南水北调中线控制闸在渠道蓄水平压中的运用研究

李景刚，张学寰，陈晓楠，李 斌

（1.南水北调中线干线工程建设管理局，100038，北京；2.南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局，473000，南阳）

南水北调中线总干渠全长1 432 km，其中明渠总长1 087 km，沿线穿越高地下水渠段（地下水水位高于渠底高程）约470 km，其中地下水水位高于区内设计水位的渠段约160 km。为提高输水效率、减少输水渗漏损失、确保供水水质，南水北调中线总干渠渠道采用全断面混凝土衬砌结构，不允许内外水交换；同时，为有效解决衬砌面板的抗浮稳定问题，总干渠高地下水水位渠段建设期均采取以渠基排水为主的处理措施。

南水北调中线干线工程自2014年12月12日全线正式通水以来，在渠道运行期局部高地下水水位段，尤其在汛期发生暴雨后，受地下水水位升高影响，极易造成衬砌面板隆起破坏等失稳情况。为避免上述问题的出现，应严格控制渠道运行水位与渠坡面板下地下水水位的相对平衡，具体可采取调度和工程两种措施。其中，调度措施主要是通过抬升渠道运行水位实施蓄水平压，但无法解决面板下地下水水位高于渠道最高运行限制水位的问题；而工程措施可将面板下地下水水位降低直至满足要求，进而从根本上解决问题。然而，工程措施通常需要一定的建设周期。在此期间，为尽可能地减小高地下水水位对渠道衬砌面板带来的顶托失稳破坏，可临时启用调度措施，在一定限度内抬升渠道运行水位，局部渠段甚至可启用控制闸，以达到更好的水位抬升和蓄水平压效果。

本文结合南水北调中线河南方城高地下水水位段渠道蓄水平压过程中脱脚河倒虹吸出口控制闸的启用，对控制闸启用的工况条件、操作策略、调度方案以及保障措施等进行了研究，其成果对今后控制闸的启用和在渠道蓄水平压中的运用具有指导作用。

表1 方城段节制闸、控制闸设置及设计特征表

一、控制闸蓄水平压调度实施分析

1.控制闸启用工况条件

根据南水北调中线干线输水调度现行规程，“控制闸若无保持水位等要求，闸门可全部提离水面，不参与输水调度，但应处于待命状态，根据运行需要，可以投入输水调度”。结合南水北调中线干线工程近5年的通水运行实际，控制闸可能的启用工况主要有：①根据控制闸设计功能，须利用控制闸调节相应建筑物运行水位；②发生水质污染事件，须启用事故点邻近的控制闸缩短污染带、控制污染物扩散；③渠段地下水水位高，须通过启用两节制闸间控制闸抬高局部水位，实施蓄水平压；④节制闸发生故障，临时启用其邻近控制闸参与调度等。

2.控制闸启用蓄水平压作用

南水北调中线干线按照设计采用闸前常水位运行方式，主要以节制闸调节渠道的水位和流量来进行输水调度。全线共由64个节制闸分为63个渠池，同时在渠道倒虹吸出口另设置61个控制闸，以保障倒虹吸管的输水运行安全。其中，节制闸、控制闸均为弧形闸门，采用液压启闭机控制闸门的启闭，并可通过闸站监控系统实施远程闸门操控。

当渠道在未达到设计流量运行时，受水面坡度影响，如某一渠池下游端节制闸前虽按设计水位目标控制，而其上游水位低于设计水位，越靠近上游端节制闸后渠道水位较设计水位越低。此时若启用渠池内部控制闸，并按闸前设计水位目标控制，应能很大程度上抬升控制闸前部分渠段的渠道水位，从而有效平衡或抑制高地下水水位对渠坡衬砌面板的顶托影响。

3.控制闸启用蓄水平压可行性研究

在南水北调中线总干渠低于设计流量通水过程中，为实施渠道蓄水平压，当某一控制闸临时启用参与调度时，相当于在渠道内又增加一座节制闸。节制闸闸间距的变短，在渠道流量发生变化时，一定程度上会增加调度的灵活性。另外，控制闸的启用和渠道水位的抬升，将会占用掉部分渠道一定的调蓄空间并增加渠道运行风险。但在调度过程中，渠道水位通常会被控制在设计水位或加大水位以下的一定范围内，距离渠道超高甚至还有很大空间。即使遇局部大雨或暴雨天气，可及时通过上下游节制闸联调或开启邻近退水闸等应急调度措施，以化解水位快速上涨所带来的漫堤风险。总体上，渠道蓄水平压过程中控制闸的临时启用，调度运行风险整体可控，具有一定的操作可行性。

4.控制闸启用闸门操作调度策略

控制闸在启用过程中，为有效保障运行安全，闸门操作应按如下调度策略实施：①确定控制闸投入运行后的闸前目标水位，推算运行稳定后控制闸后水位，计算控制闸目标开度；②结合控制闸目标开度，调整控制闸闸门至水面以下，闸门水下深度初步可按该处水深的10%～20%控制；③根据控制闸目标开度、调整所需时间以及闸后实时水位下降速度，逐步调整控制闸闸门开度至目标开度附近。

操作过程中，控制闸闸后水位降幅速度按照日降幅不超过30 cm，每小时降幅不超过15 cm的要求控制。在紧急情况下，若要求必须短时间内实现控制闸启用时，过程中可不受水位降幅等日常调度控制指标的约束。

二、控制闸蓄水平压运用实例

1.方城段工程状况

南水北调中线河南方城段工程全长60.79 km，其中高地下水水位段52.68 km，分别采取逆止阀内排、逆止阀内排+自动泵抽排和移动泵抽排等排水措施。其间，共设有3座节制闸和3座控制闸，各闸具体设置及设计特征详见表1。

据统计，2014年10月—2018年6月，方城段渠道衬砌面板失稳共34处，发生时间主要出现在降雨天气或降雨后一段时间内。通过现场观测分析，渠道面板失稳主要是由于土工膜与改性土之间的水压力与渠道水位的水头差不能满足该部位衬砌面板的自重造成的。为此，现场采取在渠道衬砌面板安装逆止阀、采用乳化沥青封闭衬砌板与路沿石和一级马道与路沿石间缝隙、以及在一级马道外侧增加排水系统等工程措施，在一定程度上降低或控制了渠道面板下的地下水水位。

2.前期调度措施实施

在工程措施实施过程中，为有效应对汛期降雨带来的地下水水位抬升影响，避免渠道衬砌面板失稳情况的进一步发生，经研究决定临时启用调度措施，即抬高方城段渠道运行水位，尽可能减小渠道内外水位差。在2019年汛期，东赵河倒虹吸出口节制闸、黄金河倒虹吸出口节制闸和草墩河渡槽进口节制闸闸前目标运行水位，暂按设计水位以上0.65 m（低于加大水位约0.10 m）进行控制。

截至2019年5月17日，方城段3个节制闸闸前水位已逐步抬升到位。经现场观察，因渠道过流量偏低，受渠道水面线坡度影响，抬高草墩河渡槽进口节制闸闸前水位后，黄金河倒虹吸出口节制闸与脱脚河倒虹吸出口控制闸间的渠道运行水位抬高有限，对保障脱脚河倒虹吸出口控制闸上游高地下水水位渠段面板运行稳定的作用并不明显。为此，决定将脱脚河倒虹吸出口控制闸临时参与调度，闸前目标运行水位也暂按设计水位以上0.65 m控制，以有效抬高黄金河倒虹吸出口节制闸至脱脚河倒虹吸出口控制闸间的渠道运行水位，进而平衡渠道面板下的地下水。

3.脱脚河倒虹吸出口控制闸启用

（1）控制闸启用前运行状态

脱脚河倒虹吸出口控制闸 （桩号168+755）位于脱脚河倒虹吸出口，与出口检修闸共一闸室，闸室共长26 m，为2孔1联共2联，单孔净宽6.9 m，中墩和缝墩厚2 m，边墩顶厚2 m，边墩底部厚2.5 m，闸底板厚2.5 m，闸底板顶高程128.72 m，闸门为弧形钢闸门，配备2台630 kN液压启闭机。脱脚河倒虹吸出口控制闸设计运行水位136.74 m，加大运行水位137.50 m，设计流量330 m3/s，加大流量为400 m3/s。

2019年5月18日脱脚河倒虹吸出口控制闸启用前，4孔闸门均处于全开锁定状态，过闸流量约153 m3/s，闸前运行水位136.81 m，水深约8 m。控制闸参与运行调度后，闸前运行水位需按照137.39 m进行控制，若维持过闸流量不变，经计算，4孔工作闸门每孔目标开度约为2 150 mm。按照水利部印发的年度水量调度计划，2019年6—10月，脱脚河倒虹吸出口控制闸过闸流量基本在170～200 m3/s。

（2）控制闸启用调度方案

为保证脱脚河倒虹吸出口控制闸的安全、平稳启用，提前制定如下调度方案，并照此操作实施：①将脱脚河倒虹吸出口控制闸调整至水面以下1.5 m，然后逐步下调脱脚河倒虹吸出口控制闸，缓慢抬升脱脚河倒虹吸出口控制闸闸前运行水位；②在脱脚河倒虹吸出口控制闸抬升其闸前运行水位期间，同步上调黄金河倒虹吸出口节制闸，并适时调整草墩河倒虹吸出口节制闸，维持草墩河倒虹吸出口节制闸过闸流量基本不变，黄金河倒虹吸出口节制闸闸前水位在目标水位附近；③在调度过程中，通过上游节制闸联调抬升黄金河倒虹吸出口节制闸至脱脚河倒虹吸出口控制闸运行水位；④在调度期间，维持各渠段水位变幅在安全允许范围内。

（3）控制闸启用保障措施

脱脚河倒虹吸出口控制闸启用期间，为保证调度运行安全，现场采取如下保障措施：①落实控制闸闸前、后水位采集设施，提前排查各类机电设备，确保能够正常使用；②现场安排人员24小时值班，按要求采集、上报调度数据，并执行现地闸门操作指令；③为提高供电保障，在现有35 kV供电系统基础上，提前调配移动式柴油发电机到现场作为备用电源；④提前与地方水务部门做好沟通，将方城段清河退水闸、贾河退水闸作为应急退水通道。

三、结 语

本文通过对控制闸启用的工况条件、操作策略、调度方案以及保障措施等方面的研究，并结合脱脚河倒虹吸出口控制闸的实际运用，表明高地下水水位段实施蓄水平压过程中，尤其在渠道未达到设计流量运行时，局部临时启用控制闸是可行的，可以达到更好的水位抬升和蓄水平压效果。

当前，南水北调中线仍处于运行初期，对于控制闸在实际运行中的不同运用，仍需结合各种工况开展深入研究。同时，根据研究结果，对输水调度现行规程等做进一步的补充和完善，进而指导输水调度实践。