不变，根据恒定流公式可推出不同流量下的　水面线，如图１．求出沿线水位变幅的最大值　，除以允许降水速度Ｖ即得降水时间．计算　结果见表１．　表１节制闸间距与相应降水时间表　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｄｒａｗｄｏｗｎ　ｔｉｍｅ　节制闸间距，ｋｍ　１０　１５　２０　２５　３０　３３　３５　４０　４５　５０　降水时间，ｈ　０．７　１．０　１．３　１．６　１．８　２．０　２．１　２．３　２．５　２．７　由上表可以看出节制闸间距越密，降水所需时间越短，调度灵活性越大．如要求流量　调节需在２．０　ｈ内完成，则节制闸间距应小于３３　ｋｍ．　图１降水时间计算示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｒａｗｄｏｗｎ　ｔｉｍｅ　１．２事故情况下的处理时间　节制闸除了调节水位流量，另一个重要作用就是在事故情况下挡水，例如渠道损坏需　要检修的情况．在水源缺乏而不允许弃水的情况下（如美国加利福尼亚北水南调工程，刘　子慧，１９９７）②，当渠道需要检修时，先将被检修渠段两端的节制闸关闭，然后在该渠段两　头用移动泵将渠道中的水向上下相邻的渠道中抽排．因此，节制闸间距密些，则渠道检修　就方便多了．当然沿线移动泵的配置需要耗费大量资金，在我国南水北调工程中未必适　用．相应的需配套修建泄水建筑物，对一定的建筑规模和泄水限制时间，也是节制闸的间　距小一些为好．另外如果两节制闸间水体遭到严重污染，不得不将该渠段的水排空时，节　制闸间距小一点也有利于快速排空，尽快解决问题．作为国家特大型调水工程，工程的安　全性关系到沿线人民的生命财产安全．而中线工程突出特点之一便是无合适的调节水库，　渠道集输水储水于一身，因此从最不利情况考虑，如果由于某种不可预见的事故渠道发生　溃堤决口，节制闸间水量的多少将直接影响到事故所造成的损失的大小．所以从安全性考　虑，节制闸间距不宜取得过长．　①南水北调中线工程总干渠总体布置附表．水利部长江水利委员会，１９９７　②刘子慧，吴泽宇，林全胜，等．加利福尼亚北水南调工程考察报告．长江水利委员会，１９９７　维普资讯 http://www.cqvip.com

应用基础与工程科学学报　下面以某一特征渠段在设计流量下发生事故时，需要排空检修所需要的排空时间为　指标进行计算分析．特征断面的选取仍取最不利情况：ｂ＝４０ｍ，ｒｎ＝３．０，ｈ＝７．５ｍ．假设排　空流量ｑ＝８０ｍ。／ｓ．　表２节制闸间距与相应闸间水量及排空时间表　Ｔａｂｌｅ　２　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｅｍｐｔｙｉｎｇ　ａｔ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌｓ　节制闸间距，ｋｍ　１０　１５　２０　２３　２５　３０　３５　４０　４５　５０　两节制闸间水量，１０‘ｍ　４６９　７０３　９３８　１０７８　１　１７２　１４０６　１６４１　１８７５　２１０９　２３４４　排空时间，ｄ　０．６８　１．０２　１．３６　１，５６　１．７０　２．０３　２．３７　２．７１　３．０５　３．３９　由表２可以看出，节制闸间距越密，节制闸间水量越少，排空时间就越短，越有利于节　约事故处理的时间，如允许的泄空时间为２ｄ，则间距为３０ｋｍ．另外排空速度不能超出允　许降水速度，因此排空时间应在（７．５／０．２／２４）１．５６ｄ以上，即节制闸间距若在２３ｋｍ以　下，就应该减小排空流量，使排空时间大于１．５６ｄ以保证渠道安全．　１．３闸门和渠道的安全超高　作为大型调水工程，运行调度的安全性总是第一位的．闸门和渠道都应该留有足够的　安全超高．当然，安全超高的大小将直接影响到工程的规模及投资．因此在保证安全运行　的情况下减小所需超高，将有利于节省工程投资．渠道的超高分为衬砌超高和渠堤超高．　衬砌超高为设计水位到砼衬砌顶的距离，是由运行调度时的水位变幅决定的．渠堤超高为　砼衬砌顶到一级马道顶的距离，是由风浪等因素决定的．下面通过对安全超高的计算讨论　节制闸间距的取值问题．安全超高值的计算主要考虑两个因素：①风浪所引起的超高；②　节制闸快速关闭所引起的闸前水位抬升量．　１．３．１风浪所引起的超高　南水北调中线工程属大型调水工程，调水距离长，渠道断　面大，因此渠道的设计不能不考虑风浪的影响．形成风浪的主要因素有风速、吹程和水深．　风浪计算中的风速采用水面以上１０ｍ高度处的风速值．陆地上一般大风为６～７级，其风　速值约为２０～２８ｍ／ｓ．我国现行设计规范规定：根据建筑物的重要程度，采用多年平均最　大风速的１．５～２倍…．在此取设计风速Ｖ＝４０ｍ／ｓ．虽然渠道的顺直段可能很长，但由于　输水渠道是条带形，所以按规范规定，吹程取５倍水面平均宽度，计算中取ｌｋｍ．计算水深　般取平均水深，现按上游渠道水深取７．５ｍ．风浪的计算公式很多，在此采用莆田试验站　公式［２】．该公式系根据莆田试验站多年观测资料整理而成，为水电部碾压式土石坝规范、　水闸设计规范以及浙、闽等省的海堤设计规程所采用．其公式如下：　ｇＨ　１０．１３ｔｈ『Ｌ　０．７ｆ　１．ｔｈ／ｒ　０．０ｏ１８ｆ——　　１ｌ　１Ｌ　　０．１３ｔｈ『Ｌ　、ｏ．７ｆ　１　，　１　Ｊ　Ｊｆ　　（　‘１）　式中：日为平均浪高（ｍ），Ｖ为计算风速（ｍ／ｓ），Ｌ为吹程（ｍ），ｈ为平均水深（ｍ），ｇ为重　力加速度（ｍ／ｓ　）．由以上公式和参数可求得风浪所引起的超高为０．６ｍ．　１．３．２节制闸快速关闭所引起的闸前水位抬升　当由于某种事故相邻两节制闸快速　关闭时，两节制闸间水体由流动变为静止，能坡变为０，水面变平，闸前水位因此而有所增　＾　维普资讯 http://www.cqvip.com

张尚弘等：南水北调中线工程节制闸间距研究　加，再加上流动水体有惯性爬高，所以为了安全运行，节制闸和渠道在设计时都需留有一　定超高．节制闸间距设计越长，渠段两端的水位差越大，所需预留的超高值就越大．　下面给出不同节制闸间距下的水位超高值以作比较．其中惯性爬高的部分用ｖ２／２ｇ　求得．取流速　＝１．４ｍ／ｓ，平均底坡为１／２５０００．　表３节制闸间距与相应水位超高值　Ｔａｂｌｅ　３　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅｂｏａｒｄ　节制闸间距，ｋｍ　１０　１５　２０　２５　３０　３５　４０　４５　５０　水位超高，ｍ　０．３　０．４　０．５　０．６　０．７　０．８　０．９　１．０　１．１　总水位超高，ｍ　０．９　１．０　１．１　１．２　１．３　１．４　１．５　１．６　１．７　由表３可以看出，节制闸间距越大，所需预留的安全超高值就越大．若以安全超高不　大于１．５ｍ为限，节制闸间距的取值应小于４０ｋｍ．　１．４水头损失与最低流速　南水北调中线工程的规划方案有两大突出特点，全程自流输水及沿程无合适的调节　库容．渠首陶岔取水高程为１４７．２ｍ，终点北京玉渊潭高程为４９．Ｏｍ，总落差不足１００ｍ，渠　线全长约１２５０ｋｍ，平均坡降１／１２５ＯＯ．由于沿程渡槽、虹吸、隧洞输水需较大的坡降，另外　沿程众多输水建筑物存在局部水头损失，因此渠道设计坡降在黄河以南为１／２５０００，黄河　以北为１／２００００～１／３００００．如果进一步增大局部水头损失，相当于减缓纵坡．这样由于纵　坡太小，为满足设计输水能力渠道设计断面过大，流速太小，北方渠段在冬季输水时结冰，　对输水安全可能构成风险．　按现有规划设计（节制闸间距约３０ｋｍ），总水头差９８ｍ，沿程水头损失４５ｍ，渡槽虹吸　隧洞及节制闸等的预留水头损失５３ｍ．现假设每个节制闸的局部水头损失为０．２ｍ．若增　加节制闸个数，则不得不减小沿程水头以提供节制闸所需的局部水头损失，这样能坡变　缓，流速也将有所降低．下面以不同节制闸间距下因水头损失不同而导致的能坡、流速不　同为依据进行计算分析．最不利断面为下游低流速断面，取ｂ＝ｌ１．７ｍ，ｍ＝２．５，Ｑ＝８０　ｍ　／ｓ．计算结果见表４．　表４节制闸间距与相应最低流速　Ｔａｂｌｅ　４　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｆｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　节制闸间距，ｋｍ　１０　ｌ５　２０　２５　３０　３５　０４　４５　５０　最低流速，ｍ／ｓ　０．７０　０．７７　０．８０　０．８２　０．８３　０．８４　０．８４　０．８５　０．８５　由表４可见，节制闸间距越密，由于水头损失的增大而能坡变缓，最低流速值变小．由　中线工程冬季冰期输水问题的计算分析可知　］，总干渠冬季输水时虽然难以形成静态稳　定冰盖，却存在水内冰、水面流冰，可能形成冰塞和冰坝，将会不同程度的影响总干渠糙　率、水位和输水能力，对总干渠冬季安全输水构成一定影响．因此从冬季安全输水方面考　虑，最低流速应有一定限制．为保证流速大于０．８ｍ／ｓ，则间距应在２０ｋｍ以上．　１．５节制闸造价　由前面几方面的分析可以明显地看到，如果节制闸间距取得大，则一方面节制闸个数　维普资讯 http://www.cqvip.com

３５８　应用基础与工程科学学报　较少，建设投资及运行后的管理投资都比较少；另一方面局部水头损失小，节约水头，可以　使纵坡陡一点，渠道设计断面可以减少，有利于节约渠道建设投资及跨渠建筑物的建设投　资．节制闸间距小，情况则相反．由于渠道断面增大所引起的渠道及跨渠建筑物的建设投　资增加值目前较难量化，而建成运行中的管理费用也需要更详实的资料作更进一步的预　算．这里只粗略预算由于节制闸个数的不同而造成的投资差异，表５中建闸投资比为不同　节制闸间距下节制闸投资与间距为３０ｋｍ时节制闸投资之比．　表５节制闸个数与建闸投资比　Ｔａｂｌｅ　５　Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ　ａｎｄ　ｒａｔｉｏ　ｏｆｔｈｅ　ｇａｔｅ　ｃｏｓｔ　堇　塑　堕！　翌　竺　节制闸个数　１２６　８４　６３　５１　４２　３６　３２　２８　２６　建闸投资比　３．０　２．０　１．５　１．２　１．０　０．８６　０．７６　０．６７　０．６２　２影响因素综合分析及结论　以上从５个方面计算分析了节制闸间距长短所产生的各种不同影响，结果见图２，图　中实线表示该参数允许的取值，虚线为超过允许范围的值．正如前面所提到的，节制闸间　距的长短取舍是多因素控制的，很难给出唯一性评判．从图２的分析可以得出节制闸间距　为２０—３０　ｋｍ时，能满足各个参数的要求．间距上限的限制条件为泄空的时间，如适当加　大泄水流量或延长泄空时间，则可适当加长节制闸的间距，但最终取值还应视具体工程的　实际情况而定．　’　ｌＯ　２Ｏ　３Ｏ　４０　５０　节制闸间距。虹　图２节制闸间距综合比较　Ｆｉｇ．２　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌｓ　参考文献　［１］张野，刘心岩，赵文革．风壅水面高度计算公式适用范围的探讨［Ｊ］．黑龙江水专学报，２０００，２７（４）：３１．－３４　［２］潘少华．江河风浪计算中的一些问题［Ｊ］．人民黄河，１９９４，（７）：１３—１６　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＮＯ．４　张尚弘等：南水北调中线工程节制闸间距研究　３５９　［３］　董耀华，杨国录．大清河系观测河段及南水北调中线方案冰情计算分析［Ｊ］．长江科学院院报，１９９９，１６（６）：１３　１７　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　Ｇａｔｅ　Ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｆｏｒ　Ｍｉｄｄｌｅ－ｌｉｎｅ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｆｒｏｍ　Ｓｏｕｔｈ　ｔｏ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ＺＨＡＮＧ　Ｓｈａｎｇｈｏｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｘｉｎｇｋｕｉ　，ＴＡＮＧ　Ｌｉｍｏ　，ＺＨＡＮＧ　Ｈｏｎｇｌｉｎ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４；　２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｌＯＯ８５４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｈｅ　ｐｒｔｏｊｅｃｔ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｗｉｔｈ　ｓａｆｅｔｙ　ｗｏｒｋ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃ０ｌｎ６ｍ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｆｏｒ　Ｍｉｄｄｌｅ·Ｌｉｎｅ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｆｆｅｒ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｆｒｏｍ　ＳｏｕｔｈｔｏＮｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ，ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ＷＰＡ＇Ｏ　ｐｅｒｆ０ｌｍｅｄ　ｏｎｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｏｆｔｈｅｉｎｉｔｉａｌ　ｄｏｓｉｇＴｔ　ｄａｔａ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓｉｎｃｌｕｄｅｆｉｖｅ　ａｓｐｅｃｔｓ：ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ　ｌｉｔｙｏｆ　ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ；ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅｔｉｍｅｆｏｒ　ｄｅａｌｉｎｇ　ｗｉｔｌＩ　ａｃｃｉｄｅｎｔ；ｔｈｉｒｄ，　ｈｅ　ｔｓａｆｅｔｙｆｒｅｅｂｏａｒｄｆｏｒｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｎｄｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅ；ｆｏｕｒｔｈ，ｔｈｅ　ｈｅａｄｌｏｓｓ　ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｆｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｙ；ｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｓｔ　ｏｎｅ，ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｇａｔｅｓ．Ｔｌ￣ｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｌｌ　ｔｈｅｓｅ　ａｓｐｅｃｔｓ。ａ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｄｉｓｔａＲ（￣　（２０ｋｉｎ一３０ｋｉｎ）Ｗａｓ　ｇｉｖｅｎｆｏｒｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｇａｔｅｉｎｔｅｒｖａ１．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏＵｉｎｇ　ｇａｔｅ，ｉｎｔｅｒｖａｌ，ＷａｔｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ　Ｐｒｏｊｅｃｔｆｒｏｍ　ＳｏｕｔｈｔｏＮｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ，—ｍａ—ｉｎ　ｃｈａｎｎｅｌ