南水北調(diào)東線工程典型供排閘站施工導(dǎo)流分析研究

侯鈞宇，陳 棟，王 凱，楊晨霞，嚴春華

（1.淮安市水利工程建設(shè)管理服務(wù)中心，江蘇 淮安 223001 2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225100）

1 概 述

1.1 工程概況

南水北調(diào)東線工程南起揚州市長江干流，利用京杭大運河及與其平行的河湖，經(jīng)13 個梯級22 處樞紐34 座泵站提水入東平湖，穿黃北送等，線路總長1 466.50 km，抽江規(guī)模為500 m3/s，設(shè)計多年平均抽江水量87.66 億m3，供水范圍為黃淮海平原東部和山東半島，總面積16.62萬km2［1］。

自2013 年11 月南水北調(diào)東線一期工程運行10 年以來，累計調(diào)水入山東61.38 億m3，供水范圍內(nèi)直接受益人口超0.68 億。2019 年以來，通過東線北延應(yīng)急供水工程，累計向河北、天津地區(qū)調(diào)水5.87 億m3，綜合效益顯著［2］。

江蘇省沙集閘站工程位于睢寧縣沙集鎮(zhèn)西南約2 km處的南水北調(diào)輸水干線徐洪河上，地處東經(jīng)118°07′26.5″，北緯33°53′23″，距下游洪澤湖約72 km，具有防洪、除澇、灌溉、航運、發(fā)電等綜合功能［3］。

1.2 現(xiàn)狀供排水任務(wù)

1993 年建成的沙集站（設(shè)計流量50 m3/s）與2013 年建成的睢寧二站（設(shè)計流量60 m3/s）及中運河輸水線劉老澗梯級（設(shè)計流量230 m3/s）共同組成了“南水北調(diào)東線工程”第五供水梯級，承擔著“南水北調(diào)東線工程”調(diào)水任務(wù)。

沙集閘地處淮河下游，位于徐洪河上，屬洪澤湖周邊及以上區(qū)，沙集閘是廢黃河區(qū)間泄洪通道之一，設(shè)計分洪流量50 m3/s；沙集閘可相機排泄黃墩湖地區(qū)澇水；排澇面積309.37 km2；沙集站也可作為駱馬湖的分洪通道，相機分洪流量200~400 m3/s［4-5］。

1.3 沙集閘站施工計劃及導(dǎo)流標準

按原規(guī)模對沙集泵站進行加固，更換主機、電氣設(shè)備等，消除各類安全隱患，確保工程運行安全；并對沙集閘進行適當消險加固。為不影響區(qū)域行洪排澇，本工程水下部分需確保在一個非汛期內(nèi)完成，含機電部分的更新改造、上下游清污機橋工程、河道護砌和砼修補及防碳化處理［6］。

沙集泵站加固改造工程施工工期24個月，工程籌建期自2022 年5 月初開始，于2022 年10 月底開工，2024 年5 月底完工，要求2023 年5 月底前完成工程水下部分，確保2023 年6 月1 日前能打開圍堰，節(jié)制閘可運行；2023 年8 月具備臨時調(diào)水運行條件，泵站可運行［7］。

圍堰截流周期為：2022年10月至次年5月。

節(jié)制閘加固周期（即排水導(dǎo)流周期）為：2023年10月至次年5月。

泵站加固周期（即供水導(dǎo)流周期）為：2022 年10月至次年8月。

沙集泵站加固改造工程施工圍堰等臨時水工建筑物級別為4 級，導(dǎo)流建筑物設(shè)計洪水標準為施工期10年一遇［8］。

2 施工導(dǎo)流期水位及圍堰

2.1 施工導(dǎo)流水位分析

根據(jù)沙集閘站工程任務(wù)，分析不同工況下施工期（導(dǎo)流期）水位，最后綜合確定施工期水位［9-11］。沙集閘站施工導(dǎo)流期水位計算成果見表1。

表1 沙集閘站施工導(dǎo)流期水位計算成果

綜合表1 水位成果，結(jié)合《南水北調(diào)東線一期工程睢寧二站工程初步設(shè)計報告》成果，考慮施工期圍堰的重要性，導(dǎo)流期供排水需要，本次施工期10 年一遇上游水位取21.6 m（即睢寧二站站上設(shè)計水位），下游取16.09 m（即非汛期10 年一遇設(shè)計水位）。

2.2 圍堰方案分析

為便于清污機橋、引河交通橋及護砌工程順利實施，并結(jié)合河道清淤，擬在上、下游引河中打施工圍堰，上游圍堰中心線距站身130 m，下游圍堰中心線距站身約150 m。上游側(cè)施工圍堰長約65 m，采用素土填筑圍堰，距離泵站約130 m。施工期水位21.60 m，考慮安全超高和波浪高度，結(jié)合睢寧二站站上最高運行水位等要求，綜合確定設(shè)計圍堰頂高程22.50 m，在圍堰迎水面頂部設(shè)1.0 m 高擋水子堰。下游側(cè)施工圍堰長約65 m，采用素土填筑圍堰，距離閘站約150 m，非汛期10年一遇施工期水位16.09 m，考慮安全超高和波浪高度，結(jié)合施工臨時交通等要求，綜合確定設(shè)計圍堰頂高程18.50 m，為滿足防浪要求，在圍堰迎水面頂部設(shè)1.0 m 高擋水子堰。

3 施工導(dǎo)流流量

沙集閘站施工期（導(dǎo)流期）應(yīng)同時考慮沙集閘站排水需求和供水需求，其中沙集閘站—水閘工程施工期為10月至次年5月，沙集閘站—泵站工程施工期為10月至次年8月。

3.1 施工導(dǎo)流排水流量分析

3.1.1 沙集閘實測排水流量分析

根據(jù)沙集閘歷年非汛期實測最大流量資料分析，施工期（2022年10月至次年5月）沙集閘10年一遇流量為133.4 m3/s，非汛期歷史最大排水流量為216.0 m3/s（2005 年10 月11 日）、2005 年外非汛期歷史第二高排水流量為109 m3/s（2021年11月17日）［12-14］。

3.1.2 沙集閘非汛期設(shè)計排水流量分析

沙集閘承擔著黃墩湖地區(qū)相機排水任務(wù)，同時在適當時機下承擔著廢黃河區(qū)間洪水和駱馬湖洪水的分洪任務(wù)。當廢黃河區(qū)間發(fā)生非汛期10 年一遇洪水時（非汛期設(shè)計流量為17 m3/s），可通過慶安水庫（50年一遇設(shè)計）調(diào)蓄或泄洪，也可通過徐沙河上的沙集西閘排入徐洪河，慶安水庫設(shè)計防洪標準50年一遇、300年一遇洪水校核，當廢黃河區(qū)間發(fā)生非汛期10年一遇洪水時，慶安水庫完全有能力進行調(diào)蓄。2020年起，江蘇省啟動了黃墩湖洼地治理工程，現(xiàn)已基本完工，工程治理后，黃墩湖地區(qū)排澇條件明顯改善，區(qū)域排澇標準可達5年一遇，骨干河道防洪標準可達20年一遇，當黃墩湖地區(qū)遭遇非汛期10年一遇洪水時（非汛期洪水210.3 m3/s），黃墩湖地區(qū)有能力實現(xiàn)自排，有條件不啟用沙集閘相機排水。廢黃河以南徐洪河匯水區(qū)洪澇水直接排入徐洪河（沙集閘下段），無需經(jīng)過沙集閘下泄。當駱馬湖水位超過24.50 m 并預(yù)報繼續(xù)上漲時，退守宿遷大控制；嶂山閘泄洪控制新沂河沭陽站洪峰流量不超過7 800 m3/s；視下游水情，控制宿遷閘泄洪不超過1 000 m3/s；徐洪河適時分洪200~400 m3/s?，F(xiàn)駱馬湖防洪標準已達到50年一遇，非汛期駱馬湖發(fā)生10 年一遇洪水時，有能力實現(xiàn)自排，無需啟用徐洪河分洪。

綜上所述，沙集閘非汛期有能力不排水，設(shè)計工況下，沙集閘非汛期無排水任務(wù)。

3.1.3 施工期排水流量確定

表2 為沙集閘施工導(dǎo)流期流量計算成果，綜合表2 流量計算成果，確定沙集閘施工期導(dǎo)流流量為0。周邊相關(guān)地區(qū)排水維持現(xiàn)有排水體系即可。沙集閘施工期周邊相關(guān)區(qū)域排水情況如下：①黃墩湖地區(qū)維持現(xiàn)有排水體系，不采用沙集閘相機排水。②廢黃河區(qū)間澇水入慶安水庫調(diào)蓄等。③駱馬湖非汛期不向徐洪河分洪。④徐沙河排水區(qū)維持現(xiàn)有排水體系，經(jīng)沙集西閘排入徐洪河。

表2 沙集閘施工導(dǎo)流期流量計算成果

3.2 施工導(dǎo)流供水流量分析

根據(jù)沙集站2000—2020年抽水流量系列資料，對歷年（10 月—次年8 月）實測供水流量資料，進行累計頻率曲線分析，沙集站施工期（10 月至次年8 月）流量90%保證率流量為50 m3/s。沙集站設(shè)計供水流量為50 m3/s，供水高峰期為每年5—6 月，南水北調(diào)東線一期工程運行以來，歷年10 月至次年8 月沙集站平均供水總量為4.3億m3，最大供水總量達6.7 億m3。綜合以上兩種流量計算成果，考慮沙集站施工期跨沙集站供水高峰期，為充分保障供水安全，本次施工期供水導(dǎo)流流量取50 m3/s，即沙集站設(shè)計流量。

4 施工導(dǎo)流方案分析

4.1 排水導(dǎo)流方案分析

擬定多線路分流排水導(dǎo)流方案［15］：

線路一：廢黃河以北區(qū)黃墩湖地區(qū)洪澇水自排入駱南中運河。黃墩湖地區(qū)澇水維持現(xiàn)有排水布局，自排工況下，黃墩湖地區(qū)（徐洪河以西民便河片）澇水由民便河套閘排入民便河再入邳洪河，最終由新邳洪河閘排入駱南中運河，沙集閘不再承擔相機排水任務(wù)。

線路二：廢黃河以北黃墩湖地區(qū)洪澇水抽排入駱馬湖。黃墩湖地區(qū)澇水維持現(xiàn)有排水布局，當?shù)貐^(qū)無法實現(xiàn)自排時，黃墩湖地區(qū)澇水可由民便河站、皂河一站、邳州站抽排入駱馬湖、駱南中運河，沙集閘不再承擔相機排水任務(wù)。

線路三：廢黃河區(qū)間洪澇水經(jīng)慶安水庫調(diào)蓄等。沙集閘承擔著廢黃河分洪任務(wù)，沙集閘施工期廢黃河區(qū)間澇水17 m3/s，可經(jīng)慶安水庫調(diào)蓄或排入徐洪河經(jīng)徐沙河沙集西閘（設(shè)計流量637 m3/s）下排。

4.2 供水導(dǎo)流方案分析研究

分不同供水時期擬定不同的供水導(dǎo)流方案。

工況一：10 月至次年5 月供水導(dǎo)流方案。南水北調(diào)東線一期工程即現(xiàn)狀向膠東和魯北的輸水時間為10 月至次年5 月，沙集站（設(shè)計50 m3/s）施工期間，可采用西側(cè)睢寧二站（設(shè)計60 m3/s，備用機組20 m3/s）并根據(jù)需要啟用中運河輸水線進行供水導(dǎo)流。

工況二：6—8 月供水導(dǎo)流方案。6—8 月，江蘇省無需向省外供水，此時蘇北地區(qū)處于灌溉用水高峰期，可提前適當提高洪澤湖、駱馬湖水位，供水時可同時啟用睢寧二站和駱南中運河輸水線向蘇北地區(qū)供水。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié) 論

沙集閘具有相機排泄黃墩湖地區(qū)澇水、分泄廢黃河區(qū)洪水、分泄駱馬湖部分洪水的任務(wù)，非汛期（施工期）沙集閘不承擔相機排水及分洪任務(wù)，沙集閘施工期周邊相關(guān)區(qū)域排水情況如下：①廢黃河區(qū)間澇水入慶安水庫調(diào)蓄，余水經(jīng)沙集西閘排入徐洪河；②廢黃河以北區(qū)即黃墩湖地區(qū)洪澇水，維持現(xiàn)有排水體系，自排入駱南中運河或抽排入駱馬湖；③廢黃河以南即徐沙河等排水區(qū)，維持現(xiàn)有排水體系，經(jīng)沙集西閘等排入徐洪河；④駱馬湖非汛期不向徐洪河分洪。

根據(jù)工程建設(shè)任務(wù)、供水線路場段及運行管理成本，沙集站施工導(dǎo)流期確定為10 月至次年8 月，分時段進行導(dǎo)流設(shè)計如下：①向省外調(diào)水時（南水北調(diào)工況，10月至次年5月），采用睢寧二站，并根據(jù)需要啟用中運河輸水線進行供水導(dǎo)流；②6—8 月，提前適當提高駱馬湖、洪澤湖水位，同時啟用睢寧二站、中運河輸水線進行供術(shù)導(dǎo)流，當遭遇極限工況時，啟用睢寧二站備用機組（20 m3/s）進行供水導(dǎo)流，備用機組不滿足要求時，可在沙集站附近等架設(shè)臨時機組進行供水導(dǎo)流。

5.2 建 議

現(xiàn)有多功能水利工程施工導(dǎo)流，應(yīng)充分考慮各功能需求，進行分功能、分時段、分標準、分方案地進行導(dǎo)流，在保障工程安全的前提下，最大程度地發(fā)揮工程原有效益。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水利工程的綜合效益越發(fā)顯著，長期效益越發(fā)厚重，尤其南水北調(diào)東線工程等國家戰(zhàn)略性工程，在工程規(guī)劃建設(shè)時，應(yīng)充分考慮功能效益持續(xù)發(fā)揮的需要、后期運行維護的需要、工程安全運行的需要等，對關(guān)鍵工程進行分布式設(shè)計與建設(shè)，以提升工程效益、降低工程運維風(fēng)險及難度，延長工程壽命。